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2017 Fiscal Year Annual Research Report

Feedback regulation of photosynthetic electron transfer by promo motive force

Planned Research

Project AreaNew Photosynthesis : Reoptimization of the solar energy conversion system
Project/Area Number 16H06554
Research InstitutionOkayama University

Principal Investigator

高橋 裕一郎  岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 教授 (50183447)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 坂本 亘  岡山大学, 資源植物科学研究所, 教授 (20222002)
田中 亮一  北海道大学, 低温科学研究所, 准教授 (20311516)
伊福 健太郎  京都大学, 生命科学研究科, 助教 (50359783)
Project Period (FY) 2016-06-30 – 2021-03-31
Keywords光合成電子伝達系 / プロトンチャネル / 光化学系複合体 / シトクロムb6f複合体 / 光阻害・光損傷修復 / フィードバック制御 / 葉緑体プロテアーゼ / タンパク質リン酸化
Outline of Annual Research Achievements

自然条件での変動する光環境下における光合成電子伝達活性の制御機構を解明するため、チラコイド・ルーメンの酸性化によるフィードバック制御、光エネルギーの捕集の制御、および光化学系の光損傷と修復に着目して、以下の研究を進めた。(1)チラコイド・ルーメンの酸性化の機構を理解するため、光化学系Ⅱ(PSII)酸素発生系からのプロトンの輸送チャネルの同定を進めた。PSIIの結晶構造から推定されたプロトン輸送に関与する可能性のある葉緑体にコードされたPsbA、PsbB、PsbC、PsbDサブユニット上のアミノ酸を置換した葉緑体形質転換体を作出した。また、核にコードされたPSII酸素発生系の表在性タンパク質(PsbP)のアミノ酸置換のための再構成系の構築も進めた。(2)シトクロムb6f複合体とPSIIの電子伝達活性の制御の解析のため、結晶構造からルーメンの酸性化によりプロトン化する可能性の高いアミノ酸を同定し、そのアミノ酸を置換する準備を進めた。特に、PetA、PetD、PetG遺伝子の形質転換系の開発を進め、4種の形質転換体を作出した。(3)電子伝達系の光損傷と修復に関与する因子の同定のため、光化学系Ⅰ(PSI)複合体の分子集合因子の同定・解析を進めた。PSIの生合成因子として葉緑体にコードされた因子と核にコードされた因子にHAタグを融合した葉緑体および核の形質転換体を作出し、タグを融合した因子をアフィニティー精製し、相互作用するタンパク質の同定を進めた。(4)PSII複合体の合成および光損傷後の修復に関与する因子の解析を進めた。光化学系Ⅱの構築に関わると考えられている因子の精製を行った。さらに、光損傷したPSIIの修復に必須なプロテアーゼの制御作用について、分子レベルでの解析を進め、損傷を受けた反応中心タンパク質の分解過程についての解明を進めた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

(1)PSIIのアミノ酸置換した形質転換体の解析から、D1-Asn298がYZの機能に重要であるが、D1-Asn298よりルーメンに近いアミノ酸残基はプロトン排出には関与しないと結論した。一方、D1-Asp61の側鎖の負電荷がプロトンの排出に重要な役割を果たしていることを変異体の解析と量子化学計算から明らかにした。また、in vitro再構成実験とクラミドモナス形質転換系を併用して、PsbPやPsbQとPSIIの相互作用が水分解-酸素発生反応に及ぼす影響を解析し、緑色植物で独自に発達したPsbP, PsbQホモログの機能解明も進めた。(2)シトクロムb6f複合体の結晶構造情報を活用した量子化学計算により、pKaが高い側鎖をもつ酸性アミノ酸をPetA、PetD、PetG上の4残基を特定し、ルーメンの酸性化に伴う電子伝達活性制御への関与を調べるための変異株を作出した。(3)葉緑体にコードされるYcf3が反応中心サブユニットPsaAとPsaBから反応中心複合体を形成する分子集合に必須であること、葉緑体にコードされるYcf4はコア複合体の形成とアンテナ複合体の結合に関与することを明らかにした。(4)PSII光損傷からの修復で迅速なD1分解を担うFtsHプロテアーゼの制御作用について、相互作用因子EngAの解析とFtsH2自身のリン酸化を引き続き解析し、EngAとの相互作用をBiFCで実証し、4箇所推定されたリン酸化部位のアミノ酸置換を行い、S212がFtsHの安定性に関与することを明らかにした。また、クロロフィル結合モチーフをもつLILタンパク質であるOHP1を精製したところ、光化学系IIのコアサブユニットである、D1/D2を含む複合体が得られた。

Strategy for Future Research Activity

(1) PSIIの酸素発生系で精製されたプロトンをチラコイド・ルーメンに放出するプロトンチャネルに関与するアミノ酸を同定するため、D1-Asp61に着目して研究を進める。また、表在性タンパク質(PsbOとPsbP)のプロトン輸送に関与すると予想されるアミノ酸の置換を核形質転換およびin votro再構成系を用いて進める。(2)シトクロムb6f複合体の電子伝達活性を制御すると予想されるPetA、PetD、PetG遺伝子の4種の形質転換体の解析を進め、特に強光条件下でルーメンが酸性化したときに電子伝達反応が受ける影響を調べる。(3)PSI複合体の分子集合に関わる因子でYcf3とYcf4以外の因子(Y3IP1、CGL71など)の機能解析を欠損変異株や相互作用するタンパク質の解明により進める。(4)FtsH2のリン酸化アミノ酸を置換した形質転換シロイヌナズナについて、斑入り変異の相補とFtsHの安定性、PSII活性、D1分解への影響等について解析進める。PSII修復とD1のトリプトファン残基(W14, W317)の酸化の関連性を解明する。既に精製に成功したOHP1複合体の全てのサブユニットが同定できる程度の純度と量が得られるまで、精製を改善する。また、同定されたサブユニットのRNAiによるノックダウンによる機能解析を進める。

  • Research Products

    (36 results)

All 2018 2017 Other

All Int'l Joint Research (6 results) Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 1 results) Presentation (23 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Invited: 4 results) Remarks (2 results)

  • [Int'l Joint Research] University of Muenster(ドイツ)

    • Country Name
      GERMANY
    • Counterpart Institution
      University of Muenster
  • [Int'l Joint Research] IBPC(フランス)

    • Country Name
      FRANCE
    • Counterpart Institution
      IBPC
  • [Int'l Joint Research] UC Barkley(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      UC Barkley
  • [Int'l Joint Research] University of Hyderabad(インド)

    • Country Name
      INDIA
    • Counterpart Institution
      University of Hyderabad
  • [Int'l Joint Research] University of Geneva(スイス)

    • Country Name
      SWITZERLAND
    • Counterpart Institution
      University of Geneva
  • [Int'l Joint Research]

    • # of Other Countries
      2
  • [Journal Article] Impairment of Lhca4, a subunit of LHCI, causes high accumulation of chlorophyll and the stay-green phenotype in rice.2018

    • Author(s)
      Yamatani H, Kohzuma K, Nakano M, Takami T, Kato Y, Hayashi Y, Monden Y, Okumoto Y, Abe T, Kumamaru T, Tanaka A, and Sakamoto W, Kusaba M.
    • Journal Title

      Journal of Experimental Botany

      Volume: in press Pages: in press

    • DOI

      10.1093/jxb/erx468

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Stable Accumulation of Photosystem II Requires ONE-HELIX PROTEIN1 (OHP1) of the Light Harvesting-Like Family.2018

    • Author(s)
      Myouga F, Takahashi K, Tanaka R, Nagata N, Kiss A.Z, Funk C, Nomura Y, Nakagami H, Jansson S and Shinozaki K
    • Journal Title

      Plant Physiol.

      Volume: 76 Pages: 2277-2291

    • DOI

      https://doi.org/10.1104/pp.17.01782

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Location of the extrinsic subunit PsbP in photosystem II studied by pulsed electron-electron double resonance2018

    • Author(s)
      Asada Mizue、Nishimura Taishi、Ifuku Kentaro、Mino Hiroyuki
    • Journal Title

      Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics

      Volume: 1859 Pages: 394-399

    • DOI

      10.1016/j.bbabio.2018.03.002

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] The Rubisco Chaperone BSD2 May Regulate Chloroplast Coverage in Maize Bundle Sheath Cells.2017

    • Author(s)
      Salesse C, Sharwood R, and Sakamoto W, Stern D.
    • Journal Title

      Plant Physiology

      Volume: 175(4) Pages: 1624-1633

    • DOI

      10.1104/pp.17.01346

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Deficiency of the Stroma-Lamellar Protein LIL8/PSB33 Affects Energy Transfer Around PSI in Arabidopsis.2017

    • Author(s)
      Kato Y, Yokono M, Akimoto S, Takabayashi A, Tanaka A and Tanaka R
    • Journal Title

      Plant Cell Physiol.

      Volume: 58(11) Pages: 2026-2039

    • DOI

      https://doi.org/10.1093/pcp/pcx124

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Phos-tagを用いたチラコイド膜におけるリン酸化タンパク質の網羅的検出法2018

    • Author(s)
      西岡佳司、加藤裕介、小澤真一郎、高橋裕一郎、坂本亘
    • Organizer
      第59回日本植物生理学会年会
  • [Presentation] 光化学系II修復サイクルでのFtsHプロテアーゼ自身の品質管理の重要性2018

    • Author(s)
      加藤裕介、兵頭究、坂本亘
    • Organizer
      第59回日本植物生理学会年会
  • [Presentation] ソルガムの在来種たかきびが出穂後に示す高温・強光耐性の光合成活性による評価2018

    • Author(s)
      大西紀和、坂本亘
    • Organizer
      第59回日本植物生理学会年会
  • [Presentation] 葉緑体DNA分解を介したリン利用効率・分配の最適化2018

    • Author(s)
      高見常明、大西紀和、栗田悠子、岩村育子、大西美輪、三村徹郎、坂本亘
    • Organizer
      第59回日本植物生理学会年会
  • [Presentation] クロロフィル合成酵素と光化学系 II アセンブリ複合体は相互作用をしているのか?2018

    • Author(s)
      高橋小春、明賀史純、小澤真一郎、篠崎一雄、高橋裕一郎、田中 歩、高林厚史、田中亮一
    • Organizer
      第59回日本植物生理学会年会
  • [Presentation] Photoprotection mechanisms of the drought-tolerant Jatropha curcas plant2018

    • Author(s)
      Helena Sapeta, Makio Yokono, Atsushi Takabayashi, Yoshifumi Ueno, Seiji Akimoto, Junko Kishimoto, Ayumi Tanaka, M. Margarida Oliveira, Ryouichi Tanaka
    • Organizer
      第59回日本植物生理学会年会
  • [Presentation] 光化学系 IIシトクロムb559 におけるアンチマイシAの影響2018

    • Author(s)
      高木大輔,伊福健太郎,西村大志,三宅親弘
    • Organizer
      第59回日本植物生理学会年会
  • [Presentation] PSIIの水素結合ネットワークYZ経路はプロトン排出に関与するか?2018

    • Author(s)
      黒田洋詩,兒玉なつ美,孫小羽,菓子野康浩,高橋裕一郎
    • Organizer
      第59回日本植物生理学会年会
  • [Presentation] PSII活性におけるD2タンパク質のR294残基の役割2017

    • Author(s)
      黒田洋詩、岡本真奈、高橋裕一郎
    • Organizer
      第8回日本光合成学会年会およびシンポジウム
  • [Presentation] Photosystem I complex assembly apparatus2017

    • Author(s)
      Sreedhar Nellaepalli, Shin-ichiro Ozawa, Hiroshi Kuroda and Yuichiro Takahashi
    • Organizer
      The 73rd Fujihara Seminar “Molecular Life of Diatoms"
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 緑藻クラミドモナスの光化学系Ⅰ集光性アンテナ複合体の構造2017

    • Author(s)
      小澤真一郎、高橋裕一郎
    • Organizer
      日本植物学会第8回大会
  • [Presentation] 光化学系Ⅱサブユニットへのアミノ酸置換と系Ⅱ活性への影響2017

    • Author(s)
      黒田洋詩、上田和世、岡本真奈、二宮亮、肥田千聖、高橋裕一郎
    • Organizer
      日本植物学会第8回大会
  • [Presentation] Identification and Characterization of a photosystem I assembly apparatus2017

    • Author(s)
      Sreedhar Nellaepalli, Shin-ichiro Ozawa, Hiroshi Kuroda and Yuichiro Takahashi
    • Organizer
      8th International Conference Photosynthesis and Hydrogen Energy Research for Sustainability
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Isolation and characterization of photosystem I assembly apparatus2017

    • Author(s)
      Yuichiro Takahashi
    • Organizer
      Taiwan-Japan Plant Biology 2017
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Organelle DNA degradation as a possible role of organelle DNA as nutrient reservoir during senescence2017

    • Author(s)
      Wataru Sakamoto
    • Organizer
      10th International Conference for Plant Mitochondrial Biology
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Chloroplast DNA and nutrient salvage: a new concept2017

    • Author(s)
      Wataru Sakamoto, Norikazu Ohnishi, Tsuneaki, Takami
    • Organizer
      Taiwan-Japan Plant Biology 2017
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] シロイヌナズナ葉緑体ペプチドエクスポーターの解析2017

    • Author(s)
      西村健司、関谷堂真、石森元幸、高見常明、加藤裕介、宮地孝明、坂本亘
    • Organizer
      第59回日本植物生理学会年会
  • [Presentation] ストロマラメラに局在するLight-harvesting-likeタンパク質LIL8の機能解析2017

    • Author(s)
      Yukako Kato, Makio Yokono, Seiji Akimoto, Atsushi Takabayashi, Ayumi Tanaka, Ryouichi Tanaka
    • Organizer
      日本植物学会第81回大会
  • [Presentation] Photoprotection mechanisms of the drought-tolerant Jatropha curcas plant2017

    • Author(s)
      Helena Sapeta, Makio Yokono, Atsushi Takabayashi, Seiji Akimoto, Junko Kishimoto, Ayumi Tanaka, M. Margarida Oliveira, Ryouichi Tanaka
    • Organizer
      Taiwan-Japan Plant Biology 2017
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Deficiency of the Stroma-lamellar Protein LIL8/PSB33 Affects the Dynamics of Light-harvesting Complexes and Energy Transfer around Photosystem I in Arabidopsis2017

    • Author(s)
      Yukako Kato, Makio Yokono, Seiji Akimoto, Atsushi Takabayashi, Ayumi Tanaka, Ryouichi Tanaka
    • Organizer
      Taiwan-Japan Plant Biology 2017
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 光化学系II膜表在性タンパク質の分子進化と水分解反応における役割2017

    • Author(s)
      伊福健太郎
    • Organizer
      第8回日本光合成学会年会およびシンポジウム
  • [Presentation] INTERACTION AND FUNCTION OF THE MEMBRANE-EXTRINSIC PROTEINS OF PHOTOSYSTEM II IN HIGHER PLANTS2017

    • Author(s)
      Ifuku Kentaro
    • Organizer
      International Conference, Photosynthesis Research for Sustainability
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] PSII活性におけるD2タンパク質のR294残基の役割2017

    • Author(s)
      黒田洋詩,岡本真奈,高橋裕一郎
    • Organizer
      第8回日本光合成学会年会およびシンポジウム
  • [Remarks] 研究室ホームページ

    • URL

      http://www.biol.okayama-u.ac.jp/takahashi_y/index.htm

  • [Remarks] 研究室ホームページ

    • URL

      http://www.rib.okayama-u.ac.jp/saka/

URL: 

Published: 2018-12-17   Modified: 2022-02-28  

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