光合成効率向上を目指した光合成装置光エネルギー分配機構の研究
Studies on the light energy distribution in photosynthesis for efficientphotosynthetic production
大西紀和、岡山大学大学院自然科学研究科（理学系）、特任助教
Norikazu OHNISHI, Graduate School of Natural Science and Technology, Okayama University, AssistantProfessor＜研究要旨＞
短時間で変動する光環境下では、陸生植物をはじめとする光合成生物はすでに合成してある光合成装置の構造や機能の一部を可逆的に再構築して、効率良く光合成を行っている。このような機構の一つであるステート遷移では、光合成明反応を駆動する 2 つの光化学系（光化学系 I、光化学系 II）に分配する光エネルギーを最適化して、最大の光合成効率を得ている。近年我々は、ステート遷移に関与する移動性の集光性クロロフィルタンパク質を同定し、それらが光化学系 II 又は光化学系 Iに結合して光エネルギーの分配に関与することを明らかにしてきた。本研究では、移動性クロロフィルタンパク質の光化学系 I への結合に関与すると考えられているサブユニットである PsaH、PsaL、PsaO の機能解析を行う。これにより、ステート遷移による最大光合成効率の維持の基本原理を理解し、光合成の効率化により CO2 を削減する技術開発の基盤を整備する。

<Abstract>
Photosynthetic organisms are frequently exposed to dramatic changes of light conditions in both quality andquantity in their natural habitat. To acclimate to such light conditions and keep efficient photosynthesis
performance, a part of photosynthetic apparatus is reversibly remodeled in a short time. State-transitions is
the light adaptation system, in which the light energy captured by light-harvesting antennae is re-distributed
to photosystem I (PSI) and II (PSII) to optimize the rate of photosynthetic electron flow. Recently, weidentified several monomeric light-harvesting chlorophyll (LHC) proteins that are involved in statetransitions and demonstrated that these monomeric LHC proteins play an important role for the energy
re-distribution by binding either PSI or PSII. PsaH/L/O subunits of PSI have been considered to be involvedin state transitions. In the present study, we will analyze molecular mechanisms of the function of PsaH/L/O
in order to determine how these subunits are involved in state transitions. This study would provide newperspectives for technical innovation of reduction of atmospheric CO2 by enhancing photosynthesis
performance, which could be employed to alleviate the global warming.
1. 研究目的

光合成効率を維持している。光合成明反応は 2絶えず変動する光環境下、例えば一日のうちに日 つの光化学系（光化学系 I、光化学系 II）によっ向と日陰を繰り返すなど短時間で光環境が変動て駆動されており、光環境に応答してこれら 2する場合でも効率良く光合成反応を進行させる

つに太陽光エネルギーをバランス良く分配し光ために、陸生植物をはじめとする光合成生物はす 合成効率を維持する機構が“ステート遷移”としでに合成してある光合成装置の構造や機能の一て知られている。近年我々は、光化学系に結合し部を可逆的に再構築することで光環境に適応し、 て光エネルギーを集める役割を果たす集光性ク-1-

ロロフィルタンパク質（LHCI、LHCII）の内、特に単量体 LHCII に分類されるタンパク質（CP26、CP29、LhcbM5）が光環境に応答して 2 つの光化学系のうち一方に結合することにより光エネルギーの分配に関与することを明らかにしてきた図 1. ステート遷移を示すモデル図が（図 1）、この機構に関与する成分に関しては不明な点も多く残されている。
ステート遷移は最
図 3. ス テ ー ト 1 、 2 に 誘 導 し た 野 生 株 、 お よ び
PsaL-RNAi 株、PsaH-RNAi 株の細胞の低温（77K）蛍光スペクトル。PSII および PSI に由来する蛍光の発光ピークが、それぞれ 687 nm（F687）と 714 nm（F714）に見られる。

大光合成効率の維持の鍵となっている光環境適応機構であるため、これの理解が光合成効率の向上の技術開発には必須である。本研究では、単量体 LHCII の結合に必要な光化学系 I のサブユニットを同定し、ステート遷移の基本原理を理解することを目的とする。
本研究により得られるステート遷移に関する多くの知見は、樹木を含めた高等植物の様々な光環境下における光合成の効率化と CO2 の削減を図るための技術開発の基盤を作ると期待される。
2. 研究経過制系を構築した。パロモマイシン耐性を与える
AphVIII 遺伝子の 3’UTR 内に PsaL 遺伝子のゲノム DNA 配列と、これと逆向きに cDNA 配列を連結した形質転換ベクターを作製し（図 2）、緑藻クラミドモナスの野生株（cw-15 株）に導入した。
230 株のパロモマイシン耐性株を、PsaL タンパク質に対する抗体を用いたウェスタン解析により選抜した。その結果、PsaL タンパク質の蓄積量○PsaH/L が減少したクラミドモナスではステー が野生株の 3%未満まで減少した形質転換株

ト 2 の誘導効率が低下した（PsaL-RNAi 株）を単離した。得られた株について PSI タンパク質の蓄積量をウェスタン解析により調べたところ、ほとんどのサブユニットはcw-15 と同様に蓄積していたが、PsaH のみが 10%程度まで減少していた。PsaL-RNAi 株のステート遷移を評価するために、ステート 1 および 2 を誘図 2. RNAi による遺伝子発現抑制のための形質転換ベクター。

ステート遷移に関与すると考えられる PSI のサ導する条件で細胞を培養し、低温蛍光スペクトルの測定を行った（図 3）。低温蛍光スペクトルのブユニット PsaL の機能解析を行うために、PsaL 測定では、PSII に由来する蛍光（F687）と PSI遺伝子の RNA 干渉法（RNAi 法）による発現抑 に由来する蛍光（F714）が得られるが、これら-2-

は各光化学系に結合した光捕集クロロフィルの○PsaH/L の減少は PSI-LHCI/II 超複合体の形成を量を反映している。cw-15 株では、F687 あたりの 抑制したF714 の収率が、ステート 1 に比べてステート 2ステート 2 の誘導に伴って形成される単量体

では大きく上昇する（図 3）。F714 の上昇は、ス LHCII を結合した PSI-LHCI 複合体は、テート 2 の誘導に伴った PSI の光捕集クロロフィ PSI-LHCI/II 超複合体と呼ばれる。PsaL-RNAi 株
ルの増加を反映している。これに対してにおける PSI-LHCI/II 超複合体の形成について調PsaL-RNAi 株では、ステート 1 では cw-15 株と同 べるために、ステート 2 に誘導した cw-15 株およ様のスペクトルが得られたが、ステート 2 では

び PsaL-RNAi 株の細胞からチラコイド膜を単離F714 の上昇がほとんど見られなかった（図 3）。 して可溶化した後にショ糖密度勾配超遠心によ
従って、PsaL-RNAi 株ではステート 2 の誘導効率 ってクロロフィルタンパク質複合体を分離したが大きく低下していることが示された。

（図 4）。cw-15 株では三量体 LHCII を含む A1、PSII を含む A2、PSI-LHCI を含む A3、PSI-LHCI/II超複合体を含む A3’が 4 本の緑色のバンドとして

図 4 PSI-LHCI/II 超複合体の形成。
ステート 2 に誘導した細胞（ 野 生 株 、 PsaL-RNAi株）からチラコイド膜を単離し、ショ糖密度勾配超遠心によってクロロフィルタンパク質を分離した。

分離される。一方 PsaL-RNAi 株では、A1、A2、A3 は cw-15 株と同様に分離されたが、A3’の量が著しく減少していた（図 4）。各バンドに含まれる PSI のタンパク質（PsaA、PsaF）、および 3 種類の単量体 LHCII（CP26、CP29、LhcbM5）の量をウェスタン解析で調べてみると、cw-15 では単量体 LHCII はほとんど A3’に検出されたのに対し、PsaL-RNAi 株では一部が A1 画分に検出され

図 5. ステート 2 に誘導した野生株、および PsaL-RNAi 株における PSI（PsaA、PsaF）および単量体
LHCII（CP26、CP29、LhcbM5）タンパク質の分離。

た（図 5）。A1 画分には遊離した LHC が主に検出されるので、PsaL-RNAi 株において単量体
LHCII はステート 2 を誘導する条件においても、
1）PSI-LHCI に結合できなかった。

-3-2）結合が不安定でサンプル調整の作業中にの PSII-PSI 間の移動に関与するかは明確になっPSI-LHCI から遊離した。ていない。また、ステート遷移には三量体 LHCII3）PSII から移動していなかった。

も関与していると考えられているが、三量体のいずれかであったと考えられる。

LHCII は野生株でも単離操作中に遊離してしま○PsaH のみの発現を抑制してもステート 2 の誘うので、PsaH/L がこれと PSI との結合に関わっ導効率が低下したているかどうかは全く不明のままである。今後はPsaL-RNAi 株では PsaH の蓄積量も大きく低下していたため、この株で見られた表現型が PsaL のみの欠損に起因するのか PsaH の減少との相乗効果によるものであるかが判別できない。この問題

LHCII が PSII あるいは PSI から単離作業中に解離しない精製条件を検討し、タンパク質の動態を解析する必要がある。また、PsaO に関しては 600株以上の薬剤耐性株を選抜したが、PsaO タンパク質の蓄積量が低下した株は全く得られなかっを解決するために、PsaH-RNAi 株の単離も試みた。機能解析のためには、RNAi 法以外の遺伝子た。560 株のパロモマイシン耐性株を選抜し、発現抑制法（amiRNA 法など）を試みる必要があ

PsaH タンパク質の蓄積量が cw-15 株のおよそ40%まで減少した株（PsaH-RNAi 株）を単離した。

る。本研究で得られた知見と今後の結果を合わせることで、植物や藻類の光合成促進と CO2 削減得られた株についてステート遷移を蛍光スペクトルの測定によって評価すると、PsaL-RNAi 株に比べると緩やかではあるが、ステート 2 の誘導効のための技術開発の分子基盤を形成できると期待される。

率の低下が見られた（図 3）。また、PSI-LHCI/II超複合体の形成についても解析を行った。ステー

5. 発表論文リスト○学会発表

ト 2 に誘導した細胞から単離したチラコイド膜を用いたショ糖密度勾配超遠心の結果、A3’の量が減少しており、更に単量体 LHCII の一部が A1画分に検出された。従って、PsaH も PSI-LHCI/II

大西紀和、高橋裕一郎 緑藻クラミドモナスの光化学系 I サブユニット PsaH のステート遷移における機能解析
第 9 回日本光合成研究会公開シンポジウム

超複合体の形成に関与することが示された。

東京大学 駒場キャンパス 2009 年 5 月 29 日
3. 研究成果
大西紀和、高橋裕一郎 緑藻クラミドモナスの光化学系 I サブユニット PsaL のステート遷移における機能解析

以上の結果より、PSI のサブユニットである
PsaH/L がステート 2 において形成される
PSI-LHCI/II 超複合体の形成に関与することが示

日本植物生理学会 2010 年度大会 熊本大学黒髪された。PsaH/L の機能が生化学的に示されたの

北キャンパスは、本研究が初めてである。
4. 今後の課題と発展
本研究により、PsaH/L がステート遷移に関わるメカニズムの一端が明らかになった。
しかしながらこれらのサブユニットが単量体 LHCII と PSIとの結合に関与するのか、あるいは単量体 LHCII-4-2010 年 3 月 19 日