光合成研究第 26 巻	  第 1 号（通巻 75 号）2016 年 4 月
NEWS LETTER Vol. 26 NO. 1 April 2016
THE JAPANESE SOCIETY OF PHOTOSYNTHESIS RESEARCH
第 7 回日本光合成学会年会・公開シンポジウム開催のお知らせ

2
2+

研究紹介	
  光化学系 II Mn クラスターの光活性化反応における Mn 結合サイトの同定
浅田 瑞枝

三野 広幸（名古屋大）

4

解説	
  光合成と O2 の研究から見えてきた、新たな電子伝達制御メカニズムの存在釋 啓一郎

三宅 親弘（神戸大）

10

解説	
  光合成微生物を利用した再生可能エネルギー生産実用化のための課題
	
  	
  	
  	
  −−社会からの期待、研究の歴史、シアノバクテリアの水素生産
櫻井 英博（神奈川大）

23
34

解説特集	
  「若手光合成研究者による光合成研究の新展開」
高橋 裕一郎（岡山大）

35

得津 隆太郎（基生研）

36

浅井 智広（立命館大） 塚谷	
 祐介（東京工業大）

43

序文
解説	
  光合成における強光順化メカニズム研究の新展開
解説	
  酸素発生型光合成の成立過程とその実証方法の再考

解説	
  緑藻の光化学系 I サイクリック電子伝達活性調節に関する考察
高橋 拓子（埼玉大）

59

報告記事	
  The International Conference on Tetrapyrrole Photoreceptors
	
  	
  	
  	
  	
  	
  of Photosynthetic Organisms 2015 参加報告
高橋 重一（東洋大）

72

報告記事	
  若手の会活動報告〜サイエンスアゴラ 2015 での出展報告〜
浅井 智広（立命館大）

73

報告記事	
  サイエンスアゴラ出展報告－若手研究者が伝えたい光合成の現在・過去・未来
辻 敬典（関西学院大） 浅井 智広（立命館大）

74

集会案内	
  第 24 回「光合成セミナー2016：反応中心と色素系の多様性」の開催案内

76

集会案内	
  第 5 回	  光合成研究者 OB/OG 会 2016 の開催案内

77

事務局からのお知らせ

78

日本光合成学会会員入会申込書

79

日本光合成学会会則

80

幹事会名簿

82

編集後記・記事募集

83「光合成研究」編集委員・日本光合成学会 2016 年度役員

84

賛助法人会員広告光合成研究	  26 (1) 2016

集会案内	
 第 7 回日本光合成学会年会および公開シンポジウム	 「光化学系の構造・理論解析から見えてきた光合成反応の妙」	
 「光合成色素代謝と光化学系構築のダイナミックな関係」	
 2016 年 5 月 27 日（金）～28 日（土）東京理科大学葛飾キャンパス	 	
 本年の第7回日本光合成学会年会では、２つのシンポジウムとポスター発表をおこないます。今回は、試みにポスター発表の時間枠を拡充しましたので、是非奮ってご参加ください。
日時：	  2016年5月27日（金）	
  13:00 (12:00 受付開始) ～ 28日（土）17:00
場所：	  東京理科大学葛飾キャンパス	
  図書館ホールおよびホワイエ	
  （JR常磐線（地下鉄千代田線）
金町駅下車徒歩10分）
参加費：	
  一般（会員）	
  2,000円／一般（非会員）	
  3,000円／学生	  1,000円
懇親会費：	
  一般	
  3,000円／学生	  2,000円
5月27日（金）◎	 シンポジウム１

13:00-15:00「光化学系の構造・理論解析から見えてきた光合成反応の妙」	
 オーガナイザー：	
 得津	
 隆太郎（基礎生物学研究所）、柏山	
 祐一郎（福井工業大学）	
 光合成の根幹の一つをなす光化学反応は、酸素発生型の光合成においては光化学系Ⅱ（PSII）および光化学系Ⅰ（PSI）と呼ばれる２つの光化学系を中心として駆動されています。これら光化学系の研究の歴史は古く、多くの研究者がその機能や構造に注目し、研究が進められてきました。その中でも近年の光化学系構造解析とそれらに基づく理論解析の発展は著しく、社会的にもインパクトの大きな成果が数多く発表されています。一方で、その研究分野は専門性が非常に高いものとなりつつもあり、研究成果の全てを完全に理解することは次第に容易ではなくなってきています。そこで本シンポジウム
では、構造解析・理論解析をリードしている若手研究者のトップランナーに、光化学系の最新の研究を紹介していただき、これまでに分かってきた光化学系の機構や機能、さらにはそれらの生い立ちについて議論できればと考えています。
1．自由電子レーザーを用いたタンパク質結晶構造研究の利点	  	  平田 邦生	  （理化学研究所RSC）
2．高等植物の光化学系I－光捕集アンテナI 超複合体におけるエネルギー伝達経路の構造基盤	
  	
  菅
倫寛	
  （岡山大学）
3．シアノバクテリアの光化学系Ⅰとフェレドキシンの電子伝達複合体構造	
  	  河合（久保田） 寿子	
 （基礎生物学研究所）
4．光化学系の構造に基づく理論解析からわかること	  	  斉藤 圭亮	  （東京大学）◎	 ポスター紹介（１）	
  15:40～16:20◎	
 ポスターセッション（１）	
  16:20～18:00◎	
 懇親会	
  18:30～20:30

2光合成研究	  26 (1) 2016
5月28日（土）◎	 シンポジウム２

9:20-12:25「光合成色素代謝と光化学系構築のダイナミックな関係」	
 オーガナイザー：	
 田中	
 亮一（北海道大学）、柏山	
 祐一郎（福井工業大学）	
 光合成生物のもつ光合成色素は驚くほど多様です。光合成の原理はすべて共通であるのに、なぜ、光合成色素はこのように多様なのでしょうか？もちろん、光合成生物がそれぞれの光環境に適応した光合成色素をもつように進化したことは、生存戦略の上で重要です。しかし、光合成色素の多様性を考える上で、代謝経路からの制約や「光合成装置との適合」という制約が、光合成色素の進化に複雑な影響を与えたであろう点も見逃すことはできません。たとえば、光合成色素の代謝は、地球大気の酸素濃度が上昇した際に大きく変化したと考えられます。また、光合成色素は光合成のさまざまな反応に関わっているだけでなく、光合成装置の構築にも重要な役割を果たしています。さらに、光合成色素のうち、とくにクロロフィルは光増感作用により毒性を有するために、厳密な代謝制御が必要であったという点も光合成色素の進化に影響を与えていると考えられます。本シンポジウムでは、光合成の進化や光合成装置と光合成色素のダイナミックな関わりについて、５人の演者に最新の研究成果を発表していただきます。
1．クロロフィルが先か、バクテリオクロロフィルが先か？～色素合成系の進化～	  	  塚谷 祐介（東京工業大学）
2．シアノバクテリアの低酸素適応機構と酸素依存的緑化	  	  藤田 祐一	  （名古屋大学）
3．光合成生物におけるカロテノイド合成系の進化	  	  高市 真一	  （日本医科大学）
4．クロロフィル代謝による光化学系の集光アンテナの制御	  	  伊藤 寿	  （北海道大学）
5．クロロフィル合成の最終反応はどこで起こるか？	
  ―ゲラニルゲラニルレダクターゼの働き―	  	  高橋 裕一郎	
  （岡山大学）◎	 ポスター紹介（２）	
  13:30～14:10◎	
 ポスターセッション（２）	
  14:10～15:50◎	
 総会・授賞式	
  16:00～17:00◎	
 閉会	
  17:00
ポスター発表は半数ずつを5月27日（金）と28日（土）の午後にコアタイムを設け、それぞれ口頭でのポスター紹介の時間を設けます（概ね1件1分）。また、ポスター発表希望者が例年を超えるようであれ
ば、ポスターの張り替えを行います。
ポスターのパネルサイズは、A0相当（横幅90 cm厳守、縦方向は余裕有）です。
優秀ポスター賞を選出しますので、みなさんふるって研究成果を御発表ください。
参加登録および発表申し込み締め切り： 2016年5月6日
日本光合成学会のウエブサイト(http://photosyn.jp/)からご登録ください。
学会会場へのアクセスの詳細は、http://www.tus.ac.jp/info/access/katcamp.htmlをご覧下さい。
問い合わせ先：年会企画委員長：柏山 祐一郎（福井工業大学）	
  chiro@fukui-ut.ac.jp
年会準備委員長：鞆 達也（東京理科大学）	
  tomo@rs.tus.ac.jp3

光合成研究	  26 (1) 2016

研究紹介	
 光化学系 II Mn クラスターの光活性化反応における Mn2+結合サイト
の同定§
	
 

名古屋大学大学院 理学研究科	
 浅田 瑞枝*

三野 広幸

光合成反応において酸素発生を担う光化学系 II の触媒部分である Mn クラスターは、光照射により自発的に形成される（光活性化）。本研究では、Mn クラスターの光活性化初期反応において、光化学系
2+

II に結合する Mn イオンの特異的な結合位置を特定した。パルス電子－電子二重共鳴（PELDOR）法
2+を用いた電子スピン間の距離測定により、特異的に結合した Mn と光化学系 II 内のチロシンラジカル•

2+

YD 間の距離を 30.5 Åと得た。X 線結晶構造解析との比較により、Mn 結合サイトは Mn4 の位置であり、２つのカルボキシル基 Asp170 と Glu333 にあることを示した。
1．はじめに	  §光化学系（PS）II は、光合成において酸素発生反応を担う。PS II は光を受けると反応中心ク
ロロフィル P680 が励起され、電子を放出する。
励起された P680 は D1 サブユニットにあるチロシン残基 YZ を介して Mn クラスターを酸化する 1)。Mn クラスターは水分子を酸化し酸素を発生する。D1、D2 サブユニットは相同性の高いアミノ酸配列をもち、D2 サブユニットには D1 サ
ブユニットの YZ に対応するアミノ酸残基として
YD が存在する。YD は酸素発生反応には直接関与
図 1. Mn ク ラス ター の分 子 構造 (PDB: 4UB6)

しないが、YZ と同様に P680 に酸化され、安定な•ラジカル YD を形成する。
	  Mn クラスターは 4 つの Mn、1 つの Ca、5 つ

ラスター周囲には、Mn1 に D1-His332、D1-Asp342、の O 原子からなる。Mn クラスターの構造は長年

D1-Glu189 、 Mn2 に D1-Asp342 、 D1-Ala344 、不明であったが、2011 年に Umena らによる詳細

CP43-Glu354、Mn3 に D1-Glu333 と CP43-Glu354、な X 線結晶構造解析データが得られ、2015 年にMn4 に D1-Glu333 と D1-Asp170、Ca に D1-Asp170

は X 線損傷の少ない PS II の結晶構造が解析されと D1-Ala344 がそれぞれ配位する 3)。

ている（図 1）2, 3)

。3 つの Mn 原子 Mn1、Mn2、

	  Mn クラスターは不安定な触媒部分であり、強Mn3 と Ca 原子は互いに酸素架橋により結合し、光照射や還元剤により不活性化される。Mn クラ

ひずんだ立方体を形成する。その外部に 4 つめのスターを除去した PS II では酸素発生活性が失わ

Mn 原子 Mn4 と 1 つの O 原子が結合する。Mn ク

れるが、Mn クラスターが除去された PS II を含む溶液に MnCl2 と CaCl2 を加え光照射すると、§Mn クラスターが再構築され活性が戻る。この反第 4 回日本光合成学会シンポジウム	  ポスター発表賞受賞

応は Mn クラスターの光活性化と呼ばれ、PS II

論文	
 *連絡先 E-mail: masada@bio.phys.nagoya-u.ac.jp4

光合成研究	  26 (1) 2016

図 2. Mn ク ラス ター 光活 性 化の 二量 子モ デ ル

形成時にも同様の反応を経て Mn クラスターが2. 測定手法。図 2 に光活性	  電子スピン共鳴（ESR）法は磁場中の遷移金属。Mn クラスターの光やラジカルの電子スピンを検出する手法であり、

2+

Mn クラスターの磁気構造の同定に利用されてき構築されると考えられている化の二量子モデルを示す

4-6)

6, 7)

活性化では、まず 1 つの Mn が PS II に結合する
8)2+（IM0） 。PS II に結合した Mn は光照射により3+た。パルス電子-電子二重共鳴（PELDOR）法は、

2+

マイクロ波を短時間照射するパルス ESR 測定法

2+

造変化が起こり、Mn 、Mn 、Ca が PS II に結を応用した手法であり、2 つの異なる周波数のマ合する（IM1*）。さらなる光照射により 2 つのイクロ波を用いて 2 種類の電子スピン間に働く酸化され Mn になる（IM1）。Ca 存在下では構
2+

3+

3+

9)

Mn が結合した中間体が形成される（IM2） 。

双極子相互作用を測定し、10-100Åの電子スピン2+

その後さらに 2 つの Mn が結合し、最終的に酸間距離を精度よく決定することができる 13)。PS II

素発生活性がある Mn クラスターが形成されるには、光照射により形成される安定なチロシンラ

8, 10, 11)。IM0 状態では、Mn が特異的に結合する

ジカル YD•が存在し、PELDOR 法による電子スピ

親和サイトが 1 つ存在することが明らかになっ

ン間距離測定の指標として用いることができ

2+

2+ているが、酸素発生系内のどの位置に Mn が結る 14)。本研究では特異的な結合サイトに結合し合し、どのように光活性化反応が進むか、詳細な

た Mn2+と YD• 間の距離測定を行うことにより、メカニズムは不明である 12)。

親和サイトの位置の特定を行った。
3. 結果と考察	  Mn クラスターを還元除去したホウレンソウ由来の PS II (1 mgChl/ml)に対し PS II:Mn2+ = 1:4 となるように、20 µM MnCl2 を混合し PS II に Mn2+を結合させた。パルス ESR 測定では、遠心分離により濃縮した試料を用いた。図 3 は MnCl2 を含む緩衝液の CW-ESR スペクトルである。6 本のESR 信号は溶液中の Mn2+イオンに由来し、その信号強度は試料中の Mn2+濃度に比例する。遠心分離による濃縮前の緩衝液（図 3 実線）と、遠心分離後の上澄み（図 3 破線）に含まれる Mn2+濃図 3. CW-ESR 測 定結 果
Mn クラスターを除去した PS II (1 mgChl/ml)に 20µM MnCl2 を含む緩衝液(PS II:Mn2+ = 1:4、実線)を混合し、遠心分離後の上澄み(破線)と ESR 信号強度を比較した。Ca2+を添加する測定では、同量のPS II に対し 10 mM CaCl2 を混合した。

度を比較することにより、PS II に結合した Mn2+
数を定量した。MnCl2 のみ加えた場合、1 つの PS
II あたり 1.4 個の Mn2+が結合した。また、MnCl2の他に 10 mM CaCl2 を添加すると、1 つの PS II
あたり 0.4 個の Mn2+が結合することがわかった。
Mn クラスターを除去した PS II には、Mn2+が特5光合成研究	  26 (1) 2016

図 4. パ ルス ESR 法 を用 いた ESE 磁 場掃 引ス ペ
ク トル
1 mgChl/ml の PS II に 20 µM MnCl2 を混合し、遠心分離後の沈殿を測定した。(a, d)は Ca2+を含まない
PS II、(b, c)は 10 mM CaCl2 を混合した PS II を用いた。(a, b)は暗状態、(c, d)は 0℃で光照射後に測定を行った。PELDOR 測定では、Mn2+と共鳴する周波数を観測周波数、YD•と共鳴する周波数を励起周波数として用いた（矢印）。

図 5. YD•-Mn2+間 の PELDOR 測 定結 果
Mn クラスター除去 PS II に MnCl2 を混合し、遠心分離後の沈殿を凍結、暗状態で測定した。
それぞれ、1 mgChl/ml PS II に対し(a) 20 µM MnCl2
を混合、(b) 40 µM MnCl2、10 mM CaCl2 を混合、
(c) 20 µM MnCl2 と 10 mM CaCl2 を混合した。

異的に強く結合するサイトと、Ca2+により阻害される Mn2+の非特異的な結合サイトが存在することを確認できた 6, 12, 15)。

Mn2+由来であると裏付けられた。距離の分布が小	  Mn2+が結合した PS II のパルス ESR 磁場掃引ス

さいことから、親和サイトに結合した Mn2+は周ペクトルを図 4 に示す。g = 2 を中心とする YD•

囲のアミノ酸残基に強く結合し、位置が固定されの信号と、幅 60 mT の範囲に広がる Mn の信号ていると予想される。Ca2+存在下で 40 µM MnCl2が観測された。Mn2+の信号強度は、273 K で 3 分（PS II:Mn2+ = 1:8）を加えた試料(b)では、(c)の信間の光照射により減少した（図 4 c, d）。このこと

号と比較して PELDOR 信号の振幅が大きくなり、から、光照射により Mn クラスター内の親和サイ結合する Mn2+数が増加したことによると考えら

トに結合した Mn2+が酸化され Mn3+になったことれる。(c)は Mn2+の親和サイトが Ca2+の結合と競が予想される。Ca2+非存在下（図 4 a, d）では、合し、親和サイトに結合する Mn2+数が減少した試料に含まれる Mn2+のほとんどが光照射によりと考えられる 6, 7)。

酸化される。PELDOR 測定では Mn2+イオンを観	  酸素発生系内の Mn2+の親和サイト候補となる

測し YD•を励起するため、図の矢印の位置でそれ金属原子位置と YD•の原子位置、YD•の電子密度分

ぞれ共鳴するマイクロ波周波数を用いた。

布を用いて PELDOR 信号を計算した（図 6）。Mn

2+	  PS II の YD -Mn 間の PELDOR 測定結果を図 5

クラスターの各金属イオン位置に Mn2+があるとに示す。Ca2+非存在下(a)、Ca2+存在下(b、c)で同仮定し(b-f)、計算を行ってみると Mn4 の原子位

じ周期の PELDOR 信号を観測した。PELDOR 信

置に Mn2+が結合すると仮定した場合(c)のみ、信号は cos 型の関数となり、その周期は距離の 3 乗号の周期が実験値(a)と一致した。しかし、実際

•

2+

•

の PS II は Mn クラスターが除去されているため、

2+Å であることがわかった。Ca 存在、非存在下で酸素発生系のアミノ酸残基の向きが任意の向き

PELDOR 信号の周期が同じであることから、距を向いている可能性があり、完成形の Mn クラス

離 30.5 Å を示す信号は親和サイトに結合した

ターの金属イオンと同じ位置に Mn2+イオンが結2+に比例する。周期から Mn -YD 間距離は 30.5±1.66光合成研究	  26 (1) 2016

図 7. 酸 素発 生系 近傍 の Mn 2+の 親和 サイ ト候 補
位置PELDOR 信号周期の正のピークがτ = 575-595 ns、負のピークがτ = 290-320 ns となる Mn2+の座標を、
X 線結晶構造(PDB: 4UB6)に重ねてプロットした。

図 6. YD•-Mn 2+間 の PELDOR 測 定結 果と 各 Mn
原 子位 置を 仮定 し た PELDOR 信 号の 計算 結果(a)は実験値、(b-f)は各 Mn 原子位置(b: Mn1, c: Mn4,
d: Ca, e: Mn3, f: Mn2)を仮定した。

では、1 つの Mn2+イオンが Asp170 と Glu333 の間にある親和サイトに結合し、2 つのカルボキシ合するとは限らない。そのため、酸素発生系近傍

ル基の C=O 部分の向きを決定すると考えられる。

の任意の座標に範囲を拡張し、PELDOR 信号が

この Mn2+イオンは光照射により Mn3+に酸化され実験値と一致する点を探った。図 7 の灰色の点は次の中間状態 IM1 を形成し、Mn クラスターの原

実験値と一致する PELDOR 信号が得られる座標型になると考えられる。Asp170 に Glu を変異導で、YD•を中心として Mn4 を通過する球面上に分入した PS II では IM1 状態における Mn3+の ESR布した。

信号が観測されず、Mn3+が Asp170Glu に配位し	  PELDOR 測定の結果、Mn2+-YD•間距離の分布がない可能性がある 17)。しかし Asp170Glu 変異体

小さいことから、Mn2+は周囲のアミノ酸残基によでは Mn クラスターの光活性化が阻害されず、酸り固定されると考えられる。2 つのアミノ酸残基

素発生活性を得ることができる 16)。光活性化のAsp170 と Glu333 が対角に配位する Mn4 の位置

過程で Mn3+の結合サイトが別の位置に移動するは、1 つのアミノ酸残基しか配位しない他の位置可能性は否定できないため、さらなる中間構造のに比べて強く結合位置が固定されると考えられ解析が必要である。

る。
	  変異体を用いた研究から、Asp170 を His と Glu

4. おわりに以外の残基に変異体導入した PS II は、Mn 除去	  PS II の Mn クラスター光活性化反応において、

PS II の光活性化の過程で Mn2+が PS II に結合しMn2+が 1 つずつ酸素発生系に結合することがこないことがわかっている 16)。また、Asp170His、

れまで分かっていたが、結合サイトの位置は不明

Asp170Glu 変異により、光照射により形成されるであった。本研究では、Mn クラスター光活性化

IM1 状態の Mn3+周辺構造が大きく変化すること反応過程における Mn2+の親和サイトと YD•間のが明らかになっている 17)。これらの結果から、

距離を、PELDOR 法を用いて 30.5 Å と決定した。

Asp170 は Mn2+の親和サイトに直接配位すると考Mn2+の親和サイトの位置は Mn4 の位置であるこ

えられており、本研究で得られた PELDOR 結果とが示された。今後、Mn クラスター形成過程のと矛盾しない。

より詳細なメカニズムの解明が期待される。

	  以上の結果から、光活性化反応過程の IM0 状態

7

光合成研究	  26 (1) 2016
謝辞

(2008)

Photoassembly

of

the

water-oxidizing	  本稿執筆の機会を与えてくださった日本光合complex in photosystem II. Coordin. Chem. Rev. 252,
347–360.

成学会ならびに編集委員の方々に御礼申し上げ

9.

ます。

Barra, M., Haumann, M., Loja, P., Krivanek, R.,
Grundmeier, A., and Dau, H. (2006) Intermediates inassemblybyphotoactivation

after

thermally

Received March 3, 2016; Accepted March 17, 2016;accelerated disassembly of the manganese complex

Published April 30, 2016of photosynthetic water oxidation. Biochemistry45, 14523–14532.
10.

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8

光合成研究	  26 (1) 2016

Position of the High-Affinity Mn2+ Site of the Oxygen-Evolving Complex in Photosystem II
Revealed by PELDOR
Mizue Asada* and Hiroyuki Mino
Graduate School of Science, Nagoya University9

光合成研究	  26 (1) 2016

解説	
 光合成と O2 の研究から見えてきた、
新たな電子伝達制御メカニズムの存在
	
 

神戸大学	
 大学院	
 農学研究科	
 
釋	
 啓一郎	
 	
 三宅	
 親弘*
光合成電子伝達反応において、光化学系 I からの電子によって O2 を還元するメーラー反応は、ΔpH を形成することで CO2 固定能を維持しているとされてきた。しかしながら、その仮説を in vivo で実証したデータは示されてこなかった。その原因は高等植物におけるメーラー反応の活性が直線的電子伝達反応に比べて小さく、ATP 供給が行えていないためであると考えられた。一方、シアノバクテリアでは、Flavodiiron protein（FLV）を介したメーラー反応が高い活性示すことが報告された。そしてSynechococcus elongatus PCC 7942（S. 7942）の FLV1/3 の欠損株において、光合成の O2 発生速度が低下することが判明した。解析の結果、FLV によるメーラー反応もまた ATP 供給に寄与せず、エレ
クトロンシンクとして直線的電子伝達反応の活性維持に関わることが示唆された。本稿では光合成に対する O2 の必要性に関して従来の説をまとめ、in vivo で初めて示された S. 7942 での実証例と、そこから見えてきた新たな電子伝達制御機構について紹介する。
1．はじめにされる。

	  §光合成では光によってチラコイド膜上の光化	  し か し 電 子 伝 達 反 応 に お い て 電 子 は 常 に学系 II（PSII）の反応中心である P680 と光化学

NADP+へと流れるとは限らない。1951 年 Mehler

系 I（PSI）の反応中心である P700 が酸化され、によって PSI から O2 へと電子が渡ることが明ら

電子が放出されることで電子伝達反応が駆動すかとなった（メーラー反応）1)。光合成電子伝達

る。PSII では H2O が酸化され O2 が生じるととも鎖から O2 へと電子が流れると O2-が生じる 2)。O2-に P680 が還元再生される。P680 から放出されたはストロマに存在するスーパーオキシドディス

電子はプラストキノン（PQ）、シトクロム（Cyt）

ムターゼ（SOD）により O2 と H2O2 に不均化されb6/f 複合体、プラストシアニン（PC）を経て酸化る 2)。こうして生じた O2-や H2O2 は活性酸素種型 P700 へ流れる。P700 から放出された電子はフ（Reactive Oxygen Species; ROS）と呼ばれ、タンェレドキシン（Fd）を経て Fd-NADPH レダクタ

パク質や脂質にダメージを与える 3)。そのためーゼにより NADP+へ流れ NADPH が生成する。

O2 は光合成にとって有害であると考えられてき

この H2O から NADPH への電子の流れを直線的た。

電子伝達反応（Linear electron flow; LEF）と呼ぶ。

	  一方で Mehler の発見は O2 が光合成電子伝達反+LEF に伴って H がストロマ側からチラコイド膜

応における電子の受容体となることを示唆しての内腔へと輸送され、チラコイド膜を介して ΔpHいる。つまり LEF とは別に葉緑体において O2 にが形成される。この ΔpH を駆動力として ATPase

電子が流れる電子伝達反応が駆動していること

が ADP から ATP を生成する。これら ATP やを意味している。そしてこれまでの光合成研究に

NADPH はカルビン回路での CO2 固定反応に利用

おいて、O2 に電子が流れることによって駆動される電子伝達反応に対して様々な生理学的意義
づけがなされてきた 4)。その 1 つが、O2 への電子	
 の流れは ΔpH を形成してカルビン回路における*連絡先 E-mail: cmiyake@hawk.kobe-u.ac.jp10光合成研究	  26 (1) 2016

図 1. メ ーラ ー反 応に よ る ATP 供 給仮説
カルビン回路が 1 分子の CO2 を固定するのに 3 分子の ATP と 2 分子の NADPHを必要とする。LEF において 2 分子のNADPH を生成する時、12 分子の H+が輸送される。しかし ATPase において 3
分子の ATP を生成するには 2 分子の H+が不足する 10) 。メーラー反応が生じ
WWC が駆動することで不足した 2 分
子の H+を輸送し ATP を供給することで光合成が維持されていると考えられている。しかしながら in vivo における証明はなかった。

ATP 要求を満たし、CO2 固定活性を維持している

り速やかに H2O2 と O2 に不均化される。そして生という仮説である。しかしながら、これまでの成した H2O2 をストロマやチラコイド膜上に存在

O2 と光合成の研究を通して in vivo においてこのするアスコルビン酸ペルオキシダーゼ（APX）が仮説を示したデータは報告されていない。我々はアスコルビン酸を電子供与体として H2O へと還最近、O2 への電子の流れが ATP 供給を補うとい元する。アスコルビン酸は光合成電子伝達鎖からう従来の説とは異なり、O2 依存的電子伝達反応

還元力を受け取ることで還元型に再生される。こはエレクトロンシンクとして LEF 活性自体を維の反応は Water-Water-Cycle（WWC）と呼ばれる 2)。

持していることをシアノバクテリア

O2 が電子を受け取り、O2-や H2O2 といった ROS

Synechococcus elongatus PCC 7942（S. 7942）を用をいったん生成することで SOD や APX といった

5)いて実証した 。LEF は CO2 固定のための ATP

ROS 代謝機構を駆動する。ROS 代謝機構はそのや NADPH を供給することから、光合成において過程で電子伝達鎖から還元力を受け取る。実際にO2 が LEF 活性を制御することで CO2 固定能を維Schreiber and Neubauer は、単離葉緑体において嫌持している可能性があり、光合成における O2 の気条件では電子伝達活性が測定されないが、O2

重要性を再考する必要があると考えた。そこで本存在下では電子伝達活性が上昇することを報告

総説においては、これまでのメーラー反応によるしている 6)。また Miyake and Yokota は、CO2 固ATP 供給とカルビン回路における CO2 固定反応

定速度とクロロフィル蛍光測定における PSII のの維持に関する知見をまとめ、我々のシアノバク

実効量子収率の同時測定から、生体内でメーラー

テリア S. 7942 を用いた O2 が LEF を制御してい反応により O2 が還元されている可能性を示唆しる実証データを紹介した後、そこから見えてきたた 7)。これらの事実から O2 はエレクトロンシン

新たな電子伝達制御メカニズムについて議論すクとして電子伝達鎖を酸化していると考えられ

5)

る 。

る。
	
  2 つ 目 に ΔpH 形 成 に よ る 非 光 化 学 的 消 光

2. 電子受容体としての O2 の生理学的意義（non-photochemical quenching; NPQ）の誘導であ	  光合成生物において、電子受容体としての O2る 4)。O2 に電子が流れ、さらに WWC が駆動されには様々な生理学的意義が考えられている。1 つることによって H+の取り込みが促進され ΔpH が目にエレクトロンシンク能としての機能である形成される。ΔpH が形成されると NPQ が誘導さ4)れる。NPQ は過剰なエネルギーを熱として散逸。上記の通り O2 は電子伝達鎖から電子を受け取--ることによって O2 になり、O2 はチラコイド膜上する機構であり、電子伝達鎖が過還元状態になるのスーパーオキシドディスムターゼ（SOD）によのを防いでいるとされる 8)。ホウレンソウの単離

11光合成研究	  26 (1) 2016
葉緑体を用いた実験において O2 存在下ではクロ的に駆動することを可能にしていると考えられロフィル蛍光の消光が誘導されるが、嫌気条件でている。ATP がカルビン回路の律速になってい6)はそれが起こらない 。またタバコの生葉においるとすると、ΔpH が形成されることで CO2 固定て高温処理によって WWC の活性を低下させる

反応が促進され、結果として LEF が促進されると NPQ の誘導が阻害されることが報告されていことから O2 発生速度も上昇すると考えられる。

8)る 。これらのことから O2 への電子伝達は、ΔpH

実際に in vitro における実験ではこの仮説を支持を形成し NPQ を誘導して電子伝達鎖の過還元化するデータが得られている。Takagi 等はホウレンを防いでいると考えられている。

ソウの無傷葉緑体を用いて好気条件と嫌気条件	  3 つ目は、O2 に電子が流れることで駆動する電における ΔpH の形成能を評価した 13)。その結果

子伝達反応によって不足する ATP を供給し、カ好気条件では嫌気条件に比べて O2 に電子が流れ

ルビン回路における CO2 固定能の維持を行ってている分 ΔpH が形成され、3-ホスホグリセリンいるというものである。光合成は電子伝達反応に酸依存的な O2 発生速度が上昇していることを示

おける化学エネルギーの供給とカルビン回路にしている 13)。しかしながら現在まで、in vivo におおける CO2 固定反応での化学エネルギーの消費

いて O2 による ΔpH 形成が CO2 固定能や O2 発生のバランスが釣り合うことで継続的に駆動する速度に影響を与えているといった報告はなく、仮ことが出来る。しかし LEF により供給される ATP、説は実証されていない。

NADPH とカルビン回路により消費される ATP、
NADPH のストイキオメトリを考慮すると、LEF

3. 高等植物での in vivo におけるメーラー反のみが駆動していると NADPH に対して ATP が応の活性不足することが予測される

10,11)（図 1）。

	
  高等植物の in vivo において O2 依存的な電子伝	  カルビン回路が 1 分子の CO2 を固定するのに達反応が ΔpH を形成し、カルビン回路での CO2使用する ATP と NADPH は、それぞれ 3 分子と 2固定能維持に貢献しているのであろうか。そのこ

11)。一方で LEF によって 2 分子のとを考える上で、メーラー反応が in vivo におい

NADPH を生成するには 4 電子を必要とする（I）。

て ATP を供給するだけの活性があるのかという分子である

ことを踏まえる必要がある 14)。Kramer and Evans(I)

2 NADP+ + 4 e- + 2 H+→ 2 NADPHによると光合成定常状態において光呼吸を含めない CO2 固定反応のみが生じている状況におけそのためには PSII においては 2 分子の H2O が酸るストイキオメトリを考えると LEF ではカルビ+

化され、4 分子の H が輸送される必要がある（II）。

ン回路が要求する ATP の 86%しか供給出来ていないとされる 15)。O2 依存的電子伝達活性が定常(II)2 H 2O → O 2 + 4 H + + 4 e -状態における光合成能を維持しているのであれ
ば、残りの 14%の ATP を供給する必要がある。

Cyt b6/f 複合体において Q サイクルが駆動すると即ち、O2 依存的な電子伝達活性は少なくとも LEF+の約 14%の活性を示すことが必要となる。O2 依電子に対して 2 倍の H が輸送されるため、さら+に 8 分子の H が輸送される

12)。その結果として存的電子伝達反応の主要経路として知られていLEF では 12H が輸送されることとなる。一方でる WWC の律速反応が PSI におけるメーラー反応

葉緑体における ATP 合成を担う ATPase は、3 分であることを考慮すると、メーラー反応が LEF++

子の ATP を合成するために 14 分子の H を必要の 14%の活性を持つ必要がある 16)。しかし生葉とする 10)。つまり LEF のみではカルビン回路ににおけるメーラー反応の活性は非常に低いとさおける ATP 要求を満たすことが出来ない。そのれている 17)。Ruuska 等はタバコの生葉を用いてため O2 が電子受容体となり電子伝達反応を駆動

メーラー反応を測定したところ、高 CO2 濃度下することで ΔpH を形成し、カルビン回路を継続の光呼吸が阻害される環境下において光に依存

12

光合成研究	  26 (1) 2016
した O2 吸収はほとんど見られないと報告していれだけ酸化還元のターンオーバーを行っている。 また Driever and Baker はサヤインゲンのかを s-1 は示している 14)。高等植物における LEF

生葉を用いてメーラー反応を測定してい活性が 200~300 s-1 程度であることから、NDH 依

る 19)。6,000 µmol mol-1 CO2、3% O2 環境という光

存的 CEF-I 活性は LEF 活性の 0.5%程度であるこる

18)

O2 を用いてメーラーとが予想される 14)。また Shimakawa 等はシアノ反応を測定したところ、ほとんどその活性を見る

バクテリアを用いて NDH 依存的 CEF-I の活性を呼吸を抑制した環境下で。一方、Shirao 等は多種の見積もっている 23)。遠赤色光を 10 秒照射し、そ被子植物や裸子植物を用いて光に依存した 18O2の後飽和パルス光を 300 ミリ秒照射した後の吸収を測定することでメーラー反応を測定しP700+の半減期から 1 秒間における PSI の酸化還た 20)。その値は LEF による O2 発生速度に対して元のターンオーバーを見積もったところ、DCMU

裸子植物で 7~13%であったが被子植物において添加条件で測定された PSI の酸化還元のターンことが出来なかった

19)

18

は 2%未満という低い値を示した

20)。従って被子

オーバー数は呼吸による PSI の酸化還元による植物の in vivo におけるメーラー反応の活性は、ターンオーバー数に一致しており、NDH 依存的定常状態の光合成においてほとんど検出されな

CEF-I の活性は LEF における PSI 活性に比べて非い程度と考えられ、ΔpH 形成に大きな影響を与

常に小さいことが示唆された 23)。この結果よりえている可能性は低い 17)。よって多くの高等植

シアノバクテリアにおける NDH 依存的 CEF-I の物において O2 に電子を流すことは ΔpH 形成に直活性は LEF に対して無視できるほど小さいと考接関与しておらず、in vivo における CO2 固定能にえられた 23)。これら高等植物とシアノバクテリ

対して影響を及ぼしていないと考えられる。一方

アにおける知見から、NDH 依存的 CEF-I 活性はで裸子植物の中にはメーラー反応の活性が高く

ΔpH 形成に寄与していないことが推定される。

ΔpH 形成に部分的に貢献している可能性もあり、

	  一方、PGR5 は Fd を電子供与体とし、PQ プー

その点に関してはさらに検証が必要である。

ルを還元しているとされている 22)。in vitro において単離チラコイド膜に還元型 Fd と PGR5 タン

4. in vivo における循環的電子伝達反応（ Cyclic

パク質を添加することで、クロロフィル蛍光の増electron flow around PSI, CEF-I）の活性加が観測される 22)。これは PGR5 が Fd を電子供	  メーラー反応と同様に CEF-I も ΔpH 形成に寄与体として PQ プールの還元が生じたために観測

4)。CEF-I は主にされると考えられている。しかし、この PGR5 にNAD(P)H デヒドロゲナーゼ複合体（NDH)依存的よる PQ プールの還元の in vitro における活性のCEF-I と PGR-5 依存的 CEF-I の 2 つが知られてい速度は 0.035 s-1 であり、NDH 依存的 CEF-I よりる 21)。NDH 依存的 CEF-I における電子供与体はもさらに遅いことが明らかとなっている 24)。ま諸説ありまだ確定していないが 21)、ストロマ側

た近年 PGR5 は PQ プールではなく、PSII を還元の電子供与体から電子を受け取り、PQ を還元す

し て い る 可 能 性 も 示 唆 さ れ て お り 、 PGR5 が与していると考えられているることで ΔpH 形成に寄与している

21)

CEF-I の制御に寄与し、ΔpH を形成している可能。野生株においては励起光照射の消灯直後にクロロフィル

性は低いと我々は考えている 24)。

蛍光の一過的上昇がみられるが、NDH 複合体の	  以上の知見は、CEF-I の両経路の活性は全体と活性を阻害した変異体においてはそれが認めらして非常に低いことを示唆しており、それらが22)。そのことからこのクロロフィル蛍光ΔpH 形成に寄与しているとは考えにくい。一方の一過的上昇は、NDH 依存的 CEF-I による PQ

で分子メカニズムは明らかではないものの、LEF

プールの還元が観測されていると考えられてい活性に匹敵する CEF-I 活性が光合成の定常状態

れない。このクロロフィル蛍光の上昇速度から見において検出されている 14)。しかしながらこれ積もった NDH 依存的 CEF-I 活性は、1 s-1 であるらの CEF-I 活性が ΔpH 形成に寄与していることる

22)

ことが明らかとなっている

22)。1 秒間に PSI がど

は in vivo において示されておらず、仮に ΔpH を

13

光合成研究	  26 (1) 2016

図 2. S. 6803 の 光合 成電 子伝 達 鎖に おけ る FLV の 役割
(A) CO2 飽和下においては FLV1/3
が PSI においてメーラー様反応を駆動し、H2O を O2 に直接還元している 29,30)。光合成定常状態における活性は LEF の~20%程度とされる 25,26)。(B) CO 2 枯渇下においては
FLV2/4 が O 2 を H2O に還元してメーラー様反応を行っている 32)。その活性は LEF の約 80%と高い活性を示す 30,32)。FLV2/4 は PSII 以降か
ら電子を受け取っている可能性が高いが、詳細は明らかではない
32,33)。

形成しているとしてもいくつかの矛盾が生じる

4 電子還元するメーラー様反応を触媒してい（詳しくは Takagi and Miyake, 2015 を参照された

る 28)。その中で FLV1/3 は CO2 飽和時においてい）14)。

PSI で O2 を還元し変動光下や光合成誘導期に電子伝達鎖を酸化していると考えられている 29,30）。

5. シ ア ノ バ ク テ リ ア に お け る メ ー ラ ー 反 応	  一方、S. 6803 においてクロロフィル蛍光と O2とその生理学的意義

発生速度を同時にモニターすることで、CO2 枯渇

	  高等植物の葉緑体の祖先と考えられているシ

時に FLV1/3 とは異なる O2 吸収が生じているこ

アノバクテリアにおけるメーラー反応の活性はと が 報 告 さ れ た 30) 。 大 気 と 平 衡 状 態 に あ る

どの程度であろうか。Synechocystis sp. PCC 6803

S. 6803 は、光照射後数十分は CO2 濃縮機構によ18（S. 6803） において O2 を用いて暗順応させたって CO2 を高濃度に細胞内に溜め込み、電子伝細胞に光照射を行った際の O2 吸収速度が測定さ達活性が高い 31)。Hayashi 等は、さらに光照射をれている 25)。光照射直後というカルビン回路が続けることで反応溶液中の CO2 を消費し尽くし、活性化していない状態、つまりメーラー反応が最CO2 枯渇状態に陥ることを観測した。その際、大活性を示すと考えられる条件における速度はS. 6803 は CO2 枯渇下で O2 を還元し、LEF の 80%

LEF の 15-30%であることが示されている。またの電子伝達活性を維持していることを見出した-2

同様の手法により 500 µmol photons m s の光照

30)

射を 5 分間行い、カルビン回路が活性化していると FLV4 の欠損変異株において CO2 枯渇下の O2状態における O2 吸収速度を測定したところ LEF

吸収が見られなかった 32)。このことから FLV2の~20%程度の活性が認められた 26)。このようにと FLV4 が CO2 枯渇状態における O2 還元を行う

シアノバクテリアのメーラー反応活性は高等植

分子的実体であることが明らかとなった 30,32)。

物に比べて非常に高いことが知られている 17)。

FLV2/4 も NAD(P)H を電子供与体とし、O2 を H2O

そして Helman 等によってこの O2 吸収を担う分に 4 電子還元しており、高 CO2 条件から大気条子的実体が Flavodiiron protein（FLV）のヘテロダ件に移行することで速やかに転写、発現が誘導さ。変異体を用いた解析を行ったところ、FLV2。S. 6803

れる 27,28)。大気条件の FLV2/4 欠損株においてにおいては、FLV は FLV1, 2, 3 と 4 種があり、1/3

DBMIB 添加時におけるクロロフィル蛍光の減衰

イマーであることが明らかとされた

25)

-1

と 2/4 がペアとなりダイマーとして機能する

25,27)。

FLV は NADPH を電子供与体とし、O2 を H2O にが野生株に比べて大きく遅延していること、また同じく大気条件の野生株において、PSII の電子受

14

光合成研究	  26 (1) 2016
容体に DCBQ（QB サイトに結合）を用いた時よて重要な存在である。

りも DMBQ（PQ と競合）を用いた時の方が光に	  一方で FLV が ΔpH 形成に寄与し、不足する依存した O2 発生速度が速いことが報告されていATP を供給して CO2 固定能を維持しているとい33)。これらの結果から PSII の QB サイトにおいう報告はない。S. 6803 の FLV1/3 欠損株におけるて FLV2/4 は電子を受け取っているとされている

CO2 飽和条件における O2 発生速度は、野生型と33)。しかしながら Shimakawa 等の研究により差が見られない 25,30)。また野生株と FLV2/4 欠損

FLV2/4 はメーラー反応を触媒することが明らか

株においても大気環境下での O2 発生速度に差はであり、FLV2/4 への電子伝達反応は O2 発生速度

見られない 32)。シアノバクテリアの ATPase は 3に影響を与えないはずである 32,33)。従って QB サ

分子の ATP を合成するために 13 から 15H+が必

イトが FLV2/4 の作用箇所という結論に関しては要であり、さらに CO2 濃縮機構を駆動するため疑問の余地がある。クロロフィル蛍光の挙動のみにも ATP を必要とする 35)。そのため CO2 を濃縮から FLV2/4 の作用箇所を推定すると、QA 以降かし、さらに CO2 固定能を維持するためには高等つ PQ 以前であると考えるのが妥当であろう。こ植物と同程度、あるいはそれ以上の ATP が要求のように高 CO2 条件や大気条件において CO2 濃

されると考えられる。その不足分を FLV によっ

縮機構により CO2 濃度が高く保たれている状態て補っているのであれば欠損株において光合成

では FLV1/3 が、大気条件において光合成により能が低下すると予想される。しかし実際には野生CO2 を消費したことで CO2 濃縮機構でもカルビ株と FLV 欠損株において光合成 O2 発生速度に差

ン回路における CO2 要求を満たせなくなった状が見られないことから、S. 6803 において FLV は

態では FLV2/4 がそれぞれ O2 への電子伝達反応

電子伝達鎖が還元されやすいような環境下ではを行っていると考えられる（図 2）。

重要なエレクトロンシンクとなるが、定常状態の	
  近年の研究によって FLV はエレクトロンシン

光合成 O2 発生には影響を及ぼさないと考えられクとして in vivo で重要な生理的役割を担っていた。

ることが明らかとなってきた。カルビン回路が活	  興味深いことに、FLV1/3 の存在はシアノバク性化状態にない光合成誘導期において FLV1/3 欠

テリアに広く保存されている一方で、FLV2/4 は損株では野生株に比べて電子伝達鎖が還元状態

一部のシアノバクテリアのみに見られる 37) 。

になり、Y(II)が低下する 30)。また変動光下におHayashi 等は別種のシアノバクテリアである S.

いて野生株では PSI の反応中心である P700 が弱7942 においては、CO2 枯渇条件において LEF に光から強光に変化しても速やかに酸化されるの匹敵するメーラー様反応が見られないことを見に対して FLV1/3 欠損株では P700 の還元状態が出した 30)。実際、S.7942 は FLV2/4 をゲノム上に維持され、電子伝達鎖に還元力が蓄積してしま

有していない 32)。そのため CO2 が枯渇すると電う 29)。そのため強光や変動光といった環境では子伝達鎖が過還元状態に陥ってしまう 30,32,36)。つROS が生成し、光化学系がダメージを受けてしまり S. 7942 は S. 6803 に比べてエレクトロンシ

る

29,34)。FLV2/4 の欠損株では CO2 枯渇時に電ンク能が低いことになる。一方、S. 7942 は大気子伝達鎖が過還元状態になり、CO2 枯渇下での電条件下において生育が可能であり、FLV2/4 はシ子伝達活性は CO2 飽和時の 5-10%程度まで低下

アノバクテリアの生存に普遍的に不可欠なもの

まう

32)

。また FLV2/4 欠損株では大気条件での生ではないと考えられる。この Hayashi 等の報告は、育において、強光下における酸化ストレスによっ

O2 依存的電子伝達活性の違いを FLV の多様性にするて光化学系がダメージを受ける

27)

結び付けた初めての報告であった 30)。

。その結果、野生株に比べて生育が大きく遅延する 27)。従って FLV は O2 を還元することにより、電子伝達鎖

6. in vivo での光合成における O2 依存性の発見に蓄積した還元力を安全に消費するエレクトロ	  さらに Hayashi 等は S. 7942 を用いて、CO2 飽

ンシンクとしてストレス環境下での生育にとっ

和下で窒素ガスを用いることで溶液中の O2 を取15

光合成研究	  26 (1) 2016

図 3. シ アノ バク テリ ア の種 間に おけ る 電子 伝達 反 応の O2 依 存性 の違 い（Hayashi et al. 2014 より引用）30)(A) 大気条件生育の S. 6803 における O2 に依存した電子伝達反応をクロロフィル蛍光によって測定した。(B)
大気条件生育の S. 7942 における O2 に依存した電子伝達反応をクロロフィル蛍光によって測定した。Fs が安定してから窒素ガスを通気し溶液中の O2 を取り除いた。PSII の実効量子収率を決定するために飽和パルス光を照射して決定した（逆三角）。200 mV、100 mV は縦軸のスケールを示しており、100 mV は 200 mV の 2 倍の大きさを示している。

り除き 160 µmol photons m-2 s-1 の赤色光を照射す

す る FLV1/3 の 活 性 が 大 き く な り 、 160 µmol

ることで光合成定常状態における O2 依存的電子

photons m-2 s-1 という光環境下でも窒素ガスに応伝達反応を測定した（図 3）。すると S. 6803 では答したと考えられる。これらのことから S. 6803

窒素ガス置換により O2 を取り除いてもクロロフ

よりも S. 7942 において全電子伝達反応に占める

ィル蛍光や Y(II)に影響がなかった

30)。一方で S.

O2 に依存した電子伝達反応活性の割合が高いこ

7942 は光合成定常状態においても窒素ガス置換とが示唆される。つまりこれは S. 7942 においてにより Y(II)が低下するだけでなく飽和パルス光

S. 6803 よりも光合成電子伝達反応の O2 依存性が照射後のクロロフィル蛍光の消光が大きく遅延高いことを意味している。そこで S. 7942 におい30)。このことからシて FLV1/3 欠損株を作製し、光合成と FLV による

アノバクテリアの種間によって光合成定常状態

O2 還元の関係を調べたところ、光合成の定常状における O2 依存性も異なることが明らかとなっ態において Y(II)が低下しただけでなく、O2 発生

た。CO2 飽和下において S. 7942 は S. 6803 に比べ速度が大きく低下した 5)（図 4）。このデータはて光合成 O2 発生速度が低い 5)。この知見はカル

LEF の活性が低下していることを示している。

ビン回路のエレクトロンシンクとしての機能が光合成は LEF によるエネルギー供給とカルビン

S. 6803 に比べて S. 7942 の方が小さいことを意味

回路によるエネルギー消費のバランスにより成している。窒素ガスに S. 6803 が反応しなかった

り立っているため、LEF の活性低下から CO2 固原因としては、Hayashi 等の実験では 160 µmol

定反応も低下していると考えられる。即ち、することが明らかとなった

photons m

-2

s

-1

の光強度で測定しており、FLV1/3 はエレクトロンシンクとして機能して余Allahverdiyeva 等が光合成の定常状態で O2 吸収を剰なエネルギーを散逸するだけでなく、CO2 固定-2-1

測定した 500 µmol photons m s よりも弱光であ能を維持していることを示している。我々が知るったためほとんどの電子が FLV1/3 ではなく LEF

限り、これは in vivo において O2 が CO2 固定活性に流れたためであると考えられた

26,30)。一方でに影響を与えることを示唆した初めてデータでS. 7942 においてはカルビン回路のエレクトロンある。

シンク能が S. 6803 に比べて低いため、LEF に対	  では FLV1/3 欠損により生じる LEF 活性の低下

16

光合成研究	  26 (1) 2016
を Reduction-Induced Suppression of Electron flow
（RISE）と命名した。RISE が生じてクロロフィ
ル蛍光が上昇している時、PSII における O2 発生
速度が最大 50%程度まで低下した。そしてクロロ
フィル蛍光が元の値に戻るに伴って O2 発生速度も元の値に戻った 5)。つまり RISE が生じていると光合成における O2 発生速度を低下させている
ことが明らかとなった。このことから野生株に比べて FLV1/3 欠損変異体で O2 発生速度が低い理由は （図 4）、野生株に比べて FLV1/3 欠損変異
体で PQ プールが還元されており、RISE が光合成の定常状態で誘導され、LEF 活性が低下しているためであると考えられる。

図 4. S. 7942 に おけ る光 強度 と O2 発 生速 度の 関
係 （Shaku et al. 2015 より引用）5)
野生型（●）と FLV1/3 欠損変異体（■）におけるO2 発生速度を測定した。

7. RISE の 分 子 メ カ ニ ズ ム お よ び 生 理 学 的 意義	  著者等は、S. 7942 における光合成電子伝達反は ΔpH 形成が抑制されているために生じている応制御は Cyt b6/f 複合体での Q サイクルにより調のであろうか。FLV1/3 を欠損した S. 7942 は飽和節されていることを見出した。FLV1/3 欠損変異

パルス光照射後にクロロフィル蛍光の消光が大体において Cyt f の酸化還元レベルを測定したときく遅延していた 5)（図 5A）。筆者等はこの遅延

ころ、RISE が生じている時に Cyt f が酸化されての原因は ΔpH 形成が抑制されたことによりカルいることが分かった（図 5D）。つまり RISE は Cyt

ビ ン 回 路 に お け る リ ブ ロ ー ス -1,5 ビ ス リ ン 酸

b6/f 複合体で生じている可能性が示唆され、Q サ（RuBP）の再生が律速となり、電子伝達鎖が還イクルの活性の低下が原因と考えられた（図 6）。

元状態にあると考えた。そこで PSI の反応中心で

Q サイクルは Cyt b6/f 複合体において循環的な電ある P700 の酸化還元状態を測定したところ、ク子伝達反応を行い、H+の取り込みを促進する機構

ロロフィル蛍光が増加している時に P700 が酸化である 12)。Cyt b6 の Qp サイトにおいて PQH2 がされている、一見矛盾する事実を見出した 5)

PQ へと酸化される。その際に生じた 2 つの電子

（図 5B）。また NAD(P)H 蛍光も同時に測定するのうち 1 つは Cyt f を経て PC、PSI へと伝達されと NADPH の生成が抑制されていた（図 5 C）5）。

る。一方でもう 1 つの電子は Cyt b6 内の Qp サイ

ΔpH 形成が抑制されていることによってクロロ

トから Qn サイトへと伝達される。もう一度 Qp

フィル蛍光の消光が遅延しているのであればサイトで PQH2 が酸化されると Qn サイトに 2 つP700 や NADPH は還元されると考えられる。し電子が蓄積し、Qn サイトにて PQ が PQH2 に還元

かしこれらの結果は筆者等の予想とは異なり、される。この際に H+が取り込まれることで ΔpH

PSII から PSI への電子伝達反応が抑制されてい形成に寄与していると考えられている。FLV1/3

ることを意味している。よって ΔpH 形成が阻害の欠損や CO2 の枯渇が生じると PQ プールが過還されたためにクロロフィル蛍光の消光が遅延し元状態に陥る。すると PQH2/PQ 比が高くなり PQている可能性は低いと考えられる。S. 7942 の野の量が相対的に少なくなることで Cyt b6 の Qn サ

生型において、この電子伝達抑制は CO2 飽和下

イトにおける PQ の還元が抑制される。その結果では見られなかったが、CO2 枯渇下においては観

Cyt b6 内での Qp サイトから Qn サイトへの電子測された。これらのことから PQ プールの還元状伝達反応も抑制され LEF も抑制される。その結態によって PSII から PSI への電子伝達反応が抑

果光合成が抑制される。このことから O2 依存的制されていることが示唆され、この電子伝達制御17

光合成研究	  26 (1) 2016

図 5. FLV1/3 欠 損変 異体 にお け る各 レド ック ス 因子 の飽 和 パル ス光 に対 す る応 答
（Shaku et al. 2015 より引用）5)(A) クロロフィル蛍光、(B) P700 酸化還元、(C) NADPH 蛍光、(D) Cyt f の酸化還元レベルを示している。励起光（200 µmol photons m-2 s-1）をバックグラウンドとして飽和パルス光（SP）を 1 秒照射している。クロロ
フィル蛍光の最大レベル（Fm）は DCMU を添加して決定した。P700 の最大レベル（Pm）は遠赤色光を照射後に飽和パルス光を照射することで決定した。Cyt f の最大還元レベル（red）は暗所に KCN を添加して決定した。Cyt f の最大酸化レベル（oxi）は励起光下で DBMIB を添加して決定した。

な電子伝達反応は、ΔpH 形成に寄与しているのらの電子が到達しづらいかを示した指標。値が高ではなくエレクトロンシンクとして PQ プールをいほど PSI が酸化されている）が上昇することに酸化することで RISE を抑制し、LEF 活性を維持

より PSI の失活が抑えられることを報告しておしているといえる。つまり S. 7942 における Q サ

り、PSI 酸化の生理学的意義が世界で初めて示さイクルは ΔpH 形成だけでなく、電子伝達制御をれた 41)。CO2 枯渇や FLV1/3 欠損では、クロロフも担っている可能性がある。

ィル蛍光解析から明らかなように PQ が過還元状	  では、RISE による電子伝達制御はどのような態になっていることから、PSI において O2-が生意義があるのか。RISE は PSI を酸化しているこ成する危険性が高まっていると考えられた。その-ような環境で RISE が生じることによって PSI へとから PSI における O2 の生成を抑えている可能-性がある。PSI において発生した O2 は PSI 光阻の電子の流入が抑制され結果として PSI におけ。PSI タンパク質の分解と生合

る O2-の生成が抑制され、PSI の失活に備えてい成のターンオーバー速度は PSII での分解、生合る可能性が示唆された。実際に S. 7942 において

成ターンオーバー速度に比べて極めて遅く、ダメ

は CO2 枯渇下や FLV1/3 欠損によって Y(ND)の上害の原因となる

38)

ージの程度が深刻な場合には回復できない

39,40)。

昇が見られることも上記の仮説を支持していこのことから PSI の光阻害を防ぐことは光合成る 5)。

生物にとって非常に重要であると考えられる。

	  また RISE は Cyt f や PC の酸化も誘導する。Cyt

Sejima 等は暗所にある生葉に飽和パルス光を連

f や PC は O2-を消去する能力を持つことが知られ続照射することで PSI が還元状態になり、O2 存ている 42,43)。反応速度定数も 107 M-1 s-1 であり Cyt

在下で PSI の失活が生じることを見出した 41)。そf から PC への速度定数の 108 M-1 s-1 と比べても非の研究において、Y(ND)（PSI にどれだけ PSII か

常に大きいことが分かる 44)。仮に PSI において

18

光合成研究	  26 (1) 2016

図 6. RISE の 分子 メカ ニズ ム （Shaku et al. 2015 改）5)(A) エレクトロンシンク能によって PQ プールを酸化できる場合、Cyt b6 の Qp サイトにおいて PQH2 が PQ に酸化される。2 つの電子のうち 1 つの電子は PSI へ、もう一つの電子は Qn へと伝達される。もう一度同じ反応が起こることで、Qn サイトにおいて PQ が PQH2 へと還元される（Q サイクル）。(B) エレクトロンシンク能が抑制された時、PQH 2/PQ 比が高くなる。その結果 Qn サイトにおける PQ の還元が抑制され、Qp サイト
から Qn サイトへの電子伝達反応が抑制される。結果として LEF が抑制され、PSI や NADPH が酸化されると考えられる。

O2-が生成してしまった場合でも Cyt f や PC が O2-

テリア S. 7942 において検証を行ったものであるを消去することで ROS の危険に備えている可能が、Q サイクルは光合成生物に広く保存されてい性がある。つまり PSI が還元されやすい環境下にる生理現象であり、RISE による LEF 活性制御機

おいて RISE は PSI 失活の危険性を軽減する電子

構は全ての光合成生物に保存されている可能性

伝達制御として機能していると考えられる。

がある 12)。光合成生物における RISE の普遍性にはさらなる検証が必要であるが、普遍性が実証さ

8. 最後にれることで、CO2 固定における O2 の存在意義が	  これまで CO2 固定能維持における O2 の必要性

さらに明らかとなるであろう。

ということに対して in vivo での証明がなされて	
  一方で LEF ではカルビン回路が要求する ATP

こなかった。しかし筆者等の研究により、光合成を十分に供給することが出来ないという説に対にとっての O2 の必要性が初めて in vivo においてしては、未だ充分な回答がなされていない。生化

明らかとなった。その中で、O2 の存在意義が従学的な知見から算出された理論値では、LEF では

来の ΔpH 形成を行いカルビン回路の ATP 要求を

ATP の供給が間に合わず、別の電子伝達反応（メ満たす役割ではなく、エレクトロンシンクとしてーラー反応や CEF-I）によって ΔpH を供給する

PQ プールを酸化することで LEF 活性の維持を行必要がある。しかし本総説で紹介したように、っていることが示された。そしてその分子メカニ

我々を含めた生理学的な立場における量的議論

ズムが Q サイクルによる電子伝達制御（RISE のにおいては、メーラー反応や CEF-I では LEF の制御）である可能性が示唆された。これらの知見

不足分の ΔpH を補う能力は低いと考えている 14)。

は Q サイクルに ΔpH 形成とは異なる RISE の制

この両者の食い違いに対して明確な答えを出す

御という電子伝達制御機能が備わっていることためには、本当に LEF のみでは ATP が不足してを新たに示している。筆者等の研究はシアノバク

いるのか、不足しているのであればどのような機

19

光合成研究	  26 (1) 2016
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光合成研究	  26 (1) 2016

解説	
 

	
 

	
 
光合成微生物を利用した再生可能エネルギー生産実用化のための課題
社会からの期待、研究の歴史、シアノバクテリアの水素生産	 神奈川大学	
 光合成水素生産研究所	
 
櫻井	
 英博*
地表が受ける太陽光は人類が消費するエネルギーの 4,500 倍を超える。光合成生物を利用したバイオエネルギー生産は、1973 年の第一次オイルショック時はエネルギー安定供給の視点から、最近は地球温暖化に対する再生可能エネルギー開発の必要性の視点から、研究開発に対する期待が社会から寄せられている。約 40 年間にわたるさまざまな研究により、バイオエネルギーの経済的生産のための克服
すべき課題は整理されつつあるが、いまだ大規模な実用化には至っていない。本稿は、光合成微生物
1)を利用したバイオエネルギー生産に関するわれわれの最近の総説 を基礎に、気候変動枠組み条約「パリ協定」（2015）、1970-80 年代の日本および米国の研究推進の状況、およびわれわれのシアノバクテ
リアを利用した水素生産の研究を付け加え、筆者の個人的経験と見解をまとめたものである。
1． 地 球 温 暖 化 と 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー に 対 す

類社会にとって好ましくない影響を及ぼすことる社会的期待が懸念される。温室効果ガス排出抑制は一国のみ

1.1. 大 気 中 の 温 室 効 果 ガ ス 濃 度 増 大 に よ る 気で達成できるものではないので、気候変動が地球候変動に対する懸念

全体に及ぼす悪影響を抑制するために、1992 年

	  §大気中の CO2 をはじめとする温室効果ガス濃に「国連気候変動枠組み条約」（UNFCCC）が採度は、顕著に上昇を続けている。CO2 濃度は産業択された 4)。本条約の目的は、「人類の活動によ

革命までは約 280 ppm 程度で安定していたが、以って気候システムに危険な影響がもたらされな

後次第に増加に転じ、すでに約 400 ppm に達した。

い水準で、大気中の温室効果ガス濃度の安定化を

CO2 濃度の増加は、主として化石燃料の燃焼、次達成することにある。」とされている。わが国でいで森林破壊（バイオマスの燃焼のほかに、土壌は「地球温暖化防止条約」という呼び方も一部に中に蓄えられていた腐植質の分解）等によるが、あるが、これは国際的には通用しない不適切な呼2)

その結果、地球規模の温暖化が懸念されている 。

び方である。なぜなら、本当に温暖化を防止する

IPCC（気候変動に関する政府間パネル）の第 5

なら、大気中の温室効果ガス濃度を産業革命当時

次報告書の１つのシナリオによれば、地球平均気の濃度に戻す必要があるが、これは実現不可能だ

温の上昇を産業革命時を基準として 2℃以内のと考えられるからである。

上昇に抑えるためには、温室効果ガスの排出量を 2010 年レベルから、2050 年には 25-55%、2100
年には 90-114%削減しなければならないという

1.2. 人 類 の エ ネ ル ギ ー 消 費 量 と 太 陽 光 エ ネ ル

3)ギー（図 1）。

	  人類のエネルギー消費量は莫大であり、世界の	  温室効果ガス濃度の上昇は、地球の平均気温の

社会的総エネルギー消費は、2013 年には約 13,500

上昇による気候変動を引き起こし、生態系や農業

x 106 toe (石油換算トン、1 toe = 41.87 GJ)、すな

に対する影響、災害の激甚化など、全体として人わち年間 5.65 x 1020 J に達した 5)。社会的総エネ
ルギー消費をエネルギー源別にみると、その81.4%は化石燃料（原油、石炭、天然ガス）で、*連絡先 E-mail: sakurai@waseda.jp23

光合成研究	  26 (1) 2016

図 1. 化 石燃 料由 来 CO2 排 出と その 抑制 の シナ リオ IPCC
地球の平均気温の予測には現状では不確実性があるので、一部は帯状の範囲で示す。パリ協定 4)は 2100 年の
気温上昇を 2℃未満、できれば 1.5℃に抑えることを目標。現協定での削減はこのレベルに達しないので、協定は 5 年ごとに、より厳しく見直されることになっている。本協定で、日本は 2013 年比で、2030 年には 26%、2050 年には 80%の削減を表明。図で、正味ゼロ以下の排出には、化石燃料燃焼由来の CO2 を全量回収し、岩盤等に永久的に安定貯蔵する技術の開発（CCS：Carbon dioxide, Capture, Storage）に加えて、植林、造林等により大気中の CO2 の正味の吸収が必要である。
［黒線］（一番上の線）現在の趨勢。このままだと 2100 年には約 4℃上昇、［あずき色］3.1-3.7℃上昇、［青色］1.8-2.0℃上昇（パリ協定が長期目標とする現時点でのシナリオ）（作図：北島正治）

残りは木材などの生物燃料が 10.2%、原子力 4.8%、

味で、世界の現在の食物摂取エネルギーに匹敵す

水力 2.4%であった。人類（71.1 億人）の年間のる量の再生可能エネルギーが新たに生産できた

15としても、人類の総エネルギー消費の約 5%を賄

食物摂取エネルギー（2,000 kcal/日）は約 5.2 x 10
cal (2.17 x 1018J)と見積もられるが、これとの比えるに過ぎない。

較から、世界の平均的な人は総エネルギーで食物	  地表が受ける太陽光エネルギーは莫大で、人類エネルギーの約 26 倍（化石燃料で 21 倍）を消費の社会的エネルギー消費の総量で約 4,700 倍、化

していることになる（表 1）（総エネルギーとし石燃料消費の約 5,800 倍に達する（表 1）。なお、て、米国：95 倍、ドイツ：53 倍、日本：49 倍、単位面積当たりの平均太陽光強度は、約 1,500

中国：30 倍)。地上にエネルギー作物を栽培し、kWh m-2 yr-1 と見積もられる 6)。

動力や肥料等の投入エネルギーを差し引いた正表 1. 太 陽光 と人 類の エ ネル ギー 消費
項目

エネルギー量 (強度)

比

文献/注

太陽光
強度

(165 W m-2 or 1450 kWh m -2 yr-1)
18

Stephens et al (2012)-1

地表における全太陽光エネルギー

2,660,000 x 10 J yr

光合成有効放射1,200,000 x 1018 J yr-1

4,670

5,800

440,000

Stephens et al (2012)
45% of the total

人類の社会的エネルギー消費
総一次エネルギー供給
化石燃料消費ヒトの食物摂取エネルギー

570 x 1018 J yr-1

1

1.24

26

IEA (2015)

-1

0.81

1

21

IEA (2015)21.7 x 1018 J yr-1

0.038

0.047

1

population: 7.1x109

18

460 x 10 J yr

	
  	
 

	
 

24

	
 

	
 

	
  2,000 kcal capita-1 d-1

光合成研究	  26 (1) 2016
1.3. 光 合 成 生 物 を 利 用 し た 日 米 に お け る バ イ
オエネルギー生産の初期の研究史	  光合成生物を再生可能エネルギー生産のために利用する組織的検討が始まったのは 1973 年である。この年 10 月に勃発した第四次中東戦争を契機に、中東の石油輸出国機構（OPEC）は親イ
スラエル国に対する石油禁輸、原油 1 バレル（約 159 L）当たりの公示価格の 3 ドル台から 5	
 ドル台への引き上げを発表した。原油の半分以上

図 2. 米 国の 報告 書（ 1975 年）8)（左 ）と 日本 語の 訳書 9)（右 ）を中東の原油に頼るわが国に対する影響は甚大
で、電力消費を少しでも抑えるために夜 11 時以
降のテレビ放送の停止、総合卸売物価指数の 2

陽光発電、風力などの研究が行われ、現在に至っ

年間で約 50%の上昇（物価狂乱）等の大混乱が起ている。

こった。まもなく石油の禁輸は実施されないこと	  このような逆境下でも J.R. Benemann (Univ.

となったが、石油価格は高止まりし（現在の価格

California), A. Mitsui (Univ. Miami)などの限られと比べればそれほどでもないが）、エネルギーのた少数の研究者は、研究費を得て研究を続け、実確保が重要な課題であることが認識された。

用化には至らなかったものの、現在でも役に立つ	  米国では、1973 年に光合成生物を利用した太多くの研究成果を残した（後述）。私は 1978 年に陽光エネルギー変換研究のための Workshop がMiami 大学の三井旭氏を訪ねたが、彼は巨額の研Gibbs, San Pietro らにより組織・開催され 7)、その究費を得て、10 人乗り以上の大きな調査船を使

後 Lien & San Pietro による報告書 8)も出て、のちって湾や外洋から多数の光合成微生物を採取し、に和訳された 9)（図 2）。驚くべきは、この Workshop

それを実験室で培養して H2 生産性の高い株等をが開催されたのは第四次中東戦争開戦に先立つ

選抜していた。

同年の 9 月であったことである。米国の科学行政	  上 述 の よ う に 、 米 国 の 科 学 政 策 立 案 者 側

担当機関は、将来起こりうるリスクに備えるためは 1970 年代後半には、光合成生物を利用した経の研究開発を視野に入れ、研究を組織できていた

済的エネルギー生産は当面は困難であると判断ことになる。それから数年後、私は 1977 年夏かしていたが、わが国では 1970 年代後半から、こら約 1 年間 San Pietro の研究室（Indiana 大学）での分野の研究に研究費が投入されることになっ光化学系 I に関する研究を行い、研究室には S.

た。科学技術庁に属する理研では、1979 年よりLien も居たが、生物を利用した太陽光エネルギー「日米光合成研究協力事業」が開始され、1999

変換の応用的研究は全く行われていなかった。お年まで光合成を主目的とする研究に対する助成

そらく米国 NSF は、石油は価格が上昇したとはが行われた。1980 年には、太陽光エネルギー科

いえエネルギー確保に問題はないと判断して、こ学研究グループ（井上頼直主任研究員）に、初期の分野への補助金を大幅に削除したものと思わ

設備費 1 億円、年間数千万円の経常研究費、10れる。1978 年夏にはコロラド州 Golden にある

名程度の流動研究員枠という破格の規模で太陽SERI（Solar Energy Research Institute）を訪ねたが、光利用に関する研究費が支出され、当初の研究目

J.T. Warden の説明では、建物が今は 3 棟ほどだ

標としては、「太陽光エネルギーで水を分解、H2が、近い将来は 20 棟以上に拡張される予定とのを得る人工系の設計に指針を与えること」が掲げことであった。しかし、このような大構想は実現られた 10)。1984 年の研究報告書には、高分子ル

せず、その後研究所は DOE 傘下の中規模な NREL

テニウム錯体を用いて、H2O を光化学的に分解し、( National Renewable Energy Laboratory)となり、バ

メチルビオローゲンを還元し、ヒドロゲナーゼ等

イオエネルギー（M. Seibert, M. Ghirardi 等）、太により H2 を生産するという 1 つの想像図が紹介

25

光合成研究	  26 (1) 2016
表 2. 期 待さ れる バイ オ エネ ルギ ーの 年 間総 売り 上 げ
エネルギー

エネルギー

総売上	
  (円	
 m-2	
 yr-1)	
 

変換効率

生産

買上げ価格	
  （円/kWh)(%)(kWh/m2 /yr)

10

20

50

1

15

15 0	
 

30 0	
 

75 0	
 

2

30

30 0	
 

60 0	
  15 00 	
 (地表における受光太陽光強度を 1,500 kWh m-2 yr-1 と仮定)されている 11)。理研では、この間、光合成に関ない。しかし、この間のさまざまな研究により、する優れた基礎研究が行われ、多くの研究者を輩

バイオエネルギー生産が経済的に成り立つため出したが、実用的研究というよりは、基礎的研究の必要条件に関する知識が集積されていった。

が中心であった。
	  1976 年には Gibbs ら 7), Lien ら 8)の 2 つの報告

2.1. 大規模生産の必要性

9)	
  太陽光の地表での強度は、平均して約 1,500

として翻訳出版され（図 2）、文部省所管の大学

kWh m-2 yr-1 程度（表 1）であり、光合成のエネル

等の光合成研究にも一時期、ある程度の研究費がギー変換効率を 1%、2%と仮定したときの年間の配分された。研究費の獲得には、藤茂宏、宮地重

総売り上げは表 2 のようになる。

遠、西村光男、藤田善彦ら諸氏の尽力があったと

	  効率 1%、買い上げ価格 20 円/kWh と仮定すれ聞いている。私は、文部省科研費（特定研究）「生

ば、年間の総売り上げは 300 円/m2 (3,000,000 円

物生産の場における生理的・化学的制御」（研究/ha)で、大規模生産が必要である。手厚い価格支

代表者：田村三郎、1981-1983）、文部省科研費（エ持政策があるコメでも、八郎潟の米作専業農家は

ネルギー特別研究)「太陽光による光合成の研究」

約 20-30 ha の経営規模が必要だといわれる。この(研究代表者：本多健一、1984-1986）の研究分担ような手厚い価格支持政策が期待できないバイ者に加えてもらい、年間 100 万円を超える研究費

オエネルギー生産では、従業員 1 人当たり 1 km2を受けた。しかし、ここでも、いかにして光合成程度の規模は必要であろう。

をエネルギー生産に結び付けるかのビジョンは

	  単位面積当たりの収入がこの程度あるいはそ描かれておらず、たとえば私の属した「高エネル

れ以下であっても、光合成を利用したエネルギー

ギー物質生産」研究グループには、光化学系 I、生産性の可能性があることを示す例としては、米フェレドキンン、ヒドロゲナーゼ等の研究者がい国のトウモロコシ生産の実績があげられる。トウたが、近い将来の実用化目指すというよりは、将モロコシ穀粒への光エネルギー変換効率

来役に立つ可能性のある基礎研究をするというは 0.3-0.35%程度と見積もられるが、ここ 20 年間のが共通認識であった。

のシカゴ市場での価格は 8-27 セント/kg、すなわ

書が、「生物による太陽光エネルギーの変換」

ち 1.4-6.2 セント/kWh であり 12)、これは、光バイ
2. 光 合 成 生 物 を 利 用 し た 太 陽 光 エ ネ ル ギ ー

オエネルギー生産が大規模に実施されれば、将来、変換が経済的に成り立つための条件

経済的に成り立つ可能性を示す実績である。農	  光合成生物を利用したバイオエネルギー生産

家 1 戸当たりの平均耕地面積（km2）は、日本

は、陸上植物のサトウキビ、トウモロコシ等を原

は 0.025、オーストラリアは 30.8、米国は 1.75 程料とするバイオエタノール生産が大規模に実施度である。同じ新聞には、大規模農家の例としされている。これに対し、微細光合成生物を利用て、20 km2 を耕作してコメを生産しているオース

したものは、未だ大規模生産の実施には至っていトラリアの農家が紹介されていた 13)。

26

光合成研究	  26 (1) 2016

図 3. 藻 類バ イオ エネ ル ギー 生産 の ラ イフサ イク ルア セス メ ント 14)
Clarens et al. 14)による米国の 3 地点(日照、水の蒸発に差がある)での評価。いずれも、藻類エネルギー3.17 ×105
MJ（図の赤破線）を得るのに、それ以上のエネルギーが必要。最大のエネルギーコストは栄養塩類。

ばならない 1)：①大規模生産、②全プロセスで投2.2. エネルギー収支がプラスであること入されるエネルギーを上回るエネルギー生産、特	  光合成により生産されるバイオエネルギーは、に、栄養塩類等のエネルギー消費削減、③省力生投入される総エネルギーを上回らなければなら産。

ない。Clarens ら

14)は緑藻のバイオエネルギー生	  光合成生物を利用した生産方式としては数多

産に関するライフサイクルアセスメント（LCA）

くのものが提案されている。例えば、成長の早いを行い、現状では投入エネルギーの方が生産物のMiscanthus（ススキに似た草本）を陸地に植え、エネルギーを上回り、正味のエネルギー生産は困

バイオマスを収穫する案があるが、栽培に適した難であるという結果を示した（図 3）。最もエネ

陸地面積は限られる。かつてはホテイアオイを利ルギーを食うのは窒素、リン、カリウムなどの栄用することも提案されたが、成長が期待したほど養塩類であり、次いで CO2（濃縮と通気）、水（蒸高くなく、外来生物として環境問題を引き起こす発）、動力（培養液攪拌、収穫等）である。農業

危険性も指摘された。私見では、窒素栄養の消費においても窒素肥料のコスト削減は重要で、主食から見て、緑藻の Botryococcus は経済的オイル生とする食品はコメ、ムギ、砂糖、油脂等はいずれ産の可能性があるかもしれないが、Euglena は困

も窒素含量が低い。

難だと思われる。Benemann ら 16)は、緑藻がバイ
オエネルギーとして利用できるためには、バイオ

2.3. 生 産 装 置 ま た は バ イ オ リ ア ク タ ー が 低 廉

マスとしての年間生産性を 10 kg/m2 以上に高めであること

なければならないと結論しているが、これは太陽	  Amos15)は緑藻 Chlamydomonas の H2 生産のコ

光→バイオマスのエネルギー変換効率約 4%以上

スト分析を行い、バイオリアクター価格が数 10という極めて高いハードルである。なお、光合成

2

ドル/m を超えると、経済的生産は困難であると微生物を利用したバイオエネルギーの経済的生結論した。表 2 の結果からも、バイオリアクター

産の課題（特に窒素栄養節約）については、本誌

2

でも小俣ら 17)が論じている。

価格が数 1,000 円/m を超えると、利子の支払いがコスト要因の１つになることが分かる。

3. シ ア ノ バ ク テ リ ア を 利 用 し た 光 生 物 学 的2.4. 経 済 的 バ イ オ 燃 料 生 産 に 必 要 な 条 件 の ま

H2 生産の研究とめ	  光合成生物を利用したバイオエネルギーの生	  バイオエネルギーの生産が、社会的に意味ある

産方式にはさまざまなものが研究されているが、貢献をするためには、以下の条件をみたさなけれ

本稿では、われわれが行っているシアノバクテリ

27

光合成研究	  26 (1) 2016

図 4. ヘ テロ シス ト形 成 型シ アノ バク テ リア の H2 を 中心 とす る代 謝 経路
上図：2 種の細胞の機能分化と光合成系及びニトロゲナーゼの局在性。下図：反応に伴う気体の動き。破線の左側は栄養細胞、右側はヘテロシスト（別名、異型細胞）。H2O の分解により O2 と H2 を生じ、CO2 は循環的に利用される。ヘテロシストは光化学 II 活性を欠き、呼吸活性も高く、酸素感受性ニトロゲナーゼを保護する。隣接する栄養細胞は通常の光合成により合成した糖質をヘテロシストに供給し、ヘテロシストからグル
タミンを受け取る。ニトロゲナーゼ反応は不可逆的であり、H2 を再吸収するヒドロゲナーゼを不活性化すれば、H2 は O2 があっても吸収されずに蓄積可能。

アのニトロゲナーゼを利用した H2 に限定して述

N2 + 8 e− + 8 H+ + 16 ATP → H2 + 2 NH3 + 16 (ADP

べる。これは他の藻類のヒドロゲナーゼを利用し+ Pi)	
  –	  (1)た H2 生産やバイオマス生産の可能性を否定する

	  気相が N2 を含まない場合は（Ar ガスを主体）、ことを意図したものではない。

全電子が H2 生産に向けられる:
2 e− + 2 H+ + 4 ATP → H2 + 4 (ADP + Pi)	
  –	
  (2)

3.1. ニトロゲナーゼを利用した H2 生産系

	  反応式が(2)のときの理論的最高エネルギー効	  シアノバクテリアの一部は、酵素ニトロゲナー

率は、ATP 合成酵素(FoF1)による ATP 合成に必ゼにより窒素固定を行うが、反応の必然的副産物

要な H+数が確定していないため、正確な値も確として H2 を発生する 18-23)。反応は実質的に不可定していない 23-25)。H+/ATP 比を 4 または 3 と仮逆であり、H2 を吸収するヒドロゲナーゼの活性定すると、ニトロゲナーゼによる 1 分子の H2 生を抑制すると、O2 の共存下でも H2 を蓄積できる。

産に必要な光子数は(18-22)/3 であり、入射光波長

シアノバクテリアはいくつかの方法で O2 発生をを 550 nm、水素の燃焼熱（高位発熱量:産物は液伴う通常の光合成と O2 感受性のニトロゲナーゼ体の水）を 285.84 kJ mol-1 とすると、光→H2 エネ反応の共存を図っている。われわれが現在利用しルギー変換効率 16.3-13.9%が理論的最高エネルているのは、糸状でヘテロシスト(異型細胞)を形

ギー変換効率である 19)。太陽光エネルギーの 45%

成する空間的分離タイプである 23)。ヘテロシス

が光合成有効放射（PAR）だとすれは、太陽光→H2

トはニトロゲナーゼ反応の場で、光化学系 II のエネルギー変換効率は最高で 7.3-6.3%である。な

活性がほとんどなく、隣接する栄養細胞が通常の

お、可視光（550 nm）および全太陽光に対する最光合成により合成した糖質を電子供与体として高エネルギー変換効率は、ヒドロゲナーゼを利用

受け取り、合成した窒素固定産物（グルタミン）

した H2 生産では 32.9%および 14.8%、C3 光合成を返送する（図 4）。

は 27.6%および 12.7%、C4 光合成は 20.7-24.5%お	  ニトロゲナーゼの反応は、下記によりあらわさよび 9.3%-11.0％と試算される。シアノバクテリ

れる:

アのニトロゲナーゼによる H2 生産の変換効率に28

光合成研究	  26 (1) 2016

図 5. H2 バ リア ー性 バッ グ をバ イオ リア ク ター とす る H2 生 産の 概念 図
淡水ベースの培養液は、海水に浮かべたバッグ中で自発的に広がる。海面 1 km2 を、例えば 25x200 m の巨大なバッグ 200 個で覆うことができる。培養液を変えることなく、H2 を繰り返し収穫できる。CO2 は循環的に利用される。不要になったシアノバクテリア細胞は魚の餌に 39)。

関しては、実験室内の弱光条件下でターの塩基配列決定 32)、一部のシアノバクテリ

は 2.626)-3.7%27)という高い値が報告されているが、アの形質転換法確立等 33)、関連分野の進歩が著

屋外での 2 日以上の実験で得られた最高値

しいことが分かった。1997 年には、機会があっは 0.1%程度にとどまっており

28)て、ニトロゲナーゼを利用した光生物学的 H2 生

、その改善が重産の構想を発表した 34)。私はそれまで光合成の要な課題である。

基礎的研究しかやってこなかったが、応用的研究
3.2. わ れ わ れ の 研 究 	  － 	  出 発 か ら 初 期 の 研を始めることについて持丸真里助手(現駒沢大)

究まで（1997-2007）と大学院生の増川一(現大阪市大)からの合意を	  私は 1991 年に再度 Miami 大学の三井旭氏を訪得て、シアノバクテリアの H2 生産の研究を開始

ねたが、研究費は細っていたものの、研究は続いした。1999 年には、RITE（地球環境産業技術研ていた。興味深かったのは、光照射下で O2 を発究機構）から約 1000 万円の研究費を得て、シア生しながら H2 を蓄積できる野外から採取したシノバクテリアのヒドロゲナーゼの分子生物学的アノバクテリア株で、これはヒドロゲナーゼ活性研究をしていた P. Tamagnini と大学院生を技術を欠き、ニトロゲナーゼにより H2 を生産するも指導に招くことができた。ニトロゲナーゼによる29)。バイオエネルギーにかける三井

光生物学的 H2 生産活性が、取り込み型ヒドロゲさんの情熱は敬服すべきものであったが、私のよ

ナーゼ遺伝子破壊（ΔHup）により著しく上昇す

うな植物生理学分野の者が参入できる状況ではること 35)、Nostoc sp. PCC 7422 (ΔHup)は O2 の共ないと感じていた。1996 年、私は緑色硫黄細菌

存下でも H2 を濃度 29%まで蓄積でき、実験室条

Chlorobaculum tepidum の光化学反応中心の分光

件下での光→水素エネルギー変換効率が 1.7%

学的測定でフランス Saclay 研究所の P. Sétif と共（全太陽光換算）に達する 27)等が主な成果であ同研究を行っていたが、午前中は私が嫌気操作でる。RITE の審査員（茅陽一、大山莞爾氏ら）、

反応液をキュベットに詰め、彼が測定中の午後は

plasmid を恵与された C.P. Wolk にはこの場を借暇であった。そのときたまたま手にした本に、ニりて感謝の意を表したい。なお、Anabaena/Nostocのであった

トロゲナーゼの立体構造の X 線結晶解析

30)

sp. PCC 7120 株の全ゲノム塩基配列決定の研究

の記

36)

事が出ていた。ニトロゲナーゼについて調べてみ
ると、酵素反応の詳細な生化学的研究

31)

、シア

が、分子生物学的研究を進めるうえで重要な指針となった。

ノバクテリアのニトロゲナーゼ nif 遺伝子クラス

	  大規模 H2 生産用のバイオリアクターに関して29

光合成研究	  26 (1) 2016
は、一つの可能性として H2 バリアー性の柔軟プ

川大学では模擬太陽光照射装置（ソーラーシミュ

ラスチックバッグを利用するという提案があっレーター）（図 6）を設置し、世界各地の気象を

37)、われわれはバッグにシアノバクテリア

シミュレートした条件下で H2 生産性を評価するを入れ、これを海面に浮かべて大規模培養するこことが可能になった。わが国では、遺伝子組み換たがとを提案した19)（図 5）。

え生物を屋外で栽培し市販することは、現時点では多くの場合禁止されているが、サントリーが開3.3. 神 奈 川 大 学 光 合 成 水 素 生 産 研 究 所 に お け

発した青いバラと青いカーネーションは栽培とる研究（2007-現在）

切り花の販売が認められている。われわれは、遺	  私は 2007 年から神奈川大学光合成水素生産研

伝子組換え生物の生態系への影響を低くするた究所(井上和仁所長)で研究を行っている。同研究

めに淡水産のシアノバクテリアを海面で培養す所では、バイオリアクターとして H2 バリアー性ることを提案しているので、将来はプラスチック

プラスチックバッグの可能性を明らかにし、ガスバッグ内での屋外生産が認められる可能性があ

試料採取用にガスサンプリングポート

38)

も開発

ると期待している。また、公海の利用には国際的した（なお、後者およびバッグは、Wakhy 研究

協調が必要である。関連諸技術にも不確定要素が所が製作し、GL サイエンスから市販されている）。

多々あるが、われわれは下記の極めて大雑把な仮また、ガス相を約 1 週間ごとに更新することによ

定の下に、海面を利用したシアノバクテリアにより、培地を変えることなく 60 日以上にわたり H2

る H2 のコストを 26.4 セント/kWh と試算した：生産が可能であるという結果を得ている（北島他、［主な仮定：1）海面に浮遊させたバイオリアク

14)の指摘した栄ター中で H2 生産、2）エネルギー変換効率（太陽養塩類等のエネルギー消費削減の克服は可能だ

光→H2）：1.2%、3）エネルギー回収率＝消費地と考えている。屋外培養時には、バッグの中の培に運ばれた H2 エネルギー／海面で生産された H2養であるから雑菌による汚染が防がれ、しかも、エネルギー = 0.5］41)。

未発表）。これにより、Clarens ら

CO2 は最初に気相に加えておけばバッグ中で循環的に利用されるので（図 4,5）、通気や培養液の攪拌も不要である。
4. 実用化に向けての課題	  実用化のためには、A 屋外条件下でのエネルギ
ー変換効率の 1%以上への改良、B 関連工学技術の進歩、C 社会的受容が必要である。
	
  A に関しては、強光下でもエネルギー変換効率が低下しない株の選抜と遺伝子工学的改良が考えられる。その手段としては、アンテナ色素の削減 40)、有望野生株の選抜と遺伝子工学的改良、

図 6. 模 擬太 陽光 照射 装 置（ Solar simulator）
神奈川大学湘南ひらつかキャンパスに設置。光強度、温度はプログラミングにより可変で、世界各地の潜在的 H2 生産性評価が可能。

ニトロゲナーゼの分子活性の増大、代謝工学的改良等が考えられる。B に関しては、H2 と O2 の混合気体から両者を分離することが課題であるが、光半導体触媒により H2O を分解して H2 を生産する場合においても同様な課題があるので、革新

結論

的技術の開発が待たれる。C に関しては、わが国	  生物学的側面で特に重要なのは、シアノバクテ

では実験室レベルでも遺伝子組換え生物の培養

リアの野外条件下での光生物学的 H2 生産効率

は、屋内で行わなければならない。そこで、神奈を 1%程度以上（対全太陽光）に高めることであ30

光合成研究	  26 (1) 2016energyる。これにより、この H2 生産系が地球温暖化のbalance

in

light

of

the

latestglobalobservations. Nat. Geosci. 5, 691–669.

軽減のために有効であることを示すことができ
7.

れば、関連技術の発展が促され、社会的受容も進Gibbs, M., Hollaender, A., Kok, B., Krampits, L.O.,
San Pietro, A. (1974) Proceedings of the Workshop on

むものと考える。

Bio-solar Conversion, Workshop (held on 5-6
Sep. 1973, Md), Indiana University.

謝辞

8.

Lien, S. and San Pietro, A. (1975) An inquiry into	  最近の本研究の一部は、下記の支援を受けた

biophotolysis of water to produce hydrogen. (NSF

（研究代表者：井上和仁）；科研費：新学術領域

report), Indiana University.
9.

研究「人工光合成」（課題番号 24107004）、JSPS

サンピエトロ他著、柴田和雄・宮地重遠監訳（1976）「生物による太陽エネルギー変換」、東京大学出版

科学研究費補助金基盤研究 C（課題番

会（Gibbs, M. et al., Proc. Of the Workshop on

号 15K00642）、JSPS 二国間（日露）交流事業共

bio-solar conversion, 1973 年 9 月 Baltimore で行われ同研究、文部科学省私立大学戦略的研究基盤支援

た Workshop 報告書 7）、及び Lien & San Pietro8）の事業「太陽光を基盤とするグリーン／ライフイノ

翻訳）ベーション創出研究拠点の形成」、（株）リテラメ

10. 理研八十八年史、第 II 編、第５章	
  光合成科学	 ～新エネルギー創成への挑戦～(2005)理化学研究ッド寄付金。

所
Received March 6, 2016; Accepted March 28, 2016;

究commercially

2.

How

close

viablewearelarge-scale

to

5.

会

ニ

ュ

ー

ス

No.

78

(1984)

photobiologicalcorn

price.

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33

光合成研究	  26 (1) 2016

解説特集 	
 「若手光合成研究者による光合成研究の新展開」	
 Editor: 高橋	
 裕一郎（岡山大学	
 大学院自然科学研究科）	
 

序文

高橋	
 裕一郎（岡山大）

35

得津 隆太郎（基生研）

36

解説	
  酸素発生型光合成の成立過程とその実証方法の再考
浅井 智広（立命館大） 塚谷	
 祐介（東京工業大）43

解説	
  光合成における強光順化メカニズム研究の新展開

解説	
  緑藻の光化学系 I サイクリック電子伝達活性調節に関する考察
高橋 拓子（埼玉大）

34

59

光合成研究	  26 (1) 2016

解説	
 
序文

‡

岡山大学	
 大学院自然科学研究科	
 高橋	
 裕一郎1	 	 	  学位を取る前後の若手研究者だった 30 年ほど前の頃を思い出してみると、自分の研究成果を発表す
る場は、主に日本植物学会や日本植物生理学会の一般発表でした。そこでの質疑応答を含めた 15 分の口頭発表は、大変貴重な機会でした。ある程度自分の研究がまとまってくると、実質 12 分の発表時間
は短く、もう少し長い時間があればと感じることがしばしばありました。当時はそのような機会にはあまり恵まれていませんでしたが、現在も状況が大きく改善したとは言えないのではないでしょうか。
今も若手光合成研究者は同じような思いを抱いていると思います。
	  まとまった研究成果を光合成研究の専門家を前にして発表する機会は若手研究者の成長にはとても重要で、若手・中堅・ベテラン研究者から率直な評価・批判を受けると、それまで以上に研究が発展するものです。そこで、昨年（2015 年）5 月に岡山で開催された第 6 回日本光合成学会年会および公開シンポジウムでは、「若手光合成研究者による光合成研究の新展開」というシンポジウムを企画しました。若手光合成研究者が伸びてきているな、とかねがね感じていましたので、ちょうどよいタイミングであると考えました。4 名の演者に最近の研究の進展をまとめて発表することを依頼したところ、講演を快諾して頂きました。時間の関係上、限られた方にしか依頼できなかったのですが、自分の研究成果をまとめて発表したいとうずうずしている若手光合成研究者がまだまだたくさんいることでしょう。そして多くの研究者は若手光合成研究者の新しい発想と研究手法を駆使した研究成果を聞きた
いと思っているはずです。今後も日本光合成学会の年会を活用して、若手研究者の研究発表の機会を広げていきたいと考えています。
	  「日本の光合成研究の発展は若手研究者の双肩に掛かっている」ことには異論がないと思います。
光合成の若手研究者を育成していくことは日本光合成学会の重要な使命の一つです。本特集では 3 名の演者の研究を中心にまとめた解説を掲載しました。どこかの学会で彼等に会ったとき、いろいろな評価、批判、アドバイス、そして励ましをして頂くきっかけになればすばらしいと思います。
	  最後に本特集の編纂に当たって、本紙編集委員長の西山佳孝さんにいつも以上のご苦労をお掛けしてしましました。この場を借りてお礼を申し上げます。

	
 

‡

	
 

解説特集「若手光合成研究者による光合成研究の新展開」

1

連絡先 E-mail: taka@cc.okayama-u.ac.jp35

光合成研究	  26 (1) 2016

解説	
 

	
 
	
 
光合成における強光順化メカニズム研究の新展開‡	
 基礎生物学研究所	
 
得津	
 隆太郎*
光合成生物にとって光は必要不可欠なものであるのと同時に、自らを危険にさらす原因でもある。過ぎたるは猶及ばざるがごとしという諺通り、過剰な光エネルギーは時に有害なものとなり、光合成生物そのものを滅ぼしかねない。陸上植物や藻類などの光合成生物は、こういった過剰な光から身を守る術として、光を熱へと換えて安全に捨てる強光順化メカニズムを発達させてきた。多くの先人たちの研究により、この強光順化メカニズムの仕組みが明らかになりつつあるが、その内容は未だ広く知られていないようにも思う。本稿では、これまでに分かりつつある強光順化メカニズムの仕組みと、最近の筆者らの研究を紹介しつつ、今後の光合成における強光順化メカニズム研究の展望を述べる。	
 1．はじめに	  時に瞬く間に変化する光に対し、光合成生物た	  §光合成の重要性に気付き、そしてその奥深さ

ちはどのように順化しているのだろうか？例えに魅せられて早十数年経過した。特に、自然界にば、風で揺らめく木々の間や水面から差し込む光、おける光合成生物の強さ、しなやかさにはいつもあるいは雲の切れ間から降り注ぐ光は、数秒単位

驚かされる。あまり多くの場所を回ったわけではでその強度が変化する。安定した光の下で光合成ないが、少なくとも筆者自身が地球上で実際に足反応が進んでいる場合、上記のような瞬間的な光を踏み入れた場所においては、必ず光合成生物が環境変化は、時に光合成系にとって過剰な光エネ

存在していた。陸上であっても水中であっても、ルギーを供給してしまう。このような過剰な光エである。つまり光合成生物たちは、その誕生以来、ネルギーは、最終的に活性酸素種の発生につなが地球上のあらゆる環境において独自の進化を遂り、（便宜上、損傷と修復を分けずに考えるとし

げつつ、その場所で最適な光合成を行っているとて ） 光 化 学 系 II タ ン パ ク 質 複 合 体 （ PSII:

いうことを生きながらに証明している。では、私photosystem II）の光阻害を促進することが分かったちは彼らがどのように周辺環境に適応していている 1,2)。光合成生物は、この PSII による水分るのかを理解できているだろうか。多くの方は、

解及び電子伝達反応過程でルーメン側に蓄積しまだまだわからないことだらけ、と答えると思う。

た水素イオンを利用し、ATP 合成酵素を駆動さかくいう筆者もその一人であることは間違いなせることで生物エネルギーを生産する。また、同い。とはいえ光合成研究の一端を担う者として、時に電子伝達反応では生物反応に必要な還元力

本稿の執筆を通し、先行研究および筆者のこれまの産生を行っている。最終的に、これら ATP とでの研究から分かってきた、光合成生物の“光”

還元力を用いてカルビンベンソンサイクルにお環境順化メカニズムについて少しだけご紹介さいて二酸化炭素を固定し、有機物を生産する。つせていただければ、と思う。

まり、全ては PSII での反応を起点とするため、
このタンパク質複合体の損傷は、光合成の失活ひ

2. 光を捨てるということ

いては細胞死そのものへと繋がる恐れがある。一方で、このような危険のみを重視し、地球上に降り注ぐ太陽光の最大強度に適した光合成系を作‡

解説特集「若手光合成研究者による光合成研究の新展開」	
 ってしまうと、多くの条件において効率の悪い光*連絡先 E-mail: tokutsu@nibb.ac.jp36

光合成研究	  26 (1) 2016

図 1. 光 合成 電子 電反 応 に伴 う負 のフ ィ ード バッ ク 機構 （qE ク エン チン グ） の モデ ル図①光エネルギーの需要、②ルーメン酸性化、③qE 関連タンパク質のプロトン修飾、④光エネルギーの熱変換、はそれぞれ本文に内容を記載。

合成になってしまい、過酷な生存競争に生き残れ

よびタンパク質（陸上植物では PsbS、藻類ではない可能性を増やしてしまう。我々から見れば当LHCSR）7)の関与が示唆されている。読者の中に然のことのように思うかもしれないが、光合成生は既に良くご存知の方もいるとは思うが、まずは物はこのような板挟み状態から抜け出すために、

これまでに分かっている陸上植物における qE ク

その誕生から 27 億年もの時をかけて『過剰な光エンチングの作動機序を紹介したい。現在までにエネルギーを受け取った時だけ PSII を保護する

提唱されている仮説は次の通りである（図 1）。

仕組み』を持つように進化を遂げたようである。

① PSII は強い光を受け取ることで電子伝達反	  では、PSII を保護する仕組みとは一体どのよう応を強力に駆動する。
② 上記 1 の反応促進によりチラコイド膜の内なものなのだろうか？ひとつは、過剰な光エネル
ギーによって発生する活性酸素種を消去する抗側（ルーメン）の酸性化を促す。

酸化物質や活性酸素消去酵素の働きがある。これ③ ルーメン側の酸性化によりキサントフィル

らの物質や酵素は、発生してしまった活性酸素をサイクルが活性化し、ゼアキサンチンが蓄除去することから、ある意味後手・受動的な適応積する。同時に qE 関連タンパク質（特に反応と言える。一方、もうひとつの強光防御の仕PsbS）がプロトン修飾されることで活性化組みとして、そもそも活性酸素を発生させないたする。

めに『余分な光エネルギーを消去する』反応が存④ ゼアキサンチンおよび活性化 qE 関連タンパ在する。この仕組みは植物や緑藻では qE クエン

ク質は、光エネルギーを熱エネルギーへとチング（陸上植物を用いた研究では一律に NPQ変換する。

と称される場合が多い）と呼ばれており、過剰な以上の反応をもう少し詳しく説明すると、通常の光エネルギーを受け取った際に駆動されること

光合成反応では、光エネルギーを受け取った光化が分かっている。qE クエンチングは、光エネル

学系はそのエネルギーを利用し、水の分解あるいギーそのものを熱エネルギーへと変換して消去

は電子伝達を駆動することでチラコイド膜のル

し PSII へのエネルギー伝達を抑制することから、ーメン側に水素イオンを蓄積する。ルーメン側に活性酸素の除去反応とは異なり、いわゆる先手の水素イオンが蓄積することで、その濃度勾配ポテ

防御機構である。qE クエンチングの存在は 50 年

ンシャルを利用して ATP 合成酵素を駆動し、ATP

3-5)、これまでの研究によを合成する。この反応は細胞内エネルギーを生産

りこの反応には特定のカロテノイド色素（キサン

する重要な反応である一方、水素イオンを利用し近く前に認識されおり

6)た qE クエンチングの駆動を制御しており、ルー

トフィル色素の一つであるゼアキサンチン） お37

光合成研究	  26 (1) 2016
メン側の酸性化が進むほど大きな qE クエンチン

成されているのかは謎のままである。一方グ（光エネルギーの消失）が起きることが分かっで、2000 年代後半より、PsbS がチラコイド膜構ている。つまり、過剰な光により、ATP 合成酵

造の変化（グラナスタックの解離）に関与し、こ素の働きが間に合わないくらい電子伝達反応がれに伴いクエンチング能を持つ LHCII 凝集体の促進されると、ルーメン側へ多量に水素イオンが形成を促進するといった報告が多くなってきた

蓄積し、その結果、光阻害を抑制するための防御9,10)

機構として受け取るべき光エネルギー量の調整

おり、ごく最近報告された PsbS の結晶構造から（qE クエンチング）を行うのである。この負のは、クロロフィル a や b といった色素を持つこと

フィードバック制御機構は、刻々と光環境が変化が示唆されたため 11)、PsbS 自身がクエンチング

する自然界の中で、光合成生物が光化学系の機能能を持つ可能性も捨てきれない。今後 PsbS と qE

（電子伝達反応）そのものを利用しながら光化学

クエンチングの関連性が、どのように決着が付く

系を守るという、攻防一体の極めて合理的な適応のかが実に興味深い。

戦略であるように思う。

	  一方、緑藻では LHCSR3 と呼ばれるタンパク	  このように、qE クエンチングのメカニズムは質が qE クエンチングに必須であることがわかっ

生理学的には解明されているように見えるが、一ている 12)。先の研究により、LHCSR3 は強光を照方で、光合成系における qE クエンチングの反応

射することで経時的に発現誘導され、チラコイド

場や分子メカニズムは、現状よくわかっていない。

膜に局在する膜タンパク質であることが報告さその代表的なものとして、陸上植物におけるれている 13)。その機能に関する唯一の報告としPsbS、藻類における LHCSR といった因子が、ルて 、 LHCSR3 リ コ ン ビ ナ ン ト の 解 析 結 果 か らーメン側の酸性化により『どのように（単独？あLHCSR3 そのものがクエンチング能力を持つこ

るいはタンパク質間相互作用を経て？）』『チラとが報告されたが 14)、このタンパク質が生細胞

コイド膜内のどこで』光エネルギーを熱へと変換

内において単独で機能するのか、あるいは他の光するのかは分かっておらず、qE クエンチングの合成タンパク質と相互作用することで qE クエン

実体・反応場についての知見は十分とは言えない。

チングに寄与するのかは殆ど分かっていなかっ。このように、PsbS の機能は未だ謎に満ちてた。
3. qE クエンチング関連タンパク質	  このように、陸上植物における PsbS や、緑藻	  こ れ ま で に 、 少 な く と も 陸 上 植 物 に お け る

における LHCSR3 といった『qE クエンチングにPsbS 依存的 qE クエンチングに関して様々な生必須であるもののチラコイド膜内局在・機能が不理・生化学的な研究がなされてきた。面白いこと明』なタンパク質の存在は、多くの研究者の興味に、現在もなお PsbS がチラコイド膜内で『他のを魅きつけながらも、その実体は謎のベールに覆

光化学系タンパク質と相互作用して直接的に qEわれた状態であった。筆者が考えるに、その最大クエンチングを活性化させる説』と『チラコイドの理由は、現在まで qE クエンチングの研究にお

膜構造・光化学系間相互作用を制御することで間いて代表的に用いられてきた陸上植物や緑藻か接的に qE クエンチングを活性化させる説』の２

ら、光化学系反応中心およびその周辺集光タンパ

つの説で議論が続いている。前者を主張する報告

ク質（LHCII および LHCI）を含む光化学系タンの一つとして、in vitro での LHCII-PsbS 複合体形

パク超複合体を”intact”かつ”active”な状態で精製

8)

成実験が挙げられる 。この報告では、リポソーする技術が十分に確立していなかったことであム内に LHCII と PsbS を再構成することで明確なろう。そもそも、qE クエンチングに関与する物

クエンチング効果を持つことを示している。しか質（ゼアキサンチンや、緑藻の LHCSR）は主にしながら、これまでのところ LHCII-PsbS 複合体

強光条件で葉緑体内に蓄積するものが多い。こうあるいは PSII-PsbS 複合体が安定して精製された

いった条件下では光化学系タンパク質そのものことはなく、上記の複合体が実際に生体内にて形が傷つきやすく不安定な状態になりがちなた38

光合成研究	  26 (1) 2016

図 2. 緑 藻の PSII-LHCII 超 複合 体の 精製 と 構造 . Tokutsu et al. (2012)24)よ り改 変(A) 2 種の界面活性剤（β-DM およびα-DM）を用いたショ糖密度勾配超遠心による緑藻光化学系タンパク質の精製。(B) ショ糖密度勾配超遠心で得られた PSII-LHCII 画分（A の矢印部分）のゲル濾過クロマトグラフ
ィー。(C) PSII-LHCII 超複合体のネガティブ染色・単粒子解析像。(D) 既知の結晶構造モデル（PSII コアダイ
マー26)および LHCII27)）を単粒子解析像上へ配置した PSII-LHCII 超複合体構造モデル．コアダイマーに対して三量体 LHCII が 6 つ、単量体 LHCII が 4 つ回転対称的に配位されていると予想される。

め、”intact & active”な状態の光化学系超複合体ののなかった新たな複合体が検出されたのである

単離・精製は、より困難であると想像できよう。

（図 2A）。
	  α-DM は、1990 年代終盤から陸上植物を用い

4. qE クエンチングの実体解明へた光合成研究に使われ始めていた界面活性剤で	  このような現状を打破すべく、筆者らは植物やあり、近年までに多くの光化学系タンパク質複合藻類の中でも比較的強光に耐性を持つモデル緑体の単粒子解析が報告されている 20-23)。ただ、α藻クラミドモナスを用い、これまで培ってきた葉-DM は高価なこともあってか、緑藻を含めて藻緑体の迅速な単離法や、ショ糖密度勾配超遠心分類の光化学系タンパク質精製に利用された報告離法による光合成器官の精製技術を駆使し、強光はなく、その効果は謎なままであった。結果的に、

下 で 培 養 し た 緑 藻 内 か ら 従 来 よ り も ”intact”か

新鮮なα-DM を用いてチラコイド膜の可溶化条

つ”active”な『光化学系超複合体』を取り出すこ件を再検討することで、緑藻から高い酸素発生活とに挑戦してきた。これまでの研究では、緑藻の性を持つ PSII-LHCII 超複合体が得られたのであ

光化学系超複合体の精製には界面活性剤である

る 24)。この PSII-LHCII 超複合体は分子量 150 万

βドデシルマルトシド(β-DM)15-17)が用いられてにものぼり（図 2B）、電子顕微鏡によるネガテ

きたが、チラコイド膜から 2 つの光化学系超複合ィブ染色および単粒子解析の結果、PSII コアダイ体（PSII-LHCII および PSI-LHCI）を同時に取りマーに対して三量体 LHCII が 6 つ含まれており、出すまでには至っていなかった。特に、緑藻巨大なタンパク質複合体構造を持つことが分か

PSII-LHCII 超複合体に関しては、十分な解像度でった（図 2C, D）。このことは、陸上植物およびの構造解析に足る精製手法は確立されておらず、緑藻から従来得られていた PSII-LHCII 超複合に完全に遅体 15,20)よりも”intact”な超複合体の精製に成功しれを取るレベルであった。当時、学生であった筆たことを示しており、ようやく qE クエンチング者は様々な界面活性剤を用い、チラコイド膜の可駆動条件下における光化学系超複合体の分子基溶化条件を検討したが、一向に PSII-LHCII らし盤に迫る準備が整ったのである。

き複合体を得ることが出来なかった。しかし、（研	  このようにして確立した緑藻の光化学系超複究室の試薬棚奥深くに常温保管されてあった数

合体精製法 24)を用い、qE クエンチングを駆動し年ものの）αドデシルマルトシド(α-DM)を（ダている緑藻から LHCSR3 の精製を試みた。ショ

メもとで）用いたところ、意外にも従来見ること

糖密度勾配超遠心法およびアフィニティークロ

陸上植物の PSII-LHCII 構造解析

18-20)

39

光合成研究	  26 (1) 2016

図 3. PSII 超 複合 体に おけ る 光エ ネル ギー の クエ ンチ ン グモ デル ． Tokutsu & Minagawa (2013)25)より改変(i) 強光により LHCSR3 が発現し、(ii) PSII-LHCII 超複合体に結合する．
(iii) 周辺環境の酸性化に伴い、
LHCSR3がプロトン化され、PSII 超複合体は光を消去するクエンチング状態に遷移する。

マトグラフィーによる光化学系精製の結果、超複合体に含まれる LHCSR3 の分子数は、集光

LHCSR3 の多くは（おそらく生化学的操作の過程

アンテナである LHCII と比較すると非常に少なで）遊離していたものの、一部は明確にい（生化学的な解析からは得られた超複合体サン

PSII-LHCII 超複合体に結合していることが明ら

プル中の LHCSR3/PSII コアダイマー比は約 0.28

かになった。つまり、LHCSR3 は PSII へと結合であることがわかっている）にもかかわらず、明することで qE クエンチングに寄与する可能性が確に qE クエンチングへ寄与している点である。

出てきたのである。そこで、LHCSR3 を結合した

一体 LHCSR3 はどのように qE クエンチングに関

PSII-LHCII 超複合体が qE クエンチング能を有す

与しているのであろうか？そして、るかを確認するため、クロロフィル蛍光寿命解析

PSII-LHCII-LHCSR3 超複合体内のどの部分で光を行ったのだが、予想に反して、この巨大エネルギーが熱エネルギーへと変えられるのでPSII-LHCII-LHCSR3 超複合体に光を照射しただあろうか？現在その謎を解明すべく、さらなる高けでは、光エネルギーの消失（クロロフィル蛍光

速領域（フェムト秒スケール）でのクロロフィル

寿命の変化）は殆ど起きなかった。ところが、こ

蛍光寿命解析を試みている。今後、さらなる生化の超複合体を『過剰な光が当たったときのルーメ

学技法の進展と生物物理学の融合により、qE ク

ン側の酸性状態』を模したバッファーに再懸濁しエンチングに伴う光エネルギーの移動・消失場所

たところ、蛍光寿命成分が変化し、平均蛍光寿命

やその分子メカニズムの全容解明を目指すとこが有意に短くなる（照射した光エネルギーが消失

ろである。

する）ことが見事に実証された（図 3）。その一方で、（精製過程で LHCII と共に遊離したと思

5. おわりにわれる）単独の LHCSR3 は、酸性条件下におい	  光合成生物の光環境適応メカニズムは、まだまても蛍光寿命が変化を示さなかったことから、だ未解明な部分が多い。多くの先人たちの研究を

qE クエンチングには PSII-LHCII-LHCSR3 超複合含め、現在までの研究成果からようやく緑藻にお体の形成が必須であると考えられる。これらの結ける強光適応の分子メカニズムの一端が垣間見

果は、PSII-LHCII-LHCSR3 超複合体こそが、これえてきたところである。本稿で紹介した LHCSR3まで長らく実体が分からなかった qE クエンチン

は核コード遺伝子であり、強光による発現制御を

グ反応の場であることを意味している

25)

受け、最終的に葉緑体チラコイド膜の中で PSII。

	  興味深いのは、単離された PSII-LHCII-LHCSR3と結合して qE クエンチングに寄与する。一見、40

光合成研究	  26 (1) 2016
簡単なことのように見えるが、光を受け取ってかLight-induced decrease of chlorophyll a fluorescence

ら核における転写制御、葉緑体（PSII-LHCII 超複

related to photophosphorylation system in spinach
chloroplasts. Biochim. Biophys. Acta 189, 182-192.

合体まで）へのタンパク質移行を考えると、その5.

細胞内シグナリングは複雑かつ非常に興味深い。

Wraight,

C.

A.

and

Crofts,A.

R.

(1970)

Energy-dependent quenching of chlorophyll alpha光合成生物が受け取った光エネルギーの過不足

fluorescence

を『どこで（入口）』認識し、『どのようなシグ

inisolatedchloroplasts.

Eur.

J.

Biochem. 17, 319-327.

ナル伝達（経路）』により遺伝子の発現制御をお6.

Demmig-Adams, B. and Adams, W. W., 3rd. (1996)

こない、『何が起きるのか（出口）』を通して解The role of xanthophyll cycle carotenoids in the

明することは、長きにわたり自然界に生き続ける

protectionofphotosynthesis.

Trends

Plant

Sci. 1, 21-26.

光合成生物の妙を理解する上で新たな視点、つま7.

り新展開を導いてくれるのではないかと期待しNiyogi, K. K. and Truong, T. B. (2013) Evolution offlexible non-photochemical quenching mechanisms

ている。

that

regulatelightharvestinginoxygenic

photosynthesis. Curr. Opin. Plant Biol. 16, 307-314.

謝辞

8.

Wilk, L., Grunwald, M., Liao, P. N., Walla, P. J. and	  本稿で紹介した研究内容は、基礎生物学研究所

Kuhlbrandt, W. (2013) Direct interaction of the majorの皆川純先生の研究室において行われました。まlight-harvesting

complex

II

and

PsbS

in

nonphotochemical quenching. Proc. Natl. Acad. Sci

た、生化学的手法の指導は、カリフォルニア大

U.S.A. 110, 5452-5456.

学・バークレー校の岩井優和博士、クロロフィル

9.

蛍光測定の指導は基礎生物学研究所の滝澤謙二

Kereïche, S., Kiss, A. Z., Kouřil, R., Boekema, E. J.
and Horton, P. (2010) The PsbS protein controls the

博士、電子顕微鏡観察は加藤信泰氏およびポー

macro-organisation of photosystem II complexes in

ル・シェラー研究所の石川尚博士との共同研究と

the grana membranes of higher plant chloroplasts.

して行われました。この場をお借りして厚く御礼

FEBS Lett. 584, 759-764.
10.

申し上げます。最後になりますが、本稿執筆の機

Kiss, A. Z., Ruban, A. V. and Horton, P. (2008) The
PsbS protein controls the organization of the

会を与えて下さった岡山大学の高橋裕一郎先生

photosystem II antenna in higher plant thylakoidに心より感謝致します。

membranes. J. Biol. Chem. 283, 3972-3978.
11.

Fan, M., Li, M., Liu, Z., Cao, P., Pan, X., Zhang, H.,

Received February 21, 2016; Accepted February 23, 2016;

Zhao, X., Zhang, J. and Chang, W. (2015) Crystal

Published April 30, 2016

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PsbS

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complexantennaorganization.

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with

LHCSR3

Proc.

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Nat. Struct. Biol. 7, 44-47.

21.

Arabidopsis

organization

Heptameric association of light-harvesting complex

and light-harvesting complex I in Chlamydomonas

20.

in

Supermolecular

light-harvesting complex II polypeptides for state(2002) Supramolecular organization of photosystem I

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Boekema, E. J., van Roon, H., van Breemen, J. F. L.

Photosynthetic Photo-Acclimation; Recent Insights and Future Impacts
Ryutaro Tokutsu*
National Institute for Basic Biology

42

and

光合成研究	  26 (1) 2016

解説	
 酸素発生型光合成の成立過程とその実証方法の再考‡	 1

立命館大学 生命科学部 生命情報学科

2

東京工業大学 地球生命研究所	
 1

浅井 智広 * 塚谷 祐介

2

酸素発生型光合成の成立過程は光合成研究における未解決の大きな謎である。その解決を阻んでいる
最大の問題点は、酸素発生型光合成と酸素非発生型光合成の間の不連続性である。本稿では、クロロ
フィルの進化と Z スキーム型の光合成電子伝達系の成立過程を再考する。古くから提唱され、今なお更新され続けている進化モデルである“Selective-loss モデル”を紹介し、よく知られた“Fusion モデル”と比較しながら両者の信憑性を議論する。さらに、進化の実証を目指した合成生物学的な実験手法である、“人工的逆行進化実験”（ARE-WE）、“意図的進化駆動実験”（IF-WE）、“人工的前酸素発生型光合成生物創生”（Creap-OP）について解説する。
1．はじめに大の原因は、酸素発生型光合成と酸素非発生型光	  §光合成研究の専門分野は多岐にわたっており、合成の間の不連続性である。つまり、現存する光光合成研究に携わるようになった経緯は人それ合成生物から過去の光合成生物を推測するためぞれであろう。しかし、「Z スキーム」をご存知に必要な“中間的な性質”をもつ光合成生物

ない方はいないと思うし、その成立過程に興味を(Missing link) が見つかっていないことである 3)。

もったことのある方は多いのではないだろうか。

この不連続性を解決するために、いくつかの進化「酸素発生型光合成は酸素非発生型光合成からモデルが提案されており、その実証を目指して新進化した」、「シアノバクテリアが水を酸化するよしい研究が展開されている。本稿では、酸素発生

うになって地球に酸素があふれるようになった」、

型光合成の成立過程のモデルを再考し、その実験

このようなストーリーは誰もが一度は見聞きし的な証明に向けた最新の研究展開を解説する。

たことがあるはずである。ところが、シアノバク
2. 酸素発生型光合成の成立に潜む不連続性

テリアが生まれるよりも以前の光合成について、1,2)を調べればすぐに、現時点で確	  現 代 の 酸 素 発 生 型 光 合 成 （ OP, Oxygenic

定的なことは非常に少ないことに気付く。酸素発

photosynthesis）が、シアノバクテリアの祖先に由生型光合成や Z スキームの成立過程は、今でも来していることは多くの研究者が認めている 1-5)。

光合成研究における未解決の大きな謎なのだ。か一方、地球上で初めて OP を行ったのがシアノバ

く言う著者の浅井は、この謎に魅せられ、その実クテリアの祖先であることを認める限り、それ以証を目指して光合成研究の世界に飛び込んだ（無前の光合成が酸素を発生しない酸素非発生型光謀な人間の一人である）。もう一人の著者である

合成（AP, Anoxygenic photosynthesis）であったこ

塚谷は、光合成の多様性に興味を持ち、種々様々とは疑いない 3,4)。現代に生きる AP 生物は、シアな光合成細菌を研究材料としているうちに、このノバクテリア以外の原核光合成生物、通称「光合問題に突き当たった（幸運な人間の一人である）。

成細菌」だけである 6)。別なメカニズムの光合成

酸素発生型光合成の成立過程を謎にしている最として、光駆動性プロトンポンプであるバクテリ

いくつか文献オロドプシンによる光合成が存在するが、クロロ
フィルを使用する光合成とは全く異なる由来を‡解説特集「若手光合成研究者による光合成研究の新展開」	
 もつため 1,6)、OP あるいは Z スキームの進化に直*連絡先 E-mail: cazai@fc.ritsumei.ac.jp43光合成研究	  26 (1) 2016

図 1. 代 表的 な光 合成 生 物の 光合 成電 子 伝達 系の 模 式図 （C. Azai et al. (2010) 7） か ら抜 粋）
矢印は電子の流れを表している。略語：RC, 光合成反応中心複合体；PSI, 光化学系 I；PSII, 光化学系 II；Q, キ
ノンプール；bc, b/R, bf, Cp, 各種キノール酸化還元酵素；c2, cy, cz, c-554/555, c-556, 各種シトクロム c；PC, プ
ラストシアニン；Aur, オーラシアニン。This research was originally published in Photosynth. Res.7) © Springer
Science+Business Media B.V.

接関係しているとは考えられず、本稿では議論のが同じ由来をもつこと意味し、酸素発生能を獲得

対象から除外する。シアノバクテリアでは、光化する以前の祖先型 OP（pre-OP）が、現存する AP

学系 I（PS1）と光化学系 II（PS2）という 2 種類生物のもつ Type-1 RC と Type-2 RC に類似した、2の光合成反応中心複合体（RC）が、キノール酸

種類の RC（PS1 と PS2 の祖先分子）で構成され化還元酵素であるシトクロム b6f 複合体と直鎖状ていたことを示唆している。従って、現在提唱さの電子伝達経路を形成し、所謂 Z スキームで光れている OP の進化モデルの全てが、1 種類の RC

1,6,7)（図 1）。これの AP → 2 種類の RC の pre-OP → PS1 と PS2に対し光合成細菌では、PS1（Type-1）または PS2の OP、という過程を想定している 1,2)。しかし、2（Type-2）の機能的ホモログである 1 種類の RC

種類の RC をもつ現存の AP 生物が発見されていのみが存在する。キノール酸化還元酵素と、ないため、現時点で pre-OP の存在は実験的事実

Type-1 RC は直鎖状、Type-2 RC は環状の電子伝のない仮定である。pre-OP の存在を仮定せずに、1

1,6,7)（図 1）。不思議なこと

種類の RC しかもたない AP と 2 種類の RC をもに、Type-1 RC と Type-2 RC の両方をもつ AP 生

つ現代の OP を結びつけるためには、1）バクテ

物は発見されておらず、これが OP あるいは Z ス

リオクロロフィル（BChl）a からクロロフィル a

キームの成立過程を謎にしている最大の原因で（Chl）への変化（クロロフィルの進化）、2）Type-1

合成電子伝達系を駆動している

達経路を形成している

3)

RC と Type-2 RC の共存（Z スキームの進化）、3）ある 。
現在までに報告されている全ての RC は生化学

Type-2 RC の水分解活性の獲得（PS2 の進化）、4）

的性質および単結晶 X 線回折で得られた立体構

Type-1 RC の酸素耐性化（PS1 の進化）、といった8)造が酷似しており 、現存する全ての RC が共通

飛躍的な変化が短期間（といっても地球史レベルした 1 つの祖先型 RC から進化してきたことを示の時間）に一度に起こる必要がある。これら 4

している

1,2,8)。これは、現代の OP と AP の RC

つの大きな変化は、実験事実に基づいた具体的な

44

光合成研究	  26 (1) 2016

図 2. 光 合成 細菌 にお け る Pchlide a か らの Chl a と BChl a の 生合 成の 概略 図
DPOR は BchL、BchN、BchB から成り、ポルフィリン骨格をもつ Pchlide a の C17=C18 二重結合を還元する。
COR は BchX、BchY、BchZ から成り、クロリン骨格をもつ Chlide a の C7=C8 二重結合を還元する。
3-vinyl-BChlide a の C3 位の vinyl 基が acetyl 基に変換されて、BChlide a が合成される。Chlide a と BChlide aは C17 位に長鎖炭化水素基がエステル結合し、それぞれ Chl a と BChl a となる。λmax は、各分子のエーテル
中での Qy 吸収帯のピーク波長を示す。

分子進化過程が判明しておらず 1,2)、AP から OP	  現代の OP と AP では、光合成の光反応においへの進化のストーリーを不連続なものにしてして重要なクロロフィルの分子種が異なっており、まっている。翻って、これら 4 つの分子進化過程

OP ではクロロフィル（Chl）a、AP ではバクテリさえ実証されれば、OP の成立過程は解明された

オクロロフィル（BChl）a が主に使われている 1)。

と言っても過言ではなく、これらの実証研究こそ

Chl a と BChl a 以外に側鎖構造が異なるクロロフ

が今後の光合成研究に求められている。現在、1）

ィルも存在し、OP では divinyl-Chl a や Chl d、AP

〜4）の実証研究は個別になされており、3）につでは BChl b や BChl g を使う生物種も知られていいては、米国の James P. Allen 博士らが、部位特る 20)。しかし、OP と AP で使われているクロロ

異的な多重変異の導入による、紅色光合成細菌のフィルの本質的な違いは、側鎖の官能基ではなく、

Type-2 RC の一次電子供与体の高電位化と人工骨格であるポルフィリン環の共役二重結合にあ的な Mn クラスターの付加を研究している。詳しる（図 2）。OP で使われている Chl a は C17-C18

くは彼らの研究論文

9-11)を参照された結合が単結合となったクロリン環、AP で使われい。4）については、FA/FB タンパク質の進化が関ている BChl a は C17-C18 結合に加えて C7-C8 結

1,15,16)。著者の塚谷は、光合合も単結合となったバクテリオクロリン環をも成アシドバクテリア（クロラシドバクテリウ

ち、両者は π 電子共役系の構造が違う 20,21)。このム）17,18)から酸素耐性を示す Type-1 RC を世界で骨格構造の違いから、Chl a よりも BChl a のほう

初めて単離し、亜鉛型 BChl a やカロテノイドサ

がより長波長の Q 吸収帯とより短波長の Soret 吸

ブユニットをもつなどの新たな形質を見出した

収帯（B 吸収帯）をもち、RC 中での BChl a の係すると推測される

19)

と総説

12-14)、酸素耐性機構や PS1 への進化との関わり

Qy 吸収ピークは近赤外領域、Soret 吸収ピークはは現時点で明確ではない。本稿では、特に 1）と 2）

紫外領域にある 21,22)。この光物性の違いは、1）についての実証研究に焦点を当てる。

クロロフィルを励起できる光質、2）基底状態とが励起状態のエネルギーギャップの大きさ、の 2
3. クロロフィルの進化：点について Chl a と BChl a に大きな違いをもたら“Chl”が先か“BChl”が先かし、それぞれ 1）光合成による生育に必要な光環

45

光合成研究	  26 (1) 2016
境、2）光合成で生産できるエネルギーの最大値必要である。

に制限を与える。では、OP が生まれる以前の祖	  クロロフィルの生合成過程から同じ問題を考先型 RC は Chl a と BChl a のどちらの（あるいはえてみる。Chl a と BChl a は、ポルフィリン環を

それ以外の）骨格構造をもつクロロフィルを利用もつプロトクロロフィリド（Pchlide）a を出発物していたのだろうか？

質として生合成される 20,21)。Pchlide a の C17=C18

	  クロロフィルの光物性と太古の地球の光環境

二 重 結 合 を Pchlide 還 元 酵 素 （ POR, Pchlideから、Chl a と BChl a に限って、この問題を考え

oxidoreductase）が還元して Chl a の前駆体であるてみる。光合成が生まれた当時の地球は、主にクロロフィリド（Chlide）a が合成され、Chlide a

CO2 と水蒸気から成る厚い雲に覆われていたとの C7=C8 二重結合を Chlide a 還元酵素（COR,

考えられており、地表には紫外線や近赤外線がほ

Chlide a oxidoreductase）が還元して BChl a の前駆

とんど届かず、微弱な可視光が降り注ぐ環境であ体であるバクテリオクロロフィリド（BChlide）a

ったことが推測されている（私信）。このような（正確には 3-vinyl-BChlide a）が合成される 20,21)

光環境では、BChl a よりも可視光領域の吸収断（図 2）。つまり、BChl a のバクテリオクロリン

面積が広い Chl a を使うほうが21,22)、RC での光環は、Chl a のクロリン環を基質として合成され化学反応を効率良く駆動できたと考えられる。

るため、Chl a の生合成反応よりも還元反応が一Chl a の大きなエネルギーギャップは、光励起後段階多く、生合成に必要な酵素も 1 種類多い。このエネルギー移動反応と電子移動反応においてれは一見すると、BChl a よりも Chl a の方が原始始状態と終状態のポテンシャル差に広いマージ的な分子構造をもつクロロフィルであることを、逆反応の抑制に有利であると示しているように見える 1,2)。POR には、Pchlide

考えられる。また、クロロフィルの光化学反応での 光 励 起 依 存 的 な 活 性 を 示 す LPOR

は三重項励起状態のクロロフィルと分子状酸素（Light-dependent POR）と光非依存的な DPOR

ンを設定でき23)

24)、そもそも分子状（Dark-operative POR）が知られており、シアノ

酸素が存在しない嫌気的環境では消光機構の必バクテリアは LPOR と DPOR の両方をもつが、との副反応が問題となるが。CO2 と水蒸気から成る厚い光合成細菌は DPOR しか持たない 26)。例外的に雲は、その後徐々に晴れ上がり、地表の紫外線やLPOR をもつ紅色光合成細菌も見つかっている

近赤外線の放射強度も高くなっていったと考えが、シアノバクテリアからの遺伝子の水平伝播られており、Chl a を使う光合成生物同士が可視（後述）で獲得したと考えられている 27)。BChl a

光を奪い合う競争の中で、BChl a を使う光合成の生合成に必要な COR は、当然ながら光合成細生物が進化してきたというシナリオが成り立つ。

菌（AP 生物）にしか存在しない 20,21)。DPOR としかし、太陽光の届かない海底の熱水噴出孔の付COR は、活性中心に鉄硫黄クラスターを含むタ近に生育し、地熱による黒体放射で光合成していンパク質であり、酸素に対して極端に不安定な酵ると考えられる緑色硫黄細菌が単離されてお素である 21,28,29)。しかし、OP 生物が生まれる以り 25)、初期の AP 生物が太陽光を利用していなか前の地球には分子状酸素が存在しないため 1,4)、った可能性も考えられる。地熱の放射スペクトル高い酸素感受性が光合成に悪影響を与えることは可視光領域よりも長波長に偏っていることかはない。一方、LPOR の酵素活性は酸素で阻害さら、この場合は Chl a よりも BChl a の方がより効れないことから 26,29)、DPOR よりも後、地球に酸率の良い光合成に適していると考えられる。つま素があふれるようになってから獲得された酵素

り、BChl a を使う初期の AP 生物が、海の表層あであると考えられる。つまり、初期の AP 生物やるいは地表に進出していく過程で、Chl a を使う

pre-OP 生物は、DPOR で Chl a を合成していたとように進化したというシナリオである。両者のシ考えられる 1,2)。

ナリオの信憑性の判断には、初期の光合成生物の	  興味深いのは、DPOR と COR はどちらも、窒起源あるいは生命自体の起源についての情報が素固定酵素ニトロゲナーゼと類似した構造を持要性は生じない1,2)

46

光合成研究	  26 (1) 2016
ち、ホモダイマー構造の還元サブユニットとヘテオを考えることができ、現状では議論の決着にはロテトラマー（ヘテロダイマーのホモダイマー）

至っていない。DPOR と COR の進化から考えた構造をもつ触媒サブユニットから構成されておクロロフィル進化過程の検証には、DPOR と COR

り26,30,31)、同じ祖先分子から進化してきたと考えられることである

32,33)の祖先型酵素の一次構造を構造アライメントや。最近、様々な光合成細菌

分子系統学的解析で予測し、人工的に作製した祖のもつ COR が、C7=C8 二重結合の還元だけでな

先型酵素の基質や反応部位の特異性を調べると

く、C8-vinyl 基の還元をも触媒できることが示さ

い っ た 、“ 人 工 的 逆 行 進 化 実 験 ”（ ARE-WE,

34-36)。これは COR が広い基質特異性をもつ

Artificial reverse evolution-wise experiment）とも呼ことを意味している。また、緑色硫黄細菌のぶべき研究が有効であろう。人工的な祖先型酵素

DPOR は、本来の還元サブユニット（BchL、図 2）が Pchlide a を BChl a まで還元する活性を示せば、の代わりに、COR の還元サブユニット（BchX、

初期の AP 生物は BChl a あるいは Chl a と BChl a

図 2）を使ってキメラ化しても、本来の 90%程度の両方を使っていたが、OP 生物が進化していく

れたの活性を発揮できることが報告されている

37)

過程で Chl a だけを使うようになったというシナ。

また著者の最近の研究では、緑色硫黄細菌のリオが、実験的に支持されるだろう。

COR の還元サブユニットは BChl a の生合成に必須ではなく、破壊可能な遺伝子であることがわか

4. Z スキームの進化：っており、DPOR と COR の機能が一部重複して“Fusion”か“Selective-loss”かいることが示されつつある（浅井、未発表データ）。

	  Z スキーム型の光合成電子伝達系は OP の大き

初期の AP 生物では、ニトロゲナーゼから進化しな特徴である。そのメカニズムの本質は、PS1 とた DPOR と COR の祖先型酵素が、広範なポルフ

PS2 という機能の違う 2 種類の RC の協同的な共ィリン誘導体を基質とし、その様々な部位の共役存にある（図 1）。RC の機能は、一次電子供与体

二重結合を還元でき、1 種類の酵素でクロリン環（反応中心クロロフィル）の光誘起電荷分離反応とバクテリオクロリン環を合成できた可能性がとそれに続く電子移動反応として理解でき、励起考えられる

1,2,32,33)。もしそのような祖先型酵素がされた電子を伝達するアクセプター側と、酸化し存在したとするならば、BChl a の生合成に必要た一次電子供与体を再還元するドナー側の、それな酵素は Chl a と変わらず、Chl a と BChl a が同

ぞれにおいて最終的に生成される物質で特徴付時に存在した、あるいは BChl a が先に存在したけることができる 8)。Type-1 RC は、アクセプタというシナリオも成り立つ 1,2)。COR 以外の BChl

ー側で鉄硫黄クラスターを介してフェレドキシ

a 生合成に特異的な酵素である BchF の分子系統

ンを還元し、ドナー側でプラストシアニンやシト

樹と、全ゲノム情報を基に作成した細菌界の系統

クロム c などの水溶性の電子供与体を酸化する

樹を比較した最新の解析結果は、シアノバクテリ

7,8)アの系統発生以前に BChl a 生合成系が確立して重還元して膜内電子伝達体であるキノールを生38)。Type-2 RC は、アクセプター側でキノンを二、このシナリオを支成し、ドナー側で水やシトクロム c などの水溶性持している。また、現代の AP 生物である緑色硫の電子供与体を酸化する 7,8)。Type-1 RC はフェレ

黄細菌、ヘリオバクテリア、光合成アシドバクテ

ドキシンを介して NADP+を直接還元できるため、リアの RC には、BChl a（ヘリオバクテリアは細胞内の代謝反応に必要な還元力を効率良く供BChl g）だけでなく Chl a も電子伝達コファクタ給できる。しかし、フェレドキシンの還元には、いたことを示唆しており

19,39,40)、Chl a と BChl a の電子励起状態の一次電子供与体クロロフィル分

両方を使用する AP 生物は現存している。しかし、子が低い酸化還元電位をもつことが必要で 41,42)、

これらの AP 生物で Chl a と BChl a が同時に存在

光子のエネルギーによる制約から基底状態の酸するようになった進化過程が不明であるため、化還元電位も低くなり、一次電子供与体の酸化力

Chl a と BChl a のどちらが先でも合理的なシナリを上げることは難しい。これは、Type-1 RC の電ーとして含まれており47

光合成研究	  26 (1) 2016

図 3. “ Fusion モ デル ”（ A） と“ Selective-loss モ デル ”（ B） の比 較
矢印は生物種の進化を表し、上側から下側に行くほど現代に近づく。光合成生物を四角で表し、その中に光合成生物がもつ RC コアタンパク質を図示した。RC コアタンパク質のダイマー構造を 2 本のロッドと色で表
わし、RC のタイプともに各ロッドの下に記した。現時点で存在が確定していない“Missing link”を灰色の背景で示した。
“Fusion モデル”と“Selective-loss モデル”では、AP 生物が系統発生する時点と pre-OP 生物が出現する時点が異なる。pre-OP 生物（proto-cyanobacteria5)）から最初の OP 生物（cyanobacteria）への進化には、どちらのモデルでも自然選択が必要である。略語：RC1, 光合成細菌型 Type-1 RC；RC2, 光合成細菌型
Type-2 RC；PS1, 光化学系 I；PS2, 光化学系 II

子源となる物質が、水素や硫化物、有機酸などのら pre-OP の進化過程に 2 種類の異なるモデルを還元的な物質に制限されることを意味する。一方、考えることができ 1,2)、それぞれ“Fusion モデル”

比較的酸化還元電位の高いキノールは、NADP+

44,45)

を直接還元できず（NADP+やキノールの相対量にる（図 3）。Fusion モデルでは、Type-1 RC のみを

43)と“Selective-loss モデル”5,46,47)と呼ばれていで可能になる）、もつ AP 生物と Type-2 RC のみをもつ AP 生物が拡散範囲も膜内に限定されていることから、「融合する」ことで pre-OP 生物が生まれたこと

Type-2 RC は細胞内の還元力の供給システムにを仮定する（図 3-A）。Selective-loss モデルでは、は不向きである。しかし、その分、一次電子供与

Type-1 RC と Type-2 RC の両方をもつ pre-OP 生物

体クロロフィル分子の酸化還元電位をより高くが、どちらか 1 種類の RC を「選択的に失う」こできるので、強い酸化力を産み出し、酸化的な環とで AP 生物が生まれたことを仮定する（図 3-B）。

境下でも電子源となる物質が制限されにくい

つまり、両モデルでは現代の AP 生物が系統発生

41,42)。OP の Z スキームでは、Type-1 RC の還元力する時点が異なっており、Fusion モデルではと Type-2 RC の酸化力の高さを利用するために、

pre-OP 生物の誕生よりも前、Selective-loss モデル

両方の RC を使うことでそれぞれの酸化力と還元では pre-OP 生物の誕生よりも後である 1,2)。問題力の低さという互いに相補的な弱点が打ち消さはどちらのモデルが実際に起こった進化過程に依存した逆行的電子伝達反応

1,2,41,42)。では、なぜ現代の AP 生物は近いかであるが、認知度で比較すると Fusion モ

OP 生物と同じように 2 種類の RC を使わないのデルをご存知の方は多いが、（著者の周辺だけのであろうか？

統計かもしれないが）Selective-loss モデルをご存	  現代の AP 生物が 2 種類の RC を持たない原因

知の方は非常に限定的であるように思う。

をどのように設定するかによって、初期の AP か

Selective-loss モデルをご存知の方のほとんどが、

れている

48

光合成研究	  26 (1) 2016後に述べるホモダイマー型の Type-1 RC（RC1）

スターが LGT で他方に導入されれば、2 種類のの研究に関わったことがあることから、認知度のRC の共発現が期待できる。しかしながら、細菌

差は RC1 の研究者人口の少なさに因るところが界において LGT が起こりやすいという事実は、

大きく、両モデルの信憑性の高さとは必ずしも相同時に Fusion モデルに疑問も呈している。先述

関していないと思われる。

の通り、少なくとも紅色光合成細菌の光合成遺伝	  Fusion モデル（図 3-A）は非常にシンプルな考子クラスターは多数の細菌種間で頻繁に転移し、えに基づいている。OP が進化する以前の AP 生細菌界では常に LGT による Type-1 RC と Tyep-2

物は、基本的に現代の AP 生物と同じ性質を持っRC の共存が可能な状態にあると考えられる。実

1,2,44)。OP 生物に 2 種類

際、門レベルで異なる分類群の細菌種が、紅色光の RC が共存することになったのは、2 種類の AP

合成細菌由来と考えられる光合成関連遺伝子をが合わさって pre-OP 生物が生まれたからと説明もつ例が報告されている 53)。LGT によって 2 種される。「なぜ現代の AP 生物が 2 種類の RC を

類の RC の遺伝子が共存した場合、各 RC の弱点

持たないのか」という問いに対しては、シアノバを克服しやすい pre-OP が可能になるため、Type-1

クテリアに進化した pre-OP 生物以外の全ての AP

RC と Type-2 RC の両方を使う AP 生物がもっと生物が、誕生から現在に至るまで Type-1 RC か

頻繁に発見されても良いはずである。仮に LGT

Type-2 RC しか持っておらず、そもそも 2 種類のの頻度が低いとしても、AP の歴史は 30 億年以上

RC を使うことができないからと説明される。異あり 1,2)、その間に pre-OP 生物を産み出す LGTなる RC をもつ 2 種類の AP が融合するメカニズ

が一度しか起こらなかったとは考えにくい。また、

ムとして最も有力視されているのは、遺伝子の水どちらかの RC の機能的な問題で片方の遺伝子が平伝播（LGT, Lateral gene transfer または HGT,

不活性化されたとしても、偽遺伝子を含む遺伝子ていたとする考えである

Horizontal gene transfer）である

1,2,45)。細菌界では、クラスターとしてゲノムに痕跡が残る可能性がファージの感染、トランスポゾンの転移、プラス

高く、技術進歩が目覚ましい現代の比較ゲノム解ミドの接合伝達など、特定の DNA 領域が細胞分析やメタゲノム解析で検出できていないという裂以外のメカニズムで種を越えて遺伝する現象

事実と矛盾してしまう。

は決して珍しいものではない。例えば、プロテオ	  Fusion モデルの最大の弱点は、Type-1 RC とバクテリア門に広く分布している紅色光合成細Type-2 RC を最初から別の RC として扱い、複数菌は、光合成遺伝子クラスター（光合成装置と色種類の祖先的な AP 生物の存在を仮定する点にあ素合成遺伝子のほとんどをコードした巨大な遺る。そのため、pre-OP の成立時に融合する AP 生

伝子クラスター）をもつことから

48)

、光合成を

物の性質の合致を考慮しなければならず、その検しないプロテオバクテリアの祖先が LGT によっ

証には、融合が起こった当時の生物種のクロロフて光合成遺伝子クラスターを獲得して、紅色光合

ィルの分子種や電子伝達系、生理的性質などの推成細菌の祖先が誕生した可能性が考えられる。そ定が必要となる。現時点で最も新しい Fusion モの逆も考えられ、紅色光合成細菌は、プロテオバ

デルでは 45)、融合というシンプルな仮定とは裏

クテリア門内で単系統群を形成しないこと 6,49)、

腹に、現存の AP 生物の性質とのすり合わせのた

RC コアタンパク質遺伝子と 16S rDNA の分子系

めに、様々な遺伝子の獲得と喪失が入り乱れる複

50)、LGT で光合成

雑な進化過程となっている。また、Type-1 RC と遺伝子クラスターを失った種が光合成をしない

Type-2 RC の成立過程を考慮していないこともプロテオバクテリアとなったこともあり得る。紅モデルに矛盾を産み出す原因となっている。現存

色光合成細菌は Type-2 RC をもつ AP 生物である

する全ての RC は、PS1、PS2、AP の Type-1 RCが、同様の光合成遺伝子クラスターは Type-1 RC（RC1）、AP の Type-2 RC（RC2）の 4 種類に分をもつグラム陽性細菌であるヘリオバクテリア

けることができる 8,41)。30 億年以上も前から存在のゲノムにも存在し 51,52)、どちらかの遺伝子クラしていながら、現代にはたった 4 種類しか存在し統樹が酷似していることから

49

光合成研究	  26 (1) 2016
タンパク質の位置や配向が酷似しており、全てのRC が同一の起源をもつことを強く示唆している
8,41,54)。つまり、AP の Type-1 RC と Type-2 RC も同じ祖先から進化してきたことになり、それぞれの RC をもつ AP が融合する以前に、元々同じ AP
生物の RC だったことになる。Type-1 RC とType-2 RC の由来が別々であると考える Fusion モ
デルでは、RC の構造と機能の多様性は過去を含めた全 AP 生物の種数だけ存在可能であり、現代の RC が 4 種類しかない、機能的には 2 タイプしかない原因を明確には説明出来ない。
	  Selective-loss モデル（図 3-B）は、最も複雑で発見頻度の低いはずの pre-OP から現代の全ての光合成が進化したと考えており、直感的には受け入れ難い考えのように思える 2)。このモデルの本
質は、Fusion モデルが考慮していない、Type-1 RCと Tyep-2 RC の機能分化のシナリオを考える点にある。最新の Selective-loss モデルでは 42)、最図 4. 最 新の Selective-loss モ デル 42)で 仮定 され て
い る、祖 先 型 RC か らの Type-1 RC と Type-2 RCの 機能 進化 過程 の 模式 図
赤色の矢印は電子移動経路を表わす。灰色の矢印
は分子進化を表し、上側から下側に行くほど現代に近づく。祖先型 RC はホモダイマーであるが、各RC が機能分化すると同時にコアタンパクタンパ
ク質がヘテロダイマー化する。Type-1 RC では、キノン電子受容体の二重還元活性を失い、フェレド
キシンの還元に特化する。Type-2 RC では、鉄硫黄
クラスターを失い、非対称な電子移動による、キノン電子受容体の効率的な二重還元機構“二電子ゲート”を獲得する。略語：(B)Chl, クロロフィル
またはバクテリオクロロフィル；Q, キノン；QH2,
キノール；Fe-S, 鉄硫黄クラスター；Fd, フェレド
キシン；Em, 酸化還元電位

も初期の祖先型 RC が Type-1 RC と Tyep-2 RC のないのである。しかも先述の通り、機能的には

RC の機能分化が起こり、Type-1 RC と Type-2 RC

Type-1 と Type-2 の 2 種類しかない。色素を結合の両方をもつ pre-OP が誕生する 42)（図 4）。Type-1

している RC コアタンパク質のアミノ酸配列を多RC は、キノール生成の能力を捨てて還元力の生重アライメントすると、各種類の RC の中では高成に特化し、Type-2 RC は、徐々に枯渇していく

い配列相同性（>50%）が見られるが、RC の種類

電子源となる物質の獲得を容易にするために、フをまたぐ配列比較では途端に相同性は低くなりェレドキシンの還元能力を捨てた。さらに、（<20%）、組み合わせによっては 10%以下となるType-2 RC とキノール酸化還元酵素による環状両方の機能を有していたことを仮定する（図 4）。
つまり、祖先型 RC は、末端電子受容体としてキノンと鉄硫黄クラスターの両方をもち、キノールを生成することもフェレドキシンを還元することもできた、二機能性の RC であったと考える 42)。
当時の地球が嫌気的で還元的であったことを考慮すれば、水素や硫化物、二価鉄など、電子源となる物質は豊富に存在し、一次電子供与体の酸化還元電位の低さ（酸化力の低さ）は問題にならなかった可能性が高く 1,2)、むしろ還元力の生成量のほうが主な競争要因になっていただろう。その後、遺伝子重複と中立変異および自然選択による。一般に相同性が 25%以下になるの電子伝達経路が成立したことで（図 1）、過剰と、ホモロジーモデルでタンパク質の立体構造をな光エネルギーが降り注いでも、ATP あるいは

場合もある

54)

、近年解

プロトン駆動力に変換できるようになり、酸化的かれた PS1、PS2、RC2 の結晶構造では、色素やな環境や強光環境での競争力が増しただろう 42)。

予測することが困難になってくるが

55)

50

光合成研究	  26 (1) 2016
pre-OP から OP への進化には、本稿第 2 節で述べの AP の方が有利であり、pre-OP が淘汰されやす

た 3）Type-2 RC の水分解活性の獲得（PS2 の進いことを原因とする 42)。この点に Selective-loss

化）と 4）Type-1 RC の酸素耐性化（PS1 の進化）

モデルの弱点があり、単に環境の嫌気性だけが選が深く関わっていることは疑いない

3,42)。pre-OP択圧であるならば、Fusion モデルと同様、pre-OPから現代の AP への進化は、その AP 生物の生育

生物は少ないながらも現代に生き続けることが環境に合わせて、Type-1 RC または Tyep-2 RC をできるはずであり、pre-OP に対する嫌気性以外

失った結果であると考えられる

1,5,42)の何らかの別の淘汰圧を考える必要がある 42)（図。鉄硫黄クラ3-B）。

スターの酸素感受性を考慮すると、OP に進化せずに酸化的な環境で生育しようとしたものはType-2 RC を残し、嫌気的な環境に生育場所を限定 し た も の は Type-1 RC を 残 し た

42)

5. ホモダイマーRC から読み解く RC の進化。

過程

Selective-loss モデルでは、分子進化がひとつの生物個体の中で完結し

1,5,42)	  Fusion モデルには現存のデータとの矛盾点が、RC の機能進化と AP

多く、2002 年に最新のモデルに改訂されて以降生物と OP 生物の系統発生を分子進化と自然淘汰

45)で理解できる。「なぜ現代の AP 生物が 2 種類のない。Selective-loss モデルは、1970 年に基となる

RC を持たないのか」という問いに対しては、好モデルが提唱され 46)、最近になってその信憑性

気環境では pre-OP は必然的に OP に進化するこが再評価されてきている 3,5,42)。Selective-loss モデと、嫌気環境では pre-OP よりも Type-1 RC のみ

ル の 実 証 に は 、 嫌 気 環 境 で は pre-OP よ り も、これを支持する顕著なデータは発表されてい図 5. RC コ アタ ンパ ク質 の 無根 分子 系統 樹 （S. Sadekar et al. (2006) 54） か ら抜 粋）RC コアタンパク質を構成する各ポリペプチドについて、PS1、PS2、RC2 の結晶構造が類似性を示す C 末端側の膜貫通ヘリックス 5 本分の領域のみのアミノ酸配列アライメントで作成された。系統樹は近隣結合法で計算され、各枝は 500 回のブートストラップ検定で存在が支持されている。星印でラベルされた分岐点は、
ヘテロダイマーを構成する RC コアタンパク質の 2 本のポリペプチドが分岐している点。PS1、PS2、RC2 の結晶構造から作成した構造アライメントから、C 間の根平均二乗距離による距離行列で作成した系統樹、アミノ酸配列アライメントに変換して作成した系統樹でも、同じトポロジーが得られている 54)。This research was
originally published in Mol. Biol. Evol.54) © the Authors.（Oxford University Press より許可を得て転載）
α51

光合成研究	  26 (1) 2016
Type-1 RC のみの AP が有利な原因の解明が必要あり 54,56)、RC の進化過程で比較的起こりやすいである（図 3-B）。そのためには、まず現代の AP事象であることを示唆している。興味深いことに、の Type-1 RC である RC1 の構造と機能を詳しく

キノン電子受容体の物性が、同じ Type-1 RC であ知る必要がある。著者は、大阪大学の大岡宏造博

る RC1 と PS1 では大きく異なっていることがわ士と共に、RC1 の構造と機能を研究してきた。残かってきている。これまで RC1 におけるキノン

念ながら、現時点で RC1 の結晶構造は解かれて電子受容体の存在自体が謎であったが 39,40)、最近、

おらず、研究者人口の少なさから、機能に関する

ヘリオバクテリアの RC1 でメナキノンが二次電詳しい情報もまだまだ乏しい。しかし RC1 の研子受容体として機能していることが明らかにな究を進めていくと、RC の進化に関するヒントがった 56)。一方、予想キノン結合部位の疎水性が随所に見られることがわかってきた 8,39-41)。

低いこと 47,55,58)、色素分析で検出されるキノンが	  RC1 は、緑色硫黄細菌 39)、ヘリオバクテリア

RC 当たり 1 分子程度であることなどから 39,40)、40)、光合成アシドバクテリア 19)がもつ Type-1 RC

キノンの結合は弱く、強光下では二重還元されてである。Type-1 RC であるという共通点以外の最キノールとなる可能性も指摘されている 59)。こ大の特徴は、電子伝達コファクターを結合していれは最新の Selective-loss モデル 42)において祖先るコアタンパク質がホモダイマー構造をとるこ型 RC に仮定されている二機能性（図 4）と酷似とである

19,39,40)。他の全ての RC はヘテロダイマしており、RC1 は他の RC よりも祖先型 RC の性、ヘテロダイマー化は RC コ

質を色濃く残している可能性が高い 39,40,56)。キノ

アタンパク質の遺伝子重複によって容易に説明

ン電子受容体の二重還元活性は PS1 でも観測さ出来るため、祖先型 RC はホモダイマー構造であれていることから 60-62)、RC1 が二機能性を持つ可ったと考えられている 1,2,8,41,54)。構造アライメン

能性は十分に考えられ、著者と大岡博士の研究グトを基にした RC コアタンパク質の最新の分子系

ループをはじめ、米国の Kevin Redding 博士のグ

統樹は（図 5）、ヘテロダイマーを構成する各コループによっても、構造機能解析による精力的な

アポリペプチドが RC の種類をまたいで系統群を実証研究が進められている（私信）。

ー構造であるが

8,41)

41,54,56)、PS1、PS2、RC2 の各	  Selective-loss モデルでの Type-1 RC と Type-2

系統で独自にヘテロダイマー化が起こったこと

RC の機能分化を実証するには、二機能性を実証を示している。RC1 でヘテロダイマーがホモダイした上で、RC1 に二電子ゲートを人為的に獲得さマー化したという解釈も可能であるが、2 個 1 組せる実験が有効であると考えられる。RC1 のコアの遺伝子が 1 個の遺伝子に縮小する分子進化学

タンパク質遺伝子を二倍体化（重複）させ、片方的なメカニズムが考えにくい。一方、全ての RCの遺伝子にランダムあるいは部位特異的に変異

コアタンパク質内では、ダイマーの C2 対称軸にを導入することで、人工的なヘテロダイマー型の沿って電子伝達コファクターが一見対称な 2 本

RC1 を作製する実験である 58,63)。これは、本稿第の電子移動経路を形成している 8)。RC1 では機能

3 節のクロロフィルの進化の項で提案した形成することはなく的にも完全に対称と考えられているが

8,39,40,57)

ARE-WE と は 逆 の 、“ 意 図 的 進 化 駆 動 実 験 ”、

PS2 や RC2 では対称位置にある 2 つのキノン電（ IF-WE,

子受容体 QA と QB の間で非対称な電子移動が起experiment）とも呼ぶべき研究手法である。ホモ

8,41)Intentional

forwardevolution-wise（図 4）。こダイマー構造の RC1 をもつ AP 生物以外では不の“二電子ゲート”と呼ばれる、Type-2 RC を特可能な実験であるが、遺伝子操作が容易な緑色硫徴付ける機能の獲得には、コアタンパク質のヘテ

黄細菌 Chlorobuculum tepidum を使用することでロダイマー化による電子移動経路の非対称化が現実的に可能である 58,63,64)。最近、人工ヘテロダ必須である。それにも関わらず、ヘテロダイマー

イマーではないものの、C. tepidum の RC1 の部位化が各 RC の系統で独自に起こっているという事

特異的変異体の作製と分光分析の成功例が初め

実（図 5）は、二電子ゲートの獲得が収斂進化でて報告され 57)、RC1 の一次電子供与体が完全にこり、QB のみが二重還元される

52

光合成研究	  26 (1) 2016
対称な構造をもつこと、アミノ酸配列の多様性とある 1,2)（図 3-A）。また、多種多様な pre-OP 生物

は裏腹に一次電子供与体周辺の立体構造がの創出方法を検討することで、Fusion モデルのメ

Type-1 RC で高度に保存されていることなどがカニズムの検証にも繋がる。ARE-WE と IF-WE

57)。既に C. tepidum を利用した IF-WE

が過去への逆行あるいは過去の進化の再現であは実施段階にある。C. tepidum 以外の RC1 をもつるのに対し、Creap-OP は現代での再進化という生物での遺伝子操作系は、現時点で他の緑色硫黄意味で異なる研究手法と言える。

示された64-66)、米国の Kevin	  現時点で Ceap-OP に成功例は存在せず、RC1

Redding 博士のグループによって、近い将来、好と RC2 を同等量で共発現させることが当面の課

熱 性 の ヘ リ オ バ ク テ リ ア Heliobacterium

題である。その試行錯誤の過程で、Fusion モデル

modesticaldum の遺伝子操作系が報告されるだろの実現に必要な条件が浮き彫りになってくるこう（私信）。これらの RC1 をもつ広範な生物種のとが期待される。Creap-OP の具体的な実現方法

遺伝子操作系が整備されることで、RC1 を使ったとして、1）RC1 をもつ AP 生物に RC2 を導入す

IF-WE がより容易に行えるようになることを期

る、2）RC2 をもつ AP 生物に RC1 を導入する、待したい。RC1 のキノン電子受容体や鉄硫黄クラという 2 パターンが考えられる。1）の場合、現スターの推定結合部位改変する IF-WE を行い、時点で利用可能なホストは緑色硫黄細菌に限定

Type-2 RC の QA と QB のようなキノン電子受容体

され、C. tepidum が最も適当である 64)。ホストでの非対称な結合を産み出す構造を探索することある C. tepidum の生理的性質に合わせるため、導で、RC コアタンパク質のヘテロダイマー化によ入する RC2 は、耐熱性であること、BChl a を利る二電子ゲートの獲得機構を明らかに出来るだ

用していること（＝BChl b を利用していないころう。

と）、キノン電子受容体がメナキノンであること、	  一方、Z スキームの成立過程として Fusion モデ

RC のサブユニット構造が単純であることなどがルあるいは Selective-loss モデルのどちらを採用求められる。このような性質を充たす RC2 をもするとしても、先述のようにモデルの信憑性は

つ生物種は、ほぼ糸状性光合成細菌に絞られ細菌種に限定されているが（図 3）。従って、る 6,67)。既に著者の浅井は、この 1）のパターン

pre-OP の性質を実験的に明らかに出来ない限り、で Creap-OP を試みているが、現時点で RC2 の有

究極的な議論の収束は望めない。最も直接的な方

意な発現には至っていない。2 種類の RC の共存法は、pre-OP 生物と同じように Type-1 RC とによる悪影響以前に、系統的に離れた生物種の異Type-2 RC の両方をもつ AP 生物を見つけ、その種遺伝子発現には意外な制約が多く、生物自体の光合成の性質を調べることである。しかし、その生理的、分子遺伝学的な違いが大きな障壁となっような AP 生物がそもそも現存するのか自体が不ている（浅井、未発表データ）。一方、2）のパタ

明であり、現実的な問題として発見や単離が不可ーンでの Creap-OP は著者の塚谷が中心となって

pre-OP の性質が握っている42)。著者が考え研究している 68)。ホストには α プロテオバクテている現状最も有効な研究手段は、現存する APリアをもちい、導入する RC1 には C. tepidum の生物を使って pre-OP 生物を創生する実験“人工ものを使用しているが、RC1 は機能に BChl a だ

的 pre-OP 生 物 創 生 ”（ Creap-OP, Creation of

けでなく Chl a を必要とするため 39,40)、ホストのartificial pre-OP）である。Selective-loss モデルを

α プロテオバクテリアには Chlide a から Chl a を支持した場合には、人工的に創出した pre-OP 生

合成する酵素 ChlG の発現が必要である 68)。興味物には、何らかの原因で RC1 をもつ AP 生物よ

深いことに、α プロテオバクテリアでの Chl a のりも競争力で劣る特長が見出されるはずである

蓄積には、RC1 と ChlG の導入だけなく、糖脂質

3,42)（図 3-B）。Fusion モデルを支持した場合には、合成に関わる酵素 MgdA の導入も必要であった。

RC1 をもつ AP 生物に限らず、他の全ての AP 生

シアノバクテリアの PS1 の結晶構造にはガラク

物よりも競争力で劣る特長が見出されるはずでト脂質であるモノガラクトシルジアシルグリセ能であることも十分に考え得る

42)

53

光合成研究	  26 (1) 2016
ロール（MGDG）が含まれており 69)、C. tepidum

回は取り上げなかったが、炭素固定反応の進化に、C. tepidum の RC1

も多くの疑問がある 1,2)。光合成の進化は当然なのアセンブリにおいても糖脂質が重要な役割をがら過去の出来事である。その研究は歴史学や考果たしているのかもしれない。やはりこれは、古学ともとれるが、人類とは違い、光合成生物は

Fusion モデルの実現には、光合成装置の構造の違生きるのに必死で歴史を明確に史料に記録してい以外にも、系統的に離れた生物種の生理的な違くれたりはしない。これまで進化の研究と言えば、い（どのような脂質種を持つか等）に由来する別

分岐分類学や分子系統学による推察が主であっの障壁を乗り越える必要があることを示唆してたために、進化過程の研究は机上の空論に近いもいるだろう。

のであった。近年発展している、次世代シークエ

	  機能的な RC の異種発現に関する障壁は、ンサーを利用した実験室内小進化の解析も、結局

Creap-OP に限らず、紅色光合成細菌間の RC2 のは人類が研究を始めた以後の分子進化しか追跡交換実験でも確認されている。紅色光合成細菌のできない。多くの興味ある形質の進化は人類誕生

RC2 のコアタンパク質は、アミノ酸配列の相同性よりもはるか以前の出来事である。本稿で紹介しが少なくとも 70%以上あれば、異種間で交換可能

た、ARE-WE、IF-WE、Creap-OP といった合成生

も MGDG をもつことから70)であることが実験的に示されている

71)

。しかし、

物学的な進化の実証方法は、この問題に対する著比較的近縁な紅色光合成細菌間の交換であって者なりの回答である。今後は著者自らが、この手も 、 嫌 気 条 件 で 光 合 成 を 行 う Rhodobacter

法で酸素発生型光合成の進化過程を少しずつ解

capsulatus のコアタンパク質の欠失変異を、好気明していくことで、その有効性と適用範囲の広さ

条件で光合成を行う Roseobacter denitrificans のコを示していきたい。過去の光合成を知ることは未アタンパク質では機能相補できない

72)

。この原

来の光合成を予測することにも繋がる。今後も過因として、RC を含む光合成電子伝達系のコファ

去の光合成生物たちが生きていた証を探り続けクターの酸化還元電位が、各生物種内で生育環境たい。

に合わせて調整されていることが考えられる

71)。

Creap-OP の進捗状況や RC2 の交換実験の結果は、謝辞

Fusion モデルによる pre-OP の成立は現実的には

	  本 研 究 の 一 部 は 、 文 部 科 学 省 科 研 費

困難あるいは不可能なプロセスであることを示（11J06665, 25891025, 15H00886, 26840099, 15H0

唆しているのかもしれない。仮に Creap-OP が不1063）の補助を受けて行われました。本稿の執筆可能であった場合、現存する AP 生物から精製しにあたり、理化学研究所の戎崎俊一先生と東京工

た RC1 と RC2 をキノール酸化還元酵素と共に人

業大学の丸山茂徳先生には、冥王代地球の光環境

工脂質膜上に再構成する実験が有効であろう。こについて有益な議論を交わして頂きました。名古の場合、生物個体の生理的な情報は得られなくな

屋大学の藤田祐一先生、立命館大学の笠原賢洋先

るが、RC1 や RC2 の量比、キノール酸化還元酵

生、寺内一姫先生、久留米大学の原田二朗先生に素や電子伝達体の種類を詳細に検討することで、は、貴重なご助言を頂きました。この場を借りて

pre-OP の性質や Creap-OP が不可能な原因を解明御礼申し上げます。また、このような執筆の場をできるだろう。

与えてくださった日本光合成学会ならびに編集委員の方々に御礼申し上げます。

6. おわりに	  酸素発生型光合成の成立過程は依然として大Received March 1, 2016; Accepted April 1, 2016;

きな謎である。ここまででご覧いただいたように、

Published April 30, 2016

Chl a が先か BChl a が先か、Fusion モデルか
Selective-loss モデルか、このような単純な疑問に

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光合成研究	  26 (1) 2016

解説	
 緑藻の光化学系 I サイクリック電子伝達活性調節に関する考察‡
	
 

埼玉大学	
 理工学研究科	
 生命科学部門	 高橋	
 拓子*
光化学系 I サイクリック電子伝達については、シアノバクテリアから高等植物に至るまで、主にモデル
生物種を用いて研究が行われており、研究の歴史も古い。その電子伝達に関与する因子など、生物種
を通じて類似点が多く存在することが明らかになってきた一方、生物種で異なる点も見出されてきた。
近年、緑藻クラミドモナス特異的なサイクリック電子伝達の特徴として、嫌気条件下において電子伝達活性が上昇することや活性の上昇に重要な超分子複合体が存在することが報告されている。本稿では、クラミドモナスにおいて議論されてきた、ステート遷移のサイクリック電子伝達調節への関与について検証した解析について述べるとともに、その解析で用いた電子伝達活性評価法について紹介する。さらに、クラミドモナスサイクリック電子伝達の調節における、緑藻特異的なチラコイド膜タン
パク質 ANR1 と PETO の機能について考察する。
1．はじめにアンチマイシン A（AA）非感受性の NDH 経路と	  §光化学系 I サイクリック電子伝達（以下 CEF）

感受性の PGR5/PGRL1 経路（以下 PGR 経路）の 2

は、光化学系（PS）I からフェレドキシン（Fd）

つの CEF 経路が同定されており 4,6)、シアノバクを経由し、NADP+へと伝達される電子の一部が再テリアやクラミドモナスにおいても同様もしく

度チラコイド膜中に戻り、シトクロム b6f 複合体

は類似した経路があることが報告されている 7,8)。

（Cyt b6f）、PSI へと環状に伝達される反応である。

高等植物では、NDH 経路はストレス下で重要で二つの光化学系（PSII、PSI）を用い、水から電あり主要な CEF 経路は PGR 経路であるが、NDH、子を得て NADPH を生成する直鎖型電子伝達

PGR 経路の二重欠損株では著しい成長阻害を受（図 1 青線）に対し、CEF では PSI のみを用いてけることから、いずれの CEF 経路も最適な光合電子を循環するため、NADPH の生成は起こらな成を行うために必要であると考えられている 9)。

いが、Cyt b6f 複合体におけるプロトンの移動によ

クラミドモナスでは、嫌気条件下で CEF 活性がり、チラコイド膜を介したΔpH を形成し ATP 合

増加することが報告されており 5,10,11)、葉緑体が成を駆動する 1)（図 1 赤線）。炭酸固定反応は、還元状態になる条件や環境順化の初期過程に理論値では NADPH/ATP 比=3/2 で要求するのにCEF が重要であることが予測される。また、PSI

対し、リニア電子伝達では NADPH/ATP=2.6/2 ののアンテナサイズを増加させることにより PSI、

2)

が、この

PSII の間で集光能の平衡を保つステート 1-2 遷移

NADPH/ATP 比を最適化するために、ATP のみをは、CEF 活性の上昇に必須であると考えられてい生成する CEF は有効であると考えられている。

たが、近年ステート 1-2 遷移と CEF 活性の上昇

また、ΔpH を形成するため、ΔpH 依存的な余剰は、これら 2 つの現象を誘導する条件は同じであ励起エネルギーの散逸（qE、NPQ）の誘導に必るものの独立に起こることが示された。本稿では、比で生成するため、ATP が不足する

要である

3-5)

NDH-CEF、PGR-CEF 経路について紹介するとと。これまでに主に高等植物において、

もに、クラミドモナスの嫌気条件下での CEF 活
性上昇とステート 1-2 遷移との関係、緑藻特異的‡解説特集「若手光合成研究者による光合成研究の新展開」	
 チラコイド膜タンパク質 ANR1、PETO が CEF 活*連絡先 E-mail: htakahashi@mail.saitama-u.ac.jp59光合成研究	  26 (1) 2016

図 1. PSI 循 環型 電子 伝達 （CEF） モデ ル
PSII, Photosystem II; PSI, Photosystem I; Cyt b6f, Cytochrome b6f; NDH, NADH dehydrogenase like complex;1,
PGRL1; 5, PGR5; Fd, ferredoxin; FNR, Fd:NADP+ oxidoreductase; PC, plastocyanin; PQ/PQH2, Plastoquinone pool.
青線は直鎖型電子伝達を示し、赤線は 2 種類の PSI 循環型電子伝達を示す。

とが明らかになっている 16,20)。一方、NDH-1M と性上昇に果たす役割について考察する。

NDH-1S は会合して NDH-1MS 複合体を形成し、
NDH-CEF 経路

二酸化炭素取り込みに関与していることが示さ	  高等植物で同定されている CEF 経路の一つは、れている 19,21)。NDH-1L 複合体が蓄積できない

呼吸鎖に存在する NADH dehydrogenase のホモ

ndhB 欠損株では、大気条件での生育が著しく阻ログである、NADH dehydrogenase like (NDH) 複

害される 22)。そして P700 還元速度が野生型の 6合体により介在される NDH 経路 12,13)である（図 1、倍程遅くなることが観測されている 23) ため、

NDH 経路）。葉緑体 NDH 複合体は、Fd を酸化しNDH-1 複合体による CEF 経路が主要な経路であプラストキノンを還元することが報告されていると考えられる。また、シアノバクテリアにおい

14,15)。高等植物の NDH 複合体は、30 以上のサても、NDH 複合体への電子供与体が Fd であるこ

ブユニットからなる巨大な複合体であり、葉緑体とが in vitro の解析から示されている 24)。多くの特異的なサブユニットを有する 13,16)。NDH 複合

緑藻においては、葉緑体 NDH 複合体サブユニッ

体は、PSI アンテナ Light Harvesting chlorophyll

トをコードする遺伝子は同定されていない 25)が、protein Complex (LHC) I のうちマイナーなサブユ

クラミドモナス（Chlamydomonas reinhardtii）にニットである Lhca5、Lhca6 を介して PSI と超分

お い て 、 モ ノ マ ー タ イ プ の NAD(P)H子複合体を形成することにより、電子伝達複合体

dehydrogenase (NDA2) が、NADPH から PQ プーとしての機能を果たすことが明らかになってい

ルへの電子伝達を介在する経路が報告されてい

る

る

17)

る 26,27)。NDA2 の電子供与体が Fd であるという。

	  シアノバクテリアにおける NDH-CEF 経路は、証拠は現在のところ得られておらず、NAD(P)H

呼吸鎖電子伝達と共有する NADH-dehydrogenase

が電子供与体であると考えられている。

(NDH-1) 複合体

18)により電子伝達が介在される
PGR-CEF 経路

が、高等植物同様、葉緑体特異的なサブユニット
13,16)。NDH 複	  もう一方の経路である AA 感受的経路は、

合体は、NDH-1L、NDH-1M、NDH-1S と 3 種のPGR5 (Proton Gradient Regulation 5) 3) お よ び

会合状態が同定されており 19)、NDH-1L 複合体がPGRL1 (PGR5-Like 1) 28)により介在されるため、呼吸、無機炭素輸送および CEF 駆動に関わるこ

ここでは PGR 経路と呼ぶ（図 1、PGR 経路）。PGR5を含むことが明らかにされている60

光合成研究	  26 (1) 2016
は、チラコイド膜表在型タンパク質であり、その株における P700 の還元速度は野生型と大きく変欠損変異体 pgr5 は、強光感受性を示し NPQ 誘導

わらないが、6 倍遅い還元速度を示す NDH 経路

能が低く、特に強光下での PSI 活性低下が著しい欠損株に比べて、NDH 経路・ssr2016 二重欠損株

3)ことが示された 。Munekage らは CEF におけるでは P700 還元速度が 10 倍遅くなっていることがPGR5 の機能を検証するために、PSI からの電子示された 23)。これらのことから、シアノバクテ

受容体容量が制限される CO2-free 条件、さらにリアにおける主要な CEF 経路は NDH 経路であり、酸素への電子伝達が起こらない CO2・O2-free 条

Ssr2016 を介した経路は NDH 経路が機能しない

件下で、P700 酸化能力を検証した。大気条件下、際に重要であると考えられる。

高 CO2 条件下では、野生型と pgr5 で P700 の酸化	  クラミドモナスでは、高等植物で同定されたのされやすさについて差はなかったが、CO2-free、

PGR5 と PGRL1 のオーソログが PGR 経路を介在

CO2・O2-free 条件下では、pgr5 における P700 のし、嫌気条件下において活性が増加することが知

3)

光酸化は大きく阻害された 。これは、PGR5 をられている 5,8,10)。クラミドモナスにおいて qE が欠損することで、PSI 下流が過還元状態となり誘導される条件下（強光・光独立栄養条件下）に

PSI からの電子の受容体が限られることで P700

おいて、PGR5 欠損株では、NPQ の低下が見られ、の電荷再結合が起こり、光酸化可能な P700 の量

さらに PSI の光感受性と P700 光酸化阻害、嫌気が大きく減少したことを示唆するものである。さ条件下での CEF 速度増加の抑制が示された 5)。

らに、破砕葉緑体を用いたクロロフィル蛍光測定

PGRL1 欠損株においても、NPQ の低下と嫌気条において、NADPH、Fd 添加時に観測できる PQ

件下での CEF 速度の増加抑制が報告されていプールの還元が、pgr5 では野生型で見られた還る 10)。また、PGRL1 欠損株では、PGR5 の蓄積

元レベルのおよそ半分程度であり還元速度もおは見られなかった 5)。これらのことから、クラミ

よそ倍になった。これに類似した結果が、野生型、ドモナス PGR5、PGRL1 は、高等植物と同様に協AA 存在下で観測されたことから、PGR5 は、AA

調的して CEF 駆動に働き、CEF によるΔpH の形

3)

感受的 CEF を介在していると結論付けられた 。

成および強光下での PSI の保護に重要であるこ

また、PGR5 と Fd および Cyt b6 との結合が in vitroとが示唆された。さらにクラミドモナスでは、。PGRL1 は、チラ

PGR5、PGRL1 に加え、Calcium Sensor (CAS) 30)、

コイド膜タンパク質であり、in vitro の解析によAnaerobic Response 1 (ANR1) 30)、PETO 31)の欠損

り PGR5、Fd、FNR、Cyt b6 との結合が示されておよび蓄積低下の変異株において、サイクリックの解析により示されている

いる

28)

28)

。さらに、鉄を含むコファクターを持つ
29)

電子伝達速度の増加が抑制されることが報告さ。PGRL1 欠損株 pgrl1

れていることから、これらのタンパク質も CEF

では、PGR5 が蓄積せず、pgr5 様の表現型である

活性を上昇させる因子として PGR-CEF 制御に関

低 NPQ 誘導、PSI 下流の過還元による P700 電荷

与すると考えられている。また、PSI、Cyt b6f、再結合に起因する P700 光酸化の抑制が見られ、

PGRL1、FNR を含む超分子複合体（CEF 複合体

破砕葉緑体における NADPH、Fd 存在下での PQ

32)

プールの還元レベルも pgr5 と同程度に低下してCEF 複 合 体 の 構 成 成 分 と し て 検 出 さ れ て いことが示唆されている。これらのことから、PGR5 と PGRL1 はる 11,30,32)。単離した CEF 複合体において、光照射

ヘテロダイマーを形成し CEF を介在していると下での Fd 依存的な Cyt b の還元が観測されたこ

いた

28)

）が単離されており、CAS、ANR1、PETO は

考えられる

28)

。また、PGRL1 は高度に保存されとから、CEF 複合体形成により、PSI 由来の電子たシステイン残基（Cys）を持つことから、チオが Cyt b6f 複合体を還元すると考えられる 32)。超レドキシン（Trx）を介した PGR-CEF 経路の制御

分子複合体は FNR を含むため、Cyt b6f 複合体のが提唱されている29)

直接の電子供与体が FNR である可能性があるが、。

	  シアノバクテリアでは、PGR5 のオーソログで直接的な証拠はまだ得られていない。

3)ある Ssr2016 が同定されている 。Ssr2016 欠損

61

光合成研究	  26 (1) 2016
クラミドモナスにおけるステート遷移とNADH は、リンゴ酸-オキサロ酢酸シャトルを介

PGR-CEF の関係

して葉緑体へ NAD(P)H として輸送される 46,47)。

	  高等植物と異なり、クラミドモナスは嫌気条件

そのため、呼吸阻害時には葉緑体内の還元当量が下での生存が可能であり、発酵や水素発生のよう増加すると考えられる。嫌気条件下では、呼吸鎖な嫌気条件特異的な代謝が存在する

33,34)。しかし、電子伝達が阻害されるため、同様の現象が起こる

これらの代謝系路が完全に機能していないと考と考えられる。加えて、嫌気条件下では NAD(P)H

えられる嫌気条件の初期段階では、CEF 活性の上からプラストキノンプールを経て酸素を還元す

昇により ATP 合成能を増加させ、葉緑体内に還る葉緑体呼吸も阻害されると考えられる 48,49)。そ

元当量が増加する嫌気条件下での NAD(P)H/ATPのため、PQ プールが還元状態となり、ステー比の最適化に関わり、細胞内の代謝反応に ATP

ト 1-2 遷移が誘導される。光合成電子伝達の脱共を供給していると予測される。嫌気条件はステー

役時は、ATP 不足による解糖反応促進に伴う

35)、これまでに、CEF のNADH の発生増加と葉緑体内の還元当量の増加

活性増加はステート遷移依存的に起こると考えによる PQ プールの還元が起こり、ステート 1-2

ト遷移も誘導するため。ステート遷移とは、PSI と PSII

遷移が誘導されると考えられる 44)。Finazzi らは、がアンテナサイズを増減し両者の間で集光量のス テ ー ト 1-2 遷 移 の 起 こ ら な い 変 異 株 （ stt7:

られてきた

36,37)

38,39)であり、PQ プールの酸

lacking Stt7; bf4: lower accumulation of LHCII、

化還元状態とそれにより制御される葉緑体チラ

A-AUU: lower accumulation of Cyt b6f）において、コイド膜結合型セリン・スレオニンキナーゼであPSII か ら の 電 子 伝 達 を 阻 害 す る DCMU

バランスを取る機構

40)（ 3-(3,4-dichlorophenyl)-1,1-dimethylurea ） と PQ

41)

STN7 ）による PSII アンテナ LHCII のリン酸化

プ ー ル か ら の 電 子 伝 達 を 阻 害 す る DBMIB

により制御される。PQ プールが比較的酸化状態（ 2,5-dichlomo-3-methyl-6-isopropyl-p-bemzoquineにあるときには、LHCII は PSII のアンテナとしne）存在下での Cyt f の光酸化測定を行い、ステて機能する（ステート 1）。一方、PQ プールが還ート 1 とステート 2 誘導条件での Cyt f の光酸化元状態になる際には、LHCII の一部が PSII-LHCII

レベルを比較した 37)。その結果、野生株ではス複合体から脱離することで PSII アンテナサイズ

テート 1 において、DCMU ないし DBMIB 存在下を減少させるとともに、脱離した LHCII の一部

での Cyt f の酸化レベルは等しかった。これは、が PSI-LHCI 複合体に結合し集光能を増加させる

ステート 1 条件下では、PSII 由来ではない電子する Stt7 （シロイヌナズナにおける Stt7 ホモログ、

2)（ステート 2） 。そのため、ステート 1-2 遷移

なわち CEF 経路からの電子の流入が極めて少なにより PSI のアンテナサイズは増加する。ステー

いため、PQ プールの上流の電子伝達阻害でも PQ

ト 2-1 遷移は、LHCII の脱リン酸化を担う脱リンプール下流の電子伝達阻害でも同等の Cyt f の酸42)により制御されることがわかってい化レベルが観測されたと解釈される。ステート 2。クラミドモナスでは、細胞内での ATP レ

条件下では DCMU 存在下での Cyt f の酸化レベル

ベルが低下すると考えられる条件、主に呼吸鎖電は阻害剤非存在下と等しく、DBMIB 存在下に比子伝達阻害時には、葉緑体内での還元当量が増加

べて小さかった。これは、ステート 2 条件下では、し非光化学的な PQ プールの還元が起こり、ステCEF 経路から伝達された電子が増加し、還元され

酸化酵素
る

2,43)

ート 1-2 遷移が起こることが示されている

44,45)。

る Cyt f の量が増加したことを示すものである。

呼吸阻害時の葉緑体における還元当量の増加は一方、ステート 1-2 遷移が起こらない stt7 株にお以下のように解釈される：呼吸阻害による ATP

いて、ステート 2 誘導条件下では DCMU 存在下

レベル低下時には、ATP レベルを高めるためにでの Cyt f の酸化レベルは DBMIB 存在下と等し解糖反応が活発になると予測されるが、解糖系及く、CEF 経路から伝達される電子による Cyt f のびクエン酸回路で生成した NADH が呼吸鎖電子還元は見られなかった。また、LHCII の蓄積低下

伝達反応で消費されない。ここで余剰になった変異株（bf4）、Cyt b6f の蓄積低下変異株（A-AUU）

62

光合成研究	  26 (1) 2016
ではステート遷移が観測できないが、これらにおは確認されなかったが、ptox2 では野生株のステ

いても Cyt f の酸化レベルの変化は観測できなかート 2 と同程度の PSI のアンテナサイズと LHCII

37)。以上のことから、ステート 1-2 遷移が、のリン酸化レベルが観測された。そのため ptox2

サイクリック電子伝達の駆動に必要であると結において、CEF 活性が増加することが予想される論された。Iwai らの解析では、DCMU 存在下ス

が、光照射中に還元される P700 の量をもとに評テート 2 細胞では、励起光照射下での P700 還元価を行ったところ、ステート 1 の野生株と同等のレベルが高いことが観測され、それは CEF 活性

CEF 活性が観測された 11)。また、嫌気条件下での増加によると報告されている 32)。光照射下では、呼吸鎖および葉緑体呼吸での酸素の還元が起の P700 光酸化還元レベルは PSI アンテナサイズ

こらず PQ プールが還元状態であるためステーに依存するが、この解析において PSI アンテナサ

ト 2 であることが予測され、野生株では PSI アン

イズ変化の考慮はなされていないため、P700 還

テナサイズの増加と LHCII のリン酸化が検出さ元レベルの違いが CEF 活性増加のみに起因するれたが、stt7 では LHCII のリン酸化および PSI アのかどうかは明言できない。

ンテナサイズの増加は見られなかった。しかしな	  上記のようにステート 1-2 遷移が CEF 活性増

がら、CEF 活性は野生株と同様に増加した。いず加に関与するという報告がある一方、ステート遷れの変異株においても、PSI アンテナサイズの変移は CEF の嫌気条件下での加速には関与しない化に関わらず嫌気条件下で、CEF 速度は約 2 倍にという報告もある。嫌気条件下での CEF 速度増増加した。この解析において、CEF 速度評価の基加を示さない欠損あるいはノックダウン変異株

準となる光照射中の P700 の酸化還元レベルは（CAS 欠損株、ANR1 ノックダウン株、PETO ノ

PSI アンテナサイズに依存するため、ここで求めックダウン株）におけるクロロフィル蛍光測定にられた CEF 速度は PSI アンテナサイズで標準化より、ステート遷移能が損なわれていないことがされている。この解析結果から、ステート遷移能った

30,31)。Takahashi らは、正常なステに関わらず、ステート 1-2 遷移を誘導する条件下ート遷移を示さない PTOX2 欠損株と Stt7 欠損株

では PSI アンテナサイズの増加に依存せず CEFを用いた解析により、嫌気条件下での CEF 速度

速度が増加したということが示された 11)。これ

増加は、ステート遷移 1-2 に伴う PSI のアンテナ

らのことから、嫌気条件下での CEF 速度の増加

示されている11)。呼吸は、ステート 1-2 遷移に依存しないという結論が鎖の Alternative electron transport を介在する AOX導かれた。また、暗下での ptox2 では PQ プールのホモログである Plastid Terminal Oxidase（PTOX）

は還元状態であるが、PSI 下流において還元当量は、葉緑体呼吸鎖を介在し、PQ プールを酸化しは蓄積していないことが考えられるため、PQ プ

サイズ増加に依存しないことを示した

49-51)。光照射下では、Cyt b6fールの還元状態よりはむしろ、PSI 下流の電子受複合体が主に PQ プールの酸化を担うが、暗下で容体が存在するストロマの還元状態が CEF 速度の PQ プールの酸化は PTOX に依存する。そのたの増加を引き起こすことが示唆された。

め、PTOX2 欠損株（ptox2）では暗条件下におい	  ステート 1-2 遷移に必要な条件すなわち PQ プて、常にステート 2 を維持する一方、DCMU 存

ールが還元される条件では、基本的にはストロマ

在下光照射を行うことによりステート 1 へ遷移での還元当量の蓄積も生じる。この条件下ではする。クラミドモナスの細胞懸濁液を暗下で攪拌

CEF 加速が起こるため、ステート 2（を誘導する）

すると、呼吸鎖での呼吸基質の消費、葉緑体呼吸

条件はサイクリック電子伝達の加速に必要であによる酸素の還元により PQ プールは酸化状態にると言える。しかし、ステート 2 の特徴であるなるため、野生株ではステート 1 となる。一方、

PSI のアンテナサイズの増加は CEF の活性増加

ptox2 では、暗下での PQ プールの酸化が起こらに必要ではないと言えるのではないだろうか。

ないためステート 2 となる。実際に、野生株では

	
 て酸素を還元する

PSI のアンテナサイズ、LHCII のリン酸化の増加

63

光合成研究	  26 (1) 2016

図 2. ク ラミ ドモ ナス 細 胞に おけ る DCMU 存 在
下 の P700 光 酸化 キネ ティ ク ス
DCMU を添加したクラミドモナス細胞懸濁液に光照射すると、P700 が酸化されて 705 nm での吸収減少が観測される。パルス光照射（オレンジ色矢印）
により P700 最大酸化レベルが求められる。消灯後
P700 は速やかに還元される。[P700Oxi]は光照射により酸化される P700 の量、 [P700Red]は光照射中にCEF 由 来 で 還 元 さ れ る P700 の 量 、[P700Red+P700Oxi]は酸化可能な P700 の全量を示す。
酸化可能な P700 に対する CEF により還元される
P700 の割合から相対的な CEF 活性を評価する。

P700 の光酸化レベルをもとにした CEF 活性[P700Red+P700Oxi]比を算出する。この際、非特異測定

的な吸光変化を排除するために、730 nm での吸	  前述した、CEF 活性増加とステート 1-2 遷移に光変化も測定し 705 nm での吸光変化から差し引

よる PSI アンテナサイズの増加が相関しないとく。PSII からの電子伝達を阻害した条件下で PSIいう結論は、光照射中の P700 酸化還元レベルのに伝達される電子の量は CEF に依存するため、測定を用いた評価から導かれた。

[P700Red]／[P700Red+P700Oxi]の値が大きいほど相	  高 等 植 物 な ど で は 、 P700 の 光 酸 化 に 伴 い

対的な CEF 活性が高いと言える。この場合、還820-830 nm での吸光度増加が見られるため、そ元速度の絶対値（e-s -1PSI-1）を算出するには、PSIの吸光度変化から PSI の活性（P700 の酸化還元の酸化速度を求める必要がある。また、光照射下状態）を評価できる。しかし、クラミドモナスでで還元される P700 の量は PSI アンテナサイズには、830 nm での吸光変化が高等植物に比べ小さ依存するため、変異株を用いた測定や異なる生育

いこと、赤外光吸収帯を欠くなどの理由により、条件で活性を比較する場合は、PSI アンテナサイ

820-830 nm での吸光変化で PSI 活性を評価する

ズによる標準化が必要となる。PSI 酸化速度とア

46)。一方、700 nm 付近で光酸化にンテナサイズの定量は Electrochromic shift 測定に伴う吸光度減少を観測できるため、その吸光度変より求める 11)。後述する緑藻特異的なチラコイ

化から PSI の活性を評価することができる 46)。

ド膜タンパク質 PETO のノックダウン株では、こJoliot Type Spectrophotometer (JTS) を用いて測定の P700 の還元レベルをもとにした方法により嫌した、DCMU 存在下でのクラミドモナス細胞に気条件下での CEF 速度を評価した。その結果、おける P700 光酸化に伴う 705 nm での吸光変化と野生株では嫌気条件へのシフトに伴い、約 2 倍に消灯後の還元キネティクスの一例を図 2 に示す。

速度が増加していたが、ノックダウン株では 1.4

DCMU 存在下では、PSII からの電子伝達が阻害倍にとどまり、その差が有意であることが示されされるため、光照射下での酸化型 P700 の蓄積にた 31)。

ことが難しいよる吸光度減少の維持と光消灯後の P700 の再還元による吸光度変化が観測できる。DCMU 存在

緑 藻 特 異 的 な CEF 活 性 調 節 因 子 PETO と下で任意の強度の励起光照射を行うと、P700 がANR1

光酸化される（図中[P700Oxi]）が、一部光照射中	
  嫌気条件のように葉緑体内での還元力が増加に還元される P700 量（図中[P700Red]）を観測す

し、CEF 活性が増加する条件下では、PSI、Cyt b6f、ることができる。さらに、励起光飽和消灯直前に

FNR、PGRL1、CAS、ANR1、PETO からなる CEF

飽和パルス光を照射し、光酸化可能な P700 の全複合体が形成されることから、CEF の加速には量（図中[P700Red+P700Oxi]）を求め、[P700Red]／

CEF 複合体の形成が必要であると考えられてい64

光合成研究	  26 (1) 2016
る 11,30,32)。CEF 複合体に含まれる ANR1 と PETO存された GGE モチーフ：GG(W/F)(A/P)GGE を含は緑藻類でのみ同定されており、その蓄積量が減む。主に緑藻綱にのみオーソログが同定されてい少した株では CEF の速度増加が抑えられることる PETO に対し、ANR1 は、緑藻植物門のうち緑から、緑藻特異的な CEF 活性調節に関与するこ藻網とトレボウクシア藻網、プラシノ藻網とが予測される。

（Prasinophyceae）、アオサ藻網（Ulvophyceae）

	  Hemel らは、クラミドモナスにおいて PETO 遺にオーソログが見られる。プラシノ藻網の一部で伝子を同定し、PETO は維管束植物には存在しな

は 、 ANR1 の 構 造 が 異 な る た め 、 こ こ で はいことを見出した52)。微細藻類における PETO

ANR1-Like を ANL1 と表記する。ANL1 は、膜貫のシーケンス解析により、PETO のオーソログは、

通ヘリクスを持たないが 2 つの ANR1 ドメイン

緑 藻 植 物 門 （ Chlorophyta ） の う ち 緑 藻 網を保持する 31)。

（ Chlorophyceae ） と ト レ ボ ウ ク シ ア 藻 網（Trebouxiophycae）にみられるが、緑藻植物門のPETO と ANR1 との相互作用中で最も進化的に古いプラシノ藻網にはオーソ	  Takahashi らは、PETO の機能の実態を明らか

31)。PETO は、核ゲノムににするために、クラミドモナスにおいて PETO のコードされる約 15 kDa のチラコイド膜タンパク

ノックダウン株（PETO-KD）を作製し、PETO の質であり、N 末端はルーメン側に位置し、保存性結合相手について解析を行った 31)。CEF 複合体の高い 1 つの膜貫通領域、ストロマに露出した Cの形成に PETO の蓄積量変化が及ぼす影響を調末端を持つ。ストロマ側に露出する C 末端部位

べるために、嫌気処理後、野生株と PETO-KD かが、嫌気処理によるステート 1-2 遷移により可逆

ら チ ラ コ イ ド 膜 を 単 離 し 、ログは存在しなかった

52,53)。C

n-Tridecyl-β-D-maltoside（TDM）で可溶化後ショ

末 端 部 分 に は よ く 保 存 さ れ た

糖密度勾配超遠心分画を行ったところ、野生株に(K/R)(D/N)SX4-5G(Y/F)E のモチーフがあるが、こ

おいて、もっともサイズの大きいクロロフィル結の高度に保存されたセリンは、プロテオーム解析

合タンパク質画分に CEF 複合体画分が得られ、で検出された 9 箇所の PETO のリン酸化部位には

PSI、Cyt b6f と FNR、PGRL1、ANR1 とともに PETO

的にリン酸化されることがわかっている

53)。Hamel らの報告から、が共分画した。一方 PETO-KD では、これらの共PETO は、Cyt b6f 複合体欠損株では蓄積しないこ

分画が明確には得られず、Cyt b6f と FNR、PGRL1、と、Cyt b6f の粗精製段階においては他の Cyt b6f

ANR1 の分布は、軽い画分へとシフトした 31)。こサブユニットと共分画されたため、Cyt b6f サブユの結果により、PETO と CEF 複合体構成因子とのニットの一つ（サブユニット V）と考えられてい相互作用が考えられたため、Strep-tag を導入した

たが、クラミドモナス由来の Cyt b6f 複合体結晶

PETO 過剰発現株を用いて PETO と相互作用する構造中では該当する構造が得られなかったこと、タンパク質の同定を試みた。TDM で可溶化したPETO ノックダウン株において Cyt f の蓄積量がチラコイド膜を Streptactin カラムに供し、0.1%

変化しないことから、現在では PETO は Cyt b6f

TritonX-100 を 含 む 溶 液 で 洗 浄 後 、 2.5 mM複合体構成サブユニットではないと考えられてdesthiobiotin で溶出を行った。得られたフラクシ

含まれていなかったいる

31,52,54)

ョンをウェスタン分析により解析した。図 3 に示。

	  ANR1 は、嫌気条件に応答して蓄積量の増加するタンパク質として同定された55)

すように、desthiobiotin による溶出では、PETO
と共に ANR1 が同様のパターンで溶出した。さ。ANR1 は、核ゲノムにコードされる約 20 kDa のチラコイド膜

らに、かなり弱いシグナルではあるものの、PsaA、タンパク質で、N 末端側にストロマに露出する 2

FNR、PGRL1 も溶出画分に検出されていること

つの ANR1 ドメインと 3 本の膜貫通ヘリクスをから、これらの CEF 複合体構成因子と PETO、持つ。ANR1 ドメインは、アミノ酸 66 残基の配ANR1 との相互作用が示唆された。Cyt f は、溶出列で、2 つの ANR1 ドメインそれぞれに高度に保画分においては検出限界以下であったが、0.1%

65

光合成研究	  26 (1) 2016

図 3. Strep-tag ア フィ ニテ ィク ロ マト グ
ラ フィ によ る PETO と ANR1 の 相互 作
用0.85 % TDM で可溶化したチラコイド膜を Strep-tag アフィニティクロマトグラフ
ィにて精製を行った。洗浄 1 画分では(-)TritonX-100 、 洗 浄 2 画 分 で は(+)TritonX-100 を 含 む 溶 液 で 洗 浄 を 行
い、2.5 mM desthiobiotin を含む溶液で溶出した。洗浄画分は 1 mL, 溶出洗浄画分
は 0.5 mL ずつ分取した。得られた画分を、
PsaA, FNR, cytf, PGRL1, ANR1, PETO,
CF1b, OEE2 抗体を用いてイミュノブロッ
ト解析した。Input (In)と Unbound (un)には 0.9 µg Chl 相当タンパク質をロードし、他のフラクションは 10 µL ずつロードした。Takahashi et al., 201631)から改変。

TritonX-100 を含んだ溶液による洗浄 2 画分ではイド膜中（おそらくは Cyt b6f 複合体）へと伝達シグナルが検出されており、本来 CEF 複合体にされるため、嫌気条件下で CEF 速度が増加する

ゆるく結合しているものの洗浄により外れた可ことが考えられる。アラビドプシス PGRL1 に見能性が示唆された。ネガティブコントロールであ出された 6 つの Cys 残基は全てクラミドモナスにる、OEE2 (PSII) と CF1β (ATPase) は溶出画分おおいても保存されており、高等植物同様 PGRL1

よびいずれの洗浄画分にも検出されなかった。こが PGR5 とヘテロダイマーを形成し、ストロマでれらの結果は、PETO と ANR1 との相互作用を示の還元当量が増加する際に Trx を介した電子伝す証拠であるとともに、PETO と ANR1 が他の達の制御機構が存在すると考えられる。一方、クCEF 複合体成分と複合体を形成していることをラミドモナスには ANR1 や PETO という緑藻特示唆している。

異的なタンパク質が存在し、これらも PGR-CEFの加速に関与することがわかっている。ここでは、

クラミドモナス PGR-CEF 活性調節機構の考

緑藻特異的な PETO および ANR1 が PGR 経路の察

調節において、どのように機能するか考察したい。

	
  高等植物、シアノバクテリア、緑藻を通じて

ANR1 および PETO のノックダウン株では嫌気条

PGR 経路のサイクリック電子伝達制御の詳細に件下での CEF 加速が抑制されていた 30,31)。CEF

ついては議論があるが、シロイヌナズナにおいて、複合体における各成分の化学量論比はまだ不明

PGR5 と PGRL1 が in vitro で相互作用を示すこであるが、Strep-tag アフィニティ精製において

28)、PGRL1 が真核光合成生物間で高度に保存

PETO と ANR1 が共精製されたこと、溶出画分にされている 6 つの Cys 残基と鉄を含むコファクタ

は PGRL1 と FNR も含まれていた。また、PETOーを持つことから、PGR5 と PGRL1 がヘテロダと ANR1 は CEF 複合体が形成されない好気条件

イマーを形成し、Trx を介した電子伝達の制御がにおいても相互作用し、一部の PGRL1 や FNR とと存在すると提唱されている

29)

CEF 複合体の前駆体（プレコンプレックス）を形。

	  クラミドモナスでは PGR 経路は嫌気条件下で成することが示唆されている 31)。この前駆体が、CEF 活性が増加することが明らかになっている。

CEF 複合体の中核となり、PSI と Cyt b6f を含む嫌気条件下の葉緑体では、還元当量の増加により

CEF 複合体の形成に関与すると考えられる。そしPSI 下流での電子受容能力が低下し電子が余る。

て、PETO と ANR1 が CEF 複合体を安定化する

この電子が Fd（もしくは FNR）を介してチラコことで CEF の加速に寄与する考えられる 31)。

66

光合成研究	  26 (1) 2016

図 4. ANR1/ANL1 と NdhS に おけ る 2
つ の ANR1 ド メイ ン
GGE モ チ ー フ を 赤 破 線 で 示 す 。
ANR1/ANL1 の配列ロゴは緑藻類からなるシーケンスセットから、NdhS の配列ロゴは陸上植物からなるシーケンス
セットから作成した。
ANR1 との高い類似性を示す配列を青線で示す。Takahashi et al., 201631)から改変。

	  PETO、ANR1 が CEF 複合体の形成および安定能は持たないと考えられるが、NdhS と機能的に化に関する分子メカニズムとして、ANR1 ドメイ

類似している可能性は否定できない。Yamamoto

ン中にある GGE モチーフが関わる可能性が挙げ

らは、2 つの GGE 領域を含む NdhS の N 末端領られる。シーケンス解析により、ANR1 に存在す域（E57-L168）の切断変異が、NdhS 欠損によるる GGE モチーフは、維管束植物に存在する NdhS

プラストキノンプール還元能の阻害を、還元速度の N 末端部分に見られる繰り返し配列に類似しは遅いものの相補することから、NdhS の N 末端ていることが明らかになった

31)。NdhS は CRR31

領域は NDH-CEF 活性に必須ではないが、最適なとして同定され、PSI の Fd 結合サブユニット PsaE

NDH-CEF 活性には重要であると考察している 14)。

にも見られる Src homology 3 (SH3) domain-like 配

そのため、クラミドモナスの PGR-CEF の加速に列を C 末端部分に持つことから、NDH 複合体のおいて、GGE モチーフ：GG(F/W)(A/P)GGE が何

Fd 結合部位であると報告されている

14)。図 4 にらかの機能を担っているのではないかと推測さ示すように、ANR1 と NdhS の比較において、第れる。2 つある GGE モチーフはストロマ側に位二 ANR 1 ドメインに比べて相同性は低いものの、

置するが、そのうち 2 つめのモチーフはチラコイ

第一 ANR 1 ドメインにおいても GGE モチーフのド膜近傍に位置することが予測される 31)。GGE保存が確認でき、両者はホモログであると考えらモチーフには、芳香族アミノ酸によるπ-π相互作れる。

用とグルタミン酸のカルボン酸を介した水素結

	  緑藻植物門において進化的に最も古いプラシ合が可能であると考えられる。葉緑体内の還元当ノ藻類の一部は、ANL1 と NdhS 両方を持ってい量増加に伴い電子伝達鎖が還元状態となるとき、るが、その他の緑藻類は ANR1 のみを持ってい増加したプラストキノールが膜内を拡散し、GGEる。また、NdhS はシアノバクテリアと陸上植物

モチーフに結合する可能性も排除できない。プラでオーソログが同定されているが緑藻類では同ストキノールの結合を介して葉緑体内のレドッ

定されていない。加えて、マメ科の植物には NdhS

クスセンシングを行い、PGRL1, PGR5, FNR との SH3-like 配列を欠くパラログ（CRR31-like、

PSI、Cyt b6f と共に CEF 複合体を形成・安定化し、CRL31）が見つかっており、これは ANL1 に類似

CEF の加速に寄与する可能性も考えられる（図 5）。

している。これらのことから、NdhS は進化の過PETO C 末領領域のリン酸化も嫌気条件下で起こ程で分岐し ANL1 を経て ANR1 へと変化したのるため 52,53)、この修飾も何らかの機能を果たすとではないかと考えられる 31)。ANR1 は SH3-like

考えられる。

配列を持たないため、Fd の結合部位としての機67

光合成研究	  26 (1) 2016

図 5. ク ラミ ドモ ナス に おけ る PETO と ANR1 の CEF 複 合体 にお ける 機 能の 仮説 モデ ル
O, PETO; A, ANR1; FNR, Fd:NADP+ oxidoreductase; 1, PGRL1; 5, PGR5; Fd, ferredoxin; P, リン酸化; 緑ドット,
プラストキノール分子を示す。好気条件では、FNR, 一部の PGRL1, ANR1, PETO は、前駆体（プレコンプレックス）として存在しているが、嫌気条件にシフトした際に ANR1 の GGE モチーフによる何らかのセンシング（ここではプラストキノール）と、PETO のリン酸化を通じて、PSI と Cyt b6f 複合体を含む CEF 複合体の形成とその安定化、CEF 加速に関与していると考えられる。PGR5 は、CEF 複合体の成分としてこれまでに検出されていないが、高等植物において PGRL1 と相互作用することが報告されているため、モデル中に図示し
た。

おわりに

GGE モチーフの点変異導入などさらなる解析が	  本稿では、クラミドモナスにおける PGR-CEF必要である。また、CEF 複合体の分子集合メカニの特徴である嫌気条件下の活性増加の調節につズムなども解析が求められる。さらに、緑藻の生いて、ステート 1-2 遷移に伴う PSI アンテナサイ

育・生存における CEF の役割や嫌気条件特異的ズの増加が CEF 活性増加に必ずしも必要ではな

な代謝との相互作用についても不明な点が多く、

いこと、葉緑体の還元状態が CEF 活性増加を誘今後の研究の進展が期待される。

導することを述べた。その活性増加の詳細なメカ
ニズムは未だ明らかではないが、高等植物で提唱謝辞されているように PGRL1 に保存される Cys 残基	  本稿で紹介した著者らの研究は、フランス国立と Trx を介したレドックス制御が考えられる一

科学センターInstitut de Biologie Physico-Chimique方、緑藻特異的なチラコイド膜タンパク質 ANR1の Wollman 博士らの研究グループにて行いましと PETO の関与について考察した。ANR1 とた。また、本稿の考察において埼玉大学の藤城貴

PETO のノックダウン株では、嫌気条件下での史助教からご助言を得ました。これらの方々に心CEF 活性増加が抑制されること、両者は相互作用より感謝を申し上げます。また、この機会を与えすること、PETO は嫌気条件下でリン酸化するこてくださいました岡山大学自然科学研究科高橋と、ANR1 は NDH-CEF の機能維持に関与する可裕一郎教授、査読者の先生にも心から感謝を申し

能性のある GGE モチーフを持つことから、PETO上げます。

と ANR1 が協調的に働き、嫌気条件下で、PETOのリン酸化と ANR1 の GGE モチーフによる何ら

Received March 30, 2016; Accepted April 6, 2016;

かのセンシングを通じて、CEF 複合体の形成およPublished April 30, 2016

び安定化、CEF 加速に寄与すると考えられる。しかしながら、この仮説を裏付ける証拠は未だ得られていないため、今後 PETO のリン酸化部位や68

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報告記事	 The International Conference on Tetrapyrrole Photoreceptors of
Photosynthetic Organisms 2015 参加報告
東洋大学	 生命科学部	
 
高橋	
 重一	
 
	
  昨年のことになりますが、10 月 11 日から 15 日にかけて、イスラエルは Upper Galilee にて The
International Conference on Tetrapyrrole Photoreceptors of Photosynthetic Organisms (ICTPPO) 2015 が開催されました。本会議は隔年ごとに開催されており、今回で 12 回目となるそうです。毎回多くの日本人研究者が参加する会議であり、今回も著名な先生方の講演がアナウンスされていました。ところが、イスラエルが紛争地域であるために所属機関から渡航が認めらなかったそうで、蓋を開けてみれば、日本人参加者は私だけ、他国でも同様なのか、全体でも 40 名を少し超える程度の参加者と、近年開かれた会議の中では最も小規模なものとなりました。参加者の集合写真を下に掲載します。参考まで。
	  初日のプログラムは Welcome reception のみでしたので、長旅の疲れを癒すとともに、会議に向け十分 な 英 気 を 養 う こ と が で き ま し た 。 講 演 会 は 翌 日 か ら 始 ま り 、 8 つ の セ ッ シ ョ ン (Tetrapyrroles
Metabolism、Phycobiliproteins – Biosynthesis and degradation、Light adaptation and state transitions、Energy
transfer and electron transfer、Chlorophyll proteins – Biosynthesis and degradation、Structure of tetrapyrrole
protein、Biochemistry of tetrapyrrole proteins、Phytochromes)に分かれ、29 演題の発表がありました。小
さな会場でしたので演者との距離も近く、研究に対する熱を感じながら、各分野の最新の知見を学ぶことができました。また、今回は応用研究にフォーカスを当てた演題がみられず、基礎研究の分野に特化した会議になりました。全くの異分野に出会い、カルチャーショックを受けるということはありませんでしたが、尖った議論を進めるにはよい環境であり、これはこれでよいものだ、と思いました。
	  そうそう、大切なことを書き忘れていました。2007 年に京都で開かれた ICTPPO のレクリエーショ
ンタイムで活躍した「けん玉」は、今も現役で大活躍中です。ICTPPO の常連である、Prof. Willows はかなりの腕前になっており、とてもほっこりした気分になりました。
	  次回の ICTPPO はシカゴで 2017 年に開催される予定です。どういった構成になるのか、今からとても楽しみです。

集合写真（エクスカーションのバードウォッチ中）72

光合成研究	  26 (1) 2016報告記事	 若手の会活動報告〜サイエンスアゴラ 2015 での出展報告〜
立命館大学 生命科学部 生命情報学科
浅井 智広
	
  前号（2015 年 12 月）から今号の会報（2016 年 4 月）の間は、若手の会としておもだった活動をしていないため、今回の活動報告では前号の会報で報告できなかったサイエンスアゴラ 2015 の出展について報告したいと思います。
	  サイエンスアゴラ 2015 は日本科学技術振興機構（JST）が主催する大規模なサイエンスコミュニケーションのイベントで、東京お台場地区を中心に 11 月 13 日から 15 日の三日間で開催されました。今回のサイエンスアゴラ 2015 の全体としてのテーマは「つくろう、科学ともにある社会」でした（http://www.jst.go.jp/csc/scienceagora/ 参照）。2015 年は国連が定めた「国際光年」であったため、3 つの主要なサブテーマのひとつは「「ひかり」を通して見る人類の歩みと未来～原始から原子まで～」という光合成研究と深く関わる話題となっていました。若手の会では、幹事の辻敬典さん（関西学院大学）に中心となって出展を企画していただき、「若手研究者が伝えたい光合成の現在・過去・未来」というタイトルで常設展示が採択されました。光合成学会若手の会としてのサイエンスアゴラでの出展
は、通算 5 回目を数えます。JST が主催するイベントということもあって、サイエンスアゴラには様々な公的な機関や組織による潤沢な人員と予算を使った出展が企画・応募されます。その中で、私たち若手の会の企画がメイン会場である日本科学未来館での常設展示に選ばれたことは、社会の光合成研究に対する強い期待を反映したものであると思います。周囲のブースが大規模な出展を行う中、私た
ちはパネル展示、様々な光合成生物の観察、デモ実験、直接対話による自分たちの力で作り上げたアットホームな出展を行いましたが、例年にも増して周囲に引けをとらない盛況ぶりでした。出展の詳細な様子については後の出展報告をご覧ください。
	  若手の会では、実年齢や身分、所属を問わず、多くの研究者の方々の積極的な参加を歓迎します。
現場の研究を推進している研究者が若い気持ちで交流することは、学際性の強い光合成研究では絶対不可欠だと思います。この記事を読んで興味を持たれた方は、お気軽にご参加ください。また、ご自身の参加はもちろんのこと、周辺の方にも参加をお勧めいただきたいと思います。毎年秋に開催している若手の会セミナーでは、学生招待講演を企画していますので、自薦他薦問わず、常時候補者を募集していますので、お気軽にご連絡いただければ幸いです。その他ご不明な点など、遠慮なく浅井（cazai@fc.ritsumei.ac.jp）までお問い合わせください。

73

光合成研究	  26 (1) 2016

報告記事	
 

サイエンスアゴラ出展報告	
 －若手研究者が伝えたい光合成の現在・過去・未来	
 1

関西学院大学 理工学部生命科学科

2

立命館大学 生命科学部
1

辻 敬典

2

浅井 智広

サイエンスアゴラ 2015	  サイエンスアゴラは JST が毎年開催しているサイエンスコミュニケーションイベントで、研究者やサイエンスコミュニケーターなどが集い、講演や展示など様々な形で来場者と交流するイベントです。
日本光合成学会若手の会では 2011 年から毎年出展しており、2015 年も継続して出展企画を応募しました。主催者により設定された今年のサブテーマのひとつは、“「ひかり」を通して見る人類の歩みと未来 ～原始から原子まで～”でした。その光合成研究と関わりの深さも追い風となり、私たちの企画は東京お台場にある日本科学未来館 1F のメイン会場での常設展示として採択されました。2015 年のサイ
エンスアゴラは 10 周年記念大会として開催され、若手の会も含む 169 団体が出展し、約 7000 人の方々が来場し、光合成研究の重要性を一般の方々にアピール良い機会となりました。私たち若手の会は、「若
手研究者が伝えたい光合成の現在・過去・未来」と題したブース展示を行い、パネル展示やデモ実験を通して、光合成の基礎知識や地球史における重要性、未来に向けての応用研究まで幅広く紹介しました。
今回の出展テーマ	 	  バイオ燃料生産などで近年着目を集めつつある光合成ですが、そもそも光合成は人類の誕生よりもはるか以前から地球環境を劇的に変え、生産者として生態系を支えてきました。そこで今回の展示では、過去から現在にいたるまでの光合成の普遍的重要性を強調しつつ、最新の研究成果や応用研究ついても紹介することを目指しました。具体的な展示内容としては、パネルを使ったトピックス紹介に加え、光合成生物の展示と観察、光合成色素の分離・分析、Imaging PAM による光合成電子伝達の可視化などのデモ実験を行いました。
出展の様子	 	  光合成生物の展示・観察では、光合成細菌から二次共生藻類まで、研究者でも見る機会の少ない光合成生物を幅広く展示しました。バクテリアから複数の異なる真核生物群までを含む多様性は、光合成生物ならではのものです。この多様性の多くが共生によってもたらされたこと、様々な光合成生物
が様々な環境下で光合成を行っていることを解説しました。珪藻の被殻を並べた「珪藻アート」のプレパラート観察は、昨年と同様に子供から大人までたくさんの人の興味を引いていました。生物学としての光合成研究の面白さを感じてもらうことが出来たと思います。
	  色素の分離・分析実験では、カラフルな光源と色素を扱うため、たくさんの来場者が足を止めてくれました。赤・青・緑の LED を使ってクロロフィルの吸収する波長を簡易的に調べる実験では、クロロフィルが緑色の光をあまり吸収しないこと、その特徴が葉の緑色に反映されていることを実感して貰いました。黒い海苔を焼くと緑色になるとう現象についても、フィコビリン類が壊れてクロロフィ74

光合成研究	  26 (1) 2016

ルの緑が見えるようになるという解説に、多くの人が納得してくれました。光と物質の相互作用から生命現象を捉えるという、物理的・化学的な側面をもつ光合成研究の特徴を伝えることができたと思います。
	  今回のアゴラでは小林康一博士（東京大学）の協力を得て、新たに Imaging PAM を使ったデモ実験を行いました。この実験では、電子伝達系の阻害剤である DCMU を葉の一部に塗布し、パルス光を当てたときのクロロフィル蛍光の差異を可視化することで光合成を実感してもらうことを狙いました。
当日は、油性ペンにインクとして無色透明の DCMU 溶液を詰めた「DCMU ペン」を用意し、来場者に描いてもらった絵をクロロフィル蛍光として Imaging PAM で可視化しました。特に子供たちが興味津々で、DCMU ペンで葉に書いた絵が肉眼では見えずに、Imaging PAM によって可視化されることに大いに興味を示してくれました。また、落ち葉や様々な野菜を用意し、自由にクロロフィル蛍光を観察してもらいました。小さな子供たちに、まずは「光が当たることで、葉っぱの中で何かが起こっている」ことを実感してもらえたと思います。PAM の原理は必要な仮定が多く複雑で、来場者にクロロ
フィル蛍光や電子伝達系の概念を伝えるには非常に苦労しましたが、出展者である私たちが光合成の直感的な理解に結びつくデモ実験やその紹介方法について考える良い機会となりました。
	  パネル展示では、光合成がもたらした地球環境の激変など過去の事象から、バイオ燃料生産などの未来へ向けた光合成研究まで解説しました。特にバイオ燃料生産や人工光合成などの応用研究については、多くの来場者からたくさんの質問を受けました。現代社会の光合成研究への関心の高さと、その進展への大きな期待が強く感じられました。

75

光合成研究	  26 (1) 2016

集会案内	
 第 24 回「光合成セミナー2016：反応中心と色素系の多様性」の開催案内
期日：2016 年（平成 28 年）7 月 9 日（土）午後 2 時から 7 月 10 日（日）午後 4 時まで
場所：龍谷大学深草キャンパス（http://www.ryukoku.ac.jp/fukakusa.html）（交通）JR 京都駅から深草キャンパスの最寄り駅（JR 奈良線「稲荷」駅、地下鉄烏丸線「くいな橋」駅）までは約 5 分。最寄り駅から徒歩で約８分。
開催の目的：	  光合成に関して、物理学、化学、生物学を融合した討論を行う。光合成の進化、物質
変換、人工光合成などについても討論する。第一線の研究者に最新のトピックを解説していただくとともに、参加者の口頭・ポスター発表を行う。
協賛：日本光合成学会
共催：龍谷大学革新的材料・プロセス研究センター
内容：
１．講演会
柴田 穣	
  （東北大学大学院理学研究科）	
 「光合成光捕集過程を精密科学として理解することを目指して」（講師１名は未定）
２．口頭発表	  	  	  （討論を含めて一人 10 分から 20 分を予定）
３．ポスター発表	  （3 分程度のポスタープレビューも併せて行う）
申込：
	
  	
  発表申し込み締め切り	  2016 年（平成 28 年）7 月 1 日（金）	  	  参加申し込み締め切り	  2016 年（平成 28 年）7 月 1 日（金）参加費：（7 月 9 日の懇親会費、7 月 10 日の昼食代を含む）
	
  	
  一般	
  5,000 円（予定）
	
  	
  学生	
  3,000 円（予定）世話人：	  秋本誠志（神戸大学）、大岡宏造（大阪大学）、大友征宇（茨城大学）、出羽毅久（名古屋工業大学）、永島賢治（神奈川大学）、宮武智弘（龍谷大学）
申し込み・問い合わせ先：	  龍谷大学理工学部物質化学科	
  宮武智弘(e-mail: miyatake@rins.ryukoku.ac.jp, tel: 077-543-7467, fax: 077-543-7483)
プログラムおよび今後の案内は下記ホームページにて、更新情報を随時、掲載いたします。
http://www.bio.sci.osaka-u.ac.jp/~ohoka/photosyn_seminar_2016/top.html
その他：	  光合成生物の進化も含めた光反応・色素系の基礎から応用までを幅広く議論し、異分野の学生・研究者が楽しく交流できる場を提供していきたいと考えています。また新しい研究テーマや方向性のヒントが得られることも期待しています。今後の運営・内容等に関してご意見等がありましたら、遠慮無くメール（上記メールアドレス宛）をいただければ幸いです。

76光合成研究	  26 (1) 2016

集会案内	
 
第５回	
  光合成研究者 OB/OG 会 2016 の開催案内
光合成研究者 OB/OG の皆様	  光合成研究者 OB/OG の会は、日本光合成学会年会の前日に隔年で開催するのを通例としております。今年の光合成学会年会は、5 月 27−28 日、東京理科大学葛飾キャンパスで開催されますので、当OB/OG 会は５月 26 日に東京で開催いたします。OB/OG 相互の近況を知り、親睦をはかるため、皆様の参集をお待ちしております。
2016 年 5 月 26 日（木）17：30 ~20：00

日時：
場所

	
  ルヴェ・ソン・ヴェール 駒場（井の頭線駒場東大前駅より歩２分）〒153-8902 東京都目黒区駒場３−１、東京大学駒場ファカルティハウス TEL. 03-5790-5931
http://leversonverre-tokyo.com/restaurant_komaba/

会費：	  8,000 円
宿泊： 宿泊は各自ご用意下さい。
第４回光合成研究者 OB/OG 会 2014（奈良）の出席者は以下の通りでした。
小川晃男、佐藤公行、嶋田敬三、辻英夫、豊島喜則、西村光雄、西村幹夫、檜山哲夫、大城香、高橋
正昭、横田明穂、泉井桂、和田野晃、河盛阿佐子、和田敬四郎、伊藤繁、村田紀夫
代表世話人：檜山哲夫、小川晃男、佐藤公行、村田紀夫–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
参加申し込みお名前：
E-メール：
電話番号：
住所：
OB/OG 会：

出席	
  欠席	
  	
  	
  	
 

返信先：E-mail: nmias5373@nifty.com

Fax/Tel: 0557-85-5205

なお、光合成研究者 OB/OG の会のメンバーは 65 歳以上で、現役・退職を問いません。登録は不要です。

77

光合成研究	  26 (1) 2016

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。
★新事務局からのごあいさつ	  2016年度より、事務局長をお引き受けした早稲田大学の園池公毅です。現在、鹿内前事務局長の下で修行中です。10年以上前に4年間にわたって、現在の「光合成研究」になった光合成研究会会報の編集長を務めておりました。そのときの様子と比較して考えると、この10年で、日本光合成学会は大きく発展しました。このところの年会の際の若い研究者の熱気は、光合成研究の今後に明るい未来を感じさせます。一方で、これまでの家内制手工業のような学会運営は、限界に来ているようにも感じます。今後の学会をどのようにしていくのがよいのか、皆様のご意見をうかがいながら考えていきたいと思いますので、どうぞよろしくご協力のほどお願い申し上げます。

【訂正のお知らせ】
	  『光合成研究』25巻第3号（通巻74号）の目次および裏表紙に、高橋	
 重一、大槻	 孝之、内田	 朗、中山	
 克己、佐藤	 浩之（東洋大）とあるのは、高橋	 重一（東洋大）、大槻	
 孝之（東邦大）、内田	
 朗（東邦大）、中山	 克己（東邦大）、佐藤	
 浩之（東邦大）の誤りでした。お詫びして訂正します。

78

光合成研究	  26 (1) 2016

日本光合成学会会員入会申込書

平成	
  	
  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、平成	  	
  年より会員として入会を申し込みます。

[	  ]内に会員名簿上での公開承諾項目に◯印をつけてください[ 	  ]	
  氏名（漢字）（必須）
氏名（ひらがな）
氏名（ローマ字）
[	
 

]

所属

[	
 

]

住所 1

〒
[ 	
  ]

住所 2（自宅の方または会誌送付先が所属と異なる場合にのみ記入）

〒
[	
 

]

TEL1	
 

[	
 

]

TEL2（必要な方のみ記入）

[	
 

]

FAX

[	
 

]

E-mail個人会員年会費

1,500 円

（会誌、研究会、ワークショップなどの案内を含む）

賛助法人会員年会費

50,000 円（上記と会誌への広告料を含む）（振込予定日：平成	
  	
  年	
  	
  月	
  	
  日）（会員資格は１月１日～１２月３１日を単位とします）＊	  複数年分の会費を先払いで振り込むことも可能です。その場合、通信欄に（何年度～何年度分）とお書き下さい。

連絡先〒700-8530	
  岡山県岡山市北区津島中 3-1-1
岡山大学 理学部生物学科
高橋裕一郎 研究室内
日本光合成学会
TEL : 086-251-7861
FAX : 086-251-7876
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

79光合成研究	  26 (1) 2016

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。

80

光合成研究	  26 (1) 2016

第６条	
  総会
１．総会は会長が招集し、出席会員をもって構成する。議長は出席会員から選出される。
２．幹事会は総会において次の事項を報告する。
１）前回の総会以後に幹事会で議決した事項
２）前年度の事業経過
３）当年度および来年度の事業計画
３．幹事会は総会において次の事項を報告あるいは提案し、承認を受ける。
１）会計に係わる事項
２）会則の変更
３）その他の重要事項
第７条	
  会計
本会の会計年度は１月１日から１２月３１日までとする。当該年度の経理状況は、総会に報告され、その承認を受ける。経理は、会計監査によって監査される。本会の経費は、会費および寄付金による。

付則第１	
  年会費は個人会員1,500円、賛助会員一口50,000円とする。
第２	
  本会則は、平成１４年６月１日から施行する。
第３	
  本会則施行後第一期の会長、事務局長、常任幹事にはそれぞれ、第５条に定める規定にかかわらず、平成１４年５月３１日現在の会長、事務局担当幹事、幹事が再任する。本会則施行後第一期の役員および幹事の任期は、平成１４年１２月３１日までとする。
第４	
  本会則の改正を平成２１年６月１日から施行する。

日本光合成学会の運営に関する申し合わせ
1. 幹事会：
幹事は光合成及びその関連分野の研究を行うグループの主催者である等、日本の光合成研究の発展に顕著な貢献をしている研究者とする。任期は4年とするが、原則として再任されるものとする。
2. 事務局：
事務局長の任期は2年とするが、本会の運営を円滑に行うため、約5期（10年）を目途に再任されることが望ましい。
3. 次期会長：
会長の引き継ぎを円滑に行うため、次期会長の選挙は任期の1年前に行う。
4. 常任幹事会：
常任幹事会の運営を円滑におこなうため、次期会長は常任幹事となる。

81

光合成研究	  26 (1) 2016

幹事会名簿
秋本誠志

神戸大学大学院理学研究科

杉山達夫

名古屋大学

粟井光一郎

静岡大学学術院理学領域

鈴木祥弘

神奈川大学理学部

池内昌彦

東京大学大学院総合文化研究科

園池公毅

早稲田大学教育学部

石北	
  央

東京大学大学院工学研究科

高市真一

日本医科大学生物学教室

泉井	
  桂

近畿大学生物理工学部生物工学科

高橋裕一郎

岡山大学大学院自然科学研究科

伊藤	
  繁

名古屋大学

田中	
  歩

北海道大学低温科学研究所

井上和仁

神奈川大学理学部田中	
  寛

東京工業大学資源化学研究所

伊福健太郎

京都大学大学院生命科学研究科

田中亮一

北海道大学低温科学研究所

臼田秀明

帝京大学医学部民秋	  均

立命館大学総合理工学院

榎並	
  勲

東京理科大学

都筑幹夫

東京薬科大学生命科学部

得平茂樹

首都大学東京大学院理工学研究科

出羽毅久

名古屋工業大学大学院工学研究科

遠藤	
  剛

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

大岡宏造

大阪大学大学院理学研究科

鞆	
  達也

東京理科大学理学部

大杉	
  立

東京大学大学院農学生命科学研究科

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

永島賢治

神奈川大学

バイオ研究基盤支援総合センター

成川	
  礼

静岡大学大学院理学研究科

大友征宇

茨城大学理学部

南後	
  守

大阪市立大学大学院理学研究科

大政謙次

東京大学大学院農学生命科学研究科

西田生郎

埼玉大学大学院理工学研究科

小川健一

岡山県農林水産総合センター

西山佳孝

埼玉大学大学院理工学研究科

生物科学研究所野口	
  航

東京薬科大学生命科学部

小野高明

茨城大学工学部生体分子機能工学科

野口	
  巧

名古屋大学理学研究科

小保方潤一

京都府立大学・生命環境科学研究科

長谷俊治

大阪大学蛋白質研究所

小俣達男

名古屋大学大学院生命農学研究科

林	
  秀則

愛媛大学プロテオサイエンスセンター

垣谷俊昭

名古屋大学

原登志彦

北海道大学低温科学研究所

菓子野康浩

兵庫県立大学理工学部

彦坂幸毅

東北大学大学院生命科学研究科

柏山祐一郎

福井工業大学環境情報学部

久堀	
  徹

東京工業大学研究院化学生命科学研究所

金井龍二

埼玉大学

日原由香子

埼玉大学大学院理工学研究科

神谷信夫

大阪市立大学大学院理学研究科

檜山哲夫

埼玉大学

熊崎茂一

京都大学大学院理学研究科

福澤秀哉

京都大学大学院生命科学研究科

栗栖源嗣

大阪大学蛋白質研究所

藤田祐一

名古屋大学大学院生命農学研究科

小池裕幸

中央大学理工学部

古本	
  強

龍谷大学農学部

小林正美

筑波大学大学院数理物質科学研究科

前	
  忠彦

東北大学

坂本	
  亘

岡山大学資源生物科学研究所

牧野	
  周

東北大学大学院農学研究科

佐賀佳央

近畿大学理工学理学科

増田真二

東京工業大学

櫻井英博

早稲田大学

佐藤公行

岡山大学

増田	
  建

東京大学大学院総合文化研究科

佐藤直樹

東京大学大学院総合文化研究科

松浦克美

首都大学東京都市教養学部

佐藤文彦

京都大学大学院生命科学研究科

松田祐介

関西学院大学理工学部

鹿内利治

京都大学大学院理学研究科

真野純一

山口大学農学部重岡	
  成

近畿大学農学部

皆川	
  純

基礎生物学研究所

篠崎一雄

理化学研究所植物科学研究センター

宮尾光恵	
 

東北大学大学院農学研究科	
 

島崎研一郎

九州大学大学院理学研究院

宮下英明

京都大学大学院地球環境学堂

嶋田敬三

首都大学東京宮地重遠

海洋バイオテクノロジー研究所

白岩義博

筑波大学生物科学系

宗景(中島)ゆり関西学院大学理工学部

沈	
  建仁

岡山大学大学院自然科学研究科

村田紀夫

基礎生物学研究所

杉浦昌弘

名古屋市立大学

横田明穂

奈良先端科学技術大学院大学

バイオ研究基盤支援総合センター

大学院システム自然科学研究科
杉浦美羽

愛媛大学プロテオサイエンスセンター

杉田	
  護

名古屋大学遺伝子実験施設

バイオサイエンス研究科
和田	
  元

82

東京大学大学院総合文化研究科

光合成研究	  26 (1) 2016
編集後記	
 
	
  編集長を務めて一年になります。最初は編集作業に不慣れで、原稿の体裁も整わずご迷惑をおかけしましたが、多くの方々の力添えもあって体裁もずいぶん改善されてきました。今号の工夫として、文字を大きくして見やすくしました。またこの一年、若手の方を中心に積極的な投稿が数多くあり、内容も充実したものになりました。編集長をもう一年務めてまいりますので、引き続き皆様のご協力を賜れば幸いに思います。
	  さて今号では、2015 年の第 6 回日本光合成学会・公開シンポジウム「若手光合成研究者による光合成研究の新展開」でご講演いただいた方の中から 3 名の方に原稿を執筆していただきました。高橋会
長が自ら選んだ新進気鋭の若手研究者の力作には息を飲む迫力を感じます。また、第 4 回ポスター発
表賞受賞者の浅田瑞枝さんは、マンガンクラスターの光活性化に関して詳細な解析を報告され、釋啓一郎さんは、酸素消費を介した新たな電子伝達制御機構を提唱されています。さらに、櫻井英博先生には、微細藻類を使った水素生産の現状と課題に関する解説記事の執筆をお願いしました。今回の執筆者全員に共通することですが、ひとかたならぬ“情熱”を感じさせられます。読者の方には研究の醍醐味を堪能していただけるのではないでしょうか。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、ぜひ編集長までご連絡ください。
	  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。表紙の写真も募集していますのでよろしくお願いいたします。
編集長・西山 佳孝（埼玉大学）

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、会誌編集長の西山佳孝（nishiyama@molbiol.saitama-u.ac.jp）まで
ご連絡ください。

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光合成研究	  26 (1) 2016
「光合成研究」編集委員会	
 編集長

西山 佳孝（埼玉大学）

編集委員

田中 亮一（北海道大学）

編集委員

伊福 健太郎（京都大学）

編集委員

粟井 光一郎（静岡大学）

日本光合成学会	
  2016年度役員
会長

高橋 裕一郎（岡山大学）

事務局長

園池 公毅（早稲田大学）

常任幹事

田中 歩（北海道大学）

前会長

常任幹事

鹿内 利治（京都大学）

前事務局長

常任幹事

池内 昌彦（東京大学）

常任幹事

野口 航（東京薬科大学）

前編集長

常任幹事

西山 佳孝（埼玉大学）

編集長

常任幹事

久堀 徹（東京工業大学）

渉外

常任幹事

日原 由香子（埼玉大学）

年会 2013年

常任幹事

熊崎 茂一（京都大学）

年会 2014年

常任幹事柏山	
 祐一郎（福井工業大学）年会 2016年

常任幹事

杉浦 美羽（愛媛大学）

常任幹事

松田 祐介（関西学院大学） 年会 2015年

常任幹事鞆 達也（東京理科大学）

会計監査伊藤 繁（名古屋大学）

ホームページ

加藤 裕介（岡山大学）

光生物学協会

光合成研究	
  第 26 巻	
  第 1 号	  （通巻 75 号）	
  2016 年 4 月 30 日発行

日	
  本	
  光	
  合	
  成	
  学	
  会
〒700-8530	
  岡山県岡山市北区津島中 3-1-1
岡山大学 理学部生物学科
高橋裕一郎 研究室内
TEL : 086-251-7861
FAX : 086-251-7876
e-mail : jspr@photosyn.jp
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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