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2022 年度 実績報告書

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 – 2023-03-31
キーワード乾燥耐性 / 地衣類 / 光合成 / 光反応 / 非光化学的消耗 / 蛍光寿命 / 藻類 / シアノバクテリア
研究実績の概要

光合成反応は太陽光エネルギーを生命に取り込む。しかし、過剰な光は、光合成色素系を破壊する。この回避には、「非光化学的消光機構:nonphotochemical quenching:NPQ」が働き、光エネルギーを熱に変え、水の蒸散で冷却する事が知られ、分子機構も解明されつつある。だが、水不足の乾燥下ではNPQははたらかず、光エネルギーは有害ラジカルを生じて、多くの種は枯死する。しかし、乾燥耐性光合成種は多い。本研究では、「乾燥耐性種には、“乾燥誘導性の過剰光エネルギー散逸機構(drought-induced NPQ; d-NPQ)”が存在する事」を示し、その同定法、分布、機構を明らかにした。
端緒は、自主開発した、ストリークカメラ・超高速蛍光寿命測定装置による、多種な生物種のクロロフィル蛍光寿命の測定だった。一部の苔、地衣類は乾燥下で異常に速い蛍光(励起エネルギー)減衰を示し、加水で回復すること(d-NPQ現象)を発見し、乾燥耐性との関連に気づいた。d-NPQは乾燥で、色素系内に発動され、超高速(10ピコ秒)で光エネルギーを熱散逸させ、光傷害を防止する。100近い種を調べ、地衣類(藻類やシアノを体内共生する菌類)、コケ、シアノバクテリアに特にこの能力が分布する事を明らかにした。さらにNostoc種のシアノバクテリア(地衣類の多くに共生)の研究から、「d-NPQは光化学系Ⅱ反応中心内でおこる」、シアノバクテリアのフィコビリゾーム内には「別の独立したd-NPQ系」があることを示した。
機構解明のために、理論家と共同で、反応中心上でのエネルギー移動過程を理論面から検討した。計算機上に既知4種の1型反応中心の励起子理論モデルを構築し、その分光特性、エネルギー移動過程の再現、可視化、人為的な改変の理論面からの評価を可能にした。多様な種のd-NPQ過程の理論的検討を進めている。

  • 研究成果

    (14件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 1件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 7件)

  • [雑誌論文] Theoretical Model of the Far-Red-Light-Adapted Photosystem I Reaction Center of Cyanobacterium Acaryochloris marina Using Chlorophyll d and the Effect of Chlorophyll Exchange2022

    • 著者名/発表者名
      Kimura Akihiro、Kitoh-Nishioka Hirotaka、Aota Toshimichi、Hamaguchi Tasuku、Yonekura Koji、 Kawakami Keisuke、Shinzawa-Itoh Kyoko、Inoue-Kashino Natsuko、Ifuku Kentaro、Yamashita Eiki、 Kashino Yasuhiro、Itoh Shigeru
    • 雑誌名

      The Journal of Physical Chemistry B

      巻: 126 ページ: 4009~4021

    • DOI

      10.1021/acs.jpcb.2c00869

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Exciton quenching by oxidized chlorophyll Z across the two adjacent monomers in a photosystem II core dimer.2022

    • 著者名/発表者名
      Ahmed Mohamed, Shunsuke Nishi, Keisuke Kawakami, Jian-Ren Shen, Shigeru Itoh, Hiroshi Fukumura, Yutaka Shibata
    • 雑誌名

      Photosynthesis Research

      巻: 154 ページ: 277-289

    • DOI

      10.1007/s11120-022-00948-1

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Comparative genomic analysis of the marine cyanobacterium Acaryochloris marina MBIC10699 reveals the impact of phycobiliprotein reacquisition and the diversity of Acaryochloris plasmids2022

    • 著者名/発表者名
      Haruki Yamamoto, Kazuma Uesaka, Yuki Tsuzuki, Hisanori Yamakawa, Shigeru Itoh, Yuichi Fujita
    • 雑誌名

      Microorganisms

      巻: 10(7) ページ: 1374

    • DOI

      10.3390/microorganisms10071374

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Effects of light and oxygen on chlorophyll d biosynthesis in a marine cyanobacterium Acaryochloris marina2022

    • 著者名/発表者名
      Yuki Tsuzuki, Yusuke Tsukatani, Hisanori Yamakawa Yamamoto
    • 雑誌名

      Plants

      巻: 11(7) ページ: 915

    • DOI

      10.3390/plants11070915

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 緑色硫黄細菌の最小 I 型反応中心の光捕集機構:遺伝子操作的改変と理論的検討2023

    • 著者名/発表者名
      浅井智広、大岡宏造、伊藤繁、鬼頭宏任、木村明洋
    • 学会等名
      第64回 日本植物生理学会年会
    • 国際学会
  • [学会発表] I型反応中心の光捕集機構の原理2023

    • 著者名/発表者名
      伊藤繁、鬼頭宏任、木村明洋
    • 学会等名
      第64回日本植物生理学会年会
    • 国際学会
  • [学会発表] ベイズ最適化によるI型反応中心の励起子ハミルトニアンの修正2023

    • 著者名/発表者名
      下岡 渉、木村明洋 、鬼頭宏任、伊藤 繁
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
    • 国際学会
  • [学会発表] 新発見の遠赤色光型光化学系Iを用いた光合成光捕集効率向上への計算機実験2023

    • 著者名/発表者名
      中村有花、大河内幹仁、伊藤 繁、木村明洋
    • 学会等名
      日本物理学会2023年春季大会
    • 国際学会
  • [学会発表] 緑色硫黄細菌 I 型反応中心の励起状態の理論計算と主要 BChl-a 除去実験2022

    • 著者名/発表者名
      伊藤繁、木村明洋、鬼頭宏任、浅井智広、大岡宏造
    • 学会等名
      第12回日本光合成学会年会
  • [学会発表] 遠赤色光型反応中心 A. marina PSI の 光捕集におけるクロロフィル d の役 割:クロロフィル a を持つ T. elongatus PSI との比較2022

    • 著者名/発表者名
      木村明洋、鬼頭宏任、青田俊道、浜口祐、米倉功治、川上恵典、新沢-伊藤恭子、井上-菓子野名津子、伊福健太郎、菓子野康浩、山下栄樹、伊藤繁
    • 学会等名
      第12回日本光合成学会年会
  • [学会発表] 異なる色素種をもつ多様な光化学系I型反応中心上での励起エネルギー移動機構の理論2022

    • 著者名/発表者名
      中村有花、下岡渉、鬼頭宏任、伊藤繁、木村明洋
    • 学会等名
      量子生命科学会第4回大会
  • [学会発表] Exciton states on the Type-I reaction center of green sulfur bacterium Chlorobaculum tepidum studied by genetic manipulation of bacteriochlorophyll a and the structure-based theoretical modeling2022

    • 著者名/発表者名
      Chihiro Azai, Hirozo Oh-oka, Hirotaka Kitoh-Nishioka, Akihiro Kimura, Shigeru Itoh
    • 学会等名
      International Congress on Photosynthesis Research 2022
    • 国際学会
  • [学会発表] ヘリオバクテリア反応中心におけるChl-aFからBChl-gへの励起エネルギー移動速度の理論的解析2022

    • 著者名/発表者名
      下岡 渉、木村明洋 、鬼頭宏任、伊藤 繁
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会年会
    • 国際学会
  • [学会発表] 遠赤色光に適応した光化学系Iの光捕集におけるChlorophyll-fとRed-Chlorophyllの役割に関する理論的研究2022

    • 著者名/発表者名
      中村有花、大河内幹仁、伊藤 繁、木村明洋
    • 学会等名
      第60回日本生物物理学会年会
    • 国際学会

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公開日: 2023-12-25  

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