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2017 年度 実施状況報告書

地衣類・藻類・植物の乾燥下での超高速過剰光エネルギー散逸の分子機構解明と利用

研究課題

研究課題/領域番号 17K07440
研究機関名古屋大学

研究代表者

伊藤 繁  名古屋大学, 理学研究科, 名誉教授 (40108634)

研究分担者 井原 邦夫  名古屋大学, 遺伝子実験施設, 准教授 (90223297)
研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2020-03-31
キーワード光障害 / 乾燥耐性 / 光合成 / 光化学系 / 励起エネルギー移動 / コケ / 共生 / 環境適応
研究実績の概要

高等植物は、乾燥下でも根からの水供給により光合成可能だが、水供給がないと電子伝達が止まり、光が有害ラジカルを作る「光障害」で死ぬ。他方、維管束系を持たない地衣類(藻類/菌類の共生体)の多く、藻類、コケの一部は、細胞内まで乾燥しても、太陽光下で枯死せず、濡れるとすぐに光合成を再開する。この機構を検討した。
地衣類の多くは、乾燥下で光エネルギーを高速に熱変換し光障害を防ぐ事を、ピコ秒レーザとストリークカメラによるクロロフィル蛍光寿命測定から明らかにした。地衣類の多くは乾燥でクロロフィル蛍光寿命を1/10に短縮する。乾燥で「過剰励起エネルギー散逸機構」が作動し、光合成色素系内に生じた消光物質が、光反応速度より早く、光エネルギーを熱散逸させ、有害ラジカル形成を防ぐ事が示された。
乾燥耐性の地衣類の多く(48/50種)、コケの一部(6種)、シアノバクテリア(4種) などの示す類似特性を検討した。「過剰エネルギー散逸機構」には少なくとも4タイプがあり、種間差があることを明らかにした。一方、維管束植物10種、水性藻類10種にはこのような能力はなかった。さらに乾燥耐性と光耐性の関連を、独Wurzburg大学Heber名誉教授(2016/06逝去)の協力で入手した、近縁かつ乾燥耐性だが「陰生」と「陽生」と異なる光適応を示すコケ2種で調べ、異なる消光機構が乾燥誘導されること、これらは湿潤下で光障害防止に働く「非光化学的消光機構(NPQ)」とは直接関係ないことを明らかにした。成果を論文(Photosynthesis Res. 2017)出版した。さらに、光合成系を生体外に取り出したin vitroでの「乾燥誘導消光機構」の実験系を作製し、タンパク質レベル、光合成反応中心複合体レベルでの分子機構の解明を進め、遺伝子解析も展開する予定である。

現在までの達成度 (区分)
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

植物が乾燥条件下で発動する、過剰光エネルギーの散逸機構(dNPQ)を、地衣類、コケ、高等植物で、先端的光合成研究法(ピコ秒蛍光寿命測定と低温分光技術、顕微分光など)を活用し研究した。ピコ秒蛍光寿命測定系を用いて、湿潤、乾燥状態でのクロロフィル蛍光寿命の変化を定量的に調べた。一見、光合成をするとは思えない色の地衣類(例えば黒いモジゴケや、灰色で岩と共にしか採取できないイゴボケなど:秋田県立大岩崎郁子准教授らと採取)にもシアノバクテリアや緑藻が共生していて、その特徴的な蛍光が得られた。我々の開発した共焦点顕微鏡による1細胞蛍光スペクトル測定も行い、地衣類内での共生シアノバクテリアの存在部位、分布、状態を調べた。コケでは (a)乾燥耐性がない、(b)日陰でのみ乾燥耐性、(c)強い乾燥、強光耐性をもつ、の3型が見出された。さらにヒメツリガネゴケは遅い乾燥で(a)から(c)型が誘導された。これらのdNPQ機構の違いを検討中である。分子機構を解明するために、独Heber名誉教授の協力で、近縁かつ乾燥耐性だが「陰生(b)」と「陽生(c)」の異なる光適応を示すコケ2種を調べ、異なる消光機構が乾燥で誘導されること、これらは湿潤下で光障害防止に働く「非光化学的消光機構(NPQ)」とは直接関係ないことを明らかにした。蛍光寿命のグローバル解析を蘭van Stokkum教授との共同研究で行い、2つの異なるメカニズムが陰性と陽性を決める事を明らかにした。成果を論文(Photosynthesis Res. 2017)出版した。さらに多くの対象についてグローバル解析を適用予定である。in vitroでこの現象を研究できる実験系の開発を進めている。

今後の研究の推進方策

広範な植物種の乾燥湿潤下での蛍光寿命測定を室温と低温77Kで行い、フィコビリン、光化学系I,II(PSIとPSII)クロロフィルa蛍光帯を解析し、乾燥で変化する色素間でのエネルギー移動を新ソフトも使い検討する。励起エネルギーが反応中心中核部分やアンテナタンパク質から、乾燥誘導される長波長吸収帯(C740と命名)に移動し、熱散逸される過程、C740の出現の分子機構、存在部位などを検討する。
in vitro実験系を作成し、原因タンパク質の同定、dNPQ発動の条件(光、温度、乾燥速度などへの依存性)の決定をおこない、再湿潤時のdNPQ解消機構を調べる。藻類を内部共生する地衣類の生体では困難であった、光合成器官に直接作用できるセルフリー実験系を確立する。これには、適当な乾燥耐性コケから葉緑体を単離しblue-native ゲルで複合体を分離することで、dNPQを直接研究可能な実験系を開発する。ゲル上で直接蛍光測定可能な自作のファイバー分光測定系を利用し、複合体ごとのアンテナタンパク質の違いを調べる。乾燥でdNPQが誘導され、湿潤化で消える事を確認したヒメツリガネゴケの系を利用して、C740結合アンテナタンパク質を探索する。地衣体内部のゲスト生物 (モミジツメゴケ内のシアノバクテリアNostocや, イワカラタチゴケ内の緑藻トレボキシアなど) 1細胞ごとの色素系を共焦点顕微蛍光スペクトル解析法でしらべ、乾燥と系Ⅰ、Ⅱアンテナ内に生じる消光中心の変化の関係を明らかにする。

次年度使用額が生じた理由

藻類、地衣類、コケ類で乾燥誘導される、過剰光エネルギー散逸機構は、大きく分けて4類型があることが、室温と低温での超高速蛍光寿命解析から明らかになった。このために当初計画より、研究対象生物と検討対象となる乾燥誘導の消光機構が増え、乾燥誘導される光障害回避機構のin vivoでの実験を拡大した。このためにin vitro実験系の開発、生化学的な研究への展開がおくれ、費用支出が減り、次年度使用へと繰越をおこなった。この部分は現在進めているin vitro実験系開発に、次年度で使用する予定である。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 2件、 査読あり 4件) 学会発表 (4件)

  • [国際共同研究] Vrije Univ. Amsterdam,(オランダ)

    • 国名
      オランダ
    • 外国機関名
      Vrije Univ. Amsterdam,
  • [雑誌論文] Phosphatidylglycerol is implicated in divisome formation and metabolic processes of cyanobacteria2018

    • 著者名/発表者名
      T. Kobori, T Uzumaki, M Kis, L. Kovacs, I. Domonkos, S. Itoh et al,
    • 雑誌名

      Journal of Plant Physiology

      巻: 223 ページ: 96-104

    • DOI

      DOI: 10.1016/j.jplph.2018.02.008

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Light-Induced Electron Spin-Polarized (ESP) EPR Signal of the P800+ Menaquinone? Radical Pair State in Oriented Membranes of Heliobacterium modesticaldum: Role/Location of Menaquinone in the Homodimeric Type I Reaction Center2018

    • 著者名/発表者名
      Kondo Toru、Matsuoka Masahiro、Azai Chihiro、Kobayashi Masami、Itoh Shigeru、Oh-oka Hirozo
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry B

      巻: 122 ページ: 2536~2543

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.7b12171

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Lipid-Controlled Stabilization of Charge-Separated States (P+QB?) and Photocurrent Generation Activity of a Light-Harvesting?Reaction Center Core Complex (LH1-RC) from Rhodopseudomonas palustris2018

    • 著者名/発表者名
      Noji Tomoyasu、Matsuo Mikano、Takeda Nobutaka、Sumino Ayumi、Kondo Masaharu、Nango Mamoru、Itoh Shigeru、Dewa Takehisa
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry B

      巻: 122 ページ: 1066~1080

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.7b09973

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Mechanisms of drought-induced dissipation of excitation energy in sun- and shade-adapted drought-tolerant mosses studied by fluorescence yield change and global and target analysis of fluorescence decay kinetics2017

    • 著者名/発表者名
      Yamakawa Hisanori、van Stokkum Ivo H. M.、Heber Ulrich、Itoh Shigeru
    • 雑誌名

      Photosynthesis Research

      巻: 135 ページ: 285~298

    • DOI

      10.1007/s11120-017-0465-9

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 乾燥耐性コケの過剰励起光エネルギー散逸機構・クロロフィル蛍光のグローバル解析2018

    • 著者名/発表者名
      山川壽伯、van Stokkum, U. Heber, 伊藤繁
    • 学会等名
      日本植物生理学会
  • [学会発表] 南極に生育する緑藻、Prasiola crispaに見られる顕著な長波長シフトクロロフィルの生理学的解析2018

    • 著者名/発表者名
      小杉真貴子、小沢真一郎、伊藤美空、亀井保博、菓子野康浩、高橋裕一郎、伊藤繁、小池祐幸
    • 学会等名
      日本植物生理学会
  • [学会発表] 地衣類共生シアノバクテリアの炭素濃縮機構CCMと共生2018

    • 著者名/発表者名
      武藤鷹矢、佐藤知樹、北條楽、伊藤繁、岩崎郁子
    • 学会等名
      日本植物生理学会
  • [学会発表] 乾燥下でのシアノバクテリア・藻・地衣・コケ・高等植物の 超高速励起エネルギー散逸機構2017

    • 著者名/発表者名
      伊藤繁、山川壽伯、U.Heber、佐藤和樹、岩崎郁子, Z. Valkoi
    • 学会等名
      日本光合成学会

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公開日: 2018-12-17   更新日: 2022-02-22  

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