光合成研究 30 (3) 2020

光合成研究第 30 巻 第 3 号（通巻 89 号）2020 年 12 月
Vol. 30 NO. 3 December 2020
JOURNAL OF THE JAPANESE SOCIETY OF PHOTOSYNTHESIS RESEARCH

トピックス Rubisco30%増強イネと秋田 63 号の栽培実験から見る増収戦略
牧野 周（東北大）

140

トピックス 有害赤潮形成藻シャットネラ属における細胞外スーパーオキシド産生と光合成の関係
トピックス 新発見！リンドウは花弁の緑色斑点で光合成する

湯浅 光貴 他（埼玉大）

149

高橋 重一（生工研）

157

解説 光合成研究における PPR 研究の幕開けと今日の隆盛：日本からの発信
杉田 護（名古屋大）

166

解説 “NAD World”から見た光合成: 電子受容体 NADP+はどこから来る？
橋田 慎之介（電中研）

176

表紙の紹介 イネ葉肉細胞における葉緑体の細胞内配置と立体構造に塩ストレスが与える影響
大井 崇生 他（名古屋大）

188

若手の会特別企画 第１１回「海外若手研究者の日本留学レポート！」
キム ウンチュル（基生研）

189

成川 礼 他（静岡大）193〜諸刃の剣：光合成との付き合い方〜」に参加して 鶴巻 達大（東京工業大）194

報告記事 「日本光合成学会オンラインミニシンポジウム〜諸刃の剣：光合成との付き合い方〜」開催報告
報告記事 「日本光合成学会オンラインミニシンポジウム
報告記事 第 21 回若手の会セミナー開催報告

清水 隆之（東京大）195報告記事 光合成学会 若手の会 第２１回セミナーに参加して

木下 悟（名古屋大）

196

新刊紹介 『藻類 生命進化と地球環境を支えてきた奇妙な生き物』 村上 明男（神戸大）

197

事務局からのお知らせ

198

日本光合成学会会員入会申込書

199

日本光合成学会会則

200「光合成研究」投稿規定

202

幹事会名簿

203

編集後記・記事募集

204「光合成研究」編集委員・日本光合成学会 2020 年度役員

205

賛助法人会員広告光合成研究 30 (3) 2020

トピックス
Rubisco30%増強イネと秋田 63 号の栽培実験から見る増収戦略

東北大学大学院農学研究科
牧野 周*
緑の革命と呼ばれた短稈育種の成功は、窒素の多量施肥に依存したソース能強化とシンク拡大によるほものであった。しかし、今日の多肥による増収戦略が、環境に与える負荷はきわめて大きい。隔離圃場を利用した栽培実験で、遺伝子組換えによる Rubisco 機能の強化で収量の向上は示されたが，多肥条件に限られていた。大粒化によりシンクが拡大したイネである秋田 63 号ではソースの改善なくして超多収が実証された。しかし、秋田 63 号の多収解析により，さらなる増収を導くためには光合成機能の改善が必須であることが示された。少肥でも十分な光合成能を保持し，同時に大きなシンクを有する
革新的なイネの開発が求められる。
1. はじめにで、多量の窒素施肥に依存しない超多収イネの作

人類は全食糧の約半分量近くをイネとコムギ出をめざす研究を展開した。

に依存している。イネとコムギの栽培化は，1 万年くらい前と推定されているが，おおよそ 60 年

2. 光合成の律速要因としての Rubisco

前に、「緑の革命」と呼ばれる短稈育種によって、光合成改善の取り組みは数多くの報告がある。

この二種の作物の飛躍的な増収に成功した。短稈

一つは光合成の律速要因に関わる遺伝子の改変

種は耐倒伏性を持つことから、窒素の多量施肥をによるもので、もう一つは、同種間の自然変異を可能とした。窒素施肥は葉の窒素含量の増加させもたらす遺伝要因の活用である。前者で多くの研ることによって光合成を向上させ、同時に穂数や究者が注目したものは、Rubisco の量的・質的改

籾数をも増やした。ハーバー・ボッシュ技術の普変、光呼吸のバイパス経路導入、さらには CO2 濃及により、空気中の窒素から安価なアンモニア肥

縮経路の導入などである。その他、特定のカルビ料が生産可能となった背景も見逃せない。窒素のンベンソン回路酵素の量的・質的改変や光応答促

多肥戦略による増収が今日の人類の人口増を支進などもある。それらの報告の中には、生産性のえてきたと言える。しかし、現状の増収戦略では、向上や増収に結び付いたという報告例はあるが今後も爆発的に増加し続ける人類の食糧を確保

1-3)することは難しい。同時に窒素の多量施肥は大きに、作物増産の基盤戦略である窒素利用の観点かな環境負荷を与えるのみならず、人間の体を構成

らの作物学的考察が行われた例はない。一方、後する窒素はすでに 30%がハーバー・ボッシュ窒素

者の遺伝解析によって、いくつかの量的形質遺伝に由来するなど、生物界を循環する窒素の動的平子座の原因遺伝子が同定されているが、必ずしも衡も大きく崩れつつある。

光合成に直接関連しないものが含まれる場合も、米国の作物学者 Sinclair ら 4)が指摘するよう報告されている 5, 6)。表現型評価法等の進歩によ

そこで、私たちはイネを中心に、ポテンシャル
としての光合成の改善に重点を置き、合わせて可り、今後、成果が期待される領域である。

食部であるシンク機能をともに強化させる戦略*連絡先 E-mail: amanemakino@tohoku.ac.jp140光合成研究 30 (3) 2020
私たちは、いち早く Rubisco に注目した。

3. Rubisco 増強イネで増収、しかし依然多肥限

Rubisco が単一タンパク質として葉身全窒素含量

定の 20-30%を占めること 7, 8)、そしてこの Rubisco

私たちは、イネの遺伝子組換え技術がまだ発展の量的質的改変を図ることが、窒素含量当たりの途上であった 1990 年代中頃にパーティグルガン

光合成能力を向上につながると考えたからであ法によって、核コード支配である Rubisco の小サる。まず、着葉レベルで測定される最大光合成速ブユニット遺伝子 RBCS を RBCS 自己プロモー

度が Rubisco によって律速されることを実証した。

ター制御で順鎖（センス）と逆鎖（アンチセンス）

光飽和、現在の大気 CO2 分圧下の最大光合成速に導入し、後者に関して Rubisco 量を 60%まで減

度は、Rubisco の酵素タンパク質量とキネティク

少させたアンチセンスイネの安定的な作製に成ス（酵素的性質）および気孔を含めた葉内部の功した 15) 。Rubisco アンチセンスイネでは、

CO2 の拡散伝導度によって定量的に説明された 9-

Rubisco が光合成速度の律速要因とならない高11)。また、Rubisco の酵素的性質には植物種間差

CO2 環境下など限られた条件で有利になる局面が存在し 12)、
その差が最大光合成の種間差を決定があることを実証した 15-17)。一方、RBCS をセンしている要因であることも明らかにした 13)。
しかス導入した過剰生産イネは関しては、稔性が悪くしながら、イネ栽培種間における葉身窒素含量当

世代の維持ができなかったが、その後のアグロ法

たりの Rubisco 量や Rubisco の酵素的性質には変の導入と親品種との戻し交配によって、安定して異が認められず、Rubisco は交配育種によるター30%ほど過剰生産するイネの作製に成功した 18)。

ゲットにはならないこともわかった 14)。

Rubisco 過剰生産は、世界初の成功事例であった。
しかしながら、過剰生産イネにおいては Rubiscoの部分的な不活性化を生じ、Rubisco タンパク質の量的増加分に見合うだけの光合成の促進効果

図1. 人工気象室で栽培した親品種イネ、Rubisco過剰生産イネおよびRubisco生産抑制イネの地上部バイオマ
ス量とRubisco含量(a) 地上部(乾物)生産量と（b）葉面積あたりのRubisco含量。データは文献23から。イネ親品種イネ「能登ひかり」とRubiscoの形質転換体イネ（「能登ひかり」を用い作出）についてCO2分圧(濃度)を28 Pa (280 ppm)，40
Pa (400 ppm)および120 Pa (1200 ppm)に制御した人工気象室内で，63日間水耕法により栽培を行った。カッコ内の数値はそれぞれのCO2分圧区の親品種イネの値を100とした時のRubisco過剰生産イネのバイオマス生産量（a）とRubisco含量（b）。異なるアルファベットはTurkey-Kramer’s HSDテストによりP<0.05で有意差ありを
示す。

141

光合成研究 30 (3) 2020はなかった 19, 20)。同じ現象は近年トウモロコシにおいても報告されている 21)。
この点に関しては、
私 た ち は Rubisco の 活 性 化 を 促 進 す る 酵 素
Rubisco activase を同時補強することで解決している 22)。
一方、その Rubisco 過剰生産組換えイネを高照度グロースチャンバーで 63 日間栽培したところ，
バイオマス生産量は高 CO2 濃度条件 (1200 ppm =µmol mol-1) では組換えイネの親品種（能登ひかり）に比べ差はなかったが、大気 CO2 濃度条件(400 ppm) では 15%増産となり，低 CO2 濃度条件
(280 ppm) では 32%増産となった（図 1a）23)。
Blackman の成長解析を行ったところ、このバイ

図2. 隔離水田圃場の写真
1枚の水田圃場を縦3つ横3つの9区に区切って使用。
左側から縦に3区がそれぞれ施肥窒素量0、10、および17 gN m-2区。手前から横に3区がRubisco生産抑制
イネ、Rubisco過剰生産イネ、および親品種イネ（能登ひかり）である。施肥による葉色の違い、系統による葉色の違いがわかる（肥料むらではない!!）。
Rubisco生産抑制イネでは葉色が濃く、Rubisco過剰生産イネでは葉色が薄い。前者はRubisco量減少分の窒素がクロロフィルに再分配されるため葉色が濃く、後者はRubisco量過剰生産分に窒素が取られるため葉色は薄い。2017年7月27日撮影。全景は本誌30巻
2号の表紙。

オマス増産には相対成長率の差がみられ、それは葉面積比ではなく純同化率の差によるものであることがわかった。また、Rubisco 過剰生産イネ
では生育 CO2 濃度の低下に伴い、窒素の吸収量が増加していた。さらに、興味深いことに、組換え体イネの Rubisco 過剰生産効果は低 CO2 濃度
生育で促進され，280 ppm 生育では親品種にくらべ組換え体イネの Rubisco 量は 43%も増強されていた（図 1b）23)。もともとイネ葉の Rubisco 量は窒素含量の増加に伴い特異的に増加する傾向にあったが 24-26)、Rubisco 過剰生産イネではこの形の措置を執らない開放系で使用する規程）の承認質が顕著であった。

を得て、東北大学附属川渡フィールドセンターのほ

次に、私たちはこの Rubisco 過剰生産イネに関

27)
開放系隔離圃場にて収量試験を行った（図 2）。

して，文部科学省と環境省から第 1 種使用規程

４年間の繰り返し試験を通して Rubisco 過剰生産（国が定める生物多様性評価試験を行い，遺伝子

イネ の玄米 収量 は 、 窒 素 施 肥量 が 10 gN m-2

組換え生物等の環境中への拡散を防止するため(=kgN/10a) 以上の施肥区で、親品種「能登ひかり」

図3. 親品種イネ、Rubisco過剰生産イネ
および Rubisco 生産抑制イネの隔離圃場栽培での精玄米収量
10 g N m-2 (=kg N/10a) 以上の窒素施肥区で，Rubisco 過剰生産イネの収量が増加した(図中，矢印より右側)。デー
タは文献 27 から。8 gN m-2 以下の窒素施肥区では Rubisco 過剰生産イネの増収効果は認められていない。異なるア
ルファベットは Turkey-Kramer’s HSD
テストにより p < 0.05 で有意差ありを示す。カッコ内は栽培年を示す。

142

光合成研究 30 (3) 2020に比較して 16-28%増収となった（図 3）。増収のは、快晴・無風状態の日には外気 CO2 濃度が 400

要因は生殖成長期以降の窒素吸収量の増加効果

から 410 ppm で推移する中で、止葉基部付近でのによるところが大きいが、その増収効果を窒素吸CO2 濃度が 340 ppm 程度まで低下していること

収量あたりで評価しても，10 gN m-2 以上では同が認められた（追記：2020 年の栽培では出穂 10

じ窒素吸収量に対しても有意に増収となってい日前に 315 ppm までの低下を記録）。グロースた（図 4a）。この増収は総バイオマス生産の増産

チャンバー実験の結果（図 1b）から考察すると、も伴っていた。収量構成要素について解析したと

圃 場 で の 低 CO2 環 境 が 、 高 窒 素 施 肥 区 で のころ、一般にイネの登熟歩合は施肥量に応じて低Rubisco の過剰生産をさらに促進させたものと考下していくことが知られているが 28)、Rubisco 過察できる 27)。
「この報告は光合成機能の改善が主

剰生産イネでは高窒素施肥下でも登熟歩合が高

要作物の増収に結び付く事実を作物科学的に実く維持されていた（図 4d）。このことは、Rubisco

証したゲームチェンジャーとなる成果である」と

過剰生産イネではとくに出穂後の光合成が高くの評価を米国イリノイ大学 Stephen Long 教授よ維持されたことが推察され、事実，Rubisco 過剰

り頂いた 29)。しかしながら、一方で図 3 や図 4ab

生産イネの止葉の Rubisco 含量は特に高く、実測に見られるように、低窒素施肥区では Rubisco 過される光合成速度も親品種を大きく上回ってい

剰生産イネの増収効果は認められなかった。低窒た 27)。圃場群落内の CO2 濃度モニターを行った

素施肥条件では，Rubisco の過剰生産分に葉内窒ところ、Rubisco 過剰生産イネの高窒素施肥区で

図4. 親品種イネ、Rubisco過剰生産イネおよびRubisco生産抑制イネの隔離圃場栽培での収量、収量構成要素、と吸収窒素量との関係
単位土地面積当たりの（a）精玄米収量、（ｂ）登熟したもみ数、（ｃ）全もみ数、（ｄ）登熟歩合。データは文献27から。（黒三角）親品種能登ひかり、（赤四角）Rubisco過剰生産イネ、(青丸)Rubisco生産抑制イネ。
Rubisco過剰生産イネの玄米収量は，10 g N m-2以上で，同じ吸収窒素量に対して収量が増加した(図中，矢印)。
それぞれの回帰直線の傾きとy切片に対してBonferroni法によって有意差検定を行った。（a）と（ｂ）において、赤線と黒線は傾きにP<0.017で有意差あり。青線と黒線のy切片にP<0.0003 で有意差あり。

143

光合成研究 30 (3) 2020
表１．秋田農業試験場における「秋田 63 号」と「あきたこまち」の収量と収量構成因子(2009 年から 2013
年の平均データ±SE. この期間の日本の平均収量は 546 g m-2. 文献 33 の Table 1 より抜粋）

施肥窒素

品種

精玄米収量

モミ数

登熟歩合

玄米粒重

g m-2=kg/10a×103 m-2%

mg

秋田 63 号

928 ± 3145.4 ± 2.9

69.0 ± 5.0

30.0 ± 0.4

あきたこまち635 ± 2537.5 ± 2.0

77.8 ± 5.3

22.5 ± 0.3

秋田 63 号

780 ± 3635.7 ± 4.3

74.6 ± 9.0

30.8 ± 0.4

あきたこまち554 ± 30

28.8 ± 2.3

85.8 ± 4.7

22.9 ± 0.2

秋田 63 号

627 ± 2323.7 ± 1.3

88.9 ± 1.6

30.4 ± 0.3

あきたこまち392 ± 28

19.1 ± 1.0

88.1 ± 2.0

22.8 ± 0.2

kg N/10a1360が大きく下がり、1000 kg 手前で頭打ちとなった素が取られるため窒素不足が助長されるマイナ
ス面があると考えている

27)（例えば、表１参照）。当初は登熟性の劣る 2 次。

枝梗粒が多い可能性、あるいは大粒ゆえのデンプ
4. シンク拡大で超多収を実現、さらなる増収にン集積の限界などを疑った。しかし、データを改

は光合成改善が必須

めて検証し直したところ、吸収窒素量に対しても私たちは光合成改善の研究に並行してシンク

み数（シンクポテンシャル）は直線的に増加して拡大による増収の試みも行った。一粒重が従来のいくのに、収穫時の総バイオマス生産量は飽和型

栽培品種より約 40%大きい「秋田 63 号」(2004 年の曲線応答となっていることがわかった（図 5a

品種登録)を材料に収量解析を行った。秋田 63 号と 5b 参照）31)。多収を狙った高窒素施肥で登熟は、粒重が従来種より 80%大きい大粒品種オオチ

歩合が下がる現象は、実は古くから問題視されてカラを母親に秋田農業試験場（秋田農試）の眞崎

いて、出穂 1 か月前に一旦窒素肥料を切るというらによって育種された品種である。オオチカラは

松島の V 字理論稲作につながっている 28)（図 4b1980 年代北陸農業試験場（現：中央農業研究センにおいても施肥に伴う登熟歩合低下が確認でき

ター北陸研究拠点）で育種（1989 年品種登録）さるが、Rubisco 増強イネでは維持されている）。

れたが、多収には結びつかず、イネの大粒化によこの現象はシンク拡大による育種戦略が、相対的る増収の試みは失敗であったと結論されていた。

にソース不足を生じさせた結果と考察した（高窒1999 年より秋田農試との共同研究を開始し、「秋

素施肥による過繁茂が圃場内の CO2 濃度低下や2

田 63 号」は 3 区坪刈 (3.3 m ) 精玄米最高平均収-2

量で、983 ± 66 g m (=kg/10a) を記録した

30)

受光不足を促進させ、結果として登熟歩合の低下

。大

を招く）。

粒育種による超多収は、イネでは世界初の事例とそこで、ソース不足の仮説を実証する目的で、なった。秋田 63 号の多収は、乾物生産に依存す秋田 63 号を開放系高 CO2 濃度（FACE = Free Air

るものではなく、もっぱら収穫指数の増加であっ

CO2 Enrichment）
実験に供した 32)。
予想通り高 CO2た 30)。このことは、900 kg /10a レベルの超多収は環境条件下では、秋田 63 号の増収効果は、他の光合成機能の改善なしに、シンク拡大のみで実現

従来栽培種（あきたこまち）より大きいことがわ

できることを意味している。しかしながら、一方かった。あきたこまちでは 7-17%に留まる増収効

で秋田 63 号にはどうしても 1000 kg /10a を越え

果が、秋田 63 号では 20-23%の増収であった。高

られない壁があった。収量ポテンシャル（もみ数

CO2 環境は光合成を促進し、ソース能を高める効×玄米粒重）としては楽に 1000 kg を超えてくる果があるので、シンクが十分に大きい秋田 63 号

が、多肥にするとどうしても登熟歩合（稔実割合）

では、光合成を高めるとさらなる増収につながる

144

光合成研究 30 (3) 2020
ことが実証された。この圃場実験（施肥：6

行った 33)。結果は、吸収窒素量との相関解析によkgN/10a）では、対照区では秋田 63 号が 695 kg/10a

ると明解で、オオチカラには大粒ではある一方、で、あきたこまち 570 kg/10a に対して、20%程度

粒数減の形質があり、秋田 63 号はそのトレードの増収であったが、FACE 区では秋田 63 号が 845

オフを完全に解消する育種に成功していたとい

kg/10a で、あきたこまち 635 kg/10a に対して、

うものであった（図 5）。何より驚くべき事実は、33%の増収となっていた（2 年間平均精玄米収量）

こ の 比 較 解 析 を 行 っ た 4 年 間 の 多 肥 区 （ 1332)

。このように、今後のイネの増収戦略として、

kgN/10a）の平均収量は 928 kg/10a であった（表イネのポテンシャルとしての光合成改善とシン1）。日本国中のどこの農業試験場の記録を調べ

ク拡大をセットで実現させることが、いかに重要ても、単発年として 1000 kg/10a を超える収量記な戦略であるかを物語っている。

録はあっても、数年間に及ぶ平均収量で 900 kg を大粒化で超多収が実現できるとなると、秋田

超えるような記録はない。多収研究に関わったこ

63 号より粒重が大きい母親オオチカラはなぜ多とのある研究者なら、誰もが驚く数値である。こ収にならなかったのであろうか。私たちは 2009のことは、今回の解析が多収限界ギリギリの解析

年から 2013 年にかけて、秋田農試で母方オオチであることを証明している。秋田 63 号の解析に

カラと父方秋田 39 号を対象に比較収量解析をより得られた結論は、大粒に関係なくシンク拡大

図5. 秋田63号と関連品種の全もみ数、地上部乾物重、玄米粒重、収量、と吸収窒素量との関係
単位土地面積当たりの（a）全もみ数、（ｂ）地上部乾物重、（c）玄米一粒重、（ｄ）収量。データは文献33から。（赤）秋田63号、（黒）オオチカラ（秋田63号母系）、（青）秋田39号（秋田63号父系）、（緑）あきたこまち。三角は2009年、四角は2011年、丸は2012年の秋田農業試験場大潟村分場での栽培。施肥窒素量は0、6、および13 gN m-2。それぞれの回帰直線の傾きとy切片に対してBonferroni法によって有意差検定を行った。
（a）の赤線はY = 2460X, r = 0.917, P<0.001、黒線はY = 1420X, r = 0.898, P<0.001。オオチカラは、秋田63号とあきたこまちに対してy切片でP<0.00017で、秋田39号に対して傾きでP<0.00017でそれぞれ有意差あり。（b）
黒線は 2次回帰線Y = -2.31X2 + 146X, r = 0.947 で、1次回帰解析ではY = 106.7X, r = 0.858 となる（非表示）。
（d）赤線は Y = 34.5X + 265, r = 0.929, P<0.001、黒線は Y = 24.0X + 238, r = 0.830, P<0.001。秋田63号は、他の3品種に対してy切片でP<0.00017でそれぞれに有意差あり。

145

光合成研究 30 (3) 2020
under future climate conditions. J. Exp. Bot. 68, 715–

戦略のみでイネの増収はまだまだ可能であるこ726.

と、しかし同時に、光合成能の向上を伴わない超2. Lopez-Calcagno, P.E., Fisk, F., Brown, K.L., Bull, S.E.,

多収の限界が明確になったことである。イネの光South, P.F. and Raines, C.A. (2019) Overexpressing

合成の研究を続けてきた私にとっては大変意味

the H-protein of the glycine cleavage system increases

ある結論であった 33)。

biomass yield in the glasshouse and field growntransgenic tobacco plants. Plant Biotech. J. 17, 141–

5. おわりに151.

二つの圃場試験を通じて、実験室レベルの研究

3. South, P.F., Cavanagh, A.P., Liu, H.W. and Ort, D.R.

では見出せないイネ増収の方向性が明確となっ(2019) Synthetic glycolate metabolism pathways
stimulate crop growth and productivity in the field.

た。Rubisco 機能を強化でソース能改善は可能でScience 363, eaat9077.

あるが、多肥条件に限られていた。シンク拡大の

4. Sinclair, T.R., Rufty, T.W. and Lewis, R.S. (2019)

みでイネの増収は可能であるが、シンク拡大によIncreasing photosynthesis: Unlikely solution for world

る超多収を引き出すためには光合成の機能改善

food problem. Trends in Plant Sci. 24, 1032–1039.

は必須となることがわかった。現在、秋田 63 号

5. Takai, T., Adachi, S., Taguchi-Shiobara, F., Sanoh-Arai,の大粒形質遺伝子を導入した Rubisco 過剰生産イ

Y., Iwasawa, N., Yoshinaga, S., Hirose, S., Taniguchi,

ネの作出を終え、第 1 種使用規程申請を進めていY., Yamanouchi, U., Wu, J., Matsumoto, T., Sugimoto,K., Kondo, K., Ikka, T., Ando, T., Kono, I., Ito, S.,る。少肥でも十分な Rubisco 機能を保持し、同時Shomura, A., Ookawa, T., Hirasawa, T., Yano, M.,に大きなシンクを有する革新的なイネの開発を

Kondo, M. and Yamamoto, T. (2013) A natural variant

めざしたい。

of NAL1, selected in high-yield rice breeding
programs, pleiotropically increases photosynthesis

謝辞

rate. Sci. Rep. 3, 2149.

Rubisco 過剰生産イネの第 1 種使用申請から隔

6. Adachi, S., Yoshikawa, K., Yamanouchi, U., Tanabata, T.,

離圃場の再整備と管理、行政対応に関して、石山Sun, J., Ookawa, T., Yamamoto, T., Sage, R.F.,

敬貴氏（東北大）に中心になって行って頂いた。
秋田 63 号は眞崎聡氏ら（秋田農試）によって育Hirasawa, T. and Yonemaru, J. (2017) Fine mappingof carbon assimilation rate 8, a quantitative trait locus
for flag leaf nitrogen content, stomatal conductance

種されたもので、同氏から品種登録以前に共同研and photosynthesis in rice. Front. Plant Sci. 8, 60.

究の提案を頂き、金田吉弘氏（秋田県立大）の多

7. Makino, A., Mae, T. and Ohira, K. (1984) Relation

大なる協力のもと多収解析を進めた。また、本研

between

究を通して、全面協力頂いた前忠彦東北大名誉教

carboxylase in rice leaves from emergence throughnitrogenandribulose-1,5-bisphosphatesenescence. Plant Cell Physiol. 25, 429–437.

授と鈴木雄二氏（岩手大）に感謝申し上げる。な

8. Evans, J.R. and J.R. Seemann (1984) Differences between

お、本研究をまとめるにあたり、科学研究費基盤

wheat genotypes in specific activity of ribulose-1, 5-

研究(S) JSPS JP16H06379 の助成を頂いた。

bisphosphate carboxylase and the relationship tophotosynthesis. Plant Physiol. 74, 759–765.

Received Oct 24, 2020; Accepted Nov 18, 2020; Published

9. Makino, A., Mae, T. and Ohira, K. (1983) Photosynthesis

Dec 31, 2020.

and ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase in rice
leaves. Changes in photosynthesis and enzymes
involved in carbon assimilation from leaf development
through senescence. Plant Physiol. 73, 1002–1007.

参考文献

10. Makino, A., Mae, T. and Ohira, K. (1985)

1. Köhler, I.H., Ruiz-Vera, U.M., VanLoocke, A., Thomey,

Photosynthesis

M.L., Clemente, T., Long, S.P., Ort, D.R. andandribulose-1,5-bisphosphatecarboxylase/oxygenase in rice leaves from emergence

Bernacchi, C.J. (2016) Expression of cyanobacterial

through

FBP/SBPase in soybean prevents yield depression

senescence.

Quantitative

carboxylation/oxygenation

andanalysisbyregenerationofribulose 1,5-bisphosphate. Planta 166, 414–420.

146

光合成研究 30 (3) 2020
11. Evans, J.R. (1986) The relationship between carbon-

photosynthesis at different positions in transgenic rice

dioxide-limited photosynthetic rate and ribulose-1,5-

with an overexpression of RBCS. Plant Cell Environ.

bisphosphate-carboxylase content in two nuclear-32, 417–427.

cytoplasm substitution lines of wheat, and the21. Salesse-Smith, C.E., Sharwood, R.E., Busch, F.A.,

coordination of ribulose-bisphosphate-carboxylation

Kromdijk, J., Bardal, V. and Stern, D.B. (2018)

and electron-transport capacities. Planta 167, 351–

Overexpression of Rubisco subunits with RAF1

358.

increases Rubisco content in maize. Nat. Plants 4,
802–810.

12. Makino, A., Mae, T. and Ohira, K. (1985) Enzymic
properties

ofribulose-1,5-bisphosphate

22. Suganami, M., Suzuki, Y., Tazoe, Y., Yamori, W. andcarboxylase/oxygenase purified from rice leaves,

Makino, A (2020) Co-overproducing Rubisco andPlant Physiol. 79, 57–61.

Rubisco activase enhances photosynthesis in the

13. Makino, A., Mae, T. and Ohira, K. (1988) Differences

optimal temperature range in rice. Plant Physiol. in

between wheat and rice in the enzymic properties ofpress. doi:10.1093/plphys/kiaa026

ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase and

23. Sudo, E., Suzuki, Y. and Makino, A. (2014) Whole-plant

the relationship to photosynthetic gas exchange.

growth and N utilization in transgenic rice plants with

Planta 174, 30–38.

increased or decreased Rubisco content under different
CO2 partial pressures. Plant Cell Physiol. 55, 1905–

14. Makino, A., Mae, T. and Ohira, K. (1987) Variations in
the contents and kinetic properties of ribulose-1,5-

1911.

bisphosphate carboxylases among rice species, Plant

24. Makino, A. and Osmond, B. (1991) Effects of nitrogen

Cell Physiol. 28, 799–804.

nutrition on nitrogen partitioning between chloroplasts

15. Makino, A., Shimada, T., Takumi, S., Kaneko, K.,

and mitochondria in pea and wheat. Plant Physiol. 96,
355–362.

Matsuoka, M., Shimamoto, K., Nakano, H., MiyaoTokutomi, M., Mae, T. and Yamamoto, N. (1997)
Does

decreasein

25. Makino, A., Sakashita, H., Hidema, J., Mae, T., Ojima,

ribulose-1,5-bisphosphate

K. and Osmond, B. (1992) Distinctive responses ofcarboxylase by antisense rbcS lead to a higher N-use

ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase and carbonicefficiency of photosynthesis under saturating CO2 andanhydrase in wheat leaves to nitrogen nutrition andlight in rice plants? Plant Physiol. 114, 483–491.

their possible relationships to CO2 transfer resistance.
Plant Physiol. 100, 1737–1743.

16. Makino, A., Harada, M., Kaneko, K., Mae, T., Shimada,T. and Yamamoto, N. (2000) Whole-plant growth in

26. Makino, A., Nakano, H. and Mae, T. (1994) Responses

transgenic rice plants with decreased content ofof ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase, cytochrome

ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase under different

f, and sucrose synthesis enzymes in rice leaves to leaf

CO2 partial pressures. Aust. J. Plant Physiol. 27, 1–

nitrogen and their relationships to photosynthesis.

12.

Plant Physiol. 105, 173–179.

17. Makino, A., Nakano, H., Mae, T., Shimada, T. and27. Yoon, D-K., Ishiyama, K., Suganami, M., Tazoe, Y.,

Yamamoto, N. (2000) Photosynthesis, plant growth

Watanabe, M., Imaruoka, S., Ogura, M., Ishida, H.,

and N allocation in transgenic rice plants with

Suzuki, Y., Obara, M., Mae, T. and Makino, A. (2020)

decreased Rubisco under CO2 enrichment. J. Exp. Bot.

Transgenic rice overproducing Rubisco exhibits

51, 383–389.

increased yields with improved nitrogen use efficiency

18. Suzuki, Y., Ohkubo, M., Hatakeyama, H., Ohashi K,

in an experimental paddy field. Nat. Food 1, 134–139.

Yoshizawa, R., Kojima, S., Hayakawa, T., Yamaya, T.,

28. Matsushima, S (1993) Researches on the requirements

Mae, T. and Makino, A. (2007) Increased Rubisco

for achieving high yields in rice, in Science of the Ricecontent in transgenic rice transformed with “sense”

Plant, Vol. 2. Physiology (Matsuo, T., Kumazawa, K.,

rbcS gene. Plant Cell Physiol. 48, 626–637.

Ishii, R., Ishihara, K., Hirata, H. Eds) pp 737–747,

19. Makino, A. and Sage, R.F. (2007) Temperature response

Nobunkyo, Tokyo, Japan.

of photosynthesis in transgenic rice transformed with

29. Long, S.P. (2020) Photosynthesis engineered to increase“sense” or “anti-sense” rbcS. Plant Cell Physiol. 48,

rice yield. Nat. Food 1, 105.

1472–1483.

30. Mae, T., Inaba, A., Kaneta, Y., Masaki, S., Sasaki, M.,

20. Suzuki, Y., Miyamoto, T., Yoshizawa, R., Mae, T. andMakino,A.

(2009)

Rubiscocontent

Aizawa, M., Ohkawa, S., Hasegawa, S. and Makino,andA. (2006) A large-grain rice cultivar, Akita-63,

147

光合成研究 30 (3) 2020
exhibits high yield with high physiological N use-and Makino, A. (2013) Rice cultivar responses toefficiency. Field Crops Res. 97, 227–237.

elevated CO2 at two free-air CO2 enrichment (FACE)
sites in Japan. Func. Plant Biol. 40, 148–159.

31. Makino, A. (2011) Photosynthesis, grain yield and N
utilization in rice and wheat. Plant Physiol. 155, 125–

33. Makino, A., Kaneta, Y., Obara, M., Ishiyama, K., Kanno,

129.

K., Kondo, E., Suzuki, Y. and Mae, T. (2020). High32. Hasegawa, T., Sakai, H., Tokida, T., Nakamura, H., Zhu,

yielding ability of a large-grain rice cultivar, Akita 63.

C., Usui, Y., Yoshimoto, M., Fukuoka, M., Wakatsuki,

Sci. Rep. 10, 12231.

H., Katayanagi, N., Matsunami, T., Kaneta, Y., Sato,T., Takaka,i F., Sameshima, R., Okada, M., Mae, T.

Strategies for increasing rice yield. Field experiments with Rubisco-overproduced rice andlarge-grain rice cultivar Akita63

Amane Makino
Graduate School of Agricultural Science, Tohoku University148

光合成研究 30 (3) 2020

トピックス
有害赤潮形成藻シャットネラ属における細胞外スーパーオキシド産生と光合成の関係‡12

埼玉大学大学院理工学研究科生命科学コース

国立研究開発法人水産研究・教育機構 水産技術研究所
湯浅光貴 1,*、紫加田知幸 2、西山佳孝 1

ヒトから微細藻類を含む多くの真核生物は、細胞外へスーパーオキシド (O2−) を産生する NADPH
oxidase (NOX) を有しており、NOX は免疫機構や病疫応答の一つとして機能する。動物や陸上植物では、NOX の O2−産生機序や生理的役割が詳細に研究されているが、真核藻類ではその研究例は極めて少ない。著者らは、O2−産生レベルが極めて高い赤潮形成ラフィド藻 Chattonella 属を使用して、赤潮形成時の環境適応における O2−産生の生理的役割について研究を進めてきた。本稿では、細胞外 O2−産生と光合成の関係について最新の知見を紹介する。
1. はじめに

ラフィド藻 Chattonella 属 (シャットネラ) は、A

世界中の沿岸域で赤潮を形成し、魚を死滅させる
有害な微細藻類である (図 1)。シャットネラによる赤潮 (以降、シャットネラ赤潮) は高い魚毒性を有しており、水産養殖業に深刻な被害を及ぼしている 1)。被害軽減策を開発するための基盤として、シャットネラ赤潮の形成・衰退メカニズムや

10 µm

赤潮による魚類斃死機構を解明することが強く求められている。

B

シャットネラ赤潮の形成・衰退にはさまざまな環境要因が影響することが知られており、特に光と栄養塩はシャットネラの増殖に大きく影響する。実際に、シャットネラ赤潮は強光下で急速に発達することが報告されている 2)。海水表層の強光環境は光合成の光阻害を引き起こし、増殖に悪影響を及ぼす可能性があるにもかかわらず 3-5)、
シャットネラは日中、光合成によって太陽光からエネルギーを獲得するために遊泳を行い、表層に集積する 6)。したがって、シャットネラは他の微図1. (A) 有害赤潮ラフィド藻Chattonella antiquaと(B) 八代海で発生したC. antiquaの赤潮

細藻類と比較して光合成の強光耐性が高いと考えられる。また、シャットネラ赤潮は沿岸域への‡第 10 回日本光合成学会年会*連絡先 E-mail: k.yuasa.608@ms.saitama-u.ac.jp

ポスター発表受賞論文

149

光合成研究 30 (3) 2020
窒素やリン等の流入直後に発達する傾向があり、は極めて高く、珪藻の 1,000 倍にも達する 12)。近栄養塩濃度もシャットネラ赤潮の形成に大きな

年、シャットネラの RNA-seq 解析から、シャッ影響を与える要因と考えられている 7)。さらに、トネラのゲノム中に NOX と推定される酵素を

貧栄養環境はシャットネラの休眠細胞の形成やコードする遺伝子が複数存在することが明らか

細胞の死滅を誘導することが知られている。これとなった 8)。さらに、シャットネラにおけるウエまでにシャットネラの栄養塩取り込み特性に関スタンブロット解析では、ヒト好中球の NOX でする研究が数多く行われ、栄養塩の取り込みや代ある cytochrome b558 に特異的な抗体と反応するタ8)

謝に関連する遺伝子も特定されてきた 。しかし、ンパク質がシャットネラに存在することが示さ

栄養環境の変化に対する細胞内の代謝の変化やれている 16)。また、シャットネラの O2−産生は対

生理応答はほとんど不明である。

数増殖期に上昇し、定常期に入ると減少すること

シャットネラは活性酸素の一種であるスーが報告されている 17)。さらに、O2−産生と並行しパーオキシド (O2−) を細胞外へ大量に産生するて、魚毒性や光化学系 II (PSII) 活性も対数増殖期

ことが知られており、O2−はシャットネラの魚毒に増加し、定常期に減少することが示されている性に関わる因子として注目されている

9)−

18,19)。O2 はシャットネラの細胞表面に局在する NADPH。しかし、動物や植物と比較すると藻類における NOX の活性化機構は未解明な点が多い。

oxidase (NOX) が細胞内の還元力である NADPH
3. 細胞外 O2−産生と光合成の関係を利用して産生されると考えられている。著者らは、光合成電子伝達が NADPH の主要な産生場所

これまでの研究から、シャットネラの O2−産生であることに着目して、一見独立した生理機能とは明期に上昇し、暗期に低下することが報告され−思われる細胞外 O2 産生と光合成の関係性についている 20)。しかし、暗期にはシャットネラの細胞て研究を進めた。本稿では、シャットネラの環境

分裂が生じるなど副次的な影響も考えられるた

適応における光合成と O2−産生の役割について最め、O2− 産生に対する光環境の影響は不明瞭で新の研究成果を紹介する。

あった。そこで著者らは、シャットネラの細胞外への O2−産生に対する光の影響を詳細に調べるた

2. 細胞外 O2−産生

めに、350 µmol photons m-2 s-1, 12 h 明期/12 h 暗期

NOX の生理学的および生化学的特性は動物やの条件で前培養したシャットネラを、様々な光強植物でよく研究されている。動物において、NOX度下で培養し、O2−産生レベルの変化を化学発光

は血液中の好中球やマクロファージに多く発現法によりモニターした。その結果、O2−レベルはしており、NOX による O2−産生は免疫系やシグナ

強光下 (400~1,000 µmol photons m-2 s-1) で上昇し、ル伝達機構で機能する。植物では、NOX のホモ

弱光下 (0~10 µmol photons m-2 s-1) で低下するこ

ロ グ で あ る Respiratory burst oxidase homologとを見出した 21)。この時、光合成パラメーターを(RBOH) が存在し、植物の病害応答やシグナル伝

クロロフィル蛍光測定器 (Water-PAM, waltz 社)

達による生理活性の調節に働く。
一方、過剰な O2−で測定し、O2−レベルとの相関を解析した。そのは自らの細胞にとって有害であるため、NOX 活

結果、PSII の最大量子収率 (Fv/Fm) と PSII の実性は活性化因子によるタンパク質相互作用やリ効量子収率 (ΦII) は、O2−レベルの推移と相関しン酸化シグナル、NADPH/NADP+バランスなどになかったが、光化学的消光 (qP) は光強度の増大

よって厳密に制御されている 10-12)。藻類では、緑に伴って上昇しており、O2−レベルと高い正の相藻やラフィド藻、珪藻などの微細藻類や褐藻など関があった (図 2)。qP は、PSII のキノン受容体の大型藻類でも NOX に関する報告がある 13-15)。

である QA のレドックス状態を表し、PSII より下

緑藻 Chlamydomonas reinhardtii では RBOH が存流の電子伝達速度が低下して QA が還元状態にな−在し、光照射で微弱な O2 産生が誘導されること

ると値が低下するパラメーターである。この結果が示唆されている 13)。ラフィド藻の O2−産生活性150

光合成研究 30 (3) 2020

A

BO2- 

1,000

Fv/Fm

C
ΦII

qP

100

10

1

R² = 0.0486

R² = 0.4568

R² = 0.8137

0
0

0.2

0.4
Fv/Fm

0.6

0.8

0

0.1

0.2
ΦII

0.3

0.4

0

0.2

0.4
qP

0.6

0.8

図2. 様々な強度の光で培養した時の生育とO2−レベル
シャットネラを0, 10, 50, 100, 400, 1000 µmol photons m-2 s-1の光強度で培養した時の (A) Fv/Fm, (B) ΦII, (C) qPの値とO2−レベルの相関関係を比較した。O2−レベルは化学発光検出による半定量的な値を示しており、対数目盛で表示されている。Yuasa et al.21)を改変。

から、PSII より下流の電子伝達速度が O2−産生に0.1% (v/v) DMSO や 0.1% (v/v) エタノールの存在

関連することが示唆された。

下でも低下することを見出した。しかし、0.1%

次に、光合成電子伝達を DCMU によって停止(v/v) DMSO に 10 µM の DCMU を溶解させると、−させた時の O2 レベルを解析した。過去にもO2−産生は DMSO 単独で添加した場合よりも大きシャットネラの O2−レベルは DCMU 存在下で有く低下することを明らかにした (図 3A)。した、がって、細胞外の O2−産生には光合成電子伝達がDCMU を溶解させるために有機溶媒が用いられ必要であることがわかった。NOX は NADPH を意に低下することが報告されているが22)−ているにもかかわらず、O2 産生に対する有機溶

基質とするため、光合成電子伝達から生成される−NADPH が O2−産生に使われていることが示唆さ媒の影響は確認されていなかった。著者らは、O2れる。一方、カルビンベンソン回路は NADPH を

産生は低濃度の有機溶媒によっても影響を受け、
A

18

10

6

10 (h)

B

800

4,000
Light
Control
Dark
DMSO
DMSO+DCMU
DCMU

700

O2-

600
500

3,500

400
300

GA 3 mM
GA 1 mM
Control
None

*

3,000

*

O2-

*

200

*

2,500

*

*

*

2,000

*

1,500
1,000

100

500

*

0
0

3

6

9

12 15
 (h)

18

21

0

24

0

1

2

3

 (h)

図3. O2−産生に及ぼす光合成阻害剤の影響(A) DCMU存在下でのO2−レベルの変化。同時にDMSO非存在下で明暗条件もしくは暗条件で培養した培養株の測定も行った。統計的な有意差はLightとDark間およびDMSOとDMSO+DCMU間で比較した。(B) GA存在下でのO2−レベルの変化。エラーバーは標準偏差を表し、アスタリスクは統計的な有意差を示している (P <0.05; Studentt検定)。Yuasa et al. 21)を改変。

151

光合成研究 30 (3) 2020消費する。そこで、グリコールアルデヒド (GA)る場合が多い。同様に、シャットネラを N 欠乏を用いてカルビンベンソン回路を阻害した際の培地または P 欠乏培地で培養すると、増殖が停止

O2−産生への影響を調べた。その結果、O2−レベルし、光合成活性が著しく低下する 18)。また、著者は GA 存在下で 1 時間以内に急激に上昇した (図らは、N 欠乏あるいは P 欠乏によってシャットネ

3B)。したがって、カルビンベンソン回路でのラの O2−産生が促進されることを見出した。さらNADPH の消費によっても O2−産生が制御されるに、栄養欠乏による O2−産生の促進は、明暗培養

ことが示唆された。O2−産生による NADPH の消下の暗期に生じ、DCMU の影響も受けないとい

費は光合成の余剰な還元力を細胞外へ排出する

う興味深い結果が得られた (図 4) 23)。これらのこ役割があることが推測される。

とは、栄養欠乏条件で光合成機能が低下する一方、さらに、著者らの研究から、天然から単離され

他の代謝経路によって O2−産生が誘導されている

たシャットネラの O2− 産生能が極めて低い株にことを示唆している。動物では、酸化的ペントー

GA を投与すると細胞内の NADP+が減少し、強光

スリン酸 (OPP) 回路で生成される NADPH が還下で光合成活性が著しく低下することがわかっ

元力として利用され、NOX により O2−が産生された（Yuasa et al. 投稿準備中）。これらの結果から、る 24)。また、シアノバクテリア Synechocystis sp.

シャットネラにおける O2− 産生が NADPH を

PCC 6803 では栄養欠乏条件で炭素代謝を維持す

NADP+へと再生することによって強光による光るために OPP 経路が活性化される 25,26)。
さらに、合成電子伝達の過還元状態を緩和していること

Synechocystis sp. PCC 6803 では、OPP 経路が暗期が示唆される。すなわち、細胞外に O2−を産生すに活性化され、細胞内の NADPH 量が増大する 27)。

ることによって光合成の強光耐性を高めている

以上の知見を考慮すると、シャットネラでは栄養ことが推察される。これはシャットネラが強光下欠乏条件で暗期に O2−産生レベルが上昇したこと

で赤潮を形成するための生存戦略であると考えから、OPP 経路が暗期に駆動したためであると推られる。

測される。したがって、シャットネラでは、栄養欠乏条件で光合成活性が低下しても、OPP 経路に

4. O2−産生に及ぼす栄養欠乏の影響

よって NADPH/NADP+比が上昇することによっ赤潮が発生する沿岸域では、窒素 (N) やリンて O2−産生が活性化されることが考えられる。実(P) の濃度が植物プランクトンの増殖を制限す

際に、シャットネラにおいても、N 欠乏および P

A

B
1200

N


Complete
DMSO
Complete+DCMU
DMSO+DCMU

900O2-

C
P

*

600

300
*

*

*

8

12 16
 (h)20

DMSO
N-depleted
N-depleted+DCMU
DMSO+DCMU*

P-depleted
DMSO
P-depleted+DCMU
DMSO+DCMU

0
0

4

24

0

4

8

12 16
 (h)

20

24

0

4

8

12 16
 (h)

2024

図4. DCMU存在下でのO2-産生の経時変化(A) 完全培地、(B) N欠乏培地、(C) P欠乏培地において、2日間培養した細胞に10 µM DCMUもしくは0.1%DMSO(v/v) を添加したときのO2−レベルを測定した。エラーバーは標準偏差を表し、アスタリスクは統計的な有意差を示している (P <0.05; Student t検定)。Yuasa et al. 23)を改変。

152

光合成研究 30 (3) 2020

0.9
0.8

C

B 5

NADPH

NADP+

0.4

NADPH/NADP+fmol cell-1

3
2

0.3
0.2

*

1

1.5

*

1.0

0.5

*

P







N






P




0.0












-d
ep
le
te
d
Pde
pl
et
ed

pl
et
e




*



N





N

N




om




C

om





-d
ep
le
te
d
Pde
pl
et
ed






N

pl
et
e



*

-d
ep
le
te
d
Pde
pl
et
ed

0

0

pl
et
e

0.1

C

*

om

fmol cell-1

0.6
0.5

NADPH/NADP+

2.0

4

0.7

2.5

C

A

N









P

図5. 細胞内NADPHおよびNADP+の存在量に対する栄養欠乏の影響
異なる栄養条件の培地で2日間培養した細胞の (A) NADPHおよび (B) NADP+をサイクリングアッセイで定量した。(C) NADPHとNADP+の定量値から計算したNADPH/NADP+比。エラーバーは標準偏差を表し、アスタリ
スクは統計的な有意差を示している (P <0.05; Student t検定)。Yuasa et al. 23)を改変。

欠乏条件で NADP+と NADPH の双方が大幅に減

また、シャットネラは栄養欠乏環境では増殖能+少したが、NADPH/NADP 比は上昇した (図 5)。

力が著しく低下する 30)。さらに、海水中には微細動物では、OPP 経路で NADPH の生成に関与する藻類を死滅させる殺藻細菌が存在しており、殺藻Glucose-6-phosphate dehydrogenase の活性化によ細菌の大量発生がシャットネラの赤潮を衰退に+り、NADPH/NADP 比が上昇し、NOX が活性化さ導くという仮説もある 31)。一方、シャットネラにれることが示されている 24,28) 。したがって、より産生される活性酸素は殺菌効果を有するた+

シャットネラの NOX の活性が NADPH/NADP 比

め、貧栄養環境における O2−産生の促進は殺藻細に依存しており、栄養欠乏による O2−産生の促進

菌からの防御戦略の一つとして捉えることがでは細胞内のレドックスバランスを調節する役割

きる。
したがって、
シャットネラの細胞外への O2−があることが示唆された。赤潮は栄養環境の変動

産生は、熾烈な種間競合に打ち勝つための高度な−が激しい沿岸海域で形成されるため、O2 産生に生存戦略として備わった機能であると考えられよるレドックスバランスの調節は貧栄養環境へる。

の適応に重要であることが推測される。
6. 今後の展望−

近年、シャットネラの O2−産生が強光や栄養欠

5. O2 産生の生態学的役割
光合成の光阻害は植物プランクトンの生存に乏によって促進され、悪環境への適応に重要な役とって脅威である。しかしながら、シャットネラ

割を持ち、シャットネラの魚毒性や赤潮の形成メの赤潮は晴天が継続した期間に発達する傾向がカニズムを明らかにする上で極めて重要である

あり

29)

ことが分かってきた (図 6)。しかしながら、実環、日中細胞は海面に集積するため、強光-2-1(晴天時 1,000～2,000 µmol photons m s ) に曝さ

境中では、様々な環境条件が赤潮プランクトンへ

6)

れるが 、シャットネラは高い強光耐性によって、複合的な影響を及ぼす。そのため、O2−産生の役

そのリスクを和らげている。本研究が示した O2−割を正確に理解するためには、分子レベルで O2−産生による強光耐性の獲得は強光環境でも赤潮産生の制御機構を解明する必要がある。近年、を形成するための生存戦略であることが考えら

シャットネラを用いた RNA-seq 解析が行われ 8)、

れる。

シャットネラの分子生物学的な情報が蓄積して153

光合成研究 30 (3) 2020

図6. シャットネラ赤潮の形成・衰退におけるO2−産生
シャットネラは強光下および栄養欠乏下で異なるメカニズムでO2−産生を活性化することが示唆された。O2−産
生は海域の優占および翌年以降の赤潮形成に有利に働くと考えられる。

きた。今後は、上記の研究成果に基づいて分子生

fish-killing raphidophyte Chattonella. Harmful Algae

物学や生化学の手法を用いた研究が進展するこ

14, 46–70.

−とによって、より詳細なシャットネラの O2 産生

2.

機構が解明されることが期待される。

Yamaguchi, M., Imai, I. and Honjo, T. (1991) Effectsof Temperature, Salinity and Irradiance on the Growth

赤潮プランクトンの野外調査は長年世界中でRates of the Noxious Red Tide Flagellates Chattonella

実施されてきたため、その方法論は充実している。

antiqua and C. marina (Raphidophyceae). Nippon

そのため、赤潮プランクトンについて室内研究で

Suisan Gakk. 57, 1277–1284.

明らかとなった事象を実環境で検証することは3.

比較的容易である。今後、本研究で明らかとなっ

Murata, N. and Nishiyama, Y. (2018) ATP is a driving
force in the repair of photosystem II during−

た強光や栄養欠乏による O2 産生の促進が、実環

photoinhibition. Plant Cell Environ. 41, 285–299.

境中のシャットネラ赤潮の形成にどれほど寄与

4.

するのか実証していく予定である。

Vass,

I.

(2012)

Molecular

mechanismsofphotodamage in the Photosystem II complex. Biochim.
Biophys. Acta 1817, 209–217.
5.

Yuasa, K., Shikata, T., Kuwahara, Y. and Nishiyama, Y.

Received Nov 16, 2020; Accepted Dec 5, 2020; Published(2018) Adverse effects of strong light and nitrogen

Dec 31, 2020.

deficiency on cell viability, photosynthesis, andmotility of the red-tide dinoflagellate Karenia
mikimotoi. Phycologia 57(5), 525–533.

参考文献
1.

6.

Katano, T., Yoshida, M., Yamaguchi, S., Yoshino, K.,

Imai, I. and Yamaguchi, M. (2012) Life cycle,

Hamada, T., Koriyama, M., and Hayami, Y. (2014)

physiology, ecology and red tide occurrences of theEffect of nutrient concentration and salinity on diel154

光合成研究 30 (3) 2020
verticalmigrationof

Chattonella

marinadepends on light via photosynthetic electron transport.

(Raphidophyceae). Mar. Biol. Res. 10(10), 1007–1018.
7.

8.

J. Phycol. 51, 431–441.

Shikata, T., Sakurada, K., Jomoto, Y., Oyama, N., Onji,

16.

M., Yoshida, M. and Ohwada, K. (2011) GrowthOda, T., Iida, T., Ishimatsu, A. and Muramatsu, T.

dynamics of Chattonella antiqua in relation to(2000) Mechanism of superoxide anion generation in

nutrients in the Yatsushiro Sea, Nippon Suisan Gakk.

the toxic red tide phytoplankton Chattonella marina:

77, 40–52.

Possible involvement of NAD(P)H oxidase. Biochim.

Shikata, T., Takahashi, F., Nishide, H., Shigenobu, S.,

Biophys. Acta 1524, 220–227.

Kamei, Y., Sakamoto, S., Yuasa, K., Nishiyama, Y.,

17.

10.

11.

Muramatsu, T. and Ishimatsu, A. (1995) Catalase- andanalysis reveals genes related to photoreception,

superoxide dismutase-induced morphological changes

nutrient uptake, and toxicity in a noxious red-tideand growth inhibition in the red tide phytoplankton

raphidophyte Chattonella antiqua. Front. Microbiol.

Chattonella marina. Biosci. Biotech. Biochem. 59(11),2044–2048.

Oda, T., Nakamura, A., Shikayama, M., Kawano, I.

18.

Kawaguchi, M., Honda, M., Gunjikake, H., Tasmin, R.,

oxygen species by raphidophycean phytoplankton.

Shimizu, M., Sato, Y., Kato-Unoki, Y., Nakashima, T.,

Biosci. Biotech. Biochem. 61, 1658–1662.

Matsubara, T., Yamasaki, Y., Ichinose, H., Wariishi, H.,

Glian’ko, A. K. and Ishchenko, A. A. (2010) Structural

Honjo, T. & Oshima, Y. (2013) Growth-phaseand functional characteristics of plant NADPH

dependent variation in photosynthetic activity andoxidase: a review. Prikl. Biokhim. Mikrobiol. 46, 509–

cellular protein expression profile in the harmful

518.

raphidophyte Chattonella antiqua. Biosci. Biotech.

Ma, M. W., Wang, J., Dhandapani, K. M., Wang, R.

Biochem. 77, 46–52.
19.

Toxicity comparison between Chattonella marina andRedox Biol. 16, 285–293.

Karenia brevis using marine medaka (Oryzias

Vignais, P. V. (2002) The superoxide-generatingmelastigma):

NADPH oxidase : structural aspects and activation

ichthyotoxins of Chattonella marina. Chemosphere 80,

15.

Evidence

againstthesuspected

585–591.

Anderson, A., Anuphon, L., Ian, K.B., Paolo, B.,

20.

Kim, D., Watanabe, M., Nakayasu, Y. and Kohata, K.

Christopher, J.H., Sabeeha, S.M., Julia, M.D. and(2004) Production of superoxide anion and hydrogen

Alison, G.S. (2016) Exploiting algal NADPH oxidase

peroxide associated with cell growth of Chattonella

for biophotovoltaic energy. Plant Biotechnol. J. 14,

antiqua. Aquat. Microb. Ecol. 35, 57–64.

22–28.
14.

Shen, M., Xu, J., Tsang, T. Y. and Au, D. W. T. (2010)

traumatic brain injury – Promising therapeutic targets?

mechanism. Cell. Mol. Life Sci. 59, 1428–1459.
13.

Qiu, X., Shimasaki, Y., Tsuyama, M., Yamada, T.,

and Muramatsu, T. (1997) Generation of reactive

and Brann, D. W. (2018) NADPH oxidases in

12.

Oda, T., Moritomi, J., Kawano, I., Hamaguchi, S.,

Yamasaki, Y. and Uchiyama, I. (2019) RNA-seq

10, 1764.
9.

Kim, D., Nakamura, A., Okamoto, T., Komatsu, N.,

21.

Yuasa, K., Shikata, T., Kitatsuji, S., Yamasaki, Y. andDiaz, J. M. and Plummer, S. (2018) Production of

Nishiyama, Y. (2020) Extracellular secretion of

extracellularsuperoxide is regulated by photosynthetic electron

reactive

oxygenspeciesbyphytoplankton: past and future directions. J. Plankton

transport

Res. 40, 1–12.

raphidophyte Chattonella

Mcdowell, R. E., Amsler, M. O., Li, Q., Lancaster, J.

Photobiol. B: Biol. 205, 111839.

R. and Amsler, C. D. (2015) The immediate wound-22.

induced oxidative burst of Saccharina latissima

in

the

noxiousred-tide-forming

antiqua. J.

Photochem.

Marshall, J.A., Hovenden, M., Oda T. and Hallegraeff,
M.G. (2002) Photosynthesis does influence superoxide
production in the ichthyotoxic alga Chattonella155

光合成研究 30 (3) 2020
marina (Raphidophyceae). J. Plankton Res. 24, 1231–

oxidative pentose phosphate pathway in cyanobacteria.

1236.
23.

24.

25.

Plant Physiol. 182, 507–517.

Yuasa, K., Shikata, T., Ichikawa, T., Tamura, Y. and28.

Nishiyama, Y. (2020) Nutrient deficiency stimulates

Fernandez, E., Bolanos, P. J., Moncada, S. andthe production of superoxide in the noxious red-tide-

Sanchez-Ferrer, F. C. (2016) Inflammation, glucose,

forming raphidophyte Chattonella antiqua. Harmful

and vascular cell damage: the role of the pentose

algae 99, 101938.

phosphate pathway. Cardiovasc. Diabetol. 15, 82.

Tang, B. L. (2019) Neuroprotection by glucose-6-29.

ecophysiology of the harmful alga Chattonella marina

pathway. J. Cell. Biochem. 120, 14285–14295.

(Raphidophyceae)

Forchhammer

K.

and

Selim

A.

K.

(2020)

form

South

AustralianandJapanese waters. J. Plankton Res. 21, 1809–1822.
30.

Nakamura, Y., Watanabe, M. M., (1988) Growth

FEMS Microbiol. 44, 33–53.

characterristics of Chattonella antiqua Part 2. Effects

Lattanzio, V., Cardinail, A., Ruta, C., Fortunato, M.I.,

of nutrients on growth. J. Oceanogr. Soc. Jpn. 39, 151–

Lattanzio, T.M.V., Linsalata, V. and Cicco, N. (2009)

155.

Relationship of secondary metabolism to growth in

27.

Marshall, J.A. and H. G. M. (1999) Comparative

phosphate dehydrogenase and the pentose phosphate

Carbon/nitrogen homeostasis control in cyanobacteria.
26.

Peiro, C., Romacho, T., Azcutia, V., Villalobos, L.,

31.

Imai, I., Ishiba, Y., Sakaguchi, K., Hata, Y., (1995)

oregano (Origanum vulgare L.) shoot cultures under

Algicidal marine bacteria isolated from Northern

nutritional stress. Environ. Exp. Bot. 65, 54–62.

Hiroshima bay, Japan. Fish. Sci. 61, 628–636.

Shinde, S., Zhang, X., Singapuri, P.S. Kalra, I., Liu, X.,
Morgan-Kiss, M.R. and Wang, X. (2020) Glycogenmetabolism supports photosynthesis start through theRelationship between the extracellular secretion of superoxide and photosynthesis in noxious
red-tide-forming raphidophyte Chattonella spp.

Koki Yuasa1, Tomoyuki Shikata2 and Yoshitaka Nishiyama1
1Department of Biochemistry and Molecular Biology,

Graduate School of Science and Engineering, Saitama University

2Fisheries Technology Institute, Japan Fisheries Research and Education Agency

156

光合成研究 30 (3) 2020

トピックス
新発見！リンドウは花弁の緑色斑点で光合成する

公益財団法人岩手生物工学研究センター 園芸資源研究部
高橋 重一*、西原 昌宏
リンドウは世界に広く分布する植物である。日本では切り花や鉢花が仏花や観賞用として広く流通しており、主要な園芸花き作物の一つに挙げられる。そのため、花の色や形といった形質や開花期などに着目した品種改良が精力的に進められている。リンドウの花をよく観察すると、緑色斑点の存在に気付くであろう。これまでリンドウ花弁の斑点に着目した研究事例はなく、そもそも斑点とはなんぞや？
という疑問の下に形態観察から研究を開始した。これまでに当該斑点は葉緑体を保持する表皮細胞で構成されることが明らかになり、顕微イメージング PAM を用いたクロロフィル蛍光測定から機能的な光合成を行っていることを支持する結果が得られた。また、斑点は蕾の発達に伴って出現し、構築されることを見出した。本稿では研究に至る経緯を踏まえつつ、これまでに得られた成果を紹介する。
1. はじめに

2. リンドウと今回紹介する研究に至る経緯につリンドウと聞くと何を思い浮かべるだろう

いてか？先ずは青紫色の花を思い浮かべるだろうが、リンドウはリンドウ科リンドウ属 (Gentiana)「半沢直樹の最終回で登場したリンドウ」※1 やに属する植物である。アフリカ大陸を除く世界各※2「吉川英治の小説の表紙」 を思い描く人もいる

地に広く分布しており、400 種余りが存在するとだろう。中には「我遅咲きのリンドウとならん」

考えられている 1)。日本では観賞用の園芸品とし※3という文句を思いついた傾奇者もいるかもして親しまれているが、西洋では Enzian-Schnaps とれない。しかしながら、「光合成」と答えた人はして知られる蒸留酒の原料として利用されていまずいないだろう。実際、リンドウを材料に行わる。尚、Enzian-Schnaps には黄花リンドウ (G.

れた光合成に関する研究はこれまでのところほlutea) の根が用いられる。黄花リンドウは非トラ

とんどない。「光合成研究」の読者においてリンンペット型の花をつけるが、Enzian-Schnaps のボドウに馴染みのある人は少なく、なぜリンドウのトルラベルにはしばしばトランペット型の青花

花を材料にしたのか？と疑問に思われる方も多が描かれており、これはミスリーディングであるいだろう。そこで本稿では植物としてのリンドウ

1)と今回のトピックスとなるリンドウ花弁の緑色として利用されてきた 2)。リンドウを漢字で「竜斑点に着目した経緯を簡単に紹介した後、研究の胆 (リュウタン)」と書くが、これは熊肝 (ユウタ

内容と今後の展望について述べる。

ン) をも超える最上級の苦みを表現したもので。また、中国では長年に渡り健胃薬や抗炎症薬ある。良薬口に苦しといったところか。現在、日*連絡先 E-mail: s-takahashi@ibrc.or.jp※1 ここでいう『半沢直樹』は 2020 年 7 月 19 日から 9 月
22 日にかけて TBS 系列で放映された TV ドラマのこと。最終回で主人公の奥さんが主人公にリンドウを手渡し励ます
シーンがある。リンドウの花言葉である「正義」を知っているとぐっとくる。
※2 日本を代表する歴史小説作家として名高い吉川英治はリンドウをトレードマークとして小説の表紙によく使用していた。このリンドウは草丈が低く花が開いていることからエゾリンドウではないと思われる。
※3 90 年代初期に週間少年ジャンプで連載された『花の慶次 -雲のかなたに-』に登場する村井若水の文句。漫画愛好家にはよく知られている。遅咲きということからこちらも
エゾリンドウのことではないと思われる。

157

光合成研究 30 (3) 2020
本ではリンドウを用いた漢方薬「竜胆瀉肝湯」がであり、5 つの大きな裂片とその間の小さな副裂

一般のドラッグストアで気軽に購入できる。

片から成る。裂片という表記はあまり馴染みがな

さて、日本には 13～18 種余りのリンドウが自いと思われるので、これより裂片を「花弁」と記

生すると考えられている 3)。園芸品目としてリン述する。

ドウに価値を見出したのは日本であり、これまで

岩手県は市場の約 60%を占める全国一のリンに 300 を超える多くの品種が作出されてきた 4)。

ドウ生産県であり、年間 5,000 万本以上を出荷し

現在市場で流通している大抵のリンドウはエゾている 5)。筆者が所属する岩手生物工学研究セン

リ ン ド ウ (G. triflora) と サ サ リ ン ド ウ (G.

ターは岩手県の農林水産業、食品工業等の産業振

scabra) および両者の F1 雑種である。エゾリンド

興に寄与することを目的に設立された公益財団

ウは早生で花冠がほとんど開かないが、ササリン

法人である。我々の研究部では県のリンドウ産業

ドウは晩生で花冠が開きやすいという特徴があを盛り上げるべく、品種改良や品質向上につながる。雑種はその中間の性質を示すものが多い。主る基礎研究に取組んでおり、花色 6-9)、花形 10, 11)、にエゾリンドウは切り花として仏花に、ササリン

花成 12)および越冬性 13)などの形質について分子

ドウは鉢花として敬老の日のギフトなどに利用

レベルでの研究を進めている。

されている。以降、特に断りなく「リンドウ」とリンドウの花弁をよく観察してみると緑色の記述する場合はこれら園芸品として流通してい斑点の存在に気づかれるだろう (図 1)。この斑点るものを指す。また、リンドウの花冠は合弁花冠

はアブラムシや病斑と間違えやすいことから、育図1. リンドウの花の緑色斑点
青花 (A-C)、ピンク花 (D-F)、白花 (G-I)で緑色斑点を保持する系統および白花で斑点が目立たない系統 (J-K)の写真。上段は花全体の、中段、下段はそれぞれ花弁および斑点の拡大画像。

158

光合成研究 30 (3) 2020

図2. 斑点の形態的な特徴(A) 花弁断面の実体顕微鏡画像。(B) 花弁断面の薄層切片の組織染色後の画像。(C) リンドウ花弁表面の走査電子顕微鏡画像。赤矢印は斑点を示す。

種や生産の現場では好まれていない形質であり、

くとも 2 年を要するため、開花前の苗の段階で斑

なるべく斑点の目立たない系統が選抜されてい点の有無を判定できる遺伝子マーカーの開発がる。事例としては極めて限定的であるが、筆者が望まれていた。しかしながら、リンドウの斑点に岩手をはじめ、東京・千葉・埼玉の花屋で流通し着目した研究はこれまで一切行われていなかっているリンドウの花弁を観察したところ、容易にた。そこで、筆者は斑点の有無を判別できる DNA

判別される斑点は見当たらなかった。リンドウはマーカーの開発を目指して、先ずは斑点の形成に

多年生植物であり、一般的に開花に至るまで少な

関わる分子機構の解明を目的に研究を開始した。

図3. リンドウ花と斑点におけるクロロフィル蛍光の検出
花(A-C)と斑点(D-F)はそれぞれFUSION FX7 EDGEとFLUOVIEW FV1000で撮影した。(A) 花のデジタル画像。
(B) 花のクロロフィル蛍光。(C) クロロフィル蛍光の強度をグラデーション(低レベルが青で高レベルが赤)で表示し、Aと重ね合わせた画像。(D) 斑点の微分干渉顕微鏡画像。(E) 斑点のクロロフィル蛍光。(F) DおよびEを重ね合わせた画像。

159

光合成研究 30 (3) 2020
3. 研究内容の紹介

十個の 5 µm 程度のサイズの顆粒状の構造体から

リンドウ花弁の緑色斑点の研究を開始するに

蛍光シグナルが検出された (図 3. D-F)。この検出あたり、先ず形態観察を行った。リンドウの花色された蛍光はクロロフィル蛍光と考えられ、斑点は青をはじめピンクや白など多様であるが、花色

細胞は葉緑体を有する可能性が高まった。そこで、に関わらず斑点が認められた (図 1. A-I)。また、

斑点細胞が葉緑体を保持するか否かを明らかに

一部のリンドウでは斑点はほとんど目立たないするために、透過型電子顕微鏡解析を行った。そか見られない (図 1. J, K)。なお、花弁あたりの斑の結果、斑点細胞は内部に多くの葉緑体を持つこ点の数と斑点を構成する細胞数は品種ごとに大とが明らかになった (図 4. A)。これらの葉緑体

きく異なっていた。さらに、花弁を切片にし、断ではチラコイドおよびグラナがよく発達してお面を観察すると緑色の斑点は一部の表皮細胞でり、一般的な葉に見られる葉緑体と同様の形態を構成されることがわかった (図 2. A)。また、斑点有していた (図 4. B)。一方、斑点細胞以外の表皮はドーム状に隆起した構造を持つことも明らか

細胞には葉緑体はみられず (図 4. C)、グラナがなとなった (図 2. B, C)。

くチラコイドが崩壊し、プラスト顆粒が肥大した

リンドウの花に対して 480 nm の青色光を照射

色素体が観察された (図 4. D)。次に、斑点細胞のし、700 ～ 750 nm の波長領域の蛍光を計測した

葉緑体が光合成を行うのか否かについて評価をところ、斑点から強い蛍光シグナルが得られた行った。光合成を行うためには、気孔を介して空(図 3. A-C)。さらに共焦点レーザー顕微鏡 (励起気を入れ替える必要がある。花弁の表面構造を観

光 488 nm、650 nm ハイパスフィルター) を用い察したところ、背軸側に気孔が確認された (図 4.

て観察を行ったところ、斑点細胞内に存在する数E)。なお、向軸側には気孔は存在しなかった。斑

図4. 斑点細胞の葉緑体の構造および光合成能の評価(A) 斑点細胞の透過型電子顕微鏡画像。 (B) 斑点細胞内の葉緑体の拡大画像。 (C) 花弁の斑点以外の表皮細胞の透過型電子顕微鏡画像。(D) 花弁の斑点以外の表皮細胞の色素体の拡大画像。 (E) 花弁の背軸側の表面の構造。赤矢印は気孔を示す。 (F) 花弁表皮の顕微イメージングPAMを用いたクロロフィル蛍光の解析画像。青紫の領域が斑点に相当する。

160

光合成研究 30 (3) 2020
点のサイズが小さいことから、顕微イメージング

求めたところ、2.5～3.5 と葉と同レベルの範囲内

PAM を用いてクロロフィル蛍光測定を行った。

であった。これまでに得られた結果から、リンド測定にあたり試料として用いたリンドウの生育

ウ花弁の緑色斑点では光合成が行われていると環境である温室を模し、アクチニックライトの強考えられる。

-2-1

度を 449 µm s にセットした。その結果、実効ところで斑点はいつ形成されるのであろう

量子収率 (φII) = 0.50±0.01 の値を得た (図 4. F)。

か？蕾の発達段階を追って、斑点の有無や形態のこの値は同様の光条件下におけるシロイヌナズ観察を行ったところ、発蕾直後から数 mm 程度の14)、
斑点細胞の葉緑体

サイズの蕾では斑点が認められなかった (図 5.

の光化学系 II が機能し、下流のシトクロム b6/f 複

A, C)。その後、蕾の発達に伴って出現し、花弁が合体および光化学系 I も阻害を受けていないこと

着色する前の発達段階の蕾では十分に発達してを示している。さて、図 4F に示した顕微イメー

いることが明らかになった (図 5. B, D)。また、

ジング PAM の画像における斑点の実効量子収率

図 5.B の発達段階の蕾の斑点以外の表皮細胞にの値は、実際の値より高く見積もられ表示されておいて、クロロフィル蛍光を発する無数の葉緑体いる。これは測定に用いたプログラム

より小さな顆粒状の構造物が認められたが (図 5.

ImagingWinGigE v2.47 がゲインを変更するごとE-H)、これらは発達した花弁では消失していたに補正係数を新たに入力しないと勝手にゲイン(図 2. E)。

ナ等の葉と同レベルでありを書き換えるという仕様 (バグと考えられる)
4. 緑色斑点は何者かになっているためである。そのため、正確に測定を行うには、補正係数を実験的に求め測定結果に本稿で取り上げた研究内容について PLOS

適用する必要がある。また、花弁の表皮層をピー

ONE 誌で発表し 16)、プレスリリースを行ったとリングし、N,N-ジメチルホルムアミドでクロロ

ころ予想だにしない大きな反響があり、一般の方フィルを抽出し Porra ら 15)に従って Chl a/b 比をから大手マスメディアに至るまで幅広い方面か

図5. 蕾の発達段階における斑点の観察(A) 初期の発達段階の蕾。(B) 後期の発達段階の蕾。(C) 初期の発達段階の蕾 (A) の向軸側の表皮。(D) 後期の発達段階の蕾 (B) の向軸側の表皮。(E) 後期の発達段階の蕾の斑点の微分干渉顕微鏡画像。(F) EとGの重ね合わせ画像。(G) 後期の発達段階の蕾のクロロフィル蛍光画像。(H) 励起光の強度を上げて撮影した後期の発達段階の蕾のクロロフィル蛍光画像。

161

光合成研究 30 (3) 2020
ら多くの問い合わせがあった。中でも「斑点はなつ」とある。一方、シロイヌナズナの表皮細胞にんのためにあるのですか？」という単純な質問を葉緑体が存在することを報告する文献もいくつ

よく頂戴するが、現状ではその存在理由は全く分かあるが 18-21)、1 細胞あたりの数が少なく、葉肉かっていない。光合成というと、先ずはエネル

細胞の葉緑体と比較してサイズも明らかに小さ

ギーの供給を思いつく。ところが、斑点は表皮 1

いなど、リンドウ花弁の斑点細胞が保持する葉緑層の細胞で構成されており、花弁全体に占める割体の形態とは大きく異なっている。尚、リンドウ

合は、斑点が大きく多い品種であっても数%程度の花弁には斑点も孔辺細胞もどちらも存在してであるため、産出するエネルギー量はそう多くないることから、斑点の構築には孔辺細胞とは異ないと思われる。ただし、リンドウ花弁が要するエるメカニズムが働いていると考えられる。

ネルギー量も不明であることから、現時点ではエ

葉緑体は原色素体から分化するというアイデ

ネルギーの供給源として機能するかどうか判断

アは広く一般に受け入れられている。原色素体はすることはできない。生理学的な機能の仮説としチラコイドやクロロフィルを持たないことから、て、花弁の維持 (花保ち) に関わっているという

これらの出現が原色素体から葉緑体への分化が可能性も考えられるので、今後解析を進める予定

始まったことを示す重要な判断材料になると考である。また、花は送粉者をおびき寄せるためにえてよいだろう。栄養成長下にある植物では茎頂様々な手段を用いるが、「模様」もその一つであ分裂組織 (Shoot apical meristem; SAM) で形成さる。では、斑点が送粉者に対するポジティブなシれる葉原基から新たな葉が構築される。SAM はグナルかというと、それを支持するデータも今の

L1、L2、L3 に分類される層から成り、先端の中ところ得られていない。リンドウ科に属するアケ央ゾーンには幹細胞が含まれている 22)。
シロイヌ

ボノソウ (Swertia bimaculata) も花弁に黄緑色のナズナの L2 層の中央ゾーンに位置する細胞の色斑点を持つが、その直径は 1.5 mm 程度と、リン素体ではチラコイドの発達が認められず、クロロ

ドウの斑点よりずっと大きい。これは蜜線として

フィル蛍光も発しないため 22)、
これは原色素体で機能し、アリを誘引することが知られている 17)。

あると考えられる。一方、L1 層や L3 層、中央

一方、リンドウは蜂により虫媒されるが、斑点はゾーンを外れた L2 層の細胞の色素体にはチラコ

そのような機能を持ち合わせていないようだ。図

イドとグラナ様の構造物が存在し、クロロフィル

鑑の写真を眺めてみると、ヤクシマリンドウ (G.

蛍光を発することから 22)、
これらの色素体では葉yakushimensis) などの野生種や外国種のリンド

緑体への分化が始まっていると考えられる。補足

ウにも斑点がみられるものが多くある。どうやらすると、これらの色素体は約 500 nm 程度の大きこの斑点は日本園芸リンドウ特有のものではなさであり、チラコイドのネットワークもグラナもいようだ。わざわざコストをかけて斑点を構築す

発達途上であるため 22)、
成熟した葉緑体の形態とる以上、自然環境下において何らかの機能を果たは大きく異なる。将来表皮細胞に分化する L1 層

すものと考えられる。今後の研究の進展を楽しみの細胞にも、このような色素体がみられることはにお待ちいただきたい。

大変興味深い。尚、L1 層の細胞の色素体は葉のさて、リンドウの斑点は表皮細胞が葉緑体を構

成長に伴い、形態を変化させ最終的に無色の色素

築し、維持するという点においてユニークである。

体(非葉緑体)となる 22)。さて、花弁は組織的に葉葉の表皮層にある孔辺細胞が葉緑体を保持するに近い。今回、発達中のリンドウの蕾において、ことはよく知られているが、一般に高等植物の表

斑点以外の表皮細胞の内部にある小さな顆粒状皮細胞は葉緑体を持たないとされる。光合成学会の構造物からクロロフィル蛍光を検出したがが運営するウェブ上の光合成辞典のシダの項目(図 5. H)、この顆粒状の構造物は上述のシロイヌにも「裸子植物、被子植物の気孔孔辺細胞以外のナズナの L1 層の細胞と同様の制御で構築された表皮細胞には発達した葉緑体がみとめられない

チラコイドとクロロフィルを有する色素体であが、シダ植物は表皮細胞にも発達した葉緑体を持ると思われる。花弁の斑点以外の表皮細胞では、

162

光合成研究 30 (3) 2020

図6. リンドウ花弁における斑点形成の模式図発達に伴ってこの葉緑体の特徴を有する色素体

これらを通じた研究の進展についてもご期待いが分解されるが (図 3. E、図 4. D)、これも葉の表

ただきたい。

皮細胞と同様の現象のように感じられる。一方、
5. おわりに

将来斑点を構成する細胞ではこの制御システムに逆らって葉緑体を積極的に形成・維持する。こそもそも本研究は斑点の少ない品種を効率よ

れらのことは、リンドウの蕾の表皮細胞には葉緑く育種するための DNA マーカー開発のプロジェ体を形成・維持して斑点細胞を構築するメカニズ

クトとして開始したが、その途中で植物学の常識

ムと、チラコイドやクロロフィルを分解して花色を覆すような思わぬ成果を得ることになった。そを担う斑点以外の表皮細胞を構築する真逆のメ

して、今後得られるデータは葉緑体発達のメカニ

カニズムが存在することを示している。最後に、ズムの新展開に繋がることが大いに期待される。

花の発達と斑点の形成に関わるイベントの要点

冒頭で「リンドウと聞くと何を思い浮かべるだろをまとめたイラストを示す (図 6)。

うか？」との問いを投げかけたが、ゆくゆくは「実表皮において、斑点になる細胞とそれ以外の細は〇〇のために花で光合成をするんだよね！」や胞の運命がどのように決定づけられているのか、「葉緑体発達のメカニズムの解明に一翼を担っそのメカニズムを解明することで葉緑体の形成た研究材料となったもの」などと答えて頂くことに関わる新たな知見を得ることができるのではができるよう研究に取り組みたい。

ないかと期待している。筆者らは斑点形成の分子メカニズムに迫るための基盤整備を進めており、謝辞

重粒子線照射により斑点が少なくなった変異株

本稿で紹介した研究で用いたリンドウは、岩手県を既に取得している。また斑点の多い系統と少な

農業研究センターの小澤傑博士より提供頂いた。

い系統の交配実験も計画しており、斑点形成に関

また、顕微イメージング PAM によるクロロフィ

わる遺伝子の同定を目指した研究を進めている。

ル蛍光測定は早稲田大学の園池公毅教授、SEM
解析は農研機構野菜花き研究部門の佐々木克友

163

光合成研究 30 (3) 2020
博士のご助力を得て行った。この場を借りて感謝

involved in the formation of white-flowered gentian

申し上げる。最後に、本稿の執筆の機会を与えてplants. Plant Sci. 169, 949–958.

下さった、光合成研究の編集長である静岡大学の9.

成川礼博士に御礼申し上げる。

Nakatsuka, T., Haruta, K.S., Pitaksutheepong, C., Abe,Y., Kakizaki, Y., Yamamoto, K., Shimada, N.,
Yamamura, S. and Nishihara, M. (2008) Identificationand characterization of R2R3-MYB and bHLH

Received Nov 8, 2020; Accepted Nov 25, 2020; Publishedtranscription

factors

regulating

anthocyanin

Dec 31, 2020.

biosynthesis in gentian flowers. Plant Cell Physiol. 49,
1818–1829.
10.

Nakatsuka, T., Saito, M., Yamada, E., Fujita, K.,

参考文献

Yamagishi, N., Yoshikawa, N. and Nishihara, M.

1.

Köhlein F. (1991) Gentians. Timber Press, Portland,(2015) Isolation and characterization of the C-class

Oregon, U.S.A.

MADS-box gene involved in the formation of double

2.

Pan, Y., Zhao, Y.L., Zhang, J., Li, W.Y. and Wang, Y.Z.

flowers in Japanese gentian. BMC Plant Biol. 15, 182.

(2016) Phytochemistry and pharmacological activities

3.

11.

of the genus Gentiana (Gentianaceae). Chem.

Functional characterization of duplicated B-class

Biodivers. 13, 107–150.

MADS-box genes in Japanese gentian. Plant Cell Rep.

高橋由衣, 日影孝志, 若目田圭祐, 斎藤靖史, 堤

35, 895–904.

賢一 (2014) エゾリンドウ (Gentiana triflora var.

4.

5.

12.

and Takahashi, H. (2011) The gentian orthologs of thevar. japonica f. montana) の地域集団間の形態的変

FT/TFL1 gene family control floral initiation in

異. 育種学研究 16, 1–6.

Gentiana. Plant Cell Physiol. 52, 1031–1041.

Nishihara, M., Tasaki, K., Sasaki, N. and Takahashi, H.

13.

8.

Takahashi, H., Imamura, T., Konno, N., Takeda, T.,(2018) Development of basic technologies for

Fujita, K., Konishi, T., Nishihara, M. and Uchimiya, H.

improvement of breeding and cultivation of Japanese(2014)

gentian. Breed Sci. 68, 14–24.

functions in the modulation of bud dormancy in the

作物統計調査 作況調査(花き) 確報 平成 30 年度

herbaceous perennial Gentiana. Plant Cell 26, 3949–

産花き生産出荷統計 切り花類 りんどう

3963.

政府
14.

Wiciarz,

The

M.,

gentio-oligosaccharide

Gubernator,

B.,gentiobiose

Kruk,

J.

and

Nakatsuka, T., Nishihara, M., Mishiba, K., Hirano, H.

Niewiadomska, E. (2015) Enhanced chloroplastic

and Yamamura, S. (2006) Two different transposable

generation of H2O2 in stress-resistant Thellungiellaelements inserted in flavonoid 3’,5’-hydroxylase genesalsuginea in comparison to Arabidopsis thaliana.

contribute to pink flower coloration in Gentiana

Physiol. Plant. 153, 467–476.

scabra. Mol. Genet. Genomics 275, 231–241.
7.

Imamura, T., Nakatsuka, T., Higuchi, A., Nishihara, M.

japonica)と亜種エゾオヤマリンドウ (G. triflora

統計コード 00500215.
6.

Nakatsuka, T., Saito, M. and Nishihara, M. (2016)15.

Porra, R.J., Thompson, W.A. and Kriedemann, P.E.

Nishihara, M., Hikage, T., Yamada, E. and Nakatsuka,(1989)

T. (2011) A single-base substitution suppresses flower

coefficients and simultaneous equations for assaying

color mutation caused by a novel miniature inverted-

chlorophylls a and b extracted with four different

repeat transposable element in gentian. Mol Genetsolvents:

Genomics 286, 371–382.

chlorophyll

Nakatsuka, T., Nishihara, M., Mishiba, K. andspectroscopy. Biochim. Biophys. Acta 975, 384–394.

Yamamura, S. (2005) Two different mutations are

16.

Determination

verification
standards

of

of
by

accuratetheextinction

concentration
atomicofabsorption

Takahashi, S., Ozawa, S., Sonoike, K., Sasaki, K. andNishihara, M. (2020) Morphological and cytological164

光合成研究 30 (3) 202017.

observations of corolla green spots reveal the presence

mutation causes new plastid and FtsZ1 localizationof functional chloroplasts in Japanese gentian. PLoS

phenotypes in the leaf epidermis. Front. Plant Sci. 6,

One 15, e0237173.

823.

Wang, S., Fu, W.L., Du, W., Zhang, Q., Li, Y., Lyu, Y.S.

20.

and Wang X.F. (2018) Nectary tracks as pollinatorof chloroplast division and expansion in Arabidopsis

manipulators: The pollination ecology of Swertia

thaliana. Plant Physiol. 104, 201–207.

bimaculata (Gentianaceae). Ecol. Evol. 8, 3187–3207.
18.

21.

Robertson, E.J., Rutherford, S.M. and Leech, R.M.

Barton, K.A., Schattat, M.H., Jakob, T., Hause, G.,(1996) Characterization of chloroplast division using

Wilhelm, C., Mckenna, J.F., Máthé, C., Runions, J.,

the Arabidopsis mutant arc5. Plant Physiol. 112, 149–

Van Damme, D. and Mathur, J. (2016) Epidermal

159.

pavement cells of Arabidopsis have chloroplasts. Plant
19.

Pyke, K.A., and Leech, R.M. (1994) A genetic analysis

22.

Charuvi, D., Kiss, V., Nevo, R., Shimoni, E., Adam, Z.

Physiol. 171, 723–726.

and Reich, Z. (2012) Gain and loss of photosynthetic

Fujiwara, M.T., Kojo, K.H., Kazama, Y., Sasaki, S.,

membranes during plastid differentiation in the shootAbe, T. and Itoh, R.D. (2015) The Arabidopsis minE

apex of Arabidopsis. Plant Cell 24, 1143–1157.

A new finding that Japanese gentians perform photosynthesisat the green spots on the corolla

Shigekazu Takahashi and Masahiro Nishihara
Iwate Biotechnology Research Center165

光合成研究 30 (3) 2020解説
光合成研究における PPR 研究の幕開けと今日の隆盛：日本からの発信

名古屋大学大学院情報学研究科
杉田 護*
光合成研究に携わっている人であれば pentatricopeptide repeat (PPR)タンパク質という名前を一度は耳にしたことがあるのではないかと思います。2000 年に新規の PPR モチーフをもつタンパク質ファミリーが発見されてから、光合成研究はもちろん葉緑体やミトコンドリアの分子機能研究が飛躍的に進展したといっても過言ではありません。著者も 1980〜90 年代に葉緑体遺伝子の発現制御の研究を行ってきた関係で、自然のなりゆきとして PPR タンパク質と深く関わってきました。本解説では、PPR 研究の幕開けとその後の隆盛を概説し、最後に今後の研究の展望を述べさせていただきます。著
者自身の周りで繰り広げられた話題が中心になる点と、登場人物名は敬称を省略させていただくことをご了承ください。

1. はじめに - PPR タンパク質ファミリーの発見中で彼らは PPR タンパク質が RNA 編集に関わっ

シロイヌナズナの全ゲノムがほぼ解読されたている可能性にも言及した。Small らは詳報を頃、フランスの２グループがそれぞれ独立に、類2004 年 Plant Cell 誌に発表し、シロイヌナズナは似のアミノ酸配列の繰り返しからなる奇妙なタ

450 個、イネは 477 個のメンバーからなる PPR タ

ンパク質をコードする 200 個もの遺伝子を見出

ンパク質ファミリーをもつこと、および大多数のした。Alain Lecharny (Universite de Paris-Sud)らは

PPR タンパク質が葉緑体かミトコンドリアに局

こ の 新 規 の タ ン パ ク 質 を PCMP （ Proteins

在すると予想した 4)。また PPR モチーフ配列のcharacterized Combinatorial organization of Motifs

特徴と C 末のモチーフ配列の有無により、
PPR タwith no homologues outside the Plant kingdom の略

ンパク質を図１のように５つのタイプに大別し1)称）と命名した 。一方、Ian Small と Nemo Peeters

た。

（Station de Génétique, INRA, Versailles）は、このSmall は 2006 年に西オーストラリア大学のタンパク質の特徴である 35 アミノ酸の繰り返し

ARC Center of Excellence in Plant Energy Biology に配列（PPR モチーフと命名）に因んで、PPR タン

移り、現在に到るまでトップランナーとして華々パク質とネーミングした 2)。Small と Peeters は酵

しい PPR 研究を展開している。

母の PET309 やアカパンカビの CYA5、およびトウモロコシの CRP1 が PPR タンパク質の一つで

2. 我が国における PPR 研究の事始め

あ る こ と を 初 め て 明 ら か に し た 。 PET309 と2.1. 光合成に関わる PPR タンパク質

CYA5 はミトコンドリア mRNA の RNA プロセシ

おそらく日本人で最初に PPR タンパク質の研ングや翻訳の制御に働き、CRP1 は葉緑体の petB-究に携わったのは当時 Gadi Schuster ラボ（イスpetD mRNA のプロセシングと petA mRNA の翻訳ラエル）でポスドクをしていた中村崇裕（現九大制御に働いていることが知られていた 3)。論文の教授・EditForce 創設者）であろう。中村は核コー*連絡先 E-mail: sugita@gene.nagoya-u.ac.jp166

光合成研究 30 (3) 2020
質遺伝子ファミリーを調べてもらうことにした。
ヒメツリガネゴケの EST データベース（基生研・長谷部研究室）に PPR モチーフをコードする 36個の EST 情報が含まれていた。当時の EST デー
タ情報量から類推すると、ヒメツリガネゴケには70〜100 個の PPR 遺伝子が存在すると予想された 5)。ヒメツリガネゴケを研究材料に選んだのはPPR 遺伝子の進化的観点からの興味と逆遺伝学
手法（遺伝子ターゲティング）による PPR タン
パク質の機能解明に期待したからである。

図1. PPRタンパク質は５タイプに大別される
PPRタンパク質はPPRモチーフのバリアント（P, L,S）の構成とC末端のモチーフの組み合わせにより、
P, PLS, E, E+, DYWの５タイプに分類される。右の数
字はシロイヌナズナとヒメツリガネゴケに存在するそれぞれのタイプの総数を示す。C末端には91アミノ酸のE (extension)、33アミノ酸のE+、106アミノ酸のDYWの3種のモチーフが多数存在する。DYWモチーフのC末端はアスパラギン酸（D）、チロシン（Y）、トリプトファン（W）の保存アミノ酸からなっている。

表1. 植物のPPRタンパク質が関与する突然変異体
:+"( :+"(BD>&#-

PPR

')2CE5!=/

ドの葉緑体リボヌクレオプロテイン（cpRNP）の機能研究で学位を取得した後、2000 年 7 月にイスラエルに留学した。同年 10 月 3 日彼から「Ifeach of PPR proteins can bind to RNA specifically, it
can be one solution to explain complicated RNA

hcf152high chlorophyll fluorescence

HCF152crp1

chloroplast RNA processing

CRP1

crr2

chlororespiratory reduction

CRR2

crr4

chlororespiratory reduction

CRR4

crr21

chlororespiratory reduction

CRR21

pgr3

proton gradient regulation

PGR3

sot1

suppressor of thylakoid formation

SOT1

ys1

yellow seedlings

ecb2

early chloroplast biogenesis

clb19

chloroplast biogenesis

tha8

thylakoid assembly

lpa66

low psii accumulation

vac1

vanille cream

svr7

suppressor of variegation

CE5

processing in chloroplast. We have two PPR proteins.

gun1

:6%FA

genomes uncoupled

GUN1

G17,G#2A

The present goal is to demonstrate each of two proteinsis RNP, and how they bind to RNA in specific manner.
Now I hope we are ahead of the world！」と心躍る

emb175embryo-defective

dek2

maize defective kernel

emp8

maize empty pericarp

grp23

電子メールが届いた。高クロロフィル蛍光変異体



glutamine-rich protein 23


loi1

hcf152 を単離した Karin Meierhoff ら（ドイツ）とlovastatin insensitive

?9*#2;

共同でその原因遺伝子が PPR タンパク質をコードしていることを突き止め、その作用機作を調べ

GRP23

3)2$A

.1A

rrd2

root redifferentiation defective

rid4

root initiation defective

0@<A

ているところに中村が居合わせたというわけだ。
中村に限らず誰もが、PPR タンパク質が光合成機能を支える葉緑体遺伝子の発現制御の肝となる

abo5

ABA overly-sensitiveahg1

ABA hypersensitive germination

soar1

suppressor of the ABA receptor-overexpressor

SOAR1

38
bir6

buthionine sulfomixine-insensitive roots

slo1

slow growth治（奈良先端大）もその一人で、ある光合成機能

fgr1

rice floury and growth retardation

変異に PPR タンパク質が関与していることをつ4

ものだと予感したことは言うまでもない。鹿内利

かんでいた（2001 年 3 月私信）。著者は中村（2001
年 8 月一時帰国）から PPR タンパク質のレク

mef1

mitochondrial RNA editing factor

MEF1

pnm1

PPR protein localized to the nucleus and mitochondria

PNM1

ptac2

plastid transcriptional active chromosome

pTAC2

1) 

チャーを受け、翌年 4 月から卒研生の服部満（現阪大助教）にヒメツリガネゴケの PPR タンパク

167

PPR 





-1)

光合成研究 30 (3) 2020

図 2. 葉緑体とミトコンドリアの
転写後の RNA 制御と PPR
タンパク質
DNA から転写された RNA 分子は様々なプロセシングを受けて成熟
RNA になる。この転写後の RNA
制御に核コードの PPR タンパク質ファミリーが関わっている。伊藤綾花、杉田護、光合成研究 28(1), 20-25 (2018)の図１を改変。

CRP1 以降の光合成に関わる PPR 研究の成果る。2002 年〜03 年にかけて、分子実体が不明だっとして、Meierhoff と中村らが 2003 年 Plant Cell

た Rf 遺伝子がいくつかの作物から単離され、Rf誌に HCF152 を
7)

6)、鹿内グループが 2003 年に遺伝子が P タイプの PPR タンパク質をコードし8)

CRR2 を、2004 年に PGR3 を Plant J.誌にそれぞていることが明らかになった。このうち、イネのれ報告した。著者らもヒメツリガネゴケの P タイ

Rf-1 は風間智彦と鳥山欣也（東北大学）11)によっ

プの PpPPR_38 が葉緑体 clpP-rps12 mRNA の RNAて、ダイコンの Rf は肥塚信也（現玉川大学教授）

プロセシングに働いていることを 2007 年に報告

ら 12)によって明らかにされた。その後、風間らはした 9)。その後、光合成や葉緑体の機能だけでな

イネの Rf-1 PPR タンパク質が CMS 原因遺伝子

く植物の成長や代謝の調節に関わる多くの PPRの atp6-orf79 mRNA の遺伝子間領域に直接結合

タンパク質が同定された（表１）。PPR タンパク

し mRNA 分解を促進することを明らかにした 13)。

質は特定の RNA 分子に配列特異的に結合する

Rf-1 PPR タンパク質が CMS 原因遺伝子を RNA“遺伝子特異的 RNA 結合タンパク質”として、レベルで不活化するため、呼吸や ATP 合成の遺転写後制御や翻訳制御の様々なステップで働い伝子が正常に働けるようになり花粉を作るためていることが明らかになった

10)

（図２）。

のエネルギーが作られ、稔性が回復すると説明される。

2.2. 細胞質雄性不稔と稔性回復に関わる PPR タ

Rf 遺伝子（核）と CMS 原因遺伝子（ミトコン
ドリア）の関係は宿主と寄生虫の関係に類似してンパク質植物で雑種を作るのに欠かせないのが花粉をいて共進化の典型的な例といえる。細胞質雄性不作らない細胞質雄性不稔性（cytoplasmic male

稔性をもたないシロイヌナズナなどの植物では

sterility; CMS）という形質である。その原因遺伝

Rf に似た RFL（restorer-to-fertility-like)を多数もっ

子はミトコンドリアゲノムに存在する CMS 原因ている。シロイヌナズナは 26 個の RFL 遺伝子を遺伝子（ユニークなキメラ ORF をコード）であもち、その進化速度が他の PPR 遺伝子よりも速り、稔性を回復する核遺伝子（Restorer of fertility;

く、特に PPR モチーフ内の３ヶ所のアミノ酸にRf）との相互作用で説明されてきた。CMS 原因遺多様化が見られることを Small ラボの藤井壮太ら

伝子は呼吸や ATP 合成の遺伝子のすぐ近くにあが明らかにした 14)。CMS 原因遺伝子ができるとることが多く、それらを阻害する働きをもってい168

光合成研究 30 (3) 2020
その働きを抑えるため RFL 遺伝子の一部が Rf になったと考えられる。
2.3. ３人の若手研究者が集う
Rf-1 PPR タンパク質を発見した風間が 2004 年
10 月〜06 年 3 月にかけて、RNA 編集に必須なPPR タンパク質を研究していた奥田賢治（九大・鹿内研、写真１）が 2005 年 11 月から数ヶ月間、組換え PPR タンパク質の作製と RNA 結合実験の手法（EMSA 法）を学ぶため著者の研究室に合流した。Schuster ラボでポスドクをしていた中村

写真1

が彼らの技術指導に当った。風間と奥田の実験成果が得られると、中村は 2007 年 6 月に九州大学

to-U 編集だけでなく、その逆の U-to-C 編集も起に赴任し、独自の発想に基づく新機軸の PPR 研

こることが知られている。

究を展開していった。中村が残した EMSA 法の

RNA 編集にどのような制御因子が働いている

技術は研究室の大学院生に受け継がれその後ののであろうか。その答えは 2005 年日本発の光合研究に活かされた。3 人の若手研究者の研究成果

成研究の成果から得られた。光合成機能変異のひが実を結んだタイミングで、2008 年 3 月第 49 回

とつである chlororespiratory reduction 4 (crr4)の原

日本植物生理学会年会（札幌）でシンポジウム「オ因となる核遺伝子がなんと E+タイプの PPR タン

ルガネラと核のクロストークに関与するタンパ

パク質をコードしていることが鹿内グループに

ク質ファミリー：PPR タンパク質 – その多彩なよって明らかにされた 15)。
この変異株では葉緑体機能を探る-」を開催することになり、肥塚信也

NDH 複合体サブユニットのひとつをコードする（玉川大）、鳥山欣也（東北大）、村中俊哉（理ndhD mRNA の NdhD-1 部位で C-to-U 編集が起こ研）、小野道之（筑波大）、鹿内利治（九大）、らず、そのため ndhD mRNA の翻訳が起こらない中村崇裕（九大）、杉田（名大）がそれぞれ最新

ことがわかった。変異株に CRR4 を入れると、の成果を発表した。
奥田は 2010 年に日本植物生理学会若手海外共
同フェローシップの支援を受けて短期留学した
Small ラボ（西オーストラリア大学）でも素晴らしい研究成果をあげたが、2013 年 11 月に突如帰らぬ人となったことは痛恨の極みである。
3. RNA 編集部位を認識する PPR タンパク質の発見

葉緑体とミトコンドリアの mRNA の特定のシ

図3. ヒメツリガネゴケとシロイヌナズナの葉緑体
rps14遺伝子のRNA編集部位の比較
ヒメツリガネゴケの葉緑体rps14遺伝子の翻訳領域の2番目のC（C2）はRNA編集されるが、シロイヌナ
ズナでは翻訳領域の2番目はTになっている。翻訳領
域の80番目と149番目はヒメツリガネゴケではTであるがシロイヌナズナではCで、どちらもRNA編集によりUに変換される。それぞれの編集部位に働く
PPRタンパク質を示した。

チジン（C）がウリジン（U）に変換される「RNA編集」という不可思議な現象がある。編集部位の数は種子植物の葉緑体で 30~60、ミトコンドリア
で 300~600 にもなる。編集部位の数や位置は植物
種によって異なり、C-to-U 編集が起こらない部位
はゲノムでは T となっているケースが一般である（図３）。ある種のシダ植物やコケ植物では C-

169

光合成研究 30 (3) 2020
NdhD-1 部位の C-to-U 編集が回復し ACG コドン

部位の編集だけが起ってないことが判明した 19)。

が AUG 翻訳開始コドンに変換した。CRR4 が葉

さらに PpPPR_71 がこの RNA 編集部位に配列特緑体 ndhD mRNA の RNA 編集に必須な因子であ異的に結合することを EMSA 法で確認したので、り、RNA 編集因子として同定された最初のタン

ミトコンドリアで最初の RNA 編集因子だ！と大パク質となった。2000 年に Small が予言したと喜びした。しかし、論文としてはシロイヌナズナ

おり、PPR タンパク質が RNA 編集にも関わっての Mitochondrial RNA Editing Factor 1 (MEF1) 20)にいたのである。さらに翌年、CRR4 が NdhD-1 編

ついで２番目になってしまったのが今でも悔や集部位の上流に配列特異的に結合することが奥まれる。それでも最終的にミトコンドリアの全

田らによって明らかにされた 16)。その後、それぞ

11 カ所の編集部位に作用する 8 種の PPR-DYW

れの RNA 編集部位に特異的に働く PPR タンパ

タンパク質 21)と、葉緑体の近接した 2 カ所の編

ク質が次々と同定された 17)。

集部位に働く DYW タイプの PpPPR_4522)を明らかにした。これによりヒメツリガネゴケは全セッ
トの PPR 編集因子が同定された最初の植物と4. DYW モチーフと RNA 編集のシチジンデアミ

なったが、この成果に大学院生の一瀬瑞穂らが大ナーゼきく貢献した。彼女は 10 種ある PPR-DYW タン

2007 年までに同定された葉緑体の RNA 編集因

パク質のうち残り１つが、RNA 編集ではなく子は CRR4 と CRR21 の２種類でどちらも E+タcox1 mRNA 前駆体のスプライシングに働くこと

イプの PPR タンパク質であった。次の問題はも明らかにした 23)。

RNA 編集のシチジンデアミナーゼ反応を触媒す

現在ではシロイヌナズナの葉緑体の RNA 編集

る本体は PPR タンパク質なのか未知の因子なの部位それぞれ作用する 22 種の PPR タンパク質がかである。同年、Volker Knoop（ドイツ・ボン大

同定されているが、このうち 15 種は DYW タイ

学）らのグループが PPR タンパク質の DYW モ

プで、残りは E または E+タイプである。DYW モ

チーフに着目した興味深い論文を FEBS Letters

チーフを持たない PPR タンパク質はどのように誌に発表した 18)。彼らは DYW モチーフにシチジして、標的部位を編集するのであろうか。これはンデアミナーゼに共通する Zn 結合モチーフ

E/E+タイプ PPR タンパク質が編集部位を認識し、HxE(x)nCxxC が含まれていること、および RNA

次いで DYW モチーフのみからなるタンパク質

編集が起こる植物種は DYW モチーフをもつが、がトランスに相互作用することにより標的部位RNA 編集しないゼニゴケは DYW モチーフを持が編集されるということで決着がついた 24) 。

たないことを示し、「C-to-U RNA 編集のシチジ

CRR4（E+タイプ）と DYW1（PPR モチーフを持

ンデアミナーゼは DYW モチーフである」とする

たない DYW タンパク質）がその代表例である。

仮説を提唱した。当時、ヒメツリガネゴケには

DYW モチーフが実際にシチジンデアミナーゼ活

E/E+タイプはないが、DYW タイプの PPR タンパ

性を有することは、ヒメツリガネゴケのク質（PPR-DYW）が 10 種あること、及び C-to-PpPPR_56 と PpPPR_65 およびそれぞれの標的

U 編集部位が全部で 13 カ所あることをつかんでRNA を大腸菌の中で共発現させ、RNA 編集の有いたので、著者らは PPR-DYW タンパク質と RNA無を調べた実験 25)と、組換え PpPPR_65 タンパク

編集の関係に着目した解析を 2008 年から集中的質を用いた in vitro 実験 26)で証明された。

に行った。本解析では遺伝子ノックアウト株を作

シロイヌナズナなど被子植物では、PPR タンパ

製するための遺伝子導入法としてパーティクル

ク質だけでなく様々なタンパク質と相互作用しガン法をヒメツリガネゴケに初めて適用した。取て 200 kDa の複合体（エディトソーム）を形成し得した PpPPR_71 遺伝子ノックアウト株の RNAている。例えば、竹中瑞樹と Axel Brennicke（ド編集を調べたところ、ミトコンドリアの全 11 カ

イツ・ウルム大学）らが発見した MORF (Multiple

所の RNA 編集部位のうち ccmFc mRNA の C122

Organellar RNA editing Factor) 27)がその代表で、そ170

光合成研究 30 (3) 2020の他に ORRM（Organellar RRM protein）、PPO1

6. 今後解決すべき課題（ProtoPorphrinogen IX Oxidase 1）や OZ（Organelle

6.1. 機能未知の PPR タンパク質の解明

Zinc finger）などが相互作用因子として同定され植物種によっては数百〜千を超える多様なている 28)。シロイヌナズナの ndhD-1 部位の編集

PPR タンパク質が存在するが、その機能がわかっの 場 合 、 CRR4 と DYW1 の 他 に 少 な く と もているのはほんの一握りにすぎない。これまで解MORF2 と MORF9 の２つが働いていることにな析された PPR タンパク質のほとんどが葉緑体とる。MORF タンパク質を介して CRR4 と DYW1

ミトコンドリアで働くものであるが、細胞内の局が相互作用すると考えられている。興味深いこと

在場所が不明なものや核に局在するものも存在に、シロイヌナズナで見つかった PPR タンパクする。例えば、PNM1 (PPR protein localized to the

質以外の編集因子はヒメツリガネゴケには存在

Nucleus and Mitochondria1) 32)は名前の通り核とミしないようである。コケ植物では PPR- DYW タ

トコンドリアに、SOAR1（Suppressor of the ABA

ンパク質だけのシンプルな編集システムが働い

Receptor‐overexpressor 1 ） 33) は 核 と 細 胞 質 に 、ていると考えられる。被子植物ではより多くの編

GRP23 (Glutamine-Rich Protein 23) 34)は核に局在す

集部位の編集に適応したシステムを進化させてる。PNM1 は核内でヌクレオソームアセンブリー

きたことが伺える。

タンパク質 NAP1 と転写因子 TCP8 と相互作用しミトコンドリアタンパク質をコードする核遺伝子の発現をコントロールするだけでなく、ミトコ

5. PPR タンパク質と標的 RNA との結合認識のンドリアでの翻訳に関わっていると考えられてしくみいるが詳細な分子機能の解明はこれからである。

PPR タンパク質は配列特異的に結合する RNA

PPR タンパク質には様々な生物で保存された

結合タンパク質であるが、どのように標的 RNA

アミノ酸配列ドメインをもつものがある。例えば、を認識するのであろうか。Alice Barkan（オレゴン大学）と Small らは、個々の PPR タンパク質のアミノ酸配列とその標的 RNA の塩基配列を照らし合わせた結果、PPR モチーフの 5 番目と 35(L)番
目（L は最後の残基）のアミノ酸の組み合わせで１塩基を認識することを見出した 29)（図４）。この RNA 認識コードが正しいことは変異 PPR タ
ンパク質と変異 RNA 分子を用いた EMSA 法で証明された。中村（九大）も PPR モチーフの 2、5と 35(L)番目の 3 アミノ酸による RNA 認識コードを提唱した 30)。P タイプの PPR10 と標的分子である psaJ RNA との複合体の立体構造が決定さ
図4. PPRモチーフのRNA認識コード
PPRモチーフは２つのαヘリックス（緑色部分と薄緑色部分）がアンチパラレルに並んだ構造を取っている。それぞれのPPRモチーフ（P1~P5）の5番目と35（L）番目のアミノ酸残基の組み合わせにより認識塩基が決まる。5番目がスレオニン（T）で35（L）番
目がアスパラギン（N）だとアデニン（A）を認識し、5番目がスレオニン（T）で35（L）番目がアスパラギン酸（D）だとグアニン（G）を認識する。同様に5Nと35(L)Sでシトシン（C）を、5Nと35(L)Dでウラシル（U）を、5Nと35(L)Nだとピリミジン（C/U）をそれ
ぞれ認識する。

れ、1 塩基が 2, 5, 35 番目のアミノ酸残基で囲まれていることや、5 番目の極性残基が RNA 特異性を決定するもっとも重要なアミノ酸残基であることが明らかにされた 31)。今では PPR タンパ
ク質のアミノ酸配列からターゲット配列を予測することが可能で基礎研究と応用研究の両面で利用されている。

171

光合成研究 30 (3) 2020
SMR（Small MutS-related）や NYN (Nedd4-BP1,

とどまらず、それから先の PPR タンパク質の真YacP nucleases)、RRM（RNA recognition motif）、の分子機能の解明が求められる。

CBS (Cystathionine-β-Synthase)などである。葉緑体
の

pTAC2

(plastid

Transcriptional

Active6.3. U-to-C 編集因子も PPR タンパク質か？

Chromosome2)は 2006 年に報告された PPR タン

RNA 編集現象が葉緑体とミトコンドリアで発パク質で C 末に SMR ドメインをもつが詳細な分見されてから 30 年となるが、C-to-U 編集の分子子機能は未だ不明である 35)。最近になって、SOT1メカニズムに関しては多くのことが明らかにさPPR タンパク質の SMR ドメインが RNA エンド

れた 43)。前に述べたように、ある種のシダ植物やヌクレアーゼ活性も持つことが報告された 36)。
葉

コケ植物は C-to-U 編集だけでなく、その逆の U-

緑体から核へのレトログレードシグナリングの

to-C 編集も起こるが、U-to-C 編集の分子メカニ制御に関わる GUN1（Genomes Uncoupled 1）がズムについてはこれまで全く手つかずであった。

SMR ドメインをもつことは 2007 年にわかっていその突破口となるべく興味深い研究成果がた 37)が、その詳細な分子機能については長い間謎

Knoop と Small らによって 2020 年に報告されたであった。その分子機能をめぐって GUN1 発見

44)

者の Joanne Chory（ソーク研究所）38)をはじめいagrestis のゲノム解析とトランスクリプトーム解

くつかの研究グループが 2019 年に論文を出した析を行い、葉緑体で 636 カ所の C-to-U 編集部位がどれも決定打に欠いていた。同年、清水隆之とと 913 カ所の U-to-C 編集部位、ミトコンドリア

増田建（東大）らは GUN1 がヘム合成酵素の活性で 496 カ所の C-to-U 編集部位と 403 カ所の U-to-を調節すること、またヘムと結合してそのシグナ

C 編集部位を明らかにした。さらに、このツノゴ

39)。 彼 ら は ツ ノ ゴ ケ の 一 種 で あ る Anthoceros。
へムがケには 3000 余りの PPR タンパク質があり、そのPPR モチーフにどのような様式で結合している

大半は被子植物やヒメツリガネゴケの DYW モのか大変に興味深い。

チーフとは少し異なる”GRP タイプ”と”DRH タ

ル伝達を調節することを明らかにしたイプ”と名付けた DYW 相同モチーフを C 末端に6.2. 標的遺伝子の同定から分子レベルでの機能持つ PPR タンパク質が 734 個存在することを突解明へき止めた。このうち、ある GRP タイプ PPR タン

E/E+タイプと DYW タイプの PPR タンパク質

パク質の PPR モチーフ RNA 認識コードから 7 カの多くは RNA 編集に働き、一部は RNA スプラ

所の U-to-C 編集部位が予想された。実際にこのイシングに働く。これに対して、P タイプの PPR

PPR タンパク質が 7 カ所の U-to-C 編集部位の認タンパク質は主に RNA の安定性やスプライシン

識に働くのか、GRP タイプの DYW モチーフがグ、翻訳制御に働くものが多い。著者らも葉緑体

U-to-C 編集を触媒するのかが早急に明らかにすtRNAIle (GAU)前駆体のスプライシングに働くべき課題である。

PpPPR_4

40)と ndhA mRNA 前駆体のスプライシン

グに働く PpPPR_66 41)、psbI-ycf12 mRNA の安定

6.4. PPR ツールの開発と利用性に働く PpPPR_21 42)を同定し、それぞれの標的

PPR タンパク質が RNA 配列特異的に結合する

RNA の結合部位を特定した。結合部位がわかれ特性をもつことから、PPR モチーフを改変するこば、その PPR タンパク質の分子機能を解明するとにより任意の標的 RNA を認識させることが可

大きな手がかりとなる。しかし、ある PPR タン

能になる。また改変 PPR タンパク質に任意の機パク質が標的 mRNA のイントロンのある領域に能ドメイン（RNA 切断酵素、編集酵素、細胞内結合したとして、その結合によってスプライシン

局在シグナルなど）を付加すれば、新規の機能性

グ反応にどのような効果を及ぼしたのかについ

PPR タンパク質を創製することができる。改変ては依然不明である。今後は標的遺伝子の同定にPPR タンパク質を利用して葉緑体やアミロプラ
ストの中で色素体ゲノムに組み込んだトランス

172

光合成研究 30 (3) 2020
遺伝子の発現を活性化したり、トランス遺伝子の参考文献

発現を誘導するスウィッチとして PPR タンパク1.

Aubourg, S. et al. (2000) In Arabidopsis thaliana, 1%

質を利用することが可能である 45-47)。ミトコンド

of the genome codes for a novel protein family unique

リアでも同様の研究が行われている 48)。CRISPR-

to plants. Plant Mol. Biol. 42, 603–613.
2.

Cas9 や TALEN が DNA 配列をターゲットにする

Small, S. and Peeters, N. (2000) The PPR-motif – a
TPR-related motif prevalent in plant organellar proteins.

のとは異なり、PPR タンパク質が RNA 配列を

Trends Biochem. Sci. 25, 46-47.

ターゲットにする特性に着目して、PPR 技術を医3.

Fisk, D.G. et al. (1999) Molecular cloning of the maize

療、産業、農業などの分野を含む広範囲なバイオgene crp1reveals similarity between regulators of

産業に応用することを目指した九大発のベン

mitochondrial and chloroplast gene expression. EMBO
J. 18, 2621-2630.

チャー企業 EditForce が 2015 年に設立された。具4.

体的にどのような PPR ツールが飛び出すのか、

Lurin, C. et al. (2004) Genome-wide analysis of
Arabidopsis pentatricopeptide repeat proteins reveals

今後の研究開発の進展が楽しみである。

their essential role in organelle biogenesis. Plant Cell
16, 2089–2103.

7. おわりに5.

Hattori, M., Hasebe, M. and Sugita, M. (2004)

以上述べてきたように、我が国における PPR 研

Identification and characterization of cDNAs encoding

究レベルの高さは世界的に見ても遜色のないも

pentatricopeptide repeat proteins in the basal land plant,
the moss Physcomitrella patens. Gene 343, 305-311.

のと言えます。本解説では著者と関わりの深かっ6.

た研究グループの話題が中心となってしまいまMeierhoff, K. et al. (2003) HCF152, an Arabidopsis
RNA binding pentatricopeptide repeat protein involved

したが、
この他にも多くの研究グループが PPR に

in the processing of chloroplast psbB-psbT-psbH-petB-

関連したユニークな研究を行っています。著者らpetD RNAs. Plant Cell 15, 1480–1495.

はヒメツリガネゴケの全 107 種の PPR タンパク7.

Hashimoto, M. et al. (2003) A nucleus-encoded factor,

質のうち、半分についてはノックアウト株または

CRR2, is essential for the expression of chloroplast

ノックダウン株を作製し解析を行ってきました

ndhB in Arabidopsis. Plant J. 36, 541-549.
8.

が、その成果を論文として発表できたのはさらに

Yamazaki, H., Tasaka, M. and Shikanai, T. (2004) PPR
motif of the nucleus-encoded factor, PGR3, function in

その半分程度でした。あともう少しと思いつつ、

the selective and distinct steps of chloroplast gene2020 年 3 月に定年退職を迎えてしまいました。

expression in Arabidopsis. Plant J. 38, 152-163.

この 10 年来よきライバルであった Knoop ラボが

9.

Hattori, M., Miyake, H. and Sugita, M. (2007) A

ヒメツリガネゴケの PPR 研究を発展させてくれ

pentatricopeptide repeat protein is required for RNA

ることを願っています。これから光合成研究を牽

processing of clpP pre-mRNA in moss chloroplasts. J.

引していく学生や若手研究者の方がどこかでBiol. Chem. 282, 10773-10782.
10. Barkan, A. and Small, I. (2014) Pentatricopetide repeat

PPR 研究に足を踏み入れることがあるかもしれ

proteins in plants. Annu. Rev. Plant Biol. 65,

ません。その時に本解説記事があったことを思い

12.1-12.28.

出していただければ幸いです。

11. Kazama,

最後に、本解説を執筆する機会を与えていただ

T.

and

Toriyama,K.

(2003)

A

pentatricopeptide repeat‐containing gene that promotes

いた本誌編集委員の高林厚史先生と成川礼先生

the processing of aberrant atp6 RNA of cytoplasmicに感謝いたします。

male‐sterile rice. FEBS Lett. 544, 1873-3468.
12. Koizuka, N. et al. (2003) Genetic characterization of apentatricopeptide repeat protein gene, orf687, that
restores fertility in the cytoplasmic male‐sterile Kosena

Received Oct 20, 2020; Accepted Nov 5, 2020; Publishedradish. Plant J. 34, 407-415.

Dec 31, 2020.

13. Kazama, T. et al. (2008) Suppression mechanism of
mitochondrial ORF79 accumulation by Rf1 protein in173

光合成研究 30 (3) 2020
BT-type cytoplasmic male sterile rice. Plant J. 55,

27. Takenaka, M. et al. (2012) Multiple organellar RNA

619-628.

editing factor (MORF) family proteins are required for

14. Fujii, S., Bond, C.S. and Small, I.D. (2011) Selection

RNA editing in mitochondria and plastids of plants.

patterns on restorer-like genes reveal a conflict between

Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 5104-5109.

nuclear and mitochondrial genomes throughout

28. Sun, T, Bentolila, S. and Hanson, M. (2016) The

angiosperm evolution. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.

unexpected

108, 1723-1728.

editosomes. Trends Plant Sci. 21, 962-973.

diversity

of

plant

organelleRNA

15. Kotera, E, Tasaka, M. and Shikanai, T. (2005) A

29. Barkan, A. et al. (2012) A combinatorial amino acidpentatricopeptide repeat protein is essential for RNA

code for RNA recognition by pentatricopeptide repeat

editing in chloroplasts. Nature 433, 326–330.

proteins. PLoS Genet. 8, e1002910.

16. Okuda, K. et al. (2006) A pentatricopeptide repeat

30. Yagi, Y. et al. (2013) Elucidation of the RNA

protein is a site-recognition factor in the plastid RNA

recognition code for pentatricopeptide repeat proteins

editing. J. Biol. Chem. 281, 37661-37667.

involved in organelle RNA editing in plants. PLoS ONE

17. Takenaka, M. et al. (2013) RNA editing in plants and8, e57286.

its evolution. Annu. Rev. Genet. 47, 335–352.

31. Yin, P. et al. (2013) Structural basis for the modular

18. Salone, V. et al. (2007) A hypothesis on therecognition of single-stranded RNA by PPR proteins.

identification of the editing enzyme in plant organelles.

Nature 504, 168–171.

FEBS Lett. 581, 4132–4138.

32. Hammani, K. et al. (2011) An Arabidopsis dual-

19. Tasaki, E., Hattori, M. and Sugita, M. (2010) The moss

localized pentatricopeptide repeat protein interacts withpentatricopeptide repeat protein with a DYW domain is

nuclear proteins involved in gene expression regulation.

responsible for RNA editing of mitochondrial ccmFc

Plant Cell 23, 730-740.

transcript. Plant J. 62, 560-570.

33. Jiang, S.C. et al. (2014) A hub for ABA signaling to the

20. Zehrmann, A. et al. (2009) A DYW domain–containing

nucleus: Significance of a cytosolic and nuclear dual-

pentatricopeptide repeat protein is required for RNA

localized PPR protein SOAR1 acting downstream ofediting at multiple sites in mitochondria of Arabidopsis

Mg-chelatase H subunit. Plant Sig. Behav. 9:11,

thaliana. Plant Cell 21, 558-567.

e972899-1.

21. Ichinose, M. et al. (2013) Two DYW subclass PPR

34. Ding, Y.H. et al. (2006) Arabidopsis GLUTAMINE-

proteins are involved in RNA editing of ccmFc and

RICH PROTEIN23 is essential for early embryogenesis

atp9 transcripts in the moss Physcomitrella patens:

and encodes a novel nuclear PPR motif proteins thatFirst complete set of PPR editing factors in plantinteracts with RNA polymerase II subunit III. Plant

mitochondria. Plant Cell Physiol. 54, 1907-1916.

Cell 18, 816–830.

22. Ichinose, M., Uchida, M. and Sugita, M. (2014)35. Pfalz, J. et al. (2006) pTAC2, -6, and -12 are

Identification of a pentatricopeptide repeat RNAcomponents of the transcriptionally active plastid

editing factor in Physcomitrella patens chloroplasts.

chromosome that are required for plastid gene

FEBS Lett. 588, 4060–4064.

expression. Plant Cell 18, 176–197.

23. Ichinose, M. et al. (2012) A PPR‐DYW protein is

36. Zhou, W. et al. (2017) PPR-SMR protein SOT1 has

required for splicing of a group II intron of cox1 pre‐RNA endonuclease activity. Proc. Natl. Acad. Sci.

mRNA in Physcomitrella patens. Plant J. 70, 271–278.

U.S.A. 114, E1554.

24. Boussardon, C. et al. (2012) Two interacting proteins

37. Koussevitzky, S. et al. (2007) Signals from chloroplasts

are necessary for the editing of the NdhD-1 site inconverge to regulate nuclear gene expression. Science

Arabidopsis plastids. Plant Cell 24, 3684-3694.

316, 715-719.

25. Oldenkott, B. et al. (2019) Plant‐type pentatricopeptide

38. Zhao, X., Huang, J. and Chory, J. (2019) GUN1

repeat proteins with a DYW domain drive C‐to‐U RNA

interacts with MORF2 to regulate plastid RNA editing

editing in Escherichia coli. Commun. Biol. 2, 1–8.

during retrograde signaling. Proc. Natl. Acad. Sci.

26. Hayes, M.L. and Santibanez, P.I. (2020) A plant

U.S.A. 116, 10162-10167.

pentatricopeptide repeat protein with a DYW-

39. Shimizu, T. et al. (2019) The retrograde signaling

deaminase domain is sufficient for catalyzing C-to-Uprotein GUN1 regulates tetrapyrrole biosynthesis. Proc.

RNA editing in vitro. J. Biol. Chem. 295, 3497–3505.

Natl. Acad. Sci. U.S.A. 116, 24900-24906.

174光合成研究 30 (3) 2020
40. Goto, S. et al. (2016) P-class pentatricopeptide repeat

factors in the hornwort Anthoceros agrestis. New

protein PTSF1 is required for splicing of the plastid pre-Phytol. 225, 1974-1992.

tRNAIle in Physcomitrella patens. Plant J. 86, 493-503.

45. Yu, Q., Barkan, A. and Maliga, P. (2019) Engineered

41. Ito, A. et al. (2018) An evolutionarily conserved P-

RNA-binding protein for transgene activation in non-subfamily pentatricopeptide repeat protein is required

green plastids. Nature Plants 5, 486–490.

to splice the plastid ndhA transcript in the moss

46. Rojas, M. et al. (2019) Engineered PPR proteins as

Physcomitrella patens and Arabidopsis thaliana. Plant

inducible switches to activate the expression of

J. 94, 638-648.

chloroplast transgenes. Nature Plants 5, 505–511.

42. Ebihara, T. et al. (2019) The P-class pentatricopeptide

47. McDermott, J.J. et al. (2019) Ribonucleoprotein

repeat protein PpPPR_21 is needed for accumulation of

capture by in vivo expression of a designer

the psbI-ycf12 dicistronic mRNA in Physcomitrellapentatricopeptide repeat protein in Arabidopsis. Plant

chloroplasts. Plant J. 97, 1120-1131.

Cell 31: 1723–1733.

43. Small, I.D. et al. (2020) Plant organellar RNA editing:

48. Colas des Francs-Small, C., Pereira Sanglard, L.V. andwhat 30 years of research has revealed. Plant J. 101,

Small, I. (2018) Targeted cleavage of nad6 mRNA

1040-1056.

induced by a modified pentatricopeptide repeat protein

44. Gerke, P. et al. (2020) Towards a plant model forin plant mitochondria. Commu. Biol. 1, 166.

enigmatic U-to-C RNA editing: the organelle genomes,transcriptomes, editomes and candidate RNA editing

Opening and current progress of PPR research in photosynthesis: outgoing from Japan
Mamoru Sugita
Graduate School of Informatics, Nagoya University

175光合成研究 30 (3) 2020

解説“NAD World”から見た光合成: 電子受容体 NADP+はどこから来る？

電力中央研究所 環境科学研究所
橋田 慎之介*光合成反応は光を利用し化学エネルギーを ATP と NADPH として合成する。これらは炭酸固定などの下流の反応で利用され、ADP や NADP+として光化学系で再利用される。強光環境におけるエネルギー
供給過剰や、低温ストレスによるエネルギー消費抑制などにより、供給が需要を超え続けると NADP+が枯渇することでリニア電子伝達反応（LEF）では電子流量が低下し、代替的な電子伝達反応へ電子が分配される。これまで多くの研究によって NADP の酸化還元バランスと光合成電子伝達反応の制御について明らかにされてきた。しかしながら、還元型である NADPH の測定に依存するところが大きく、光合成誘導期に電子受容体 NADP+がどのようにして供給されるのかほとんど評価されてこなかった。
本稿では、NADP+供給という視点から、「NAD ワールド」と光合成との関りについて、最新の知見を交えつつ解説する。
1. はじめにな役割を果たしている 10-16)。ただし、植物の NAD

Nicotinamide adenine dinucleotide（NAD+）は、ワールドにおいては、NAD のリン酸化型である

1 世紀以上前に発見された 664 Da の分子でありNADP が日中の光合成反応の電子受容体として

1)、全ての生物種に存在する補酵素として、特に大きな役割を担うことから、NADP ダイナミクス

酸化還元反応で中心的な役割を果たしている 2-6)。

が極めて重要なコンポーネントとして位置づけ

酸化型である NAD+から還元型の NADH への電られる。NADP は NAD と同様に細胞の様々な酸+子授受反応では NAD と NADH の総量（NAD プー化還元反応を触媒する補酵素であるが、その基本

ル）は変化しないが、実際の細胞活動において、的な役割は同化反応にある。NAD が細胞のエネ

NAD を “消費する”様々な生化学反応によってルギー獲得プロセスにおける有機物の酸化剤とNAD プールはダイナミックに変化する。近年でして、異化反応に専ら作用するのに対して 17)、はこうした反応が種々の細胞イベントにおいてNADP は光合成の光化学系で保存された光還元重要であることが報告されており、哺乳類では力のサプライヤとして重要な役割を担うことか2009 年に代謝・生物リズム・寿命制御を緊密に結ら、同化反応への寄与が大きい 18)。光条件に応じ

ぶ全身性の統括的制御機構として、”NAD ワールて NADP の酸化還元比が変動することは至極当ド”の概念が提唱された 7-9)。ここでは、NAD プー然であり、これまでの光合成研究の過程で光照射

ルの消費反応と合成反応の連携による多重の条件に応答した NADP+から NADPH の生成動態

フィードバックループを介した動的な制御シスが数多く観測されてきている。しかし、これらのテムがダイナミクスの根幹となっている。

研究のほとんどは NADPH 蛍光の計測であり 1921)

植物においても NAD ワールドの概念を支持す、その時の NADP+量や NADP プール全体につる結果が蓄積しつつあり、種子や花粉の休眠性、いての精査データは報告されてこなかった。近年、気孔形成や開閉運動、葉の老化制御等に深く重要

NADP+と NADPH を簡便かつ精密に計測する定*連絡先 E-mail: shashida@criepi.denken.or.jp

176

光合成研究 30 (3) 2020
が、40 年後の現在でもその活性制御メカニズムについては未だに結論が出ていない 30-33)。シロイ
ヌナズナの NADK2 は葉緑体型であり、CaM 結合が報告されていたことから、光合成へのNADP+供給に CaM 制御が関与することが示唆されていた 34) 。しかしながら、CaM の結合とNADK2 の活性に関連性はなく、近年新たに同定された NADK ドメインを持たない NADKc タン
パク質が、CaM 制御下で NADK 活性を示すことが明らかとなった 35)。ただし、NADKc はこれま
でに NADK で報告のなかったミトコンドリア型として報告されており（図 2）、現状で葉緑体での機能が推定されるのは NADK2 だけである 36)。
さらに、nadk 欠損変異体の中で、生育遅延や矮小化、葉の黄化や光合成活性の低下など葉緑体
NADP+供給不全の影響と推定される表現型が認

図1. NAD+リン酸化によるNADP+合成

められるのは唯一 nadk2 変異体だけである 37, 38)（図 3）。葉緑体における NADP 合成活性が損なわれた変異体が生存可能という事実は、細胞質か量手法が確立され 22, 23)、光照射時に NADP+の生らの膜輸送を介した NADP+ の部分的な補填や合成が活性化され、NADP+ と NADPH の総量

NADK2 非依存的な経路の存在も示唆するが、何（NADP プール）が大幅に増加することが報告されにしても NADK2 を介した NADP+合成が葉緑れた 24)。ここで、NADP+の合成には NAD+と ATP

体における主要な NADP+供給源と考えられる。

が必要となることから新たな疑問が生じる。光照
射直後の葉緑体にはリニア電子伝達反応（LEF）
を駆動するために十分量の電子受容体 NADP+が存在するのか？明期に電子受容体としての
NADP+はどこから来て暗期にどこへ行くのか？
NADP+合成に必要となる ATP や NAD+はどこから供給されるのか？本稿では、NADP+供給という視点から光合成と植物の NAD ワールド関連についての知見を紹介するとともに、これらの疑問について解説する。
2. 光合成への主要な NADP+供給経路
NADP は NAD のリン酸化反応によって合成される

25)

図2. 植物細胞のNADリン酸化酵素の細胞内局在
Waller et al. (2009)29)およびDell’Aglio et al.(2019)35)の報告をもとに、シロイヌナズナで同定されたNADリ
ン酸化酵素の局在性について示した。各酵素のAccession No.はNADK1、NADK2、NADK3およびNADKc は 、 そ れ ぞ れ At3g21070 、 At1g21640 、At1g78590およびAt1g04280。

（図 1）。生物種によって NAD リン酸化酵素(NADK)の遺伝子数や反応の場は様々だが、少なくとも植物では細胞質型、ペルオキシソーム型と葉緑体型の 3 タイプの存在が明らかになっている 26-29)。NADK は歴史的には 1980 年に植物初のカルシウム/カルモジュリン（CaM）によって制御されるタンパク質として報告された酵素だ177

光合成研究 30 (3) 2020
シャトル活性やサイクリック電子伝達反応（CEF）の活性とのバランスによって NADPH 生成と利用が複雑に制御され、総合的な結果として葉緑体の NADPH/NADP+の動的平衡が保たれ得る 39-43)。
この時、光強度や外気温などの環境変化により、NADPH 生成と利用のバランスが撹乱されるとNADPH/NADP+比が変動するが、NADP の量的な変化についてはあまり着目されていない。例えば、光の当たらない夜・暗所では光化学系で NADPH

図3. シロイヌナズナnadk2変異体の表現型が生成しない。この時、葉緑体の NADP プール
3. 光環境変化に対する NADP プールサイズのはほとんどが NADP+ として存在するのだろう

変動か？実際には 10 数分間の遮光によって NADPH

光合成で生成した NADPH は、炭酸同化過程をだけではなく NADP+も大幅に減少し、1 時間以内始めとした還元反応に利用されて再び NADP+とに基底レベルまで低下する。暗順化後に光再照射なり、光化学系の電子受容体として供給される

すると、生育光条件（80 μmol m-2s-1）では NADPH（図 4 赤矢印）。当然、LEF 活性やレドックスと NADP+の双方の増加が観測され、１時間程度

図4. 光合成におけるNADPプールサイズ制御の位置づけ
赤矢印はリニア電子伝達（LEF）における電子の流れを示しており、青矢印はサイクリック電子伝達（CEF）における電子の流れを示している。黒矢印は分子返還を示している。本図は全てHashida et al.(2019) 72)より引用した。

178

光合成研究 30 (3) 2020
で NADP プールは飽和する 24)（図 5）。この光環境に応答した NADP プールサイズの変動は nadk2
変異体では完全に消失することから、光によって制御されるのは葉緑体内の NADP プールと推定できる。この時、NADP+の増加は NADPH に先ん
じて検出されることから、de novo の NADP+供給
が LEF 活性化に重要なプロセスだと分かる。言い換えると、光合成誘導期には完全な LEF 駆動に必要となる NADP+が不足しており、NADP+供給システムが電子分配に寄与しているのかもし
図5. 葉緑体NADPプールサイズの光応答れない。光合成誘導期にはカルビンサイクルや光呼吸が完全に活性化する前段階であることから、これまでにも NADP+の再生が律速となって電子しながら、この系では NUDX によって分解されが CEF へと分配されると予想されてきた 44, 45)。

た NADPH は葉緑体内部で容易に NADP+へとは光合成誘導の初期には de novo NADP+供給そのも再生されず、同時進行する de novo NADP+合成とのが電子分配の決定要因となり得るであろう。

連携した NADPH の分解によって NADP プール

NADP+と NADPH 間の酸化還元状態の交換反サイズが維持されていると考えられる。すなわち、

応と、光環境に応じて電子伝達を制御するシステ

強光環境下の NADP プールの動的平衡に寄与す

ムの背後で NADP プールサイズが調節される事

る反応であり、光合成誘導過程やその逆の過程の

実は、葉緑体内部に NADP の合成と分解を綿密際に生じる NADP プールサイズの増減に寄与すに制御するシステムが存在することを意味する

る反応とは趣が異なる。

（図 4）。光化学系の電子分配における NADP+供動物細胞の普遍的なカルシウム放出因子とし給の作用機序や、光合成全体における真の ATPて 知 ら れ る Nicotinate Adenine Dinucleotide

要求量等を考える上で、葉緑体 NADP ワールド

Phosphate（NaADP）分子は、植物細胞でも作用すのシステムダイナミクスを理解する試みは着目ることが知られている 48, 49)。NADP+分子内のニに値するのではないだろうか。

コチンアミドがニコチン酸に置換されて生じる
ため NADP プールサイズの減少に寄与しうる 50)。
NUDX による分解とは異なり、1 ステップのアミ

4. NADP プールサイズ減少に関わる経路
光化学系における酸化還元反応以外で、NADPド化反応で NADP+を再生できる可能性がある。

はどのような反応経路に供されるのだろうか？

分子内ニコチン酸のアミド化反応は NAD+合成

植物の NADP プールサイズの制御因子としての最終反応と同様である事からも、葉緑体内部でNADP+または NADPH の分解経路について研究

NADP+を一過的に電子受容体プールから隔離すされた事例はなく、葉緑体 NADP 代謝経路につる上では興味深い反応経路である。ただし、現状いては不明な点が多い（図 6）。現状で明確にそでは植物で NaADP 合成に作用する酵素タンパクの存在や意義が示されたのはシロイヌナズナの質だけでなく、葉緑体でニコチン酸のアミド化に

葉緑体型 Nudix Hydrolase19（AtNUDX19）による作用する酵素タンパク質も未同定であることにNADPH の選択的分解に限定される 46)。この反応

加え、NaADP 分子そのものが検出されていない

では、NADPH 分子内の NAD 骨格を加水分解す

ため NADP プールサイズ制御への関与を議論する事で、NADPH 分子を反応系から除去する 47)。

るには課題が多い。

強光条件等で処理しきれない還元力の消去経路

最 も 単 純 な NADP+ 代 謝 反 応 は NADPとして、光合成とストレス応答/防御系のバラン

phosphatase（NADPPase）による NADP+の脱リン

ス制御において重要な機能を果たしている。しか酸化反応で NAD+へと戻す反応であろう。光化学179

光合成研究 30 (3) 2020

図6. 葉緑体NADPダイナミクスに関わるNAD生合成代謝
実線は同定済みの反応経路を、破線は未同定の反応経路を示している。緑線はde novo経路、青線はsalvage経路、赤線は明条件での活性化が確認される経路を示している。本図は全てHashida et al.(2019)72)より引用した。

応して NAD プールの増加は確認される（未発表）。

系が機能しない暗所では、カルビン回路の不活性+型酵素複合体の安定化に NAD が寄与しており

現状では葉緑体における NADPPase 活性の報告

51)、暗期に NADP が豊富に存在すると速やかなカはなく、この現象には NADP の脱リン酸化だけ

ルビン回路の不活性化に都合が悪い。従って、カではなく NUDX や他の NADP 代謝反応、さらにルビン回路の活性抑制には NADP/NAD 比の減少

葉緑体への NAD 輸送や NADK 活性など未解明

も欠かせない。植物の NADPPase 活性は古くからの制御経路が複合的に関与すると考えられる。葉報告されており、休眠種子の包括的な代謝制御に緑体 NADP プールサイズの制御に関わる遺伝学

関与することが示唆されている

16)。NADP/NAD

的な解析が進展中であり、今後新たな因子の同定

比をコントロールすることによって NADP 依存が期待される。古細菌では NADK が NADPPase

的な代謝反応活性を低レベルに保ち、休眠状態を活性も同時に持つことが報告されており、この領維持すると考えられ、興味深いことに同様の概念

域における今後の研究のさらなる発展にも非常が休眠花粉においても適用できる。休眠性の花粉に興味が持たれる 53)。

では NADP/NAD 比が低く抑えられており、花粉
5. NADP プールサイズ増大に関わる経路

管の発芽と伸長に必要となる同化代謝活性を低。以上の例からも、葉緑体における NADP+供給の大部分は NAD+

NADP/NAD 比を調節する上で NAD および NADPのリン酸化反応であるため、そこには NADK 活

それぞれのプールサイズの制御が重要な役割を性と同時に基質となる NAD+と ATP の供給も欠担うことは明らかであるが、未だに植物のかせない。NAD ワールドの概念に基づいて、光NADPPase の分子実態は不明である。少なくとも、条件下における NADP 合成と消費のバランスで光条件変化に応答した NADP プールの減少に呼プールサイズの動的平衡があるとすれば、この反い状態で維持している

52)

180

光合成研究 30 (3) 2020
応に関わる要素の１つでも欠けると NADP プー性の低下や変動光環境下での生育不良の要因とルサイズは減少する。

して NADP プールの応答遅延等も生じていたと考えるのも自然であろう 56)。

細胞質型の NADK のアミノ酸配列は活性ドメ
インから構成されるシンプルな構造であり、その先述の通り、暗期のカルビン回路の活性抑制に活性の大部分は転写制御によると考えられていNAD+が機能しているため、一定レベルの NAD+る 26)。一方で、葉緑体型 NADK は他の NADK とは常に葉緑体中に存在している。光照射に応答しは大きく異なる特徴があり、NADK ドメインの Nて NADP+が合成されると、その対価として NAD+

末端側に 600 残基超の長いアミノ酸伸長配列をは消費されるが、光合成誘導後の NADP プール

持つ 54)。酵素活性は保存性の高い NADK ドメイ

サイズから、新たな NAD+供給があることは明白

ン単独で検出されることから、N 末端配列は酵素である。葉緑体型 NADK 遺伝子を過剰発現した活性の制御機能を持つと推定されている。実際に、実験によって、NADP+合成を強化して NADP プー

暗順化後のシロイヌナズナのロゼット葉から抽ルサイズを増大させた場合でも、細胞内の NAD

出したタンパク質では、NADK 活性は野生型

プールサイズが低下しないことが明らかとなっ（Col-0 系統）と nadk2 変異体で同程度であるが、ており 38)、葉緑体 NADP+合成あるいはこれに伴野生型では光照射あるいは還元剤処理によってう葉緑体 NAD+消費が引金となって NAD+合成がNADK 活性が上昇するため 24)、葉緑体型 NADK2

活性化される可能性が示唆されている。逆に、では光還元制御を受ける可能性が示唆されてい

NAD+合成を活性化して細胞内 NAD プールを増る。葉緑体におけるレドックス制御に関する研究大させることによって NADP プールも増大する

が精力的に進展する中で、NADK2 が標的分子候ことから 15)、NADP+合成と NADP プールサイズ

補として未だ報告されない事実から、他の酸化還制御において NAD+供給が果たす役割は大きい。

元分子を介した間接的な光還元制御を受ける可

それでは、葉緑体 NADP+合成で消費される NAD+能性も考慮する必要があろう。少なくとも細菌性はどこから供給されるのだろうか？

の NADK では活性の発現に 4 量体化が必要であNAD+ 生合成の最終反応は Nicotinate Adenine

ることが明らかとなっていることから 55)、
複合体

Dinucleotide（NaAD）のアミド化反応であり、こ形成に N 末端側ドメインが関与する可能性が示の反応を触媒する NAD synthetase（NADS）は細唆される。今後の NADK2 を中心とする生化学研

胞質に局在することが示されている 13)。
各オルガ

究の進展が期待される。

ネラ（葉緑体、ペルオキシソーム、ミトコンドリ

光合成誘導過程の初期段階として NADP 合成ア）の代謝反応（NADP+合成を含む）需要に応じが駆動されるという事実は、他の分子プールの存て、細胞質で集中的に NAD 合成が制御され、能在についても再考する価値があるのではない

動輸送によってそれぞれの場に供給されるシスか？つまり、NADP+を合成する材料として必要なテムとなっている。従って、葉緑体における＋+ATP と NAD について、光照射開始時に両分子のNAD+需要を満たすためには細胞質からの糖ヌク供給が律速となる可能性について検討する。光化

レオチド輸送が不可欠である。これまでに植物の学系によって形成された proton motive force（pmf）

NAD+輸送体として Mitochondria Carrier Family タ

により ATP 合成が駆動されるが、光合成誘導期

イプのヌクレオチド輸送体が報告されており、ペの NADP プールの挙動を考慮すると、初発の ATP

ルオキシソームでは PNX57, 58)、ミトコンドリアで合成を駆動する pmf は LEF 由来とは考え難い。

は NDT1 および NDT2 が同定されている 59, 60)。

事実、光合成誘導時には CEF が光合成定常期のGFP 融合タンパク質の局在性からは NDT1 が葉LEF 並みの活性を持つことが報告されており 45)、

緑体輸送に関与と推定されていたが 61)、
その後に

光合成誘導期に要求される ATP 依存性の反応系

同一グループによってミトコンドリアでの機能+と同様に NADP 合成に対しても CEF の関与が考が報告され 59)、残念ながら葉緑体の NAD+輸送にえられる。CEF 欠損変異体で観察される光合成活

関する手掛かりは一旦消滅している。

181

光合成研究 30 (3) 2020
6. 光合成と NAD ワールド

レドックス制御を受ける可能性が示唆されてい光合成誘導後の定常 LEF 活性は NADP プール

る 12, 67)。このように、1) de novo 経路による NaMNの増大によって支えられており、NADP プールサ

合成は葉緑体内部で進行する、2) 葉緑体 NADK

イズは細胞質からの NAD+輸送供給によって補活性と同様に光条件で促進的に制御されるとい+償されている。植物の NAD は de novo 合成とう 2 点から、NADP プール増大に寄与する NaMN

salvage 合成の 2 種の経路から供給されることが供給には de novo 経路が重要な役割を果たす可能

知られており、
細胞質で Nicotinate Mononucleotide

性が高いと考えられる。また、作用経路について（ NaMN ） か ら Nicotinate Adenine Dinucleotideは不明であるが、NADP+合成が Fd/Trx-m 経路を（NaAD）を経て NAD+となる最後の 2 反応を共介して抑制的に制御される点も興味深い 24)。
葉緑有している 62)。興味深いことに、NAD プールサ

体の L-aspartate を始発点として、2 回の細胞質/葉、緑体間の中間体輸送を介し、葉緑体で NADP+がNaMN 合成の上流反応の強化によって NAD プー

合成される一連の過程では、少なくとも 1 分子のルサイズが顕著に増大することが知られている。

Dihydroxyacetone phosphate （ DHAP ） と 5-

Petriacq ら は 、 de novo 経 路 の 中 間 体 で あ る

Phosphoribosyl 1-diphosphate （PRPP）に加えて 3

Quinolinate （ Qa ） の 添 加 な ら び に Quinolinate

分子の ATP が必要となる 62)。複雑な葉緑体レ

Phosphorybosyltransferase（QPT）の強化を組み合ドックス制御経路によって、促進/抑制の双方向わせることで顕著に NAD プールを増大させるこで NADP+合成を調節し、過剰な ATP の消費を巧とに成功した 63)。Wu らは salvage 経路の中間体妙に防いでいるのであろう。

イズに対して最後の 2 反応は影響が小さく

13, 15)である Nicotinate（Na）を可逆的にメチル化する
酵 素 を 同 定 す る と と も に 、 Methylnicotinate

7. おわりに（MeNA）が長距離輸送先で NAD+へと合成され過剰な光環境で電子受容体である NADP+が枯ることを見出した 64)。Qa は QPT によって 1 ス

渇すると LEF が渋滞してしまう。この時、還元

テップで NaMN へと変換され、Na は Nicotinate

力輸送によって積極的に NADPH から NADP+を

Phosphorybosyltransferase（NaPT）によって 1 ス

再生するシステムや、CEF へと電子を流すこと

テップで NaMN へと変換されることから、NaMN

で LEF の渋滞を解消するシステムによって、何供給が NAD プールサイズ制御のボトルネック

とかして NADP+を再生供給しようとする。こうである（図 6）。従って、光合成誘導期の葉緑体した応答は、足りない NADP+を新たに生合成しNADP+合成は NaMN 供給経路の活性化と連携すて NADP プールを大きくする方法が”ない”ことる必要がある。

を意味するだろうか？実際には NADP プールを

NaMN 供給に資する両経路の最も大きな違い

増大させることで強光条件での光合成活性が向は反応の場である。細胞質で進行する salvage 経

上するなどポジティブインパクトが得られる 68)。

路に対して、de novo 経路は葉緑体で進行する 65)。

それだけではなく、光環境に応答して葉緑体

すなわち、合成された NaMN は非効率ではあるNADP プールは増減を繰り返すなど、NADP ダイ

ものの、NAD+へと変換されるためには 1 度細胞

ナミクスは光合成制御の 1 モジュールとして機質へと輸送される必要がある。ここでも輸送経路能しているようである。ただし、このモジュールが不明であり、鍵となる NaMN 輸送体の同定がは NADP 合成代謝として独立した系ではなく、待たれる。しかしながら、興味深いことに de novo

NADP+の合成には ATP が必要であり、ATP の合経路の初反応である L-aspartate oxidase（LASPO）

成には電子伝達が必要である。すなわち NADPは光制御を受けるとともに、NADP+の存在によっ

プールサイズによって電子伝達が制限され、電子て酵素活性が競合的に阻害されることが知られ伝達によって NADP プールサイズが制御される

66)。さらに、次のステップを触媒する Qaという交互作用が存在している。一般的な教科書

synthase（QS）は還元環境で活性化され、葉緑体で紹介される光合成（特に光化学系）の説明図で

ている

182

光合成研究 30 (3) 2020
は、NADP+が当たり前の様に供給されるがごとく

their potential importance in stress conditions. J. Exp.

記載されているが、現実では、光合成誘導期に他

Bot. 57, 1603–1620.

のシステムと連携した綿密な de novo 供給制御過5.

程を経て存在しているのである。NAD や NADP

Hunt, L., Lerner, F. and Ziegler, M. (2004) NAD - newroles in signalling and gene regulation in plants. Newといった生命の代謝反応に不可欠な酸化還元補Phytol. 163, 31–44.

酵素は、あまりにも重要であるため細胞が生きて6.

Gakiere, B., Fernie, A.R. and Petriacq, P. (2018) More

いる限り定常的に存在するかのように錯覚する

to NAD+ than meets the eye: a regulator of metabolic

ことがしばしばある。しかし、NAD、NADP プー

pools and gene expression in Arabidopsis. Free Radic.

ルサイズは、合成と代謝とのバランス制御によっ

Biol. Med. 1873–4596 (Electronic).

て巧妙に維持されており、代謝活性の異なる器官
によってそのプールサイズも様々である

69)

7.

Imai, S. (2009) The NAD World: a new systemic。
このregulatory network for metabolism and aging -Sirt1,

数十年で合成経路や合成遺伝子の同定は進み、大systemic NAD biosynthesis, and their importance.

部分の合成経路は明らかとなったが、NAD や

Cell Biochem. Biophys. 53, 65–74.

NADP の代謝経路・制御メカニズム・輸送システ

8.

Imai, S. (2010) "Clocks" in the NAD World: NAD asムについては未だ不明な点が多い。

a metabolic oscillator for the regulation of metabolism

NADP+/NADPH 定量方法の改良や高度化に伴い、

and aging. Biochim. Biophys. Acta 1804, 1584–1590.

葉緑体 NADP プールの光応答を始めとして、様々

9.

Imai, S.I. (2016) The NAD World 2.0: the importanceな環境変動に対する細胞の NAD プールと NADPof the inter-tissue communication mediated by

プールの応答性についても明らかになりつつあ

NAMPT/NAD+/SIRT1 in mammalian aging and

る 22, 23, 70, 71)。目下のところ、 植物の NAD ワー

longevity control. NPJ Syst. Biol. Appl. 2, 16018.

ルドではプールサイズや輸送系制御メカニズム

10.

の解明が期待されている 72)。

Feitosa-Araujo, E., da Fonseca Pereira, P., Miranda
Pena, M., Medeiros, D.B., Perez de Souza, L., Yoshida,T., Weber, A.P.M., Araujo, W.L., Fernie, A.R.,
Schwarzlander, M. and Nunes-Nesi, A. (2020)

Received Oct 26, 2020; Accepted Nov 12, 2020; Published

Changes in intracellular NAD status affect stomatal

Dec 31, 2020.

development in an abscisic acid-dependent manner.
Plant J. online ahead
11.

Hunt, L. and Gray, J.E. (2008) The relationship

参考文献

between pyridine nucleotides and seed dormancy. New

1.

Phytol. 181, 62–70.

Harden, A. and Young, W.J. (1906) The alcoholic
ferment of yeast-juice. Part II. The coferment of yeast-

2.

12.

juice. Proc. R. Soc. Lond. B. 78, 369–375.

Fernie, A.R. and Dijkwel, P.P. (2008) The Arabidopsis

Belenky, P., Bogan, K.L. and Brenner, C. (2007) NAD+

onset of leaf death5 mutation of quinolinate synthasemetabolism in health and disease. Trends Biochem. Sci.

affects nicotinamide adenine dinucleotide biosynthesis

32, 12–19.
3.

4.

Schippers, J.H., Nunes-Nesi, A., Apetrei, R., Hille, J.,and causes early ageing. Plant Cell 20, 2909–2925.

Canto, C., Menzies, K.J. and Auwerx, J. (2015) NAD+13.

Hashida, S.N., Itami, T., Takahara, K., Hirabayashi, T.,

metabolism and the control of energy homeostasis: A

Uchimiya, H. and Kawai-Yamada, M. (2016)

balancing act between mitochondria and the nucleus.

Increased rate of NAD metabolism shortens plant

Cell Metab.,22, 31–53.

longevity by accelerating developmental senescence in

Noctor, G., Queval, G. and Gakiere, B. (2006) NAD(P)Arabidopsis. Plant Cell Physiol. 67, 2427–2439

synthesis and pyridine nucleotide cycling in plants and

14.

Hashida, S.N., Takahashi, H., Takahara, K., KawaiYamada, M., Kitazaki, K., Shoji, K., Goto, F.,

183

光合成研究 30 (3) 2020
Yoshihara, T. and Uchimiya, H. (2013) NAD+

15.

24.

accumulation during pollen maturation in Arabidopsis

Hisabori,

regulating onset of germination. Mol. Plant 2013. 6,

Ferredoxin/thioredoxin system plays an important role

216–25.

in the chloroplastic NADP status of Arabidopsis. Plant

Hashida, S.N., Itami, T., Takahashi, H., Takahara, K.,
Yoshihara,

T.

and

Uchimiya,

Nicotinate/nicotinamide
adenyltransferase-mediated

H.

25.

(2010)

of

26.

19.

20.

Berrin, J.G., Pierrugues, O., Brutesco, C., Alonso, B.,

species in ABA-mediated stomatal movement inencoding a NAD(H) kinase in Arabidopsis thaliana.

Arabidopsis. J. Exp. Bot. 61, 3813–3825.

Mol Genet Genomics 273, 10–19.

Gallais, S., de Crescenzo, M.A. and Laval-Martin, D.L.

27.

Chai, M.F., Chen, Q.J., An, R., Chen, Y.M., Chen, J.

(2000) Evidence of active NADP phosphatase in

and Wang, X.C. (2005) NADK2, an Arabidopsis

dormant seeds of Avena sativa L. J. Exp. Bot. 51,

chloroplastic NAD kinase, plays a vital role in both

1389–1394.

chlorophyll synthesis and chloroplast protection. Plant

Geigenberger, P. (2003) Response of plant metabolism

Mol. Biol. 59, 553–564.
28.

Chai, M.F., Wei, P.C., Chen, Q.J., An, R., Chen, J.,

Kramer, D.M., Avenson, T.J. and Edwards, G.E.

Yang, S. and Wang, X.C. (2006) NADK3, a novel(2004) Dynamic flexibility in the light reactions ofcytoplasmic source of NADPH, is required underphotosynthesis governed by both electron and protonconditions of oxidative stress and modulates abscisictransfer reactions. Trends Plant Sci. 9, 349–357.

acid responses in Arabidopsis. Plant J. 47, 665–674.

Lim, C.Z.J., Zhang, L., Zhang, Y., Sundah, N.R. and29.

Waller, J.C., Dhanoa, P.K., Schumann, U., Mullen, R.T.

Shao, H. (2020) New sensors for extracellular vesicles:

and Snedden, W.A. (2009) Subcellular and tissue

Insights on constituent and associated biomarkers.

localization of NAD kinases from Arabidopsis:

ACS Sens. 5, 4–12.

compartmentalization of de novo NADP biosynthesis.

Mi, H., Klughammer, C. and Schreiber, U. (2000)

Planta 231, 305–317.

dynamic

changes

of

NADPH

30.

Muto, S. and Miyachi, S. (1977) Properties of a protein

fluorescence in Synechocystis PCC 6803 and its ndhB-

activator of NAD kinase from plants. Plant Physiol. 59,

defective mutant M55. Plant Cell Physiol. 41, 1129–

55–60.
31.

Jarrett, H.W., Charbonneau, H., Anderson, J.M.,

Schreiber, U. and Klughammer, C. (2009) New

McCann, R.O. and Cormier, M.J. (1980) Plant

NADPH / 9-AA module for the DUAL-PAM-100:

calmodulin and the regulation of NAD kinase. Ann. N.

Description , operation and examples of application.

Y. Acad. Sci. 356, 119–129.

PAM Appl. Notes 2, 1–13.

23.

McGuinness, E.T. and Butler, J.R. (1985) NAD+

Stress induces the expression of AtNADK-1, a gene

1135.

22.

(2018)

biosynthesis protects guard cells from reactive oxygenLight-induced

21.

M.

Montillet, J.L., Roby, D. and Kazmaier, M. (2005)

to too little oxygen. Curr. Opin. Plant Biol. 6, 247–256.
18.

Kawai-Yamada,

NAD

+

17.

and

kinase - a review. Int. J. Biochem. 17, 1–11.

mononucleotide
regulationT.

J. 95, 947–960.

Nagano, M., Kawai-Yamada, M., Shoji, K., Goto, F.,

16.

Hashida, S.N., Miyagi, A., Nishiyama, M., Yoshida, K.,

32.

Dell' Aglio, E., Salvi, D., Kraut, A., Baudet, M.,

Ishikawa, Y., Kawai-Yamada, M. and Hashida, S.N.

Macherel, D., Neveu, M., Ferro, M., Curien, G. and(2020) Measurement of chloroplastic NAD kinase

Rolland, N. (2016) No plastidial calmodulin-like

activity and whole tissue NAD kinase assay. Bio-proteins detected by two targeted mass-spectrometry

protocol 10, e3480.

approaches and GFP fusion proteins. New Negative

橋田慎之介 (2018) NADP/NADPH-GloTM を用い

Plant Sci. 3-4, 19–26.

た NADP 光応答性変動の検出. プロメガ実験

33.

ノート 5, 1–2.

Tai, L., Li, B.B., Nie, X.M., Zhang, P.P., Hu, C.H.,
Zhang, L., Liu, W.T., Li, W.Q. and Chen, K.M. (2019)184光合成研究 30 (3) 2020
Calmodulin is the fundamental regulator of NADK-

34.

42.

mediated NAD signaling in plants. Front. Plant Sci. 10,

and ferredoxin-dependent metabolism. Plant Cell

681.

Environ. 36, 1071–1084.

Turner, W.L., Waller, J.C., Vanderbeld, B. and Snedden,

43.

shuttles with new perspectives. Plant Biol. (Stuttg) 21

kinases from Arabidopsis. identification of a

Suppl 1, 21–30.
44.

Heber, U. (2000) Flexible coupling between light-

Dell’Aglio, E., Giustini, C., Kraut, A., Couté, Y., Costa,

dependent electron and vectorial proton transport inA., Decros, G., Gibon, Y., Mazars, C., Matringe, M.,

illuminated leaves of C3 plants. Role of photosystem
I-dependent proton pumping. Planta, 210, 468–477.

Arabidopsis calmodulin-dependent NAD+ kinase that45.

sustains the elicitor-induced oxidative burst. Plant

102, 4913–4918.

Li, B.-B., Wang, X., Tai, L., Ma, T.-T., Shalmani, A.,

46.

Yoshida, T., Takahashi, H., Yoshimura, K. andkinases: Metabolic targets controlling redox co-

Shigeoka,

enzymes and reducing power partitioning in plant

Arabidopsis

stress and development. Front. Plant Sci. 9, 379.

AtNUDX19, impacts on the pyridine nucleotides

Takahashi, H., Watanabe, A., Tanaka, A., Hashida,status and confers photooxidative stress tolerance. Sci.

S.N., Kawai-Yamada, M., Sonoike, K. and Uchimiya,Rep. 6, 37432.
47.

Loss-of-functionofanpyrophosphohydrolase,

Yoshimura, K. and Shigeoka, S. (2015) Versatile
physiological functions of the Nudix hydrolase family
in Arabidopsis. Biosci. Biotechnol. Biochem. 79, 354–

Takahashi,

366.

H.,

Takahara,

K.,

Hashida,

S.N.,
48.

Cancela, J.M., Churchill, G.C. and Galione, A. (1999)
of

agonist-induced

Ca2+-signalling

Yamaya, T., Yanagisawa, S. and Uchimiya, H. (2009)

Coordination

Pleiotropic modulation of carbon and nitrogen

patterns by NAADP in pancreatic acinar cells. Nature
398, 74–76.

NAD kinase2 gene. Plant Physiol. 151, 100–113.

49.

Navazio, L., Bewell, M.A., Siddiqua, A., Dickinson,

Thormahlen, I., Zupok, A., Rescher, J., Leger, J.,

G.D., Galione, A. and Sanders, D. (2000) Calcium

Weissenberger, S., Groysman, J., Orwat, A., Chatel-

release from the endoplasmic reticulum of higher

Innocenti, G., Issakidis-Bourguet, E., Armbruster, U.

plants elicited by the NADP metabolite nicotinic acidand Geigenberger, P. (2017) Thioredoxins play aadenine dinucleotide phosphate. Proc. Natl. Acad. Sci.

crucial role in dynamic acclimation of photosynthesis

U.S.A. 97, 8693–8698.

in fluctuating light. Mol. Plant 10, 168–182.

50.

systems

dynamicallyGuse, A.H. and Lee, H.C. (2008) NAADP: A universal
Ca2+ trigger. Sci. Signal 1, re10.

Nikkanen, L. and Rintamaki, E. (2019) Chloroplastthioredoxin

41.

(2016)
NADPH

photosynthesis. Plant Cell Physiol. 47, 1678–1682.

metabolism in Arabidopsis plants overexpressing the

40.

S.

energy transduction through the xanthophyll cycle in

Hirabayashi, T., Fujimori, T., Kawai-Yamada, M.,

39.

Maruta, T., Ogawa, T., Tsujimura, M., Ikemoto, K.,

Liu, W.-T., Li, W.-Q. and Chen, K.-M. (2018) NAD

H. (2006) Chloroplast NAD kinase is essential for

38.

Joliot, P. and Joliot, A. (2005) Quantification of cyclic
and linear flows in plants. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.

Physiol. 181, 1449–1458.

37.

Cornic, G., Bukhov, N.G., Wiese, C., Bligny, R. and1243–1255.

Finazzi, G. and Curien, G. (2019) Identification of the36.

Selinski, J. and Scheibe, R. (2019) Malate valves: old

W.A. (2004) Cloning and characterization of two NAD
calmodulin binding isoform. Plant Physiol. 135,
35.

Hanke, G. and Mulo, P. (2013) Plant type ferredoxins

regulate

51.

Wedel, N. and Soll, J. (1998) Evolutionary conserved

photosynthesis in plants. Biochem. J., 476, 1159–1172.

light regulation of Calvin cycle activity by NADPH-

Alric, J. and Johnson, X. (2017) Alternative electron

mediatedtransport pathways in photosynthesis: a confluence ofphosphoribulokinase/CP12/glyceraldehyde-3-

regulation. Curr. Opin. Plant Biol. 37, 78–86.

185

reversible

光合成研究 30 (3) 2020

52.

phosphate dehydrogenase complex dissociation. Proc.

Weber, A.P.M., Linka, N., Fernie, A.R. and Nunes-

Natl. Acad. Sci. U.S.A. 95, 9699–9704.

Nesi, A. (2020) Downregulation of a mitochondrial

Hashida, S.N., Kawai-Yamada, M. and Uchimiya, H.

NAD+ transporter (NDT2) alters seed production and(2013) NAD + accumulation as a metabolic off switch

germination in Arabidopsis. Plant Cell Physiol. 61,

for orthodox pollen. Plant Signal. Behav. 8, e23937
53.

54.

55.

897–908.

Kawai, S. and Murata, K. (2008) Structure and61.

function of NAD kinase and NADP phosphatase: key

P.T., Nunes-Nesi, A., Trauth, A.U., Fiermonte, G.,

enzymes that regulate the intracellular balance ofTjaden, J., Agrimi, G., Kirchberger, S., Paradies, E.,

NAD(H) and NADP(H). Biosci. Biotechnol. Biochem.

Fernie, A.R. and Neuhaus, H.E. (2009) Molecular

72, 919–930.

identification and functional characterization of

Li, W.Y., Wang, X., Li, R., Li, W.Q. and Chen, K.M.

Arabidopsis thaliana mitochondrial and chloroplastic(2014) Genome-wide analysis of the NADK gene

NAD+ carrier proteins. J. Biol. Chem. 284, 31249–

family in plants. PLoS One 9, e101051.

31259.

Grose, J.H., Joss, L., Velick, S.F. and Roth, J.R. (2006)

62.

57.

The role of NAD biosynthesis in plant development

controls responses to oxidative stress. Proc. Natl. Acad.

and stress response. Ann. Bot. (Lond), 103, 819–824.
63.

Mauve, C., Guerard, F., Noctor, G., Pelletier, S., Renou,

physiological role of cyclic electron transport around

J.P., Tcherkez, G. and Gakiere, B. (2012) Inducible

photosystem I in sustaining photosynthesis under

NAD overproduction in Arabidopsis alters metabolic

fluctuating light in rice. Sci. Rep. 6, 20147.

pools and gene expression correlated with increased

Bernhardt, K., Wilkinson, S., Weber, A.P. and Linka,

salicylate content and resistance to Pst-AvrRpm1.

N. (2012) A peroxisomal carrier delivers NAD and

Plant J. 70, 650–665.

contributes to optimal fatty acid degradation during

64.

Wang, G. (2018) MeNA, controlled by reversible

Agrimi, G., Russo, A., Pierri, C.L. and Palmieri, F.

methylation of nicotinate, is an NAD precursor that(2012) The peroxisomal NAD+ carrier of Arabidopsis

undergoes long-distance transport in Arabidopsis. Mol.

thaliana transports coenzyme A and its derivatives. J.

Plant 11, 1264–1277.
65.

Katoh, A., Uenohara, K., Akita, M. and Hashimoto, T.

de Souza Chaves, I., Feitosa-Araujo, E., Florian, A.,(2006) Early steps in the biosynthesis of NAD in

Medeiros, D.B., da Fonseca-Pereira, P., Charton, L.,

Arabidopsis start with aspartate and occur in the

Heyneke, E., Apfata, J.A.C., Pires, M.V., Mettler-

plastid. Plant Physiol. 141, 851–857.

Altmann, T., Araujo, W.L., Neuhaus, H.E., Palmieri, F.,

66.

Hao, J., Petriacq, P., de Bont, L., Hodges, M. andObata, T., Weber, A.P.M., Linka, N., Fernie, A.R. andGakiere, B. (2018) Characterization of L-aspartate+

Nunes-Nesi, A. (2019) The mitochondrial NAD

oxidase from Arabidopsis thaliana. Plant Sci. 271,transporter (NDT1) plays important roles in cellular

133–142.

NAD+ homeostasis in Arabidopsis thaliana. Plant J.
60.

Wu, R., Zhang, F., Liu, L., Li, W., Pichersky, E. andstorage oil mobilization. Plant J. 69, 1–13.

Bioenerg. Biomembr. 44, 333–340.
59.

Petriacq, P., de Bont, L., Hager, J., Didierlaurent, L.,

Yamori, W., Makino, A. and Shikanai, T. (2016) A+

58.

Hashida, S.N., Takahashi, H. and Uchimiya, H. (2009)

Evidence that feedback inhibition of NAD kinase
Sci. U.S.A. 103, 7601–7606.
56.

Palmieri, F., Rieder, B., Ventrella, A., Blanco, E., Do,67.

Murthy, N.M., Ollagnier-de-Choudens, S., Sanakis, Y.,

100, 487–504.

Abdel-Ghany, S.E., Rousset, C., Ye, H., Fontecave, M.,

Feitosa-Araujo, E., de Souza Chaves, I., Florian, A., da

Pilon-Smits,

Fonseca-Pereira, P., Condori Apfata, J.A., Heyneke, E.,

Characterization of Arabidopsis thaliana SufE2 andMedeiros, D.B., Pires, M.V., Mettler-Altmann, T.,

SufE3: functions in chloroplast iron-sulfur cluster

Neuhaus, H.E., Palmieri, F., Arai Jo, W.L., Obata, T.,

186

E.A.

and

Pilon,

M.

(2007)

光合成研究 30 (3) 2020

68.

assembly and NAD synthesis. J. Biol. Chem. 282,

photosynthesis and photorespiration using NADPH

18254–18264.

and NADH/NAD+ fluorescent protein sensors. Nat.

Takahara, K., Kasajima, I., Takahashi, H., Hashida,

Commun. 11, 3238.

S.N., Itami, T., Onodera, H., Toki, S., Yanagisawa, S.,

71.

Kawai-Yamada, M. and Uchimiya, H. (2010)

mitochondrial redox state using NADH and NADPH

Metabolome and photochemical analysis of rice plants

autofluorescence. Free Radic. Biol. Med. 100, 53–65.

over-expressing Arabidopsis NAD kinase gene. Plant
69.

Blacker, T.S. and Duchen, M.R. (2016) Investigating

72.

Hashida, S.N. and Kawai-Yamada, M. (2019) Inter-

Physiol. 152, 1863–1873.

organelle NAD metabolism underpinning light

Wang, G. and Pichersky, E. (2007) Nicotinamidase

responsive NADP dynamics in plants. Front. Plant Sci.

participates in the salvage pathway of NAD

10, 960.

biosynthesis in Arabidopsis. Plant J. 49, 1020–1029.
70.

Lim, S.L., Voon, C.P., Guan, X., Yang, Y., Gardestrom,
P. and Lim, B.L. (2020) In planta study of

Photosynthesis from the viewpoint of “NAD world”:
Where does the electron acceptor NADP+ come from?

Shin-nosuke HashidaCentral Research Institute of Electric Power Industry (CRIEPI), Environmental Science Research Laboratory187

光合成研究 30 (3) 2020

表紙の紹介

イネ葉肉細胞における葉緑体の細胞内配置と立体構造に塩ストレスが与える影響
1名古屋大学大学院生命農学研究科
2
近畿大学大学院農学研究科
1
大井 崇生 、 山根 浩二 2、 谷口 光隆 1

表紙はイネ (Oryza sativa L. ‘Nipponbare’) 葉身における葉肉細胞の三次元再構築像である。樹脂
包埋した葉組織を集束イオンビーム加工装置‐走査型電子顕微鏡 (FIB-SEM) で横断方向に連続切削・撮影した断面像を基に作成した。二次元像からは細胞の一断面の情報しか得られないが、一定間隔で薄切した断面像を積み上げれば三次元の立体像となり、細胞の全体像を把握できる。イ
ネ葉身においても 1 枚の横断切片の観察では葉肉組織が複雑に入り組んだ断面を示すため、個々の細胞の形態を捉え難い。しかし、再構築した立体像を一目見れば、くびれた細胞の外形を容易に把握することができた 1)。その内部の葉緑体に着目すると、非ストレス条件下では細胞のくびれに沿って細胞膜直下を伸び広がるような形をしており、隣接する葉緑体どうしが隙間を埋めて細胞間隙に面した細胞内周を覆うように配置していた 1, 2)。二次元の切片上では、葉緑体は非ストレス条件下では弓状や凸レンズ状の断面を示す一方で、塩ストレス条件下では“膨らんだような”断面に変化することが以前から観察されていた。しかし、三次元再構築した葉緑体の立体像を元に体積値を算出したところ、非ストレス条件に比べてストレス条件の葉緑体の体積が増加していたわけではなく、実際には、真球度が高まって“丸くなる”形に変化していたことが判明した 2)。さらに、ストレス条件下の葉緑体は、局所的に陥入構造 (chloroplast pockets) 3) や突出構造 (chloroplast
protrusions) 3, 4) を形成することが見出された。これらの葉緑体の細胞内での配置や形状、そしてス
トレスに応答した構造変化を可視化し、体積や表面積などの三次元形態情報を定量比較すること
で、葉緑体が光合成をどのように最適化しようとしているのか、また環境ストレスにどのように適応しようとしているのかを理解することに繋がると期待される。詳細な結果と考察は本誌次号(2021 年 4 月) の解説記事にて紹介する予定である。
なお、本表紙は画像解析ソフトウェア (Avizo ver9.0 および Amira ver.2020.02、Thermo Fisher
Scientific) で出力した図に、PowerPoint 等で補助線等を加筆して作成した。Amira での出力に関しては伊藤栄祐氏 (Thermo Fisher Scientific) にご助力頂いており、この場を借りて感謝申し上げる。
文献1). Oi, T., Enomoto, S., Nakao, T., Arai, S., Yamane, K. and Taniguchi, M. (2017) Three-dimensional
intracellular structure of a whole rice mesophyll cell observed with FIB-SEM. Ann. Bot. 120, 21–28.
2). Oi, T., Enomoto, S., Nakao, T., Arai, S., Yamane, K. and Taniguchi, M. (2020) Three-dimensional
ultrastructural change of chloroplasts in rice mesophyll cells responding to salt stress. Ann. Bot. 125,
833–840.
3). Yamane, K., Oi, T., Enomoto, S., Nakao, T., Arai, S., Miyake, H. and Taniguchi, M. (2018) Threedimensional ultrastructure of chloroplast pockets formed under salinity stress. Plant Cell Environ. 41,
563–575.
4). Yamane, K., Oi, T. and Taniguchi, M. (2020) Three-dimensional analysis of chloroplast protrusion
formed under osmotic stress by polyethylene glycol in rice leaves. Plant Prod. Sci. 23, 160–171.

188

光合成研究 30 (3) 2020

若手の会特別企画：若手研究者の海外留学レポート！

第１１回「海外若手研究者の日本留学レポート！」基礎生物学研究所・名古屋大学
キム ウンチュル (KIM, Eunchul)
私は韓国で博士学位を取得した後、2015 年 10 月から皆川先生の研究室 (基礎生物学研究所) で光合
成生物の集光システムにおける調節機構の研究を行っています。大学院課程のうち、熊崎先生 (京都大学) との共同研究のため京都で滞在した期間を含めると約 6 年近くを日本で過ごしました。したがって、今は、韓国での研究室生活 (大学院生活) 6 年、そして日本での研究室生活 6 年のバランスをとる時期になっています。本稿では私が日本に来た経緯そして日本での留学生活を通じて感じた点を中心にお話したいと思います。

1. 日本に来る前、そして来ることになった経緯の話
私は大学で物理学を専攻し、物理、化学、材料工学、経済学分野の教授が集まって新設したエネル
ギー科学科という融合·複合学科で博士号を取りました。博士課程では太陽電池、光触媒のような光エネルギー変換システムにおけるエネルギー電子伝達ダイナミックスを研究し、その過程で細胞だけが持っているフィードバック調節機構に興味を持つようになりました。そんな中、私が M2 であり論文がまだなかった時期であるにもかかわらず、指導教授の配慮で 2010 年に北京で開かれた国際光合成学会に参加することになりました。当時の私はまだ若く (22 歳)、国外で学会に参加したのは初めてでとても不慣れな雰囲気を感じました。しかし、当時の指導教授は、「学会に参加した時は研究室の者同士で集まらずに別々に回りながら新しい人脈を作ることだ」と言って全然気を遣ってくれなくて、最初は非常に困った状況でした。しかしそのおかげで熊崎先生, 柴田先生, 浅井さん, 近藤さん、野地さん
及び日本の学生たちと夕飯を一緒に食べる機会を持つようになり (どのように夕飯を一緒に食べるよ
うになったかは記憶がありません...，たぶん私がかわいそうに見えて連れて行ったのだと思います…)
このような縁が今まで続いています (図１)。結果的に見ると、学会で学生を放置していた指導教授の戦略が成功したと思われます。また、そこで現在のボスである皆川先生のステート
遷移に関する発表を通じて、博士号の主要研究アイデアを得ました。その後、ステー
ト遷移研究を行って得た中間結果を、奈良で開かれた国際学会で発表しました。そこで熊崎先生とのディスカッ
ションを通じて共同研究を構想するようになり、このよ
うな縁が日本で研究を始めるきっかけになりました。
図 1 北京で晩ご飯中の写真（2010 年 国際光合成学会）

189

光合成研究 30 (3) 2020
2. 学生として京都での話博士の指導教授、熊崎先生、寺島先生のご配慮のおかげで、京都に住みながら実験を行う機会を得ました。このとき京都で研究した経験は、研究結果だけでなく私の考え方にも大きな転換点になりました。私が感じた最初の印象は、先生たちが学生たちにフレンドリーで遠慮なく過ごしているという感
じ (韓国に比べて) を受けました。これを通じて、学生たちがより自分の意見を表出しやすい環境だと感じました。特に、私が在留した研究室の学生たちは皆積極的な感じでした。このような環境は私を変え、韓国に帰った時、指導教授は私が日本に行ってきたら自信がついたと言いました。
2.1. 研究の話
京都では熊崎先生の分光顕微鏡を使って、室温で生きている植物細胞のステート遷移を空間的に分析する研究を行いました。当時の私は protoplast isolation 技術を習得していたので、protoplast を活用することで細胞壁などによる散乱を減少させ、イメージングのクオリティを高める方法を取りました。
伊福先生の協力を得て、protoplast 状態でもステート遷移が起こることを検証し、蛍光再吸収の量を定量化して補正する方法を開発しました。その結果、室温下における光化学系 I と光化学系 II の蛍光ス
ペクトルを分析する数式等を開発することに成功しました。これにより、光化学系 I と光化学系 II の間にあるアンテナ分配機構の空間的、定量的な解析を可能にし、ステート遷移のメカニズムを解明しました (Kim et al. 2015 Plant Cell Physiol.)。
2.2. 生活の話
初めて外国に住んで過ごす生活でしたが、教授、学生たち、そして事務職員の方々がとても親切にしてくださって、大きな不便なく過ごすことができました。特に毎日の昼食を熊崎先生と一緒にとったことが記憶に残っています。この時間を通じて研究及び生活に対する話をよく交わし、日本文化および言語についてもたくさん学びました。学生たちともよく飲み会をしながら楽しい時間を過ごし、この過程を通じて居酒屋のメニューを早く読める特技を習得しました。いまさら感じますが、京都は外国人留学生が生活するにはベストな環境だったと思います。日本の雰囲気を感じられる観光地とおい
しい食べ物が多く、観光客が多いため日本語ができなくても生活に大きな不便はなかったです。

3. ポスドク研究員として岡崎での話
博士学位を取得した後、岡崎にある基礎生物学研究所・皆川先生の研究室で研究を始めました。最初は短期間の契約でしたが、皆川先生のサポートで外国人学振 PD と NIBB リ
サーチフェローを受けることができ、現在まで研究を遂行できるようになりました。私が研究室に初めて合流した時は多様な分野 (分子生物学、生化学、構造生物学、生理学など)を専攻した研究員がいて (図２)、より早く多様な分野を理解することができたと思います。
図 2 皆川研のクループ写真（2017 年度）

3.1. 研究の話
私は、藻類(緑藻:Chlamydomonas reinhardtii、紅藻:Cyanidioschyzon merolae)および植物 (シロイヌナズ
ナ、ホウレンソウ) の光捕集システムおよび光防御機構を研究してきました。緑藻はストレスによって誘発される集光性タンパク質 (Light-harvesting complex stress related: LHCSR) を用いて光化学系 II の過剰エネルギーを散逸する光防御機構を調節しています。緑藻の LHCSR は UV で発現が誘導される
LHCSR1 と青色光で発現が誘導される LHCSR3 があります。しかし、LHCSR1 と LHCSR3 がどのように光化学系 II の過剰エネルギーを散逸しているのか、またその作動メカニズムは不明でした。私たちは LHCSR1 と LHCSR3 を持っていない変異株を用いて生化学および分光分析を行い、LHCSR1 およびLHCSR3 の作動メカニズムを明らかにする研究を行いました (Kim et al. 2017 J. Biol. Chem.、Kosuge et190

光合成研究 30 (3) 2020
al. 2018 Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.)。また、光化学系タンパク質複合体のような膜タンパク質複合体内結合の強さを分析するための新しい分析方法を開発し、膜タンパク質間結合の強さという新たな視点での分析を可能にしました (Kim et al. 2018 J. Phys. Chem. B、Kim et al. 2019 J. Phys. Chem. Lett.)。さらに、植物の光化学系 II 集光性タンパク質 (Light-harvesting complex II: LHCII) の特徴である正電荷を帯
びた N-ターミナルが LHCII 依存光防御機構に重要な役割をしていることを明らかにしました (Kim etal. 2020 J. Phys. Chem. Lett.)。そして、半結晶性アレイ形態の PSII 超複合体 (PSII 超複合体の三量体) を分離することに成功し、PSII 超複合体の配列形態によって集光性質が調節されることを明らかにしま
した (Kim and Watanabe et al. 2020 J. Biol. Chem.)。
3.2. 生活の話
硏究員という身分での硏究室生活は、学生という身分の時と比べると少し差がありましたが、京都と同じように皆さんの親切さに支えられて早く慣れることができました。特に、人で混雑しているソ
ウルや京都と違って、人通りが少ない岡崎の平和な生活に魅力を感じました。しかし、京都とは違って岡崎では外国人や観光客が少ないため英語だけで生活するのには不便さが多かったです。そこで、私は研究室の外部では英語を使わないという覚悟で生活しながら日本語を習いました。日本語を覚える
ためには、子供のように聞き、噛み、習いましたが、その度に研究室の人達が親切に説明してくださって感謝しています。そういうみなさんのおかげで、今年日本語検定能力試験 1 級を獲得しました。

4. 日本での生活の中で違うと感じたこと
全世界の国を比べると、日本と韓国はかなり近くて似たような点が多いですが、それにも違いがあるので、このパートでは私が研究室の生活と日常生活で感じた違いについて話そうと思います。まず、私の経験を通じてすべてのことを一般化することはできないので、その点を考慮して見ていただきたいです。
4.1. 研究室生活で違うと感じたこと「日本の大学院生は学生 (？)、韓国の大学院生は被雇用者 (？)」
日本と韓国の研究室生活を通じて一番先に感じたのは大学院生に対する認識の違いでした。韓国での大学院生は学科 (大学) と指導教授の研究費から給与 (理工系の場合はほとんどが) を受ける被雇用者 (？) のような立場でした。給与は指導教授の決定によって大きく左右されるので雇い人の立場のようになりますが、別にアルバイトをしなくても生活が十分に維持される程度でした。そのため、指導教授は大学院生がアルバイトをするのを良い目で見ない雰囲気でした (私はアルバイトしている大学院生は見たことはありませんでした)。一方、日本では多くの大学院生がアルバイトをして、授業料や生活費を自費で支払っているという話を聞いて驚きました。そのため、韓国の大学院生は経済的余裕があるが自由が不足し、日本の大学院生は経済的余裕が不足しているが自由があるという感じを受けました。どちらも長所と短所があると思います。
「日本ではキムさん、韓国ではキム博士」
韓国の大学院生は被雇用者のような立場で厳しい過程を歩きますが、博士号を授与すると呼称が「○○博士」に変更になりました。同じ研究室でも年上には○○博士様、年下には○○博士と呼びました。
また、教授（助教と准教授を含む）の場合は、助教も○○教授様という呼称で呼ばれていました。一方、日本では学生が博士を呼ぶときはもちろん、助教と准教授を呼ぶときも○○さんと呼ぶことに少し驚きました。最初は適応できず研究室の助教と准教授にも先生と呼びましたが、今はある程度システムを理解して呼ぶ方法を考えています。呼び方である程度フラットな関係を持って研究をするのは良いことだと思います。

191

光合成研究 30 (3) 2020
4.2. 日常生活で違うと感じたこと「食文化の違い」
食文化に関する話ですが、私は最初から日本の食文化にすごく早く適応しました。日本の食べ物だけ食べても生きていけるぐらい日
本の食べ物が好きです (図３)。その中で、韓国に一時帰国した時、日本食文化に適応していた私に起こった変化を見つけました。私がいつも注文して食べているお弁当は辛さがほぼゼロのため、それに適応し、辛いものが食べられなくなっていました。この変化から、日本の食べ物の中では辛いものが少ないこと (私がいつも注文しているお弁当屋さんが特別かもしれないですが) を感じました。
そして、ご飯を食べる時のお茶碗の持ち方に違いがあります。日本ではお茶椀を手で持って食べるのがマナーだと学びましたが、韓国では手で持たない方がマナーで持つのは
図 3 好きな日本の食べ物
むしろ良くないと考えられます (特に年上の人の前では)。京都で熊崎先生と韓国の指導教授と一緒にご飯 (和食) を食べる時も、熊崎先生は手で持って韓国の指導教授は手で持たないままご飯を食べていましたので、私はどうした方が良いのかを少し悩んだ記憶があります。結局、ここは日本なので、日本のルールに従う方を選びました。その後は、韓国の指導教授も気づいて、同じ方法でご飯を食べました。
「カラスが多い」
京都と岡崎が特別かもしれないですが、カラスがすごく多いことに驚きました。韓国のソウルにはカ
ラスはあまりいなく (実際に見た記憶がないです)、ハトが多いです。この点は今も適応できなくて、
ちょっと怖いです。

5. おわりに
この原稿を執筆するのは、私が再び初心を思い浮かべる刺激になりました。韓国では光合成研究者がほとんどいなくて、光合成を研究するのはすごく孤独でしたが、日本では優秀な研究者が多く、とても楽しく研究ができました。特に、ひらがなも読めなかった私が、今まで研究を続け、日本で生活ができたのは、多くの方から配慮と支援をもらったおかげだと思います。最近は両国の政治的な関係があ
まり良くない状態ですが、それにかかわらず研究室の皆さんも光合成学会の皆さんもそして研究所外部の皆さんもすごく親切にしてくださって、心から感謝しています。特に、私の研究と生活にご支援く
ださっている皆川先生と熊崎先生に感謝の気持ちを伝えたいです。私がもらった分を光合成研究会と日本の社会に恩返しするために私の役割で貢献できるように頑張ります。最後に、この原稿を執筆するきっかけを下さった若手の会会長の清水隆之先生と渡辺麻衣先生にこの場を借りて深くお礼申し上
げます。

192

光合成研究 30 (3) 2020

報告記事
「日本光合成学会オンラインミニシンポジウム〜諸刃の剣：光合成との付き合い方〜」開催報告
静岡大学
成川 礼、粟井 光一郎、本橋 令子
2020 年 9 月 18 日（金）午後 15 時から、Zoom ウェビナー によって「日本光合成学会オンラインミニシンポジウム 〜諸刃の剣：光合成との付き合い方〜」が開催されました。このミニシンポジウムは本来であれば、5 月 30 日から二日間に渡って開催される予定であった第 11
回日本光合成学会年会のシンポジウムの一つとして企画されたものです。残念ながらコロナ
禍の影響で年会そのものが中止になってしまったため、このような形での開催となりました。
主催者として Zoom ウェビナーを利用するのは初めてであり、不手際もあったかと思います
が、皆様のお陰で総勢 144 名の参加があり、盛会となりました。
今回のシンポジウムは「諸刃の剣：光合成との付き合い方」と題して、エネルギー獲得のための極めて重要な代謝でありながら、細胞への負荷も大きいという光合成の二面性に着眼し、新進気鋭の 3 人の研究者の方々（東大・神保晴彦さん、京大・神川龍馬さん、東大・清水隆之さん）に最先端の研究内容を紹介いただきました。対象とする生物材料はシアノバクテリ
アから藻類・陸上植物まで、現象としても反応中心の修復、葉緑体の縮退進化や形成制御まで幅広い内容のシンポジウムとなりました。研究会の発表の様子については、東京工業大学の XXX さんに報告記事としてまとめてもらいましたので、詳しくはそちらをご覧ください。
シンポジウム終了後は、それぞれの発表者毎に 3 会場に区切った Zoom 懇親会を開催し、最終的には 1 つの会場に集約された上で、深夜まで活発な議論が続いたようです。
来年の光合成学会年会およびシンポジウムこそは、静岡大学で開催されるべく準備を進めていますが、コロナ禍の状況に鑑みて、その開催形態については柔軟に対応したいと考えています。開催方法の如何に関わらず、皆様と議論ができるのを楽しみにしています。

Zoom ウェビナー の様子
左から神保さん、神川さん、清水さん

193

光合成研究 30 (3) 2020

報告記事
「日本光合成学会オンラインミニシンポジウム〜諸刃の剣：光合成との付き合い方〜」に参加して東京工業大学生命理工学院
鶴巻 達大
令和 2 年 9 月 18 日に開催された光合成学会オンラインミニシンポジウム「諸刃の剣：光合成との付き合い方」に参加しましたので、その参加報告をします。本年は、新型コロナウィ
ルス感染症の拡大に伴い光合成学会年会やセミナーなどがオンサイトでの開催ができなくなるという状態でした。毎年、光合成学会年会と若手の会に参加し、諸先生方および若手研究者の方々とお話することが研究のモチベーションの一つになっていたので今年度は本当に残念でした。そんな中でも、オンラインミニシンポジウムをオーガナイズしてくださった静岡大学の成川礼先生、粟井光一郎先生および本橋令子先生には、この場を借りて心より感謝申し上げます。
本シンポジウムでは、東京大学の神保晴彦先生と清水隆之先生そして京都大学の神川龍馬
先生からご講演いただきました。以下、演題名の列挙になってしまいますが、神保先生からは「光化学系 II 修復におけるタンパク質と脂質の代謝回転」、神川先生からは「微細藻類における光合成能の喪失と葉緑体縮退進化」、清水先生からは「葉緑体形成の制御に関わる葉緑体から核へのシグナル伝達」と題した最新の研究成果をお話しいただきました。演題名からも想像できるように、本シンポジウムではシアノバクテリア、微細藻類そしてシロイヌナ
ズナと研究対象の生物種に多様性が富んでいたのが特徴的で、とても興味が広がるお話ばかりでした。神保先生は、以前より研究されてきたシアノバクテリア光化学系 II の光阻害および修復機構に脂質というファクターを取り入れて研究を拡張されており、私の研究につながるところもありとても勉強になりました。神川先生のご講演ではこんな生き物がいるのかと驚くと同時に、光合成生物の進化と多様性、特に共生のプロセスは果てしなく面白いなあと感じました。最後に、清水先生のご講演では葉緑体レトログレードシグナルという大きな課
題を私のような凡人では真似できないような生化学的アプローチで解明されており、勉強させていただきたいと感じてしまいました。私個人的な感想の羅列になってしまいましたが、
本シンポジウムで分子レベルから進化と多様性まで大変多くのことを学ぶとともに、まだまだ未解明な部分があるなとモチベーションができました。最初に述べましたオンサイトでの開催がなくなって生じた残念な気持ちも吹き飛びました。
最後になりますが、本ミニシンポジウムの開催の提案から運営までを行っていただいた諸先生方には再度心から感謝申し上げます。新型コロナウィルス感染症の一日も早い収束を願うとともに、学会員の皆様にお会いし研究の議論ができる日を心待ちにしております。

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光合成研究 30 (3) 2020報告記事
第 21 回若手の会セミナー開催報告東京大学 大学院総合文化研究科
清水 隆之「若手に発表の機会を」という思いで開催した今回のセミナーは、10 月 9 日（金）に Zoomを利用したオンラインセミナーとして開催し、総勢 40 名以上の参加がありました。セミナーに参加して感じたことなどを名古屋大の木下悟さんに報告記事としてまとめて頂いたので、セミナーの詳しい様子はそちらをご覧ください。
コロナ禍で、光合成学会を含めた学会が軒並み中止になり、学生や若手研究者の発表・交流の機会がなくなってしまいました。若手の会として研究交流の機会を作りたいと考えていたところ、成川さん、粟井さん、本橋さんのご尽力で、本会のオンラインミニシンポジウム
が企画・開催されました。これを受け、若手の会でもオンラインセミナーを開催することにいたしました。今回のセミナーでは、恒例企画「先輩研究者に聞いてみよう」での基礎生物学研究所の高橋俊一さんのご講演に加え、学生・若手研究者からの発表を公募いたしました。
その結果、大阪大の田中謙也さん、埼玉大の湯浅光貴さん、名古屋大の木下悟さん、東工大の鶴巻達大さんに発表いただけることになりました。4 名とも、それぞれ非常に興味深い研究
内容で、質疑応答では活発な議論が繰り広げられました。どの発表でも時間をオーバーしていたことから、参加者の皆さんは研究発表・交流に飢えていたんだと、都合よく感じ取りました（笑）。高橋さんのご講演も、非常に面白く、若手にとって今後の参考になるお話でした。研究者という職業は、コロナ禍のような影響は受けにくいと思いますが、アカデミックの職に就くには一般の社会人とは違う苦労があります。今回のご講演から、研究者としてやっていくための考え方の 1 つを学ばせていただきました。セミナーの最後には、恒例の参加者
全員の自己紹介を行いました。誰が何の研究をしているか知る良い機会になったと思います。
セミナー後は、交流会をオンラインにて行いました（Zoom で 3 部屋用意）。20 名ほどの方が参加してくださり、研究内容やコロナ禍での研究活動などの真面目な話から他愛ない雑談
まで、夜遅くまで話題は尽きませんでした。
今回のセミナーを通して、オンラインはオンラインなりに良い点もあり、このような形式のセミナー・交流会も悪くないと感じました。ただ、やはりそろそろ対面でのセミナー・交
流会を開催したいところでもあります。次回のセミナーは未定ですが、世の中の情勢を見極めながら、検討していきたいと思います。今後とも、若手の会をよろしくお願いいたします。
最後になりますが、幹事への参加は自由ですので、一緒に運営したいという方がいらっしゃいましたら、お気軽にご連絡いただけたら幸甚です（清水：ctshimizu@g.ecc.u-tokyo.ac.jp）。

195光合成研究 30 (3) 2020

報告記事
光合成学会

若手の会

第２１回セミナーに参加して名古屋大学 理学研究科 生命理学専攻 植物生理学グループ
博士課程後期２年 木下 悟

2020 年 10 月 9 日に Web 会議ツール Zoom での光合成学会若手の会 第２１回セミナーが開催され、有志の若手４人による研究発表、特別企画として基礎生物学研究所 准教授 高橋俊一さんによるご講演と、参加者全員の自己紹介が行われました。セミナー後には、有志での懇親会があり、オンラインながらも活発な交流をすることができました。
私は今回初めて光合成学会若手の会に参加させていただき、「葉における光合成と糖依存的な細胞膜 H+-ATPase 活性化機構の解析」について発表をしました。シロイヌナズナにおける光合成依存的な葉肉細胞の細胞膜 H+-ATPase の活性化機構について、光合成糖依存的なSAUR 転写物を介した活性化機構を中心に発表をしましたが、一部、活性化を引き起こす糖類の議論もしたところ、質問者の方から ATP を介した直接的な制御についての意見や糖代謝に関わる研究へのエールも頂くことが出来ました。懇親会でも葉肉細胞での H+-ATPase の生理的な役割や、シロイヌナズナでの H+-ATPase の素早い活性化に興味を抱いてくださり、研究室内では得られない意見や反応を多く頂くことが出来ました。
特別企画では、基礎生物学研究所の高橋俊一さんが「楽しい研究ライフ」というタイトル
でご講演され、現在までに行われた研究の内容や現在のポジションになるまでの波乱万丈な経験を、時折ユーモアを交えながら、お話いただきました。特に基礎生物学研究所でのポス
ドク生活やオーストラリアの研究文化の違いなどのお話は今後の若手研究者がキャリアパス
や研究生活を考えるうえで非常に貴重な経験となりました。
会の最後には、参加者４０人近くで一人一枚のスライドを用いて自己紹介を行いました。
この自己紹介では研究紹介を少し交えていたので、光合成と一言で言っても様々な視点から研究が行われているということを実感し、光合成に関わる研究分野の多様さと奥深さに触れられた貴重な機会となりました。オンラインならではなのか、海外から参加している方もいらっしゃったのが印象的でした。
総じて、自分とは異なる視点で光合成を研究している方々と議論を重ね、多角的に光合成という現象を捉えることが出来るようになるのが、この若手の会の強みだと強く感じました。
セミナーの主催及び本稿を執筆する機会を与えて頂きました清水隆之先生を初め、セミナー
関係者の方々と、セミナー参加者の皆様にこの場をお借りしてお礼申し上げます。

196

光合成研究 30 (3) 2020

新刊紹介
『藻類 生命進化と地球環境を支えてきた奇妙な生き物』
著者：Ruth Kassinger、訳：井上 勲、イラスト：Shanthi Chandrasekar
装幀：吉野 愛、384 頁、築地書館、2020 年 9 月発行、3,300 円
構成：第１部 藻類と生命誕生 第２部 海藻を食べる人々 第３部 高まる藻類の可能性 第４部 藻類をとりまく深刻な事態（詳細目次は、
http://tsukiji-shokan.co.jp/mokuroku/ISBN978-4-8067-1605-1.html を参照）
著者は、科学、園芸、歴史などの啓蒙書を執筆している作家で、本書では世界各地での取材や文献調査をもとに、一般的には掴みどころの無い存在である「藻類」にまつわる幅広い話題を紹介している。その中には、巻き寿司の海苔（紅藻）、味噌汁のワカメ（褐藻）、合鴨農法に組み込まれた窒素固定藍藻など日本の藻利用の話題も登場する。
今回紹介する『藻類』は翻訳書ということで、原著の USA 版と UK 版を取り寄せ３冊を並べた。カバーの装いは三者三様である。
“SLIME: How Algae Created Us, Plague Us, and Just Might Save Us”, 2019,
Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company (301 pp.) 和訳の元になった
原著 USA 版（写真は Mariner Books 発行のペーパーバック版。ハードカバー版、Kindle 版、
Audible 版も発売）で、カバーには海藻のモチーフが描かれている。
“BLOOM: From Food to Fuel, The Epic Story of How Algae Can Save Our World”, 2019, Elliott &Thompson Limited (380 pp.) この UK 版のカバーの表と背にはエンボス加工された微細藻が散りばめられ、佇まいの美しい本になっている。また、挿絵や扉絵として使われている藻やサンゴのイラスト（鉛筆細密画）は他２冊とはアレンジが異なっている。このイラストを描いた S. Chandrasekar はペン画の作品で活躍している画家で、“The 10th Annual Art of
Neuroscience Contest”での Scientific American's Editor's Pick など、数々の賞を獲得している。
『藻類 生命進化と地球環境を支えてきた奇妙な生き物』 カバーには Volvox の博物画（スイスの植物学者 Arnold Dodel-Port & Carolina Dodel-Port の 1878 年の作品）が大胆にレイアウ
トされ、インパクトのある表紙デザインになっている。訳書の目次では、内容が分かり易い
ように言い換えやオリジナルには無い見出しの追加がされており、本選びの際には役に立つ。
光合成分野の研究で古くから活用されてきた藻類は、培養法や解析手段の積み重ねにより、
水分解、電子伝達、Z-スキームモデル、カルビン・ベンソン回路など酸素発生型光合成生物に普遍的な重要知見をいくつも提供してきた。当学会員は光合成研究に役立つ藻についての基
礎情報を望まれることが多いと思われるが、多くの系統群が寄せ集められている藻類の分類名や用語などの使い分けには困ることもありうる。そのような場合には、本書の訳者が執筆・編集された『藻類 30 億年の自然史 - 藻類からみる生物進化・地球・環境』（東海大学出版会）、『藻類ハンドブック』（エヌ・ティー・エス）を併せて参照することをお奨めする。
（村上明男・神戸大学）

197

光合成研究 30 (3) 2020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。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、会費を納入ください。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。会費納入状況などにつきましては、ご遠慮なく事務局（sonoike@waseda.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。

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光合成研究 30 (3) 2020日本光合成学会会員入会申込書
年月日

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、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非承諾項目に×印をつけてください

氏名（必須）

振り仮名
漢字表記
ローマ字表記[] 所属[] 所属住所（学生の方は、なるべく研究室名までお願いします）〒[

会誌送付先住所（必須）□ 所属先住所と同じ □ 以下の住所に送付] 〒[] 連絡先電話番号[] E-mail（必須）□ 会費納入済み（振り込み年月日）□ 会費振り込み予定（振り込み予定年月日）

年
年

月
月

日
日

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）（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〒606-8502 京都府京都市左京区北白川追分町
京都大学 理学部研究科 鹿内利治 研究室内

日本光合成学会
TEL : 075-753-4247, FAX : 075-753-4257, ホームページ: http://photosyn.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

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光合成研究 30 (3) 2020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。

200

光合成研究 30 (3) 2020

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。

日本光合成学会の役員選出に関する申し合わせ

平成 27 年 5 月 27 日 幹事会
１．選挙管理委員会
本会の選挙を公正に実施するため、選挙管理委員会を置く。選挙管理委員 2 名は常任幹事会が幹事会に推薦し、決定する。選挙管理委員の互選により委員長を選出する。
２．会長［会則第５条第６項］
１）幹事および常任幹事による若干名の候補者の推薦方法
幹事は、会長選挙に推薦する候補者としてふさわしい会員を 3 名連記で投票する。投票結果が上位の会員について、常任幹事会は、本人の意向を確認した上で、若干名を推薦候補者として決定する。選挙事務は事務局長が執り行う。
２）会長選挙会長選挙の実施に当たっては、会員に推薦候補者を提示し、全会員による単記無記名投票を実施する。
最高得票者を、次期会長とする。得票数が同数の場合は、抽選により決定する。選挙事務は選挙管理委
員会が執り行う。

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。

201

光合成研究 30 (3) 2020

「光合成研究」
総則
1. 「光合成研究」（本報）は光合成に関連する諸分野における記事を掲載する。
2. 1 年に 3 回（4 月、8 月、12 月号）冊子体として発行し、電子版を光合成学会のホーム
ページ上に公開する。
3. 原稿が E-mail において受付処理をされた日を以て受付日とし、編集委員が掲載可と判断した日を採択日とする。ただし原稿が本規定に合わない場合受け付けないことがある。
4. 編集委員は、原稿の審査に際し、原則的に適切な査読者を選んで査読を依頼し、掲載の可否を判断する。
5. 掲載論文の著作権（冊子体および電子版）は日本光合成学会に属する。
6. 図やそこで使われる写真が過去論文として発表したものもしくは発表されたものであった場合は、それらの著作権問題を著者ら自身でクリアする必要がある。
7. 投稿に当たっては、全ての著者が投稿に同意し、かつ原稿の内容について責任を持たなければならない。また、全ての著者は代表著者が全著者を代表して原稿の掲載に関する事項を執り行うことに同意するものとする。
一般的事項(1) Microsoft Word ファイルを基本とする。
字数制限は設けないが、「解説」は A4
サイズ 6〜8 ページ、「トピックス」、「研究紹介」は 4 ページ程度を目安にする。1 ページ当りの文字数は、図表を含めて 1800 字程度。日本語は MS 明朝、英数字は Times New Roman とする。
(2) 本文の最初に、日本語および英語での論
文題名、著者所属機関名、氏名を記載する。
(3) 句読点は「 、 」「 。 」に統一する。
(4) 300 字程度の日本語要旨を作成すること。
(5) 参考文献、表、図のキャプションは、本文の後ろにつける。

投稿規定(6) 本文中に図の大体の位置を指示する。
（図を貼り付けてもよい。）
参考文献(1) 参考文献は、本文中の該当箇所に、右上付きで、1)、1,2)、1–3) のように示す。
(2) 参考文献の表記は下記のとおりとする。
雑誌例
1. Berthold, D.A., Babcock, G.T. and Yocum,
C.F. (1981) A highly resolved, oxygenevolving photosystem II preparation fromspinach thylakoid membranes. EPR andelectron-transport properties. FEBS Lett.
134, 231–234.
2. Nanba, O. and Satoh, K. (1987) Isolationof a photosystem II reaction center
consisting of D-1 and D-2 polypeptides
and cytochrome b-559. Proc. Natl. Acad.
Sci. U.S.A. 84, 109–112.

書籍例
3. Diner, B.A. and Babcock, G.T. (1996)
Structure,dynamics,
andenergyconversion efficiency in photosystem II, in
Oxygenic Photosynthesis: The Light
Reactions (Ort, D.R. and Yocum, C.F.,
Eds.) pp 213–247, Kluwer, Dordrecht, The
Netherlands.
図／写真(1) 図、写真はグレースケールでも良い場合には、グレースケールで作成する。カラーの図や写真を希望する場合には、カラーの図や写真を送付すること。図や写真の枚数によっては、編集委員会との相談により、PDF 版ではカラーになるが、冊子体ではグレーになる場合がある。
(2) jpg あるいは tiff 形式等で本文とは別ファ
イルとして送付すること。解像度は 300
dpi 程度とする。

日本光合成学会「光合成研究」編集委員会
2017 年 12 月 23 日改訂

202光合成研究 30 (3) 2020

幹事会名簿
秋本 誠志

神戸大学大学院理学研究科

田中 歩

北海道大学低温科学研究所

粟井 光一郎静岡大学学術院理学領域

田中 寛

東京工業大学化学生命科学研究所

池内 昌彦

東京大学大学院総合文化研究科

田中 亮一

北海道大学低温科学研究所

石北 央

東京大学大学院工学研究科

民秋 均

立命館大学総合理工学院

泉井 桂

近畿大学生物理工学部生物工学科

田茂井 政宏近畿大学農学部生物機能科学科

伊藤 繁

名古屋大学

都筑 幹夫

東京薬科大学生命科学部

井上 和仁

神奈川大学理学部

出羽 毅久

名古屋工業大学大学院工学研究科

伊福 健太郎京都大学大学院生命科学研究科

寺島 一郎

東京大学大学院理学系研究科

得平 茂樹

東京都立大学院理工学研究科

鞆 達也

東京理科大学理学部

大岡 宏造

大阪大学大学院理学研究科

仲本 準

埼玉大学大学院理工学研究科

太田 啓之

東京工業大学生命理工学院

永島 賢治

神奈川大学

大友 征宇

茨城大学理学部

成川 礼

静岡大学学術院理学領域

大政 謙次

東京大学大学院農学生命科学研究科

南後 守

大阪市立大学大学院理学研究科

小川 健一

岡山県農林水産総合センター

西田 生郎

埼玉大学大学院理工学研究科

生物科学研究所

西山 佳孝

埼玉大学大学院理工学研究科

小俣 達男

名古屋大学大学院生命農学研究科

野口 航

東京薬科大学生命科学部

垣谷 俊昭

名古屋大学

野口 巧

名古屋大学理学研究科

菓子野 康浩

兵庫県立大学理工学部

長谷 俊治

大阪大学蛋白質研究所

柏山 祐一郎

福井工業大学環境情報学部

林 秀則

愛媛大学プロテオサイエンスセンター

金井 龍二

埼玉大学

原 登志彦

北海道大学低温科学研究所

神谷 信夫

大阪市立大学複合先端研究機構

彦坂 幸毅

東北大学大学院生命科学研究科

熊崎 茂一

京都大学大学院理学研究科

久堀 徹

東京工業大学研究院化学生命科学研究所

栗栖 源嗣

大阪大学蛋白質研究所

日原 由香子

埼玉大学大学院理工学研究科

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 亘

岡山大学資源生物科学研究所

古本 強

龍谷大学農学部

佐賀 佳央

近畿大学理工学理学科

牧野 周

東北大学大学院農学研究科

櫻井 英博

早稲田大学

増田 真二

東京工業大学

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 建

東京大学大学院総合文化研究科

鹿内 利治

京都大学大学院理学研究科

松浦 克美

東京都立大学都市教養学部

篠崎 一雄

理化学研究所植物科学研究センター

松田 祐介

関西学院大学理工学部

嶋田 敬三

東京都立大学

真野 純一

山口大学農学部

沈 建仁

岡山大学異分野基礎科学研究所

皆川 純

基礎生物学研究所

杉浦 昌弘

名古屋大学

宮尾 光恵

東北大学大学院農学研究科

杉浦 美羽

愛媛大学プロテオサイエンスセンター

宮下 英明

京都大学大学院地球環境学堂

杉田 護

名古屋大学遺伝子実験施設

宗景（中島） ゆり 関西学院大学理工学部

杉山 達夫

名古屋大学

村田 紀夫

基礎生物学研究所

鈴木 祥弘

神奈川大学理学部

本橋 健

京都産業大学総合生命科学部

園池 公毅

早稲田大学教育学部

本橋 令子

静岡大学学術院農学領域

高市 真一

東京農業大学生命科学部

矢守 航

東京大学大学院農学生命科学研究科

高橋 裕一郎

岡山大学異分野基礎科学研究所

和田 元

東京大学大学院総合文化研究科

高林 厚史

北海道大学低温科学研究所

バイオ研究基盤支援総合センター203

光合成研究 30 (3) 2020

編集後記
この一年は世界中でコロナ禍に耐える苦渋の一年となりました。来年以降もまだまだ耐える時間は続くと思いますが、その中でも皆さんが可能な範囲で研究が進められることを願っております。今号に報告が掲載されていますように、光合成学会主催オンラインミニシンポジウムに加え、オンライン
若手の会も開催されました。ともに盛会となり、このような状況においても光合成研究の勢いは、衰えていないどころか活況であると実感しています。
さて、今号は、前号の表紙を飾った牧野さんのトピックス記事、2019 年光合成学会年会でポスター賞を受賞された湯浅さんのトピックス記事に加えて、1 報のトピックス記事と 2 報の解説記事が掲載されています。今号も様々な光合成生物を対象に多彩な話題を扱った力作が揃い、素晴らしい号に仕上がったと思います。今号に関するご意見や本誌に対するご要望がございましたら、ぜひ次期編集長である宗景さんまでご連絡ください。
また、研究紹介や解説を随時受け付けておりますので、奮ってご投稿ください。表紙に適した写真もよろしくお願いします。
伊福さんからバトンを受けてから二年間の私の編集長業務も今号が最後となります。歴代編集長が築いた素晴らしい営みを引き継ぎ、さらに宗景さんへと受け渡すことができ安堵しています。優秀な
編集委員の方々に支えていただいたお陰で、充実した誌面を提供できたと思います。個人的には、専門家が執筆した総説を掲載する和文誌の存在は、分野への新規参画者や初学者の学生さんたちにとって非常に有益であり、分野の裾野を広げる上で極めて重要と考えています。「光合成研究」の編集から手は離れますが、今後も「光合成研究」が盛り上がるべく、一著者、一査読者、一読者として貢献していく所存です。
編集長・成川 礼（静岡大学）

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。書評も歓迎します。
記事の掲載を希望される方は、編集長の成川（narikawa.rei@shizuoka.ac.jp）までご連絡ください。

204

光合成研究 30 (3) 2020
「光合成研究」編集委員会
編集長
編集委員
編集委員
編集委員

成川 礼（静岡大学）
高林 厚史（北海道大学）
宗景 ゆり（関西学院大学）
矢守 航（東京大学）

日本光合成学会 2020年度役員
会長
事務局長

鹿内 利治（京都大学）
園池 公毅（早稲田大学）

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

久堀 徹（東京工業大学）
次期会長
古本 強（龍谷大学）
年会 2017年
石北 央（東京大学）
伊福 健太郎（京都大学）
前編集長
牧野 周（東北大学）
年会 2018年
宮尾 光恵（東北大学）
年会 2018年
本橋 健（京都産業大学）
年会 2019年
菓子野 康浩（兵庫県立大学）
熊崎 茂一（京都大学）
光生物学協会成川 礼（静岡大学）
編集長、年会 2020年
矢守 航（東京大学）
ホームページ
藤田 祐一（名古屋大学）
沈 建仁（岡山大学）

会計監査

高橋 裕一郎（岡山大学）

光合成研究 第 30 巻 第 3 号 （通巻 89 号） 2020 年 12 月 31 日発行

日

本

光

合

成

学

会

〒606-8502 京都府京都市左京区北白川追分町
京都大学 理学研究科 鹿内利治 研究室内
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