2017 Fiscal Year Research-status Report
Mechanisms of ultra-fast excitation energy dissipation in lichens, algae, mosses and plant under drought stress and its application
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17K07440
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
伊藤 繁 名古屋大学, 理学研究科, 名誉教授 (40108634)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
井原 邦夫 名古屋大学, 遺伝子実験施設, 准教授 (90223297)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
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。
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| Strategy for Future Research Activity |
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。
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| Causes of Carryover |
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。
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