レドックスを基盤とした光合成機能スイッチングの環境適応原理

2023 年度 実績報告書

• 研究領域: 光合成ユビキティ：あらゆる地球環境で光合成を可能とする超分子構造制御
• 研究課題/領域番号: 23H04961
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 吉田 啓亮 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 准教授 (40632310)
• 研究分担者: 桶川 友季 岡山大学, 資源植物科学研究所, 助教 (10582439) ; 園池 公毅 早稲田大学, 教育・総合科学学術院, 教授 (30226716)
• 研究期間 (年度): 2023-04-01 – 2028-03-31
• キーワード: レドックス制御 / 光合成 / チオレドキシン / タンパク質酸化因子 / サイクリック電子伝達 / ステート遷移

研究実績の概要

本研究の目的は、酸化還元状態の変化に応じて光合成のオンオフを幅広く制御するスイッチング機構であるレドックス制御系の構造基盤・分子機能・生理意義を統合的に明らかにし、本領域研究「光合成ユビキティ」が目指す光合成の環境適応原理の理解に貢献することである。2023年度は以下の研究を行った。
研究代表者・吉田は、①レドックス制御系において還元力伝達のハブとして働くフェレドキシン―チオレドキシン還元酵素（FTR）のノックダウン株と過剰発現株を用いた解析により、光合成電子伝達速度とレドックス制御効率の関連性を見出し、レドックス制御系のダイナミクスに関する重要な知見を得た（Plant Cell Physiol. 2024）。②タンパク質酸化因子として働くACHTの過剰発現株を用いた解析により、レドックス制御の標的酵素の還元・酸化のバランスの重要性を明らかにした（J. Plant Res. 2024)。③タンパク質酸化因子であるACHTとTrxL2の多重欠損が植物の胚形成に異常をきたすことを見出し、光合成制御の範疇を超えたレドックス制御系の重要性を示唆する結果を得た（2024年植物生理学会）。
研究分担者・桶川は、ｘ型およびｙ型チオレドキシンの欠損変異株において光強度が変動する条件で光化学系Ｉの活性が低下することを見出し、レドックス制御系が光合成装置の光防御にも寄与することを明らかにした(Plant Physiol. 2023)。
研究分担者・園池は、フィコビリソーム関連因子の探索の過程で、フィコビリソームの機能制御の一つであるステート遷移の新奇制御因子と考えられる遺伝子を発見し、これが、プラストキノンのみならず、光化学系Ⅰ還元側のレドックス制御を受けている可能性があることを見出した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

研究代表者・吉田は、主に逆遺伝学・生理学的な解析によって、レドックス制御系の生理機能に関する新たな知見を得ることができた。当初の実施計画であったレドックス制御の構造機能相関については、まだアウトプットはないものの現在進行中である。その他、レドックス制御系の統合理解に向けた複数の研究が進んでいる。
研究分担者・桶川は、光化学系Ｉサイクリック電子伝達に加えて、チオレドキシンも光化学系Ｉ以降の電子伝達制御に関与するという新たな知見を得た。当初の実施計画であったサイクリック電子伝達のレドックス制御に関する研究についても現在進行中である。
研究分担者・園池は、これまでの研究成果を２本の共著の論文として発表し、新奇に発見したステート遷移の制御因子に関連する論文を現在投稿中である。
以上より、本研究課題はおおむね順調に進展していると評価する。

今後の研究の推進方策

研究代表者・吉田は、①ゲノム編集によって作出した様々なレドックス制御因子の変異株を用いて、該当因子の生理的インパクトを詳細に明らかにする。特に、光合成関連パラメータへの影響を詳細に解析する。②領域内連携によってレドックス制御による標的タンパク質の構造変化を明らかにし、機能変化と紐づけることでレドックス制御の分子メカニズムを明らかにする。③精製タンパク質を用いた試験管内の構成的手法を軸として、新規レドックス制御経路を明らかにする。
研究分担者・桶川は、光化学系Ｉサイクリック電子伝達の活性調節因子であり、レドックス制御タンパク質であるPGRL1に焦点をあてる。また、欠損変異株および過剰発現株の生理学的解析によって、サイクリック電子伝達を中心とした光化学系Ⅰ以降の電子分配制御について進化的視点から考察する。
研究分担者・園池は、おもに、新奇に発見したステート遷移の制御メカニズムの解明に取り組む予定である。

研究成果

• [雑誌論文] The phosphorylated pathway of serine biosynthesis affects sperm, embryo, and sporophyte development, and metabolism in Marchantia polymorpha (2024)
  • 著者名/発表者名: Wang M., Tabeta H., Ohtaka K., Kuwahara A., Nishihama R., Ishikawa T., Toyooka K., Sato M., Wakazaki M., Akashi H., Tsugawa H., Shoji T., Okazaki Y., Yoshida K., Sato R., Ferjani A., Kohchi T., Hirai M.Y.
  • 雑誌名: Commun. Biol. 巻: 7 ページ: 102
  • DOI: 10.1038/s42003-023-05746-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Divergent protein redox dynamics and their relationship with electron transport efficiency during photosynthesis induction (2024)
  • 著者名/発表者名: Yoshida K., Hisabori T.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 巻: in press ページ: in press
  • DOI: 10.1093/pcp/pcae013
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Overexpression of thioredoxin-like protein ACHT2 leads to negative feedback control of photosynthesis in Arabidopsis thaliana (2024)
  • 著者名/発表者名: Fukushi Y., Yokochi Y., Hisabori T., Yoshida K.
  • 雑誌名: J. Plant Res. 巻: in press ページ: in press
  • DOI: 10.1007/s10265-024-01519-2.
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Chloroplast K+/H+ EXCHANGE ANTIPORTER 3 modulates abscisic acid-induced reactive oxygen species generation in guard cells (2024)
  • 著者名/発表者名: Yamada N, Onjo M, Sonoike K, Shimazaki K, Iwai S
  • 雑誌名: Physiol. Plant. 巻: 176 ページ: e14136
  • DOI: 10.1111/ppl.14136
  • 査読あり
• [雑誌論文] Current insights into the redox regulation network in plant chloroplasts (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshida K., Hisabori T.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 巻: 64 ページ: 704-715
  • DOI: 10.1093/pcp/pcad049
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] x- and y-type thioredoxins maintain redox homeostasis on photosystem I acceptor side under fluctuating light. (2023)
  • 著者名/発表者名: Okegawa Y., Sato N., Nakakura R., Murai R., Sakamoto W., Motohashi K.
  • 雑誌名: Plant Physiol. 巻: 193 ページ: 2498-2512
  • DOI: 10.1093/plphys/kiad466
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Improved capacity for the repair of photosystem II via reinforcement of the translational and antioxidation systems in Synechocystis sp. PCC 6803. (2023)
  • 著者名/発表者名: Napaumpaiporn P, Ogawa T, Sonoike K, Nishiyama Y
  • 雑誌名: Plant J. 巻: 117 ページ: 1165-1178
  • DOI: 10.1111/tpj.16551
  • 査読あり
• [雑誌論文] PCP Research Highlights: Regulatory Role of Three Important Post-Translational Modifications in Chloroplast Proteins (2023)
  • 著者名/発表者名: Okegawa Y.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 巻: 64 ページ: 1119-1123
  • DOI: 10.1093/pcp/pcad097
  • 査読あり
• [学会発表] クラミドモナスPGRL1 タンパク質におけるシステイン残基の機能解析 (2024)
  • 著者名/発表者名: 高橋拓子，井須敦子，吉田啓亮，若林憲一，久堀徹，西山佳孝
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
• [学会発表] ゼニゴケの発生におけるセリン生合成リン酸化経路の機能 (2024)
  • 著者名/発表者名: 平井優美，王梦瑶，多部田弘光，大高きぬ香，桑原亜由子，西浜竜一，石川寿樹，豊岡公徳，佐藤繭子，若崎眞由美，明石寛道，津川裕司，庄司翼，岡咲洋三，吉田啓亮，佐藤諒一，Ali Ferjani，河内孝之
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
• [学会発表] シロイヌナズナpifi 変異体における光化学系II 最大量子収率の低下と葉緑体NDH 複合体活性の関わり (2024)
  • 著者名/発表者名: 村井美波，木村文香，今泉滉，吉田啓亮，車玉芬，石川規子，久堀徹，上妻馨梨，伊福健太郎
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 光合成誘導期におけるレドックス制御と電子伝達効率の関連性 (2024)
  • 著者名/発表者名: 吉田啓亮，久堀徹
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Functional analysis of Trx-like protein CDSP32 in chloroplast redox regulation (2024)
  • 著者名/発表者名: Minh Chau Tran, Keisuke Yoshida
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
• [学会発表] シロイヌナズナにおける色素体局在型Trx 様タンパク質の胚形成への関与 (2024)
  • 著者名/発表者名: 福士結香，横地佑一，久堀徹，吉田啓亮
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
• [学会発表] PSI サイクリック電子伝達とチオレドキシンシステムの PSI 光防御における関係 (2024)
  • 著者名/発表者名: 桶川 友季，坂本 亘
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
• [学会発表] シアノバクテリアにおける中性脂質蓄積の解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 谷川梨瑚、石川寿樹、溝口大樹、園池公毅、日原由香子
  • 学会等名: 第13回日本光合成学会年会
• [学会発表] シアノバクテリアに特有のクロロフィル蛍光上昇による過剰エネルギー放散機構の解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小川敬子、高橋拓子、西山佳孝、日原由香子、園池公毅
  • 学会等名: 第13回日本光合成学会年会
• [学会発表] x型およびy型チオレドキシンは光化学系Iの電子受容体側の制御に寄与する (2023)
  • 著者名/発表者名: 桶川友季、本橋健、坂本亘
  • 学会等名: 第13回日本光合成学会年会
• [学会発表] 光合成におけるプラストキノンとアシルプラストキノンの役割 (2023)
  • 著者名/発表者名: 園池公毅
  • 学会等名: 第87回日本植物学会大会
• [学会発表] Uncovering redox regulation network in plant chloroplasts (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshida K.
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2023 (TJPB2023)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] The role of PGRL1 in the photoprotection of photosystem I in the green alga Chlamydomonas reinhardtii (2023)
  • 著者名/発表者名: Takahashi H., Takayama K., Isu A., Wakabayashi KI., Yoshida K. Hisabori T., Nishiyama Y.
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2023 (TJPB2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Physiological impacts of Trx-like protein overexpression in Arabidopsis chloroplasts (2023)
  • 著者名/発表者名: Fukushi Y., Hisabori T., Yoshida K.
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2023 (TJPB2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Cystathionine-beta-synthase X proteins negatively regulate NADPH-thioredoxin reductase C activity (2023)
  • 著者名/発表者名: Tran C.M., Mihara S., Yoshida K., Hisabori T.
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2023 (TJPB2023)
  • 国際学会
• [学会発表] x- and y-type thioredoxins protect photosystem I from photoinhibition under fluctuating light (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuki Okegawa, Ken Motohashi, Wataru Sakamoto
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2023 (TJPB2023)
  • 国際学会
• [学会発表] Redox regulation of photosynthesis by the thioredoxin system in Arabidopsis (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuki Okegawa
  • 学会等名: US-Japan Binational Photosynthesis Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Redox condition and metabolic interaction in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 (2023)
  • 著者名/発表者名: Fukunaga T., Ogawa T., Sonoike K.
  • 学会等名: US-Japan Binational Photosynthesis Workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 東工大化生研 田中・吉田研究室
  • URL: http://www.res.titech.ac.jp/~biores/