2015 Fiscal Year Research-status Report
乾燥下の光合成：地上進出を支えた新型最強の光エネルギー散逸機構の探索と機構解明
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26440139
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
伊藤 繁 名古屋大学, 遺伝子実験施設, 名誉教授 (40108634)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 光合成 / 乾燥耐性 / 地衣類 / コケ類 / 過剰エネルギー散逸 / 光障害回避 / 蛍光寿命 / レーザ分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
植物の地上進出には、乾燥大気のもとでの生存能力の獲得が必要であった。現在の高等植物は発達した維管束系や気孔を使い水分を積極的に地中から得て、光合成を行う。乾燥すると光合成はとまり、過剰な光エネルギーは活性酸素などの有害ラジカルを発生させ障害を与える。一方、初期の地上進出生物と考えられる藻類や、コケなどは、維管束系ももたず、簡単に水分を失い活動を停止するが枯死しない。この機構を明らかにするために、研究を進めた。結果は高等植物の乾燥耐性向上にも利用可能と考える。
乾燥耐性をもつ藻類、地衣類（藻類を内部共生する菌類）、コケ類、高騰植物の光合成系を調べた。乾燥耐性をもつ種の多くが、乾燥条件下では光エネルギーを高速に熱に変えることを、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の超高速減衰過程の測定から明らかにした。調べた地衣類50種の大部分では、乾燥により蛍光寿命が0.2-1ナノ秒から0.05－0.1ナノ秒に短縮された。これは、色素系内に乾燥誘導された消光物質により励起状態が、ラジカル形成反応より速く、熱として散逸されることを示す。
地衣類の大部分とコケ類の一部、シアノバクテリアがこのような性質を示した。この寿命短縮機構には種差、複数の機構があることが明らかになった。乾燥下での光耐性の強弱との関連性を調べるために「陰生」と「陽生」の乾燥耐性コケ近縁種を独Wurzburg大学Heber教授の協力で入手し、その違いを、300K―77Kの温度での蛍光寿命測定、パルス分光法などで調べた。通常の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も明らかになった。乾燥誘導される複数のエネルギー散逸機構が明らかになった。当初の計画よりもさらに詳しい総合的な解析が可能になった。2015年８月の原核光合成生物国際会議（独）などで成果発表した。
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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
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類型があることを、超高速蛍光寿命解析から明らかにした。今後はこの違いを、明確にして、分子機構を明らかにする。当初計画より、研究対象生物と機構はひろがり、より広く、乾燥条件下での光障害回避機構を研究可能になった。対象生物種と機構の広がりにより、当初の計画を拡大している。地衣類は栽培方法が未発達で、成長も遅く、天然環境下での採取にたよるため、これを対象にした研究に限界がある。実際に採取時期、地域、種による相違が大きいことをシアノバクテリア共生地衣類の顕微分光測定から明らかにした。同時に、当初計画したように、栽培環境を制御可能で遺伝子情報も得られているコケ類、藻類での研究を進めている。
葉緑体を取り出して外部環境を自由に制御できる、in vitro実験系の準備をすすめている。これにより分子レベルでの機構の検討が可能になると期待する。湿潤下での過剰光エネルギー散逸機構とは、かなり違うことも明らかになった。研究成果は上がったが、同時に新たな研究手段を開発する必要もでてきた
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| Strategy for Future Research Activity |
地衣類（緑藻かシアノバクテリアが共生）での過剰光エネルギー散逸過程。45種で行った研究結果を論文にまとめる。４種の異なる機構が発見されたので、個々の機構についてより詳しい解析を行う。77Kでの蛍光寿命については一部測定が終わっているので、さらに解析を進める。特に、未知であったシアノバクテリア共生地衣類について、地衣類内部での共生状態と、取り出して外部生育させ状態での蛍光特性を詳しく比較する。クロロフィルだけでなく、フィコビリン色素からの励起状態の散逸機構が新たに発見されたので、これを詳しく解明する。
コケ類について、地衣類でみられた複数の機構との類似関係を検討する。
さらに、コケ類から葉緑体を単離して乾燥耐性を調べ、試験官内での再現実験系をつくる。これを使い、自然環境から採取された地衣類では難しかった生化学的解析（原因光補修色素蛋白質の同定、その分子機構）を進める。この実験系で、乾燥耐性を示さない種、乾燥耐性を示すが陰生で光耐性の弱い種、強い乾燥光耐性をもつ種間での比較をする。葉緑体を単離して、in vitroでの乾燥光耐性の再現実験系を作る。高等植物でも、似た特性を示す２種について研究を進める。これらの結果を解析比較し、乾燥光耐性機構の種間での類似性と違いを検討する。地上進出との関係についても考察する。個別の機構解析の論文数編と、総合比較の論文数編、2016夏の国際光合成学会（オランダ）などで成果を発表する予定である。
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| Causes of Carryover |
地衣類の採取、同定が能率よく進み、当初予定よりも経費が節約できた。老朽化した蛍光寿命測定装置の保守改善費を予定していたが、消耗するピコ秒レーザ半導体ヘッドの劣化が許容範囲に収まり、予定より遅らせた。しかし、波長の違う３セットのレーザヘッド（合計300万円）と蛍光寿命測定の心臓部分であり劣化しつつあるストリークカメラと制御部分（約２千万円）は高額であり、一旦本格故障すればこの程度の繰越金の範囲に修復費が収まるかはわからない。ともかく丁寧に調整をしながら使用している。故障がなければ、繰越し金は、生化学消耗品と国際会議旅費に随時使用する予定である。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
地衣類の採取と同定が能率よく進み、当初予定よりも経費が節約できた。老朽化した蛍光寿命測定装置の保守改善費を予定していたが、ピコ秒レーザ半導体ヘッドの劣化が許容範囲内に収まり、更新を予定より遅らせた。しかし、波長の違う３セットのレーザヘッド（合計300万円）と蛍光寿命測定の心臓部分でありあるストリークカメラと制御部分（約２千万円）は高額でありともに経年劣化している。一旦故障すればこの程度の繰越金の範囲に修復費が収まるかはわからない。ともかく丁寧に調整をしながら使用している。
したがって、繰越し金は故障などがあればその保守整備に使用し、これが低額ですめば、生化学消耗品と、成果発表のための国際会議旅費に使用する予定である。
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