共同研究報告書


研究区分 一般研究

研究課題

 光エネルギー変換装置の環境適応のダイナミクス
新規・継続の別 新規
研究代表者／所属 岡大院自然科学
研究代表者／職名 教授
研究代表者／氏名 高橋裕一郎

研究分担者／氏名／所属／職名
　
氏　　名
所　　属
職　　名

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 皆川純 北大低温研 准教授

研究目的 光合成生物は大きく変動する環境下で効率よく光エネルギー変換反応を進める分子機構を発達させている。特に温度や光強度は重要な環境要因である。本研究では極限環境で光合成反応を解析することにより、光合成生物が様々な環境下でも光合成反応を進行する分子機構を明らかにする。そのため，緑藻クラミドモナスをモデル生物として用い，光合成効率の改善に重要な役割を果たすアンテナ複合体の構造と機能の解析を，生化学，および分子生物学および物理化学的手法を用いて実施する。
　　
研究内容・成果 本研究では，大きく変動する環境下で生育させた緑藻クラミドモナスから単離した光合成装置の生化学的解析を岡大の高橋グループが進め、環境適応に関する光合成タンパク質の分析を行った。特に、環境適応に関与する新規タンパクは質量分析装置（LC-MS/MS)により解析した。一方、単離した光合成装置の機能解析は低温研の皆川グループが進め、電子伝達活性や蛍光誘導期現象の測定を行った。本研究の目的の達成のため，生化学的解析結果と機能解析結果を総合して分析した。
　まず，異なる光環境下で光合成反応を効率よく進める機構を解明するため，ステート遷移に伴うアンテナ複合体の再構築を明らかにした。酸素発生型光合成の電子伝達系には，光エネルギー変換を行う光化学系が2種類機能する。2種の光化学系は直列に機能するため，その活性は十分に調節される必要がある。しかし，自然環境下では光の量と質が絶えず変化するため，活性のバランスが崩れたとき，アンテナ複合体が2つの光化学系間を移動し，光エネルギー分配を調節するステート遷移が起こる。ステート1状態ではより多くのアンテナ複合体が系1に結合し，ステート2ではより多くのアンテナ複合体が系2に結合する。そこで，緑藻クラミドモナスをDCMU存在下で光照射しステート1に誘導，もしくは嫌気条件下暗所でステート2の状態に誘導し，チラコイド膜を単離し，そのアンテナ複合体の分布について解析した。ステート1から2への遷移に伴い，リン酸化されたLHCIIの脱リン酸化が起こり，LHCIIが系1から系2へ段階的に移動することが示された。この結果は，ステート遷移に伴い，LHCIIが2つの光化学系複合体間を可逆的に移動し，それぞれのアンテナサイズを変化させることを示している。さらに，ステート1状態のときに系1に結合するLHCIIを定量的に分析した。系1に結合するLHCIIはCP26，CP29およびLhcbm5であるが，ステート2状態では約40%の系1複合体にLHCIIを結合することが分かった。また，放射性同位元素であるC-14で均一にラベルし，オートラジオグラフィーにより系1に結合するLHCIIの量を定量し，およそ5コピー存在することを明らかにした。その結果，系1複合体の反応中心クロロフィルP700当たりアンテナクロロフィルは270分子から340分子へ増加した。また，P700光酸化強度の閃光強度依存性の測定から，系1に結合したLHCIIに吸収された光エネルギーは系1反応中心へ移動することも確かめられた。以上実験より，ステート遷移により2つの光化学系の間をLHCIIが移動し，それぞれのアンテナサイズを必要に応じて増加させることを生化学および物理化学的解析により証明できたと言える。その他に，強光下で系2が障害・修復される過程に系2の小型サブユニットであるPsbTとPsb27が関与することを明らかにした。
　　
成果となる論文・学会発表等 N. Ohnishi and Y. Takahashi， Chloroplast-encoded PsbT is required for efficient biogenesis of photosystem II complex in the green alga Chlamydomonas reinhardtii， Photosynthesis Res. 95 (2008) 315-322
Molecular Remodeling of Photosystem II during State Transitions in Chlamydomonas reinhardtii， M. Iwai， Y. Takahashi and J. Minagawa， The Plant Cell 20 (2008) 2177-2189