光合成研究第22巻

第	
 2号（通巻64号）2012年8月

NEWS LETTER Vol. 22 NO. 2 August 2012
THE JAPANESE SOCIETY OF PHOTOSYNTHESIS RESEARCH
トピックス RNA編集による暗所作動型プロトクロロフィリド還元酵素の活性制御		

山本 治樹（名大）	

解説 果実の光合成
	

園池 公毅（早大）	

解説特集「光合成を支えるテトラピロール代謝の多様性」	

	

序文
	

田中 亮一（北大）	

解説 新しく発見されたクロロフィルf
	

大久保 智司（京大）	

解説 ラン藻のテトラピロール生合成系の嫌気環境適応と進化的視点	

青木 里奈、藤田 祐一（名大）	

解説 クロロフィル合成系の多様性はいかにして生まれたか？
	

伊藤 寿、田中 歩、田中 亮一（北大、CREST/JST）	

解説 代謝工学による新たなクロロフィル分子の合成	

土屋 徹（京大）	

解説 植物細胞におけるヘム代謝研究の新展開	増田 建（東大）	

解説 高等植物のクロロフィル合成系の制御	

小林 康一（東大）	

報告記事 第3回日本光合成学会（年会・公開シンポジウム）開催報告
	皆川 純（基生研）、寺島 一郎（東大）	

報告記事 日本光合成学会特別賞 「光と緑の賞」授賞式	

	

報告記事 第3回日本光合成学会優秀ポスター賞受賞者	

	

報告記事 若手の会活動報告〜第六回セミナー開催報告、第七回セミナー告知など〜	

 成川 礼（東大）	

報告記事 光合成学会若手の会第六回セミナーに参加して		

佐藤 諒一（東工大）	

集会案内 Okayama University International Symposium
Structure and Dynamics of Photosynthetic Systems		

書評 森のバランス−植物と土壌の相互作用−（森林立地学会編）
		

篠原 健司（森林総研）	

事務局からのお知らせ	

日本光合成学会会員入会申込書	

日本光合成学会会則	

	 	

幹事会名簿	

	

 	

編集後記	

	

 	

記事募集	

	

 	

賛助法人会員広告

	

	

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TOPICS

RNA編集による暗所作動型プロトクロロフィリド還元酵素の活性制御§
名古屋大学 大学院 生命農学研究科

1. はじめに山本

治樹*

LPORが短鎖デヒドロゲナーゼ／レダクターゼ(SDR)

光合成生物は、クロロフィルもしくはバクテリオク

ファミリーに属するのに対し、DPORは窒素固定酵素

ロロフィルを用いて光エネルギーを受容し光合成を行

ニトロゲナーゼと共通の祖先をもつと考えられていう。1 9 9 0年代以降の分子生物学、生化学的研究による。DPORは、その酵素化学的性質だけでなく、最近り、(バクテリオ)クロロフィルの生合成に関わる酵素

明らかとなった立体構造においてもニトロゲナーゼと。その中で筆者は高い類似性を示した9,10)。本稿では、RNA編集という生合成後期の律速段階であるプロトクロロフィリド

転写後修飾によりDPORの活性が制御されているとい(Pchlide) 還元反応を触媒する酵素、光依存型 Pchlide

う結果について報告、議論したい。

群の実態が明らかにされつつある

1,2)

還元酵素 (LPOR)と暗所作動型Pchlide還元酵素 (DPOR)に焦点を当て研究を行ってきた (図1)。LPORは、単一

2. DPORの分布のポリペプチドからなる酵素であり、NADPH及び光

クロロフィル生合成の後期の律速段階であるPchlide

エネルギーを用いてPchlideからクロロフィリドへの還還元は、バクテリオクロロフィルおよびクロロフィル

元を行う 。一方、DPORは、ChlL、ChlN、ChlBと呼生合成において共通の反応であり、光合成生物が光合ばれる 3 つのサブユニットから構成され、フェレドキ成を行うために必須の酵素反応の1つである。この反シンなどからの還元力と A T P を用いて光非依存的に応を触媒する酵素として前述のLPORとDPORが報告。DPORは、保持する金属中心されており、光合成生物はこれら2つの酵素のうち、3)

Pchlideの還元を行う

4-7)(4Fe-4S型鉄硫黄クラスター)が酸素に対し不安定であ片方もしくは両方を有する11)

るため、空気にさらされることで速やかに失活する

く分岐したと考えられる酸素非発生型光合成を行う光。これらの2つの酵素は、進化的に起源が異なり、合成細菌は、 D P O R のみを保持している。それに対6,8)(図2)。進化的により早し、酸素発生型光合成を行うシアノバクテリア、緑藻、コケ植物、シダ植物、裸子植物などではLPORとDPORが併存する。進化的に最も最近分岐した被子植
物はLPORのみをもち、現在のところ明らかにされた被子植物のいずれのゲノムにおいてもD P O Rをコードする遺伝子は見つかっていない。これらの分布から、生命の黎明期に最初に出現した光合成生物は、DPOR
のみを用いてPchlideの還元を行っていたが、酸素発生型光合成を行うシアノバクテリアの出現に伴い環境中の酸素濃度が上昇し、酸素によってDPORの不活性化

図1 プロトクロロフィリド還元反応
クロロフィル生合成後期の律速段階であるプロトクロロ
フィリド還元反応には進化的起源の異なる 2 つの酵素
DPORとLPORが存在する。
第2回日本光合成学会シンポジウム* 連絡先が起こるようになったため、酸素に対し安定なLPORがSDRファミリーから進化してきたと考えられる12)。

発表賞受賞論文（ポスター発表）

E-mail: yamamoto.haruki@h.mbox.nagoya-u.ac.jp62光合成研究22 (2) 2012

3. 葉緑体におけるRNA編集
続いてRNA編集という現象について紹介をする。真核生物では転写されたmRNAに様々な修飾がなされ、成熟mRNAとなる。mRNAの成熟に関するプロセスとしてイントロンを除去する R N A スプライシングや、
3 ’ 末端にアデニンを付加するポリアデニル化などのRNAプロセシングがよく知られている。RNA編集は塩基の置換や挿入、欠失を生じるプロセスであり、RNA
プロセシングとは異なるRNA成熟過程として認識されている17)。高等植物では、RNA編集はミトコンドリアや葉緑体といった細胞内小器官において観察される
17)。RNA編集は、mRNAの特定の部位において塩基の挿入や置換が起こるため、遺伝子のコード領域で起こ
図2 LPORとDPORの分子系統樹および光合成生物における分布
LPOR及びDPORのサブユニットの1つChlL/BchLのアミノ酸配列を元に作った分子系統樹。光合成細菌(赤)はDPORのみを、被子植物(青)はLPORのみを、シアノバクテリア・緑藻・コケ植物・裸子植物など(紫)は両酵素を保持している。

るとコドンの変更を引き起こす場合が多い (図3)。また、開始コドンの生成や終止コドンの変更等、翻訳の開始や終結の変更をもたらす例も報告されており18)、
RNA編集は、正常な長さの蛋白質が発現するために必須の過程となっている。また、コドンの変更によるア

この仮説は、全ての酸素発生型光合成生物がLPORを

ミノ酸残基の置換を引き起こすRNA編集は、置換によもつことからも裏付けられる。そして被子植物へと進り進化的に保存性の高いアミノ酸残基に変化する例が化する段階で、DPORを喪失し、LPORのみを用いて多い 1 8 , 1 9 ) 。このように、R N A編集により翻訳の正常

Pchlide還元反応を行うようになったと考えられる。こ化、保存性アミノ酸残基への置換が起こるため、正常のDPORの喪失の理由は明確ではないが、筆者は以下の考えを博士論文にまとめている。「被子植物は、DPOR喪失によりPchlide還元反応が完全に光依存的となる。これにより光強度や光質の変化に応じてPchlide
還元反応の速度が変化することとなり、弱光や暗所においてPchlideの蓄積が引き起こされる。この関係を利用しPchlide蓄積を暗所 (もしくは弱光)のシグナルとして捉え、クロロフィルなどの光合成色素合成や光化学系の構造などを外界の光環境に適応させる系を進化させてきたと考えている 1 3 ) 。」

被子植物において

DPORは失われたものの、裸子植物をはじめとする維管束植物やコケ植物、緑藻、シアノバクテリアにおいてはDPORとLPORが併存しており、シアノバクテリア
では光や酸素環境に応じた機能分化がなされているようである 1 2 , 1 4 ) 。筆者は、酸素に対し不安定な酵素
DPORが、酸素発生型光合成生物においてどのように活性を維持しているか、また生理学的にどのような役割を担っているのかという点に興味を持ち研究を進めてきた

8,15,16)

	

図3 RNA編集による塩基置換
RNA編集では部位認識因子によりmRNAの特定部位が認識され、RNA編集酵素によりその特定部位がCからUに置換される(A)。CからUの置換は、RNA編集酵素によって触媒される
脱アミノ反応を介して行われる (B)。

。

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な活性を示す酵素の発現にはRNA編集による塩基置換

く配置される蛋白質の表層といった一見活性とは無関が必要である。高等植物のRNA編集において塩基置換係な位置にアミノ酸置換部位が存在することが多い。

の種類はCからUが圧倒的に多く、全体の9 0 %以上をしかし、RNA編集によって引き起こされるアミノ酸置。また、置換の対象となるCの5’側に隣接す

換はアミノ酸残基の性質を変えるもの多く、 S e r

る塩基は、T (約60%)かC (約30%)であり、90%以上の(UCG)→Leu (UUG)、Ser (UCU)→Phe (UUU) や Arg

確率でピリミジン塩基である。D N A上で連続するピ(CGG)→Trp (UGG) などの置換ではアミノ酸の性質がリミジン塩基は、紫外線照射により高頻度にピリミジ親水性から疎水性に変わる。また、へリックスブレイ

ン二量体形成する 。特にチミン二量体の形成が最もカーとして知られるP r oが関わる置換も多く、活性部

頻度が高い。このためDNA中の5’-XTTX-3’配列にお位周辺に位置しなくとも重要な構造変化を引き起こす

いてチミン二量体形成を防ぐため、D N A上ではT→C可能性が高い。筆者が研究するDPORでも、クロマツ

置換によって5’-XTCX-3’配列として保存し、C→U置などの裸子植物の葉緑体においてRNA編集によるアミ換を行うRNA編集により本来のDNA配列に対応するノ酸残基の置換が報告されている23-25)。DPORのサブ

RNA配列、5’-XUUX-3’にRNAレベルで再置換するこユニット遺伝子chlBのコード領域において206番目のとによって翻訳に影響が出ないようにする。この過程

Pro (CCG) と213番目の Arg (CGG) のコドンがそれぞれによって、紫外線による D N A 損傷を最小限に抑えつ

Leu (CUG) と Trp (UGG) に変換される。本稿ではこれ

つ、正常な翻訳産物を生合成できると考える説が有力

らのアミノ酸置換がDPORの活性に与える影響についである19)。なかばやむなく導入したDNA上の置換変異て報告をしたい。

占める

18)

20)

をRNAの段階で元に戻しているという考えである。ゲノム上で T から C に置換しても蛋白質の機能に影響が4. DPORにおけるRNA編集

出ないような配列部位では、次第にRNA編集が行われ真核光合成生物においてD P O Rを構成する3つのサ

なくなり消失していったと考えられている。そのた

ブユニットの全ての遺伝子chlL、chlN、chlBは葉緑体

め、現在報告されているRNA編集部位には、遺伝子のD N A にコードされている 1 1 ) 。その中で、クロマツ

コード領域内で保存性が高く、機能的に重要なアミノ酸残基の置換を伴うものが多い。実際にいくつかの酵
素で、RNA編集によるアミノ酸置換が活性に与える影響について報告されている。エンドウの葉緑体DNAにコードされるアセチルC o Aカルボキシラーゼβサブユ
ニット A c c D では、 R N A 編集により 2 6 7 番目の S e r(UCG)が保存性の高いLeu (UUG)に置換される。組換
え酵素を用いた実験により、この置換が酵素活性に必須であることが示された21)。また、ホウレンソウの葉緑体DNAにコードされる光化学系IIのサブユニットの図4 裸子植物のChlBにおいてRNA編集によりアミノ酸置換が起きる領域のアライメント及びシアノバクテリアChlBへのアミノ酸置換導入
上からクロマツ Pinus thunbergii、カラマツ Larix decidua、ヒメツリガネゴケ Physcomitrella patens、ゼニゴケ Marchantia
polymorpha、緑藻 Chlorella pyrenoidosa、シアノバクテリア
Thermosynechococcus elongatus のChlBをアライメントした。
クロマツおよびカラマツにおいてRNA編集により置換される部位を赤矢印で示す(A)。シアノバクテリアL. boryanaのChlBにおいて、クロマツのRNA編集前のアミノ酸配列を再現する
ような２種類のアミノ酸置換を導入した。クロマツのChlBでRNA編集前にArgをコードするコドンはCGGとなっているが、シアノバクテリアのChlBにArg置換変異を導入するときにはコドン出現頻度を考慮して、CGCを使用した (シアノバ
クテリアでの特殊な置換を青で示す) (B)。

1つPsbFにおいても、RNA編集によりSer (UCU)が保存性の高い Phe (UUU) に置換されることが知られている。この置換が起こらない形質転換体ではin vivoでク
ロロフィル含量の低下や高いクロロフィル蛍光を示し、光合成の変異で見られる典型的な表現型を示した22)。
これらの結果からもR N A編集によるアミノ酸の置換は、酵素活性に重要な影響を与えると考えられるが、蛋白質の立体構造におけるアミノ酸置換部位が必ずしも活性部位付近に存在するというわけではない18)。むしろ、一般的に疎水性アミノ酸残基で構成されるフォールディングの中心部分や、親水性アミノ酸残基が多64

光合成研究(Pinus22 (2) 2012

5. RNA編集によるアミノ酸置換とDPOR活性のthunbergii)ではchlNに1箇所、chlBに2箇所の関係RNA編集部位があることが報告されている 。特に、
24)c h l B における 2 箇所の R N A 編集部位は、カラマツ

筆者は、これまでの研究でDPOR遺伝子を破壊した(Larix decidua)やドイツトウヒ (Picea abies)のchlBでもシアノバクテリアの変異株で、他の生物由来のD P O R

共通していることから、クロマツ以外の針葉樹でも同遺伝子を発現させ暗所での緑化能の相補によりDPOR。この2の活性の評価する系を確立した8,13,15)。このシアノバク

箇所のRNA編集部位では前述のように塩基置換によりテリアを用いたDPOR活性評価系は葉緑体DNAにコー

コドンが変わり、それぞれの箇所で保存性の高いアミドされるDPORにも適用が可能で、ヒメツリガネゴケ

ノ酸残基へと置換される ( 図 4 A ) 。この R N A 編集との葉緑体DNAにコードされるDPORが活性を有するこ

DPORの活性の関係性は針葉樹の芽生えを用いた実験とを実証した 15) 。そこで、この系を活用してクロマツにより検証が試みられてきた 23,25) 。針葉樹はDPORをのchlBにおけるRNA編集によるアミノ酸置換とDPOR保持するため原理的には暗所におけるクロロフィル生

活性の関係を直接評価しようと考えた。RNA編集によ

合成、すなわち緑化が可能である。しかし、暗所ではり置換される2つのアミノ酸残基は広い生物間で保存

黄化してしまう種や暗所でのクロロフィル含量が明所されているため、クロマツ以外の生物の持つDPORにに比べきわめて低い種も存在しており、暗所における

おいてもこのアミノ酸置換の効果が検証可能と思われ。この緑る。まず、すでに活性測定系が確立しているシアノバ化能の違いは、DPORの遺伝子chlBにおけるRNA編集

クテリア Leptolyngbya boryana のDPORを用いてこれの効率に起因する可能性がある。D e m k oらの報告でらのアミノ酸置換の活性への影響を調べた。RNA編集

は、暗所で生育させた芽生えから経時的にサンプリン

機構をもたないシアノバクテリアでは、ChlBの該当部

グし、クロロフィル含量及びR N A編集されたc h l Bの位はすでにLeu、Trpであり、クロマツにおけるRNA編

mRNA分子の比率が調べられた。常緑針葉樹であるド

集後の残基と一致している (図4B)。これらLeuとTrpをイツトウヒは、暗所においても一定のクロロフィル含それぞれProとArgに置換することにより、シアノバク

量を維持し、調べられた全期間においてchlBのmRNA

テリアのChlBにおいてクロマツにおけるRNA編集前

はほぼ完全にRNA編集されていた。一方、落葉針葉樹のアミノ酸配列を再現させるという試みを行った。2であるカラマツでは、暗所初期ではR N A編集された箇所の置換部位があるので、それぞれ一方の置換と両mRNAの比率が高く、クロロフィル含量も維持されて方の置換という計3種類の変異ChlBをコードする発現いるが、暗所後期 ( 1 4 日以降 ) では R N A 編集されたシャトルベクターを構築し、シアノバクテリア L .

mRNAの比率の減少に伴ってクロロフィル含量も大きboryanaのchlB欠損株に導入した (図4B)。L. boryanaの。この報告の中でD e m k oらは、c h l Bの

chlB欠損株はDPORの機能を失っているため、暗所にRNA編集効率と暗所におけるクロロフィル生合成能がおいてPchlide還元が起こらずクロロフィルが生合成で相関していると主張した。この結果はchlBのRNA編集

きない26)。導入した変異ChlBがDPORサブユニットと効率の変化がDPORの活性に影響を与えていることをしての活性を有する場合、暗所におけるクロロフィル

示唆しているが、DPORの活性を直接関係づけること

生合成能が相補される。この in-vivo DPOR 相補系ではできなかった。筆者は、楠見淳子博士 (九州大学)とは、細胞のクロロフィル含量の定量により簡便に対象共同でクロマツの芽生えにおけるchlBのRNA編集効率

遺伝子のDPOR活性を調べることができる8,15)。その結の解析を行った。その結果、暗所における発芽初期に果、Leu→Pro変異をもつE1株は、野生型のchlBを導入

おいてRNA編集されたmRNAの比率が有意に高く、暗したポジティブコントロール期の継続によりその比率が低下することが確認されないクロロフィル含量 (4.1 µg ml-1 OD730-1)を示した

た。この結果から、クロマツのRNA編集効率の変化はが、Trp→Arg変異をもつE2株は、WTの1/3程度のクロ

ドイツトウヒよりもカラマツと類似していることが明

ロフィル含量 (1.4 µg ml-1 OD730-1)を示し、両方の変異

らかとなった。

をもつE3株は、コントロールベクターを導入したネガ様のRNA編集が行われていると考えられる

緑化能の程度は種によって大きく異なる

く低下した

25)

25)

24,25)(WT)とほとんど変わら

ティブコントロールとほとんど変わらない僅かなクロ
ロフィル含量しか示さなかった

	65(図5)。また、これら

光合成研究の遺伝子をL.

22 (2) 2012

boryanaのchlB欠損株に導入し、暗所におけるクロロフィル生合成能を評価した。その結果、RNA編集前の配列をもつクロマツchlN-chlBを導入した B E 株は、コントロールベクターを導入したネガティブコントロールと同様の僅かなクロロフィル含量しか示さなかったが、 R N A 編集後の配列をもつ c h l N chlBを導入したAE株では有意なクロロフィル含量の増加が確認された ( 図 6 ) 。この結果から、 R N A 編集がDPORの活性調節に関与していることが直接的に裏付けられた。

6. DPORにおけるRNA編集の生理学的意義

図5 シアノバクテリアを用いた変異DPOR相補実験
各変異chlB遺伝子をL. boryanaのchlB変異株に導入し、DPOR
活性の相補、すなわち暗所におけるクロロフィル生合成能を評価した。各株を暗所、従属栄養条件で２週間培養し、その細胞から色素を抽出しクロロフィル含量を定量した。また、各細胞抽出液におけるChlBを抗ChlB抗体を用いたウェスタ
ンブロッティングにより検出した。

針葉樹におけるchlBのRNA編集の効率の変化、そしてそれに伴うDPORの活性変化の生理学的な意義について議論したい。これまでの結果からRNA編集による
アミノ酸置換がDPORの活性の有無を決定づけていると考えられる。したがって、RNA編集活性が高い時期の相補株におけるChlBの含量をウェスタンブロッティに生合成されるDPORは活性型であり、これはDemko

ングで確認した。E2株以外の2株はWTとほぼ同程度のらの報告にあるRNA編集の効率と暗所でのクロロフィ
ル生合成能の関係とよく符合する。カラマツの暗所芽C h l B含量を示すことが確認された。これらの結果か
ら、E3株においてはChlBの含量はWTと変わらないに生えにおいては発芽初期ではchlBのRNA編集効率が高も関わらずDPORとしての機能を示さないことから、2かったものの、暗期が長期にわたるとその効率が下がつの変異をもつChlBは質的にDPORの機能を失っていり、それに応じてクロロフィルの生合成がほぼ停止しると示唆された。E2株においてウェスタンブロッティ

た。それに対し、ドイツトウヒでは長期の暗所処理にングでC h l Bのシグナルが検出されなかった。これはおいてもchlBのRNA編集効率が低下せず、DPORによ

Trp→Arg変異によりChlBの安定性が低下し細胞内で分解されたためと考えられる。そのためE2におけるクロ
ロフィル含量の低下はChlBの量的な減少によるものと推察される。これらの結果から、ChlBのこれら2つのアミノ酸残基の両方が置換されるとDPORの活性がほ
とんど失われることが示された。ここまでは、RNA編集によるアミノ酸置換を模倣したシアノバクテリアの変異ChlB蛋白質の活性の評価であった。続いて、実際にクロマツ自身のDPORを用いて実験を行った。クロ
マツの葉緑体DNAからchlB、chlNの各遺伝子をクローニングし、シアノバクテリアでのD P O R相補系による活性評価を行った。クロマツ葉緑体D N Aから増幅した遺伝子はR N A編集前の配列であるため、R N A編集

図6 クロマツのchlN-chlBを用いたDPOR相補実験
クロマツ葉緑体DNAからクローニングしたchlN-chlB (Before
editing, BE)及び、RNA編集による塩基置換を導入したchlNchlB (After editing, AE)をL. boryanaのchlB変異株に導入し、暗所におけるクロロフィル生合成能を評価した。また抗ChlB抗体を用いたウェスタンブロッティングで各株の抽出液中のChlBの含量を確認した。

による塩基置換は部位特異的変異導入により人為的に導入した。この際、chlNについても1箇所のRNA編集が報告されていたため、ChlNの284番目のPro (CCU)を
Ser(UCU)に置換する変異も同時に導入した。これら

66

光合成研究22 (2) 2012

るクロロフィルの生合成が安定に継続する25)。カラマ
ツは長期の暗期に対しchlBのRNA編集効率を下げることでDPORの機能をオフにし、あえてクロロフィル生合成を停止するという戦略を取っているのかもしれない。この戦略はDPORをもたない被子植物のそれと近いものになっている。このようにDPORを保持する針葉樹の間で、暗所におけるクロロフィル生合成能に大きな違いが見られる。この違いは、それぞれの種での光強度と光合成活性の関係性に反映している。カラマ
ツは陽樹で、弱光では光合成活性が低いが、強光下では高い光合成活性を示す。それに対し、ドイツトウヒ
は陰樹で、弱光下での光合成に適している25)。一般的に陰樹は弱光の効率的な利用に優れ、日陰でも充分に生育することができる。陰樹は、僅かな光を最大限に利用するため常に効率的な集光系を準備し、一時的な

図7 RNA編集によるDPOR活性制御のモデル
クロマツやカラマツのDPORはchlBのmRNAのRNA編集効率の変化によりDPORの機能を制御し、暗所におけるクロロフ
ィル生合成をコントロールしている。

僅かな光でも光合成に利用する。そのため弱光や暗所においても光化学系および集光系を準備するため光の有無に関わらずクロロフィルの生合成を行うように適の制御メカニズムを解明する必要がある。最近、RNA応してきたと解釈できる。一方で、カラマツの様な陽編集に関わる蛋白質が多数報告され、その特異的な

樹は、光合成の効率がよくない弱光下や光合成のでき

mRNA配列認識機構に注目が集まっている27-29)。今回ない暗所では、光合成を行わず、光が充分に強いときの報告では、DPORに焦点を当て、RNA編集と暗所でにのみ光合成活性を最大限まで引き上げる戦略をとのクロロフィル生合成能との関係性を議論したが、る。そのため暗所では、あえてクロロフィルを作らな

RNA編集前のmRNAから生合成される不活性なChlBのいように適応してきたのかもしれない。暗所における機能についても考察する点が多い。まず、RNA編集のクロロフィル生合成の必要性は、弱光や暗所に対する有無に関わらずchlBのmRNAレベルが保たれることか

針葉樹の適応戦略に依存していると考えられる。chlB

ら、不活性型のChlBが発現していると考えられる。このR N A編集効率変化は、D P O Rの活性制御を通しての“非編集”ChlBがDPORのサブユニットとは異なる別

各々の戦略に合うような集光系の最適化に寄与していの機能を担っている可能性も考えられる。実際にトウるのかもしれない (図7)。なお弱光下におけるクロロ

モロコシのミトコンドリアD N Aにコードされるリボ

フィル生合成では光依存的な酵素LPORの寄与についソーム蛋白質 S12 (Rps12) ではRNA編集を受けていなても解析する必要がある。もともとはD N A損傷を防いm R N Aの翻訳が確認されている 3 0 ) 。また、ヒトのぐために導入した塩基置換を相補するためにRNA編集

DNA修復酵素NEIL1では、RNA編集後のmRNAに由来機構が成立したが、進化の過程で、RNA編集による機する蛋白質と未編集のmRNAに由来する蛋白質とで認能的に重要なアミノ酸置換を酵素活性の制御系として識配列特異性や活性が異なるという報告がある31)。遺利用するようになったと考えると、RNA編集の進化は伝子の転写自体を抑制するのではなく、あえて未編集

実に興味深い。

のmRNAから蛋白質を発現させているとすれば、別の機能を担っていてもなんら不思議はない。RNA編集前

7. おわりに、そして今後の展開のmRNAに由来するChlBについて、その機能解析を行

本稿では、クロロフィル生合成系の酵素DPORが、っていきたい。今後、次世代シークエンサーの普及に

転写後mRNA成熟プロセスの1つであるRNA編集を介伴い、様々な生物で多様なRNA編集が発見されていく

してその活性が調節されるという新しい制御機構を紹に違いない。その中で今回の報告のような環境に応答介した。今後の課題として、光の環境に応じてRNA編したRNA編集効率の変化を介し酵素の機能を調節する

集効率を調節している未知の因子を明らかにして、そ	67光合成研究22 (2) 2012

1663-1673.
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例が新たに見つかってくることが期待される。本研究が、それらの先駆けとなれるように精進していきたい。

謝辞
裸子植物の芽生えを用いたRNA編集効率の解析は九州大学の楠見淳子博士に行っていただきました。また
本研究は名古屋大学の藤田祐一准教授のもとで行われたものです。最後に本研究の紹介の機会を与えていた
だいた「光合成研究」編集委員の皆様にも深く感謝致します。

Received July 15, 2012, Accepted August 7, 2012,
Published August 31, 2012

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RNA Editing Regulates the Activity of Dark-Operative Protochlorophyllide Oxidoreductase
Haruki Yamamoto*
Graduate School of Bioagricultural Sciences, Nagoya University

	69

光合成研究22 (2) 2012

解説
果実の光合成§早稲田大学 教育・総合科学学術院
園池 公毅*
1. はじめに結果が異なり、一般に若い実ではクロロフィルを持っ筆者は、ちょうど十年前から中学・高校の生徒や一て光合成をしているが、成熟に伴って光合成活性は失般の人を対象に光合成の実験を体験してもらう体験教

われるようである。最後のムラサキキャベツは、アカ室を続けている。その中で人気の高いのが光合成の可カタバミ同様、その葉の光合成により生きているので視化実験である。カメラのシャッターを連続的に切る

あれば、光合成をしているはずである。しかし、実際ことによって植物のクロロフィル蛍光の時間変化をとには八百屋で買ってきたムラサキキャベツの葉を測定らえると、いろいろな植物の「光合成活性」の二次元

しても光合成活性を検出できない。正直なところ、こ分布を簡単に見積もることができる。測定にかかる時

れは全く予想外だった。ムラサキキャベツの場合は八間は 1 回につき 5 分程度であるから、必要に応じて材百屋で売っている結球部には光合成活性がないのであ料・条件を変えて何度でも測定が可能である。一般的

る。現実の畑では、結球部の周りに広がった葉が存在な科学の体験教室では、決められた実験を行ない、そするので、そこの光合成により生育が維持される。ごれについて考察あるいは解説をして終わる例が多い

く当たり前のことではあるが、生き物の働きを考えるが、光合成可視化実験では、生徒自身が考察した結果ためには、常に自然の環境を考慮する必要があるといを踏まえてさらに新たな実験を考案・実施できること

うのが教訓である。ちなみに普通のキャベツでは結球ができる点が味噌である。「仮説の設定―実験―考察

部においても光合成活性が認められるので、なかなか―新たな仮説の設定―実験―考察―・・・」という研一筋縄ではいかない。

究のサイクルを疑似体験できることからなかなか評判

さて、そのような実験をしているうちに、葉以外のがよい。

光合成もなかなか面白いぞと思い始め、いろいろ過去

そればかりではなく、筆者自身にとっても発見があの研究を調べたり、少しずつまじめな実験を進めたりった。さまざまな材料で光合成を測定してみると、今してきた。以下は、いわばその勉強の成果である。

まで葉の光合成を中心にしか考えてこなかった不勉強

2. 葉以外の器官における光合成がひしひしと感じられる。例えば、アカカタバミの葉、ナスの実の表面、八百屋で買ってきたムラサキキ

植物は光合成器官として光合成に特化した葉を持つ

ャベツの葉はいずれも紫色に見えるが、この中でどれが、光合成の場は葉緑体であり、葉緑体が存在すればが光合成活性を持っていてどれが持っていないかおわ

葉以外の器官でも光合成をすることは古くから知られかりだろうか。正解は、順に、「光合成する」、「場ていた。葉緑体のクロロフィルは赤色部と青色部の光合による」、「光合成しない」である。アカカタバミを吸収するため、組織の色は葉緑体の存在のよい指標の葉はたとえ紫色であっても、その葉で生育しているとなる。紅藻やシアノバクテリアなどのフィコビリン

以上光合成をしているのは当然で、これを間違える人を含む生物においては、青色のフィコビリンと黄色いはいないだろう。一方、果実でも緑色のものは一般にカロテノイドが存在するとクロロフィル量が少なくて光合成をしているのだが、ナスなどは判断が難しい。

も緑色に見える場合があるが、陸上植物においては花

色は同じ紫色に見えても成熟の段階によって実際には弁以外に大量の青色色素が蓄積する例は少ないため、§ 第2回日本光合成学会シンポジウム* 連絡先

発表賞受賞論文（ポスター発表）

E-mail: sonoike@waseda.jp70

光合成研究22 (2) 2012

子の生育が遅れることから、コムギの花柄は物質生産にとって意味のあるものであることがわかる3)。
根の場合は上記の例とは異なり、１）地中では光が当たらなければ光合成ができず、２）被子植物においてはクロロフィル合成に光が必要なためそもそも地中では葉緑体が形成されないことから、通常の根においては光合成の活性は認められない。しかし、マングローブの気根や着生ランのように、自然の状態で地上に存在する根においては、緑化が認められ、葉緑体が発達することが報告されている4,5)。自然の状態で地中に
図1

ある根においては光を当てても顕著な緑化は起こらな

緑色を帯びた花弁を持つクリスマスローズ

い場合が多く、シロイヌナズナにおいては根の緑化が基本的には緑色に見える組織は光合成をすると考えて地上部からの植物ホルモンのシグナルによって抑制さよい。

れていることを東大の増田建先生のグループがごく最

多くの草本の茎は緑色であり、木本においても若い近報告されている 6 ) 。増田先生のご研究では、強制的

枝は緑色であることが多く、いずれの場合においてもに緑化させた根では正味の二酸化炭素吸収がみられる

光合成の電子伝達活性が検出される。草本の茎では葉とのことであるから、根でも潜在的には光合成の能力と同様に光合成による正味の二酸化炭素吸収が見られを持つと結論できる。なお、青首大根で顕著に緑化するが、木本の枝の場合は正味の二酸化炭素吸収は見らる「青首」の部分は、実際には根ではなく下胚軸に相れないことが多く、後述する果実の光合成においてと当するようであり、光合成をしていると思われる。

同様、枝の内部組織の呼吸で発生する二酸化炭素を樹皮の光合成により再固定する側面が強いと考えられる
1)

3. 果実の気孔と光合成色素。

赤や黄色、青など色とりどりの果実をつける植物に生殖器官である花についても、緑色の萼は光合成をおいても、未熟な段階での果実は緑色である場合が多行なう。昆虫の誘因に大きな役割を果たす花弁の場合い。前述したように、ナスのように小さいうちから紫は、葉と見分けられることが必要なため一般的には緑色であって緑には見えない果実の場合でも、多量の紫色のものは少ないが、例えばクリスマスローズの一種

色の色素（この場合はナスニン）によってクロロフィ

は緑色を帯びた花弁を持つ（図1）。クリスマスロー

ルの色が隠蔽されて緑色に見えないだけで、若い果実

ズ (Helleborus viridis L. agg.) の花弁をクロロフィル蛍から色素を有機溶媒で抽出すればクロロフィルを検出

光とガス交換で解析した結果によれば、光化学系Ⅱのすることができ、また光合成活性も確認することがで最大量子収率の指標であるFv/Fmおよびクロロフィル

きる。

a / b 比は、葉でも花弁でも果実でもあまり変わらな生殖器官を持つことは植物の生長にとって一種のコい。クロロフィル蛍光でみると果実は葉の8割程度のストとなる。花や果実に葉緑体を持たせることは、そ

電子伝達活性を示すが、花弁面積当たりのガス交換速のコストの一部を光合成によって賄うことを目的とし度（二酸化炭素吸収速度）は葉の1 / 4程度にとどまるていると解釈できる。温帯の樹木15種において花や果。それでも、この植物の場合、早春には葉よりも花実の光合成を解析した結果においては、花や果実の光

弁の面積の方が大きな割合を占めるので、個体の光合合成が実際に生殖コストの軽減に寄与していることが成に対する寄与は花弁の方が葉よりも多い場合があ示されている7)。

2)

る。コムギの花柄を止葉（最上位葉）と比較した実験

果実には気孔が存在し（図2）、その数は発生段階

においては、チラコイド膜の構造、光化学系Ⅱの最大を通して一定であって、果実の表面積の増大とともに量子収率の指標Fv/Fm、電子伝達の収率の指標ΦIIい

気孔密度は低下するとされている 8 ) 。若い果実の気孔ずれも、発達段階の初期には差が見られず、むしろ止は開閉を行なうが、発生段階が進むにつれて気孔が皮葉で先に老化がみられる 。花柄に光を当てないと種目に変化することも多いということなので、表皮の透

3)

	

71

光合成研究22 (2) 2012

たときには葉よりも高いことが多く、厚みを持つ果実
では内部まで光が届きにくいため、クロロフィルの吸収が少ない領域の光を利用する目的でカロテノイドが働 いて い る の で は な い か と の 議 論 が な さ れて い る
9,11)

。

4. 果実の光合成
では、果実は実際にどの程度の光合成活性を持つのだろうか。果実のように、厚みがあり、内部では呼吸によって正味の二酸化炭素発生が起こっているような組織で、光合成による二酸化炭素の収支を正確に測定

図2 葉（左）と果皮（右）のSEM画像（Ref. 9より許可を得て転載）
上段はアカシア、下段はキョウチクトウ、白棒は50 μmを示す。

することは簡単ではないが、 1 4 Cでラベルした二酸化炭素を利用することによりある程度の情報を得ることができる。ヒヨコマメについてラベルした二酸化炭素

過性は果実の成熟とともに徐々に低下していくと考えによって光合成を測定した結果においては、莢と種皮られる。アカシア、キョウチクトウ、ニワウルシの果と胚は全て光合成能を持つが、莢だけが正味の二酸化

皮の場合、気孔密度は葉の1/4から1/10程度と報告さ炭素固定を行なっていた10)。逆にいえば、種皮と胚はれている ことから、外部からの正味の二酸化炭素吸光合成をする組織ではあるものの、光合成産物を生み収速度はそれほど大きくないことが予想される。

出すソースにはなっていないことが分かる。セイヨウ

9)

果皮は緑色である場合にも、そのクロロフィル濃度

アブラナの種子でも 1 4 Cの取り込みで見た光合成速度

は葉に比べると低いことが多い 。ヒヨコマメでは面は葉より低く、液相酸素電極でみた酸素発生速度は呼積当たりでも生重量当たりでもクロロフィル量に莢

吸速度と同程度でソースにはなっていない14)。

9)（さや）・種子・胚の間で大きな違いはないが、果実

一方、電子伝達活性をクロロフィル蛍光で測定したが熟していくにつれて低下する10)。クロロフィルa/b比

場合には、果実表面でも葉に匹敵する活性を示すこと

は葉に比べて果皮や種子では低く、発生段階の進行とが多い。クロロフィル蛍光測定においては、呼吸活性ともにさらに低下するのが一般的である 9,11-13) 。トマが大きくても光合成の測定に影響を及ぼさないため、

トの果実のクロロフィルa/b比は発生初期には2.44だっ

果実のような組織を測定対象とした場合に威力を発揮

たものが発生後期には1を切ると報告されている 1 2 ) 。

する。トマトの実をクロロフィル蛍光によって測定しダイズの種子のa / b比が低下する際には、これに対応た例では、その光−光合成曲線は多少弱光馴化した特して葉緑体のグラナスタックが増加することも観察さ徴を示すが、物質生産に対する寄与は小さくないことれている13)。セイヨウアブラナの果実においても、グが示されている15)。同じくトマトにおいて、果実全体

ラナスタックの割合の多いチラコイド膜が観察されてとしては二酸化炭素の正味の放出を示す場合でも、ク

いるが、不思議なことに非変性PAGEでみたクロロフ

ロロフィル蛍光からは電子伝達活性が認められ、発生ィルタンパク質複合体の比率は葉と同程度と報告され初期にはF v / F mは0 . 8を超えることが報告されているている14)。クロロフィルタンパク質複合体の単離のた

12)。二酸化炭素固定活性に関しては、RuBisco活性、

めには、まず果実からのチラコイド膜の単離が必要で

PEPCase活性が共に認められ、後者の活性の方が高い

あるが、果実は多量のデンプンとポリフェノールを含と報告されている 1 2 ) 。一般的に果実においては、

む場合が多く、クロロフィルの濃度が薄いこともあっ

PEPCaseによる二酸化炭素のリンゴ酸への固定がみらてチラコイド膜の収量は極めて低いことが多い。電子れ、C 4 /CAM植物のような二酸化炭素濃縮・蓄積系の顕微鏡観察の結果と生化学的な解析結果の食い違い役割を果たしている可能性があり、RuBisco活性はそ

は、特定の性質を持つチラコイド膜が選択的に単離されほど重要でないとの指摘もある 8) 。コムギの花柄にれてきた結果である可能性が考えられる。

おいても、PEPCase活性が果実の成熟後期には葉より果実のカロテノイド量は、クロロフィルあたりで見高くなることが報告されている 3 ) 。しかし、ダイズの72

光合成研究22 (2) 2012

合成能をもつことがわかる。また、中央の種子は光合成をしていない（クロロフィルを持たない）ものの、
いわゆる果肉の部分は光合成をしており、特に果皮の直下では中央近くに比べて蛍光変化が大きいことが見てとれる。このような測定は極めて簡便であるため、1990年代の初頭から行なわれており、15種類の果実を比較した例17)や、エンドウとオオムギの種子の断面の光合成をパルス変調クロロフィル蛍光イメージングで観察した例18)がある。エンドウでは電子伝達速度が弱光で飽和し、果実の内側になるほど同じ励起光で測定した場合の電子伝達の収率が低下する一方、非光化学消光が大きくなる18)。これらの結果は、果実の内部には光環境の大きな勾配があり、異なる光環境に応じて光合成装置が馴化していることを示しているのだろう。オオムギでは果皮の特定の薄い層にのみクロロフ
ィルがみられるが、この部分の葉緑体は葉のものと見分けがつかず、比較的高い電子伝達速度を示す18)。オ
オムギの果皮の電子伝達は、葉ほどではないが、エン
ドウの種子と比べるとより強光まで飽和しない。同様にクロロフィル蛍光イメージングと電子顕微鏡により発達段階の異なるダイズの種子を解析した例によれ
図3 アボガドの断面と表面の写真とクロロフィル蛍光変化の疑似カラー画像

ば、発達初期には種子表面近くと種子内部の光合成の種子ではRuBiscoが働いていると報告されており16)、

速度が大きく低下することが報告されている19)。この

ナタネとダイズの種子で明暗周期を通して調べた結果

場合は、発達段階における光環境の変化を反映していにおいても、RuBiscoは明暗に関わらず活性を持ってるというよりは、代謝自体が種子の発達に伴って変化いることが報告されている11)。果実が特殊な炭素同化し、その変化が内部でより早く進行すると解釈するの経路を持っているという主張が正しいかどうかについが自然であると思われる。

差は少ないが、中期から後期にかけて内部の電子伝達ては、今後も研究が必要であると考えられる。
クロロフィル蛍光による光合成測定においては、カ5. 果実の光合成の生理的意義

メラを用いた二次元測定が簡単にできるため、果実の果実であっても最外層は外界に面しており、光環境

断面における光合成の分布の解析も容易である。例えは葉の場合と変わらない。パルス変調クロロフィル蛍ば、図3には、アボガドの断面と表面について、写真光法により測定した果実表面の電子伝達速度の光飽和（上段）とクロロフィル蛍光画像（下段）を対比させ

曲線は、葉と変わらない例 1) 、葉より弱光で飽和するて示している。下段に示す蛍光画像においては、励起

例15)、など必ずしも一定ではないが、若い果実表面の光の照射を開始した時の蛍光強度（ F o ）と、蛍光が場合は、基本的には葉と同等の電子伝達活性を示すと極大値に達した時の蛍光強度（ F p ）から計算される考えてよいだろう。一方で、気孔密度が低く、内部で蛍光変化の相対比(Fp-Fo)/Fpを疑似カラーにより示し

盛んな呼吸が起こることから、二酸化炭素環境は葉とている。疑似カラーでは相対蛍光変化が大きくなるに

大きく異なる。果実の光合成において、その主要な役

つれて、青から緑を経て黄色になるように示してお割が外界からの二酸化炭素吸収なのか、それとも内部り、これを光合成の収率の大雑把な指標として扱うこで発生した呼吸による二酸化炭素の再固定なのかにつとが可能である。写真の右側の果皮は、見た目は真黒

いては、古くから議論があった。トマトおよびアボガ

であるが、下段の蛍光変化の画像から、ある程度の光

ドの表面の光合成をパルス変調クロロフィル蛍光によ	73

光合成研究22 (2) 2012

り測定した結果においては、外気から二酸化炭素を除光はATP合成に寄与するが、還元力の正味の生成は見いたのちも光合成の電子伝達活性は長く維持される。

られず16)、ナタネの種子の光合成速度はスクロース添

果実の外側部分だけにした場合には二酸化炭素濃度を加で上がることから、光合成の主要な役割は、母体か低下させると短時間で電子伝達活性が落ちることを考ら供給された糖を油脂に変換するための A T P とえ合わせると、トマトやアボガドの果実表面の光合成

NADPHの供給にある 14) との指摘がなされている。たの主要な目的は、主に果実内部で発生する二酸化炭素

だし、ダイズの種子の光合成と脂質合成の間には負のの再固定であると考えられる 。ヒヨコマメの莢全体相関がみられる21)との報告もある。

17)を高濃度の二酸化炭素にさらした場合には光合成活性

これらの考え方とは異なり、果実内における光合成は上昇しないが、莢の中に二酸化炭素を注入するとその意義を、果実内の活発な呼吸による低酸素状態を酸の80%以上が固定される との実験結果も上記の仮説

素発生によって緩和することに求める考え方もあるを支持する。莢のどの部分で光合成を行なっているか

4)をさらに細かく調べると、莢の内側部分の葉緑体量は積が小さいうえに、先にも述べたように果実表面の気全体の15%以下であり、二酸化炭素固定活性も全体の孔密度は低い。酸素プローブによって種子内の酸素濃40%以下であることから、莢の内側などの特定の部位度を直接測定すると、酸素濃度は表面から中心へと低で二酸化炭素の再固定が行なわれているわけではな

下し、この酸素濃度は暗所ではさらに低下する。まく、莢全体が再固定を担っていると考えられる 。

た、低酸素が果実内のさまざまな代謝活性を制限して

10)

10)

。扁平な葉と比べて、丸い果実は体積当たりの表面

一方で、莢の中の種子を考えた場合は、外側の緑色いること自体については多くの報告がある21)。ナタネ

部分によって光の大部分が吸収され、内部は極端な弱の脂質への炭素取り込みが外気の酸素濃度を60%にま

光条件になっている。例えば莢の透過率は緑色の光ので増加させても変化しなかったというデータも報告さ、ナタネでは2 0 %程度

れている20)ので、実際の物質代謝に対する酸素の重要、ソラマメにいたっては数%である。当然そのよう性は必ずしも確定的ではない。しかし外部の酸素濃度な環境下の光合成は弱光に馴化していると考えられを上げた実験においては、莢の透過性をも考慮に入れる。ダイズ種子の成熟の過程において電子伝達が低下

る必要があることを考えると、光合成の酸素発生が低していく際には、種子内部の電子伝達活性が光飽和し酸素状態の緩和に働いている可能性は高いように思わづらくなっているとの報告もあるものの 、一般的にれる。

領域でもダイズで3 0 %程度
11)

16)

19)

は、果実内部は弱い光で電子伝達が飽和する弱光馴化

6. 果実の光合成装置の特殊性

型の光合成を示すとの報告が多い 9 , 1 8 ) 。いずれにせよ、果実の表面とは異なり、内部の種子・子葉の光合

上述のように、若い果実の表面（果皮）の光合成

成速度の絶対値はかなり小さく、その光合成に生理的は、葉の光合成とそれほど大きな違いを持たないような意義があるかどうかについては古くから議論の対象に思われる。一方、果実の内部、種子や胚、子葉などであった。

の光合成に関しては、外部から透過する弱光に馴化す

ナタネやダイズの果実は莢を持ち、種子はその内部るため、アンテナサイズを増大させると考えられる。

に作られる。ナタネの胚を放射性炭素でラベルした炭

これは、クロロフィルa / b比が葉などに比べて低いこ素源を加えて組織培養した実験においては、炭素取りととよく対応する。もっとも、一般的に果実は多量の込み効率は光照射により上昇し、D C M U添加で暗所

デンプンとポリフェノールを含むため、チラコイド膜。ナタネとダイズの種子で代謝に対の単離も困難な場合が多く、生化学的な仕事は皆無とする光の影響を検討した例では、脂肪酸の種子への蓄言ってよい。実際にどのような変化が起こっているの積は莢を部分的に暗くすると低下し、レドックス制御

かという点については、必ずしも明確ではない。

レベルに戻った

20)を受けるリンゴ酸脱水素酵素の活性を種子で調べる

単に弱光に馴化しているというだけでなく、光合成と、光条件では活性化され暗所で不活化されていた装置自体に違いがある場合もみられる。これまで、光。これらの結果は、内部の種子においても光環境の合成のメカニズムに踏み込んで果実を研究した例はほ変化に応答して代謝の状態を調節していることを示し

とんどないが、クロロフィル蛍光の立ち上がり速度をている。ダイズを用いた代謝物ラベル実験によれば、

アカシア、キョウチクトウ、ニワウルシの果皮と果実

11)

74

光合成研究22 (2) 2012

シフトしており、アンテナ系に異常を持つと考えられる。残念ながら現時点ではこのような光合成装置自体の異常に対して適応的な意義を見いだすことはできていない。

7. おわりに葉が光合成の場であることは小学生から教えられる。一方で、葉以外の部位が光合成をすることは必ず
しも一般に広く知られているとは言い難い。果実表面の光合成は、内部で発生した二酸化炭素の再吸収を通して果実の生長に必要なプロセスであり、また果実内部の光合成も、おそらくは低酸素状態の緩和などを通して重要な役割を果たしている。また、果実の光合成装置は、特に果実内部においては、一般的な葉の光合成とは異なる特殊な状態を取っている可能性がある。
図4

ソラマメの莢と豆果実の光合成の研究は、生化学的な実験手法が制約さで比較した例がある 9) 。蛍光の立ち上がり速度は葉よれることもあり、現在まで主に放射性炭素の取り込りも果皮で高く、果実ではさらに高い。蛍光上昇速度

み、光学・電子顕微鏡による観察、そしてクロロフィの解析、いわゆるJ I Pテストの結果からは、果皮およル蛍光測定により解析が進められてきた。今後は技術

び果実において酸素発生系の異常に加え、系Ⅰの電子的な工夫により、光合成装置の実態についての情報を受容プールが小さくなっていることが示唆されている得ることが必要となると思われる。

。系Ⅰの電子受容プールに関しては、低酸素下の呼吸

筆者は、一般向けの公開実験などにおいて、光合成活性低下から来るATP要求を満たすためにサイクリッのさまざまな実験を行なってきた経験から、一般の人

ク電子伝達が動いているのではないかとの議論がなさの素朴な好奇心を満たすような研究が、科学に対するれているが、酸素発生系の異常については、生理的な一般社会の理解を増進させ、ひいては「仕分け」に代解釈が難しい。

表されるような基礎科学に対する逆風の防波堤となる

9)

筆者らが行なったソラマメの実験においても光合成ものであると考えるようになった。果実の光合成の研の異常が豆において認められている。ソラマメの場

究は、そのような好奇心を満たす研究としての条件を合、ダイズなどに比べて莢の厚みが極端に厚く、しか満たしている。さらに「葉」という一つの視点から行

も内側が白い毛でおおわれているため（図4）、莢のなわれがちな光合成研究に、別の視点を導入する点で透過率は緑色の領域の光でも数％程度にしかならなも意味があるのではないかと考えている。

い。電子伝達の光強度依存性をみると、種皮の光合成
は莢の光合成に比べて一桁低い光量で飽和する。これ

Received July 15, 2012, Accepted July 24, 2012, Publishedについては、極端な弱光馴化として解釈可能である

August 31, 2012

が、他にも光化学系Ⅱの最大量子収率の指標Fv/Fmが低いなどの異常が認められる。Fv/Fmは、果実の成熟とともに低下するが、種皮においてはごく若い時期に

参考文献

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る場合は、測定光によるFv/Fmの見かけ上の低下がみられるが、測定光を十分に弱くしてもFv/Fmは莢のレ
ベルには達しないため、この低下は光化学系Ⅱ自体の異常に起因していると結論できる。さらに、光化学系Ⅰについても、低温蛍光スペクトルの極大が短波長に	

75

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22 (2) 2012

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Photosynthesis of Fruits
Kintake Sonoike*
Faculty of Education and Integrated Arts and Sciences, Waseda University76光合成研究22 (2) 2012

解説特集
「光合成を支えるテトラピロール代謝の多様性」
Editor田中亮一(北海道大学 低温科学研究所）
序文
田中

亮一

(北海道大学 低温科学研究所）
P. 78

新しく発見されたクロロフィルf
大久保智司（京都大学 大学院 人間・環境学研究科）
P. 80 〜 86

ラン藻のテトラピロール生合成系の嫌気環境適応と進化的視点
青木

里奈、藤田

祐一

（名古屋大学 大学院 生命農学研究科）
P. 87 〜 97

クロロフィル合成系の多様性はいかにして生まれたか？
伊藤

寿、田中

歩、田中

亮一

（北海道大学 低温科学研究所、CREST/JST）P. 98 ~ 105

代謝工学による新たなクロロフィル分子の合成
土屋徹（京都大学 大学院 人間・環境学研究科）
P. 106 ~ 114

植物細胞におけるヘム代謝研究の新展開増田建（東京大学 大学院 総合文化研究科）
P. 115 ~ 124

高等植物のクロロフィル合成系の制御小林康一（東京大学 大学院 総合文化研究科）
P. 125 ~ 138	

77光合成研究22 (2) 2012

解説
序文‡
北海道大学 低温科学研究所
田中亮一*

Samuel I. Bealeというアメリカ人の研究者がいる。彼は1970年代から2000年代前半にかけて、クロロフィル代謝研究の基礎をなす数々の発見をし、2 0 0 0年代半ばに研究室をたたんだ。彼は研究者として優れていただけでな
く、数々の卓越した総説を執筆し、当時の若いクロロフィル代謝研究者は、彼の総説から多くを学んだ。Bealeの（おそらく）最後の総説が2005年に出版された、”Green genes gleaned”（緑の遺伝子がすべて収集された）であり、この中で、彼はクロロフィル合成に関する「遺伝子ハンティング」が終了したことを述べた1)。実際、植物において、クロロフィル合成の酵素をコードするすべての遺伝子がこの年までに同定されたと考えられており、一見すると植物のクロロフィル合成に関して、酵素、代謝経路などすべての基礎的な知見はすでに得られたように見えた。「クロロフィル合成」に関する重要な研究は既に終わったのだろうか？
その一つの答えを解説特集「光合成を支えるテトラピロール代謝の多様性」に見いだしていただければ幸いである。本特集では、クロロフィル、ヘムなど、光合成において中心的な役割を担うテトラピロールの代謝に関して、最新の研究を解説する。解説特集の最初の記事は、大久保（京大）の chlorophyll (Chl) f に関する記事である。一昨年、60年ぶりに新しいクロロフィル、Chl f がストロマトライトのラン藻から単離され、大きな話題になった2)。 この Chl f は特殊なラン藻が合成する特殊なクロロフィルではないかと誰しも考えたが、驚いたことに、大久保らは琵琶湖に生息するラン藻を含めて、さまざまな環境に生息する12種類のラン藻がこの Chl f を合成することを明らかにした。ラン藻という生物の可塑性、環境適応能力をあらためて感じさせてくれる発見である。
本特集の2番目の記事では、青木、藤田（名大）が、「酸素を発生するラン藻に嫌気型の代謝経路は必要なのだろうか」という問題に迫った。もともと酸素に弱い代謝経路を持っていた生物が、自らが発生させた酸素による弊害を克服するために、新しい酵素を利用した、という洞察が大変興味深い。
続いて、3番目の記事では、伊藤ら（北大）もやはりクロロフィル代謝の酵素の多様性について論じている。この記事では、相同性情報の全くないところから、（それを逆手にとって）新規の酵素遺伝子を同定した研究が紹介され、同一の酵素反応を担う異なるタイプの酵素がさまざまなラン藻に混在すること、そして、その酵素の一つが緑色植物において「進化」して、新しい代謝経路を担うようになったことが解説されている。これらの研究は、多様な酵素の遺伝子が、遺伝子の水平移動を通じて、一つの「遺伝子プール」として機能し、新しい代謝系の出現につながった可能性を示唆している。
さらに、土屋（京大）は、Acaryochloris marina という Chl d を合成する特異な生物において、遺伝子導入系を開発し、さらに、A. marina が本来もっていない酵素の遺伝子を導入する事によって、この生物において新しい光
合成色素、[7-formyl]-chlorophyll d を作り出したことを報告している。ラン藻間で頻繁に遺伝子の水平移動がおこったことを考えると、自然界において、同様な遺伝子の水平移動によって、新しい光合成色素が生まれてきたということが想像される。このような現象によって、次々と新しい色素が生まれ、自然界において試されたことが光合成の進化の大きな原動力になったのではないだろうか？
上記4編の解説記事とは対照的に、増田（東大）の記事は長い間、未解決であった問題に正面から取り組んだ研究を解説している。未解決の問題とはすなわち、細胞の中でどの程度の割合のヘムがどのような状態で存在す‡

解説特集「光合成を支えるテトラピロール代謝の多様性」* 連絡先 E-mail: rtanaka@lowtem.hokudai.ac.jp78

光合成研究22 (2) 2012

るのか、そして、ヘムを細胞内の正しい場所に的確に輸送するメカニズムは何かという問題である。植物を例にとると、ヘムは葉緑体、ミトコンドリア、核、小胞体、液胞、細胞質、細胞膜、アポプラストとあらゆる場所に存在する。植物の遺伝子のうち、2％以上はテトラピロール結合タンパク質をコードしていると予想されるが、その大半はヘム結合タンパク質である 3 ) 。増田らは、かつてない感度と正確さをあわせもつヘム定量法を開発し、細胞内のヘムの状態について新たな知見を提供しただけでなく、ヘムを細胞内の正しい局在に運ぶメカニズムに迫った。
最後の小林（東大）の記事でも、やはり「多様性」が解説されているが、その「多様性」は他の解説記事とは異なり、「代謝経路」ではなく「制御」の多様性である。テトラピロール合成は、酵素タンパク質の転写、翻訳、輸送、分解など、さまざまな段階で制御されていることが明らかになっているが、その分子機構は未解明な部分が多い。前述の青木・藤田の記事ではラン藻における転写制御についての知見を記載しているが、小林は高等植物に焦点をしぼり、現段階で明らかになっている制御機構の全体像を記載している。和文だけでなく、英文においても、テトラピロール合成制御をここまで網羅した総説は少なく、多岐にわたる制御機構の研究の最前線を理解するために、貴重な解説文である。
これら6編の解説文から、光合成生物のテトラピロール代謝研究の現状と未来を感じていただければ幸いであ
る。

参考文献
1.
2.
3.

	

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79光合成研究22 (2) 2012

解説
新しく発見されたクロロフィルf ‡§京都大学大学院 人間・環境学研究科
大久保 智司*1. 光合成色素の多様性(Prochloron、Prochlorothrix) は Chl b を、クリプト植

光合成とは光エネルギーを化学エネルギーに変換

物、不等毛植物、渦鞭毛植物、ハプト植物はChl c (c1,する反応である。そして、光合成ではクロロフィル、

c2, c3) をそれぞれアンテナ色素として利用している。

カロテノイド、フィコビリンといった光合成色素が光

またProchlorococcus属のシアノバクテリアは DVChl aを吸収する役割を担っている。ほとんど全ての酸素発および DVChl b を、Acaryochloris属のシアノバクテリ

生型光合成生物 (陸上植物、藻類、シアノバクテリア)

アは Chl d をそれぞれアンテナ色素としてもっていにおいて、反応中心色素はクロロフィル (Chl) a に限る。アンテナとしてはたらくカロテノイドとしては、

ら れて い る ( 例 外 と して 、 シ アノバ ク テ リ ア の

緑色植物、紅色植物のもつルテイン、一部の緑藻がもProchlorococcus 属ではジビニルクロロフィル (DVChl)

つシフォナキサンチン、一部の渦鞭毛植物がもつペリa、Acaryochloris 属では Chl d )。 一方、光エネルギー

ジニン、褐藻、珪藻がもつフコキサンチンなどが知らを捕集し反応中心色素に伝達するアンテナ色素は、れている。これらのカロテノイドは、クロロフィルと種々のクロロフィルやカロテノイド、フィコビリンでともにカロテノイド - クロロフィル結合タンパク質にあり、アンテナ色素の種類や組成は生物種によって異結合し、吸収した光エネルギーを高効率で Chl a に渡なっている。

すことができる。また、シアノバクテリア、灰色植Chl a （図1A）はほとんど全ての酸素発生型光合成物、紅色植物、クリプト植物はフィコビリンタンパク

生物がもっており、その大半がアンテナ色素として機質をアンテナ色素として用いる。これらの生物の多く能している。これに加え、緑色植物、ユーグレナ植のものにおいて、フィコビリンタンパク質はフィコビ

物、クロララクニオン植物、一部のシアノバクテリア

図1 クロロフィルa、b、d、fの化学構造 (A) と吸収スペクトル (B)A: Chl b、d、fについては、Chl aと異なっている部分を赤で示している。Phyはフィトール基。B: 各色素の、メタノール中における吸収スペクトル。ピークの近傍に示した数字は、それぞれのピーク波長を示す。

‡

解説特集「光合成を支えるテトラピロール代謝の多様性」
第2回日本光合成学会シンポジウム

発表賞受賞論文（口頭発表）* 連絡先 E-mail: s_ohkubo@me.com

80

光合成研究22 (2) 2012

リソームという超複合体を形成し、光化学系IIにエネされた Chl d の真の生産者であることがわかった5)。

ルギーを渡すことが知られている。

その後、Acaryochloris属シアノバクテリアは岩の表面

これらの多様なアンテナ色素は、その種類によって

6)や内部 7 ) にも分布すること、他の海藻類にも付着し吸収する光の波長が異なっている。生体内において、ていること 8) 、様々な群体ボヤやカイメンに宿主を選Chl a は波長 400-450 nm の青色光と 650-700 nm の赤

ばず付着していること 9 ) などがわかってきた。さら

色光を主に吸収することができる。Chl b は Chl a にに、世界中の海底コアや日本沿岸の海藻からは Chl d

比べて Q y 帯の吸収ピークが短波長側に、ソーレー帯

が Chl a の数%の割合で検出された10)。したがって、の吸収ピークが長波長側にシフトしている(図1B)。そChl d を用いて遠赤色光を光合成に利用する生物は世のため、Chl b をもつことによって、Chl a だけの場合界中に広く分布し、環境中にそれなりに多く存在す

よりも広範囲の波長の光を吸収することが可能になることが明らかとなってきた。

る。また、Chl c やシフォナキサンチン、フコキサン

そして近年、遠赤色光を吸収することのできるもうチンといったカロテノイドは波長 450-550 nm の青-青

1つのクロロフィル、Chl f が新たに発見された。本稿

緑色の光を吸収することができる。一般に、水中ででは、この新規色素 Chl f についてその特徴と発見のは深くなるにつれて青緑色の光 (500-550 nm) が残る

経緯、筆者らの研究で明らかになってきたことにつ性質があり、これらの色素は水中の深い所で光を吸いて解説する。

収するのに役立っている。フィコビリンタンパク質は
波長 500-650 nm の光を吸収することができるが、こ

2. Chl f の発見

れは Chl a の吸収できない波長領域をほぼ相補している。これらの多様なアンテナ色素が吸収できる光のChl f はChenらによって、オーストラリア沿岸で採波長域は、可視光線とほぼ同じ 400-700 nm の領域で取されたストロマトライトから発見された11)。ストロある。この波長域の光は光合成有効放射 ( P A R :マトライトのメタノール抽出液を高速液体クロマトグ

Photosynthetically Active Radiation) と呼ばれ、かつてラフィー (HPLC) で分析すると、Chl a やバクテリオ

は酸素発生型の光合成に利用できる光はこの波長域

クロロフィル aに加えて微量の Chl d と新規な色素がに限られると考えられていた。

検出され、Chl f と名付けられた ( Chl e は1940年代にしかし、Chl d をもつシアノバクテリアが発見され報告されたことがあるが、その詳細については現在たことにより、必ずしもそうではないことがわかってまで不明11))。Chl f は、Qy帯の吸収ピークが他のクロきた。Chl d の吸収スペクトルを Chl a と比較する

ロフィルよりもレッドシフトしており (メタノール中と、Qy帯の吸収ピークが約 30 nm 長波長側にシフトでのピーク波長 706 nm) 、ソーレー帯の吸収ピークはしており、遠赤色光と呼ばれる波長 700 nm 以上の光

ブルーシフトしていた (406 nm)。また、室温におけるを吸収することができる(図1B)。この色素は1943年、蛍光極大は 722 nm (励起波長は 407 nm) で、やはり他

紅藻に含まれる第2の色素として最初に報告されたがのクロロフィルよりもレッドシフトしていた。質量ス、天然中における存在が長い間疑問視されてきた。

ペクトル分析と水素核磁気共鳴スペクトル分析によしかし、 1 9 9 6 年に発見されたシアノバクテリア

り、Chl f は Chl a の2位の炭素に結合したメチル基 (-Acaryochloris marina は Chl d を主要色素としてもち、

CH3) がフォルミル基 (-CHO) に置換した構造 (すなわChl d が確かに天然に存在することが確かめられた

ち[2-formyl] Chl a) であるとされた (図1A)。

1)。そして、A. marina は波長 700-750 nm の遠赤色光

C h e nらはストロマトライトをすり潰したものを、を吸収して光合成に利用できることがわかっている

ピーク波長720 nmの遠赤色発光ダイオード (LED) 下で

2)

4)

3,

。

培養した。培養前のストロマトライト中からは Chl f

Acaryochlorisは熱帯の沿岸域に生息する群体ボヤかは総クロロフィルの 1 % 未満しか検出されなかったら発見され 、群体ボヤに共生するシアノバクテリア

が、継代培養を繰り返すと10%程度まで増加した。こであり、Chl d は限られた環境にしか存在しないと考れは、ストロマトライト中に存在した Chl f をもつ生えられた。しかし、日本沿岸で採られた紅藻の表面物が増殖したためと考えられ、Chl f は自然界に確かにも付着していることがわかり、かつて紅藻から検出に存在することが確かめられた。培養によって増えた

2)

	

81

光合成研究22 (2) 2012

生物を顕微鏡観察すると主な構成生物はシアノバクテ

し、2つの例に共通していたのは、どちらも培養に遠リアであった。顕微鏡下でのin situ蛍光スペクトル測

赤色LEDを利用していた点である。筆者らはそもそも

定 (励起波長: 543 nm) により、糸状体細胞と楕円球形

Chl

細胞の蛍光スペクトルには波長 730-735 nm 辺りにシ

LEDを培養に用いた結果、偶然 Chl f が見つかった。

ョルダーが観測され、この波長域の蛍光は Chl d やChenらがどのような意図を持って遠赤色LEDを用いた

Chl f に由来すると考えられた。このうち、糸状体細かは定かでないが (おそらく同じような目的と考えら

胞だけを色素組成分析すると Chl a と Chl f だけしかれるが)、Chl f の発見に大きな影響を与えたのは確か

検出されなかったため、この糸状シアノバクテリアが

であろう。

d

含有生物を分離することを目的として遠赤色

Chl f 含有生物の1つであるとされた。この糸状体シア

3. Chl f による新奇な補色順化

ノバクテリアについて 16S rRNA 遺伝子の塩基配列の一部を決定し、データベース上の配列と比較すると、琵琶湖沿岸から分離したKC1株は Chl f に関する類似性が高い生物はシアノバクテリアであった。しか様々な研究に利用可能な生物であり、筆者らはそのし、彼らの報告では系統的位置については述べられて細胞を大量に得るため白色蛍光灯による大量培養をいない。既知の配列との類似性が 8 8 % と低いことか試みた。ところが、白色光で増殖した細胞の色素組

ら、この株は新種のシアノバクテリアであると考えら

成分析を行うと、Chl f が全く検出されなくなってしれる。

まった。その理由として、「Chl f は白色光培養下で筆者らは上記の Chl f の発見とほぼ同時期に琵琶湖は合成されなくなる」という可能性が考えられた。

沿岸から Chl f 含有シアノバクテリアを分離した (未発

しかし同時に、「培養の過程で混入した他のシアノバ

表)。最初は琵琶湖に存在する Chl d 含有生物の分離

クテリアと入れ替わった」、「突然変異によりChlを目的とし、遠赤色LED (ピーク波長：727 nm) を用

産生能を失った細胞に入れ替わった」という可能性

いて沿岸の岩に付着するバイオフィルム中に存在するも考えられた。

f

シアノバクテリアの培養を行っていた。その結果、

そこで、Chl f の消失が可逆的であることを確かめ

Chl dをもつAcaryochloris sp.が1株分離されたのに加るため、Chl f の誘導実験を行った。遠赤色光で培養

え、シアノバクテリアKC1株が分離された。HPLCにした細胞を白色光で、白色光で培養した細胞を遠赤

よってKC1株の色素組成分析を行うと、主要色素であ

色光でそれぞれ培養し、細胞中の Chl f/Chl a 比を経時る Chl a に加えて、少量のもう一つのクロロフィルを的に測定した (ただし、これはHPLCにおいて Chl f と含んでいた。このクロロフィルは、HPLCにおける他

Chl a をそれぞれ波長 706 nm と 665 nm の吸光で検出のクロロフィル (Chl a, Chl b, Chl d) との溶出順、したときのピーク面積比であり、分子の量比を表し

1 0 0 % メタノール中における吸収スペクトルともにたものではない)。遠赤色光で培養していた細胞は最Chenらの報告した Chl f のものとほぼ一致したことか
ら、Chl f であると考えられた。
KC1株は単細胞球形のシアノバクテリアで、静置培
養下では複数の細胞が凝集して不定形なコロニーを形成した。また、16S rRNA遺伝子の塩基配列を用いた系統解析の結果、KC1株はAphanocapsa muscicola や
Cyanothece sp.といった単細胞シアノバクテリアと近縁であり、Chenらが報告した糸状体シアノバクテリアとは形態的にも系統的にも異なる生物であった ( 未発表)。
上記の2つの Chl f の発見を比べると、それぞれ見図2 遠赤色光と白色光で培養したときのKC1株の色素組成変化
遠赤色LED下で培養すると Chl f をつくるようになるが、白色蛍光灯下で培養すると Chl f が無くなる。

つけた場所 (オーストラリアと日本) や環境 (海と淡水湖)、Chl f を含んでいた生物 (糸状シアノバクテリアと単細胞シアノバクテリア) が全く異なっていた。しか82

光合成研究22 (2) 2012

初 Chl f/Chl a 比の値が約0.10であったが、白色光下に移した後2日でその約60%、4日で約30%に低下した。
その後も徐々に減り続け、 3 0 日以上培養した細胞では Chl f が全く検出されなくなった。一方、白色光で培養して Chl f が検出されなくなった細胞を再び遠赤
色光下に移すと、Chl f/Chl a 比は直線的に上昇した。
その後1ヶ月程度培養を続けると Chl f/Chl a 比は約0.09まで上昇した (未発表)。したがって、KC1株において Chl f は遠赤色LED下で培養した時に合成が誘導され、白色光下培養では合成されなくなる「誘導ク

図3 白色、青色、赤色、遠赤色光でそれぞれ培養したKC1
株の細胞

ロロフィル」であることが明らかとなった (図2)。
これまで、クロロフィルが特定の条件下でつくられ成アンテナ系ではエネルギー準位の高い色素から低なくなるという現象は知られていない。例えば緑色植い色素へエネルギーを伝達しており、Chl f が吸収し物は Chl a と Chl b をもち、Chl a/b 結合アンテナであた遠赤色光のエネルギーを、よりエネルギー準位のる LHCII の量が変動することで Chl b の量が変化する

高い Chl a に伝達するのは困難であると考えられる。

が、Chl b だけが無くなることはない。また、珪藻やChl f がどのように遠赤色光のエネルギーを反応中心

褐藻などのアンテナに含まれる Chl c も光が強くなるに伝達しているのかは現在のところ不明である。

と減少するが、完全に消失することはない。Chl d を

光色の変化によるアンテナ色素の変化として、シア主要色素とするシアノバクテリアAcaryochloris marina

ノバクテリアでは補色順化という現象が知られていには少量の Chl a が含まれており、Chl a/d 比は光条件る。一部のシアノバクテリアは、フィコビリソームをによって変動するが Chl a は細胞内に常に存在してい構築するアンテナ色素タンパク質として赤色光を吸収る。今回の結果は、クロロフィルの合成が特定の条件

するフィコシアニン (PC) と緑色光を吸収するフィコでのみ誘導される初めての例であり、この点で Chl f

エリスリン (PE) をもつ。これらのシアノバクテリア

は他のクロロフィルと大きく異なる。

の多くは、赤色光照射下ではP Cの量を増やし、逆に筆者らは今までに様々な光条件でKC1株を培養して緑色光照射下ではP Eの量を増やすことで、それぞれいるが、現在のところ Chl f をつくるのは遠赤色LEDの色の光を効率的に利用して光合成をおこなう。KC1だけを照射して培養したときだけであった。赤色LED株でもこの補色順化が起こっており、培養に用いた光(ピーク波長: 655 nm) や青色LED (470 nm) だけを用い色によって細胞の色が変化した (図3)。細胞の吸収スて培養しても Chl f は検出されなくなった (図3)。また、赤色LEDと遠赤色LEDを、それぞれのピーク波長

ペクトルを比較すると遠赤色光と赤色光ではP Cが多の光量子束密度が同じになるように混ぜて培養した

く、青色光と白色光ではP Eが多くなっていた。これに加えて、遠赤色培養下では Chl f の合成が誘導さときも Chl f はつくられなかった。「Chl f の合成が遠赤色光しか無い条件で誘導されること」と、「Chl

れ、遠赤色光領域の吸収が増加した。この変化はまf

さに補色順化であり、クロロフィルの合成を誘導するが遠赤色光を吸収できること」、そして「KC1株が遠ことによる新奇な補色順化であると言える。

赤色光下で生育できること」から、Chl f は遠赤色光

多くの光合成生物ではアンテナとしてもつ色素の組を利用した光合成に寄与していると考えられた。ま成が分類群ごとに異なっており、各色素の量比は変た、遠赤色光下で培養したKC1株の色素組成を詳細に化するが含まれる色素の種類は変化しない。そのた分析しても Chl f’ や Phe f は検出されず、Chl a’ や Phe

め、これらの生物が光合成に利用できる光の波長領aが存在することから、反応中心色素が Chl f に置き

域は、ほぼ決まっている。しかし、一部のシアノバク

換わっているわけではないと考えられた12)。したがっテリアは、光色の変化に対応して一時的にフィコビリて、KC1株では Chl a から成る反応中心はそのまま

ソームの色素組成を変えることで、光合成の効率を上に、Chl f が付加的にアンテナ色素として遠赤色光のげることができる。この従来の補色順化に加え、KC1

吸収に寄与していると予想される。しかし通常、光合	83光合成研究22 (2) 2012

株は新奇な補色順化をおこなうことで、さらに広いをつくらなくなった。それぞれの形態を顕微鏡で観範囲の光色の変化に対応することが可能になったと察すると、単細胞性のもの、内生胞子を生じるも考えられる。

の、糸状体を形成するものと多様であった。各株について 16S rRNA 遺伝子の塩基配列を決定、比較する

4. Chl f 産生シアノバクテリアの多様性と、琵琶湖から分離された2株 (LB-A2、LB-E3株) はクロロフィルという言葉は 1 8 1 8 年に P e l l e t i e rとKC1株と近縁 (類似性99%以上) であったが、他の株はCaventouによって作られ、Tswettがカラムクロマトグ

全て互いに塩基配列の類似性が97%以下だったことか

ラフィーによって初めてChl aとbを分離したのは1906

ら、それぞれ種レベルで異なる生物であると考えられ年である 。その後、様々な生物から種々のクロロフた。また今回分離されたどの株も、ストロマトライ

ィルが発見され、微量なものも含めると 5 0 種類以上

トから見つかった Chl f を含む糸状体シアノバクテリのクロロフィルの分子種が知られている。しかし、アとの配列類似性は97%以下であった。したがって、

Chl f の発見には Tswett から実に100年以上の時間を要

Chl f産生能をもつシアノバクテリアが少なくとも12種することとなった。

存在することが明らかとなった (未発表)。

13)

その原因の1つとして、Chl f が遠赤色光下で合成さ

16S rRNA遺伝子の塩基配列を用いて系統解析を行れる色素だからであると考えられた。通常、シアノバ

うと、Chl f 産生能をもつ株はシアノバクテリアの系

クテリアや藻類、植物の培養には光源として太陽光、

統樹内で広範囲に散在した (未発表)。したがって、限白熱電球、蛍光灯などの「白色光」が用いられてきられた系統群の生物にのみ見られる DVChl a、b やた。もし K C 1 株が白色光培養で分離されていたら、

Chl d とは異なり、Chl f 産生能は多くのシアノバクテ

Chl a だけをもつ普通のシアノバクテリアと見なされリアに普遍的に見られる性質であると考えられた。

ていたはずである。また、ストロマトライトの粗培

しかし、全てのシアノバクテリアが Chl f 産性能をも養が白色光で行われていたら、Chl f のピークは消え

つわけではなく、少なくとも Synechocystis sp. PCCていたかもしれない。Chl f の発見には遠赤色光が重6803、Gloeobacter violaceus PCC 7421、Acaryochloris

要な役割を果たしたと上述したが、むしろ遠赤色光

marina MBIC 11017の3株については遠赤色LED下で培だけを用いた培養が必須だったと言えるのではない

養しても Chl f をつくらなかった。また、同じサンプだろうか。

ルを白色光と遠赤色光でそれぞれ培養すると、明ら逆に考えると、これまでの一般的な白色光培養でかに白色光下でしか生育しないシアノバクテリアも存

は Chl f 産性能をもつ生物が見過ごされてきた可能性在した。よって、Chl f 産性能をもつシアノバクテリアもある。よって、これまでに発見された2株以外にもは多系統であると言える。

Chl f 産生シアノバクテリアが存在するのではないかと考えられた。そこで筆者らは、遠赤色LEDを用いた培養によって環境中から Chl f をつくる生物の分離を試みた。サンプルには琵琶湖沿岸で採取したバイオフィルム、霞ヶ浦の湖水、伊勢湾および太平洋の海
水、タンガニイカ湖湖底のシアノバクテリアマットを用いた。これらを培地に入れて遠赤色LED下で培養を行うと、多くの光合成生物の生育が見られた。それらのうち、色素分析によって Chl f をもつことが確認されたものとして、琵琶湖から4株、霞ヶ浦から1株、タンガニイカ湖から3株、伊勢湾から4株の計1 2株のシアノバクテリアが得られた (未発表)。
図4 多系統なシアノバクテリアによる Chl f 獲得の仮説
図中、a で示したのは Chl a だけをもつ種を表し、d + aはChl d を主要色素とする種、a (+f) は Chl a を主要色素とし遠赤色光下で Chl f の合成が誘導される種をそれぞれ表す。

12の分離株は全て主要色素として Chl a をもち、
Chl f は総クロロフィルの10%以下であった。また、どの株もKC1株と同様に白色光下で培養すると Chl f84

光合成研究22 (2) 2012

同様に多系統なシアノバクテリア(および葉緑体)

で共通しているが、それぞれ異なる部位が置換されてがもつ Chl (DVChl) b は、共通祖先によって獲得さおり、合成に関与する酵素は全く異なるかもしれな

れ、その後多くのシアノバクテリアで複数回失われたい15)。Chl f 合成酵素を決定することができれば、どと考えられている14)。Chl f 産生能は Chl (DVChl) b にれくらい多様なシアノバクテリアが Chl f 合成能をも比べて遥かに多様で多系統な生物に見られるため、っているのか、多様なシアノバクテリアにおけるChl f

同様に進化の比較的早い段階で獲得されたと予想さの獲得がどのように起こったのかを解明することがでれる。すなわち、シアノバクテリアの進化の過程できると期待できる。また、Chl f の合成が誘導される

Chl f 産生能は一度だけ獲得され、その後 Chl f 産生能メカニズムの解明にもつながるであろう。フィコビリを失ったもの、新たなクロロフィルを得たもの、Chl f

ソームによる補色順化には光受容体タンパク質が関与

産性能をもち続けているものに分かれて現在に至るとしており、緑色光と赤色光によって誘導されることが考えられる (図4)。そして、Chl f 産生能をもつシアノ

わかっている。Chl fの誘導にも同様に光受容体タンパ

バクテリアは他にもまだ存在しており、遠赤色光を用ク質が関与しているかもしれないが、全く異なるメカ

いた培養を行うことで新しく見つかってくると期待さニズムで起きているかも知れない。

れる。

Chl f が環境中においてどこに存在し、どんな役割

かつて酸素発生型光合成に利用できるのは波長を果たしているのかについても非常に興味深い。多様

400-700 nmの光であると考えられていた。Chl d をもな Chl f 産生シアノバクテリアが分離されたことか

つシアノバクテリアの発見により、波長 700-750 nm

ら、”Chl f 産生能をもつ”シアノバクテリアは様々な環の遠赤色光領域も利用可能であることが示された

境中に分布することができると考えられる。しかが、それはあくまで Acaryochloris という限られた生し、Chl f は特定の条件下でしか誘導されない色素で物のもつ変わった特性であった。ところが、多様なあり、”Chl f を含んでいる”シアノバクテリアの分布場

シアノバクテリアが Chl f 産生能をもつことが明らか

所は限られると考えられる。現状でわかっているChl fとなったことで、遠赤色光を光合成に利用できる生の合成が誘導される条件は「光が遠赤色光しかな

物はこれまで考えられていたよりもずっと多いというい」ことである。自然環境中でそのような光条件にことがわかってきた。

なる場所として、微生物マットの内部が知られている
16)

5. おわりに。これは上層に存在する光合成生物によって可視光領域の光が吸収されるからであり、細胞がこのよう

Chl f は近年見つかったばかりの色素であり、まだな環境に置かれた時、残存する遠赤色光を利用して光まだわかっていないことが多い。今後の研究によって合成を行うために Chl f を合成するのではないかと考明らかにすべき課題がたくさん残っている。

えられる。実際、Chl f が最初に報告されたストロマ

一つは、この色素が生体内でどのように機能していトライト中でもシアノバクテリアが層状に分布しているかである。Chl f をもつシアノバクテリアが遠赤色る。しかし、環境中での Chl f の分布はほとんどわか

光下で独立栄養的に生育できること、Chl f が遠赤色っておらず、実際に環境中でどのように分布している

光下でのみ誘導されることから、Chl f が遠赤色光をかを明らかにする必要がある。

吸収することで光合成に寄与していることは想像に難

本文中でも述べたように、Chl f の発見にはおそら

くない。しかし、Chl f が細胞内のどこに分布していく遠赤色L E Dを用いた培養が必要であった。これはるのか、遠赤色光を吸収した後、エネルギー準位のChl f が白色光培養では合成されないという特徴をも高い Chl a 反応中心にどうやってエネルギーを渡してつためである。この特徴によって、(実は多様なシアいるのかはわかっていない。

ノバクテリアがつくれるにも関わらず) Chl f は長い間

また、Chl f の合成経路についても興味深いテーマ

科学者たちの目から隠れることができたと考えられである。現在、Chl a と Chl b がどうやって合成される。 ” 隠れた ” 色素は他にもまだ存在するかもしれな

るかはわかっているが、Chl c、Chl d、Chl f についてい。培養条件の工夫や分析技術の発展によって、そんは未解明である。Chl b、Chl d、Chl f は全て Chl a のな”隠れた”色素たちに光が当たる日も遠くないのでは側鎖が一箇所フォルミル基に置換されているという点ないだろうか。

	85

光合成研究22 (2) 2012

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Satoshi Ohkubo*
Graduated School of Human and Environmental Studies, Kyoto University86

光合成研究22 (2) 2012

解説
ラン藻のテトラピロール生合成系の嫌気環境適応と進化的視点 ‡名古屋大学 大学院 生命農学研究科
青木 里奈、藤田 祐一*
1. はじめにされ嫌気環境にさらされる 3) 。このように、ラン藻のラン藻（シアノバクテリア）は、地球上に最初に誕

生育環境は酸素レベルという観点で非常に多様であ生した酸素発生型光合成生物であると考えられておる。酸素分子（ O 2 ）は有用な電子受容体として呼吸り、葉緑体の進化的起源であると推定されている。そで用いられているほか、多くのオキシゲナーゼ反応での分布域は非常に多様であり、海洋や河川、湖沼を使われ、生物の代謝ネットワークの多様化に大きく始め、陸上や温泉などを生育環境とするものも存在

寄与している 4 ) 。嫌気環境では酸素に依存したさまざする。そのような環境には、水田や河口の泥、富栄

まな代謝が酸素不足のために停滞するかもしれず、ラ養湖といったような酸素レベルの低い嫌気環境も含ン藻は嫌気環境に応答した何らかの適応機構を有す。また、環境の酸素レベルは一日の中でもることが想定される。しかし、ラン藻は、光合成に著しく変動する。日中は光合成による酸素発生のたより自ら O 2 を発生する生物であるため、嫌気的環境

め、生育環境は非常に好気的である一方、夜間は共を要求する窒素固定という観点以外での嫌気環境適

存する微生物と自身の呼吸により酸素が急速に消費応についての知見は乏しかった。

まれる

1,2)

私たちは、これまでラン藻 Synechocystis sp. PCC
6803（Synechocystis 6803）を材料として、テトラピロール生合成系における嫌気環境適応機構の研究を行ってきた 5 - 8 ) 。本解説では、ラン藻の主にクロロフィ
ルとビリン色素の生合成系酵素の機能分化に関する
図1 ラン藻のテトラピロール（クロロフィル・ビリン）生
合成系
主要な中間体名のみ記す。本論文で言及している反応に関与する酵素のみを記載した。ビリベルディンIXα以降の生成物は、ビリン色素とのみ記載している。複数の酵素が関与している段階は 2 つの矢印で示し、離れた 2 つの矢印は構造的に類縁性のない2つの酵素の関与を、重なった2つの矢印
は2つのアイソフォームの関与を表している。また、主に好気条件で唯一の酵素として機能する酵素を赤、主に微好気
条件で機能し、転写が低O 2 で誘導される酵素を緑、主に微好気条件で機能するが発現がO 2 レベルで変化しない酵素を青色で示した。あわせて、反応にO 2 を要求するO 2 依存型酵
素は赤い背景で白字のO 2 を、酵素がO 2 によって容易に不活性化されてしまうO 2 感受性酵素は“ x – O 2 ”を付して表している。なお、プロトポルフィリノーゲンIXをプロトポルフィリ
ンIXに変換する酵素PPOについては、Synechocystis 6803ではHemJのみを有するため、好気型・嫌気型という機能分化は認められない。ただし、Gloeobacter violaceus PCC7421のみ
HemJとHemYを有するので、このラン藻では何らかの機能分化が推察される13)。

‡

解説特集「光合成を支えるテトラピロール代謝の多様性」* 連絡先 E-mail: fujita@agr.nagoya-u.ac.jp	

87

光合成研究22 (2) 2012

図2 コプロポルフィリノーゲンIII酸化・プロトポルフィリノーゲンIX酸化反応
コプロポルフィリノーゲンIII酸化反応において、HemFでは、O2が電子受容体となる。HemNでは、S-アデノシルメチオニンの還元により生成する5’-デオキシアデノシルラジカルによって反応が進行する。Synechocystis 6803では、好気条件ではHemFが唯一のCPOとして機能し、嫌気条件ではHemNがHemFと同等に機能すると推定される。プロトポルフィリノーゲンIX酸化反応によって、共鳴構造をもつポルフィリン環が形成される。Synechocystis 6803 では、PPO は O2 依存型酵素 HemJ 単独であると推定される13)。

生理学的知見および、嫌気環境応答において重要なが酸化的脱炭酸によりビニル基に変換されてプロトポ役割を担う新規転写制御タンパク質 ChlR についてのルフィリノーゲンⅨが生成する。この反応を触媒する研究を紹介する。また最後に、地球環境における酸CPgen酸化酵素（CPO）として、進化的類縁性のない

素レベル上昇に応じた代謝再編という観点でラン藻

2つの酵素HemFとHemNが知られている。HemFは、のテトラピロール生合成系の適応進化について考察す

モノオキシゲナーゼファミリーに属する酵素である。

り、 O 2 を電子受容体とする酸化反応を行う。一方、
HemNは、O2に依存せずにこの反応を触媒し、正確に2. 好気型酵素と嫌気型酵素の併存

は C P g e n 脱水素酵素と称するべき酵素である 1 0 ) 。

テトラピロール色素にはクロロフィル、ヘム、ビリ

HemNは、ラジカルSAMとよばれる大きな酵素ファミン色素などが含まれ、光合成や呼吸など生体内のリー11)に属し、反応中心として[4Fe-4S]型鉄硫黄クラ

様々な反応に関与している。これらの生合成経路は、スターを保持し、 O 2 にさらされると急速に不活性化

グルタミン酸からプロトポルフィリンIXまでの共通経されてしまう高い酸素感受性を示す。S y n e c h o c y s t i s

路を共有する19段階以上の酵素反応から構成されてい6803のゲノムには、HemFとHemNをコードすると推る が、そのうち少なくとも4段階の反応で基質とし定される遺伝子 sll1185 と sll1876 が存在する。私たちてO 2 を要求する（図1）。したがって、これらの反応

は、これらSll1185、Sll1876を大腸菌で発現させ、そは、嫌気環境下では O 2 不足のため反応が滞ってしまの精製タンパク質においてどちらもCPgen酸化活性をうことが想定される。逆に、好気環境では O 2 によっ有することを確認した6)。

9)て不活性化される酵素も存在する。このため、Synechocystis 6803におけるこれら2つの酵素の機能

Synechocystis 6803などのラン藻は、これらの反応に対分化を検討するため、2つのCPOの欠損株（∆hemF、し、好気環境下で主に機能する好気型酵素と嫌気環∆ h e m N ）を単離した。これら欠損株の形質解析か境下で主に機能する嫌気型酵素を併存させ、それらら、好気環境下ではHemFが唯一のCPOとして機能しを環境の O 2 レベルに応じて使い分けることによってており、嫌気環境下ではHemFとHemNがほぼ同等の多様な O 2 レベルの環境に適応していることが明らか寄与でCPgen酸化反応を行っていることが示唆されたにされてきた。以下、Synechocystis 6803のテトラピロ（図2）。HemFは、嫌気環境下では基質であるO 2 レール生合成において O 2 が反応に関与する酵素とそのベルが低下するため、活性が大きく低下するはずで機能分化について順に述べる。

あるが、光合成で発生する内生の O 2 を基質として反応を行っていると考えられる。

2-1. コプロポルフィリノーゲンIII酸化反応

Synechocystis 6803のゲノムには、HemN（Sll1876）

コプロポルフィリノーゲンI I I（C P g e n）酸化反応の他にもう一つHemNと有意な相同性を示すタンパク（図2）では、CPgenのC-3位とC-8位のプロピオン酸質をコードする遺伝子 sll1917 が存在する。Sll1917

88

光合成研究22 (2) 2012

は、大腸菌での組換え体の吸収スペクトル特性から

system

鉄硫黄クラスターを保持していることが示唆された

Synechocystis 6803のゲノムには、acsFと高い相同性をが、CPO活性は検出されず、その欠損株も顕著な形質示す2つの遺伝子 sll1214 と sll1874 が存在し、これらを示さなかった。このため、現在のところSll1917のは互いに推定アミノ酸配列で57%の相同性を示す5) 。

機能は不明のままである6)。

これら2つの相同遺伝子がSynechocystis 6803においてFe-containing

subunit）が同定された14)。

M P E 環化反応に関与するかどうかを検討するため
2-2. プロトポルフィリノーゲンIX酸化反応に、各遺伝子の欠損株（∆sll1214, ∆sll1874）を単離し

C P Oによって生じたプロトポルフィリノーゲンI X

た。興味深いことに∆sll1214は好気条件では生育でき

は、プロトポルフィリノーゲンIX酸化酵素（PPO）にず、嫌気条件では生育可能という条件的致死形質を示より酸化され共通経路の最終産物プロトポルフィリンした。また、細胞に大量の M P E の蓄積が認められIXに変換される。PPOとして、これまでO2を電子受容た。一方、∆sll1874は好気嫌気いずれでも生育可能で体とする O 2 依存性 P P O （ H e m Y ）と O 2 非依存性

あるが、嫌気条件では有意に生育が遅延し、M P Eを

PPO（HemG）が知られていたが12)、これらに加えて蓄積した。この結果は、これら2つに遺伝子のいずれ

O2依存性PPOとして最近Synechocystis 6803から新たにもMPE環化反応に関わっていることを示しており、ク

HemJ (Slr1790) が同定された13)。ほとんどのラン藻はロロフィル生合成に関わる遺伝子として s l l 1 2 1 4 を

これら3つの異なるPPOのうち１つだけを有し、そのchlAI、sll1874をchlAIIと名付けた5)。これら欠損株の形

分布はモザイク状である 。なお、Synechocystis 6803

質から、好気環境下ではChlA Iが唯一のMPEシクラーのhemJは、後述する転写因子ChlRの制御下になく、ゼとして機能し、嫌気環境下ではChlAIとChlAIIの両方

構成的に発現している（青木、未発表データ）。

が反応に寄与し、ChlA II の方がChlA I に比べ寄与が大13)

きいことが示唆された5,15)。
2-3. Mg-プロトポルフィリンIXモノメチルエステル環

M P Eシクラーゼは、真核光合成生物や一部の光合化反応成細菌が有する酸素依存型酵素 C h l A （生物により

M g - プロトポルフィリン I X モノメチルエステル

AcsF, CHL27, Crd1などの多様な名称が与えられている（MPE）環化反応では、クロロフィルに特有の5番目

が、本稿ではC h l Aと称する）と、光合成細菌が有すの環状構造E環が形成される（図3）。この反応を触るBchEという2つのアナロガス酵素の存在が知られて媒する酵素は、MPEシクラーゼと呼ばれ、E環形成にいる。ChlAが二核Fe中心モノオキシゲナーゼファミ

よりM P Eをプロトクロロフィリドに変換する。光合

リーに属する酵素である一方、BchEはHemNと同様に成細菌 Rubrivivax gelatinosus においてO2依存的なE環

ラジカルS A Mファミリーに属し、鉄硫黄クラスター

形成に関わる遺伝子として acsF（aerobic cyclizationを保持していることから、酸素感受性酵素と想定され

図3 E環形成・D環還元反応
クロロフィル特有のE環は、C 1 3位のプロピオン酸メチルの環化反応によって形成され、その際C 1 3 1 位にオキソ基が導入される。このオキソ基の酸素原子は、好気型酵素 ChlA と嫌気型酵素 BchE ではそれぞれ O2 と H2O と由来が異なる。Synechocystis
6803は、好気型酵素 ChlA のみをもち、そのアイソフォーム ChlAI と ChlAII を環境の O2 レベルに応じて使い分けている。
Pchlide還元では、D環C17=C18二重結合が立体特異的に還元され、クロロフィルaの直接の前駆体クロロフィリドaが生成する。
なお、8位のビニル基は、Pchlideまたはクロロフィリドaの段階でエチル基に還元されるため、ここでは特定していない。

	89

光合成研究22 (2) 2012

る。Synechocystis 6803 には BchE と有意な相同性を示すタンパク質をコードする3つの遺伝子（s l r 0 9 0 5、
sll1242、slr0309）が認められるが、これらの欠損株を用いた生理学的解析では、これらがラン藻細胞内でM P E環化反応に関与しているという証拠は得られなかった。したがって、Synechocystis 6803ではMPE環化反応は完全にO 2依存型酵素ChlA I /ChlA IIに依存して
図4 ヘムオキシゲナーゼ（ヘム開裂）反応
メソα炭素（ C 5 位）が一酸化炭素として遊離し、ヘムが開裂、ビリベルディンIXαが生成する。Synechocystis 6803 では、2つのアイソフォームHO1とHO2が存在し、好気条件ではHO1が唯一のHOとして機能し、嫌気条件においてはHO2が誘導され、HO1のはたらきを補助する。

いると考えられる5)。
なお、MPE環化反応は、ChlAについてもBchEについてもいまだに精製タンパク質で酵素活性が再構成された例がない。植物における酸素依存型M P E環化反応は、可溶性画分と不溶性画分の両方とNADPHが活

2-5. ヘムオキシゲナーゼ反応性に必要とされ 1 6 ) 、 2 - C y s ペルオキシレドキシンとNADPHチオレドキシン還元酵素C（NTRC）が活性を

ヘムオキシゲナーゼ（H O）は、ヘムの酸化的開裂促進する 17) 。一方、BchEについては、Rhodobacter

によりビリベルディンⅨαを生成し、フィコビリソー
ムの色素（フィコシアノビリン）やフィトクロムの発capsulatusの細胞を使ったin-vivoアッセイによりMPE
シクラーゼ活性がビタミンB 1 2 またはアデノシルコバ色団（フィトクロモビリン）などのビリン色素の前駆

ラミンに依存することが示されているのみである18)。

体を供給する（図4）。HOは、酵素名が表すようにO2極端に言うと、ChlAやBchEがMPEシクラーゼ酵素のを取り込む酸素依存性酵素である。Synechocystis 6803

本体であるのかどうかもはっきり示されていないのがでは、HOとしてHO1（Sll1184）、HO2（Sll1875）と現状である。E環形成は、クロロフィル生合成においいう互いにアミノ酸配列で約50%の相同性を示すアイて生化学的研究が最も困難な反応の一つである。

ソフォームが併存しており、いずれもH O活性を有することが確認されている23,24)。
2つのH Oのラン藻細胞における機能分化を検討す

2-4. プロトクロロフィリド還元反応

るため、2つのHO欠損株（∆ho1、∆ho2）を単離し、M P Eシクラーゼにより生成したプロトクロロフィ
リド（ P c h l i d e ）は、 P c h l i d e 還元酵素により D 環

その形質を検討した。その結果、∆ho1は、∆hemFや（C17=C18二重結合）が立体特異的に還元され、クロ∆chlAIと同様に嫌気条件でのみ生育可能という条件的

ロフィリドaとなり、環構造がポルフィリン環からク

致死形質を示し、∆ h o 2は好気・嫌気両条件ともに良ロリン環へ変換される19)。Pchlide還元酵素として光依

好に生育した。したがって、好気環境下ではHO1が唯存型Pchlide還元酵素（LPOR）と光に依存しない暗所

一のHOとして機能し、嫌気環境下ではHO2がHO1を作動型Pchlide還元酵素（DPOR）が存在する。DPOR

補助するように機能していると推察される 7 , 2 5 ) 。なは、ニトロゲナーゼと進化的起源を共有し、互いにお、HO反応では、CPgen酸化反応におけるHemNや類似した構造と反応機構をもつ20)。DPORはニトロゲ

MPE環化反応におけるBchE のような、O2非依存的なナーゼと同様に O 2 に曝されると急速に不活性化され酵素はこれまで見つかっていない。

るという特徴を示す。一方、LPORは、短鎖脱水素酵

3. 転写制御因子ChlR

素／還元酵素ファミリーとよばれる大きなピリジン
ヌクレオチド依存性酵素群に属し、 O 2 耐性をもつ一2.で述べた5つの反応のうちPPOを除く4つの反応に方、反応自体に光を要求するという特異な特徴をもおける酵素の機能分化は、各酵素の生化学的特性をつ 2 1 ) 。ラン藻ではこれら2つの酵素が併存しており、反映したものと解釈される。最近、これらの遺伝子

環境の光とO2レベルによって機能分化している22)。たが環境の酸素レベルに応じて転写段階で制御されていだし、これらの酵素系遺伝子の発現はC h l Rに制御さることが明らかになってきた。Synechocystis 6803におれていない。

いて好気環境下で主に機能する 3 つの好気型酵素（HemF、ChlA I、HO1）と嫌気環境下で機能する3つ90

光合成研究22 (2) 2012の嫌気型酵素（HemN、ChlA II、HO2）は、それぞれで転写制御タンパク質として機能していることが推察

発現パターンが異なっている。好気型酵素は環境の酸された。私たちはこの遺伝子を“chlR”と命名しさらに素レベルによらず構成的に発現しており、嫌気環境下解析を進めた8)。

でも光合成によって発生する内生のO2を用いて、速度は低下しながらも各反応を触媒していると推察され3-2. ChlRの機能解析る。一方、嫌気型酵素をコードする3つの遺伝子は、

まず、chlR欠損株（∆chlR）を単離し、遺伝子発現

ゲノム上で一つのオペロンchlAII-ho2-hemNを形成して解析を行ったところ、嫌気型酵素遺伝子（chlA II -ho2-

おり、好気環境下ではmRNAの発現はほとんど検出さ

h e m N）の嫌気環境下での発現誘導が消失していた。

れないが、嫌気環境下でその発現量が増大する 5 - 7 ) 。

この結果は、C h l Rが嫌気環境下で嫌気型酵素遺伝子

このような制御は、嫌気環境下で嫌気型酵素を誘導の転写を活性化するタンパク質であることを強く示唆発現させて O 2 依存型酵素の活性を代替または補完すしている。

ることにより各反応速度を維持し、クロロフィルやビ

次に、ChlRが実際にDNA結合能を有するタンパク

リン色素の供給を一定に保とうとする嫌気環境適応質であるかを確かめるため、ゲルシフトアッセイによ機構の一つであると考えられる。これまでこの転写る解析を行った。解析には、大腸菌で発現させ精製

制御メカニズムは全く未知であったが、最近私たちした野生型ChlRと∆ho1Rにおける一アミノ酸置換を含はこれらの嫌気型酵素遺伝子の発現制御を担う新規むChlR-D35Hを用いた。chlAII上流DNA断片に対して転写制御因子ChlRを発見した8)。以下に発見の経緯おゲルシフトアッセイを行ったところ、野生型C h l Rはよび、ChlRの性質について述べる。

DNAとの結合が認められなかったが、ChlR-D35Hでは明瞭なシフトバンドが得られ、D N A結合能が確認された。この実験では全ての操作を好気環境下で行

3-1. 新規転写制御因子ChlRの発見ったため、この結果は好気環境下での細胞内の状態

C h l R発見のきっかけとなったのが、2 - 5 .で述べたを反映していると考えられる。これらの結果から私たHO反応である。
好気環境下で唯一のHOであるHO1を欠損させた株

ちは、ChlRは好気環境下ではDNAとの結合能を示さ（∆ h o 1）は、好気環境下で致死形質を示す。研究のない不活性型であり、嫌気環境への移行に伴って活過程で∆ h o 1から好気環境下で生育可能となった偽復性型に変換され、chlA II の上流領域に結合して遺伝子

帰変異株 ∆ h o 1 R を偶然発見し、これを単離した。

の発現を活性化するという機能モデルを提唱した∆ho1Rについてho2の発現量を確認したところ、野生（図5）8)。また、ChlR-D35Hはアミノ酸置換の影響

株では嫌気環境下でのみ発現誘導される h o 2 が、により恒常的に活性型となったため、∆ho1Rで嫌気型∆ho1Rでは構成的な発現パターンを示した。好気環境

酵素遺伝子が構成的な発現パターンを示したと考えら

下でもh o 2が発現するようになったことでh o 1の欠損れる。

が相補され、∆ho1Rは好気環境下でも生育可能になっC h l Rは、テトラピロール生合成系の３つの遺伝子たと考えられる。また、この発現パターンの変化は、以外に、psbA1遺伝子の発現制御にも関わっている。

ho2を含むオペロンchlAII-ho2-hemNに含まれる3つに遺伝子すべてで認められた。
このような発現パターンの変化を引き起こした原因を明らかにするために、∆ho1Rの全ゲノム配列を、
次世代シーケンサーを用いて明らかにし、野生株の配列と比較した。その結果、s l l 1 5 1 2がコードするタ

図5 ChlRの機能モデル
ChlRは、好気条件では不活性型として存在し、DNAと相互作用しない（A左）。嫌気条件では活性型に変換され、ターゲット遺伝子の上流に結合し、転写を活性化する（A右）。
ChlR-D35H変異タンパク質は、そのアミノ酸置換により恒常的に活性化状態を保つようになった。このため、好気条件
下でもターゲット遺伝子の転写を活性化する（B左）。

ンパク質（ 1 3 5 残基）の 3 5 番目のアスパラギン酸（GAT）がヒスチジン（CAT）に置換される一塩基置換が見出された。Sll1512は原核生物に広く分布する
M a r Rファミリーと呼ばれる転写制御タンパク質と有意な相同性を示すことから、Sll1512はラン藻細胞内	91

光合成研究22 (2) 2012

関わっている可能性が考えられる。

Synechocystis 6803には光化学系IIのD1タンパク質をコードするpsbAが3つ（psbA1、psbA2、psbA3）存在す生育環境に着目すると、淡水性のラン藻の多くがる。このうちpsbA2とpsbA3にコードされるD1タンパ

嫌気型酵素を保持している一方、海水性のラン藻は好ク質はアミノ酸配列がまったく同一で、通常の培養

気型酵素のみを保持しているものが多い。これは、よ

条件においてはこのD１タンパク質が光化学系Ⅱで機り閉鎖的な環境に富む淡水の方が嫌気環境にさらさ能している。psbA1にコードされるタンパク質は、それる機会が多いことを反映しているのかもしれない。

れらとのアミノ酸配列の相同性が85%とやや異なり、

また、窒素固定を行うラン藻の多くがC h l RおよびD1’タンパク質と呼ばれる。psbA2、psbA3が構成的に嫌気型酵素を保持している。窒素固定を行うニトロゲ

発現しているのに対し、psbA1は嫌気誘導型の発現パ

ナーゼは金属中心を持つ O 2 感受性酵素であることか

ターンを示すことから、D1’タンパク質は嫌気条件下

ら、嫌気環境適応機構と窒素固定の間には何らかのでの光化学系Ⅱで機能すると推察される。自然界では関わりがあることが推察される。

嫌気環境はしばしば高い硫化水素レベルを伴う。硫

なお、Synechocystis 6803ではCPO活性を示さなかっ

化水素はD1タンパク質に障害を与えることから、D1

たSll1917オルソログは、表1に挙げた全てのラン藻にタンパク質のターンオーバーをより円滑に行うため、保存されている。枯草菌のH e m NはS l l 1 8 7 6よりも特別なD1’タンパク質を嫌気環境で誘導していると解

Sll1917と高い相同性を示すことから、Sll1876をもた。また、ゲルシフトアッセイにおいてないラン藻ではSll1917型HemNがCPOとして機能して釈されている26)

いるのかもしれない。

ChlR-D35HはpsbA1の上流領域と結合することを確認している8)。このように、ChlRはテトラピロール生合

5. 大酸化イベントと酸素危機

成系以外の嫌気環境適応にも関与していることから、
C h l Rの制御する未同定の遺伝子群が他にも存在する

現在の地球の大気に21%含まれるO2は、反応性が高ことが推測される。なお、Synechocystis 6803の低酸素

く、継続的な供給源がなければ急速に消失する28)。酸誘導に関わるタンパク質としてこれまでにHik31が報素供給源である酸素発生型光合成の成立以前、生命告されているが、その制御下にある遺伝子群はC h l R

誕生当時の地球の大気環境は、 O 2 をほとんど含まなとはまったく異なる27)。また、嫌気条件に応答して制い嫌気的環境であった。すなわち、生命誕生とそれ御される遺伝子の中には、Hik31やChlRで制御されてに続く黎明期の生物進化は嫌気的環境下で進行しいないものも多数存在しており（hox、flvなど） 26) 、た。その後の生命進化を決定づける最も重要な地球

これらの遺伝子はChlRやHik31以外の未同定の情報伝

史的イベントは、約22億年前に起こった酸素レベルの達系によって制御されていると推察される8)。

急上昇（大酸化イベントGOE; Great Oxidation Event）
である29)。この酸素レベル上昇はもちろん酸素発生型

4. ラン藻における嫌気型酵素の分布

光合成生物の誕生と繁殖に起因する 3 0 ) 。O 2 は呼吸鎖

これまでの研究により、テトラピロール生合成系に代表されるように有用な電子受容体であり、 O 2 をにおける好気型酵素と嫌気型酵素の機能分化と転写

電子受容体とすることにより生物のエネルギー生産レベルでの発現制御から成るSynechocystis 6803の嫌気は飛躍的に増大した。さらに、 O 2 の存在により生物

環境適応機構が明らかとなった。しかしながら、この代謝系の多様性が爆発的に増加したと考えられていのシステムは全てのラン藻に保存されているものでは

る4)。一方、O 2に由来する活性酸素種は生体にとってない。表1に代表的なラン藻36種における好気型・嫌高い毒性を示し31)、嫌気的環境で誕生・進化してきた

気型酵素の分布とC h l Rの有無を示す。好気型酵素は生物にとってG O Eは、生存に関わる重大な選択圧とほぼ全てのラン藻に保存されているが、嫌気型酵素はして作用したと考えられる。

保持していないラン藻も多い。また、嫌気型酵素を保祖先ラン藻は、酸素発生型光合成の創出によって電持している場合、その多くがC h l Rを保持している。

子供与体として無限に存在する水を利用することが可

ただし、嫌気型酵素を保持していないにもかかわら能となりその繁殖域を地球全体に広げていったと推ず、ChlRを保持しているラン藻種も存在していること察されるが、その一方、それまでの嫌気的環境で進から、C h l Rが嫌気型酵素の発現制御以外の制御にも化させてきた多くの酸素感受性酵素群は、自らの光92

光合成研究22 (2) 2012

表1 ラン藻における好気型酵素／嫌気型酵素とChlRの分布
環境a

種b

chlR cF
F
F

Synechococcus elongatus PCC 6301
Synechococcus elongatus PCC 7942
Nostoc punctiformeF
F

CPgen酸化c

MPE環化c

ヘム開裂c

hemF

hemN

sll1917chlAI

chlAII

ho1

ho2

＋
＋
＋

＋
＋
＋

＋
＋
＋

＋
＋
＋

＋

＋
＋
＋

Anabaena sp. PCC 7120
Anabaena variabilis

＋
＋

＋○e
＋

＋
＋

＋
＋

＋○e
＋

＋
＋

M
F
F
M
F
F
F
F
M
M
F
F

Trichodesmium erythraeum
Cyanothece sp. PCC 7424
Cyanothece sp. PCC 7822
Cyanothece sp. ATCC 51142
Cyanothece sp. PCC 8801
Cyanothece sp. PCC 8802
Microcystis aeruginosa
Synechocystis sp. PCC 6803
Synechococcus sp. PCC 7002
Acaryochloris marina
Cyanothece sp. PCC 7425
Thermosynechococcus elongatus BP-1

＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
-

＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋○
＋
＋
＋
＋

＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋

＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋

Cyanobacteria Yellowstone A-Prime
Cyanobacteria Yellowstone B-Prime
Gloeobacter violaceus PCC 7421
Prochlorococcus marinus MIT 9301
Prochlorococcus marinus AS9601
Prochlorococcus marinus MIT 9312
Prochlorococcus marinus MIT 9515
Prochlorococcus marinus MED4
Prochlorococcus marinus NATL2A
Prochlorococcus marinus NATL1A
Prochlorococcus marinus SS120
Prochlorococcus marinus MIT 9313
Prochlorococcus marinus MIT 9303
Synechococcus sp. WH 7803
Synechococcus sp. CC 9311
Synechococcus sp. WH 8102
Synechococcus sp. RCC 307
Synechococcus sp. CC 9902
Synechococcus sp. CC 9605

＋
＋
＋
-

＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
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＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
-

＋●
＋●
＋
＋
＋
＋●
＋●
＋●
＋●
＋●
＋
＋
＋
＋

＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋○
＋
＋
＋
＋

F
F
F
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M
M

＋●
＋●
＋●
＋
＋●
＋●
＋●
＋●
＋●
＋●
＋●
＋●
＋●
＋●
-

＋●
＋●
＋●
＋●
＋●
＋●
＋●
＋●
＋●
＋●
＋●
＋●
＋●
-

＋f
＋
＋
＋
＋
＋
＋

-

＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋

窒素固定d
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
-

a ラン藻の主な生息環境を示す。F, 淡水性（黄緑で色づけした）; M, 海洋性。
b ゲノム情報が取得できるラン藻（36種）を分子系統樹41,42)をもとに配列した。
c 各遺伝子オルソログの有無を各々＋、−で示す。オルソログの判断は、KEGG (http://www.kegg.jp/) のOrtholog検索結果に基づいた。●は互いに遺伝子クラスターを形成する遺伝子セットを示す。また、○は別の座位に互いに遺伝子クラスターを形成する遺伝子セットを示す。
d 窒素固定能の有無を＋、−で示す。
e Anabaena PCC 7120では、hemFとchlA が2コピー存在し、そのうち1コピーが隣接して存在する。
II
f KEGGのOrtholog結果で、ChlA とChlA のいずれともほぼ同じ程度の相同性を示したため、中間的なChlAと判断した。
I
II

合成によって発生する O 2 により、真っ先に障害を受比べて特に色濃く残されているかもしれない。クロロ

けたはずである。ラン藻は、そのような“酸素危機”を

フィルaの生合成は酸素発生型光合成の成立に必要不克服してきた最初の生物と考えられ、現生ラン藻のゲ

可欠なものであったにも関わらず、その成立に伴ってノムには、その適応進化の痕跡が刻印されているに違

生合成系自体が O 2 による障害により停滞してしまういない。光合成に必須の色素を供給するテトラピロという進化のアイロニーも興味深い。

ール生合成系は、酸素発生型光合成の成立以前に確

6. テトラピロール生合成系の適応進化

立されていたはずである。ラン藻のテトラピロール生

私たちの研究によって明らかにされたこの適応進化

合成系にはそのような進化の痕跡が、他の代謝系に	93

光合成研究22 (2) 2012

表2 ラン藻のテトラピロール生合成系に残された適応進化の痕跡
反応

嫌気型酵素

好気型酵素a

現生ラン藻b

適応進化様式c

カテゴリーdCPgen酸化
E環形成
D環還元
ヘム開裂

HemN
BchE eDPOR gn.d. jHemF*
ChlA*
LPOR hHO*

HemN/HemF
ChlAI/ChlAII
DPOR/LPOR
HO1/HO2

併存
置換・分化f
併存i
分化k

Ia
II
Ib
II

転写制御
タンパク質
ChlR
ChlR
PedR
ChlR

文献
6
5,15
22
7,25

a *は酸素依存型酵素であることを示す。
b ラン藻Synechocystis sp. PCC 6803の例。

併存, 両方の酵素が機能分化して使われている；置換, 嫌気型酵素が存在せず、好気型酵素に置換されたと推察される；分化,
好気型酵素が酸素レベルによって機能分化した複数のアイソフォームを有する。
d カテゴリーI，嫌気型酵素と好気型酵素の併存（Ia，好気型酵素が酸素依存性；Ib，好気型酵素が酸素非依存性）；II，好気型
酵素のアイソフォームの併存7)。
e 光合成細菌にのみ分布する。
f アイソフォームをもたないラン藻も存在する。また、Arabidopsis thalianaなどの植物もアイソフォームをもたない。
g 暗所作動型プロトクロロフィリド還元酵素（ニトロゲナーゼに類似した酸素感受性酵素）。
h 光依存型プロトクロロフィリド還元酵素（酸素に依存しないが光に依存する）。
i 被子植物ではDPORが欠失しており、LPORに完全に“置換”されている。
j 未発見。
k アイソフォームをもたないものや3つ以上のアイソフォームを有するラン藻も存在する。
cを表2に要約した。嫌気環境で誕生した始源光合成生維持に貢献している。

物は、当初嫌気環境に適応した嫌気型酵素（HemN、

私たちはこれまでの研究で対象としたC h l R制御下

BchE、DPOR）を用いてクロロフィルを生合成していの3つの反応（CPgen酸化反応、MPE環化反応、HO反たと考えられる。これら嫌気型酵素は共通してO2に対応）とPchlide還元における好気型酵素／嫌気型酵素

し非常に脆弱な鉄硫黄クラスターを活性中心に用いの機能分化 22) から、それらの適応様式を2つのカテゴる。このため、酸素発生型光合成の創出による内生リーに分類した 8 ) 。一つは、2つの酵素が酸素耐性酵の O 2 の産生に加え環境中の酸素レベルが上昇してい素と酸素感受性酵素という組み合わせの場合である

く中で、これら嫌気型酵素は不可逆に不活化され、（カテゴリーⅠ）。このカテゴリーには、C P g e n酸化

クロロフィル供給が滞る局面が頻出したと推察され反応（HemF／HemN）とPchlide還元反応（LPOR／る。このような“酸素危機”に対して酸素耐性酵素群をDPOR）が属し、酸素耐性酵素が酸素依存性か否かに創出したラン藻が生き延びることができたと推察さよりサブカテゴリーIaとIbに分けられる。このようなれる。そのような酸素耐性酵素が、HemNの代替とし機能分化は、酸素レベルの上昇に伴い酸素感受性酵てHemF、BchEの代替としてChlA、そしてDPORの代素（嫌気型酵素）が不活化してしまったため、酸素耐

替としてLPORである 。

性酵素（好気型酵素）がその活性を補うために新た

22)

G O Eによる酸素レベルの上昇は、テトラピロールに創出され、その後嫌気型酵素が発現調節を受ける

生合成系のみならず好気環境により適応した酵素ようになり、成立したもの考えられる。もう一つの様（ O 2 を基質として利用するオキシゲナーゼなども多式は、酸素依存型酵素のアイソフォームを用いている数含まれる）を新たに創出し、新規な代謝ネットワ

場合であり（カテゴリーⅡ）、MPE環化反応とHO反ークを生み出した 。さらに、嫌気型酵素の淘汰と好応が属する。これら2つのアイソフォームの機能分化

気型酵素への置換を促し、まさに“代謝大再編”を通しの分子基盤は未解明だが、嫌気環境下で特別なアイソて現在の代謝系へと進化を導いたと考えられる。しフォームが発現誘導されることによって、酵素含量がかし、大気中の酸素レベルが好気的であっても、微増加し、 O 2 濃度が低下しても生成物の供給速度を保生物マットや富栄養湖などの低酸素環境は常に存在てるようにしているのではないかと考えられる。ある

し、また、光合成が停止する夜間には定期的に嫌気

いは、嫌気誘導型のアイソフォーム（嫌気型酵素）

環境にさらされる 。このため、嫌気型酵素は全て淘

は、構成的発現のアイソフォーム（好気型酵素）に比汰されたわけではなく、現在も多くのラン藻で嫌気べ、 O 2 との親和性が高く、嫌気環境下でも効率良く

環境適応機構として保存され、嫌気環境での適応度の酸素を利用できるという質的な差異があるのかもし

4)

3)

94

光合成研究22 (2) 2012

図6 ラン藻のテトラピロール（クロロフィル・ビリン色素）生合成系の適応進化
CPgen以降で好気／嫌気環境により機能分化している反応のみ記載した。A.始源ラン藻で成立していたと推定される生合成系。
すべて嫌気型酵素（青）でのみ成立している。B.大酸化イベント直後の遷移的な生合成系。新たに酸素を利用するまたは、酸素に耐性を示す好気型酵素（赤）が創出されている。現生ラン藻の生合成系は図1の通り。この間、BchEの喪失、ChlAとHOの分化というイベントが起こったと推察される。なお、PPOの段階は、現生ラン藻においてモザイク状分布を示し、また、緑色細菌Chlorobaculum tepidum （旧名Chlorobium tepidum） TLSなど３つのPPOのどの遺伝子も見つからない生物も多数残されているため、今後新たなPPOが同定される可能性が高い13)。このため、PPOの進化を推察することは現時点ではむずかしい。

れない。カテゴリーⅡのような機能分化は、光条件下のテトラピロール生合成系で発見されたような嫌気では光合成による O 2 が生成するので、細胞内では完

環境適応機構が他の代謝系にも普遍的に分布している

全な嫌気条件になることはほとんどないことを反映のではないかと考えている。実際に、O2を基質としてしており、内生O2を最大限利用することで、環境の幅用いている反応は他にも多数存在する。それらの反広い酸素レベルに対し適応しようとするメカニズム

応では O 2 供給が停滞する嫌気環境で何らかの調節がと解釈される。なお、DPORは、ChlRではなくLuxR

行われているはずである。また、 O 2 に脆弱な鉄硫黄ファミリーに属するP e d Rによって光強度に応じて制

クラスターを有する酵素も多数存在する。その代表。P e d Rは、光合成ともいえるラジカル S A M をコードする遺伝子は電子伝達活性が低いときにDPOR遺伝子の転写を活性

Synechocystis 6803のゲノムに28個も存在する。これら化する。DPORの代替酵素LPORは、光を活性に要求の中には、上記のカテゴリー分けには属さない、新する酵素であることを考えると、 O 2 よりも光を主なたな適応の様式を採用しているものも存在しているか

制御要因とすることは合目的である。

もしれない。

御されることが報告されている

32)

これらの進化的考察を踏まえ、G O E前後でのテトラン藻を含む微細藻類は、近年、バイオ燃料生

ラピロール生合成系の進化シナリオを図 6 に示す。

産、水素生産などのバイオエネルギー源として大きなGOE以前、嫌気的環境下で成立した生合成系の3つの期待がよせられている34-36)。その中で、ヒドロゲナー

反応はすべて鉄硫黄クラスターを有する嫌気的酵素にゼやニトロゲナーゼという O 2 に感受性の高い嫌気型

よって担われていた（A）。GOEによって生じた好気酵素を、いかにO 2を発生する光化学系Ⅱと共存させて的環境に適応するため、酸素耐性酵素群が創出され効果的に利用できるかが実用化の一つのカギとなる（B）、さらに進化が進み、BchEの欠失、ChlAとHOかもしれない37-40)。このような高いポテンシャルの酵のアイソフォーム形成が起こり、現在の生合成系（図素群を擁するラン藻を工業的により有効に活用する

1）に至ったと推察される。

上で、嫌気環境下でラン藻がどのように適応しているか、というきわめて重要な知見が非常に限られてい7. おわりにた。私たちの研究により、ラン藻の嫌気環境適応機

鉄硫黄クラスターを有する嫌気型酵素群は、生命構の一端を明らかにすることができた。今後は対象の誕生当初に創出され黎明期の生命の根幹を成す反とする代謝系を拡大し、ラン藻の嫌気環境適応の全応を触媒していたと推察される 。私たちは、ラン藻

体像を明らかにし、大酸化イベントによって導かれた

33)

	

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代謝再編の全貌の解明を目指したい。

謝辞
Synechocystis 6803 の併存酵素の生理生化学的解析
は、ChlA I /ChlA IIについては主に南崎啓と川尻安志、
HemF/HemNについては後藤武知によって行われた。
次世代シーケンサーは井原邦夫博士（名大遺伝子実験施設）、ゲルシフトアッセイは武田誠也・小俣達男
博士（名大院生命農）に協力をいただいた。

Received June 24, 2012, Accepted July 19, 2012, Published
April 31, 2012

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Rina Aoki and Yuichi Fujita*
Graduate School of Bioagricultural Sciences, Nagoya University	97

光合成研究22 (2) 2012

解説
クロロフィル合成系の多様性はいかにして生まれたか？‡
北海道大学 低温科学研究所1, CREST/JST2
伊藤寿1,2、田中歩1,2、田中亮一1,2*
1. はじめにな光合成生物のゲノム情報を調べてみると、高等植物

光合成生物はchlorophyll (Chl) a, b, c, d, f やの Chl a 合成経路の酵素は、その大半がラン藻由来で

bacteriochlorophyll a, b, c, d, e, gといった多様なクロロあることが明らかとなった 2 ) 。しかし、予想に反しフィルやバクテリオクロロフィルを合成する。これらて、大部分のラン藻のゲノムには、植物の P P O X とのクロロフィル類は、それぞれ異なった吸収波長を持

D V Rの２つの酵素はコードされていないことが明ら

ち、光合成生物が多様な光環境に適応する原動力とかになった1,2)。当時、ゲノム情報の公開されていた約なっている。これらのクロロフィル類のうち、Chla

30種類のラン藻のゲノムのうち、植物型のPPOX遺伝

は、すべての酸素発生型の光合成を行う生物にとって子のホモログを有するラン藻は、 T r i c h o d e s m i u m

必須の光合成色素である。酸素発生型の光合成がラ

erythraeumとThermosynechococcus elongatusのみでありン藻から真核型光合成生物のプラスチドへと受け継3 )がれたのと同様に、クロロフィル生合成を担う酵素群

Synechococcusのみであった4)。これらの結果は、大部、植物型の D V R を有するラン藻は 5 種類のもラン藻から真核型光合成生物へと受け継がれた。
しかし、意外なことにクロロフィル合成経路の一部の反応は、ラン藻と真核型光合成生物において、全く違う酵素が担っていることが明らかになってきた。「なぜ」違う酵素が存在するのか、という問に対しては現状では明快な答えはない。しかし、クロロフィル合成
系の「酵素の」多様性は、クロロフィルの多様性が「いかに」生まれたのか、という問に対しては、ヒント を 与 え る か も し れ な い 。 本 稿 で は 、
protoporphyrinogen IX oxidase (PPOX) と divinyl
chlorophyllide reductase (DVR) の２つの酵素の多様性を通じて、クロロフィルの多様性が「いかに」生まれたのか、という点について考察を試みる。

2. 高等植物のクロロフィル合成
Chl aは、高等植物においては、glutamyl-tRNAを出発物質として、15段階の酵素反応によって合成される
図1 クロロフィル代謝経路（前半部分）
Protoporphyrinogen IXの酸化は、ヘム合成経路とクロロフィ
ル合成経路に共通な反応である。HemY, HemG, HemJという３つのタイプのPPOXが同定された。Protoporphyrin IXに
Fe2+がキレートするとヘムが合成され、Mg2+がキレートされるとクロロフィル合成経路へと反応が進む。
Protoporphyrinogen IXの酸化される部位を赤で示した。

（図 1 にその前半の反応経路の概略が、図 2 に後半の反応経路が記載されている）。これらの酵素は2005年
までにすべて同定された 1 ) 。（高等植物が持つ、もう一つのクロロフィル、Chlbの代謝経路は、後述する

ように、ようやく2 0 1 2年に同定された。）さまざま‡

解説特集「光合成を支えるテトラピロール代謝の多様性」* 連絡先 E-mail: rtanaka@lowtem.hokudai.ac.jp98光合成研究22 (2) 2012

合物であることで有名である。もう一つは、hemG遺伝子にコードされる 20 kD 程度のタンパク質で、やはりフラビン結合タンパク質であり、Flavodoxinと構造上の類似性が見られる 1,2,7) 。このタイプのPPOX酵素
は、主に大腸菌などγ-proteobacteriaに見られる。
我々は当初、大腸菌hemG欠損株の機能的相補による、ラン藻 P P O X 遺伝子のスクリーニングを行ったが、一年近い試行錯誤にも関わらず、大腸菌h e m G欠損株を相補するラン藻ゲノムDNAクローンは得られなかった。そこで、ラン藻 Synechocystis sp. PCC6803(Synechocystis)を用いた遺伝学的手法によってラン藻P P O X 遺伝子を同定しようと方針を変更した。
Synechocystisは複数コピーのゲノムを持っているが、トランスポゾンをin vitroで導入したゲノム断片を用いて、組換えを起こさせることによって、ランダムに遺伝子を破壊することができる。しかし、単純にPPOX
遺伝子を破壊してしまうとその株はヘムやクロロフィ

図2 Chl aの代謝経路（後半）およびChl b、Chl cの代謝経路
Mg-Protoporphyrin IX monomethylester以降、Chl a, Chl bおよびChl cの代謝経路の概略図を示した。Chl aおよびChl bの相互転換の経路（緑色の枠内）は、緑色植物に存在すると考えられる。Chl cの代謝経路は珪藻や褐藻などに存在するが、図に茶色の枠で示した、F-DVRによって触媒される経路は、珪藻のみに存在すると考えられる（本文参照）。

ルを合成できずに死滅してしまうと予想された。そこ
で、我々はランダムな遺伝子破壊に先立って、シロイ
ヌナズナのhemY遺伝子をSynechocystisのゲノムに導入
し、PPOX遺伝子の破壊にも耐えられる（と予想された）株を作成した。その上で、シロイヌナズナの
PPOX酵素の阻害剤であるacifluorfenを培地に混ぜ、ラ分のラン藻が植物型とは異なるPPOXやDVRを有する

ンダムな遺伝子破壊を行ったSynechocystisの変異体プことを示唆している。もし、この仮説が正しければ、ールをスクリーニングした。PPOX遺伝子以外の必須

大部分のラン藻はどのようなPPOXやDVRを有してい遺伝子が破壊された株は、acifluorfenの有無に関わらるのであろうか？これらの酵素は、なぜ植物に受けず死滅し、必須でない遺伝子が破壊された株は、継がれなかったのであろうか？これらの疑問に答え

acifluorfenの有無に関わらず生育すると予想された。

るとともに、ラン藻のテトラピロール代謝への理解

そして、ラン藻本来の P P O X 遺伝子が破壊された株を深めるために、われわれは、ラン藻のPPOXとDVR

は、acifluorfenの存在下では死滅し、acifluorfenがなけの酵素の同定を目指した。

れば、(シロイヌナズナのhemY遺伝子のおかげで）無事に生育できると予想された。果たして、6 , 6 8 6株の3. 新しいスクリーニングのストラテジーで、ラ変異株をスクリーニングしたところ、acifluorfenに感ン藻 PPOX 酵素を同定する

受性を示す7株を単離することができた。これらの株はすべて slr1790 遺伝子の 21 bp 上流にトランスポゾ

我々がラン藻のPPOX酵素の同定を目指して研究を始める前に、2種類のP P O X酵素が別の生物で同定さンタグが挿入されていた。slr1790

遺伝子は機能未知れていた。１つはhemY遺伝子にコードされる55 kD前の24 kDの5回膜貫通タンパク質をコードしていた1-3)。

後のフラビン結合タンパク質で5)、phytoene desaturase

我々はslr1790遺伝子がPPOXをコードしていると考などと同じFADを結合するタンパク質のsuperfamilyにえ、野生型のSynechocystisでカナマイシン耐性遺伝子

属する 1 , 6 ) 。植物、緑藻、枯草菌などがこのタイプのカセットにより、slr1790遺伝子の破壊を試みた。しかし、この遺伝子はラン藻にとって必須であるよう

PPOXを持つことが知られていた。この酵素は、特にで、完全にslr1790遺伝子が破壊された株を分離する

農薬としてよく使われているacifluorfenなどの標的化ことはできなかった。複数コピーのゲノムのうち、一	99光合成研究22 (2) 2012

部のコピーで s l r 1 7 9 0 遺伝子が破壊された株は、

結果もやはり、HemJ が HemY, HemG と重複する機能

protoporphyrin IX の異常な蓄積が観察された（細胞中を有することを示唆している。

では protoporphyrinogen IX が蓄積していたが、色素のさらに、バクテリアゲノムにおけるhemJ遺伝子の分抽出時に空気中の酸素で酸化され、protoporphyrin IX

布を調べてみると、α-proteobacteria,

として検出されたと考えられる。）この結果は、bacteroidetesなどの門においても、hemJホモログが見slr1790遺伝子がPPOXの反応に関わっていることを示つかった3,4)。特に、bacteroidetesにおいては、ラン藻す。そこで、我々は、slr1790遺伝子をhemJ遺伝子とと同様にhemJ, hemY, hemGホモログとの排他的な分布。しかし、hemJ遺伝子がコードするタンが見られた3,4)。しかしながら、bacteroidetesでは、さパク質が単独でPPOXとして機能しうるのか、それとらにhemJ, hemY, hemGのいずれのホモログ遺伝子も持も、PPOXに必須なコンポーネントの一部であるのかたない生物種が見つかった3,4)。Bacteroidetesでは、未はこの時点では明らかではなかった。

同定の第 4 のタイプの P P O X が存在すると考えられ

命名した

1-3)

ε-proteobacteria,

る。

そこで、我々は、in vitro での hemJ 遺伝子産物のPPOX活性を調べようと試みた。しかし、いくつかの発現系を用いた試みはタンパク質発現がうまくいかな

5. なぜ3種類以上の異なるタイプのPPOXが存在

かったり、あるいは、活性を検出できなかったりするのかと、すべて失敗に終わったため、我々は、次に紅色HemJ, HemY, HemGという異なるタイプのPPOXが硫黄細菌Rhodobacter sphaeroides の hemJ 遺伝子ホモ存在する理由は明らかではない。一つの仮説は、最ログの組換えタンパク質を大腸菌で発現しようと試みも古いタイプのPPOXは嫌気的な酵素であり、好気的

た。h e m J遺伝子ホモログの発現は成功し、我々は精な環境には適していなかったが、ラン藻の出現によっ製したR. sphaeroidesのHemJタンパク質がPPOX活性をて地球上の酸素濃度が上昇することによって、新しい持つことを示すことができた。H e m Jタンパク質はアタイプのPPOX、すなわち、HemJ, HemY, HemGが同ッセイ系に電子受容体を加えなくても、活性を示し

時発生的に出現した、とする考えである。 ( H e m J ,たことから、我々は、HemJタンパク質が酸素を電子

HemY, HemGは好気的な環境でも、微好気環境でも機受容体とするのではないかと考えているが、この点に能すると考えられる3,7,8)。HemJ,

関しては、今後のさらなる研究が必要である。

HemYは酸素を電子受容体とすると考えられるので、絶対的嫌気環境では機能できないと予想される 3 , 5 ) 。）この仮説によれ4. hemJ遺伝子の分布

ば、遺伝子の水平移動によってhemJ, hemY, hemGはそ

hemJ遺伝子ホモログのラン藻のゲノムにおける分布の後バクテリア界に広まった、と考えられる。このを調べてみたところ、興味深い事実が明らかとなっ仮説の問題点は、ラン藻の大半は、h e m J遺伝子（ホた3-5)。現在、Microbial Genome Databaseに登録されてモログ）を有する、ということである。この事実

いる 4 0 種類のラン藻ゲノムのうち、 G l o e o b a c t e r

は、ラン藻が多様化する以前にh e m J遺伝子が出現しviolaceus PCC 7421のみ hemJ と hemY の2種類のホモたことを示唆しており、地球上の酸素濃度が上昇したログを持つが、他の39種類は、hemJ, hemY, hemG のう

結果、新しいタイプのPPOXが出現したとする仮説とち、いずれか一つのみを持つことがわかった。h e m J

矛盾するように見える。しかしながら、現存するラホモログを持つものが、34種類、hemYホモログを持ン藻が地球上の酸素濃度上昇のあとで多様化した種

つものが5種類、hemGホモログを持つものが2種類存である可能性も考えられるので、上記の仮説は十分に在する。hemJ, hemY, hemGのいずれも持たないラン藻検討に値すると思われる。この仮説を検討するためは存在しなかった。この結果は、HemJ, HemY, HemGには、想定されている古いタイプのPPOXを同定し、が同じ酵素活性を有し、これらのうち一つが存在す

このタイプのPPOXが生物界にどのように分布していれば、テトラピロール合成には十分である、というるのか、を調べる必要がある。なお、上記の 4 0 種類

ことを示唆しているように思われる。また、ラン藻ののシアノバクテリアのうちで、最も古いと考えられてゲノム上で、hemYホモログ、hemGホモログと排他的いるG. violaceus が hemJ, hemY ホモログを持つことかに分布している遺伝子は、h e m Jのみであった。この100

光合成研究22 (2) 2012

ら、ラン藻にはもともと2種類のP P O X遺伝子が存在したと考えることもできるが、そう考えると、なぜ、
G. violaceus 以外のラン藻には2種類のPPOX遺伝子が受け継がれなかったのか、疑問が残る。筆者らは、今のところ、G. violaceus が遺伝子の水平移動によって、比較的に新しい時代にh e m Yホモログを獲得したのではないかと考えている。

6. ラン藻の3,8-divinyl chlorophyllide a 8-vinyl
reductase （DVR）の同定
クロロフィルの合成過程において、3位と8位のビニル基を持つ中間体（3,8-divinyl

chlorophyllide）の8位のビニル基がエチル基に還元される（3-vinyl

8-ethylchlorophyllide、図2）。前者がビニル基を2つ持ち、後図3 ゲノムの比較による遺伝子の選抜
ラン藻のゲノム比較によるF-DVR遺伝子の選抜のストラテジ
ーの概念をベン図で表した。ラン藻 D V R を同定するために、ゲノム配列が解読されている２０種類のラン藻の遺伝子（群）について、遺伝子の配列同士の総当たりのBLAST検索を行い、ホモログの有無によって、一つずつの遺伝子を分類した。 F - D V R を持たないと予想されるラン藻
Prochlorococcus（種A, B, Cと表記）のゲノムに存在せず、かつ、F-DVRを持つと予想されるラン藻（種a, b, cと表記）のゲノムに存在する遺伝子群は図のXの集合で表記される。実際の選抜の際には、この図のように単に遺伝子群を分類するだけでなく、BLAST検索の際の期待値(E-value)をもとに、予想される分布パターンにどれだけ近いかを（実際のパターンと予想されるパターンの）相関係数によって、比較した4)。

者がビニル基を 1 つ持つことから、前者が d i v i n y l(DV)-chlorophyllide、後者がmonovinyl(MV)-

c h l o r o p h y l l i d e と呼ばれている。 3 , 8 - d i v i n y lchlorophyllidea8-vinylreductase

(DVR)

がDV-

chlorophyllideをMV-chlorophyllideに還元する。冒頭にあげたすべてのクロロフィルにおいて、8位は必ずエチル基なので、クロロフィルを合成する生物はすべて
D V R活性を持つと考えられる。しかしその遺伝子は高等植物のクロロフィル合成系の遺伝子の中では同定されたのが最も遅く、2005年にシロイヌナズナの変異体を利用して報告された 1 ) 。ところがシロイヌナズナのD V Rと相同な遺伝子が多くのラン藻には存在しな

2 0 種類と、全ゲノム配列が読まれている 1 1 種類のかった。ラン藻も Chl a を持つため、当然DVRを持つ

Prochlorococcusの遺伝子を比較し、通常のラン藻、つはずである。このことからラン藻にはシロイヌナズナ

まりジビニル型のクロロフィルをモノビニル型のクロのDVRとは相同性のない新規なDVRが存在すると予ロフィルに還元できるラン藻にだけ共通して含まれる想された。

遺伝子の集合の中にラン藻特有のD V Rが存在するとそこで、ゲノム情報を利用することによりラン藻特予測した（図3）。その結果、その遺伝子の集合に存有のDVRの探索を行った。ラン藻はゲノムサイズが小在 す る 遺 伝 子 と して 、 モ デ ル 型 の ラ ン 藻 で あ る

さく、全ゲノム配列の読まれている種が多い。クロロ

Synechocystisにおいてslr1923と呼ばれている遺伝子がフィルを光合成色素として利用するほとんどすべての候補として挙がった。slr1923はF-420

光合成生物はモノビニル型のクロロフィルを利用してhydrogenaseと相同な遺伝子として登録されていた。そいるが、ラン藻の中には例外的にジビニル型のクロこでこの遺伝子の破壊株を作製したところ、DV-Chl

ロフィルを持つProchlorococcusと呼ばれるラン藻が存が蓄積したことからSlr1923がラン藻特有のDVRであ在する。Prochlorococcusは貧栄養な外洋では主要な光ると推測され4)、組換えタンパク質がDV-ChlをMV-Chl

合成生物であり、地球上での二酸化炭素の固定へのに還元できたことから（未発表）、この遺伝子がラ寄与も大きいことから、そのゲノムが精力的に調べらン藻特有のDVRであることが示された。

れている。ProchlorococcusはDV-ChlをMV-Chlに還元できないため、そのゲノム上にはDVRが存在しないはずである。全ゲノム配列が読まれている通常のラン藻	reducing101

光合成研究22 (2) 2012

はN - D V Rを持つ緑藻類が存在していたと考えられることから、それらのN-DVRを取り込んだものと予測される。F-DVRに対してN-DVRの方が構造が単純であり、還元剤として安定なNADPHを使うという点だ
けから判断すると、N - D V Rの方が酵素として優れていると考えられる。

8.

7-hydroxymethyl

chlorophyll

a

還元酵素

（HCAR）の同定
ラン藻のF - D V Rが同定されたときに、シロイヌナ
ズナのゲノム上に相同な遺伝子(AT1G04620)が存在す
ることがわかった。シロイヌナズナN - D V R破壊株はMV-Chlを合成できないことから、N-DVRがシロイヌ
ナズナのDVR反応を担っていると考えられており、シロイヌナズナのF - D V Rホモログの機能は不明であっ
図4 ラン藻における二種類のDVRの分布
16S rRNAによりラン藻の系統樹を作製した。Gloeobacterが最も古いラン藻であると考えられている。ラン藻はD V Rにより、F-DVRを持つもの、N-DVRを持つもの、DVRを持たないものの三つに分類できる。N-DVRを持つものは系統的には遅く出現したものであることがわかる。またProchlorococcusはN-DVRではなくF-DVRを失って出現したと考えられる。

た。そこでF-DVRホモログの破壊株のクロロフィルを調べたところ、7-hydroxymethyl Chl a (HM-Chl a)が蓄積していた。HM-Chl aとはChl bがChl aに変換される
ときの中間体であり、Chl bの7位のフォルミル基がヒドロキシメチル基に還元されることによって合成される。Chl bは分解されるときにChl aに変換される必要があり、また光環境適応においてはChl bがChl aに変

7. DVRの多様性

換されて光化学系の集光装置の大きさを調節している

シロイヌナズナのDVRがNADPHを還元剤として利と考えられている。このようにChl bからChl aへの変用していたのに対し1)、SynechocystisのDVRはフェレ

換系は植物の生存に重要な役割を果たしていると考えドキシンを還元剤として利用することが示された（未られている。Chl bはChl b還元酵素によりHM-Chl aに発表）。そこで、シロイヌナズナのD V Rを還元剤の還元され、さらにHM-Chl a 還元酵素 (HCAR)により

NADPHに基づいてN-DVR、SynechocystisのDVRをフChlェレドキシンに基づいてF-DVRと呼ぶこととする。F-た生化学的な実験からその存在が知られていたが 9) 、D V RはN - D V Rとは全くアミノ酸配列の相同性がな

その遺伝子は同定されていなかった。F-DVRホモログ

く、F-DVRはフラビンのFADが結合し、鉄硫黄センタの破壊株がHM-Chl

ーを持つと予測される点もN-DVRと異なる。

モログがHCARの遺伝子であると予測しその組換えタaに還元される。HCARは単離プラスチドを用いaを蓄積したことから、F-DVRホ

多くのラン藻はF - D V Rを持つが、一部の海洋性ランパク質を作製し酵素活性を測定した。その結果HM-

ン藻SynechococcusはN-DVRを持つ。それらの中の一

Chl aがChl aに還元され、AT1G04620がHCARである

つSynechococcus

WH8102のN-DVRの組換えタンパクことが示された10)。HCARもラン藻のF-DVRと同じく質を調べたところ、確かに D V R 活性が検出された

フラビンを持ち、フェレドキシンを還元剤として使用（未発表）。よって、ラン藻の中には二種類のD V Rする。

が存在することになる。なお、これまで全ゲノムが解DVRはビニル基をエチル基に還元し、HCARはヒド

読されたラン藻の中にはF-DVRとN-DVRの両方を持

ロキシメチル基をメチル基に還元する。 F - D V R と

つものはなく、逆にProchlorococcus以外は必ずどちらH C A R はアミノ酸配列の相同性が高いにもかかわらか一方を持つ。ラン藻の系統樹の上では、N - D V Rをず、なぜ、この2つの酵素の行う反応は異なるのであ持つラン藻は最近進化してきたと考えられる 8 ) （図ろうか。F-DVRとHCARの詳細な反応機構が明らかに4）。これらのラン藻が出現したときには、海洋中になると新規な知見が得られると期待される。なお、

102

光合成研究22 (2) 2012

SynechocystisのF-DVRの組換えタンパク質はDVR活性だけでなく H C A R 活性も持つが、シロイヌナズナの
HCARの組換えタンパク質にはDVR活性は検出されていない(未発表)。

9. DVRからHCARへの進化
大部分のラン藻はクロロフィルとしては Chl a しか持たないため、Chl bの分解物であるHM-Chl aをChl aに還元する反応は必要ない。進化の過程で、一部のラン藻がChl bを利用するようになり、Chl bを分解しなければならなくなった時、F-DVRをHCARとして使いまわし、DVRとしては新たにN-DVRを獲得したのではないだろうか。（このように2種類のDVRを持つ

図5 ラン藻および真核光合成生物におけるDVRの分布
生物のあとのカッコ内に、その生物がもつ代表的なクロロ
フィルを示した。

ラン藻はあくまで遷移的に出現し、現存しないのではないかと考えている。）Chl b を持つ真核型の緑藻はすべてHCARとN-DVRを持っている。Chl b の分解ているThalassiosira pseudonanaはChl c1とChl c2を持の最初の反応は Chl b のフォルミル基をヒドロキシメ
チル基に還元することである。この反応を行うChl

つ。Chl c1はChl c 2の8位のビニル基がエチル基に還元bされることにより合成される。この部分は通常の還元酵素はshort-chain dehydrogenase/reductaseドメイン

DVRによる反応と同じである。この珪藻のゲノム上にを持つ酵素である11)。このドメインを持つ酵素は多数

N-DVRとともにF-DVRと相同な遺伝子が見いだされ存在するため、Chl b 還元酵素を作り出すことは必ずる。珪藻のF - D V Rはアミノ酸配列の系統樹を描くとしも困難ではなかったと考えられる。Chl b 還元酵素

ラン藻のF-DVRと植物等のHCARの間にある10)。珪藻ができれば、次のヒドロキシメチル基からメチル基へは Chl b を持たないためヒドロキシメチル基をメチルの還元はもともと持っていたF - D V Rが行うことがで基に還元する必要がなく、珪藻の持つF-DVRがHCARきた。このことから、Chl b の分解経路を獲得するこであるとは考えられない。珪藻のN-DVRがDV-Chlはとは比較的容易であったと考えられる。Chl b を光合還元できるが Chl c2 は還元できないこと、およびラン

成色素として使い始めたとき、光環境の変化に対応し藻のF-DVRは Chl c2 の還元もできることが、それぞれてChl b を分解しなければならなかったと考えられるの組換えタンパク質によって確認されている ( 未発が、Chl b の分解経路の獲得が比較的容易であったこ

表)。よって、珪藻においてはN-DVRが Chl a の合とはChl b を光合成色素として使う点においても有利

成、F-DVRが Chl c1 の合成に利用されていると推測さであったと考えられる。また、現在 Chl b の分解経路れる。ただし、褐藻の Ectocarpus siliculosus など、全を持たない緑藻が見つかっていない理由も、Chl b のゲノムが読まれている Chl c1 を持つ藻類の中にはF-

分解経路の獲得が容易であり、Chl b 合成能の獲得後

D V Rと相同な遺伝子が存在しないものもある。これ速やかにその分解能も獲得したためであると推測でまでのところ Chl c の合成にかかわる遺伝子についてきる。

は何も報告がなく、多様性に富む可能性もある。

10. 珪藻のF-DVRと相同な遺伝子11. 残された課題

珪藻は、紅藻が真核生物に共生して誕生したと考えラン藻が真核生物に共生して葉緑体となり、Chl

られている12)(図5)。Chl bは持たないが、Chl aとともを獲得したときにそれまでChl aの合成のために使っに補助色素としてChl cを持つ。Chl cは17-18位が還元ていたF-DVRをChl bの分解のために使いまわしたこ

されずに二重結合のままであること、および 1 7 位にフィチル基がついていないことが特徴である。Chlとが明らかとなった。また、Chlccを獲得したときは、その合成に使われるようになったことが推測さにはいくつかの種類があり、全ゲノム配列の報告され

	

b

103

光合成研究22 (2) 2012

れた。どちらの場合も、もともとF - D V Rが行っていい。このように現時点では特徴がないと考えられる

た反応は新たに獲得したN-DVRが代用するようにな

DVRになぜこのような多様性があるのか謎である。

ったと考えられる。これらの結果より、クロロフィル
代謝系の進化の一部が明らかになったと考えられ( 3 )なぜラン藻は自分の持っていない色素を代謝でき

る。

るのか

しかし、これらの結果において、以下のような課題

ラン藻はChl bを持たないにもかかわらず、Chl b関が残されている。

連色素であるHM-Chlaを代謝できることが明らかとなった。なぜラン藻にこのような能力があるのか謎(1) なぜ2種類のDVRが存在するのかである。ラン藻のF-DVRがHCAR活性を有していたことは単なる偶然かもしれないが、緑藻や高等植物がDVRにN-DVRとF-DVRが存在することが明らかとなったが、このような多様性のある理由が不明であ

補助色素としてChlる。現時点ではD V Rの行う反応が、クロロフィル合的にかかわっていた可能性も考えられる。

bを選択する過程にF-DVRが間接成の律速段階であったり、調節を受けているという報告はない。ラン藻においては、系統樹からはもと(4)なぜ褐藻はF-DVRを使わないのか

もとはF-DVRを持っていたものが、後発的にN-DVR

珪藻のChlcの合成にはF-DVRと相同性のある遺伝を獲得したと推測されるが、N-DVRを持つラン藻に子がかかわっていると推測される。珪藻は、紅藻が特徴的な点は見られない。なお、F - D V Rの欠損した二次共生して誕生したと考えられている。紅藻はクロSynechocystisにシロイヌナズナのN-DVRを導入したとロフィルとしてはChl aしか持たない。全ゲノム配列のころ、F - D V Rの欠損を相補した。通常の培養条件下報告されている原始紅藻Cyanidioschyzonのゲノム上にではN-DVR導入株は成長速度などに野生株との差異

はF-DVRと相同な遺伝子が存在し、N-DVRと相同なは見られていない(未発表)。

遺伝子はない。このことより、ラン藻が一時共生に
より紅藻になった時、F - D V Rをそのまま使い続けた(2)なぜ光合成細菌のDVRは光合成関連遺伝子のクラと考えらえる。しかし、紅藻が共生して誕生したと考スターに入っていないのか

えられる、Chl cを持つ褐藻はN-DVRのみを持つ。珪光合成細菌のD V Rにおいても特徴的な点が見られ藻や褐藻のN-DVRの組換えタンパク質からはChl c2をる。クロロフィル合成系の遺伝子の同定は、光合成細還元してChl c1を合成する活性は検出されていない。

菌の研究が中心となって進められた。光合成細菌に褐藻がなぜChl cを代謝できるF-DVRを失いN-DVRをおいてはクロロフィル合成系の遺伝子がクラスターを獲得したのか不明である。

作っていることがあるため、クラスター内の遺伝子の5. おわりに

破壊株を作製することにより合成系の遺伝子が同定できるためである13)。光合成細菌はクロロフィルではなくバクテリオクロロフィルを持つが、Chlラン藻のPPOXとDVRの同定をきっかけとして、多aまでの様なタイプのPPOXとDVRが存在することが明らかに合成系はほとんど共通している。そのため、光合成細なった。F - D V Rは広い基質特異性を有し、このこと菌の遺伝子の情報を利用して高等植物のクロロフィル

が、植物のChl b代謝、珪藻のChl c合成を可能にした合成系の遺伝子が同定されていった。しかし光合成細と考えられる。PPOXやDVRについては、現在は、一菌において、DVRはバクテリオクロロフィル合成系のつの生物は一つのタイプのみを持っているケースが多遺伝子のクラスターの中に存在しなかった。D V Rにい。しかし、遺伝子の水平移動が非常に頻繁に起こ関しては植物が先行し、その後光合成細菌のD V Rがっていることを考えると、遺伝子を交換できる生物間。なぜDVRにおいて、複数のタイプの酵素の存在は、一種の「酵が他の光合成関連の遺伝子と挙動が異なるのか不明

素のレポジトリ」と言えるのではないだろうか？そである。また、光合成細菌においてもN - D V Rを持つして、その酵素が水平移動を通じて他の生物に移動しものとF - D V Rを持つものが存在する。嫌気性、好気うることが、代謝経路の選択肢を広げ、代謝の多様化

性のような酵素の特性としての相違は見出されていなにつながったのではないか？ PPOXやDVRの研究は、同定された理由の一つはこの点にある

14,15)

104

光合成研究22 (2) 2012
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クロロフィル代謝についての知見を提供するのみでな
く、代謝経路の進化について新しい知見を与えてくれ
るのではないだろうか？

謝辞
本稿で紹介したラン藻のprotoporphyrinogenIXo x i d a s e の研究は、日本曹達株式会社の保坂秀夫博
士、加登一成博士との共同研究である。また、6節で解説したラン藻ゲノムの比較アルゴリズムは横野牧生
博士（現神戸大学）によって開発された。

Received July 3, 2012, Accepted July 27, 2012, Published
August 31, 2012参考文献
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9011.

How Did the Chlorophyll Biosynthetic Pathways Get Diversified?
Hisashi Ito1,2, Ayumi Tanaka1,2 and Ryouichi Tanaka1,2*
1Institute of Low Temperature Science, Hokkaido University

2Core Research for Evolutionary Science and Technology, Japan Science and Technology Agency

	105光合成研究22 (2) 2012解説
代謝工学による新たなクロロフィル分子の合成‡
京都大学大学院 人間・環境学研究科
土屋 徹*
1. はじめにルを生み出してきたと考えられている。我々が現在認

クロロフィルは光合成反応において、光エネルギー

識している種々のクロロフィルの名称では、シアノバの捕集および反応中心での電荷分離反応に機能す

クテリア、藻類および植物に含まれるクロロフィルをる。クロロフィルは生体内でアポタンパク質と結合し「クロロフィル」とし、酸素発生をおこなわない光合て存在している。ゆえに、光合成反応ではタンパク質

成細菌に含まれるクロロフィルを「バクテリオクロロ

中でのクロロフィルの性質が重要となるが、その性質

フィル」としている。一方、構造による分類では、クは、たとえば吸収極大波長のように、溶液中のクロ

ロロフィルはB環とD環の還元の有無により大別されロフィルの性質とは大きく異なることが常である。こる。クロロフィル生合成経路で最初に合成されるのはれは、クロロフィルの周囲を取り巻く環境に違いがあ両環が還元されていないポルフィリンであるが、ポル

るためだが、このような要因を加味しても「クロロフフィリンのD環が還元されたものをクロリン（ジヒドィル - タンパク質複合体の性質は、クロロフィルの特ロポルフィリン）、クロリンのB環がさらに還元され性に大きく依存している」と考えて良いだろう。なぜたものをバクテリオクロリン（テトラヒドロポルフィ

なら、タンパク質中のあるクロロフィルを別のクロロリン）とよぶ。ほとんどすべての酸素発生型光合成生

フィルに置換した場合でも、置換したクロロフィルに物の光化学系反応中心で電荷分離反応をおこなうクも同様の作用がはたらくと考えられるからである。よロロフィル a はクロリン型のクロロフィルであり、光って、クロロフィルの構造の一部を変えて、新奇な光合成細菌で同様の機能を担っているバクテリオクロロ

吸収特性を持つ多様なクロロフィルを得ることができ

フィル a やバクテリオクロロフィル b はバクテリオク

れば、それらは生体内で光合成反応に使用できる光

ロリン型のクロロフィルである。このように、基本的の波長域の拡大に貢献できると思われる。

に酸素発生の有無により構造と性質の異なるクロロ

光合成生物は、進化の過程でさまざまなクロロフィ

フィルが使い分けられているのだが、光合成細菌にも

図1 クロリン型のクロロフィルおよび人工的に合成した新奇クロロフィルの構造
クロロフィル a に対して違いのある側鎖を赤い文字で示した。ポルフィリン型のクロロフィルであるクロロフィル c は含んでいない。
‡

解説特集「光合成を支えるテトラピロール代謝の多様性」* 連絡先 E-mail: tsuchiya.toru.8e@kyoto-u.ac.jp106光合成研究22 (2) 2012

クロリン型のクロロフィルも持つ種もいることから、導入であろう 1) 。ここで、酸素発生型光合成生物に見クロロフィルの名称と構造については慣れないと混乱いだされるクロロフィルの種類と構造について概説しすることがある。

たい。主要なクロロフィルとして、これまでに名付け

上記のように、光合成生物全体でみれば天然に存られてきたのは、クロロフィル a、クロロフィル b、

在するクロロフィルの種類は決して少なくはない。しクロロフィル c およびクロロフィル d の4種類であっかし、種々のクロロフィルの生物間での分布は、限らた。しかし最近、新奇な天然のクロロフィルが発見されているように見え、それは機能的な制約が原因であれ、クロロフィル f と名付けられた2)。これらの構造

るのか、進化の過程での新しい遺伝子を獲得する機は、クロロフィルaの構造をもとに比較すると、側鎖会の有無が原因であるのか、それともこれら2つの要の一部が置換されたものになっている（図 1 ）。ま因が重なったものであるのかは不明である。ある光た、クロロフィル a やクロロフィル b の8位のエチル

合成生物に、本来その生物が持っていないクロロフィ基がビニル基のままである、ジビニル - クロロフィル

ルを導入したらどのようになるのか？また、その生物を持つシアノバクテリアも例外的に存在している 3 ) 。

が持っているクロロフィルを、他の生物が持っている

クロロフィル b は、クロロフィル a の7位のメチル基

クロロフィルと置換したらどうなるのか？天然には存がホルミル基に変換された構造をしている。生体内で在しないクロロフィルを生体内で合成させることは可はクロロフィリド a オキシゲナーゼ（CAO）がクロ能なのか？以上のような疑問に興味を抱くのは、筆ロフィル a の前駆体であるクロロフィリド a に作用者だけでなく、クロロフィル研究者の多くの方々もそし、クロロフィリド b を生成することで、最終的にクうであろうと思う。このような動機をもとに、単離

ロロフィル b が合成される4)。CAO遺伝子は、クラミ

した光化学系複合体やアンテナタンパク質から色素分

ドモナスのクロロフィル b 欠損変異体から初めて同定

子を取り除いたのち、他の色素分子で置換するといされた 5 ) 。佐藤らは、シロイヌナズナから単離した

う実験がおこなわれてきた。それらの実験は、部品とCAO遺伝子4)をSynechocystisへ導入した。得られた形

しての複合体の機能解析という目的には十分であるの質転換体は、最大約10%のクロロフィル b の蓄積を示かもしれない。しかし、クロロフィル組成の改変につした。また、蓄積したクロロフィル b は光化学系Iでいて生体内での影響を調べるためには、遺伝子組換のエネルギー移動に機能していた。同様の研究が光化

えの力を借りる必要がある。そして、遺伝子組換えに学系Iを欠いた変異体についておこなわれ、エンドウ

よるクロロフィル組成の改変実験の最終的な目的は、のLHCIIをコードするlhcb遺伝子をCAO遺伝子と共発進化では得られなかった光合成生物を創り出し、光現した株では、クロロフィル b が全クロロフィルの約合成に利用できる光の波長域の人工的制御を可能と60%に達することが報告された6) 。ただし、この形質することである。そこで本稿では、最近筆者らがシ

転換体は光化学系Iを持たないため、クロロフィル含

アノバクテリアの細胞内で天然には存在しない新たな量が野生型と比較してかなり低く、光独立栄養条件でクロロフィルを合成させることに成功した結果を紹介

培養できないことに注意されたい。

するとともに、代謝工学による新奇クロロフィル分子

クロロフィル b の合成がCAO遺伝子という外来遺伝のさらなる合成に向けた今後の展望についても考察子の導入によって達成されるのに対して、ジビニル -したい。

クロロフィルは、クロロフィル生合成経路の中で本来8位のビニル基が酵素により還元されてエチル基に変2. クロロフィル組成改変の試み

換されるところを変換されないことで生じる。天然

これまでに、遺伝子組換えによりその生物が本来では、シアノバクテリアであるProchlorococcusにのみ持たないクロロフィルを合成させた例がいくつかあ存在が確認されているクロロフィルであるが、進化的る。それらは、基礎研究の結果であるものも多いには P r o c h l o r o c o c c u s はもととなった海洋性のが、意図的にクロロフィル組成を変えようとした研究

Synechococcusから8-ビニル還元酵素（DVR）遺伝子として挙げられるのは、2001年の佐藤らによるクロロが欠失して誕生したと考えられている7)。ジビニル-ク

フ ィ ル b 合 成 酵 素 遺 伝 子 の シ アノ バ ク テ リ ア

ロロフィルを蓄積する変異体は、DVR遺伝子の分子遺Synechocystis sp. PCC 6803（以下、Synechocystis）への伝学的解析による同定の際に得られた。植物では、

	107

光合成研究表1

22 (2) 2012

酸素発生型光合成生物におけるクロロフィルの分布と形質転換系の確立・酵素遺伝子の同定の有無

クロロフィル組成
クロロフィル a
クロロフィル a/b

特異的クロロフィル

生物種

形質転換系が確立された種シアノバクテリア・紅藻など

Synechocysits sp. PCC 6803
（シアノバクテリア）など---

植物・緑藻・シアノバクテリア

シロイヌナズナ（植物）など

同定済み（原核緑藻）

クラミドモナス（緑藻）など（CAO）

Phaeodactylum tricornutum
クロロフィル a/c
珪藻・褐藻など（珪藻）
Acaryochloris marina*
クロロフィル a/dAcaryochloris属（シアノバクテリア）
クロロフィル a/f
Halomicronema hongdechloris14)なし
クロロフィル aとともに存在するクロロフィルを生物種特異的クロロフィルとした。
クロロフィル aのみを持つ生物には、特異的クロロフィルの合成酵素遺伝子は無い。
*筆者らにより最近開発された。

合成酵素遺伝子の同定

未同定
未同定
未同定

シロイヌナズナで変異体が得られDVR遺伝子が同定さロフィル合成酵素遺伝子の同定の有無を表1にまとめ。また、Synechocystisでは植物型のDVR遺伝子た。この中で、既知の合成酵素遺伝子はC A O遺伝子は存在しなかったが、逆遺伝学的解析の結果としてジしかない。これまでの研究例では、クロロフィル a しビニル-クロロフィル化したSynechocystisが得られたか持たない Synechocystis での遺伝子組換えが多かっ。この変異体は、P r o c h l o r o c o c c u sが海洋性のたが、仮に未だ同定されていないクロロフィル c、クSynechococcusからDVR遺伝子を失って誕生したとい

ロロフィル d およびクロロフィル f の合成酵素遺伝子

う進化過程を人工的に模倣したものと見なすことがが同定されても、Synechocystisへの導入では既知のクでき、これまでに光化学系の解析やアポタンパク質とロロフィルができるだけで、新奇クロロフィルの合成。詳細につは見込めない。そこで、クロロフィル a 以外のクロロ

れた

9,10)

7,8)

の共進化についても報告されている

11,12,13)

いては、本特集号の伊藤らの記事を参照されたい。

フィルもあわせ持つ宿主での遺伝子導入が必要とされる。植物や緑藻は、既にクロロフィル b を持っている3. 新奇なクロロフィルを合成するためにはので、実現可能な組み合わせとしては、クロロフィル

これまでに紹介したのは、既知のクロロフィルを本

c を持つ珪藻とCAO遺伝子の組である。しかし、CAO

来そのクロロフィルを持たない光合成生物に合成させはプロトクロロフィリド a を基質にしないことが、inた例であった。ここで、天然には存在しない新奇なvitroの活性測定によって示されているので 4) 、プロト

クロロフィルをいかに生物に合成させるのかについて

クロロフィリド a と同様にポルフィリンであるクロロ

考えてみたい。DVR遺伝子の欠失により合成されるジフィル c には作用しないと予想される。このように、

ビニル - クロロフィル以外の既知のクロロフィルは、本来は存在しない組み合わせを試みる場合、利用すクロロフィル a の生合成経路から分岐して合成されるる合成酵素の基質特異性が問題とされるが、クロリと考えられている。したがって、ある光合成生物がクン型のクロロフィルを合成する酵素の組であれば、ク

ロロフィル a 生合成経路の中間体あるいはクロロフィ

ロロフィル c 合成系との組み合わせと比較すると、問ル a そのものに作用して修飾する新奇な酵素の遺伝子題が起きにくいのではないかと思われた。残されたを獲得すれば、その生物にとっては、「新奇なクロ組み合わせの中で、クロロフィル f については存在もロフィル」合成能を獲得したことと同義である。ゆえ含有する生物も発見されたばかりで知見が限られていに、自然界では確認されていない遺伝子の組み合わせる14)。そこで、クロロフィル d とクロロフィル b が試を人工的に作り出すことによって、理論的には新たなすに値する組み合わせであると考えられたが、クロクロロフィルを創出することが可能である。ゆえに、ロフィル d 合成酵素遺伝子の同定、またはクロロフィ

遺伝子組換えをおこなう宿主と導入する酵素遺伝子

ル d を持つ生物での形質転換系を確立のどちらかがの組み合わせについて検討したい。まず、クロロフィ

成されなければ、試みることは不可能であった。

ル組成の異なる生物ごとに、形質転換が可能な生物種が存在するのかどうかと、生物種に特異的なクロ

4. Acaryochloris marinaでの形質転換系の開発
108

光合成研究22 (2) 2012

ここで少し話題を変えて、クロロフィル d について言及したい。クロロフィル d は、1943年に紅藻から発見されたクロロフィルで15)、長らく紅藻を特徴づける
クロロフィルとされてきた。しかし、常に紅藻から検出されるわけではないなど再現性の問題から、クロロフィル調製時のアーティファクトではないかとの見方もされた。しかし、1996年に宮下らによって、クロロフィル d を主要なクロロフィルとして持つシアノバ
クテリアAcaryochloris marinaがパラオの群体ホヤから発見されたことが報告され16)、クロロフィル d が自然界に存在するクロロフィルであることが確定した。さらに、2004年には村上らによって紅藻にAcaryochloris
が付着していることも判明し17)、それまで紅藻から検出されていたクロロフィルdは、実はAcaryochloris由来であったことが推定された。よって、現在ではクロロフィル d 合成能を持つことが示されている生物は、
Acaryochlorisだけである。クロロフィル d はクロロフ
ィル a と比較して、Qy帯の極大波長が約30 nm長波長

図2 発現ベクターpKUT1121のマップ
Smr/Sprはストレプトマイシンおよびスペクチノマイシン耐性遺伝子、oriVは複製起点、oriTは接合伝達の起点、Ptacはtacプロモーター、TrrnBはrrnBターミネーターを示す。MCS1
はPtacと同方向、MCS2はSmr/Sprと同方向の配列で示した。

側にシフトしている。ゆえに、遠赤色光をも光合成に利用可能な A. marina は、最初の報告から15年あまり経った今日に至るまで、光合成研究者の興味を引く対象として、光化学系の研究を主として進められてきた。クロロフィル d がクロロフィル b やクロロフィル

く全く成果が上がらなかった。そして最終的に、 A .

c と大きく異なる点は、光化学系反応中心のスペシャ

marinaでの形質転換系を開発し、順遺伝学的解析をおルペアのクロロフィルとして生体内でクロロフィル a

こなうしか解決策はないのではないかという結論にを置換している点である18,19)。クロロフィル a で駆動至った。筆者はもともとシアノバクテリアを取り扱っする光化学系と比較してクロロフィル d をもちいるA.

た経験が無かったため、京都に来てからはゼロから

m a r i n aの光化学系は、利用する光のエネルギーが低の出発で、論文等を参考にしながら見よう見まねで開い。そこで、光化学系IIの電子移動成分であるフェオ

発を進めてきた。形質転換系の開発目的は、外来遺フィチン a や QA の酸化還元電位が測定されたが、A.

伝子の導入、相同組換えによる遺伝子ターゲッティ

marinaではそれらの電位は少し高くなっており、利用

ング、トランスポゾンタギングによる変異体の作出のする光エネルギーが低下した分のギャップをうまく3つの手法を確立することであった。本音をいえば、埋め合わせるように変化していた20,21)。このように、遺伝子破壊などをおこなう遺伝子ターゲッティングの

クロロフィルdを利用した光合成系のうち、光化学系

系を最初に開発したいと思うところだが、細胞内への解析は進んだが、ゲノム配列が決定されている22)現の遺伝子導入だけでなく、その後の相同組換えの効在に至ってもクロロフィル d合成系についての理解は率が実験結果に反映されてしまうと考えて、条件検討

ほとんど進んでいない。

には要因の少ない方法を選んだ。このような理由に筆者が京大に赴任した2 0 0 3年当時は、紅藻に付着より、形質転換系の開発では保持型のプラスミドをするAcaryochlorisの論文が公表される前で、ゲノムプ

もちいて抗生物質耐性を示す株を得る条件を探すこと

ロジェクトの話が持ち上がる前でもあった。そのよにした。

うな状況の中で、新たな研究テーマの一つとして、ク

一般にバクテリア内で保持させるためのプラスミド

ロロフィル d 合成酵素の探索を開始した。しかし、誰ベクターとしては、そのバクテリアが持つプラスミド

しもが考えるような手法で進めてはみたものの、長らの複製起点と、大腸菌の複製起点の両方を合わせ持	

109

光合成研究22 (2) 2012

つシャトルベクターを作製して利用する。ゲノム配列が解明された現在では、A. marinaに9つのプラスミドが存在し、一番小さいものでは 2133 bp のプラスミドも存在することが判明しているが22)、当時はそのような情報はなかったので、汎用性の高い発現ベクターを作製することにした。そこで注目したのが広宿主域
プラスミドであるRSF1010で23,24)、本プラスミドより作製されたベクターは、グラム陰性細菌で広く保持されることが報告されていた。それら宿主の中には、
シアノバクテリアや光合成細菌も含まれていたので、RSF1010をもとにしたベクターであれば、光合成をおこなう原核生物全般で広く利用可能なベクターとなるであろうと考えた。これまでの報告を調べて既存のRSF1010由来のベクターを検討したが、ベクター上の抗生物質耐性遺伝子の種類に限りがあった。また、プロモーターなどが簡便に置換できるベクターを希望していたが、見いだすことができなかった。そこで、制限酵素処理により構成成分を容易に置換で
図3 CAO遺伝子を導入したA. marinaの色素組成
C A O遺伝子を含む発現ベクターを導入した形質転換体と、コントロールとして発現ベクターを導入した形質転換体の色
素組成をHPLCで分析した結果。クロマトグラムは480 nmの吸収でモニターしたもの。微量のクロロフィル aのピークは検出されていない。1, ゼアキサンチン; 2, 新奇色素; 3, クロ
ロフィル d; 4, α-カロテン。

きるベクターを自分で作製することにした。こうして作製した発現ベクターがpKUT1121である（図2）。
本ベクターは、抗生物質耐性遺伝子カセットをM l u I
処理で容易に置換することができるため、pKUT1121をもとに抗生物質耐性遺伝子の異なるいくつかのベクターを作製した。プロモーターもK p n I処理で置換することが可能であるので、さらに、プロモーター

pKUT1121を利用して形質転換系を開発することを決を置換したベクターも作製した。これにより、導入

めたが、次に形質転換法を選択する必要があった。

する遺伝子の発現量を変えることができる。例え

シアノバクテリアの形質転換法には 3 つの方法があば、大腸菌で強発現に利用されるt a cプロモーターやる。Synechocystisなど一部のシアノバクテリアでは、

trcプロモーターは、シアノバクテリア内でも有効には細胞と混ぜるだけで D N A が細胞内に取り込まれる

たらくことがわかっている。また、Synechocystisで主「自然形質転換法」が利用されている。しかし、 A .

要なD1タンパク質をコードしているpsbA2のプロモーmarinaで自然形質転換が起きる保証は全くなかったの

ターも、Synechocystis以外のシアノバクテリアでの強で、この方法は選択しなかった。エレクトロポレー発現に有効である。さらに、必要であれば敢えて活ション法は、シアノバクテリアでも広く適用されてい性がそれほど高くないプロモーターを選択することるが、海洋性の A. marina を一時的とはいえ脱塩したで、過剰発現による生物への悪影響を防ぐことがで状態に曝したくはなかったので、結局大腸菌をもちいきる。しかし、同じベクターを使用しても、導入するた接合法 2 5 ) により条件検討をおこなった。

シアノバクテリアによってプロモーター活性は異なる

Synechocystisをもちいた予備実験では、接合により容ので、自分の実験目的に適したプロモーターを決め

易にp K U T 11 2 1を導入することができたのだが、A .

るためには、実際に使用する生物での活性を検証すmarinaで同様の実験ができるようになるにはしばらくる必要がある。プロモーターの評価は、レポーター

時間がかかった。培養条件や感受性を示す抗生物質

遺伝子としてルシフェラーゼ遺伝子を用いれば容易にの探索など、さまざまな条件検討の結果、何とか抗おこなうことができる。

生物質耐性を示すコロニーが得られる条件が確立
し、得られた株を解析したところpKUT1121を保持し上記のように、筆者自ら R S F 1 0 1 0 より作製した

110

光合成研究22 (2) 2012

みると、[7-ホルミル]-クロロフィル d の吸収スペクト
ルはクロロフィル b のスペクトルと形状は似ているが、全体的に長波長側にシフトしたように見える（図4）。この違いは、クロロフィル a とクロロフィ
ル d の吸収スペクトルの関係と類似している。以上のように、新たに合成された[7-ホルミル]-クロロフィル
d は、構造を反映した分光学的性質を示すことが判明した。なお、[7-ホルミル]-クロロフィル d のSoret帯の吸収極大波長が、他のクロロフィルの極大波長よりもさらに長波長側にあることは特筆すべきことである。
図4 クロリン型のクロロフィルおよび[7-ホルミル]-クロロフ
ィル d の吸収スペクトル
精製した各クロロフィルのアセトン中での吸収スペクトル。
クロロフィルa（緑色破線）、クロロフィルb（緑色実線）、クロロフィル d（黒色破線）、[7-ホルミル]-クロロフ
ィル d（黒色実線）。

遺伝子導入により、A. marinaに新奇なクロロフィル
として[7-ホルミル]-クロロフィル d を合成させることに成功したので、次に[7-ホルミル]-クロロフィル d が光化学系に挿入されているのかどうかを調べた。CAO
遺伝子導入株から光化学系II複合体を調製し、色素組ていた26)。これでようやく、A. marinaでの形質転換系

成を解析したところ、コントロール株から調製したの開発に成功したという段階まで達した。

複合体の色素組成と比較して、1分子のフェオフィチ
ン a あたり、約5分子のクロロフィル d が減った代わりに、約3分子の[7-ホルミル]-クロロフィル d が存在

5. A. marinaでの新奇クロロフィルの合成
接合により A. marina への発現ベクターの導入が可していた28)。電気泳動により、ポリペプチド組成を分能となったので、早速C A O遺伝子の導入を試みた。

析したところ、[7-ホルミル]-クロロフィル dの有無にCAOまたはクロロフィル d 合成酵素のどちらかが厳よる差は見いだされなかった。次に、それらの低温

密な基質特異性を示さなければ、両方の酵素が作用

吸収スペクトルを測定し、差スペクトルをとると、したクロロフィルが合成されるであろうと考えたから[7-ホルミル]-クロロフィル d 含有光化学系II複合体でだ。導入する遺伝子には、いわゆる「原核緑藻」では、[7-ホルミル]-クロロフィル d に特徴的な482 nmとある Prochlorothrix hollandica 由来のCAO遺伝子27)を選675択した。P. hollandica のCAOには触媒ドメインしかな

クトル、低温蛍光スペクトルの測定により、[ 7 -ホルく、真核生物由来のC A Oに存在する葉緑体への移行

ミル]-クロロフィル d 分子からクロロフィル d分子へペプチドなどが存在しないためである。C A O遺伝子のエネルギー移動も観測された28)。しかし、時間分解を導入した形質転換体を作製し、色素組成をHPLCで蛍光スペクトルおよび蛍光減衰曲線では、差が見ら測定したところ、野生株やコントロール株にはないれなかったことから、[7-ホルミル]-クロロフィル d 分

色素が蓄積していることが判明した 2 6 ) （図3）。その子は反応中心の電子移動成分のクロロフィル分子は置

新奇色素を精製し、吸収スペクトルを測定した結換していないことが推定された。以上のように、一遺果、アセトン中の吸収スペクトルの極大値はS o r e t帯伝子の導入で光合成生物が容易に新奇なクロロフィル

で470 nm、Qy帯で667 nmであり、既知のクロロフィを合成することが可能で、さらにその分子が光化学

ルの値とは全く異なっていた（図4）。そこで、この系に取り込まれてアンテナ色素として機能することが色素の構造を決定したところ、 3 位と 7 位の両方の側明らかとなった。クロロフィル代謝系酵素の進化を考

鎖がホルミル基である[7-ホルミル]-クロロフィル d でえると、偶然新たなクロロフィルを合成する酵素の遺あった（図1）。この構造は、本色素がCAOとクロロ

伝子を獲得した際に、まずは複合体中の一部の色素

フィル d合成酵素の双方の作用を受けて合成されたこの置換が起き、次いでアポタンパク質のアミノ酸配列とを意味する。ここで再び吸収スペクトルを比較しての変異というチューニングが施されるのであろうと推nmでの増加が見られた。さらに、低温励起スペ定される。また、光化学系タンパク質複合体の色素組	

111

光合成研究22 (2) 2012

成の柔軟性はこれまでの研究でも論じられてきたが、については、変異導入をおこない基質特異性や反応

自然界から検出されていない人工的なクロロフィル分

産物を改変するといった、工学的な手法も積極的に子ですら容易に利用可能であるという事実は、我々取り入れる必要があるだろう。今日までに、クロロが未だ発見していない、未知のクロロフィルを持つマ

フィル代謝に関わる酵素遺伝子の大半が同定され、残イナーな生物が、地球上のどこかに存在していてもおりの酵素遺伝子も遠からず全て同定されると予想さ

かしくはないという考えを導く。

れる。その後の展開を考えると、得られた酵素遺伝
子をいかに利用してゆけばよいのかといった研究が発6. 今後の展望展するのではないかと期待している。

我々の最近の研究により、自然界に存在しない

7. おわりに（あるいは未だに見つかっていない）クロロフィルを合成するためには代謝工学的アプローチが非常に有

本稿では、光合成生物が利用できる光の波長域を効であることが示された。ただし、今後改善が望ま

人工的に制御することを目指して、代謝工学によるクれる問題も残されている。一つは、新たなクロロフィ

ロロフィル組成の改変の潜在力と可能性について、筆ルの蓄積量を増やすことができないのかという問題

者なりの考えを記した。見直してみると、当たり前のである。今回の[7-ホルミル]-クロロフィル d は、形質ようなことばかり書いてあるようにも思えるが、今転換体中で最大で10%程度しか蓄積しなかった 。こ

後のクロロフィル代謝研究について、方向性の一つをれは、Synechocystisで合成させたクロロフィル b の値示すことができたとすれば幸いである。

26)と同様の値である 。ジビニル-クロロフィル a を持つ
1)

謝辞

Synechocystisの変異体では、全てのクロロフィルがジビニル化していたこととあわせて考えると、クロロフ

本稿で紹介した研究成果の多くは、京都大学大学

ィルの分子種によってはアポタンパク質側の制約で置

院人間・環境学研究科の三室守研究室でおこなわれ換に限りがあるように見える。置換対象を反応中心ました。また、本誌に出版の機会を与えていただいに存在するクロロフィルにまで広げて、さらにクロロ

た、北海道大学低温科学研究所の田中亮一先生に深フィル組成改変の自由度を上げるためには、今後解決

く感謝いたします。

すべき問題であり、アポタンパク質への変異導入といった改変が必要とされるであろう。また、新たなク

Received July 12, 2012, Accepted August 1, 2012,

ロロフィルをさらに創り出すためには、未だ同定されPublished August 31, 2012ていないクロロフィル合成酵素遺伝子の探索が必要である。すなわち、クロロフィル c、クロロフィル d お
よびクロロフィル f の合成酵素遺伝子についてであ参考文献

る。これらのうち、クロロフィル d についてChenら

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い状況であり、その真偽は今後の検証が待たれる。
また、本稿では触れていないが、バクテリオクロロフ
ィルの合成酵素遺伝子を組み合わせの候補として活用することも有効であると思われる。バクテリオクロ
ロフィル合成に関与する酵素の中には、酸素に感受性を示す酵素も少なくないので、ハードルはより高い可能性があるが、挑戦的な試みであると考えられる。
さらに、今後未知のクロロフィルを有する新たな光合成生物が発見されれば、その合成酵素遺伝子もおおいに利用価値があるだろう。加えて、利用する遺伝子112

光合成研究22 (2) 2012

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Graduate School of Human and Environmental Studies, Kyoto University

114

光合成研究22 (2) 2012

解説
植物細胞におけるヘム代謝研究の新展開‡
東京大学大学院総合文化研究科
増田 建*
1. はじめに合成生物においても、ヘムは必須の役割を果たし、ヘムはポルフィリンの鉄錯体の慣用名で、ヘムタン

またビリン色素合成の基質としても使われる。本解説

パク質の補欠分子族として、ほとんどの生物において

では、植物細胞におけるヘム代謝研究の最近の展開必須な役割を果たしている。ヘムには多くの種類が存について、筆者らのこれまでの研究および関連する研在するが，細菌から真核生物にまで広く存在するヘ究を交えて解説する。紙面の都合上、全てを網羅す

ムは，ヘムa，ヘムb，ヘムcである（図1）。特に断ることは出来ないため、興味を持たれた読者は最近りがない場合、一般に「ヘム」とよぶと、生体内にの総説などを参照して頂きたい1-5)。

存在する最も代表的なヘムb（プロトヘム）のことを

2. 古くて新しいヘム代謝研究

意味し、本稿でもそのように扱う。アポタンパク質の構造、ヘムの種類、ヘムとタンパク質の結合様式によ

ヘムは血色素として知られ、赤血球のヘモグロビンって多種類のヘムタンパク質が存在するが、機能的にや筋肉中のミオグロビンの補欠分子族として、酸素運

は、 1 ) カタラーゼやオキシダーゼなどの酸化還元酵

搬の機能を担っている。実験材料として入手しやす

素、2) シトクロムb5やcなどの電子伝達体、3) ヘモグ

く、また色を持つことから、生化学におけるヘム研

ロビンやミオグロビンなどの酸素運搬体の3種類に分

究の歴史は古い。ヘムタンパク質であるシトクロムに類することができる。また、ヘム鉄に酸素や一酸化ついては、1886年に Mac Munn 博士によりその存在が炭素、一酸化窒素などのガス性シグナルが結合した

指摘され6)、1925年にKeilin博士によってその機能がり、あるいはヘム分子そのものがタンパク質に結合・実証され、名付けられた 7 ) 。これはシトクロム

解離したりすることで、細胞内のさまざまな生理作（cytochrome）が色素であるヘムを結合することで、用に機能するヘムセンサータンパク質も存在する。光その名の通り「細胞の（cyto）色素（chrome）タンパ

図1 代表的なヘムの構造
ヘムaは3位に1-ヒドロキシ-2-trans,trans-ファルネシルエチル基を持ち、8位にホルミル基を持つ。ヘムb（プロトヘム）はプロト
ポルフィリンIX骨格を持つ。ヘムcは4つのメチル基を持ち、通常2つのチオビニルエーテル基がヘムタンパク質のシスティン残基と共有結合をしている。生物種によっては、赤で示したシスティン残基は置換されており、単一の結合をしているものもある。ヒスチジン残基は中心の鉄と配位する。

‡

解説特集「植物、藻類等を利用した物質生産の新しい展開とその課題」* 連絡先 E-mail: ctmasuda@mail.ecc.u-tokyo.ac.jp	

115

光合成研究22 (2) 2012

ク質」として容易に見つけられたこと、そしてその高い安定性による。ヘムタンパク質は生化学研究初期の中心的な研究対象となり、その後のミオグロビ
ンの結晶化やヘモグロビンの酸素結合のアロステリック性などの解明に結びついていった。
一方、近年、ヘムが動物、植物、微生物を問わず、多様な生理作用を調節する細胞内シグナ
ルとしての機能することが明らかとなってきた。実際ヘムは、動物細胞や酵母において、転写8)、翻訳 9 ) 、翻訳後のジスルフ

ィド結合の形成10)、翻訳後のタ
ンパク質輸送11)の制御に関わることが報告されている。さらに
近年、microRNAのプロセシン
グ12)、概日リズム13)やイオンチ
ャネルの制御14)など、さらに幅広い生理現象を調節することが見出された。また後述のように、光合成生物においても、ヘムが転写調節シグナルとして機能する可能性が提唱されている。ヘム代謝を研究してい 図2 ヘム生合成系の概略
ると言うと、「今更ヘムの何を研究することがあるの？」と聞かれることがあるが、往年のスーパースターが再び表舞台にカムバックしてきた感があり、本稿で述べるように、まだまだその機能の詳細は明らかでなく、解明すべき点が多く残されている。

(A) ヘム生合成の第1段階はALAの合成で、高等植物などではグルタミン酸を出発物質とするC5 pathway で合成される。一方、動物細胞などでは、ALAはグリシンとスクシニルCoAの縮合による1段階反応で合成される（Shemin pathway）。いずれのALA合成系も、ヘムによるフィードバック阻害を受けることが知られている。ヘム（ヘムb、プロトヘム）はフェ
ロキラターゼによる Proto IX への鉄の配位反応により触媒される。生成したヘムはヘムタ
ンパク質の補欠分子族としての他、他のヘムやビリン合成系の基質として、また多様な生理作用のために輸送されると考えられる。これら代謝の中間的な状態にあるフリーヘムの存在が想定されている。(B) DPEによる光に依存した除草機構。DPEは Protogen IX オキシ
ダーゼを阻害する。蓄積した Protogen IX は代謝系から外れ、自動的な酸化を受けて Proto
IX に変換される。一方、ヘム合成に使われる Proto IX の生成は阻害されるため、ヘム含量は減少し、フィードバック阻害の解除によりALA合成も活性化される。このような連鎖反応により、DPE処理により多量の Proto IX の蓄積が引き起こされる。Proto IX は光増感酸化能により、活性酸素（一重項酸素）を発生し、植物を枯死に至らしめる。

3. 植物におけるヘム合成系

や酵母、ある種の細菌では、A L AはA L Aシンターゼ

植物におけるヘム合成系は、プロトポルフィリン

によるスクシニルCoAとグリシンとの縮合反応によりIX（Proto IX）に至るまでは、クロロフィル生合成系

1段階で合成される（Shemin pathway）。一方、植物と共通の代謝系で合成される（図2A）。その第1段階

やシアノバクテリア、多くの細菌では、ALAはグルタ

は5-アミノレブリン酸（ALA）の生合成であり、生合

ミン酸を出発物質とする3段階の酵素反応により合成

成系全体の律速段階であることが知られている。動物される（C5 pathway）。その後、2分子のALAが縮合116

光合成研究22 (2) 2012

して1つのピロール環を形成し、これが4つ連なってテ害の解除によることを見出した（図 2 B ） 1 8 ) 。この

トラピロールを形成する。さらに環状化してポルフィ

時、ヘム定量実験に大変苦労した経験が、後述の高リン環を形成後、側鎖の修飾や環全体の共鳴系が完

感度ヘム定量系の開発に結びついている。また植物成し、Proto

IXが生成する。ヘム（ヘムb、プロトヘが、このような危険な物質を中間体としながら、厳ム）の合成は、フェロキラターゼにより Proto IX に

密な制御により大量のクロロフィルを合成している仕Fe2+が配位することで合成される。またヘムはビリン

組みそのものに興味を持ったのが、現在の研究の第合成の基質であり、フィトクロム発色団のフィトクロ一歩である。

モビリンやフィコビリソームのビリン色素は、ヘムオ

その後、京都大学大学院理学研究科の博士課程にキシゲナーゼによるヘムの酸化的開裂により合成が進学し、A L A合成系の植物ホルモンによる制御機構

開始される。一方、M g-キラターゼによりProto IXにに関する研究を行っていたが、分子生物学の手法をMg2+が配位するとクロロフィル合成系へと流れる。

習いに行っていた生物物理学教室の井口研究室で、再ヘムはALA合成系のALAシンターゼやC5 pathwayのび Proto IX と出会うこととなった。当時、井口研究第2番目の酵素である glutamyl-tRNA reductase (GluTR)

室では光感受性の大腸菌株 v i s A の解析を行なっておをフィードバック阻害する代謝産物であることが知らり、なぜ光で大腸菌が死んでしまうのかを研究していれている（図2A）。さらに酵母では、ヘムはALAシ

た。井口研究室のセミナーでその話を聞いた著者

ンターゼ遺伝子（ALAS1）の転写やmRNA安定化、翻は、これまでの経験からすぐに Proto IX の蓄積によ

訳、タンパク質輸送に対して、負のフィードバック制

るものではないかと考え、調べてみると、visA株にお御を行なうことが知られている 。植物細胞においていて Proto IX が顕著に蓄積していた19)。そして、visAは、ヘムはGluTR活性をフィードバック阻害するが、株では大腸菌のフェロキラターゼ遺伝子（hemH）に

その他の制御機構の存在については明らかではない。

変異を持つことが明らかとなった19)。その後、visA株

15)は、サプレッサー株の単離や機能的相補により、多4. ヘム代謝研究との出会い

くのポルフィリン合成系遺伝子の同定に貢献した。ま著者は1 9 8 8〜9 0年度に神戸大学大学院農学研究科た植物（キュウリとオオムギ）のフェロキラターゼ遺の修士課程で、光要求性除草剤の作用機作に関する

伝子もこの株の機能的相補により初めて単離された

研究を行なっていた。ジフェニルエーテル系除草剤

20)（DPE）はその殺草効果に光を要求することが知られ機能的相補により、イギリス・ケンブリッジ大のており、DPEが阻害する標的酵素の同定と光に依存しS m i t hらのグループがシロイヌナズナのフェロキラタ

た殺草作用を調べるのが研究目的であった。残念なーゼ遺伝子のクローニングに成功した21)。さらにシロがら、フランスのMatringe博士のグループに先を越さイヌナズナやキュウリにおいて、フェロキラターゼにれ、DPEがポルフィリン合成系のプロトポルフィリノ

は2つのアイソフォーム（FC1とFC2）が存在すること

ーゲン酸化酵素を阻害することで、蓄積したプロトが明らかとなった 22)。興味深いことに、FC2のC末端ポルフィリノーゲンIXが自動酸化により Proto IX に変には、FC1には認められない、LHC（Light harvesting

換されること、また光照射により Proto IX が活性酸

chlorophyll a/b protein complex）と相同な1回膜貫通型素種である一重項酸素を生成して植物を枯死させるこのドメインを有していた23)。

。丁度同じ年に、酵母のフェロキラターゼ変異体のとが報告された（図2 B） 1 6 ) 。当時、著者らのグルー

5. 植物のフェロキラターゼの局在性解析

プは、DPE処理により植物細胞の膜画分にある物質が蓄積すること、この物質を含む膜画分に光を当てる

動物細胞のフェロキラターゼはミトコンドリアにと膜脂質の過酸化が起こり、急激な酸素消費活性を存在しており、肝臓のミトコンドリアにおけるフェロ

示すことを突き止めていたが、その物質が Proto IX でキラターゼについては古くから生化学的な研究が成あることが後から確認できた17)。その後、DPE処理にされてきた。一方、植物のフェロキラターゼについて

よりProto IXが蓄積するメカニズムを調べたところ、は、色素体に局在する事が示されていたが、動物細胞

A L A 合成が活性化していること、さらにこの活性化同様にミトコンドリアにも局在する可能性が考えら

はヘム含量の減少によるALA合成のフィードバック阻れていた。特にフェロキラターゼの前段階を触媒す	

117

光合成研究22 (2) 2012

る、DPEの標的酵素でもあるプロトポルフィリノーゲ

分子系統樹から考えると、緑色植物の2つのフェロン酸化酵素が、ホウレンソウ とタバコ において色キラターゼ・アイソフォームは明らかにシアノバクテ

素体とミトコンドリアの双方に存在するとの報告がリア由来である29)。また緑藻のクラミドモナスにはフ成されていたため、ミトコンドリア型のフェロキラタ

ェロキラターゼとプロトポルフィリノーゲン酸化酵素ーゼの存在が予想されていた。この問題は、光合成光の遺伝子が1コピーずつ存在し、どちらの遺伝子産物

化学系および呼吸鎖のヘムが、それぞれどのオルガネも葉緑体にのみ局在する30)。一方、紅藻シアニジウム

ラから供給されるかという点で重要である。Smithら

やアピコンプレクサのフェロキラターゼは、α-プロテは、エンドウより単離した葉緑体およびミトコンド

オバクテリアを起源としており、ミトコンドリアに局

リアを用いて in vitro 輸送実験を行ない、フェロキラ

在している29)。テトラピロール代謝系ではこのようなターゼのFC2は葉緑体のみに輸送されるが、FC1は葉モザイク進化が良く見られるのは面白い特徴である。

24)

25)

緑体とミトコンドリアの双方に輸送されると報告し

6. ヘム定量系の開発

た26)。著者らもSmithらと共同研究を行い、キュウリ
FC1が葉緑体とミトコンドリアの双方に輸送されるこ

さて話は変わるが、ヘム代謝系を研究する上で、とを報告した 。しかしその後、エンドウの単離ミト

植物中のヘム含量を定量することは重要である。筆

コンドリアは輸送ペプチドの認識に対する特異性が者は、分子遺伝学的解析が容易なシロイヌナズナを用低く、プラストシアニンなどの葉緑体タンパク質をin

いて、ヘム代謝を研究したいと考えていたが、微小なvitroで受容すること、そしてシロイヌナズナの単離ミ

実験材料を用いてヘムを正確に定量することはこれ

トコンドリアにはFC1が輸送されないことが報告されまで非常に困難であった。従来、ヘムの定性・定量た 。筆者らはキュウリのフェロキラターゼの局在性には、ヘムの第5、第6配位座にピリジンなどのN塩基を解析し、GFP融合タンパク質の局在性観察および免が配位したフェロヘモクロムを生成させ、その可視光

疫学的な解析から、2つのフェロキラターゼ・アイソ

域での吸収や酸化還元差スペクトルにより行なう方

フォームが色素体のみに局在することを報告した 。

法が一般的であった。しかし、この測定には相当量

以上の結果から、緑色植物ではフェロキラターゼはの実験材料が必要で、精製操作も煩雑であった。そ色素体のみに存在し、ミトコンドリアを含む全てのこで、微小な実験材料からでも、簡便かつ高感度にヘオルガネラのヘムは、色素体から供給されると考えら

ムを定量する方法を開発することとした。この方法れている。しかし、実はこの問題は未だ完全に決着しは、ThomasとWeinstein 31)が行なった、ヘム抽出液とていない。未報告ながら、タバコにはミトコンドリ

西洋ワサビペルオキシダーゼ（HRP）のアポタンパク

ア型フェロキラターゼが存在すると考えている研究者

質を混合し、ホロHRPを自発的に再構成させ、その活もいる。果たしてその解析結果がどのようになるか、性を発色法により検出するという手法を応用したもその研究成果を待っている段階である。

ので、HRP活性をルミノールの化学発光検出により、

23)

27)

28)

図1 HH法によるヘム定量の原理(A) 不活性型のアポHRPをヘムと混合すると、活性型のホロHRPに自発的に再構成する。HRP活性はルミノールを用いた化学発
光検出により、高感度に測定することが可能である。(B) HH法におけるヘム検量線の一例。

118

光合成研究22 (2) 2012

さらに高感度かつ簡便に測定するという方法である

表現型と相関しない事が明らかにされた44,45)。昨年、（図3）32)。HRP-based Heme assay (HH assay)と名付

Choryらのグループは、FC1の過剰発現株がgun表現型

け、その至適化を行なった 。現在では、市販の高感を示すことを報告し、葉緑体においてFC1により合成

度なウエスタンブロット検出試薬と化学発光検出可

されるヘムがシグナルとして機能しているとの報告を能なマルチプレートリーダーを用いることで、検出限行った46)。興味深いことにFC2はシグナル生成には関

界は 1 pM 以下に達し、数mgのサンプル中に含まれる

与しておらず、 2 つのアイソフォーム間で異なる機能

ヘムを 1 時間程度で定量することを可能にしているを果たすことが予想された。本研究結果は非常に興（図3）。測定法の詳細については、筆者らの論文を味深いが、これまでの分子遺伝学的な解析と同様、

33)参考にされたい5,32-34)。

シグナルの実体を直接明らかにしたものではなく、今

近年、ヘムは植物、動物、微生物を問わず、多様な後も更なる研究が必要であると考えられる。

生理作用を調節することが明らかとなってきている。またヘムはマラリア診断35)や抗がん剤36)のターゲ

8. フェロキラターゼ・アイソフォームの機能解ットとしても注目をあびている。おかげさまで、筆者

析たちが開発した HH assay は、植物分野だけでなく、

実際、FC1およびFC2は、その遺伝子発現様式が大様々な分野の研究者から多くの問い合わせを頂いてきく異なっている。興味深いことに、これらの発現いる。今後、ヘム代謝研究の有用なツールとなってく様式は、ALA合成系の律速段階であるGluTRのアイソれることを願っている段階である。

フォーム（HEMA1とHEMA2）と類似していた。FC1とHEMA2は主に根や茎などの非光合成器官で発現が7. 植物細胞においてヘムやMg-Proto IXはシグナ

認められ光に応答しないのに対し、FC2とHEMA1はルとして機能する

光合成器官で発現しており光応答性を示す23,47)。さら植物細胞において、ヘムやクロロフィル中間体であに、筆者らはタンパク質合成阻害剤であるシクロヘキ

る Mg-Proto IX が葉緑体の機能状態を核に伝えるシグ

シミド処理により、光合成器官において F C 1 とナル（レトログレードシグナル）として機能している

HEMA2の発現が劇的に誘導されることを見出した。

ことが提案されてきた。緑藻クラミドモナスにおい

このことから、これらの発現は通常、リプレッサー

およびヘム38)が HSP70A や LHC な

タンパク質により抑制されており、何かの条件で解除

どの核遺伝子の転写制御に関わることが報告されされるのではと考えた。実際、FC1とHEMA2の発現た。その後、クラミドモナスにおける、これらテトは、ウイルス感染による過敏感反応や傷害、オゾン処

ラピロールによる遺伝発現の誘導は一過的であり、理などのストレス条件下で顕著に誘導を受けることが主に光合成とは関係しない遺伝子の発現の誘導に関明らかとなった48,49)。傷害によるFC1 mRNAレベルのわることが示されている39)。また、紅藻シアニジオシ

誘導は一過的で、他の傷害誘導性遺伝子と似た発現ゾンにおいて、Mg-Proto IX が葉緑体由来のシグナル

プロファイルを示した。これらの中には、細胞質型アとして核のD N A複製を誘導し、細胞周期を調節する

スコルビン酸ペルオキシダーゼや二次代謝に関わるシ、さらにその受容体が単離された

トクロムP450が含まれていたため、FC1はこれら葉緑。高等植物では、Choryらのグループにより、シロ

体外のヘムタンパク質にヘムを供給している可能性がて、Mg-Proto IX

ことが報告され
41)

37)

40)

考えられた49)。

イヌナズナを材料として、分子遺伝学的にレトログレ
ードシグナルに異常を来したと考えられる g e n o m e

筆者らはさらにF C 1とF C 2の機能の違いに着目しuncoupled (gun) 変異体が単離された 。カロテノイドて、変異体の解析を行なった（ N i n o ら、論文準備

合成阻害剤であるノルフルラゾン（N F）を処理し、中）。FC1のノックアウト変異体は致死性を示すこと

葉緑体の機能を欠損させると野生株では Mg-Proto IXが報告されている46)。そこで、シロイヌナズナのFC1が蓄積し、gun変異体ではこの蓄積が認められないこのノックダウン変異体（fc1-1）49)とFC2のノックアウとから、Mg-Proto IX がレトログレードシグナルの実

ト変異体（ f c 2 - 1 ）の解析を行なった。その結果、体であると提案された 。しかし近年、著者を含む複

fc2-1の初期芽生えがpale greenの表現型を示すことが数のグループにより、Mg-Proto IXの蓄積レベルがgun分かった。この株では、ヘム含量の低下や葉緑体シ

42)

43)

	

119

光合成研究22 (2) 2012

トクロム f の欠損が認められた。また興味深いこと

非常に低く抑えられている（<0.1 µM）ことが知られに、光化学系IIのCP43およびCP47蓄積が野生株に比ている51)。

べ大きく減少していた。シアノバクテリアでは、

一般にヘムを抽出するには、p Hの異なるアセトン

CP47部位特異的変異体におけるCP47蓄積が、fc2型フ抽出法が行なわれる52)。この方法では、まず、植物サェロキラターゼの変異により安定化することが報告

ンプルのホモジェネートを、アンモニアを含む塩基性。FC2のC末端に存在するLHC相同領域

アセトンで抽出し、クロロフィルやカロテノイドなど

へのクロロフィル結合が、クロロフィル分配によるの色素を取り除く。次に残渣を中性のアセトンで洗光化学系IIのCP47アセンブリに関与する可能性が議論

浄後、塩酸を含む酸性アセトンで残渣中のヘムを抽されている。このメカニズムの詳細は明らかでは無出するという手順で、この方法により、クロロフィル

いが、FC2が主に葉緑体内にヘムを供給し、さらに光などの吸収に邪魔されずにヘムを分光学的に測定する

化学系IIのアセンブリに関与することについて、今後ことを可能にしている。ThomasとWeinsteinは、植物さらに研究を進めていきたいと考えている（図4）。

細胞中でルーズに結合したヘム（フリーヘム）が塩基

一方 f c 1 - 1 は、見た目は野生株と変わらなかった性アセトン中に抽出されると考え、色素体中のフリが、ミトコンドリア・シトクロムc含量の低下や、ミーヘムの定量を行なった31)。その結果、色素体の総ヘクロソーム画分においてヘム染色されるタンパク質

ム量中のおよそ23〜28%がフリーヘムであると見積もの低下が認められた（N i n oら、論文準備中）。以上られた。また近年、シロイヌナズナの g u n 変異体よの結果は、FC1が葉緑体外のオルガネラへヘムを供給

り、塩基性アセトンにより抽出し、HH assayで定量ししているという仮説と一致している。通常の生育条

たフリーヘムのレベルが、gun表現型と相関しないこ

件で、光合成器官におけるFC1の発現レベルは非常にとが報告されている53)。

されている

50)

低いが、ストレス条件下での防御機構以外に、 F C 1 は細胞内のヘム供給においてハウスキーピングな役割を果たしている可能性が考えられる（図4）。

9. 植物細胞中にフリーのヘムは存在するか？
ヘムは、ヘム a やヘム c 、そして ビ リ ン 合 成 の 基 質 と して、ヘムタンパク質の補欠分子族として、さらに細胞内シグナルとしてなど、多様な消長を辿ることから（図2 A）、
特定のタンパク質に結合していないフリーの状態のヘムが細胞中に存在するのではない
か と 考 えら れて き た 。 し かし、フリーのヘムはフェントン反応により活性酸素を生成し、細胞に毒性を与えることから、動物細胞では細胞内におけるフリーヘムのレベルは

図4 想定される植物細胞でのヘム輸送系
高等植物ではヘム合成関わるフェロキラターゼは色素体に局在する。多くの植物ではフェロキラターゼには2つのアイソフォームが存在する。C末端にLHCモチーフを有するFCIIは
主に色素体にヘムを供給する。また色素体内で、ヘムはHBP5を介してHY1に輸送される。
一方、F C Iは主に色素体外のヘム供給に機能する。ヘム輸送に関わるトランスポーターは未だ同定されていないが、HBPなどのキャリアタンパク質によりヘムは輸送されると考えられる。ヘムはミトコンドリアや核、小胞体などに輸送され、多様な生理機能を果たす。
また小胞体・ゴルジ体にはヘム輸送に関わると考えられるTSPOが局在している。

120

光合成研究22 (2) 2012

筆者らは、植物細胞中のフリーヘムのレベルに興

これまで殆ど知られていない。最近、植物ではTSPO味を持ち、まず標準ヘムタンパク質を用いて、上記の(Tryptophan-rich sensory protein) がヘム輸送に関与してアセトン抽出法によるヘム定量を行なった 。その結いるとの報告が成された54)。TSPOのホモログは、哺果、塩基性アセトンはヘモグロビンやミオグロビン

乳類のミトコンドリア外膜に存在し、ポルフィリンななどを溶解させることで、ヘムを抽出出来ることを見

どをリガンドとすることが知られている。シロイヌナ

出した。一方、酸性アセトンはヘムタンパク質の溶解

ズナでは、TSPOは小胞体やゴルジ体に局在し、ヘム

度に関係なく、全ての非共有結合性ヘムを定量的に依存的にオートファジーによる分解を受ける（図抽出できた。また異なる親和性で2分子のヘムを結合4 ）。さらにアブシジン酸処理により、一過的にすることが知られているBSAとヘムの複合体を形成さ

TSPO発現の誘導とヘム含量の上昇が起こることや、せ、抽出を行なった結果、塩基性アセトンはタンパク

TSPO過剰発現体ではALA添加によるポルフィリン蓄

質に低い親和性で結合したヘムを抽出できることが積が引き起こす植物体の白化が抑制されていることか明らかとなった。一方、中性アセトンはタンパク質結ら、T S P Oはヘム結合を介してストレスを抑制してい合性のヘムは全く抽出出来なかったが、非結合性のると提案されている54)。しかし、色素体から小胞体やヘムを抽出出来ることが分かった。従って、中性アセゴルジ体にヘムがどのように輸送されるかについてトンにより抽出されるヘムが、植物細胞中のフリーは、未だ不明である。

34)

ヘムを示す1つの指標となると考えられた。実際、植筆者らは、疎水性分子であるヘムの輸送にはキャ物ホモジェネートから中性アセトンで抽出を行な

リアタンパク質が必要であると考え、植物のヘム結合

い、HH assayによりヘム定量を行なうと、非常に低い性タンパク質（Heme Binding Protein: HBP）の解析をレベルながらヘムを検出することができた 。シロイ行なった。このタンパク質は、動物細胞に存在する

ヌナズナ、パセリ、ホウレンソウの葉で実験を行なっ

p22HBP/SOULと相同なタンパク質で、ポルフィリン

たが、いずれにおいても、そのレベルは総ヘム量の結合性を有し、その輸送に関与すると考えられてい約3％であった。またALA添加を行なうと総ヘム量はる。シロイヌナズナには5つのHBPが存在し、その2つ増加したが、中性アセトンに抽出されるフリーヘム

はN末端に葉緑体への transit peptide を有していた。筆量は変化しなかった。一方、N Fを処理し、葉緑体の者らはまず transit peptide を有しない2つのHBP (HBP1

内部構造を破壊すると、フリーヘム量の増加が認めとH B P 2 )について生化学的解析を行なった。その結られた。このことから、葉緑体の内部膜構造がヘム

果、これらは可溶性タンパク質であり、ヘムを含むポのリザーバーとして機能している可能性が考えられ

ルフィリン類と可逆的に結合出来ることを明らかにした。しかし、NF処理によるフリーヘム量の変化とgun

た55)。また最近、transit peptideを持ち、葉緑体型HBP

表現型には相関が認められなかったことから、増加と考えられるHBP3およびHBP5について検討したとこしたフリーヘムが直接シグナルとして機能している可ろ、HBP5のみがヘムに特異的に結合することが分か能性は低い。以上の結果から、ヘムがレトログレーった56)。さらにHBP5がヘム分解に関わるヘムオキシ

ドシグナルとして機能すると仮定すれば、それらは遊ゲナーゼ（HY1）と葉緑体内で相互作用することを、離したヘムではなく、制御された輸送系で運ばれる

酵母ツーハイブリッド法とbimolecular

必要があると考えられた。

complementation (BiFC) 法により明らかにした。HBP5

34)

fluorescence

ノックアウト変異体ではhy1変異体に見られるフィト

10. ヘムを輸送するメカニズム

クロム欠損の表現型が認められないため、ヘム分解

動物細胞や細菌におけるヘム輸送に関しては、いくに必須ではない。しかし、メチルジャスモン酸の過剰

つかのトランスポーターが単離され、その輸送機構処理により過酸化水素の生成を誘導すると、野生株が解析されている 。その多くはABCトランスポータ

に対しHBP5変異体では過酸化水素の蓄積上昇が認めーであるが、植物細胞においてヘム輸送に関わるられた56)。このことは、ヘム代謝の効率低下が酸化ス

A B Cトランスポーターは未だ同定されていない。まトレスと関係していることを示しているが、その詳細

た、植物細胞において、色素体で合成されたヘムがどについては今後の研究が必要である。本研究成果はのように他のオルガネラに輸送されるかについては、植物体内におけるヘムの動態を知る上で、初めてその

51)

	

121

光合成研究22 (2) 2012

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実体に迫るものであり、今後H B P全体の機能を含めて、解析を進めていきたいと考えている段階である。
現在までに明らかに成ってきている、植物細胞におけるヘム輸送系について図4にまとめている。

11. おわりに
以上、植物細胞における最近のヘム研究の展開について、筆者の研究の変遷も交えながら総括した。生化学研究初期の花形スターであったヘムは、近年、その多様な機能が再び注目を浴びるようになってきた。しかし、その細胞内の動態を含めて、未だに多くが不明のままである。今後、様々な切り口で、その実体に迫っていきたいと考えている。

謝辞
本稿をまとめるにあたり、協力して頂いた大学院生
ならびに共同研究者に謝辞を申し上げる。また、共同研究者であり、本論文を纏める上でコメントを頂いた東京大学の小林康一先生に感謝申し上げる。最後に、本解説特集の Guest Editor を引き受けて下さり、また執筆の機会を与えて下さった、北海道大学の田中亮一先生に心から感謝申し上げる。

Received June 26, 2012, Accepted July 18, 2012, Published
August 31, 2012

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124

光合成研究22 (2) 2012

解説
高等植物のクロロフィル合成系の制御‡
東京大学 大学院 総合文化研究科
小林 康一*
1. はじめにる。クロロフィルを含むテトラピロールの合成はグル

植物の先祖となる細胞が太古の昔にシアノバクテリ

タミン酸から始まり、グルタミルtRNA Gluの還元によ

アと共生して以来、植物は細胞内共生体である色素体

りテトラピロール代謝に独自の合成経路へと入るが行う光合成に依存することで大いなる発展を遂げ（図1）。この反応はHEMA遺伝子にコードされるグてきた。単細胞藻類では、色素体は光合成を行う葉ルタミルt R N A還元酵素（G l u T R）によって触媒さ緑体として専ら機能し、宿主細胞の生命活動の根底をれ、テトラピロール合成全体を調節する律速段階と担っている。一方、高等植物では、色素体は葉緑体なっている。シロイヌナズナの場合、GluTRの３つのだけでなく、様々な機能を持つ形態へと分化するこ

アイソフォームが存在することが知られており、そのとで、多様な細胞の機能を支えている。実際、葉肉細

うち、HEMA1遺伝子がコードするGluTR1がクロロフ

胞では葉緑体が活発に発達する一方、根や花弁では

ィル合成に主要な役割を果たす。さらにアミノ基の転葉緑体形成は抑制され、色素体はアミロプラストや

移を経て、5 -アミノレブリン酸（A L A）が合成されクロモプラストなどの非光合成色素体に分化する。こる。その後、2分子のALAが縮合しピロール環を形成のように植物は高度な多細胞系へと進化する過程で、した後、さらにそれが4分子縮合し閉環することで、細胞や組織の役割に応じて葉緑体の分化を誘導また最初のテトラピロールであるウロポルフィリノーゲンは抑制する機構を獲得してきたと考えられる。特に、IIIが合成される。シロヘムはウロポルフィリノーゲン

葉緑体の発達に伴い活発に合成されるクロロフィルやIIIから分岐する経路により合成される。ウロポルフィ

その前駆体は、光増感酸化作用により活性酸素を発リノーゲンIIIは脱水酵素（ALAD）による反応の後、生させ、植物に深刻な光酸化ダメージを与えることか

脱炭酸を含む2段階の酸化反応を受け、プロトポルフ

ら、その合成は光合成系の構築と連動して厳密に制御

ィリンIX（Proto IX）へと変換される。Proto IXはクされている。最近の研究から、発達段階や光環境、スロロフィルとヘム合成の共通の基質であり、Fe 2+が配トレス条件に応じて、様々な調節因子や制御機構がク

位するとヘム（ヘムb）が作られる一方、Mg 2+が配位

ロロフィルの合成をコントロールしていることが明らするとMg-Proto

かとなってきた。そこで、本稿では被子植物、とくに合成経路へと進む。Fe 2+の配位はシングルペプチドのモデル植物のシロイヌナズナで明らかになってきたク

フェロキラターゼ（F e C h）により触媒されるのに対

ロロフィル合成の制御機構について紹介したい。

し、 M g 2 + の配位は 3 つのサブユニット（ C H L D 、IXが合成され、その後クロロフィル

C H L H 、 C H L I ）から構成される M g - キラターゼ

2. 植物におけるクロロフィル合成経路（MgCh）によって触媒される。また、葉緑体タンパ

最初に、植物のクロロフィル合成経路について、鍵ク質であるGUN4が、このMgChの酵素活性に必要なとなる酵素や制御段階に沿って概説したい。各ステことが分かっている。Mg-Protoップの詳細や酵素の特性、進化、多様性などについた後、Mg-Proto IX monomethylester cyclase（MgCY）ては、本特集の他の記事や最近の総説を参照されたに触媒される反応によって5番目の環状構造が形成さ

い1-4)。

れ、プロトクロロフィリドへと変換される。C H L 2 7

植物では、クロロフィル合成は色素体内で行われ‡は、MgCYの膜結合型サブユニットをコードする。そ解説特集「光合成を支えるテトラピロール代謝の多様性」* 連絡先 E-mail: kkobayashi@bio.c.u-tokyo.ac.jp

	

IXはメチル化を受け125

光合成研究22 (2) 2012

ロロフィリド a ）の一部はオキシゲナーゼ（CAO）によってクロロ
フィルb（クロロフィリドb）に変換される。

被子植物の生活環におけ

3.

る、クロロフィル合成制御の変化制御機構の詳細な解説に入る前に、被子植物の生活史に沿って、
クロロフィル合成制御の変化を以降の章の構成とともに簡単に紹介したい。
休眠中の種子では、色素体は原色素体の形に退化しており、クロ
ロフィル合成は起こらない。休眠を打破し、地中（暗所）で発芽した芽生えは、暗所特有の形態変化を行う（暗形態形成）。すなわ
ち、黄化した子葉を閉じ、先端はフックを形成し、胚軸は著しく伸長する。この時、黄化子葉では、色素体は光合成能を持たないエチ
オプラストとして分化する。エチ
オプラスト内には、プロトクロロ
フィリドとPORの複合体がプロラ
図1 高等植物におけるクロロフィル合成経路
青字と青矢印は、テトラピロール合成に共通する経路、赤字と赤矢印はヘム合成・分解経路、緑字と緑矢印はクロロフィル合成経路を示す。制御上重要なステップには、反応を触媒する酵素名（括弧内は酵素名と異なる場合の遺伝子名）を記した。

メラボディの形で蓄積し、光を受けたら直ちにクロロフィルを合成できるように準備をしている。過剰なプロトクロロフィリドの蓄積の後、プロトクロロフィリドはプロトクロロフィリド

は光酸化の危険性も伴うため、この複合体形成は厳還元酵素（POR）によってクロロフィリドaとなる。

密な制御の下に行われる。第4章では、暗形態形成時

PORには、酵素反応に光を必要とするLPORと、必要における転写レベルでの制御を、第5章では酵素活性としない D P O R の二種の異なった酵素が知られていレベルでの制御を解説する。

る。シアノバクテリアを含め、藻類から裸子植物まで

黄化芽生えが地上（明所）に出て光を受けると、はLPORとDPORを両方保持しており、その多くが暗胚軸の伸長は抑制され、フックは伸び子葉が展開す所でクロロフィルを合成できるのに対し、被子植物はる（光形態形成）。子葉の細胞内では、エチオプラ

DPORを進化の過程で失ったため、暗所ではプロトク

ストが速やかに葉緑体へと変換する。この時、葉緑

ロロフィリドから先の合成は起こらない。クロロフィ体の発達に伴い多量のクロロフィルが光合成タンパク

リドaの合成後は、フィトール鎖が付加されることで質と共に合成される。まず、エチオプラスト内に蓄積

クロロフィルaとなる。フィトール鎖の合成は、別経されたプロトクロロフィリドは共に蓄積したPORによ

路において、CHLPの触媒するゲラニルゲラニルピロってクロロフィリドへと変換され、プロラメラボディ

リン酸の還元によって行われる。クロロフィルa（クが崩壊するとともにチラコイド膜の形成が起こる。

126光合成研究22 (2) 2012

図2 暗形態形成（A）および光形態形成時（B）におけるク
ロロフィル合成遺伝子の転写制御モデル
暗所（A）では、C O P 1がH Y 5の分解を引き起こすとともに、P I Fの蓄積を誘導する。さらにジベレリン（G A）が、
DELLAの分解を通してPIFを活性化する。正の制御因子であるHY5の分解と、負の制御因子であるPIFの活性化により、
光誘導性のクロロフィル合成遺伝子（ H E M A 1、C H L H 、
GUN4、CHL27、PORC、CAO）の発現は抑制される。一方、COP1の作用により蓄積したEIN3は、PORAとPORBのプ
ロモーターに結合し、その発現を誘導する。明所（ B ）では、フィトクローム（P H Y）とクリプトクローム（C RY）
がCOP1の機能を阻害することで、HY5の蓄積が起こる。サ
イトカイニン（CK）とストリゴラクトン（SL）もCOP1の抑制を介して、HY5の蓄積に寄与する。それに対し、PIFはDELLAによる阻害を受けるとともに、フィトクローム依存的な分解を受ける。G L Kの遺伝子発現もP H Yを介した光情
報伝達によって誘導される。その結果、H Y 5、G L Kの活性化とPIFの不活性化により、光誘導性のクロロフィル合成遺伝子の発現が上昇する。一方、EIN3はCOP1の不活性化とエチレンシグナルの減少により分解を受け、PORAとPORBの発現は減少する。DELLAもPORA/Bの発現に対して促進的に働くことが示唆されているが8)、その意義は不明である。矢
印とT字はそれぞれ正の制御と負の制御を表す。また、点線は間接的な制御を意味する。黒色と淡青色はそれぞれ、活性化された状態と不活性化された状態を示す。

フィル合成制御機構についての著者らの最近の研究を紹介し（第 1 0 章）、今後の課題について考えたい（第11章）。

4. 暗形態形成におけるクロロフィル合成の転写制御
暗所におけるクロロフィル合成の転写制御には、転novoのクロロフィル合成が活性化

写抑制因子であるphytochrome-interacting basic helix-

し、光合成タンパク質とともに光合成装置を作り上げ

loop-helix transcription factors（PIF）が大きな役割を担る。この光によるクロロフィル合成の誘導も、転写レっている。P I Fは暗所で核内に蓄積し、クロロフィル

ベル（第 6 章）と酵素レベル（第 9 章）での活性化を合成に関わる遺伝子の発現を抑制する。6種のP I Fタ両輪として行われる。その後、クロロフィル合成系はンパク質のうち、少なくとも4種（PIF1, 3, 4, 5）が暗日周期に同調した形で制御される。クロロフィル合成

所におけるクロロフィル合成抑制に関わっており6,7)、の鍵遺伝子が概日時計にしたがってリズムを刻む一方

特にPIF1とPIF3はHEMA1、CHLH、GUN4などの鍵と（第7章）、ヘム合成とクロロフィル合成の分岐点でなる段階を担う遺伝子の発現抑制に重要であること

は明暗サイクルに応じてフローの切り替えが起こるとが 示 さ れて い る 8 ) （ 図 2 ） 。 興 味 深 い こ と に 、考えられている（第9章）。さらに、強烈な光などのHEMA1、CHLH、GUN4の転写産物は暗所で周期的なストレスによって葉緑体や光合成の機能が損なわれた増減を繰り返すが、PIF1やPIF3はこれらの遺伝子の周時には、クロロフィル合成は遮断され、光酸化による期的発現に関わる 8 ) 。以上のようなP I Fによる暗所抑傷害を防ぐ。これは主にクロロフィル合成系の転写抑制の重要性は、PIFを欠いた変異体が光照射後の酸化制によって起こると考えられる（第8章）。その後、ストレスにより枯死（photobleaching）することから葉の老化に伴い、クロロフィルは合成から分解のステ

明らかである。また、このPIFによる転写抑制には、ージへと移るが、分解については他の総説を参照さ

植物ホルモンであるジベレリンが、負の制御因子でそれと同時に、deれたい 4 , 5 ) 。本稿の最後に、器官分化に応じたクロロ	127

光合成研究あるDELLAを介して関与することが明らかとなった
9,10)

22 (2) 2012

いるのかは、今のところ不明である。

。DELLAはPIFに直接結合することで、その転写5.

抑制活性を阻害する機能を持つ。しかし暗所芽生えで暗所におけるクロロフィル合成のフィードバ

ック制御

は、DELLAはジベレリンの作用によりユビキチン化

クロロフィル合成経路にはいくつかの重要な制御ポを受け分解されるため、PIFは阻害されることなく、イントが知られているが、その中でも、GluTRの触媒

クロロフィル合成遺伝子の発現を抑制する。つまり、する反応は、グルタミルtRNA Gluからテトラピロール

ジベレリンはP I Fの活性化を通して、暗所でクロロフ

独自の合成経路に入るステップであり（図1）、テト

ィル合成遺伝子の発現を抑制する。

ラピロール合成全体を制御する律速段階となってい暗所では、PIFの働きにより光誘導性のクロロフィる。実際、暗所芽生えにA L Aを与えこの律速段階をル合成遺伝子の発現が抑制される一方、PORのアイソ

バイパスさせると、プロトクロロフィリドやクロロフフォーム（PORAおよびPORB）は活発に発現し、プィル合成の中間体が顕著に蓄積することから 1 7 ) 、

ロトクロロフィリドとともにプロラメラボディを形成

G l u T Rを介したA L A合成制御の重要性が明らかであする 。暗所におけるPORの発現には、ユビキチンE3

る。

11)

リガーゼであるCOP1が強く関与する（図2）。COP1

このステップでは、主要な G l u T R をコードするは光情報伝達系の抑制因子であり、暗所で光形態形

HEMA1の発現制御に加え、酵素活性レベルでも負の。COP1を欠損した変異体では、暗所制御を受ける。特に、プロトクロロフィリドの蓄積とでも光形態形成が進行するとともに、PORAとPORB

A L A合成には強い負の相関が見られることから、プの発現が大幅に減少し、色素体のプロラメラボディがロトクロロフィリドを介したGluTRのフィードバック。このCOP1を介したPORの発現誘導機構

阻害が考えられている18-20)。この負の制御で最も重要の詳細はまだ良く分かっていないが、少なくともそな役割を果たす因子が、FLUである。FLUはプロトクの一つとしてエチレンシグナリングが関与することがロロフィリドやその他のクロロフィル前駆体の蓄積に示されている。エチレンシグナルの正の制御因子であ応じて、HEMA1のコードするGluTR1と直接結合する

るEIN3/EIL1は、エチレンとCOP1の作用により暗所でことで、この反応を阻害すると考えられている21-23)。

蓄積し、PORAとPORBのプロモーター領域に直接結さらに最近、FLUはCHL27やPOR、CHLPと複合体を合することで発現を誘導する 。また、新規の植物ホ形成することが分かり、この複合体がプロトクロロ

ルモンとして注目されているストリゴラクトンも、

フィリド依存的にGluTR1と結合することで、ALA合

COP1の核への局在を阻害することで、暗所でのPOR成を制御するモデルが示されている 24) （図3）。FLUの発現を減少させることが示されている15)。

を欠いた変異体では、暗所でプロトクロロフィリドを成を抑制する

消失する

13)

12)

14)

過剰に蓄積し、その後の光照射により枯死すること

さらに最近、フィトクロームAの下流で働く転写因HYPOCOTYL3から、この因子は、黄化子葉が光照射後に過剰な光( F H Y 3 ) および F A R - R E D - I M P A I R E D

酸化傷害を受けないように、暗所でのプロトクロロ

RESPONSE1（FAR1）が、ALA脱水酵素（ポルフォビ

フィリド蓄積を適切に保っていると考えられる。

子であるFAR-RED

ELONGATED

リ ノ ー ゲ ン 合 成 酵 素 ） を コ ー ド す る

テトラピロール合成経路の最終産物の一つである

ALAD1（HEMB1）の発現に関与することが示された

ヘムも、GluTRのフィードバック阻害を引き起こすこ

16)とが示されている。in。これらの因子を共に欠く二重変異体では、黄化子

vitroでの解析から、ヘムは葉におけるA L A D 1の発現が減少し、暗所でのポルフ

GluTRの触媒中心やFLU結合部位とは異なった部分にォビリノーゲン合成活性が低下すると共に、プロトク

結合し、この酵素の活性を阻害することが明らかとロロフィリドの蓄積も減少した。これらの因子はなった21,25-27)。さらに、ヘムオキシゲナーゼの欠損なA L A D 1のプロモーターに直接結合し発現を誘導する

どのヘム分解が阻害された変異体では、GluTRの活性が、その活性はP I F 1によって抑制される。その一方が抑制されることから、実際にin vivoでもヘムによるで、その他のテトラピロール合成遺伝子、特に鍵遺伝

GluTRのフィードバック阻害が働くことが示唆された子に対する影響は小さく、これらの因子が、暗形態

17)。また、ヘムオキシゲナーゼの欠損がflu変異による形成時のテトラピロール合成全体にどれほど関わってプロトクロロフィリドの過剰蓄積を抑制したことか

128

光合成研究22 (2) 2012

ら、ヘムによるGluTRのフィードバック阻害は、FLUとは独立した形で、暗所でのプロトクロロフィリド量の調節に関わっていると考えられる21)。

6. 光形態形成におけるクロロフィル合成の転写制御
暗所で発芽した黄化子葉が光を受けると、それまでクロロフィル合成遺伝子の発現を抑制していたP I Fが、フィトクローム依存的に分解される。それに加え、光照射によりジベレリンの作用が弱まること
で、蓄積したDELLAがPIFに結合し、その転写抑制活性を阻害する。結果として、P I Fによるクロロフィル
合成遺伝子の発現抑制が解除される。それと同時に、フィトクロームやクリプトクロームを介した光情報伝達系による正の制御を受け、これらの遺伝子の発現は急激に誘導される。この正の制御には、LONG
HYPOCOTYL5（HY5）とGOLDEN-LIKE（GLK）の二種の転写因子が少なくとも関与している（図2）。
そのほか、FHY1やFHY3、FAR1などもフィトクロー
ムの下流において、HEMA1やCHLH、GUN4の光誘導に関与することが示されているが28,29)、その詳細な制
御機構は明らかでない。
ゲノムワイドなクロマチン免疫沈降解析により、
H Y 5は多くのクロロフィル合成関連遺伝子（G l u R S ,URO2, PPO1, CHLH, GUN4, CHL27, DVR, PORC, CAO,
CHLP,

図3 暗所（A）および明所（B）における活性レベルでのク
ロロフィル合成制御モデル
暗所（A）では、光依存性のPORによる酵素反応が起こらず、プロトクロロフィリド（Pchlide）が蓄積する。Pchlideと結合したPORはFLUやCHL27と複合体を形成し、さらにGluTRが結合することでALAの合成が阻害される。一方、ヘムとクロロフィル合成の分岐点では、色素体内のATPやMg2+の濃度低下により、MgChの抑制とFeChの活性化が起こる。また、暗所では色素体内の還元力も低下し、チオレドキ
シン（TRX）によるCHLIサブユニットの還元が減少し、MgChの活性が低下する。これによりヘム合成のフローが増加し、ヘムによるGluTRのフィードバック阻害が起こる。一方、明所（B）では、PORが活性化しPchlideの変換が行われる。それによりGluTRがFLU複合体から解離し、活性化す
る。ヘム/クロロフィル合成の分岐点では、ATPとMg2+濃度の上昇や、TRXによるCHLIの還元、GUN4によるCHLHへの基質の供給により、MgChが活性化する。一方でFeCh活性はATPにより抑制され、ヘムによるGluTRのフィードバック阻
害も抑えられる。その結果、ALA合成の活性化とともにク
ロロフィル合成経路へのフローが増加し、クロロフィルの合成が大幅に活性化される。矢印とT字はそれぞれ正の制御と負の制御を表す。また、黒色と灰色は、その制御が活性化された状態と不活性化された状態を示す。

	HO1）のプロモーターに結合することが示されている 。実際、hy5変異体では光によるCHLHの発30)

現誘導が低下したことから、H Y 5はこれらの遺伝子の光誘導に強く関与していると考えられる（小林ら、未発表）。H Y 5は光形態形成を正に制御する転写因子であり、暗所ではCOP1を介したユビキチン化により分解される12)。一方、光照射下でフィトクロームやクリプトクロームによりCOP1が不活性化されると、
HY5は核内に蓄積し、光形態形成と共にクロロフィル
合成遺伝子の転写を誘導する。また、葉緑体の発達に関わる植物ホルモンであるサイトカイニンも、COP1によるHY5の分解を阻害することが示されている31)。実際、サイトカイニンは暗所でプロトクロロフ
ィリドの蓄積やCHLHやCHL27の遺伝子発現を誘導す
る一方、サイトカイニンレセプターの変異により、これらの遺伝子の光誘導が低下したことから 3 2 ) （小林ら、未発表）、サイトカイニンはHY5の安定化を介してクロロフィル合成遺伝子の光誘導に寄与している可129

光合成研究能性が考えられる。

22 (2) 2012

ロフィル合成のリズム制御に関与していると思われ

緑 化 を 正 に 制 御 す る もう 一 つ の 転 写 因 子 が 、る。

GLK（GLK1およびGLK2）であり、クロロフィル合

明暗による光周サイクルにおいては、フィトクロー

成系や集光性アンテナタンパク質の遺伝子発現を特異

ムとクリプトクロームが概日時計への光シグナルの入的に誘導する。G L Kアイソフォームを共に欠いた変力を行う。フィトクロームの制御下にあるGLK2の発異体（glk1 glk2）では、クロロフィルやアンテナタン

現も概日時計に従ったリズムを刻むことから33)、光シ

greenの表現型を示す33)。このグナルはG L K 2の日周変化を介して、クロロフィル合

二重変異体に誘導型G L K遺伝子を導入した植物体で成や集光アンテナに関わる遺伝子の概日リズムに関は、H E M A 1、C H L H、G U N 4、C H L M、C H L 2 7、与すると考えられる。さらに、PIF1やPIF3の機能欠損

PORA、PORB、PORC、CAOの発現がGLK1やGLK2のにより、HEMA1やCHLH、GUN4の暗所における概日

誘導後に直ちに上昇したことから、これらの転写因リズムが乱れることから 8 ) 、これらの転写因子もフィ子の直接のターゲットとして見出された 3 4 ) （図2）。

トクロームを介したクロロフィル合成系の光周的な遺さらに、GLK1については、クロマチン免疫沈降解析

伝子発現に関与する可能性が考えられる。これらのから、実際にこれらの遺伝子のプロモーター領域に

因子は概日時計の中心振動体には影響を及ぼさない

結合することが確認された。黄化芽生えへの光照射にことから、時計シグナルの出力に関わっていると予想

より G L K 2 の遺伝子発現が急激に増加することからされている。さらに興味深いことに、概日リズムの中パク質が減少し、pale35)、光により誘導されたGLK2がそれに続くターゲッ

心振動体の一つである T I M I N G

OF

CAB

ト遺伝子の発現を上昇させると考えられる。このEXPRESSION1（TOC1）が、CHLHのプロモーターにGLK2の光誘導はフィトクロームを介して起こること

直接結合することで、その概日リズムを制御することが分かっており 、HY5タンパク質の安定化と共に、が明らかとなった40)。TOC1の発現を抑制した変異体

フィトクロームが光形態形成時のクロロフィル合成に

では、CHLHの発現が本来周期的に減少するタイミン

重要な役割を果たしている。実際、フィトクロームのグで逆に上昇し、過剰発現体では、CHLHの発現が高変異体ではHEMA1やCHLH、GUN4の光応答性が大幅くなる時間帯でも常に抑制された表現型を示した。

、クロロフィル合成が強く抑制される

この結果は、最近報告されたTOC1の転写抑制因子と

35)

に減少し

28,29,36)

ことが明らかとなっている 。

しての性質とよく一致する41)。

37)

また最近、GATA結合型の転写因子、GNC（GATA,

7. 恒常的なクロロフィル合成に関わる転写制御

NITRATE-INDUCIBLE,

光形態形成後は、クロロフィル合成の鍵遺伝子は概CARBONMETABOLISM-

I N V O L V E D ） とそ の パ ラ ロ グ で あ る

日リズムに応じてその発現が制御され、クロロフィル

C G A 1（C Y T O K I N I N - R E S P O N S I V E

合成の恒常性を維持する。クロロフィル合成遺伝子のTRANSCRIPTION FACTOR1）がクロロフィル合成に

ミニアレイ解析から、HEMA1, CHLH, CHL27, CAOの関わることが報告された42,43)。GNCとCGA1を共に欠発現は、昼間高く夜間低いという概日リズムで振動損するとHEMA1、GUN4、PORBやPORCの発現が減することが分かった 。これらの遺伝子の発現は、集少する一方、これらの転写因子の過剰発現により上

光性アンテナ遺伝子とよく同調していたことから、ア記遺伝子の発現が上昇することが示された。しかンテナの形成とクロロフィル合成を協調させる制御ポ

し、GNCとCGA1は共に上記遺伝子のプロモーター領

イントとなっていると考えられる。さらに、大規模デ域には直接結合しないことから、クロロフィル合成遺ータを用いた遺伝子の共発現ネットワーク解析か伝子の発現に対しては、間接的に関わっていると考えら、GUN4やCHLP、CLA1（1-deoxy-D-xyluose-5-

られる43)。GNCとCGA1の遺伝子発現は光や窒素、サ

phosphate synthaseをコードし、フィトール鎖の合成に

イトカイニンにより上昇する一方、ジベレリンやそ

38)

G ATA

関与する）が、核コードの光合成遺伝子と共に上記の下流のP I F 3により抑制されることが知られているの鍵遺伝子と強く共発現することが明らかとなった

42-44)。また、これらの因子は、クロロフィル量だけで。また、PORAとPORBも、上記の遺伝子とは若干なく、発芽率や葉の大きさ、葉緑体の分裂、開花時異なる周期の概日リズムで振動することから 、クロ

期や老化など、植物の生長に多様な影響を与えること

2,39)

38)

130

光合成研究22 (2) 2012が分かっており42-45)、これらにおける変化が、二次的軽減されることから50)、プラスチドシグナルは主にこにクロロフィル合成遺伝子の発現に影響しているのか

れらの遺伝子の抑制を介して、クロロフィル合成経路もしれない。

を制御していると考えられる。これらのクロロフィル
合成遺伝子と同様に、GLK1とGLK2の発現も葉緑体の8.

プラスチドシグナルによるクロロフィル合成

発達阻害剤で減少するが、gun変異体ではその抑制がの転写制御解除された34) 。さらに、GUN1はGLK1の遺伝子発現

環境の日周変動に加え、自然界では植物は様々なを抑制することで、クロロフィル合成や光合成関連遺環境変化に対応しなければならない。光合成におい伝子の発現を抑制することが示された55)。これらの結て光は毒にもなるため、葉緑体の機能を損なうよう果から、G L Kはレトログレードシグナリングの下流な環境下では、植物は核内で光合成関連遺伝子の発で、葉緑体の機能状態に応じてクロロフィル合成を転現を抑制する仕組みを発達させている。この際、核写レベルで制御していると考えられる。

は葉緑体からのシグナル（プラスチドシグナル）によ

また、LHCB遺伝子の発現解析から、HY5もレトロ

り葉緑体の機能状態をモニターし、光合成関連遺伝

グレードシグナリングにおける抑制因子として働くこ子の発現をその機能状態に合わせて調節すると推測とが示唆されている56)。HY5は光シグナルの正の制御されている46)。実際、ノルフルラゾンなどの除草剤処因子と考えられているが、このモデルによれば、葉緑理によって葉緑体の機能を欠損させても、核の光合成体の機能が阻害された時には、H Y 5は正の制御因子

関連遺伝子の発現抑制が起こらなくなった変異体がから負の制御因子へと変わることで、ターゲット遺単離されたことから、色素体から核への逆行性制御

伝子の発現を抑制する。実際、クリプトクロームの（レトログレードシグナリング）の存在が強く支持さ変異体や h y 5 変異体ではこの発現抑制が働かないた

れた 。これらの変異体はgenomes-uncoupled（gun）

め、強光ストレスに弱くなることが示されている。こと名付けられ、 g u n 1 から g u n 5 までが単離された。

のモデルでは、光シグナルはGUN1とは独立な経路でgun1以外の4つはテトラピロール代謝に関与し、特に働き、葉緑体の機能阻害時にこの二つの制御系が働

MgChの機能に関わるgun4とCHLHに変異を持つgun5

くことが、核における光合成関連遺伝子の抑制に重が発見されたことから、MgChとプラスチドシグナル

要なことが示されている。プラスチドシグナルがどの。未だにその詳細は明らかようにH Y 5の機能を転換するのかは現時点では不明

47)の関わりが示唆された

48-51)

でない一方で 、最近、FeChのアイソフォームであるであり、今後の解明が期待される。

3)

FC1やHEMA2にコードされるGluTRの過剰発現株がgun表現型を示すことが報告され 52) 、ヘムがレトログ

9. 明所における酵素活性レベルでのクロロフィ

レードシグナリングに関与する可能性が示された。実ル合成制御

際、gun1とgun2はそれぞれヘムオキゲナーゼとフィト

暗所におけるGluTR1の活性は、それをコードする

クロモビリンシンターゼに変異を持ち、これらはとHEMA1遺伝子の発現抑制に加え、活性阻害因子であもにヘム代謝に関わる酵素であることから、レトロ

るFLUやヘムによって低く抑えられている。FLUは暗グレードシグナリングにおけるヘムの役割が注目され所で蓄積するが、光照射後もそのタンパク質量は大きている。レトログレードシグナリングに関しては、詳く変わらない。実際、 fl u 変異体では光照射下でもしくは最近の総説などを参照されたい。

ALA合成活性が野生株より高いことから19,21)、明所で3,46,53,54)

核にコードされた光合成関連遺伝子と同様に、大もある程度A L A合成制御に寄与していることが分か部分のクロロフィル合成遺伝子は、ノルフルラゾンにる。それに対し、GluTR1のタンパク質量はHEMA1のよる葉緑体の機能欠損によって、その発現が強く抑制誘導に伴い光照射で大幅に上昇する21)。その結果、大される50)。このことは、クロロフィル合成経路が葉緑量に合成されたGluTR1がFLUによる抑制を上回り、体の機能状態に応じて、遺伝子発現のレベルで統合

光形態形成時のテトラピロール合成を活性化させる的に制御されていることを示している。しかし、これと考えられている。さらに、最近の研究によると、光らの抑制は、gun1 gun5 二重変異体では軽減される。

照射によるプロトクロロフィリドの減少も、FLUによ

特に、HEMA1やCHLHなどの鍵段階の遺伝子で顕著にるGluTRの活性抑制の解除に寄与する可能性が示され	131

光合成研究22 (2) 2012ている。すなわち、暗所などのプロトクロロフィリド

日周期による制御を受けている可能性も示唆されおが蓄積した条件では、PORやCHL27と複合体を形成り、その一つとして、葉緑体ストロマにおけるATPとしたFLUがGluTRと結合しその活性を抑制するが、光M g 2 + 量の変動が関与すると考えられている。AT Pやによりプロトクロロフィリドが代謝されると、GluTR

Mg 2+は共にMgChの活性に必要であるが58,59)、その葉のみが複合体から解離し、A L A合成を活性化すると緑体内での濃度はどちらも、暗期に低く、明期に高（図 3 ）。この考え

くなる60,61)。そのため、日周期においては、これらのは、G l u T Rが暗所でのみF L Uと結合することや 2 4 ) 、補因子の増減を介してMgChの酵素活性を調節するとALA合成の抑制が、FLU依存的にPORと結合したプロ考えられる（図3）。特に、Mg 2+はCHLHの葉緑体内

トクロロフィリドによって引き起こされること19)など

での局在に影響することも分かっており、M g 2 + 濃度に基づいている。プロトクロロフィリド量とA L A合の増加によりCHLHは可溶性画分から膜画分へ移行す

成活性は、明暗に従って逆相関した形で増減するこる62,63)。この局在の変化もMgChの活性調節に寄与しとから19)、この制御機構は、昼夜の日周リズムに対しているのかもしれない。さらに、CHLHはポルフィリても働いていると考えられる。

ンの濃度依存的に膜へ局在することも示されている。

いうモデルが提案されている

24)

これらの仕組みに加え、光照射後には、クロロフィ

GUN4もCHLHと同様の挙動を示し、これらはお互い

ル合成へのフローが一気に増加すると考えられる。

の局在に影響しあうことから64,65)、GUN4はMgChのそれによりヘム経路へのフローが相対的に減少する

酵素活性調節だけでなく、膜における複合体形成にことで、ヘムによるGluTRのフィードバック阻害が解も関与する可能性が考えられる。シアノバクテリアの除されることも、光形態形成時のクロロフィル合成のSynechocystis sp. PCC6803 (Synechocystis)では、Mg2+に活性化に寄与するかもしれない。実際、F e C hの過剰

よるCHLH の活性化にGUN4が関与することも示され発現がクロロフィル含量を低下させることが報告されており66)、MgChの活性調節機構におけるこれらの因ており 52) 、過剰発現したFeChにより合成されたヘム子の動態の詳細な解明が待たれる。

が、GluTRのフィードバック阻害を引き起こしている

一方で、FeCh活性はMgCh活性とは正反対の日周変可能性も議論されている。光照射によりクロロフィル化を示し、明期の後半から暗期の始まりにかけて高合成フローが増加する一つの要因としては、CHLHや

くなり、その後減少することが報告されている57)。興G U N 4 などのクロロフィル経路の鍵遺伝子の発現が味深いことに、FeChの活性はATPによって阻害される。

ことが示されており67)、ストロマにおけるATP濃度のさらに以下に述べるように、酵素活性のレベルでク変化が、MgChとFeChの切り替えに関与している可能

ロロフィル合成フローを活性化する仕組みが働くと考性も考えられる。

HEMA1と共に急激に上昇することが挙げられる

38)

AT PやM g 2 + による活性化に加え、酸化還元状態がえられる。
Proto IXにFe2+が配位するとヘムが、Mg2+が配位す
るとMg-Proto

MgChの活性に影響を与えることも明らかとなっていIXが合成されクロロフィル合成経路へる。Synechocystisの組み換えタンパク質を用いたinと進む。クロロフィルとヘムの合成はそれぞれ、発達

vitroでの実験から、還元剤であるdithiothreitolがMgCh

段階や環境、組織によって異なる制御を受けること、の活性を大幅に上昇させることが示された 6 8 ) 。さら

また一方、基質であるProto IXは非常に強い光増感酸に、CHLIやCHLHのチオール基における修飾がMgCh化能を持ち、細胞内にプールしておけないことから、の活性に必須であった。特に、CHLIはATPase活性をProto IXのヘムおよびクロロフィル合成系への振り分

持ち、M g 2 + の配位に必要な加水分解エネルギーを供

けは、FeChとMgChによって厳密な制御を受けると考給すると考えられているが、システイン残基がその活えられる。MgChの活性は光照射により上昇し、日周性に寄与していることが示された。また、同様に組み期や概日リズムにより変動する。すなわち、明期後換えタンパク質を用いた研究により、高等植物のすぐに最大となり、その後暗期に向けて減少する。

CHLIは葉緑体型のチオレドキシンのターゲットであこの変化は、CHLHの発現パターンとよく一致するこり69)、チオレドキシンを介したシステイン残基の還元とから、CHLHの発現がその活性変化に大きく影響すに よ り 、 シ ロ イ ヌ ナズナ の 二 つ の I サ ブユ ニ ッ トると考えられる57)。それに加え、活性化のレベルでも（CHLI1および

132

CHLI2）のATPase活性が顕著に上昇

光合成研究22 (2) 2012

することが分かった70,71)。さらにin vivoでも、CHLIはたい。

葉緑体型チオレドキシンと相互作用し還元を受ける

シロイヌナズナの根は、光が当たる環境において。

も、葉緑体の分化はほとんど起こらず、クロロフィル

ATPase活性だけでなく、MgCh複合体の活性もIサブユの合成は低く抑えられている。しかし、地上部を切りニットの還元により大幅に上昇したことから、CHLI

離した根では、クロロフィル合成が活性化し、緑化がの還元がMgChの活性化に重要であることが明らかと引き起こされることが分かった75)。この切除恨の緑化なった（図3）。一方で、チオレドキシンドメインをは、オーキシンの添加により抑制された。さらにオ持つ N A D P H 依存型チオレドキシン還元酵素

ーキシンの極性輸送における変異やオーキシンシグ（ N T R C ）は葉緑体ストロマに局在し、 C H L I のナルの変異も根の緑化を引き起こしたことから、通ATPaseを活性化するが、MgChの全体としての活性に常は、根では地上部から輸送されるオーキシンの作は寄与しないことが未発表データの形で報告されてい用によって、クロロフィルの合成が抑制されているとことが、エンドウを用いた解析により示されたの報告によると、N T R Cは考えられた。一方、根でのクロロフィル合成がサイト

CHLIと相互作用せず、またMgChの活性化もしないこ

カイニン添加により上昇したのに対し、サイトカイニとから、CHLIはNTRCの直接のターゲットではない

ンレセプターの変異体では減少したことから、オーキ

可能性も示されている。光合成電子伝達を介して還元

シンとは反対に、サイトカイニンはクロロフィル合成

を受けるチオレドキシンは、酵素タンパク質に光シグに促進的に働くことが分かった。また、これらの緑ナルを伝達する因子として働くことが知られている。

化した根では、HEMA1やCHLH、CHL27、CHLPなど

実際、数多くの葉緑体酵素タンパク質がチオレドキシのクロロフィル合成における鍵遺伝子の発現が強く誘。

導され、さらに発現レベルの変化が、根におけるクCHLIに見られるようなチオール基を介したMgChの活

ロロフィル量の変化とよく一致したことから、根の緑性調節も、光照射に応答したクロロフィル合成経路の化はクロロフィル合成遺伝子の発現上昇によって引き活性化に寄与していると考えられる。

起こされていることが示された。

る73)。しかし、L u oら

72)

72)

ンの還元によりそのスイッチが調節されている

74)

そこで次に、これらの植物ホルモンが根でのクロ10. 器官分化に応じた色素体分化とクロロフィル

ロフィル合成を調節する仕組みについて詳しく調べ合成制御た。その結果、根でのクロロフィル合成遺伝子の発現

発芽前の植物の種子では、色素体は原色素体と呼にはHY5が必須であり、植物ホルモンはHY5を介してばれる未分化な形態に退化している。その後、植物の緑化制御に関与することが分かった。オーキシンシ

器官分化に伴い、葉では葉緑体へと分化する一方、グナル欠損により緑化した根では、HY5タンパク質の根などの非光合成組織では光合成能力を持たない白蓄積が見られたことから、これらのホルモンは、色体などの色素体へと分化する。これらの色素体のHY5の蓄積を介して根の緑化を調節している可能性が分化は一方通行ではなく、発達過程や生育環境に応考えられる。cop176)やdet177)といった、HY5の分解がじて相互変換できることが知られているが、その分子阻害された変異体で根の緑化が顕著に起こること

制御メカニズムはまだよく分かっていない。特に、光も、この結果とよく一致する。一方で、ホルモンシグ

増感酸化作用をもつクロロフィルおよびその前駆体のナリングの改変により緑化した根では、GLK2の発現

合成は、色素体の分化と協調して厳密な制御を受けるが上昇していることも明らかとなった。さらに、必要がある。これまで、クロロフィル合成制御は専らGLK1やGLK2を過剰発現した植物体では、根でのクロ光合成器官において、特に光形態形成の過程において

ロフィル蓄積が強く誘導されたことから、これらの因盛んに研究されてきたが、非光合成器官における制御子の発現上昇により直接クロロフィル合成が活性化さ機構に関しては、ほとんど謎のままだった。そこで著れることが分かった。シロイヌナズナの野生株の根で者らは、非光合成組織ではどのように葉緑体分化が抑はGLK1はほとんど発現しないことから33)、根でのク

制されているのか、という視点から根におけるクロロ

ロロフィル合成にはH Y 5とG L K 2の働きが重要であフィル合成制御機構の解明を試み、最近その成果を報り、植物ホルモンは少なくともこれらの二つの転写告したので因子を介して、遺伝子の発現制御を行っていることが	

39,75)、最後にこの場を借りて簡単に紹介し133

光合成研究22 (2) 2012

現制御に重要な役割を果たす可能性を示唆している。
さらに、CHLHのプロモーター解析から、G-boxは特に根でCHLHの転写活性に強い影響を与えることが明らかとなった39)。HY5の機能欠損は、根でのクロロフ
ィル合成を完全に阻害する一方75,78)、葉では大きな影響を与えない79)。それに対し、GLKの機能欠損は、根では大きな影響を与えない一方75)、葉ではクロロフィ
ル合成を強く阻害する 3 3 ) 。これらの結果は、H Y 5、
G L Kと、それらが結合するシス配列における作用機
構が、葉と根では大きく異なること示している。特図4 根における転写レベルでのクロロフィル合成制御モデ
ル（72)より改変）
光はフィトクローム（PHY）やクリプトクローム（CRY）に受容され、COP1によるHY5の分解を抑制する。サイトカ
イニンもHY5の安定化を誘導するのに対し、オーキシンは反対に働く。蓄積したHY5はプロモーター上のGbox（CACGTG）に結合し、クロロフィル合成遺伝子の発現を誘導する。サイトカイニンはGLK2の遺伝子発現も誘導し、オーキシンはそれを抑制する。GLK2は推定認識配列（CCAATC）を介し、クロロフィル合成遺伝子の発現を上昇させる。G-boxとCCAATC配列は、クロロフィル合成を含む
光合成共発現遺伝子のプロモーター上に有意に高頻度で共存在することから 40)、これらの配列を介したHY5とGLKの相互作用が想定される。

に、地上部では関わる因子やそれによる制御機構がより複雑になっていると思われ、クロロフィル合成に関わる遺伝子発現の制御機構の解明に向け、さらなる解析が必要である。

11. おわりに
約 3 5 億年前にシアノバクテリアで酸素発生型光合成が誕生して以来、光化学系システムそのものはほと
んど変化せずに、今日の植物まで受け継がれてきたと言われている。同様に、クロロフィルaおよびbも、葉緑体獲得の際に植物に持ち込まれて以来、その構造は明らかとなった（図4）。これらの結果は、通常は光一切変わることなく光合成に使われてきた。その一方合成を行わない根の細胞も、環境に応じて葉緑体をで、クロロフィルの代謝制御レベルでは、生物の生活分化させる能力を持っており、それが植物ホルモンを史や生育環境に適応する形で、生物種ごとに大きな介した器官分化と協調した形で制御されていることを変化を遂げてきたのだろう。その中でも、ここで示している。

は、被子植物、それも主にモデル植物であるシロイヌ

さらに、H Y 5とG L Kの遺伝学的な相互作用を調べ

ナズナで分かってきたことを紹介した。近年の解析技るため、hy5変異体でGLK1およびGLK2を過剰発現さ術の進歩やデータの蓄積により、多くのことが明らせたところ、それらの個体はhy5とGLK過剰発現株とかとなったが、依然として未解明な部分も数多く残さの中間的な表現型を示した。この結果は、 H Y 5 はれている。クロロフィル合成に直接関与することが明G L Kの機能に必須ではないが、重要であることを意らかとなった転写因子はまだ片手で数えるほどであ味している。GLKの過剰発現により根でのHY5のタンり、協調的な遺伝子発現がどのように維持されている

パク質量が増加していたことから、直接的な相互作用

かは謎である。タンパク質レベルでは、プロトクロロをしている可能性も考えられる75)。HY5はプロモータ

フィリドなどの合成中間体によるフィードバック制御

ー上の G - b o x と名付けられたシス配列に結合する一について、ようやくその仕組みに迫り始めたところで方、GLKはCCAATCという新規のシス配列と相互作ある。Proto IX以降のクロロフィル合成中間体は、ど用すると推測されている。プロモーターのシス配列解れも強い光増感酸化作用を持っており、合成量の微調

析から、クロロフィル合成の鍵遺伝子であるCHLH、

整や基質の正確な受け渡しが常に必要となるが、そCHL27、CHLPと、これらと強く共発現する光合成関の制御についてもほどんど明らかでない。また、光合連遺伝子のプロモーター上には、上記の G - b o x と成組織と非光合成組織でのクロロフィル合成制御の違

CCAATC配列が有意に共存在していることが明らかといについても、今後の大きな研究課題として残っていなった 3 9 ) （図 4 ）。この結果は、これらのシス配列る。

が、クロロフィル合成および光合成関連遺伝子の共発

ここまで紹介してきたことは特定の植物種におい134

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Received June 30, 2012, accepted July 30, 2012, Published
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報告記事
第3回日本光合成学会（年会・公開シンポジウム）開催報告
シンポジウム・オーガナイザー：皆川
シンポジウム・オーガナイザー： 寺島純（基礎生物学研究所）

一郎（東京大学 大学院 理学系研究科）

第3回日本光合成学会（年会・公開シンポジウム）が、2012年6月
1日~2日の2日間にわたって東京工業大学のすずかけホールで行われました。参加者は約190名で、懇親会には136名が参加しました。今回の公開シンポジウムは、初日に「光合成と藻類バイオテクノロジー」（皆川担当）、2日目に「植物とCO2」（寺島担当）を行いました。また，初日に各ポスターの発表者が1分間で概要を紹介しました（全51件）。2日目には、一般口頭発表6件も行われました。
シンポジウム「光合成と藻類バイオテクノロジー」では、昨今ブームの兆しもある真核藻類をとりあげました。光合成研究者が扱う生物は、光合成細菌、シアノバクテリア、真核藻類、高等植物に大きく分けることができます。初期光合成反応の詳細な解析によく用いられる光合成細菌、分子生物学が高度に応用されるシアノバクテリア、そして我々の生活にもっとも身近な、そして食糧に直結する高等植物、これらと比較すると真核藻類の存在意義はやや曖昧でした。その真核藻類が、今、バイオ燃料等のプラットフォームとして注目されています。もともと真核藻類を用いて光合成関連分野の研究を行ってきた研究者は、高い藻類エンジニアリングの技術を用いて研究を展開しているにもかかわらず、そうした動きとはやや距離を置いてきました。しかし、「藻類を用いることで何をどこまで研究できるのか」議論してみる機会を持つべきではないかというねらいで、最先端で活躍されている研究者の方々にご講演いただきました。まず，京都大学の福澤秀哉先生に「緑藻クラミドモナスにおけるCO2の濃縮とセンシ
ングならびに代謝変換」というタイトルで、真核藻類特有のCO2濃縮機構であるCCMの話をしていただきました。クラミドモナスは分子生物学、遺伝学技術が進んでいます。変異株の解析からみつかった包括的制御因子
CCM1やその制御下の遺伝子、さらには解明が進む無機炭素の輸送体やリサイクル機構が紹介されました。同じ
くCCM機構について、次に関西学院大の松田祐介先生に「珪藻エンジニアリングによるCO2固定研究」というタイトルでお話しいただきました。珪藻はゲノム情報を始め分子生物学ツールも揃いつつあり、また地球上のCO2固定の20％を担う重要な一次生産者です。緑藻とはまた異なる炭酸脱水酵素の分子レベルの解析などが紹介されました。次に，東京工業大学の田中寛先生に「紅藻シゾンCyanidioschyzon merolaeにおける代謝制御」についてご講演いただきました。ゲノム完全解読されたこの原始紅藻において急速に分子遺伝学手法が整いつつある状況やその応用について、またシゾンを使って進められているバイオマス生産が紹介されました。最後に中央大学の原山重明先生に「バイオエネルギー生産と藻類バイオテクノロジー」というタイトルで、企業とタッグを組んで展開されている緑藻Pseudochoricystisによる軽油生産と、その品種改良についてお話しいただきました。4人の演者それぞれが真核藻類の最高峰の技術を駆使して研究を展開されていること、また扱っている藻類それぞれの特徴が良くわ
かるシンポジウムになったと思います。
6 月 2 日の午前中におこなわれた「植物と C O 2 」では、まず寺島が、大気中のCO 2 濃度の上昇が植物におよぼす影響と、それに対する植物科学の取り組みを概観しました。光合成の基質であるCO 2 濃
度の上昇は植物にとって都合のよいことのように思えます。しかし、産業革命以降の急速なCO 2 濃度上昇は、変異体が自然選択されるという「適応」によるCO 2 環境への適合が、まったく追いつけな	

139

光合成研究22 (2) 2012

いスピードで起こっており、現生の植物は、まだ、最終氷期以降産業革命までの1万年以上にわたって260 ~ 280 ppmで安定していたCO2濃度に適応していると考えられます。しばらくC O 2 濃度の上昇が続くことはまず間違いないので、種々の手法によって、植物を高CO 2
条件に適合させる必要があります。まずこの分野のパイオニアである東北大学の牧野周先生に、「高CO2環境とC3 光合成の窒素利用」というタイトルでお話しいただきました。高CO 2 の効果のうち、最も重要な光合成のダウンレギュレーションのメカニズムがまだ解明されていないこと、イネの葉の光合成のダウンレギュレーションにおけるRubisco量減少は葉の窒素含量の減少によるが、これは単純な窒素含量の希釈ではなく、根や葉鞘への積極的な窒素配分をともなうことなどが、よくわかりました。ダウンレギュレーションの全貌の解明は今後の重要な課題です。また、超多収米品種「秋田63号」の、Free air CO2 enrichment （FACE）における3年間にわたる栽培実
験の結果にもとづいて、高CO 2 環境下の増収の可能性についても言及していただきました。農業環境技術研究所の長谷川利拡先生には，「つくばみらいFACE 実験によるイネの高CO2 応答の検証」というタイトルで、1998年
以来、雫石、そして、2009年からはつくばみらい市で行われているイネFACEについて解説していただきました。
高 C O 2 環境における、品種間差、施肥法などの栽培法の影響、加温処理や気孔閉鎖にともなう高温の影響など
が、生理学的、微気象学的、thermographyなどのリモートセンシング、モデリングなど多面的なアプローチを用いた学際的研究で徐々に解明されつつあることがよくわかりました。水田は、温室効果ガスであるメタンの発生源となっています。FACEでは、メタンの発生抑制についても研究が進められています。最後に、神戸大学の深山浩先生には「高CO2 環境に適したRubiscoの導入によるイネの光合成能力の改良」について話していただきました。
自然界にもRubiscoキネティクスのvariationが有ります。その傾向は、high kcat/high Km、low kcat/low Km というものです。CO2固定速度が高い酵素はCO2へのaffinityが低く、固定速度が低い酵素はaffinityが高いという顕著な傾向です。CO2濃縮機構をそなえたC4植物の酵素は典型的な high kcat/high Km タイプです。高温で育つC3植物は液相のCO2濃度が低くなるためか、low Km が選択され、低温で育つ植物では、液相のCO2濃度が十分に高いためか、
high kcatが選択されます。高CO2環境では、Kmが問題になる場面が少なくなるので、イネのRubiscoをC4植物ソル
ガムのRubiscoに置き換える試みを紹介していただきました。葉緑体の形質転換を試みてはいるが、まだ難しいので、まず、核コードのsmall subunitを導入したところ、ハイブリッドRubiscoは見事にイネとソルガムの中間の性質を示すようになりました。高 CO2環境下では、C4化よりもてっとり早い高効率化かもしれません。イネの葉緑体の形質転換法の早期確立が望まれます。いずれの講演に多くの質問の手があがり、質疑応答も活発なシンポジウ
ムでした。

140

光合成研究22 (2) 2012

報告記事

日本光合成学会特別賞 「光と緑の賞」授賞式

本誌の4月号でもお知らせしましたように、 第3回日本光合成学会年会において、日本光合成学会特別賞「光と緑の賞」の授賞式を執り行い、光合成酸素発生系「光化学系Ⅱ反応中心複合体の立体構造」を決定された4名の方々に、日本光合成学会特別賞「光と緑の賞」を贈呈しました。
尚、ご都合により出席出来なかった、岡山大学の沈建仁先生には、事前に賞状と賞品を贈呈させて頂きまし
た。
受賞者
	

	

	

梅名

泰史（大阪市立大学 複合先端研究機構 特任准教授）

	

	

	

川上

恵典（大阪市立大学 複合先端研究機構 特任准教授）

	

	

	

沈

	

	

	

神谷

建仁（岡山大学大学院自然科学研究科 教授）
信夫（大阪市立大学・複合先端研究機構 教授）

研究成果「酸素発生光化学系II の1.9 Å 分解能における結晶構造」の決定
Crystal structure of oxygen-evolving photosystem II at a resolution of 1.9 Å
発表雑誌：Nature 473, 55–60 (05 May 2011)
Umena, Y., Kawakami K., Shen J.-R., Kamiya N.

日本光合成学会特別賞「光と緑の賞」 受賞者の皆さん	141光合成研究22 (2) 2012

報告記事

第3回日本光合成学会優秀ポスター賞受賞者
第3回の日本光合成学会シンポジウムにおける優秀ポスター賞は、参加者による投票の結果、以下の方々（五十音順）が受賞されました。今回は合計5名の受賞者が選ばれました。受賞者の方々の研究については、順次、「光合成研究」において、紹介していく予定です。

浅井	

智広（名古屋大）緑色硫黄細菌の光合成反応中心の部位特異的変異体：
一次電子供与体P840周辺の水素結合構造の改変を例として

得平
	

田島
	

溝上
	

渡邊
	

茂樹（中央大学）
シアノバクテリアにおいてチオレドキシンの転写を制御するレドックス応答性直幸（東京大学）
単細胞紅藻チノリモ（Porphyrisium purpureum）の葉緑体ゲノム解析
祐介（東京大学）
葉肉コンダクタンス低下へのABAの関与
麻衣（東京大学）
新規フィコビリソーム・光化学系I超複合体は窒素固定を駆動する

優秀ポスター賞受賞者の皆さん(中央大学の得平さんはご都合により授賞式に出席されませんでした。）

142

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報告記事
若手の会活動報告〜第六回セミナー開催報告、第七回セミナー告知など〜
東京大学 大学院 総合文化研究科
成川礼

6月1-2日にかけて開催された日本光合成学会シンポジウムに合わせて、若手の会第六回セミナーも6月2日に東京工業大学にて開催し、40名近くの参加がありました。今回は人工光合成や生態学に関連した講演をしていただ
き、自己・研究紹介では、系外惑星における光合成の可能性について討論しました。内容の詳細は、佐藤諒一さん（東京工業大学）にご執筆いただいた参加報告記事をご覧ください。また、第七回セミナーも例年同様宿泊形
式で10月に開催予定です。これまでは本郷キャンパスにて開催してきましたが、今年はフィールドでの観察活動も視野に入れて、温泉地での開催を企画中です。Roseiflexus

castenholtziiという有名な光合成細菌が単離された微生物マットがある中房温泉を第一候補として、現在、日時などを検討しています。詳細が決まり次第、皆様にご連絡致します。モデル生物を材料としている研究者の皆様は、生物が生きている本来の現場を中々見ることができないと思います。このような機会を利用し、今後の研究活動にフィードバックしていただけることを期待しています。また、昨年同様、サイエンスアゴラにもエントリーしております。昨年の経験を踏まえ、より来場者の方々と対話的な交流ができるような出展を考えています。

セミナーの集合写真	143

光合成研究22 (2) 2012

報告記事

光合成学会若手の会第六回セミナーに参加して東京工業大学 大学院 生命理工学研究科
佐藤諒一

平成24年6月2日に東京工業大学すずかけ台キャンパ

合わせは非常に印象的で、今後の自身の研究にも生スにて光合成学会若手の会第六回セミナーが行われかせる部分があるのではないかと考えさせられましました。私にとって今回の若手の会は3回目の参加とた。

なりましたが、過去二回と変わらず、オープンで自由

二つ目の講演は柴加田知幸先生（瀬戸内海区水産な雰囲気を持つ、活発なセミナーだと感じました。

研究所）による「赤潮鞭毛藻の日周鉛直移動」につ初めて参加したのは学部4年の時でしたが、光合成研

いての発表でした。微細藻類の増殖には栄養塩や光の究とはこんなにもさまざまな形があるのかと驚いた確保が重要であるために、それらを豊富に含む場所

覚えがあります。あの当時と変わらず、若手の会のセを求めて種間競合が起こっています。そのような種間ミナーには様々な研究を行っている人々が参加してお競合では各々の藻類が持つ様々な能力や生存戦略がり、気軽でかつ活発的な議論がなされており、非常に重要だと考えられていますが、それらの現象を連続的良い刺激になると感じました。

に観察することはサンプリング等の問題で非常に難

今回のセミナーは人工光合成や生態をテーマに、2

しく、報告例もほとんどありませんでした。柴加田先人の方にご講演いただきました。どちらの講演も私生のグループでは赤潮の原因ともなるラフィド藻シャの専門からは離れていましたが、私の分かる範囲で報ットネラを材料に、鞭毛藻の持つ日周鉛直移動を実告させていただきます。

験室レベルで経時的かつ自動で観察するシステムを開

一つ目の講演は阿部竜先生（京都大学工学研究

発なさいました。発表では、このシステムを用いて得科）による「光合成を模倣した2段階励起型光触媒水られた知見をもとに日周鉛直移動を引き起こすメカ分解系」についての発表でした。従来の光触媒水分解

ニズムや調節機構についても紹介され、実際の生育環系は一種類の半導体を用いて紫外光により水の分解

境との関連性についても解説していただきました。今（酸素と水素の生成）を行うものでしたが、可視光回紹介していただいた微細藻類が見せる様々な生存戦を利用して水の分解を行えるものはあまり報告されて略は実に巧妙なものでしたが、「生態」に重点を置いませんでした。これは紫外光に比べて可視光のエ

かなければ見えてこない部分だと感じました。普段ネルギーが低いことに起因するものですが、阿部先扱っている生物の元々の生活環境や生存戦略に考えを生のグループでは光合成のＺ機構を模して二種類の半巡らせることが重要であるとあらためて実感しまし導体を組み合わせることにより、長波長の光を水分た。

解に利用できることを初めて実証なさいました。発講演の後は、恒例の自己紹介と基礎生物学研究所

表では、二種類の半導体を組み合わせるに至った経の滝澤謙二先生による話題提供をもとにした自由討

緯や今後の光触媒水分解系の展望なども紹介され、論が行われました。自己紹介では研究内容のほか、中でも光触媒開発のための工夫や着眼点は興味深い

趣味や経歴、近況など個性とユーモアに溢れた内容ものでした。光合成研究において、人工光合成は一つでした。また、今回が初参加の方がいらっしゃるなの大きなテーマであり私自身も興味がありました

ど、まだまだコミュニティが広がっていることが感じが、私の中では光触媒は触媒化学のイメージが強られました。

く、あまり関連のない分野だと考えていました。し自己紹介の後に行われた自由討論は非常に活気あかし、今回の講演における触媒化学と光合成の組みるものになりました。話題を提供していただいたのは144

光合成研究22 (2) 2012

基礎生物学研究所の滝澤謙二先生、テーマは「太陽「宇宙人はいるのか」子供の頃にこんな話に興奮を系外惑星における光合成の可能性について」。初め覚えた記憶があります。宇宙人の話はまさしく雲をつはこんな雲をつかむような話どこまで議論できるのかむような話ではありましたが、地球以外の星で光かとも思いましたが、ふたを開けてみれば実にサイエ合成が存在するのかとなれば話は変わって来るようンティストらしい、熱い議論が繰り広げられました。

です。よもや光合成の研究が地球外生命体とこのよう全体的には、近年の研究で、系外惑星に関するいくつな形で繋がっていようとは思いもしませんでしたが、かの知見が得られるようになった事を受け、それら非常に興味深い、夢のある話だと思いました。

をもとに系外惑星における光合成の存在について議最後にこの場をお借りして、セミナーを主催していた論をするというものでした。残念ながらすべての討論

だき、本稿を執筆する機会を与えてくださいました会

についてここで触れることはできませんが、各々の長の成川礼先生 (東京大学)ならびに運営の皆さまに、

バックグランドから導かれる様々な推論や証明法等

深く御礼申し上げます。

が飛び交い、楽しくも非常に印象深い討論でした。

集会案内

Okayama University International Symposium
Structure and Dynamics of Photosynthetic Systems
Okayama University is organizing an international symposium entitled “Structure and Dynamics of Photosynthetic Systems”
on October 22-23, 2012,in Okayama, Japan. This symposium will focus on discussions on the structure, assembly, anddynamics of photosynthetic protein complexes including photosystem I, photosystem II, light-harvesting complexes, andrelated proteins, as well as their responses to various environmental stresses. The basis of our knowledge on these topics has
been provided by the recent crystallographic analyses of Photosystem I and II super-complexes from cyanobacterial andchloroplast thylakoids. Importantly, this research area is now expanding beyond the basic science to various applications forinnovative technologies, in particular in relation to approaches that may help to solve the environmental and energy problems
that we face.
We have invited numerous internationally recognized scientists from all around the world as well as from Japan to discuss
our current status and future perspectives of photosynthesis. We believe that this symposium will provide a wonderfuloccasion for all the scientists working in this field, in particular for young scientists, to gain new information, tocommunicate directly with each other, and to feel the dynamic progress of photosynthesis research.
We would cordially invite you to attend this international symposium to share the exciting moment of discussions at both theinvited lectures and poster sessions.
Date of the symposium: October 22 (Monday)-23 (Tuesday), 2012
The venue: Okayama University, the 50th Anniversary Hall, Tshushima-naka, Kita-ku, Okayama city, Okayama, Japan.
Both the oral and poster sessions will be held in the same building.
No registration fee is required.

	

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光合成研究22 (2) 2012

Invited speakers (confirmed):
E.J. Boekema (Univ. Groningen, Holand)	

	

G. Garab (Hungarian Academy of Science, Hungary)	

J. Messinger (Umeå univ., Sweden)	

		

P. Nixon (Imperial College, UK)		

	

D.J. Rochaix (Univ. Geneva, Switzerland)	

	

L.-X. Zhang (Chinese Academy of Sciences, China)	

	

	

	

	

	

	

G. Brudvig (Yale Univ. USA)
M. Li (Chinese Academy of Sciences, China)
N. Nelson (Tel Aviv Univ., Israel)
K.K. Niyogi (UC Berkeley, USA)
F.A. Wollman (CNRS, France)
M. Ikeuchi （Univ. Tokyo, Japan）

W. Sakamoto (Okayama Univ., Japan)	

 	

Y. Takahashi (Okayama Univ., Japan)	

 	

T. Noguchi (Nagoya Univ., Japan)	

	

	

	

	

J.-R. Shen (Okayama Univ., Japan)
A. Tanaka (Hokkaido Univ., Japan)
Y. Yamamoto (Okayama Univ. Japan）

	

	

	

H. Wada (Univ. Tokyo, Japan)
We invite you for poster presentations. The deadline for participation and presentations is September 1, 2012. For details,
please see http://www.okayama-u.ac.jp/en/tp/cooperation/inter_sympo.html.

On October 21 (Sunday), public lectures on “Solar Energy and Photosynthesis” will be held at Okayama University. These
lectures are open to the public, and the lecturers will highlight the general aspects of photosynthesis, as well as the recent
progress of photosynthesis research.
“Solar Energy and Photosynthesis”
Date of the public lectures: October 21 (Sunday) , 2012, 14：00-16：30
The venue: Okayama University, the 50th Anniversary Hall, Tshushima-naka,
Kita-ku, Okayama city, Okayama, Japan.

Lecture 1：Prof. N. Nelson (Tel Aviv Univ., Israel): Life under the sun past, present and future (with Japanese translations)Lecture 2：Prof. J.-R. Shen (Okayama Univ., Japan): 光合成に学ぶ-未来 エネルギー源としての太陽光エネルギーの高効率人工利用Organizing committee of the Okayama University International Symposium:
S. Yamamoto (Vice President, Okayama University)
S. Takahashi (Dean of Faculty of Science, Okayama University)
J.-R. Shen (Professor, Okayama University)
Y. Takahashi (Professor, Okayama University)
Y. Yamamoto (Professor, Okayama University)
W. Sakamoto (Professor, Okayama University)
M. Nishimura (Research associate, Okayama University）
Inquiry:
J.-R. Shen: shen@cc.okayama-u.ac.jp
Y. Takahashi: taka@cc.okayama-u.ac.jp
Y. Yamamoto: yasusiya@cc.okayama-u.ac.jp146

光合成研究22 (2) 2012

書評
森のバランス−植物と土壌の相互作用−（森林立地学会編）
森林総合研究所篠原健司

森林の物質循環を網羅した最新のガイドブックが、森林立地学会創立50周年を記念して、東海大学出版会から出版されました。「地球温暖化により森林はどうなるのか、土がなくても森は育つのか、森林は何回も繰り返し伐採できるのか、人類は将来にわたって森の恵みを受け取れるのか」という疑問を一般の方々から投げかけられますが、森林の物質循環のバランスを保つことが鍵を握っていると本誌はまとめています。
第Ⅰ部は森林と環境についてまとめています。森林生態系の物質循環を調べることは、森林生態系の現状を理解し、将来を予測するための強力なツールになります。地球温暖化、大気汚染、熱帯林の減少など地球規模の環境変動のほか、里山や人工林の利用、都市緑化など身近な環境を具体例にとり、森林環境の変化や森林利用が生態系のバランスにどのように影響しているか解説しています。
第Ⅱ部は森林の有機物動態についてまとめています。森林は陸上最大の有機物の貯蔵庫であり、地球全体の炭素収支に影響を及ぼしています。森林が分布する環境や土壌の特性、二酸化炭素を固定して有機物を蓄積する光合成など樹木の生理的メカニズム、落葉など枯死有機物の腐朽分解の仕組みなど、森林生態系の成立と炭素循環について解説しています。
第Ⅲ部は森林生態系における主要な物質の循環についてまとめています。森林生態系の養分物質は気象学的、
地理学的、あるいは生物学的な輸送によって流入したり、流出したりします。特に、水、炭素、窒素、リン、ミ
ネラル、イオウ、重金属の循環のメカニズムを示し、個々の元素は単純に循環しているのではなく、生物を介してお互いに関わりを持って生態系を巡っていることを解説しています。
本誌は以上の三部構成からなり、森林生態系のバランスの全体像からその構成単位へという記述により、専門外の方にも理解しやすいように工夫されています。大学生や大学院生はもとより、先生方にもお勧めの解説書です。また、光合成を研究する皆様には、知識の整理に役立つと思います。是非、ご一読下さい。

	147

光合成研究22 (2) 2012

事務局からのお知らせ★入会案内
本会へ入会を希望される方は、会費（個人会員年会費：￥1,500、賛助法人会員年会費：￥50,000）
を郵便振替（加入者名：日本光合成学会、口座番号：00140-3-730290）あるいは銀行振込（ゆうちょ銀行、０１９店(ゼロイチキュウと入力)、当座、0730290

名前：ニホンコウゴウセイガッカイ）にて送金の上、次ページの申し込み用紙、または電子メールにて、氏名、所属、住所、電話番号、ファッ
クス番号、電子メールアドレス、入会希望年を事務局までお知らせください。
★会員名簿管理方法の変更と会費納入のお願い
学会の運営は、皆様に納めていただいております年会費によりまかなわれております。昨年度、会費滞納者を名簿から削除するお願いをしました。当該年度の会費が未納の場合、光合成研究が送られてくる封筒に、会費未納が印字されています。ご都合のつくときに、会費を納入下さい。１年間会費を滞納された場合、次年度よりお名前が会員名簿から削除され、光合成研究は届かなくなります。再入会される場合は、未納の分もあわせてお支払いいただきます。2011年1月に名簿の変更を行いましたので、複数年度の会費滞納者はおられなくなりました。会費納入状況などにつきましては、ご遠慮なく事務局（shikanai@pmg.bot.kyoto-u.ac.jp）までお問い合わせください。会員の皆様のご理解とご協力をお願い申し上げます。

148

光合成研究22 (2) 2012

日本光合成学会会員入会申込書

平成日本光合成学会御中
私は日本光合成学会の趣旨に賛同し、平成
[
[

[

年

月

日

年より会員として入会を申し込みます。

]内に会員名簿上での公開承諾項目に○印をつけてください] 氏名（漢字）（必須）
氏名（ひらがな）
氏名（ローマ字）
] 所属

[

] 住所1
〒

[

] 住所2（自宅の方または会誌送付先が所属と異なる場合にのみ記入）
〒

[
[
[
[

] TEL1] TEL2 (必要な方のみ記入）] FAX] E-mail

個人会員年会費	

	

 1,500円	

 (会誌、研究会、ワークショップなどの案内を含む）
賛助法人会員年会費		

 50,000円	

 (上記と会誌への広告料を含む）（振込予定日：平成年月日）（会員資格は１月１日〜１２月３１日を単位とします）＊複数年分の会費を先払いで振り込むことも可能です。その場合、通信欄に（何年度〜何年度分）とお書き下さい。
連絡先〒153-8902 東京都目黒区駒場3-8-1
東京大学 大学院総合文化研究科 広域科学専攻 生命環境科学系
池内・成川研究室内 日本光合成学会
TEL: 03-5454-6641, FAX: 03-5454-4337
E-mail: photosyn@bio.c.u-tokyo.ac.jp
ホームページ: http://photosyn.c.u-tokyo.ac.jp

郵便振替口座 加入者名：日本光合成学会 口座番号：00140-3-730290
銀行振込の場合 ゆうちょ銀行、０１９店(ゼロイチキュウと入力)、当座、0730290
名前：ニホンコウゴウセイガッカイ

	149光合成研究22 (2) 2012

日本光合成学会会則
第１条

名称

本会は日本光合成学会（The Japanese Society of Photosynthesis Research）と称する。
第２条

目的

本会は光合成の基礎および応用分野の研究発展を促進し、研究者相互の交流を深めることを目的
とする。
第３条

事業

本会は前条の目的を達成するために、シンポジウム開催などの事業を行う。
第４条

会員

１．定義
本会の目的に賛同する個人は、登録手続を経て会員になることができる。また、団体、機関
は、賛助会員になることができる。
２．権利会員および賛助会員は、本会の通信および刊行物の配布を受けること、本会の主催する行事に参加することができる。会員は、会長を選挙すること、役員に選出されることができる。
３．会費
会員および賛助会員は本会の定めた年会費を納めなければならない。
第５条

組織および運営

１．役員
本会の運営のため、役員として会長１名、事務局長１名、会計監査１名、常任幹事若干名をおく。役員の任期は２年とする。会長、常任幹事は連続して二期を越えて再任されない。事務局長は五期を越えて再任されない。会計監査は再任されない。
２．幹事
幹事数名をおく。幹事の任期は４年とする。幹事の再任は妨げない。
３．常任幹事会
常任幹事会は会長と常任幹事から構成され、会長がこれを招集し議長となる。常任幹事会は本会の運営に係わる事項を審議し、これを幹事会に提案する。事務局長と会計監査は、オブザーバーとして常任幹事会に出席することができる。
４．幹事会
幹事会は役員と幹事から構成され、会長がこれを招集し議長となる。幹事会は、常任幹事会
が提案した本会の運営に係わる事項等を審議し、これを決定する。
５．事務局
事務局をおき、事務局長がこれを運営する。事務局は、本会の会計事務および名簿管理を行う。
６．役員および幹事の選出
会長は会員の直接選挙により会員から選出される。事務局長、会計監査、常任幹事は会長が幹事の中から指名し、委嘱する。幹事は常任幹事会によって推薦され、幹事会で決定され150

光合成研究22 (2) 2012

る。会員は幹事を常任幹事会に推薦することができる。
第６条

総会

１．総会は会長が招集し、出席会員をもって構成する。議長は出席会員から選出される。
２．幹事会は総会において次の事項を報告する。
１）前回の総会以後に幹事会で議決した事項
２）前年度の事業経過
３）当年度および来年度の事業計画
３．幹事会は総会において次の事項を報告あるいは提案し、承認を受ける。
１）会計に係わる事項
２）会則の変更
３）その他の重要事項
第７条

会計

本会の会計年度は１月１日から１２月３１日までとする。当該年度の経理状況は、総会に報告され、その承認を受ける。経理は、会計監査によって監査される。本会の経費は、会費および寄付金
による。

付則
第１

年会費は個人会員1,500円、賛助会員一口50,000円とする。

第２

本会則は、平成１４年６月１日から施行する。

第３

本会則施行後第一期の会長、事務局長、常任幹事にはそれぞれ、第５条に定める規定にかかわらず、平成１４年５月３１日現在の会長、事務局担当幹事、幹事が再任する。本会則施行後第一期の役員および幹事の任期は、平成１４年１２月３１日までとする。

第４

本会則の改正を平成２１年６月１日から施行する。

日本光合成学会の運営に関する申し合わせ
1. 幹事会：
幹事は光合成及びその関連分野の研究を行うグループの主催者である等、日本の光合成研究の発展に顕著な貢献をしている研究者とする。任期は4年とするが、原則として再任されるものとする。
2. 事務局：
事務局長の任期は2年とするが、本会の運営を円滑に行うため、約5期（10年）を目途に再任されることが望ましい。
3. 次期会長：
会長の引き継ぎを円滑に行うため、次期会長の選挙は任期の1年前に行う。
4. 常任幹事会：
常任幹事会の運営を円滑におこなうため、次期会長は常任幹事となる。

	151

光合成研究22 (2) 2012

幹事会名簿
秋本誠志＊	

神戸大学大学院理学研究科

高市真一	

池内昌彦	

東京大学大学院総合文化研究科

高橋裕一郎	

池上

帝京大学

田中

歩	

北海道大学低温科学研究所
東京工業大学資源化学研究所
立命館大学総合理工学院

勇	

泉井

桂	

近畿大学生物理工学部生物工学科

田中

寛＊	

伊藤

繁	

名古屋大学

民秋

均＊	

日本医科大学生物学教室
	

岡山大学大学院自然科学研究科

井上和仁	

神奈川大学理学部

都筑幹夫	

東京薬科大学生命科学部

臼田秀明	

帝京大学医学部

出羽毅久＊	

名古屋工業大学大学院工学研究科

榎並

勲	

東京理科大学寺島一郎	

東京大学大学院理学系研究科

遠藤

剛＊	

京都大学大学院生命科学研究科

徳富(宮尾)光恵 	

農業生物資源研究所

大岡宏造	

大阪大学大学院理学研究科

大杉

東京大学大学院農学生命科学研究科

立	

太田啓之	

光合成研究チーム鞆達也	

東京理科大学理学部

東京工業大学仲本

バイオ研究基盤支援総合センター

永島賢治＊	

首都大学東京大学院理工学研究科

大友征宇＊	

茨城大学理学部

南後

大阪市立大学大学院理学研究科

大政謙次	

東京大学大学院農学生命科学研究科

西田生郎	

埼玉大学大学院理工学研究科

	

小川健一	

	

準＊

	

守	

埼玉大学大学院理工学研究科

岡山県農林水産総合センター

西山佳孝	

埼玉大学大学院理工学研究科

生物科学研究所野口巧	

名古屋大学理学研究科

小野高明	

茨城大学工学部生体分子機能工学科

長谷俊治	

大阪大学蛋白質研究所

小俣達男	

名古屋大学大学院生命農学研究科

林

愛媛大学

垣谷俊昭	

名古屋大学

	

無細胞生命科学工学研究センター

菓子野康浩＊	

兵庫県立大学理工学部

原登志彦	

北海道大学低温科学研究所

金井龍二	

埼玉大学

彦坂幸毅	

東北大学大学院生命科学研究科

神谷信夫＊ 	

大阪市立大学大学院理学研究科

久堀徹	

東京工業大学資源化学研究所

熊崎茂一＊	

京都大学大学院理学研究科

日原由香子＊	

埼玉大学大学院理工学研究科

栗栖源嗣＊	

大阪大学蛋白質研究所

檜山哲夫	

埼玉大学

小池裕幸	

中央大学理工学部

福澤秀哉	

京都大学大学院生命科学研究科

小林正美	

筑波大学大学院数理物質科学研究科

藤田祐一	

名古屋大学大学院生命農学研究科

坂本

岡山大学資源生物科学研究所

前

東北大学

早稲田大学

牧野

増田真二＊	

亘	

櫻井英博	

秀則	

忠彦	

周	

東北大学大学院農学研究科

佐藤和彦	

兵庫県立大学

佐藤公行	

岡山大学

佐藤直樹	

東京大学大学院総合文化研究科

増田

佐藤文彦	

京都大学大学院生命科学研究科

松浦克美	

首都大学東京都市教養学部

鹿内利治	

京都大学大学院理学研究科

松田祐介＊	

関西学院大学理工学部

重岡

近畿大学農学部

真野純一＊	

山口大学農学部
基礎生物学研究所

成	

東京工業大学	建	

バイオ研究基盤支援総合センター
東京大学大学院総合文化研究科

篠崎一雄＊	

	

理化学研究所植物科学研究センター

皆川

島崎研一郎	

	

九州大学大学院理学研究院

宮下英明＊	

京都大学大学院地球環境学堂

嶋田敬三	

首都大学東京宮地重遠	

海洋バイオテクノロジー研究所

白岩義博＊	

筑波大学生物科学系

村田紀夫	

基礎生物学研究所

岡山大学大学院自然科学研究科

山谷知行	

東北大学大学院農学研究科

名古屋市立大学

横田明穂	

奈良先端科学技術大学院大学

沈

建仁	

杉浦昌弘	

	

杉田

護	

純	

大学院システム自然科学研究科

	

名古屋大学遺伝子実験施設

杉山達夫	

名古屋大学

鈴木祥弘	

神奈川大学理学部

園池公毅	

早稲田大学教育学部

和田元	

バイオサイエンス研究科
東京大学大学院総合文化研究科＊平成23年より新幹事152光合成研究22 (2) 2012

編集後記
夏学期の授業や試験、会議が終わった7月の最終週に、早めの夏休みをとり、家族で八丈島を訪れました。水
平線を臨む海のパノラマに生命が誕生した原始海洋に思いを馳せたり、満点の星を見て地球外生命を想像したりと、十分に楽しんで参りました。島は濃い緑に包まれ、森の中を散策しても、樹木の幹や岩肌に地衣類やコケ、シダ類が茂る独特の生態系で、植物の旺盛な生命力を感じさせてくれました。また植物の緑色には、人の心を癒し、落ち着かせる効果があることを改めて感じました。さて今号では、この植物の緑色であるクロロフィルを中心とした解説特集「光合成を支えるテトラピロール代謝の多様性」を掲載しました。私の専門分野でもあるので、私が編集担当をしている間に一度はやりたいと暖めていた特集でした。お忙しい中にも関わらず、快く（？）本特集のGuest Editorをお引き受け頂き、編集の労をとって頂いた、北海道大学の田中亮一先生に心から感謝を申し上げます。手前味噌ながら、最新のテトラピロール研究が紹介され、代謝系の多様性と進化との関わりなど、これまでにない日本語の総説がまとまったのではないかと考えています。毎回、自転車操業を続けながらも、現編集体制での本誌の発行は残す1号のみとなりました。気を抜かずにゴールラインを切りたいと思います。
＜東京大学

増田

建＞

記事募集
日本光合成学会では、会誌に掲載する記事を会員の皆様より募集しています。募集する記事の項目は以下の通りです。
○トピックス：光合成及び関連分野での纏まりのよいトピックス的な記事。
○解説：光合成に関連するテーマでの解説記事。
○研究紹介：最近の研究結果の紹介。特に、若手、博士研究員の方々からの投稿を期待しています。
○集会案内：研究会、セミナー等の案内。
○求人：博士研究員、専門技術員等の募集記事。
○新刊図書：光合成関係、または会員が執筆・編集した新刊図書の紹介。書評も歓迎いたします。
記事の掲載を希望される方は、会誌編集担当、増田（ctmasuda@mail.ecc.u-tokyo.ac.jp) まで御連
絡下さい。

	

153

光合成研究22 (2) 2012******************************************************************************************「光合成研究」編集委員会
編集担当 	

増田建（東京大学）発行担当 	

和田

元（東京大学）編集委員 	

栗栖源嗣（大阪大学）

編集委員 	

野口

編集委員 	

増田真二（東京工業大学）

航（東京大学）******************************************************************************************

日本光合成学会

2011-2012年役員会長	

池内昌彦（東京大学）

事務局	

鹿内利治（京都大学）

常任幹事	

常任幹事	

常任幹事	

常任幹事	

常任幹事	

常任幹事	

常任幹事	

常任幹事	

常任幹事	

常任幹事	

常任幹事	

常任幹事	

常任幹事	

田中 歩（北海道大学）	

（次期会長）
沈 建仁（岡山大学）	

（日本光生物学協会）
和田 元（東京大学）	

（会誌担当）
増田 建（東京大学）	

（会誌担当）
佐藤直樹（東京大学）	

（ホームページ担当）
寺島一郎（東京大学）	

（企画担当）
西田生郎（埼玉大学）	

（企画担当）
小林正美（筑波大学）	

（企画担当）
原登志彦（北海道大学）	

（企画担当）
牧野 周（東北大学）	

（企画担当）伊藤 繁（名古屋大学 名誉教授）	

 （企画担当）太田啓之（東京工業大学）	

（企画担当）
皆川 純（基礎生物学研究所）	

 （企画担当）会計監査	

田中 歩（北海道大学）******************************************************************************************
光合成研究 第22巻 第2号 （通巻64号） 2012年8月31日発行

日

本

光

〒153-8902

合

成

学

会

東京都目黒区駒場3-8-1

東京大学 大学院総合文化研究科 広域科学専攻 生命環境科学系
池内・成川研究室内

日本光合成学会

TEL: 03-5454-6641, FAX: 03-5454-4337
E-mail: photosyn@bio.c.u-tokyo.ac.jp
ホームページ: http://photosyn.c.u-tokyo.ac.jp
郵便振替口座銀行振込の場合

加入者名：日本光合成学会

口座番号：00140-3-730290

ゆうちょ銀行、０１９店(ゼロイチキュウと入力)、当座、0730290
名前：ニホンコウゴウセイガッカイ

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