光合成研究 29 (3) 2019

光合成研究第 29 巻 第 3 号（通巻 86 号）2019 年 12 月
Vol. 29 NO. 3 December 2019
JOURNAL OF THE JAPANESE SOCIETY OF PHOTOSYNTHESIS RESEARCH

202

ご案内 日本光合成学会 次期会長選挙 開票結果報告
トピックス 葉緑体とミトコンドリアを分断する３つのリング

吉田 大和（東京大）203

解説 光合成は葉緑体の細胞内共生説を支持するのか —— 最近の知見から
解説 Tree of life の構築と光合成の進化
解説 シアノバクテリアの物質生産の現状と展望

佐藤 直樹（東京大）212

田中 歩 他（北海道大）

221

池内 昌彦（東京大）233

トピックス 光合成型複合体 I がフェレドキシン依存的に循環型電子伝達を行う構造基盤
栗栖 源嗣 他（大阪大）

242

表紙の紹介 緑藻 Chromochloris zofingiensis の光合成スイッチ機構の解析
岩井 優和（ローレンスバークレー国立研究所）

247

特別企画 第 8 回「ウィスコンシンでの一次代謝研究」
横山 諒（ウィスコンシン大マディソン校）

248

報告記事 「新光合成—光合成若手の会ジョイント若手ワークショップ 2019」西村 健司（関西学院大）252

報告記事 「藍藻の分子生物学 2019」開催報告

粟井 光一郎（静岡大）253

報告記事 「藍藻の分子生物学 2019」に参加して三宅 敬太（静岡大）

254

開催報告

事務局からのお知らせ

255

日本光合成学会会員入会申込書

256

日本光合成学会会則257「光合成研究」投稿規定

259

幹事会名簿

260

編集後記・記事募集261「光合成研究」編集委員・日本光合成学会 2019 年度役員

262

賛助法人会員広告光合成研究 29 (3) 2019日本光合成学会

次期会長選挙開票結果報告「日本光合成学会会則 (平成 2 1 年 6 月 1 日施行) 第 5 条」に基づき、令和元年 9 月 30日消印有効で実施しました日本光合成学会次期会長選挙（任期: 令和 3 年 1 月 1 日から令和
4 年 12 月 31 日の 2 年間）につきまして、10 月 2 日に開票した結果を、以下の通りお知らせ
いたします。

投票総数 49 票、有効票数 49 票、無効票数 0 票

久堀 徹 会員 22 票、西山 佳孝 会員 15 票、鹿内 利治 会員 4 票
2 票獲得の会員 2 名、1 票獲得の会員 4 名

この結果、久堀 徹 会員が次期会長に当選されましたので、ご報告いたします。なお、開票には、増田 建 選挙管理委員会副委員長が立ち会いました。

令和元年 10 月 4 日
日本光合成学会選挙管理委員会
委員長 東京大学大学院総合文化研究科 和田 元

202

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トピックス
葉緑体とミトコンドリアを分断する３つのリング

東京大学 大学院理学系研究科 生物科学専攻
吉田 大和*
葉緑体（色素体）とミトコンドリアは、宿主となった真核細胞祖先へ細胞内共生したシアノバクテリ
ア、α プロテオバクテリアを起源に持つと考えられている。こうした進化的起源のため、これらのオル
ガネラは独自のゲノム DNA を持ち、既存の葉緑体あるいはミトコンドリアを分裂させることによってのみ、数を増やすことができる。この三十年間の研究によって、葉緑体とミトコンドリアの分裂増殖はどちらもリング状の超分子構造体である「分裂装置」によって行われていることが明らかとなった。興
味深いことに、葉緑体とミトコンドリアの分裂装置は構造が極めてよく似ており、このことは始原真核細胞においてそれぞれのオルガネラが確立して以来、平行進化してきたことを示唆する。しかしながら分裂装置の“構成因子”は明らかになってきたものの、分裂装置の“動作機構”に関する理解は限られており、依然として多くの謎が残されたままである。本稿では、これまでの研究から分かってきた
葉緑体とミトコンドリアの分裂増殖に関する構造的枠組みを概観し、さらに分裂装置を構成する主要な 3 つのリング構造―ダイナミック・トリオ―に着目して解説する。近年の研究から、葉緑体とミトコンドリアの分裂増殖機構は、単にオルガネラの増殖システムとしてだけではなく、真核生物誕生の仕組みを解く手掛かりとなる可能性を示唆しており、本研究分野の進展に関心が高まっている。
1. はじめによって原始紅藻の葉緑体とミトコンドリアの分種を維持するため、また細胞の数を増やすため

裂面に極めて電子密度の高いリング構造「色素体にも、“分裂”を行うことは生物の極めて重要な特分裂リング（PD リング）」と「ミトコンドリア

徴の一つである。この基本原理は細胞レベルだけ

分裂リング（MD リング）」が発見され、これらではなく、細胞内共生に由来するオルガネラであのオルガネラの分裂増殖機構の研究の道が拓かる葉緑体とミトコンドリアにも当てはまる。そのれた 2)。以後、葉緑体とミトコンドリアの分裂増

進化的起源のため、これらのオルガネラは細胞内殖に関わる幾つかの遺伝子が複数の真核細胞生でゼロから創り出すことはできず、分裂によって物系統において見出されており、その一般性も明のみ数を増やすことができる（図１）。これらのらかとなってきた。現在、分裂装置の構成要素とオルガネラの分裂増殖は、リング状の細胞内器官

して、オルガネラ包膜の内側に形成される FtsZである葉緑体分裂装置とミトコンドリア分裂装

リングや、外側に形成される PD/MD リングやダ置によって行われる

1–3)。それぞれのオルガネラ

イナミンリングなどの存在が明らかとなっている 4–6)。

の分裂面に構築された分裂装置は徐々にリング
サイズを減少させ、最終的には二つに分断し、娘しかしながら分裂装置の分子メカニズムに関オルガネラを創り出す。葉緑体とミトコンドリア

しては未だ十分には分かっておらず、特にキネの分裂様式は長い間明らかではなかったが、今かティクスや力学的な点に関しては殆ど明らかで

ら約 30 年前、電子顕微鏡による先駆的な研究にはない 6)。本稿では、これらのオルガネラの分裂*連絡先 E-mail: yamato.yoshida@bs.s.u-tokyo.ac.jp203

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図1. 葉緑体とミトコンドリアの分裂
単細胞紅藻シアニディオシゾン（シゾン）の葉緑体（色素体）とミトコンドリアの分裂増殖過程を示す明視
野・蛍光タイムラプス観察像。シゾンは、一細胞当たりに一つのミトコンドリアと一つの葉緑体しか持たない。色素体（Plastid，赤）は自家蛍光によって可視化し、ミトコンドリア（Mito，緑）は sfGFP 融合ミトコン
ドリア EF-tu によって可視化した。スケールバーは 1 μm。Yoshida (2019)6)より転載。

装置を構成する 3 つの“分裂リング”を紹介し、そリア FtsZ とチューブリンの立体構造は似通ってれぞれの基本的役割と、未だ明らかになっていな

おり、どちらも Head-to-Tail 結合を基本とした重い機能的側面を概説する。こうした視点から葉緑合様式であることなど両タンパク質には類似性

体とミトコンドリアの分裂増殖機構を諦観するが見られる 9,10)。1995 年には高等植物シロイヌナ

ことによって、本研究分野だけでなく、様々な研ズナに FtsZ 遺伝子ホモログが存在することが示

究を革新するきっかけとなることを期待する。

され、その後の研究から葉緑体分裂に関与することが明らかとなってきた 11,12)。バクテリアのゲノ

2. 分裂装置を構成する 3 つのリング構造

ムには１つの ftsZ 遺伝子しかコードされていな

2.1. FtsZ リング

いが、シアノバクテリアに由来する葉緑体 FtsZ

ftsZ 遺伝子は大腸菌の細胞分裂における重要遺伝子は内部共生遺伝子伝播によって細胞核ゲ因子として同定され、バクテリアの細胞分裂面にノムにコードされており、また 2 コピー以上存在

リング構造（FtsZ リング）を形成することが分することが分かっている。分子系統解析から葉緑

7,8)。FtsZ タンパク質はコア構造とし体 FtsZ はカルボキシル末端に保存されたコアモてアミノ酸末端側に GTP 結合ドメインを含み、チーフを持つ FtsZA タイプとコアモチーフのな

カルボキシル末端側には GTP 活性化ドメインをい FtsZB タイプの二つに大別できるが、バクテリ持つ。これらのドメインを介した Head-to-Tail 結

ア FtsZ はカルボキシル末端にコアモチーフを合による重合によって方向性を持つプロトフィ持っているため、FtsZA 遺伝子の方がより起源的

ラメントを構築する。結合した FtsZ モノマーはで FtsZB 遺伝子は遺伝子重複を経て誕生したの約 10 度傾いた配置をとるため、プロトフィラメ

ではないかと考えられている 13)。FtsZA と FtsZB

ント全体としては湾曲した構造になっているとは葉緑体分裂の最初期から発現しており、プロト

かっている

9)

考えられている 。そして次にプロトフィラメン

フィラメントを形成したあと束化し、葉緑体ストト同士が側面方向への結合を介して束化するこロマ領域にリング構造をつくる。近年の酵母をとで、FtsZ リングが形成される。興味深いことに使った semi in vitro 解析と精製タンパク質を使っアミノ酸配列の相同性は高くないものの、バクテた生化学的な解析から、FtsZA と FtsZB はチュー

204

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図2. 単離した葉緑体とミトコンドリアの分裂装置の電子顕微鏡像
単離した葉緑体分裂装置（A）とミトコンドリア分裂装置（B）の免疫電子顕微鏡観察像。黒いシグナルは葉緑体 FtsZ（A 図，大きな粒子）、Dnm2（A 図，小さな粒子）、MDR1（B 図）を示す金粒子。スケールバーは200 nm。Yoshida et al, (2006, 2017)15,21)より転載。

ブリンによる微小管形成過程とよく似たプロセアの分裂に関与することもわかっている 18,19)。こスによって 1:1 のモル比でヘテロ重合し、FtsZ リのミトコンドリア FtsZ 遺伝子も、やはり葉緑体

16,17)。バク

FtsZ 遺伝子と同様に二種類に大別できるが、細胞テリアの細胞分裂が一種類の FtsZ で行われるの内での動態やキネティクスに関しては分かってに対して、なぜ葉緑体分裂において二種類の FtsZ

いない。しかし最近、我々の研究からミトコンドが必要とされるのか、これまでその機能的意義は

リア FtsZ の分子動態の詳細が明らかになってき分かっていなかった。しかし semi in vitro 解析のており、原核生物、真核生物、細胞内共生オルガ

結果、FtsZA/FtsZB から構成されるヘテロポリ

ネラの枠を超えた FtsZ リングの機能が解明されマーは単一 FtsZ から構成されるホモポリマーにようとしている（論文投稿準備中）。

ングを形成していると考えられている比べて高いターンオーバー速度を示し、繊維形成
2.2. PD リング・MD リング

能と繊維の動性が著しく向上していることが分17)。原始光合成真核生物において葉緑体

1980 年代から始まった電子顕微鏡による詳細

FtsZ が遺伝子重複によって増えた結果、FtsZ リ

な観察の結果、様々な光合成真核生物の葉緑体分

ングの機械的キネティクスが向上したのではな

裂面に電子密度の高いリング構造が発見され、色いかと考えられる。葉緑体 FtsZ によるヘテロ重素体分裂リング（Plastid-Dividing ring）と名付け合機構は、微小管がよく似た二つの分子、αられた 2,20)。
現在までに二種類（あるいは三種類）

チューブリンと β チューブリンから形成されるの PD リング構造が発見されており、外 PD リンのと同様の仕組みであり、収斂進化の関係にある

グと呼ばれる構造は葉緑体の外包膜上サイトゾと考えられる。

ル側に形成され、幅 7nm 程度のナノフィラメン

かった

興味深いことに、原始的な真核生物においてはトが束になった構造からなる。その質的・量的なバクテリア ftsZ 遺伝子ホモログがミトコンドリ

点から葉緑体分裂装置の主要構成リングと考え

205

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られている。単に PD リングという場合は外 PD

らも、PDR1 が外 PD リング繊維状に局在するこリングを指すことが多い。一方、内 PD リングはとが示され、外 PD リング繊維の構成タンパク質5nm の厚みを持つベルト状のリング構造であり、であることが明らかとなった。興味深いことに

葉緑体ストロマ領域の内膜直下に形成される。そPDR1 はグリコーゲン合成のプライミングタンパ

して三種類目の PD リングとして、原始紅藻と一ク質である Glycogenin とのアミノ酸配列相同性部の緑藻において葉緑体外膜と内膜の間に観察を有している。また単離精製した PD リング繊維される中間 PD リングがあるが、詳細な構造は分の構成成分としてグルコースが検出されている

かっていない。

ことから、PD リングは PDR1 を起点として合成分裂装置の主要な構成リングであるにもかかされるポリグルカンナノフィラメントであるとわらず、発見から長い間 PD リングの構成分子は考えられている 14,22)。PDR1 ホモログは植物界に明らかになっていなかった。しかし 2010 年、我々

広く保存されており、今後の解析によって葉緑体の研究グループは原始紅藻シアニディオシゾン

分裂装置の根幹をなす PD リングの合成分子メカ（シゾン）の細胞を糖染色後、電子顕微鏡によっニズムの解明につながると期待される。

て観察した結果、PD リングに顕著なシグナルがまた原始紅藻シゾンを用いた研究から、ミトコ

現れることを発見した。そこで細胞分裂を同調化

ンドリア分裂機構においても、電子密度の高いリしたシゾンから葉緑体分裂装置を単離し（図２）、ング構造であるミトコンドリア分裂リング

葉緑体分裂装置のプロテオーム解析を実施した（Mitochondrion-dividing ring）が発見されている

結果、機能不明な新規のグリコシルトランスフェ

2)

ラーゼドメインを含む遺伝子を同定することにメント束から構成されており、繊維の幅はおよそ。間接蛍光抗5nm 程度とみられる 23)。また MD リングも、ミ体法によって PDR1 の細胞内局在を観察した結トコンドリア外膜上のサイトゾル側に形成され果、PDR1 は葉緑体分裂面に単一のリングを形成

る外 MD リングと内膜直下のマトリクス側に形し、分裂の進行に合わせてリングサイズが小さく成される内 MD リングがあることが分かっていなることが分かった（図３）。電子顕微鏡観察かる。しかしながら PD リングが光合成真核生物に成功し、PDR1 遺伝子と名付けた

14)。MD リングも、PD リングと同様にナノフィラ

図3. PDR1とMDR1の細胞内局在
葉緑体とミトコンドリアの分裂過程における PDR1（A）と MDR1（B）の間接蛍光抗体法による染色像。スケールバーは 1 μm。Yoshida et al, (2010, 2017)14,15)より転載。

206

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広く保存されているのに対して、MD リングを持側）に覆うように局在する。またシロイヌナズナ

つ生物は原始的な真核生物に限られ、高等動植物

において GFP タグを融合した Dnm2 は、葉緑体が MD リングを持つか否かについては明確な答分裂面に沿って不連続な輝点として観察されてえが出ていない 24)。MD リングを構成する分子もおり、ダイナミンリングは単一タンパク質からな

長い間分かっていなかったが、近年、我々はシゾるリング構造ではない可能性が高い。その後の単ンからミトコンドリア分裂装置を単離すること

離葉緑体分裂装置を用いた電子顕微鏡観察からに成功し（図２）、さらに多階層オミクス解析にも、Dnm2 は外 PD リングと協調して機能するタ

よって PDR1 のホモログとして MDR1 を同定すンパク質であることが示唆されている。

ることに成功した 15。PDR1 と MDR1 のアミノ酸ダイナミンスーパーファミリーに所属するタ

配列相同性は低いものの、どちらも Glycogenin とンパク質は、配列中に含まれる機能ドメインの組

同じサブグループに属するグリコシルトランス

み合わせによって分類することができる。ダイナ

フェラーゼドメインを有しており、また MDR1 は

ミンは、アミノ酸末端側から順に GTPase ドメイ

MD リングに局在することからも、葉緑体分裂にン、ミドルドメイン、PH ドメイン、GED、PRD

おける PDR1 に相当する MD リング合成タンパ

といった複数の機能ドメインを持つ。近年のタンク質であると考えられている（図３）。PDR1 とパク質結晶構造解析によって、ダイナミンタンパ

MDR1 の発見によって、長きにわたって分子基盤

ク質は GTPase ドメインが突き出した頭部となり、の分かっていなかった PD リングと MD リング

一方でミドルドメインと GED は組み合わさったの実態が急速に明らかとなってきている。

立体構造をとることによって軸を形成し、PH ド
メインは折り返し末端として脂質膜へ結合する
足となることが分かっている 31,32)。そして１つの2.3. ダイナミンリング
ショウジョウバエ shibire 変異体から発見されダイナミンタンパク分子は相対するダイナミン

た変異型ダイナミンは、シナプス小胞のくびり切

タンパク分子と GTPase ドメイン同士で接着したりができず神経伝達物質の放出が止まるため、麻複合体構造をとると考えられており、膜の分断を痺症状を起こす 25,26)。こうして発見されたダイナ

実行する収縮力は GTPase ドメインの会合部分をミンに類似した数多くのホモログは、ダイナミン中心とするコンフォメーション変化が引き金に関連タンパク質（Dynamin-related protein、DRP）

なっていると考えられているが、詳細は分かってと呼ばれ、細胞内における様々な膜分断過程に関いない。

与することが明らかとなっている 27)。
ダイナミン

一方でミトコンドリア分裂関与 DRP である

スーパーファミリーの一つである Dnm1 は、最初

Dnm1 は GTPase ドメイン、ミドルドメイン、GEDに発見されたミトコンドリア分裂関与ダイナミは持つものの、PH ドメインと PRD は含まれな

ン関連タンパク質である 28)。Dnm1 オーソログはい。さらに葉緑体分裂関与 DRP である Dnm2 にヒトや植物でも発見されており、ミトコンドリア

至っては、GTPase ドメイン以外に既知の機能ド分裂に関与する機能も保存されていることが分

メインは一つもない。このようにダイナミンと比かっている。シゾンでも Dnm1 オーソログは同定

較するとダイナミン関連タンパク質の構造にはされ、ミトコンドリア分裂面にリング構造“ダイ分かっていない点も多いが、ミトコンドリア分裂

ナミンリング”を形成することが示された 19)。そ関与 DRP には PH ドメインと PRD に代わる特異の後、葉緑体分裂に関わるダイナミン関連タンパ

的な挿入配列（insert B 領域とも呼ばれる）が見

ク質として Dnm2（または ARC5/DRP5B）が同定

つかっている。また様々な光合成真核生物のされた 29,30。Dnm2 も、Dnm1 と同じように葉緑

Dnm2 のアミノ酸配列を比較すると、GTPase ド

体分裂面のサイトゾル側にダイナミンリングを

メイン以外にも保存された領域が複数個所見出形成することが確認された。興味深いことに、されるため、Dnm2 特異的な機能ドメインが存在

Dnm2 は外 PD リング繊維束の上側（サイトゾル

することが示唆されており、これらの領域が葉緑207

光合成研究 29 (3) 2019
収縮に伴って FtsZ タンパク分子の密度が若干上

体分裂における重要な役割を担っていると考え
られる

22)

。

昇した。（２）FtsZ リングの収縮過程で解離速度には大きな変化は見られなかった。（３）蛍光退3. 葉緑体とミトコンドリアの分裂装置の収縮機色回復法（FRAP 法）による解析の結果、FtsZ リ

構

ング収縮時に FtsZ 分子のターンオーバー速度がそれぞれの分裂装置の収縮機構に関しては、未有意に上昇することが分かった 17)。
これらの結果だ多くの謎が残されている。現在のところを統合すると、FtsZ プロトフィラメントの新生とGTPase タンパク質である FtsZ と DRP が、葉緑共に個々のフィラメントの平均長が短くなって体とミトコンドリアの分裂を引き起こす収縮力いる可能性があるが、詳細な分子メカニズムは依を発生させる候補タンパク質と予想されている。

然として不明である。FtsZ は単一種類のタンパク

バクテリアの細胞分裂においても収縮力を発生

質だけで繊維形成能と運動機能を有しているとさせる分子メカニズムは明らかになっていない

考えられ、このような多機能タンパク質の分子機が、バクテリアの細胞分裂過程に既知のモーター序を明らかにすることは、現状の生物学を革新す

タンパク質が関わっている証拠はなく、またバクる可能性を秘めている。

テリアの細胞分裂に関わる因子の中で FtsZ だけ

一方、様々な分子生化学的な研究から、ダイナが原核生物に広く保存されていることからも、

ミンスーパーファミリーが持つ機械的な機能がFtsZ がバクテリアにおける細胞分裂装置の骨格

明らかとなってきている。ダイナミンは自己重合構造だけでなく収縮機構も担っている可能性がすることによって幅 50nm のらせん構造を形成す高い。バクテリア FtsZ とオルガネラ FtsZ のどちることができるが、GTP の加水分解によってららも GTP 依存的に重合することでプロトフィラ

せん構造に変化が生じ、膜をくびりきる収縮力とメントを形成するが、この過程において GTP 分

なることが示唆されている。このモデルは子は二つの FtsZ タンパク質分子に挟まれるよう

GTPase ドメインの会合対が一方向にずれるため、に位置する。そして GTP が加水分解されて GDP

ラチェットモデルと呼ばれている 35)。
似たようなとなると、FtsZ タンパク分子の結合は不安定化し、構造変化はミトコンドリア分裂関与 DRP におい

プロトフィラメントの部分的分解と FtsZ タンパても観察されているが 36)、
ミトコンドリアと葉緑

ク分子の遊離が起き、遊離した FtsZ は再び GTP

体分裂関与 DRP による収縮力発生機構には不明

依存的な重合過程を経て FtsZ プロトフィラメンな点が多い。特に葉緑体分裂関与 DRP において

トへと組み込まれると考えられている。近年のは、分裂面に沿って不連続な局在をすることが分

FtsZ タンパク質とリポソームを使った先駆的なかっているため 30)、どのようにして力を発生さ解析から、GTP 依存的な FtsZ タンパク分子のせ、収縮力へと転換しているのかは明らかではな

ターンオーバーによって膜部分にくびれを創りい。また葉緑体の分裂面は小胞やミトコンドリア

出すことが示されている

33)。
こうしたバクテリアの分裂面と比較して極めて大きく、曲率が低いた

FtsZ による収縮力発生メカニズムを説明する幾め、ダイナミンで見られるようならせん構造が葉つかのモデルが提唱されている。一つは、FtsZ プ

緑体分裂面に形成可能かどうかについては議論

ロトフィラメントが直線状から極度に曲がるこがある 6)。我々は単離した葉緑体分裂装置を用いとによる収縮力の発生機構である“屈伸モデル”

た一連の解析から、PD リング繊維上に葉緑体分であり、もう一方は FtsZ プロトフィラメント同裂関与 DRP が結合し、PD リング繊維間を葉緑体

士の側面方向の滑り運動によって FtsZ リング全分裂関与 DRP がラチェット運動することによっ体の円周が減少する“滑動モデル”である 34)。我々て葉緑体に対する収縮力を生み出していると考が行った再構成 FtsZ リングを用いた semi-in-vitro

えており 21,37)、現在解析を行っている（論文投稿

解析の結果では、葉緑体 FtsZ リングの収縮過程準備中）。こうした分子動作機序であった場合、で以下の様子が観察された。（１）FtsZ リングの葉緑体とミトコンドリアの分裂装置の構造の類

208

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図4. 葉緑体とミトコンドリア分裂装置の模式図
中間 PD リング、内 MD リングは省略している。IEM，内包膜；OEM，外包膜；IM，内膜；OM，外膜。Yoshida
et al, (2016, 2017)15,17)より改変して転載。

似性を考慮すると、ミトコンドリア分裂も同様の

先ずバクテリアの分裂機構と真核生物特有な膜仕組みで行われている可能性も高い。

分断機構から“細胞内共生オルガネラ分裂装置”が形成され、細胞内共生体を分裂増殖させること

4. まとめが可能となり、これによってはじめて細胞内共生

葉緑体とミトコンドリアは細胞内共生したバオルガネラを安定維持することが可能になったクテリアの子孫であると考えらえているが、バクのかもしれない 15)。
今後のさらなる研究から葉緑テリアの分裂機構である FtsZ リングがこれらの体とミトコンドリアの分裂増殖機構を解明する

オルガネラ分裂に機能しているという事実は、こことによって、これらのオルガネラの進化的起源の説を強く支持する。しかしながら最も驚くべきの解明や、細胞内共生のプロセスが明らかになる

点は、これらの細胞内共生オルガネラの分裂増殖と期待される。

がバクテリア由来の分裂システムと真核生物に特有な膜分断システムのハイブリット機構に

謝辞

3,4)

よって行われていることである（図４） 。これ

本研究は日本学術振興会科学研究費補助基金

は細胞内共生オルガネラが二重の包膜から構成（JP18K06325）、Human Frontier Science Program

されること、あるいは独自のゲノムを持つことにCareer Development Award（CDA00049/2018-C）、由来する可能性があるが、詳細は不明である。ま

日揮・実吉奨学会、住友財団の支援を受けて行わた葉緑体とミトコンドリアの分裂装置は、その構れた。

造、機能、構成タンパク質の種類が極めてよく似ているが、共有している分裂装置構成タンパク質

Received Nov 10, 2019; Accepted Nov 15, 2019; Publishedは一つもない。このことは葉緑体とミトコンドリ

Dec 31, 2019.

アの分裂増殖機構は、細胞内共生という共通の進化的起源を端緒として平行進化のプロセスを経たことを示唆する。つまり宿主真核生物によって、209

光合成研究 29 (3) 2019
15.

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211

光合成研究 29 (3) 2019

解説
光合成は葉緑体の細胞内共生説を支持するのか——最近の知見から‡東京大学 大学院総合文化研究科
佐藤 直樹*「葉緑体の起源は細胞内に共生したシアノバクテリアである」。今では高校生物の教科書にも記され、誰も疑う者がない細胞内共生説であるが、従来有力な根拠とされた葉緑体とシアノバクテリアの類似性である糖脂質、ペプチドグリカンの存在は、これら合成に関わる遺伝子群の起源を調べると、むしろ両者の不連続性を示すことがわかった。光合成・炭素固定関連タンパク質もさまざまなシアノバクテリアの系統に由来する。生物学史の再検討と新たな系統解析の結果をもとに、細胞内共生説を精査し、凝り固まった細胞内共生説を解きほぐす方法として、宿主主導説を提案する。
1. はじめに細胞内共生説 Serial Endosymbiotic Theory (SET)と呼ばれることになる説を最初に図入りで提唱し定説：「葉緑体の起源は細胞内に共生したシアノ

たのは Goksøyr (1967) 8 で、その後、マーギュリ

バクテリアである」

ス（最初はセーガンとして執筆）が大々的に宣伝

今では高校生物の教科書でも大学レベルの教科書類 1,2)でも、オルガネラ（ミトコンドリアと葉緑体）の起源に関する細胞内共生説は当然の事
実として図示されている。簡略化したものを図 1に示す。研究論文や総説にも同様の図が数多く掲載されている。なお、本稿では葉緑体に絞って議論を進める。細胞内共生説の起源は、1883 年にシンパーが一言書いた注釈をもとに詳しい仮説を構築し，提唱した 1905 年のメレシコフスキーの論文 3)に遡る。この論文の内容は、すでに『光合成研究』4)で紹介した。しかし、20 世紀前半には、細胞内共生説は単なる奇抜な仮説に留まった。
1962 年に葉緑体 DNA の存在が証明 5)されると、にわかに葉緑体の起源が藍藻（今ではシアノバク
テリアと呼ばれるが、本稿では歴史的記述に限り、この語を用いる）である可能性がクローズアップ
され、その後、葉緑体と藍藻の詳細な比較 6,7)に

図1. 簡略化した連続細胞内共生説の説明図
EGT は endosymbiotic gene transfer を表す。

基づき、さまざまな議論が展開された。後に連続‡第 10 回日本光合成学会シンポジウム*連絡先 E-mail: naokisat@bio.c.u-tokyo.ac.jp212

光合成研究 29 (3) 2019
を始めたことは周知のとおりである 9,10)。
しかし、緑体とシアノバクテリアにしか相同なタンパク

実際にマーギュリスの初期の論文・著作を読むと、質がないことが多く、葉緑体がどのシアノバクテ

葉緑体の細胞内共生起源の問題はすでに分かっリアから由来するかという議論には利用できてたこととして，いわば既定事実として書かれ、力も、そもそも両者が本当に系統的に連続している

点は真核細胞の有糸分裂の起源に置かれていた。

かを判定する根拠としては不十分であったが、一このあたりの歴史的分析については、拙著『細胞般には連続性の証拠と考えられた。リボソームタ

内共生説の謎』で解説した 11)。本稿では、春の光

ンパク質や ATP 合成酵素のサブユニット、RNA

合成学会での筆者による発表内容をもとに、そのポリメラーゼのサブユニットなどについては、シ後の研究の進展も含めて、どう考えたらよいのか

アノバクテリア以外の細菌も含む系統樹が作れ

説明したい。

るため、葉緑体タンパク質が明らかにシアノバク
テリアに由来することが初期の研究から確認さ

2. 葉緑体とシアノバクテリアの類似性と連続性れていた 12)。また、これらのハウスキーピング・

Echlin (1966) 6)にはすでに詳細な葉緑体と藍藻

タンパク質をコードする遺伝子群については、葉の比較対照表が示されている（文献 11 に再録）。

緑体ゲノム上での並び方がシアノバクテリアゲ

もう少し新しい視点から，伝統的に認められてきノム上と同様であり、シアノバクテリアゲノムのた葉緑体とシアノバクテリアの類似性を表１に一部が残存していると考えられた 13,14)。これらは示す。機能としての酸素発生型光合成の他に、物葉緑体とシアノバクテリアとの連続性の証拠と質としては DNA やクロロフィル a、糖脂質の存なる。

在が、構造としては、チラコイド膜と包膜の存在

ここで注意しなければならないのは、多くの教が挙げられる。これらは葉緑体とシアノバクテリ

科書や論文に掲載されている図 1 のような模式

アとの系統的な連続性の証しとも見なされた。

図において、最初に共生したシアノバクテリアの当初、葉緑体のタンパク質として分子系統解析

膜があたかも現在の葉緑体の膜になったかのよが行われていたのは、相同タンパク質が明らかにうに示されていることである。当然のことながら、

シアノバクテリアに存在するリボソームタンパ

ゲノムは遺伝するが、「膜そのものは遺伝しない」。

ク質や光合成関連タンパク質であった。後者は葉したがって、このような「わかりやすい」図が大表1. シアノバクテリアと葉緑体の類似性
文献11の表７より改変。

種類

物質

構造

項目
クロロフィルa
クロロフィルb
糖脂質
DNA
rRNA
酵素・タンパク質
チラコイド膜
フィコビリソーム
包膜

ペプチドグリカン
機能シアノバクテリア

葉緑体

存在Prochlorococcusなどに存在
MGDG, DGDG, SQDG(*1)

緑藻・植物に存在
MGDG, DGDG, SQDG

存在
原核型
単一系統に属するタンパク質が多数共通に存在する
緑藻・植物ではグラナもある
存在(*1)
紅藻・灰色藻に存在
Prochlorococcusなどを除き存在
内膜と外膜の二枚灰色藻では明瞭
コケ・シダは薄い

分厚く明瞭

増殖様式
タンパク質合成
光合成

二分裂
原核型
酸素発生型

(*1) Gloeobacterには存在しない。

213

光合成研究 29 (3) 2019
きな誤解を生んでおり、あたかも葉緑体の内部に生物の対応する遺伝子の研究が容易になるとのあるものすべての起源がシアノバクテリアであ考えで、異なる生物ドメインにまたがる相同クラ

るかのような錯覚を生み出してきた。膜が遺伝す

スターを自動生成するプログラムとして Gclust

ると言えるのは、膜を作る酵素の遺伝子が葉緑体を開発した 15)。その際、適当な E 値をすべてのゲノムにコードされているか、共生遺伝子移動

タンパク質についての閾値とするという、当時一EGT によって核ゲノムに移行しているか、その般的であった方法によるのではなく、タンパク質

どちらかの場合に限るはずである。

クラスターごとに最適な閾値を自動的に設定するようにした。さらにその結果を用いたデータも

3. 比較ゲノムソフトウェア Gclust の開発と大量

ウ ェ ブ サ イ ト 上 で 公 開 し た (http://gclust.c.u-

系統解析

tokyo.ac.jp/)。これを利用することにより系統樹作

2000 年以降、ゲノム解読の加速を受けて、さま成も大幅に容易になったので、2014 年以降、葉緑ざまな生物のゲノムにコードされるタンパク質

体タンパク質の系統樹を次々と作成し、その成果を相互に比較し、オーソログ（同祖遺伝子・タンを発表してきた。

パク質）を同定するプロジェクトが本格化した。
その際、オルガネラのタンパク質は輸送配列をも

4. 明らかになった葉緑体とシアノバクテリアのつために N 末端が長く、通常の相同性検索では、間の不連続性

対応する原核生物の相同タンパク質とは配列が初期の細胞内共生説で藍藻がそのまま細胞内部分的にしか一致しないことになり、オーソログに住みついていると考えられたのが灰色藻であの同定に手間取ることが多かった。そこで筆者は､るが、その根拠は，細菌細胞壁の主要構成成分で多数のゲノム比較において、オーソログ（およびあるペプチドグリカンの存在だった。加えて、近いパラログ）をクラスターにまとめると、異種2000 年以降のゲノム解読により、いくつかの緑

表2. シアノバクテリアと葉緑体の不連続性
酵素名や記号だけが書かれているものについて、簡単に説明を加える。Pol IIIは細菌型DNA複製酵素。POP(Plant/protist organellar DNA polymerase)は、もともとウイルス由来のDNA複製酵素で、真核生物の誕生とともにミトコンドリアで使われるようになり、その後成立したすべての葉緑体でも利用されるようになった。動物と菌類の系統では、早い時期にDNA polymerase ガンマに入れ替わり、これがミトコンドリア複製酵素となっている。ERは小胞体。PCはリン脂質の一種でホスファチジルコリン。RpoTは別名NEP（核コードRNAポリメラーゼ）とも呼ばれる。もともとウイルス由来のものがミトコンドリアで利用され、さらに緑色系統の進化の途中で葉緑体でも利用されるようになった。なお、紅藻の葉緑体の酸素発生系はPsbO/U/Vであり、シアノバクテリ
アのものに似ている。
種類
項目
シアノバクテリア
葉緑体
テトラピロール合成
複数の非相同・同等機能酵素の存在
物質
糖脂質合成
異なる反応、または別系統の酵素
DNA複製
Pol IIIPOP
退化した状態から新規にチラコイド膜形成
常に膜は存在し、増えていく
作られることがある
包膜
二枚とも糖脂質でできている
外膜はERに似てPCなどを含む
構造
ペプチドグリカン合成系
単一系統
多様な細菌に由来
くぼみや穴はなく、細胞の陥入や貫通孔が見られることがあ
全体構造
大きさはほぼ決まっている
り、サイズ・形態は柔軟に変化
MinD/E、 FtsZのほか、分裂のしくみMinC/D/E、 FtsZなどが働く
ダイナミンなど真核型成分も働く
リボソームの構成は基本的に似ているが、タンパク質合成機能
葉緑体では余分なサブユニットがある
転写酵素
RpoA/B/C1/C2とRpoT
RpoA/B/C1/C2
酸素発生系
PsbO/U/V、 P’は別機能
PsbO/P/Q

214

光合成研究 29 (3) 2019
藻類、コケ類、シダ類、裸子植物にペプチドグリ

分かった 17) 。この状況は、「一次共生生物」

カン合成系の遺伝子が揃っていることがわかり、Archaeplastida とされる緑色、紅色、灰色の三系統

これらは細胞内共生のなごりかと思われた。とこの分岐以前に確立していたと考えられた。

ろが、詳細な系統解析の結果、調べた１０種類の

表２には、これらの項目を含め、葉緑体とシア酵素のうち、８種類がシアノバクテリア以外の細ノバクテリアとの不連続性を示すと思われる相菌に由来すること、また、残りの２種類も、rRNA

違点をまとめた。詳細については、表の説明や拙よりも後でシアノバクテリアから導入されたこ

著 11)を参照していただくこととし、拙著以降に修とが示された。興味深いことに、これら緑色系統

正した項目と新たに加えた項目のみ説明する。チ

の酵素群はすべて単系統であった 16)。
灰色藻につ

ラコイド膜はシアノバクテリアには常に存在し、いては複雑で､緑色系統と近い場合とシアノバク

細胞分裂の際には、分割されて娘細胞に分配されテリアに近い場合が混在していた。

る。それでも、細胞膜に近い末端から新規に合成

糖脂質合成系については、葉緑体とシアノバクされると推定されており、研究が進められている。

テリアでは、一部の反応経路そのものに違いがあ

これに対し、葉緑体は暗黒下ではエチオプラスト

ることが分かっていた（１段階目のアシルトラン

として発達し、光照射下ではプロラメラボディかスフェラーゼ、モノガラクト脂質生成過程）。さら新たにチラコイド膜が作られる。このような動らに、反応そのものは同じに見えるそのほかの段的な変化は葉緑体固有のものである。

階についても、酵素の起源を調べると、葉緑体のまた、一般には、葉緑体は回転楕円体のような酵素の起源はシアノバクテリアではないことが丸い構造体と思われているが、クラミドモナスの図 2. 葉緑体酵素の起源に関する系統解析のまとめ
葉緑体に存在するタンパク質について、シアノバクテリア（「シアノ」と表記）のタンパク質との関係に注目して、系統樹のパターンを４通り（およびタイプ 5）に分類し、それぞれの酵素を当てはめた。なお、[R]は紅色系統、[G]は緑色系統を示す。*は葉緑体ゲノムにコードされたタンパク質。なお、灰色系統については、１種のゲノムしか利用できなかったため、ここでは明示していない。文献 11 の図 35 より改変。

215

光合成研究 29 (3) 2019
が HGT によって入れ替わったという考え方が普葉緑体には陥入や貫通孔が見られ、その中に脂質18)。

通だった。その背景には、葉緑体の成立が約 15'Chloroplast pocket'は植物の葉緑体でも知られて億年前という古い時期で、それからの長い時間のいる 19)。包膜の脂質組成と併せ、このことも、葉間に HGT が起きてきたとしても不思議はないと緑体が真核細胞に固有のオルガネラであり、独立いう思い込みがある。ところが，上述のように、生活をするシアノバクテリアとは異なることを

糖脂質合成系やカルビン・ベンソン回路における示している。

非シアノバクテリア起源の酵素は、Archaeplastida顆粒が入り込むことが明らかになった

この他、カルビン・ベンソン回路の酵素の一部の 3 系統分岐以前にすでに存在してはずで、「一にも、シアノバクテリア起源ではないものがある

次共生」以降に入替が起きたとした場合、それがことが以前から知られており、この状態も、可能な時間はきわめて短かったことになる（せいArchaeplastida 成立以前に確立していたと考えら

ぜい 1〜2 億年）。

れる 20)。
5.2. 遺伝子導入時期の多様性
5. さまざまな細菌から獲得された遺伝子がコー

そこで問題となるのは、遺伝子導入時期である。

ドする葉緑体タンパク質

現在使われる分子系統樹推定法では、中立進化を

5.1. 遺伝子供給源の多様性

前提として遺伝距離を精密に推定できるので、建これまでに調べた葉緑体タンパク質の起源を前としては、系統樹の枝の長さの絶対値を測れば図２にまとめた。これは拙著 11)の図 35 の改訂版

遺伝子導入時期も分かるはずだが、遺伝子によっである。これを見るとまず、葉緑体タンパク質のて進化速度が異なることが多いので、もう少し現

遺伝子供給源の多様性がわかる。ここには明示し実的な方法として、緑色系統（緑藻・植物）ていないが、実はタイプ１（または１c）につい

Viridiplantae、紅色系統 Rhodophyta のそれぞれにても、詳しい起源によって３通りに分かれること

ついて、別々に以下のような測定をした（図３）。

が判明した。タイプ１の多くの葉緑体タンパク質

つまり、緑色系統の葉緑体が分岐していく部分

や rRNA は、シアノバクテリアが多様化する比較（緑藻の分岐が始まってから現在まで）の長さ

的根元から分岐しているが、RbcL、PRK、RpoA、VL を基準として、根元の長さ（姉妹群から分岐

ChlB/L/N（結合系統樹）では、Synechocystis、して緑藻の共通祖先まで）VS を測定し、さまざAnabaena、Cyanothece などのクレード（βシアノ

まなタンパク質や rRNA について比較した。同じバクテリア）の根元から、PsaA、PsaB、MinD でことを紅色系統でも行った。これらを緑色、紅色

は、Prochlorococcus と海洋性 Synechococcus を含それぞれの系統における「相対的な根元の長さ」

むクレード（αシアノバクテリア）の根元から分（それぞれ、VS/VL、 RS/RL）とした。ここで，岐することもわかった。こうしたことは元々分系統樹の樹形になぞらえて，S は stem，L は leaf

かっていたことだが、これまで、漠然とシアノバの意である。この方法はすでにミトコンドリアのクテリア由来ということで曖昧にされてきた。言タンパク質の起源がミトコンドリア成立よりもい換えれば、シアノバクテリアからの遺伝子導入

古いことを示すのに利用された 21)。
ミトコンドリは少なくとも３回あったことになる。これらの事

アについて詳しく述べる余裕はないが、細胞内共

実は、シアノバクテリアがただ一回細胞内共生し生によるミトコンドリア成立以前に大部分のミたという概念とは大きく異なり、細胞内共生が何

トコンドリアタンパク質の遺伝子が真核宿主に度も起きたとか、それ以外に遺伝子水平移動

導入されていたという pre-endosymbiont 仮説 22)（horizontal gene transfer, HGT）が多数あったとか、または pre-mitochondrial symbioses 仮説 23)が有力

さまざまなことを追加して考える必要がある。

な研究者たちによって提唱されており、ここで述それでも、大方の見方としては、はじめに基本べている葉緑体の状況とよく似ている。

的な細胞内共生があって、それから個別の遺伝子

216

光合成研究 29 (3) 2019
系統がシアノバクテリアとなるものについて、シ
アノバクテリアの分岐後の枝の長さ CL を VL で規格化した値が、0.6 から 1.2 の範囲に収まり、
VS/VL との相関がなかったことも、
これらの指標が意味のあるものであることを示している。
ここでは「相対的な根元の長さ」の結果の詳細は割愛するが、脂質合成系の SQD2、MGD1、KAS
I、ATS2 や、光合成関連タンパク質群（結合系統樹）や GAPDH、RbcL、PsaD、 RPE などが顕著に大きな値を示した。一方で、ペプチドグリカン
合成系のうちでシアノバクテリア由来だった
MurA、MraY は顕著に小さな値を示した。いずれにしても、さまざまなタンパク質について、非常に多様な「相対的な根元の長さ」が得られた。この多様性の一部は、進化速度が途中で変わったということで説明できるかもしれないが、葉緑体タ
ンパク質の獲得時期が、「一次共生」として代表される葉緑体形成の以前から以後にわたる幅広
い時期にわたっていたことを示す証拠とも考えられる。
図3. 葉緑体タンパク質をコードする遺伝子の獲得
時期の推定(a) それぞれのタンパク質の分子系統樹において測定した枝と根元の長さと，「相対的な根元の長さ」の定義(b) 葉緑体形成を基準とした遺伝子獲得との時期の推定。ここでは緑色系統を例として図示したが，実際の解析では紅色系統でも同様の解析を行い，両者の相関がよいことを確認している。

6. どう考えるか
6.1. 凝り固まった細胞内共生説を和らげる
以上のような話をすると、多くの研究者からは、「ではどう考えるのか、定説となっている細胞内共生を否定するのか」などという批判を受ける。
これに対してはまず、細胞内共生説は本当に定説というべきなのか、ならば、いつ誰がこの説を証明したのか、実は曖昧なのではないかということ

実際に「相対的な根元の長さ」を比較するには、参照点が必要である。
rRNA とハウスキーピング・
タンパク質による値がほぼ一致したので、緑色系を指摘しておきたい。そのからくりとしては、図１のような図が論文に掲載されると、あとはただ
単に「何でも葉緑体の中のものはシアノバクテリ

統で約 0.5、紅色系統で約 0.6 とした。両者が少アが持ち込んだ」と多くの人々が思い込んでしま

し異なるのは、それぞれの系統における多様化がうのではないか。このような歴史的な問題のほか

起きた時点が同じではないためと思われる。これに、哲学的な問題もある。シアノバクテリアといらの値で示される根元の起点（図 3b の横線の左

う単位がまとまって細胞内に入ってきて葉緑体端）が従来の概念における「一次共生」、つまりになれば、進化的な有利さが保証されるが、遺伝

葉緑体形成時期に対応する子がバラバラで導入されても、その途中では自然。あくまでも目安であるが、VS/VL、 RS/RL が選択における有利さがない､共生以後なら遺伝子大きいほど、遺伝子獲得が古い（早い）ことを示が入れ替わってもおかしくないだという議論がす。タイプ１、２、３のタンパク質についてこれある。これを言い出すと、どんなデータをもってらの値を求めると、基本的には緑色系統と紅色系

きても勝てないように見える。つまり、ガチガチ

統で得られる値がよい相関を示した。また、姉妹217

光合成研究 29 (3) 2019のハードコア理論である。これはそもそも、細胞もシロイヌナズナにあり、別の機能を持っているレベルの事象と進化レベルでの事象を混同してらしい。それならば、別々に入ってきたとしても、いるように思う。進化というのは、本当に稀なこ

最初は別の機能を担っていながら、そのうち全部とがたまたま積み重なって起きたはずである。中が揃えばペプチドグリカンを作ることができる立説を考えれば、選択的有利さにあまりこだわる

かもしれない。こういう機能変更は進化ではよく必要はないはずである。それでも分子生物学実験見られ、前適応 preadaptation/exaptation という言を経験した多くの研究者たちは、細菌を培養して葉があてられている。渦鞭毛藻の葉緑体に関していくうちに機能を失った遺伝子がすぐになくは、ショッピングバッグモデルと呼ばれる、「失なってしまうことを知っている。こうした実験室

敗した細胞内共生」の繰り返しの中で，葉緑体で内で起きる個人的体験も後押しして、明らかに有はたらくタンパク質をコードする遺伝子を一個

利でない遺伝子は残らないと葉緑体研究者の誰ずつ核ゲノムに獲得したというような仮説もあもが思い込んでいるが、それでは進化など起きよる 25)。光合成装置とタンパク質合成装置（リボうがない。実験室レベルの実験と進化はやはり別

ソーム）は別々の機能を担うので、独立して獲得次元で考える必要がある。

してもよいはずである。上述のように、中立進化

凝り固まった理論を和らげる方法はいくらもも排除できない。落ち着いて考えれば、いくらである。糖脂質合成系を獲得すれば、リン欠乏下でも考えようはあるはずである。私自身は次に述べの生存に有利である。リン欠乏における糖脂質のる宿主主導説を考えているが、まだまだデータも役割は現在の植物にも見られ、リン欠乏時には糖不足しており、もっとよい考え方があるかもしれ脂質である DGDG が葉緑体包膜から葉緑体以外ない。

の膜系に供給される。真核宿主が最初に包膜部分
6.2. 考えられる仮説だけを獲得したとして、その役割が今でも活きていると解釈したらどうだろう 24)。一方で、炭素代

私の考えは次のようなものである（図４）11)。

謝の酵素なら単独で獲得しても機能するだろう。

なお、ここでは、タンパク質を獲得したという形

ペプチドグリカン合成系の酵素の一部は、いまでで記述するが、当然、実際に入ってくるのは遺伝

図4. 宿主主導説における葉緑体の成立過程
糖脂質は光合成膜の重要な成分であるが、シアノバクテリアと葉緑体では合成経路の起源が異なることに基づいて、可能なシナリオを描いている。宿主細胞があらかじめさまざまな遺伝子を多様な細菌から獲得し、その中には糖脂質合成系が含まれていた。糖脂質でできた膜をつくり、そこにシアノバクテリアから光合成系を導入した。さらにシアノバクテリアの遺伝子発現系を獲得したことにより、最初の葉緑体が成立した。その後も、シアノバクテリアを含むさまざまな細菌からの遺伝子水平移動(HGT)が続いた。また、葉緑体ゲノムから核ゲノムへの遺伝子の共生遺伝子移動(EGT)が続き、現在の葉緑体ができている。

218

光合成研究 29 (3) 2019子である。また、HGT により遺伝子が入ってくはなく，単純に細胞内共生説を支持するものとはるときに、一時的に細胞がまるごと入ってくる共言えないにしても，光合成が真核生物の進化に果生状態を経ることはありうるが、過去のことはわ

たした役割の重要性は変わらない。

からないので、それを共生と呼ぶか、HGT と言うかは定義の問題である。また，Archaeplastida の謝辞

3 系統成立時にすでに共通に存在した外来遺伝

ここで紹介した研究は日本学術振興会科学研子の起源は、葉緑体成立以前にまで遡ると考える

究費基盤研究（B）の一環として行われたものでことにする。

ある。

将来の原始藻類となる真核宿主は、まず、リン欠乏への適応として、細菌から糖脂質合成系を獲Received Nov 4, 2019; Accepted Nov 21, 2019; Published

得した。ルビスコなど炭素固定系の酵素も、長い

Dec 31, 2019.

期間にわたって、シアノバクテリアや他の細菌か
ら徐々に導入された。この宿主は糖脂質でできた膜を準備し、そこにシアノバクテリアから光合成

参考文献

系を受け入れた。脂肪酸合成系もこのころにシア

1．

Campbell, N.A., Reece, J.B., Urry, L.A., Cain,
M.L., Wasserman, S.A., Minorsky, P.V., Jackson,

ノバクテリアやその他の細菌から導入された。そR.B. (2014) Biology. 10th Edition, Pearson

こに改めてシアノバクテリアからリボソーム成Education, San Francisco, CA.

分や ATP 合成酵素、RNA ポリメラーゼなどが導2．

入され、葉緑体が形成された。ペプチドグリカン

東京大学生命科学教科書編集委員会(2018)『理系総合のための生命科学』（第４版）羊合成系のタンパク質は、この前後の幅広い時期に土社.

別々に獲得されたようにも見えるが、緑色植物が3．

Mereschkowsky, C. (1905) Über Natur und
Ursprung der Chromatophoren im Pflanzenreiche.

もつこれらのタンパク質が単系統であることをBiol. Centralblatt 25, 593–604.

説明するには、予めどこかで遺伝子が集められて、
4．

それから導入されたという考え方もできる。

佐藤直樹 (2016) 色素体細胞内共生説の源
流：メレシコフスキー論文の紹介と再評価.

ここで強調しておきたいのは、アーキアに由来

光合成研究 26, 106−117.

する真核生物は元来、脂肪酸を合成できなかった

5．

はずだということである。多くの場合、細菌の捕Ris, H. and Plaut, W. (1962) Ultrastructure of
DNA-containing areas in the chloroplast of

食で脂肪酸を獲得していたであろうが、葉緑体のChlamydomonas. J. Cell Biol. 13, 383–391.

場合、光合成と脂肪酸合成（II 型脂肪酸合成酵素）

6．

Echlin, P. (1966) The cyanophytic origin of higher
plant chloroplasts. Br. phycol. Bull. 3, 150–151.

が共役することで、効率よく脂質合成ができるよ7．

うになった 11)。
これは真核生物進化にとってきわ

Stanier, R.Y. (1970) Some aspects of the biology
of

めて大きな進歩である。光合成をしない真核生物

cells

and

their

possible

evolutionary

significance. Symp. Soc. Gen. Microbiol. 20, 1–38.

は、細菌からポリケチド合成酵素に由来する I 型

8．

脂肪酸合成酵素を獲得しているが、菌類型と動物

Goksøyr, J. (1967) Evolution of Eucaryotic cells.
Nature 214, 1161.

型という別系統のものが真核生物の系統に散在

9．

その意味で、光合成と結びついた脂肪酸合成は、Sagan, L. (1967) On the origin of mitosing cells. J.
Theor. Biol. 14, 225–274.

しており、これらは後からの獲得と考えられる。
10．

Margulis, L. (1970) Origin of Eukaryotic Cells.
Yale University Press, New Haven.

他の真核生物も含めた生物界に多量の脂質の供11．

給を可能にし、全真核生物の繁栄を確実なものと

佐藤直樹(2018) 『細胞内共生説の謎 隠された歴史とポストゲノム時代における新展開』

したのであるから、その意義はきわめて大きい

東京大学出版会.

（脂肪酸仮説と呼ぶ）。したがって，光合成のし12．

くみ自体は一回の細胞内共生で得られたものでGray, M.W. and Doolittle, W.F. (1982) Has theendosymbiont hypothesis been proven? Microbiol.
Rev. 46, 1–42.

219

光合成研究 29 (3) 201913．

Ohta, N., Sato, N., Nozaki, H. and Kuroiwa, T.

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14．

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18．

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16．

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Does photosynthesis support the endosymbiotic origin of chloroplasts?
Naoki Sato
Department of Life Sciences, Graduate School of Arts and Sciences, University of Tokyo

220

光合成研究 29 (3) 2019

解説
Tree of life の構築と光合成の進化‡1

北海道大学 低温科学研究所

２

京都府立大学 生命環境科学研究科

３

日本製粉株式会社 イノベーションセンター
田中歩１*、佐藤壮一郎２、横野牧生３

酸素発生型光合成生物の誕生過程はまだ解明されていない重要な問題である。この問題の解決にはTree of life と呼ばれる種系統樹の情報が極めて重要である。しかし、これまでの Tree of life は特定の遺伝子で描かれており、様々な問題が指摘されている。そこで我々は、ゲノムの全てのタンパク質に基づく Tree of life の構築手法を開発した。この手法によって真核生物 31 種、古細菌 62 種、バクテリア
994 種（計 1087 種）の Tree of life を構築した。この Tree of life は、最初にシアノバクテリアが誕生
し、次に光合成細菌が誕生したことを示した。この結果に基づいて酸素発生型光合成生物の誕生を議論する。
1. はじめに題が多い。そこで、多くの生物におけるゲノムの地球上にある全ての生物の系統関係を明らか

解読や計算速度の向上等を背景に、複数の遺伝子にすること、すなわち Tree of life を構築することをつないだ（コンカテマー）配列を最尤法で解析は、それ自体興味深い研究であるだけでなく、することによって種系統樹の構築が試みられた

様々な生命現象の理解、さらには地球と生物の共

2,3,4)

進化を知る上でも重要である。光合成の分野では、

トから最も高い確率で実現できる系統樹を描く

どのような生物がいつ光合成を始めたのか、最初方法である。そのため、コンカテマーを最尤法での光合成はどのような機能を持っていたのか、酸解析する手法は種系統樹を知るうえで最も信頼素を発生する光合成は如何にして生まれたのか、できると考えられるようになり、最近報告されて葉緑体はいつどのような機構で誕生したのか、陸いるほぼ全ての Tree of life はこの手法によって上に進出した植物の光合成はどのような特徴を構築されている。この手法を用いて古細菌の新しもっていたのかなど、多くの問いがある。もし時いグループが発見されたこともあいまって、真核間軸も含め完全な Tree of life の構築に成功した生物は古細菌の中から誕生したことが示され、新ら、これらの問いに答えるための重要な知見を提しい Tree of life が提案された 5,6,7)。

供するだろう。

。最尤法はモデルに基づいて、アラインメン

しかし、種系統樹の構築において、コンカテ

Woese は rDNA を用いて Tree of life を構築す

マーを最尤法で解析することは必ずしも万能でることで、生物は細菌、古細菌、真核生物の 3 つはない。特に比較的短時間で分岐した場合（枝長のドメインから構成されていることを示した 1)。

が短い場合）、Incomplete lineage sorting (ILS)の影

しかし、単一の遺伝子では、情報量が少なく、ノ響を強く受け、個々の遺伝子の系統が種の系統とイズも大きいため、正確な種系統樹の構築には問一致しないことがある。このような場合、コンカ‡

第 10 回日本光合成学会シンポジウム*連絡先 E-mail: ayumi@pop.lowtem.hokudai.ac.jp221

光合成研究 29 (3) 2019
テマーを最尤法で解析すると間違った系統樹がた報告もあるが 14)、一般的には、最尤法の計算の得られることが指摘されている 8,9)。また、最尤制限も相まって、数十から百数十程度の遺伝子が法は深く分岐している遺伝子の系統を知るには用いられることが多い。しかし、この数は、真核

アラインメントの困難さなど様々な問題があり、生物の場合、全遺伝子の 1％にも満たない数であネットワークを利用したあらたな解析も提案さる。また、これらの条件を満足する遺伝子には翻れている 10)。
事後確率を取り入れたベイズ法も系

訳系の遺伝子（リボソームタンパク質等）が多く、統樹の作成に用いられており、強力な解析手段と偏った遺伝子群によって系統樹が構築されていなっている。しかし、この方法もアラインメント

ることになってしまう。特に離れた系統においてに依存している点で最尤法と同じ問題を抱えては適当なオルソログをそろえるのも難しい。原核いる。さらに、まだ実用には遠いが、深層学習を生物の場合はさらに深刻な問題を抱えている。多11)。

数のゲノムを解析したところ、少なくとも 80％

一方、種系統樹の構築手法としてゲノムの全領

以上の遺伝子は進化の歴史の中で水平伝播をし域を使ったゲノムの系統樹（genome tree）の作成ており 15)、報告によっては 90％を超えるタンパが提案された 12)。これは、代謝経路の構成、遺伝

ク質ファミリーが水平伝播を行っている 16)。
この子の並び方、タンパク質ファミリー、特定の配列ような場合、垂直伝播した遺伝子が極めて限られなどを指標に系統樹を構築する手法である。しかており、さらに古い時代の水平伝播は同定も難し

し、これらの手法の多くは進化の論理を組み込んい。そのため、作成されたコンカテマーの信頼性でおらず、またゲノムの持っているごく一部の情と情報量の少なさが問題となる。このように、ア報しか用いていない。その結果、この手法は生物

ラインメントを基盤とした種系統解析は全ゲノの限られた階層にしか適用できず、現在のところ

ムの解析とは本質的に矛盾している。

取り入れた系統樹の作成も試みられている満足できる系統樹も構築されてない。この様に、

本来、ゲノム間の進化距離（種間の距離）は、

現在は、系統解析の新たな理論と手法が活発に提すべての遺伝子情報から計算されなければなら案されている時代である。そこで、我々は、光合ない。そこで我々は全てのタンパク質の配列から成進化の様々な問いに答えることを目的に、種系

生物間の進化距離を計算する手法を開発した。生統樹の新たな構築手法の開発に取り組んだ。

物 A のあるタンパク質 P1 をクエリ配列として、生物 B の全タンパク質に対して BLAST を行い、

2. Tree of life の構築

ベストヒットした（最も低い E-value を持った）

2.1. 進化距離の計算

タンパク質（p1）を検索しその E-value（e1）を求系統樹の構築は、(1)どのような配列を用いる

める。次に生物 A のタンパク質 P1 をクエリ配列

か、(2)配列情報や進化距離からどのような統計にして自分自身（P1）に対する E-value（E1）を的手法で解析するのかの二つの過程からなって求める。次にこれらの E-value の対数を計算し、いる。後者については近年においても新たな解析(log10e1, log10E1) を 2 次元グラフにプロットす方法の提案、最尤法やアラインメントの作成方法

る。ただし、E-value の対数が 1 より大きいものの改良などが報告されている 13)。一方、用いる配は全て１に、－180 より小さいものは全て‐180

列に関しては、上述したように種系統樹の場合はにした。従って、このグラフの X 座標と Y 座標

コンカテマーを利用するのが一般的である。このの最大値は 1、最小値は-180 となる。この作業を場合、利用する遺伝子は垂直伝播したオルソログ

生物 A が持っている全てのタンパク質についてに限られている。これは種の系統と同じ履歴を持行う（図１）。図１で示したように、多くの点がつ遺伝子を使わなければならないからである。そグラフ上の様々な位置に散在している。その中でのため、用いる遺伝子の数に関しては、例外的にX 軸に近いものは、生物 A と生物 B 間で相同な

膨大な時間とコンピュータを使い特定のグループにおいて数千遺伝子のコンカテマーを解析し222

光合成研究 29 (3) 2019

図1. E-value プロット図
横軸は Arabidopsis thaliana をクエリーにしたときの Ostreococcus Iucimarinus（左）と Oryza Sativa （右）のベ
ストマッチのタンパク質に対する E-value の対数。横軸は Arabidpsis thaliana の自身に対する E-value の対数。
各点は Arabidopsis thaliana のそれぞれのタンパク質に対応している。直線は各点の平均を示している。

タンパク質がないことを示しており、直線 Y=X

れば､a 全体の文字列が偶然に発生する確率と見に近いものは、高い相同性を持ったタンパク質のなせる(参考文献 18 の Fig. S1b の event A)。Event

存在を示している。生物 A と生物 B が同一の場

A と B の関係を図 2a に示す。Event A を 2 つの合は、すべての点が Y=X 上にあり、生物 A と生期間に分けて考える。まず a と b の共通部分が偶

物 B は進化的には関係のない場合は全ての点が然に発生する期間､そして a 独自の文字列が偶然X 軸上にある。プロットされた点を、最小二乗法に発生する期間である。今回の手法では、a と b

によって原点を通る直線で近似し、この直線の傾の間の進化距離(時間)を1 −きを T とする。このとき T は生物 A の進化距離#$%&' (#$%&' ()*+,で表して

お り ､ こ れ を 1 − 𝑇 と お く ( 図 2b) 。 こ れ はを１とした時に生物 A と B の共通先祖が発生す(𝐸0123 )5 = 𝐸7 と変形できる。この式の意味は、るのにかかる時間を表し、1- T は共通祖先から生

event A が T 回発生することと、event B が 1 回発

物 A が誕生するのにかかる時間を表している。

生することが、等価であることを示している。ここの点を少し詳しく説明するために､ある 1 遺

こで、event A と B が発生する期間中､a における伝子から本手法で距離を求めることを考える。生文字列の変化の速度が一定だとすれば、上の式の物 A のある遺伝子 a を、生物 B の全遺伝子に対意味は､event A が T 回発生する時間と､event B がして BLAST 検索をかけて､生物 B のある遺伝子

1 回発生する時間は等しい､となる。

b がベストヒットしたとする。その時の E-value
を E とする。E は、あるランダムな文字列から、
a と b の共通部分の文字列が見つかる期待値であ例として､event B が 1 回発生するのに必要な時間を 1 時間とし､その間に event A が T=1/3 回発生する場合を考える(図 2c)。すると、a 全体が発り､もしランダムな文字列のサイズが一定であれ生するのにかかる時間は 3 時間となる。これを、ば､共通部分の文字列が偶然に発生する確率と見a 全体が発生するのに必要な時間を 1 と置き換えなせる(参考文献 18 の Fig. S1b の event B)。
また、た時の図が Fig2d であり、1-T は a と b の共通先

a を a に対して BLAST 検索をかけて得られる E-

祖から a が発生するのに必要な時間を示していvalue を Ebest とすると、Ebest は、あるランダムなる。

文字列から a 全体の文字列が見つかる期待値であり､もしランダムな文字列のサイズが一定であ223

光合成研究 29 (3) 2019
あることを示している。このことは、本手法でおいている仮定のうち一つ､event A と B が発生する期間中は文字列の変化速度が一定である､という仮定を満たす観点からも重要である。なぜなら、遺伝子 a と b が近い関係にあるほど、ホモロジーは高くなり､Log10E や Log10Ebest の値は小さくなり、event A と B が発生する期間中はアミノ酸配列が変化する速度が一定である、という条件が満たされる可能性が高まるからである。参考までに､
1-log10E/log10Ebest を用いると間違った系統樹が得られることを確認している。
このようにして計算した生物 A から生物 B への距離と、生物 B から計算した生物 A への距離は少し異なっているので、これらの二つの距離の平均を生物 A と生物 B 間の進化距離とした。また、この手法による進化距離は、ゲノムの全てのタンパク質の期待値（E-value）の対数から求めているため、ゲノムの情報量を比較したものである。
これはデータベースのサイズをかけても最終的な値は殆ど影響されていないためである。この計算は、アミノ酸のスコア行列を利用してアライン
メントスコアを計算し、二つのタンパク質の距離
スコアを求める過程と類似している。両者の違い
はアミノ酸がタンパク質、配列がゲノムへと階層が一つ上がったことである。
この手法の最大の特徴は進化距離の計算にす
べてのタンパク質を使っていることである。このことは、この系統樹がゲノムの大部分の情報に基づいているだけでなく、系統樹作成における恣意
的な遺伝子情報の選択を排除していることも意味している。また、一般的な系統樹はアラインメ
ントに依存しているが、この手法はそのようなア
図2. 距離の求め方

ラインメントを用いていない。その意味ではアラ
インメントフリーの系統樹と考えられているが17)

本手法で得られる生物間の距離は､1-T を全遺、タンパク質を比較するときに BLAST 計算を伝子に対して計算し､それらの重み付き平均を行っているので、アラインメント（ローカルアラとったものに相当する。重み付き平均は図 1 に示

インメント）に基づくものと考えることもできる。

した通り､全遺伝子の Log10E と Log10Ebest をプ

現在のところ、これに非翻訳領域や rDNA の情報

ロットし､原点を通る直線に対して最小二乗法でを組み込んでいないので、厳密には全ゲノム配列

傾きを求めることで得ている。つまり、原点から遠い、Log10E や Log10Ebest の値が小さい(相同性が高い)遺伝子ほど、重要視される重み付き平均で224

光合成研究 29 (3) 2019から計算したものではない。この手法の有利な点
は、生物 A、B、C が共通するオルソログを持たない場合（極論すると２種の生物間にオルソログが存在しない場合も）も、A-B、B-C、C-A 間の進化距離を計算できることである。これは進化的に離れた生物間でもこの方法が適応できることを意味している。一方、我々の方法では場合によっては殆ど相同性の見られないタンパク質間の比較も行っている。この場合、種間の進化距離を大きくするのに寄与しており、相同性が見られないというペナルティーを計算していることにもなる。
2.2. 種系統樹の構築
上記の手法で計算された進化距離をもとに、距離法（BioNJ）によって系統樹を作成した 18)。まず、コンピュータシミュレーションによってこの手法の評価を行った。E.coli 536 のすべてのタン
パク質のアミノ酸をランダムに 20％変異させる。
これを一世代として in silico で 5 世代進化させる。得られた 32 種のゲノムから進化距離を求め、系統樹を作成したところ、in silico の進化を正確に再現することができた（図 3）。このことは、
我々が定義した 1-T が正確に進化距離を表していることを示している。次に、2011 年までにゲノ

図3. In silico進化の解析
Escherichia coli 536のタンパク質のアミノ酸配列を1世代当たりランダムに20％変異させた。これを5回繰り返し32種のゲノムを作成した。(a) ゲノムの全てのタンパク質を用い、我々の手法で構築した系統樹、(b) 一つのタンパク質（404A.A.）を用い、我々の手法で構築した系統樹 (c) 従来のアラインメント
ベースの系統樹

ムの解読が完成した真核生物 31 種、古細菌 62 種、バクテリア 994 種（計 1,087 種）の全てのゲノム

2.3. 系統樹の特徴を用いて Tree of life を作成した（図 4）。この系

本系統樹の手法と結果は次のような特徴を持つ。

統樹では、生物は真核生物、古細菌、バクテリア（１）多様なゲノムを比較できる 特定の遺伝子の 3 つのドメインに分かれた。この樹形は、真核で系統樹を構築する場合、long branch attraction な生物が古細菌の中から分岐したとする最近の報

どの問題が起こるため、正しい系統樹を作成する

告と矛盾している。この点に関しては後で議論すために、特定の遺伝子を解析から省くことが必要

るが、それ以外に関しては、現在考えられているな場合がある。しかし、本手法で系統樹を作成す

系統関係を反映していた。例えばシアノバクテリる際には、2011 年までに解読されたすべてのゲアの系統関係は 32 遺伝子のコンカテマーで構築

ノムを対象としており、ゲノム（種）の人為的なしたものと完全に一致した 19)。また、アクウィ

選択は行っていない。さらに細菌、古細菌、真核フェクス門とεプロテオバクテリアの関係やγなど、系統的に離れた、また遺伝子数が一桁以上

プロテオバクテリアとβプロテオバクテリアの関係などは最近の新しい主張と一致している 20)。
調べた限りにおいては多くの点で現在の理解と違うゲノム間の距離も計算しているが、正確な樹形が再現された。これは、本手法が質やサイズが大きく異なったゲノムに関して堅牢であること良く一致している。矛盾する点においては、どちを示している。また、全てのタンパク質を使ってらが正しいかは今後検討すべきだろう 21)。
225

光合成研究 29 (3) 2019

図4. 真核生物31種、古細菌62種、バクテリア994種（計1087種）のTree of lie*Cyanobacteria の分岐点。

いるので、ILS の影響を克服することが期待され核生物に特徴的な形質を持っていることもこのる。

説を支持している 5,6,7)。しかし、我々の系統樹は（２）ドメインの関係 本系統樹で最も注意しな

真正細菌、古細菌、真核生物の 3 つのドメイン（3-ければならない点の一つにドメインの関係があdomain hypothesis）を支持している。2-domain

る。翻訳関連の遺伝子で描いた系統樹は、真核生hypothesis は現在広く受け入れられてはいるが、物を一つのドメインとして考えるのではなく、真

我々はドメインの構造に関しては、まだ議論と解

核生物を含む古細菌と真正細菌の二つのドメイ析が必要と考えている。我々の系統樹と 2-domain

ン（２-domain hypothesis）を支持している。さらhypothesis との矛盾に関しては次のような理由がに、古細菌のあるグループ（Asgard group）は真考えられる。一つは、我々の系統樹が誤りとする
226

光合成研究 29 (3) 2019の E-value で系統樹を描くと（我々の手法を一つものである。真核生物は古細菌よりも真正細菌と多くの遺伝子を共有している

22)。
おそらく真核生のタンパク質だけで行ったもの）枝の長さは異物の誕生にあたっては真正細菌から多くの遺伝なった。これらの結果はゲノム全部の情報を使う

子が水平伝播したのであろう。また、真核生物もと枝の長さが同じになることを示唆している。そ進化の過程で多くの独自の遺伝子を獲得した。こうだとすると、ゲノム全体の変異速度は生物にのような遺伝子構成のため、我々の方法だと、真よってあまり違わないことを示している。それで核生物が独立したドメインとして計算された可は、系統樹の内部にある半径の短い同心円上は進能性がある。もう一つは 2-domain hypothesis に問化の同じ時代を示しているのであろうか。これを題があるとする考えである。Woese 以外にも、い直接確かめる方法はないが、シミュレーションの

くつかの遺伝子で系統樹を描くと、3 つのドメイ

結果は参考になる（図 3）。我々の手法を用いる

23)

。また、

と、第 2 世代、第 3 世代、第 4 世代とも同じ枝のAsgard group は古細菌のグループとは離れ、真核長さであり、時間を正確に表現している。一方、生物とグループを作るとする興味深い考え方も一般に用いられているアラインメントに依存しンに分かれることが報告されている

提案されている24)。この問題が解決されれば、た系統樹では途中の枝の長さも異なっている。こ我々の提案した系統樹の理論的な理解も深まる

れらのことから、我々の系統樹は、ゲノムが保持と思われる。また、真核光合成生物の誕生にも有している全てのタンパク質から進化距離を求め

益な情報を与えるであろう。

ているため、ある程度正確に年代を表していると（３）枝が同心円状に広がる 単独の遺伝子、も期待している。

しくはコンカテマーで構築された系統樹におい一方、枝の長さは進化時間と比例関係にあるわて、枝の全長は生物によって大きく異なる。これけではない。化石の情報を参考にすると、5-10 億は、用いた遺伝子の進化速度が生物によって異な年くらい前から現在にかけて、単位時間に対するることを示している。一方、我々の系統樹では枝枝の長さが急に長くなる。すなわちゲノムの情報の全長は全ての生物でほぼ同じであり、系統樹は量が急に増加している。計算上の問題とも考えら

円形を示す。これは、進化の時間が正確に表現されたが、in silico の結果で補正してもこの結果はれていることを示しており、我々の手法では、比あまり変わらなかった。この原因として、計算上較する２つのタンパク質の共通配列が偶然発生の問題以外に、次の二つの可能性が考えられる。

するのにかかる時間（確率の対数）と、共通配列

一つは 5～10 億年前くらいから多くの変異が蓄以外の残りの配列が偶然発生するのにかかる時積したことであり、酸素濃度などの地球環境の変間の比から、両者の分岐を求めていたためである化に影響されていたのかもしれない。もう一つは、と考えられる。しかし、この結果がアーティファ

5～10 億年よりも以前には遺伝子の水平伝播がクトだとすると、次のような原因があげられる。

極めて活発に行われていた可能性である。我々の我々の手法が必然的に同じ枝の長さとして計算手法では、遺伝子の水平伝播はゲノム間の距離をされるとするものである。進化距離を求める際、近づけるように働くことが確認されている。しか各遺伝子の進化距離を最大 1、最小０の範囲で定し、年代ごとの水平伝播の頻度は報告されていな義しているためか、またはそれ以外にもアルゴリ

いので、この影響は現在のところ評価できない。

ズムの落とし穴があるのかはわからない。たとえ（４）水平伝播に堅牢である ほとんどの系統樹ば、ある程度以上離れた生物を比べる際、ペナル作成法では水平伝播した可能性のある遺伝子をティーの割合が大きくなることが同心円を導い

種系統樹の作成には利用しないが、全タンパク質てしまうことである。しかし、ゲノムの一部の遺を利用する本手法の場合は必然的に水平伝播し伝子情報のみ使うと枝の長さが同心円状にならたタンパク質の情報も利用することになる。そこない（未発表）ので計算手法から必然的に同心円で、in silico の人工進化において、水平伝播を行状になるわけではない。また、単一のタンパク質

わせたところ、驚くことに全遺伝子の 40％を水
227

光合成研究 29 (3) 2019
平伝播させても樹形は変わらなかった 18)。
また、

3. 光合成の進化

実際の生物のゲノムデータに対して人為的に水

最初に光合成を獲得したのはどのような生物な平伝播させると、20％の遺伝子を水平伝播させてのかは光合成研究者にとって一度は興味を持つも樹形に大きな影響はなかった 18)。このように課題である。この問いに我々の構築した系統樹か

我々の手法は水平伝播に堅牢であることを示し

ら答えてみよう。
光合成細菌は光化学系 I タイプ、ている。しかし、水平伝播した遺伝子は、水平伝もしくは光化学系 II タイプのどちらかの光化学

播後は種の進化と同じ経過を示すので、移動後の系しか持たず、光合成を行っても酸素を発生しな系統樹にとってはノイズではなく情報として評い。そのため、地球環境の変遷も考慮に入れると、価できることに注意が必要である。

最初に生まれたのが光合成細菌で、次に２つのタ（５）オルソログに限らない 我々の系統樹は片イプの光合成細菌から、光化学系 I と光化学系 II

方ベストマッチの組み合わせの E-value を利用しを持った酸素発生型光合成生物（シアノバクテリた。当然、これは相同性のないもの（E-value がア）が誕生したと考えられた 26)。クロロフィル代

高いもの）の組み合わせの場合もある。そこで、

謝系の遺伝子に基づく系統樹もこの考えを支持

双方ベストマッチの組み合わせで進化距離を計している 27)。
この単純なものから複雑なものへと算し、系統樹を作成した。この場合、オルソログのわかりやすい仮説は、広く受け入れられるにいの組み合わせが多いと思われる。しかし、片方ベたった。しかし、人の心に簡単に落ちてくる話はストマッチを利用したほうが正しい樹形がえら

注意しなければならない。シアノバクテリアの遺れた 18,25)。これは少し不思議に感じるが、すでに伝子を詳しく解析したところ、シアノバクテリア

議論したように、相同性がないという情報も正確

が最も古く（Procyanobacteria）、ここから光合成な系統樹を作成するために必要なのかもしれな関連の遺伝子が水平伝播した結果、光合成細菌がい。

誕生したとの仮説が提案された 28)。
この考えを支（６）研究者の判断が排除される 一般的に系統持する報告も蓄積されつつあり、次第に有力な考樹を作成する場合、何らかの手法でアラインメン

え方になってきた。

トを作成する。この場合、解析者の判断で、ある

それでは我々の系統樹ではどうだったのだろう

領域を排除したり、アラインメントに修正を加えか？これまでに説明したように我々の系統樹でたりする場合がある。さらに、ある配列（種）がは、同心円上は進化的に同じ時代であるとのやや系統樹を乱す場合もあるので、このような配列を強引な仮定を置いて光合成生物の進化を見てい省くこともある。このように、様々な過程で人のくことにする。系統樹で明らかなようにシアノバ

判断がはいり、このことが研究者によって違う系

クテリアは深くから分岐している。一方、光合成

統樹を提案する一つの原因でもある。本手法は研

細菌はシアノバクテリアに比べ比較的最近分岐究者の判断がすべて排除されている。また、従来しており、シアノバクテリアの系統が出現したのの研究においては、アラインメントの不確かさがち、光化学系 I タイプの Heliobacteria と Green正しい系統樹の作成の支障となっていたが、これsulfur bacteria が、その後光化学系 II タイプのは特に古く分岐した遺伝子に顕著である。本手法

Purple bacteria と Green filamentous bacteria が出現

はこのようなアラインメントに伴う不確かさをする。そして最後に最も古いとされるシアノバク

回避している。

テリア Gloeobacter が出現する（図 5）。この系統

以上のように本手法は様々な優れた特徴があ樹はシアノバクテリアが光合成生物として一番る。しかし、注意しなければならないのは、これ古いことを示唆しており、おそらくシアノバクテ

らの特徴のうち、どこまでが正しく、どこまでがリアから水平伝播によって光合成機能が伝播し、アーティファクトであるかであろう。これは今後

光合成細菌が出現したと思われる。これが正しい

解決しなければならない最も重要な点である。

とすると、クロロフィルの合成がバクテリオクロ
ロフィルよりも古い可能性も許容する。バクテリ
228

光合成研究 29 (3) 2019

図5．光合成細菌とシアノバクテリアの進化
図 2 で示された光合成細菌とシアノバクテリアの出現時期から推定された光合成生物の進化。光合成関連遺伝子が Procyanobacteria から水平伝播し、光合成細菌が誕生したことを示唆している。全ての光合成細菌がProcyanobacteria から直接遺伝子を獲得したのか、一部の光合成細菌は他の光合成細菌を経て獲得したのかは不明。

オクロロフィル合成経路はクロロフィル合成経

していると考えているが、理論的な検討はまだ不路に新たな反応を付加したものだが、もし、クロ足している。理論的な検討を進める上で、この手

ロフィルの合成がバクテリオクロロフィルより法によって作られた系統樹を何に基づいて評価

古 け れ ば 、 代 謝 経 路 の 進 化 モ デ ル Granick

すれば良いのかという課題も残されている。従来29)

hypothesis とよく一致する。

の分子系統解析法と異なる本手法の妥当性を、従これらのことを考慮に入れると、シアノバクテリ来法と比較して検証するのは、一見矛盾するようア（Procyanobacteria）は、最初に光化学系 I タイ

だが、現在、最も信頼できる分類体系は従来の分プが出現し、その後光化学系 II タイプの光化学子系統推定法によって作られたものである。この系を獲得したことになる。これは、光化学系 I タ

点については、コンピューターシミュレーション

イプの光化学系が古いとする考えとよく一致すによる検証を含め、今後、妥当性の有効な評価方る。シアノバクテリアが古いか、それとも光合成法を新たに模索するべきだろう。このような課題

細菌が酸素発生型光合成の起源となったのか、こを解決し、理論的な解明が進めば、この手法のさの議論は今後しばらく続くであろう。この問いにらなる改良が可能になると思われる。

30)

答えるためには、Melaninabacteria の系統的な解

2 種のゲノムを比較する場合、最もよく使われて析や正確な進化時間を再現する手法の開発が課いる手法はコンカテマーのアラインメントであ題である。

り、ほとんどの系統樹はこれをもとに構築されている。しかし、残念なことに、アラインメントは

4. 今後の課題

ゲノムのごく一部を表現したに過ぎない。アライ

我々が提案した手法は、かなり正確な系統樹のンメント以外のゲノムの比較方法として、ゲノム作成を可能にしている。一方、E-value の計算上が持っている遺伝子を分類しそれらを比較し、オの問題点も明らかになってきた。この点を改良す

ルソログなどの存在を調べるのも有益な手段でればより正しい系統樹の構築が期待される。また、ある。しかしこの手法はゲノム全体を定量的に比ここで示した系統樹の作成には 2 年ほどの計算較したことにはならない。一方、我々の開発した時間を必要としており、計算時間の短縮も重要で

E-value プロット図は全タンパク質を比較したある。さらに、この手法はゲノムの情報量を比較もので、二つのゲノムを比較するのに有効な手法

229

光合成研究 29 (3) 2019
であり、様々な応用・発展が期待される。本研究で示したように、全プロットの近似直線の傾きを求めることによって二つのゲノムの進化距離を計算することができる。形質の距離とゲノム配列の距離は必ずしも一致しないが、E-value プロッ
ト図が各分類群でどのような特徴を持つかを調べれば、分類群を予測できるかもわからない。一方、X 軸の近傍にある遺伝子は、類似タンパク質が相手のゲノムにはないことを示しており、種特異的な遺伝子である。この手法を発展させ、3 つのゲノムの E-value プロット図を用いると、生物の形質の特徴と組み合わせることで形質に関連する遺伝子を同定することができる 31)。
図 6 は、
クロロフィルｂを持つ 2 種の Prochlorococcus とクロロフィルｂを持たない Synechococcus を比較し、クロロフィルｂ合成酵素を同定したものである。このように、E-value プロット図は単に進化距離を求めるだけでなく、様々な目的に広く利用される可能性がある。
それではどのような手法で、E-value プロット
図を利用すればよいのだろうか。E-value プロッ
ト図の利用に関して、我々は全プロットを平均化
したり、特定のプロットに注目したりしてきた。
しかし、プロットをパターンとして捉えることも図 6 ． 3 つ の ゲ ノ ム の E-value プ ロ ッ ト に よ る
Prochlorococcus特異的遺伝子の推定
図中の各点は、Prochlorococcus sp. MED4 の遺伝子を示し、各点の X、Y 座標はそれぞれ
Prochlorococcus sp. MIT9313、Synechococcus sp.
WH 8102 のベストマッチ遺伝子間の E-value を表す。また、クロロフィル b 合成遺伝子の位置を図中に示した。グラフの対角線上には、3 つのゲノムに共通の遺伝子が含まれており、Prochlorococcus 特異的遺伝子はグラフの左上部分に位置している。Satoh and Tanaka (2006) より描
き直す 31)。

重要と思われる。この場合、深層学習が有効であHernsdorf, A.W., Amano, Y., Ise, K., Suzuki, Y.,ろう。進化距離をより正確に測定でき、また分類

Dudek, N., Relman, D.A., Finstad, K.M.,

群との関係がよりよく理解できる可能性がある。

Amundson, R., Thomas, B.C. and Banfield, J.F.

今後このような課題に取り組んでいきたい。

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1Institute of Low Temperature Science, Hokkaido University
2Graduate School of Life and Environmental Sciences, Kyoto Prefectural University
3Nippon Flour Mills Co., Ltd., Innovation Center

232

the

光合成研究 29 (3) 2019

解説
シアノバクテリアの物質生産の現状と展望‡

東京大学・大学院総合文化研究科
早稲田大学・教育・総合科学学術院
池内 昌彦*
光合成による物質生産はカーボンニュートラルで、地球温暖化や資源の枯渇などの危機的状況では有望な対策の一つである。シアノバクテリアは酸素発生型光合成を行う原核生物で、増殖が速く、遺伝子改変が容易で、しかも細胞内区画が単純で、物質生産のプラットホームとしても最適である。そのためエンジニアリングをベースとした物質生産はシアノバクテリアでよく研究されており、実にさまざまな物質が合成され、代謝経路や合成生物学的アプローチも詳しく研究されている。その一方で、光合成の従来の研究との整合はまだ十分ではなく、さまざまな課題が残っているといわざるを得ない。本稿
では、これらの観点から、シアノバクテリアの光合成による物質生産のエンジニアリングに注目して、その現状を紹介するとともに、今後の課題について議論する。
1. 歴史

きた。シアノバクテリアは酸素発生型光合成生物

シアノバクテリアでの遺伝子の改変が可能にとしてはもっともエンジニアリングと評価がしなった 1980 年代中頃より、遺伝子破壊による光やすいので、この次のブレイクスルーに到達する

合成機能の基礎研究の傍ら、外来遺伝子のヘテロのもやはりシアノバクテリアであろうと期待さ発現も散発的に研究されてきた。このような研究れる。

が広く認知され爆発的に拡がったのは、1996 年のシアノバクテリア Synechocystis sp. PCC 6803

2. 光合成増殖と生産（以下、Syn6803）のゲノムの決定が契機であっ細胞分化をほとんど示さない微細藻類においた。それに続くトランスクリプトーム解析やプロて、バイオマス生産は光合成増殖と同等といえる。

テオーム解析などに続いて、ツールの開発や代謝

微細藻類の稠密な培養液の光の吸収率は実質フラックスの解析などが物質生産の研究の後押100%となり、当然ではあるが、照射光あたりの生しをした。さらにこれらの研究が融合して、それ産効率も陸上植物よりはるかに高い。もちろん、なりに大量の物質生産が実現されたのは 2010 年

光の吸収率イコール利用率ではなく、照射面付近

代ころからである。これらの幅広い研究によって、では強光阻害を引き起こし、反対側では極端な弱生産性の高い株を使用し、シアノバクテリアの代光となる。その解消のためには、液全体を十分に謝系に即した発現系を構築し、基質供給や生成物

撹拌しなければならないが、これにはエネルギーの排出などを組合せ、さまざまな物質の生産を増投入が必要になる。別の解決法としては、光吸収強することが可能になってきた 1,2,3)（表１）。しのアンテナをダウンサイズする株が提案されてかし、その生産レベルはまだ実用化にはほど遠く、いる。理論的には、これは光の有効利用につなが

多くの課題が残っていることも明らかになってるが、フィコビリソームやクロロフィル結合アン‡

第 10 回日本光合成学会シンポジウム*連絡先 E-mail: mikeuchi@bio.c.u-tokyo.ac.jp233

光合成研究 29 (3) 2019

表1. シアノバクテリアと葉緑体の類似性

シアノバクテリア株

倍加時間

特徴

文献

Synechocystis sp. PCC
6803

6.6 h
(30℃ 300 µmol/m2/s 3% CO2)

モデル株、通性光独立栄養、
Yu et al. 2015 7)
自然形質転換能Synechococcus
elongatus PCC 7942

4.9 h
(38℃ 300 µmol/m2/s 3% CO2)

モデル株、絶対光独立栄養、
Yu et al. 2015 7)
自然形質転換能Synechococcus sp.
UTEX 2973

2.1 h(41℃ 500 µmol/m2/s 3% CO2)

Synechococcus sp. PCC
11801

2.3 h
(41℃ 1000 µmol/m2/s air)Synechococcus sp. PCC
7002

4.1 h
(38℃ 500 µmol/m2/s 3% CO2)

モデル株、通性光独立栄養、
Wlodarczyk et al. 2019 9)
自然形質転換能Synechococcus sp. PCC
11901

2.14 h(38℃ 600 µmol/m2/s 1% CO2)

高速増殖、通性光独立栄養、
自然形質転換能、Syc7002に Wlodarczyk et al. 2019 9)
近縁Arthrospira platensis
BL090924 h(outdoor pond)

戸外培養

Taton et al. 2012 10

Leptolyngbya sp.
BL090223 h(outdoor pond)

戸外培養、接合による形質
転換可Taton et al. 2012 10)

Thermosynechococcus
elongatus BP-1

4h
(55℃ 5000lux 5% CO2)

モデル株、自然形質転換、戸外培養可

Yamaoka et al. 1978 11)

高速増殖、絶対光独立栄養、
接 合 に よ る 形 質 転 換 、 Yu et al. 2015 7)
Syc7942に近縁
高速増殖、絶対光独立栄養、
自然形質転換能、Syc7942に Jaiswal et al. 2018 8)
近縁

テナは複合体を形成しているため、増殖に不利にと、増殖に必要な代謝物が不足して増殖抑制にはならないように変異株を選ぶ必要があるかもし

たらくことも考えられるが、積極的に増殖を抑制れない。一種の強光応答が固定されたような株ですれば代わりに生産が増強されるかは自明ではあれば、アンテナサイズを減らして光ストレスをない。光合成は細胞内代謝ネットワークのほぼす

回避しながら、培養液全体に光がゆきわたること

べてを光エネルギーで駆動しているため、強制的が可能と思われるが、今後の研究を待ちたい。

にその一部をとめることがエネルギーの節約に

一般に、微細藻類の増殖（バイオマス生産）は、

なるか、バランスを崩して生産に負に作用するか“スピルリナ”（Arthrospira 属）のように藻体をは、個別に評価するべきである。発酵工学では細そのまま食品などとして利用する場合は別とし

胞内代謝経路の一部を借りることが多いが、光合て、特定物質の生産においては培養コストがかさ成による生産ではシステム全体のバランスが重む一因となる。培養コストの削減のためには、物要といえる。

質生産モードのときは細胞は増殖しない方がよ

シアノバクテリアの物質生産においても、植物

いことになる。つまり、高速増殖のための光合成の葉の葉緑体の生産系がもっとも理想的ともいと代謝経路を特定物質の生産だけに振り向けるえる。成熟葉では葉緑体は分裂することはなく、ことが望ましく、そうすると必然的に細胞は増殖

ひたすら光合成による炭酸固定と付随する代謝を停止もしくは大幅に低下することになる

4,5)

。

反応にいそしんでいる。このような葉の光合成活

つまり、従属栄養の細菌を発酵工学においてバイ性を規定しているのは、光合成産物を利用するシ

オリアクターとして利用することに似ているが、ンクの作用であり、切り離された葉が老化しやす

光合成生産では光が均一に供給されることが重いのはシンクの作用がなくなったため（シンク律

要なちがいでもある。なお、物質生産を増強する速）である。シアノバクテリアの物質生産で我々234

光合成研究 29 (3) 2019が真に実現したいのは、このような物質生産をシ株から再単離された株で、比較的高温（41℃）、

ンクとして、光合成活性をむしろ増強しようとす

強光（500 µmol photons m-2 s-1）、3% CO2 条件でるポジティブフィードバックがかかる細胞をエ

倍加時間約 2 h で増殖する 7)。この SycUTEX2973

ンジニアリングで構築することである 4,5)。

株のゲノム配列は Syc7942 と非常に近縁であるとはいえ、特定の物質を生産する本稿の目的に（両者間でわずか 55 箇所の変異があるのみ）。

おいても、光合成増殖速度は重要である。つまり、

これはわずかの遺伝的変異で、光合成増殖の効率、増殖速度の遅い株では光合成の最大活性や代謝

つまりバイオマス生産速度が大きく変動しうる

フラックスの許容量は低く保たれていることがことを示している 7)。これよりもさらに高速増殖

多く、単に律速段階を増強するだけでは大きな増（とくに低 CO2 条件）で、しかも自然形質転換が強は見込めない。後述する高速増殖する株は、特可能な株 Synechococcus elongatus PCC 11801 も報定の物質生産においても優れた結果を出してい

告されている 8)。今後は、これらの高速増殖株がるが、これまであまり注目されてこなかった遺伝

単なる生産量のレベルアップに使われるだけで子ソースとしての利用価値も検討に値すると思なく、基礎技術の開発研究にももっと使われていわれる。

くようになると思われる。海洋性では、Syc7002の光合成増殖は倍加時間約 4 h と非常に速いが、3. 株の選定

その近縁株（Synechococcus sp. PCC 11901）はもっシアノバクテリアの培養株の選定は重要であと高速増殖（倍加時間約 2 h）といわれている 9)。

る。表１は、物質生産に使用される代表的な株をまた戸外で培養できる Arthrospira platensis は食示す。これらの株は窒素固定をしないため、その用や色素生産などに実用化されているが、形質転光合成増殖（生産）は大同小異と考えられるが、換が容易でない。そのため、類似の戸外培養が可代謝物フローやストレス耐性などさまざまな特能でしかも形質転換できる株として Leptolyngbya

徴は株ごとに異なっている可能性がある。モデル

sp. BL0902 も報告されている 10)。好熱性シアノバ生物とその派生株、カスタムに選抜した株がある

ク テ リ ア と し て 広 く 使 わ れ て い るが、それぞれに得失がある。Syn6803 株に代表さThermosynechococcus elongatus BP-1 も形質転換でれるモデル株はこれまでの膨大な情報の蓄積がき、戸外培養が可能である 11)。

あり、すでに整備されたツールやコンストラクト、

表には窒素固定型は示していないが、糸状性の変異体を活用することができ、多重改変した生産

Anabaena sp. PCC 7120（以下 Ana7120）は窒素固株を効率よく構築することが出来る 6)。また、モ定とヘテロシスト形成などを中心によく研究さ

デ ル 株 で も 塩 耐 性 が 比 較 的 強 い Syn6803 やれているモデル株であり、その近縁株も含めて水Synechococcus sp. PCC 7002（Syc7002）株は海水素生産の優れたプラットフォームである 12)。
ヘテ

もしくはその派生培地で大量培養が可能である。

ロシスト細胞は厚い細胞壁と呼吸系の発達、光化

一方、モデル株の派生株のうち、光合成生産（光学系Ⅱ選択的失活によって、細胞内を嫌気に保つ

合成増殖）にすぐれたものはモデル株の資産を活ことができる。このような特徴を利用する物質生用しつつ、生産力を向上させるプラットフォーム

産も報告されている 13)。

として注目されている。また、近年優れた新株が4. 物質生産の例

単離されると、そのゲノムや遺伝子発現などの解析がなされ、データがすみやかに利用可能になる

シアノバクテリアでの物質生産はこの１０年ことが多い。また、近縁株の比較によって生産性ほどでそれなりのレベルに到達している（表 2）。

の違いの原因を特定することも可能になる。

今後の課題は、シアノバクテリア固有の一般的なたとえば、Synechococcus elongatus PCC 7942

対策の開発である。たとえば、光合成の活性増強、(Syc7942)と近縁な Synechococcus elongatus UTEX

代謝経路の最適化、競合経路の排除、生産物の毒2973（SycUTEX2973）は高速増殖を目印に UTEX

235

光合成研究 29 (3) 2019

表2. シアノバクテリアの光合成による物質生産の例

物質

株

生産量

文献

エタノール

Syn6803

5.5 g/L

Gao et al. 2012 15)

Syc7942

2.38 g/L

Oliver et al. 2013 29)

Syc794212.6 g/L*

Kanno et al. 2017 30)

Syn6803

2.39 g/L

Chin et al. 2019 24)

Syc7942

2.6 g/L

Ducat et al. 2012 18)

SycUTEX2973

3.3 g/LSong et al. 2016 40)

2,3 ブタンジオール
ソルビトール
スクロース*光混合栄養条件

性の回避などがある。以下に代表的な例をいくつなることがある。Zymomonas は通性嫌気発酵によか挙げて、改善と今後の課題を述べる。

るエタノール生産を利用しているため、一部の酵

エタノールやブタノールなどの低分子アル素は酸素感受性といわれている。一方、窒素固定

コール、アルデヒドはおもにピルビン酸などの中型糸状性シアノバクテリア Ana7120 のヘテロシ

央代謝経路から供給される。エタノール生産を例

スト細胞は酸素感受性のニトロゲナーゼを安定に取ると、外来の耐熱性エタノール生産細菌に発現できるように、藻体が光合成をしていると(Zymomonas mobilis)由来のピルビン酸デカルボ

きもヘテロシスト細胞内を嫌気に保つしくみをキシラーゼとアルコール脱水素酵素（ADH）を導もっている。これを利用して、ヘテロシスト固有14)。
一般にシアノバクテのプロモータで Zymomonas の酵素を発現させる

リアの内在酵素より高活性の外来酵素の発現のことで、エタノール生産性が増強されている 13)。

ほうが物質生産に適していることが多い。ところ

シアノバクテリアの光合成の初期主要産物はが、ADH の場合は、Syn6803 内在の Slr1393/ADH糖であるが、糖の生産工学を詳しく検討した例はの発現増強によってエタノール生産は約 10 倍上

あまりない。その中で、Ducat らは塩ストレスに昇した。酵素の特性を調べると、ADH 活性自体応答した適合溶質としての糖（スクロース）生産

は Zymomonas の酵素のほうが約 100 倍も高いが、を報告している 18,19)。たとえば、Syc7942 に大腸

基質特異性が NADH 要求型であるのに対し、内菌のスクロース輸送体 CscB を導入し、150 mM

在酵素は NADPH 要求型であるためと考えられ程度の NaCl ストレスで、致死的ではないがスク入することで実現された

る

15)

。
還元力は物質生産一般の重要な基質である

ロース合成の誘導と組み合わせると、CscB によが、NADH 供給が優占する大腸菌などの多くの細る排出のおかげで、細胞内にはスクロースはあま菌とちがって、シアノでは葉緑体と同様にり蓄積せず、他の競合経路の破壊などと組み合わ。このせることで最大 36mg sucrose L–1 h–1 の生産を３日NADPH はシアノバクテリアの多くの代謝経路で間持続できる（計 2.59g/L に相当）。CscB はスクも消費される。この競合経路をフラックス解析に

ロースとプロトンの共輸送体なので、増殖で培地よって推定し、シアノバクテリアの光合成の環状を酸性化する多くの細菌では取込みにはたらき、

電子伝達に関与する NdhF を破壊することで、エ重炭酸イオンを取込み増殖するシアノバクテリ

NADPH 濃度が高いことがわかっている

16)

タノール生産の増強に成功した例もある

17)

。な

アでは培地をアルカリ性に傾かせるので、排出にお、シアノバクテリア固有の NADPH やフェレド向いている。この生産は NaCl によって誘導されキシンを介した還元力供給の実態と改変の研究

る細胞本来の生理的応答であるため、光合成の阻はまだ不十分で、さまざまなアプローチで評価す害は見られず、むしろ光化学系Ⅱの量子収率が増る必要がある。一方、外来酵素の安定性も問題と加した。つまり、スクロースの排出は光合成のシ236

光合成研究 29 (3) 2019
ンクとして有効にはたらくことが示された 5)。多成増殖は明らかに抑制されたが、ソルビトールリ

くの物質生産では、生産された物質によるフィー

ン酸還元酵素を共発現するとその抑制が解除さ

ドバック阻害によって光合成活性が低下するこれた。これは特異性の低い酵素であっても、基質と（シンク律速）が知られている。今後、光合成供給など連動する反応と組み合わせることで、前活性の増強を目指すためには、このようなシンク

者の欠点を補えることを示しており、興味深い。

律速のかからない生産系を構築する必要がある。

後でも述べるように、合成生物学の進展によって、

糖アルコールは炭酸固定経路の産物である糖新しい酵素や代謝経路が次々と開発される時代を還元してつくられるので、糖生産のバリエー

では、このような組合せで欠点を補えるという事ションともいえる。これまでマニトール、エリス

例は参考になると期待される。

リトール、ソルビトールなどの生産が報告されている

20,21,22)

脂肪酸、アルカンなどの長鎖炭化水素をもつ物。これらは糖リン酸の還元酵素とホス質の生産においては、アシル–アシルキャリアタ

ファターゼの組合せでつくられる。還元力の供給

ンパク質（ACP）などを出発物質とする。たとえとしての NADH 依存型酵素ではソルビトール生

ば、脂肪酸生産においては、アシル-ACP 合成酵産はみられず、NADPH 依存酵素で生産されるこ素を破壊して脂肪酸の再利用を止めることと、大とは、エタノール同様にシアノバクテリアの細胞腸菌などのチオエステラーゼの導入によるアシ内の NADPH の優占を示している。ソルビトール

ル−ACP の加水分解によって実現される。また、生産におよぼす還元力供給の増強法として、酸化

脂肪酸は細胞内に蓄積するので、細胞外への排出的ペントースリン酸回路の酵素の増強や環状電も重要なステップである 25)。一方、Schirmer らは子伝達成分の破壊、光化学系Ⅰの電子受容側の酸

シアノバクテリアが本来もつ炭化水素合成能に化経路の破壊などいくつか試みたが、増産効果は着目した 26)。
多くのシアノバクテリアのもつアル見られなかった。一方、エネルギー依存型トラン

デヒドレダクターゼとアルデヒド脱ホルミル化

スヒドロゲナーゼの遺伝子を増強したところ、増オキシゲナーゼを用いて上述のアシル−ACP を脂産効果はあったが、細胞内 NADPH 量の明確な増肪酸アルデヒドに還元し、これを脱ホルミル化す強は見られなかった。そもそも光合成状態でることで C15 および C17 のアルカン、アルケン

NADPH 量が優占しているので、これをさらに増類を生産する。これらの生産系を強化することで、強することは容易でないと思われるが、評価系を光合成による長鎖炭化水素の生産が実現されて整備して還元力供給をさらに詳しく検討しなけいる 26)。しかし、これらの酵素の発現も活性は十ればならない。ソルビトール生産では、カルビン

分ではなく生産を律速している。そのため、活性回路の律速酵素フルクトース 1,6 ビスホスファの高い酵素の探索やエンジニアリングによる活ターゼの増強でも増産効果がみられており、糖生性増強に注力されている 27)。上記の 2 つの酵素

産の増強につながったかもしれない。糖アルコー

は長鎖の疎水性基質をやりとりするため、酵素間ル生産に必要な糖アルコールリン酸ホスファ

で特別な受け渡し（チャネリング）をする可能性

ターゼは同定されていないことが多い。我々が採がある。今後は両者の組合せの最適化も検討する用したリンゴのソルビトール生産の場合も、その必要がある。

ホスファターゼ活性は確認されているが、その酵

なお、トリグリセリドの生産量では、緑藻など

素は同定されておらず、もちろん遺伝子も不明での真核藻による生産がよく研究されている。多くある。我々は未知のソルビトールリン酸ホスファの場合、増殖段階に応じて光合成増殖からトリグ

ターゼを、細胞内で発現する特異性の広い一群のリセリド蓄積に変換され、特定の脂肪顆粒としてホスファターゼから見いだし 23)、
これをシアノバ蓄積される。このような現象は真核細胞に固有で、クテリアに発現することでソルビトール生産のシアノバクテリアではこのようなしくみは知ら増強に成功した

24)。おもしろいことに、この特異れていない。しかし、脂質顆粒に蓄積するタンパ

性の広いホスファターゼだけを発現すると、光合ク質のホモログがシアノバクテリアにも存在す

237

光合成研究 29 (3) 2019
ることがわかってきている 28)。
このようなタンパ

産の要となるピルビン酸の供給に深く関わって

ク質の改変で脂質顆粒の形成を操作することがいる。今後はこれらのシアノバクテリア固有の経できれば、シアノバクテリアにおける油脂物質の路が改変の対象となるかもしれないが、手っ取り生産制御の展望も開けてくるかもしれない。

早い生産系の構築では考慮しておく必要がある。

なお、表２には、2,3 ブタンジオールの生産となお、上記の酸化的ペントースリン酸経路やリンして、光合成によるもの（2.38 g/L）と光混合栄養

ゴ酸酵素だけでなく、クエン酸回路のイソクエン

条件によるもの（12.6 g/L）も示す 29,30)。戸外培養

酸脱水素酵素も NADP+特異的であり、細胞内のや自然光を利用する場合は、光混合栄養での生産

還元力供給が限りなく NADPH に集約されていも重要であり、ここでは絶対光独立栄養のることも特筆に値する。

Syc7942 に糖輸送体を導入して実現されている。

シアノバクテリアのクエン酸回路では、2-オキ

しかし、本稿ではあくまでも光合成生産の観点か

ソグルタル酸脱水素酵素が欠けていることはよら考えたい。その意味では、表２に示す生産量はく知られている。近年、このステップに、別の酵

グラムオーダーで、光混合栄養条件や大腸菌など

素セット（2-オキソグルタル酸デカルボキシラーの従属栄養での生産に近づけるためには、さらにゼとコハク酸セミアルデヒド脱水素酵素）やγ-

光合成の増強（後述）などさまざまな改良が今後

アミノ酪酸を介する経路の存在も指摘されてい必要であろう。

る 35,36)。しかし、上記のフラックス解析によれば、
2-オキソグルタル酸→コハク酸の間のフローは

5. 光合成代謝のフラックス解析

非常に小さく、2-オキソグルタル酸はおもにグル主要な代謝経路であるカルビン回路（カルビン

タミン酸の供給源となっている 32,34)。このように

ベンソン回路）や酸化的ペントースリン酸経路、

フラックス解析と他の解析を組み合わせること

解糖系、クエン酸回路などの代謝物の流れはで、より深いシステムの構築が可能になると期待

13

される。

CO2 や 13C-グルコースを用いてさまざまな培養条件で解析されている。初期の解析は 13C-グル
コース代謝を Syn6803 暗所と明所で比較し、前者

6. 光合成活性の増強

で酸化的ペントースリン酸経路が主要な経路でエンジニアリングによる光合成の増強は物質あること、後者ではルビスコによる CO2 固定が生産の要であるが、光合成遺伝子の単純な増強で大きく、またリンゴ酸酵素などの経路が大きいこ

は簡単には実現できない。呼吸の場合は、呼吸基とを見いだしている 31)。その後、光独立栄養や光質や酸素はおおむね十分にあって、呼吸活性はエ

従属栄養などでのフラックス解析も多くされてネルギーの需要によって制御される。これに対し、いる 32,33,34)。光従属栄養ではグルコースはおもに光合成の場合は、需要（光合成産物の消費＝シン

酸化的ペントースリン酸経路を介して NADPHク）も重要であるが、光エネルギーという外力に生産に使われ、産物のペントースリン酸は再びグ

よって駆動されているため、過剰なエネルギーはルコース 6 リン酸に戻されている。また、グリセ

傷害（光阻害）を引き起こす。また、エネルギー

ルアルデヒドリン酸脱水素酵素は解糖系のものだけを取り出す呼吸はエネルギー消費反応と独（GAP1）と光合成のもの（GAP2）があるが、フ立しているが、光合成では代謝物の供給も光合成

ラックス解析によれば前者が光従属栄養ではたが担っており、さらに明反応は光化学系Ⅰと系Ⅱ

らき、後者は光混合栄養や光独立栄養ではたらいの連携で成り立っている。そのため光合成の制御ている。また、リンゴ酸酵素はピルビン酸供給のは非常に複雑にならざるを得ない。したがって、

主要酵素であり、クエン酸回路を逆に回してリン光合成の調節系や過剰な光エネルギーを解消す

ゴ酸脱水素酵素で NADH を消費し、リンゴ酸酵る因子の増強や破壊はさまざまな物質生産に取素で NADPH に変換していると思われる。このよ

り入れられているが、まだ統一的な理解には至っうなシアノバクテリア固有の代謝経路は物質生

ていない。

238

光合成研究 29 (3) 2019
需要の律速（シンク律速）になると、入力の光エネルギーが過剰になるため、光阻害を起こさな

参考文献

いように光合成装置を減らし、それでも過剰にな1.

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るエネルギーを捨てるようになる。シアノバクテ

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リアの液体培養で増殖が静止期に到達すると、光2.

合成色素が減少し、光合成活性が大幅に低下する

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のもっとも活発に光合成をしている細胞を材料

3.

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としてきた。しかし、上記のスクロース生産やエin cyanobacteria. J. Appl. Microbiol. 119, 11–24.

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高く保つ現象は、シンクの創出によって実現され

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シアノバクテリアでも炭酸固定回路の律速は6.

ルビスコといわれており、ルビスコの発現強化がtranscriptional

生産性に貢献するという報告もある 26)。また、カ7.

スホスファターゼや回路の他の酵素の増強によ。また、ルビスコとは別の炭酸固定経路

Yu, J., Liberton, M., Cliften, P.F., Head, R.D., Jacobs,

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ピオン酸バイサイクル経路による炭酸固定が、(2018)

Syc7942 に導入されている 38)。このような新規経

Genomefeaturesandbiochemical

characteristics of a robust, fast growing and naturally

路の高機能化が実現すれば、ルビスコに起因する

transformable

光呼吸による損失の回避や CO2 濃縮機構による

cyanobacterium

Synechococcus

elongatus PCC 11801 isolated from India. Sci. Rep. 8,エネルギーの消費の抑制なども可能になるかもしれない

cyanobacterial

Pakrasi, H.B. (2015) Synechococcus elongatus UTEXを構築する試みもある。一例は、緑色非硫黄細菌

39)

for

J.M., Smith, R.D., Koppenaal, D.W., Brand, J.J. andる促進も報告されているが、まだ検討は不十分である

systems

biotechnology. Front. Bioeng. Biotechnol. 2, 40.

ルビン回路の律速酵素であるフルクトース 1,6 ビ

20,37)

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謝辞

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本稿は、筆者の思い込みもあって、多くの引用

doi.org/10.1101/684944.

すべき研究や貢献を言及していない可能性があ

10.. Taton, A., Lis, E., Adin, D.M., Dong, G., Cookson, S.,

ります。このような不備に関して、関係者の方々

Kay, S.A., Golden, S. S. and Golden, J.M. (2012) Geneには陳謝します。最後に本記事を書く機会をいたtransfer in Leptolyngbya sp. strain BL0902, a

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Masahiko Ikeuchi
Graduate School of Arts and Sciences, The University of Tokyo,
Faculty of Education and Integrated Arts and Sciences, Waseda University241

光合成研究 29 (3) 2019

トピックス
光合成型複合体 I がフェレドキシン依存的に循環型電子伝達を行う構造
基盤‡

1
2

大阪大学・蛋白質研究所

横浜市立大学・大学院生命医科学研究科
3

Max Planck Institute of Biochemistry
4

Ruhr University Bochum

栗栖 源嗣 1*、田中 秀明 1、小沼 剛 2、池上 貴久 2、Jan M. Schuller 3、Marc M. Nowaczyk4
循環型光合成電子伝達を担う膜タンパク質複合体のうち光合成型複合体Ｉ（NDH 様複合体：NDH1L）に着目し、その構造-機能相関の解明に取り組んだ。まずクライオ電子顕微鏡により光合成型 NDH1Lの立体構造を 3.3 Å 分解能で明らかにした。次に、NDH1L の可溶性領域に存在する NdhS サブユニッ
トを組換え体として別途調製しＸ線結晶構造解析すると共に、NMR の化学シフトパータベーション法
により、Fd と NdhS の相互作用部位を検証することができた。NMR 解析により想定される NDH1L の
Fd との結合様式は PS1 とは大きく異なり、FNR との相互作用に近く、末端領域を釣り糸のように使う“fly-casting”型の相互作用が確認された。これにより世界で初めて Fd が NDH1L の電子供給元となる構造基盤を実証した。
植物や藻類が行う光合成反応のうち光に依存

光合成型複合体 I と呼ばれる NDH 様複合体

する電子伝達は、チラコイド膜上の複数の膜蛋白（NADH dehydrogenase-like complex I: NDH1L）は、質複合体で還元力が供給され、可溶性の電子伝達

シアノバクテリアや高等植物に見出されており、蛋白質と脂溶性のキノンを介して電子が伝達さPS1 により励起された電子をストロマ空間かられる。光合成電子伝達には、直鎖型と循環型の 2

チラコイド膜に循環させる働きを担っている 2,3)。

種類存在することが知られており、直鎖型電子伝

この電子の循環に伴い、プロトンをストロマ側か達（Linear Electron Flow: LEF）では、光化学系 IIらルーメン側に汲み出すプロトンポンプとしてと光化学系 I（PS1）とが直列に連結されて、も働いている。光合成型 NDH1L は呼吸鎖のNADPH の還元と ATP 合成を駆動する一方で、NADH 脱水素酵素複合体（呼吸鎖 NDH）と構造

循環型の電子伝達（Cyclic Electron Flow: CEF）で的に類似していることが知られているが、可溶性

は、PS1 によってのみ駆動力が供給され ATP の部位の末端に位置する N-モジュールと呼ばれる合成にのみエネルギーが利用される 1)。植物や藻

電子取り込み口（NuoE、 NuoF と NuoG）を欠損

類は、直鎖型と循環型の電子伝達を絶妙に調節すしている。この N-モジュールは NADH の脱水素ることで、酸素発生型光合成を日々摂動する動的反応（酸化反応）を行うサブユニットであり、8な光環境に適応させて生活していることがわ

つある鉄硫黄クラスターのうち 5 つが含まれてかっている。

いる 4)。すなわち、光合成型 NDH１L は呼吸鎖
NDH とは全く異なる電子の取り込み口をもつ必‡第 10 回日本光合成学会シンポジウム*連絡先 E-mail: gkurisu@protein.osaka-u.ac.jp242

光合成研究 29 (3) 2019
要があるのである。また、光合成型 NDH１L のており、プロトンをポンプする仕組みは呼吸鎖とプロテオーム解析から、光合成特有のサブユニッ

光合成で共通であると考えられる。一方で、NdhQ

トが少なくとも 8 種類存在することもわかってと NdhP の二つのサブユニットは、小さな膜貫通

いた 5-11)。おそらくフェレドキシンに依存して電ヘリックスで、近傍に β-カロテンや脂質分子を子が供給されるであろうと考えられていたが、直伴っていた。おそらく疎水性のキャビティーを形

接的な証拠はなく、その構造基盤も明らかになっ成するフェンスとして機能しているのではないていなかった 12, 13)。

かと考えている。

今回、我々は好熱性シアノバクテリア

次に、可溶性サブユニットの構造を見ていこう。

Thermosynechococcus elongatus から結晶化用に改前述の通り、光合成型 NDH1L には N-モジュー

良した Twin-strep タグを用いて光合成型 NDH１ルと呼ばれる NADH 酸化部位が存在しない。N-L を精製し、そのクライオ電子顕微鏡構造を 3.3

モジュール以外の Q-モジュールと呼ばれるキノÅ 分解能で決定した 14)。NdhV サブユニットを除ン還元部位には、呼吸鎖 NDH と相同なサブユ

く全てのサブユニットの配置を決定することにニットが４つ存在する（NdhH、 NdhI、 HdhJ と成功した（図１）。光合成型 NDH１L は、可溶性

NdhK）。Q-モジュールには 3 つの[4Fe-4S]クラス

サブユニットで電子を受け取り、チラコイド膜中

ター（分子表面から N6a、 N6b、 N2）を保持しのキノンへと伝達したのち、キノン還元と共役している。この４つの呼吸鎖 NDH と相同なサブユてプロトンをポンプすると考えられる。膜貫通領

ニットを取り囲む様に、光合成型特有のサブユ域の構造を見てみると、光合成特有のサブユニッ

ニット４つ（NdhM、 NdhN、 NdhO と NdhS）がトは NdhQ、NdhP と NdhL の 3 つだけで、それ以結合して Q-モジュールの分子表面を特徴的に外の膜貫通サブユニットの構造は全て呼吸鎖チューニングしていた。特に N6a の[4Fe-4S]クラNDH と基本的に相同であった。呼吸鎖 NDH でスターの近傍には、NdhK、 NdhI と NdhS により

プロトンポンプ機構に重要であると言われてい形成されるプラスに帯電した塩基性パッチが存るアミノ酸残基は膜貫通領域中に全て保存され在し、酸性蛋白質である Fd との相互作用を示唆

図1．光合成型NDH1Lの全体構造
電子顕微鏡構造（左）と電子伝達およびプロトンポンプに重要な保存領域（右）。

243光合成研究 29 (3) 2019する。最近の Arabidopsis thaliana や Synechocystis

子顕微鏡でもＸ線結晶解析でも構造モデルを構

sp. PCC 6803 を使った機能解析の結果から、可溶築できていない領域であった。そこで、光合成型性のサブユニット NdhS が電子伝達に重要である

NDH１L は NdhS サブユニットの C 末端領域をことが示唆されていた 12, 13)。しかし、NdhS は補

fly-fishing の casting の要領で Fd を N6a クラス

欠分子族を持たず、どのように CEF 反応に関与

ター近傍へリクルートする結合モデルを提唱ししているのかは不明であった。そこで、我々はた（図３）。このようなフレキシブルな末端構造

NdhS の組替え体を作成し、クライオ電子顕微鏡を用いた Fd の結合は高等植物の FNR にもみら

構造解析とは別に単体 NdhS の高分解能Ｘ線構造

れる結合様式であり、速い電子伝達反応に重要な解析と NMR を用いた機能解析を行った。

様式かもしれない 15)。

まず T. elongatus 由来 NdhS の組換え体を大腸

我々は NdhS サブユニットの高分解能結晶構造

菌発現系により調製し、NdhS 単体の結晶構造をを用いて、Protein Data Bank 中の類似構造を検索

1.90 Å 分解能で決定した。この構造は光合成型した。その結果、大変興味深いことにアミノ酸配NDH１L の電子顕微鏡構造中にある NdhS の構造

列の相同性はないにもかかわらず３次元構造がとほぼ同一で、単独で発現させても NdhS は立体

最 も 似 て い る エ ン ト リ ー と し て Ferredoxin-

構造を保持していることを確認した。次に、安定

Thioredoxin Reductase (FTR)の V サブユニットと同位体 15N で標識した Fd に対し、組換え NdhS

PS1 の PsaE サブユニットがヒットした。FTR:Fd

を滴定して化学シフトの変化を観測した。図 2 に（PDB ID: 2PUK）および PSI:Fd（PDB ID: 5ZF0）

示す通り、NdhS は FNR と一部重複する領域を利の共結晶構造は既に報告されているので、これら用して Fd と結合することが確認された。さらに共結晶構造を鋳型として、NdhS:Fd の複合体構造

15

逆に N 標識した NdhS へ非標識の Fd を滴定す

を計算機上で予測してみた。大変興味深いことに、る実験も行い、NdhS 側の相互作用領域も検討し予想構造は 2 つともよく似ていて上述の NMR 構

た。その結果、NdhS の C 末端領域が Fd との相造解析の結果を十分に満足するものであった（図互作用に最も用いられていることが確認された。

４）。さらに我々は Wolfgang Lubitz 教授(Max

NdhS の C 末端領域は構造が柔軟で、クライオ電

Planck 化学エネルギー変換研究所)、Pierre Setif 教

図 2 ． [15N]-Fd を用いた NMR による
NdhSとの相互作用解析

244

光合成研究 29 (3) 2019

図3．光合成型NDH1Lの想定されるFd結合部位
分子表面（左）と[15N]-NdhS を用いた NMR による Fd との結合様式（右）。

授（CEA パリ大学 Saclay）との共同研究として、

NDH へと進化し，Q-モジュールを改変すること

高速吸収分光と ESR 分光解析を個別に計測するで Fd-依存性を強化して光合成型 NDH１L へとことにより、分光学的にも独立に Fd と光合成型進化したのであろう。最も進化した高等植物の場

NDH1L 間の電子伝達をモニターすることに成功

合に，光合成型 NDH1L に特有の小さなサブユ

した。我々は光合成型 NDH1L の NdhS サブユ

ニット（NdhP，NdhQ）が PS1 との超複合体形成

ニットが Fd を引き寄せて結合させ、可溶性領域に重要な役割を担っている可能性も指摘しておにある鉄硫黄クラスターN6a を介して電子をチきたい。今後，高等植物由来の NDH1L:PSI-LHCI

ラコイド膜に循環させてキノンを還元する仕組

超複合体の構造が明らかになれば，機能がよくわ

みを突き止めた。

かっていない NdhP や NdhQ の役割についても，

最後に、一連の構造解析の結果を分子進化の観

その疑問が解消するであろう。本研究を進める上点で議論したい。光合成型 NDH１L と呼吸鎖

で、NDH1L と NdhS,Fd の精製には三角裕子、濱NDH の共通構造である Q-モジュールの最小機能

岡紀之両氏の協力があった。深く感謝申し上げる。

ユニットは，古細菌由来ヒドロゲナーゼとの共通点が多い。古細菌由来ヒドロゲナーゼに近い共通

Received Nov 28, 2019; Accepted Dec 8, 2019; Publishedの祖先型酵素は，N-モジュールを獲得して呼吸鎖

Dec 31, 2019.

図4．FdとNdhSとの予想複合体構造FTR を鋳型にした場
合（左）と PS1 を鋳型にした場合（右）。
Fly casting モデルで利用されるフレキシブル
な C 末端は点線で表
している。

245

光合成研究 29 (3) 2019
参考文献

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Takahisa Ikegami2, Jan M. Schuller3, Mark M. Nowaczyk4
1 . Institute for Protein Research, Osaka University
2 Graduate School of Medical Life Science, Yokohama City University
3Max Planck Institute of Biochemistry
4Ruhr University Bochum246

光合成研究 29 (3) 2019

表紙の紹介

緑藻 Chromochloris zofingiensis の光合成スイッチ機構の解析
Lawrence Berkeley National Laboratory
Molecular Biophysics & Integrated Bioimaging Division
岩井 優和

表紙は、従属栄養状態下の緑藻 Chromochloris zofingiensis を構造化照明顕微鏡（Structured
Illumination Microscopy）を用いて取得した超解像度ライブセルイメージング立体画像のモンタージュである（細胞の表面から中心への光学切片を左上段から右下段にかけて順に示す）1)。赤色はクロロフィル、緑色は BODIPY 染色した脂質体を示す。2017 年の全ゲノム解析によって 2)、C.
zofingiensis の遺伝子解析ツールが整い、光独立栄養状態から従属栄養状態に移行する際（光合成
スイッチ機構）に生じる様々な表現型の解析に本研究室では取り組んでいる。その表現型の一つに、従属栄養状態下で大量の脂質体を生成することに焦点を当てた解析を進めている 3)。さらに
C. zofingiensis は、光独立栄養状態から従属栄養状態に移行する際、細胞が巨大化し、大量のアス
タキサンチンを細胞内に生成する。変異体スクリーニングによって得られたヘキソキナーゼ変異
株では、これらの表現型を示さないことが分かった 4)。今後は遺伝子発現解析やタンパク質網羅的解析によって従属栄養状態時に起きるより詳細な代謝機構の解析を行い、C. zofingiensis の光合成スイッチ機構の解明を目指す。（裏表紙は、クロロフィル蛍光のみを示した同じモンタージュ
画像の一部）。

参考文献
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247

光合成研究 29 (3) 2019

特別企画：若手研究者の海外留学レポート！

第８回「ウィスコンシンでの一次代謝研究」
University of Wisconsin-Madison
横山 諒「ウィスコンシン州」と聞いたとき、それが広い北米大陸のどこに位置するか分かる方は、ほぼいないのではないでしょうか。北米大陸のほぼ真ん中に位置する五大湖の左側（正確にはミシガン湖の西側）にウィスコンシン州
はあります。そしてその位置を知ると「寒そうだね」という返事が大抵返ってきます。当たりです。とてもとても
冬は寒いです。
2018-19 年の冬は-34 度
まで気温が下がりました。そんな冬は
南極よりも寒くなるウィスコンシン
州の州都マディソンで、私は学位取得
後 2017 年 4 月よりポスドクとして研究をしています。本稿では、ウィスコ
ンシンに赴任するまでの経緯や、現在の研究と生活について紹介したいと
思います。

写真

ハロウィンの日に降った大雪に喜ぶ娘 2 人

１．留学先を決めるまで
私は、京都大学理学研究科の鹿内利治先生の下で、シロイヌナズナを用いた光合成とチラコイド構造の研究で学位を取得しました。学位取得後の進路を考え出したのは D2 の夏あたりです。
学位取得後も願はくば研究の世界で生きていきたいと思っていた私にとって、ポスドク先候補を探すことは、これから十数年何を研究していきたいかという long-term goal を考えることと同義でした。鹿内研は光合成の生理学や分子遺伝学、生化学を習得するには絶好の場所でしたが、「このまま光合成（電子伝達や集光の制御、チラコイドなど）の分野で生きて行くべきか、それとも思い切って異分野に飛び込むのがいいか」の問いに答えを出すのに時間をかけました。結果的には、研究分野を変えるなら学位取得直後のタイミングがいい、分野を変えればこれまで誰もしてこなかった独創的な研究がしやすい、という先輩方のアドバイスを受け、研究分野を変える決心をしました。当時から私の一貫した研究の興味は葉緑体でしたが、同時に GC-MS や安定同位体を用いた最先端メタボロミクス技術にも興味がありました。よくよく文献を調べると、光合成（特に光化学反応）とアミノ酸合成などの一次代謝は同じ葉緑体で行われているにもかかわらず、それらの研究は独立に行われ、結びつきが弱いと感じました。そのため、一次代謝を研究するのに必要な知識や技術をポスドク期間中に身につけることで、双方の分野を熟知した研究者として新たな研究を将来推し進めることができるのではと考えました。以上の経緯から、ポスドク先候補としてメタボロミクス技術やそれに付随する酵素学を学べる場所を探し始めました。また博士課
程当時、すでに結婚し子供もいたため、家族で住むのに十分な治安・教育レベルというのも重要なファクターでした。文献や様々なラボの HP を見た結果、ドイツ・ポツダムにあるマックスプラ
ンク研究所と、アメリカ・ウィスコンシン大学の Hiroshi Maeda 博士の研究室が最後の候補として248

光合成研究 29 (3) 2019

残りました。前者は、言わずと知れた植物メタボロミクス分野のメッカで、HP を見る限り多くの研究者が在籍しているビッグラボですが、分野を変わる人間にとってボスとの十分なディスカッ
ションの時間がとれるかどうかに不安があり、また生化学・酵素学よりもメタボロミクスの技術開発に力を入れている印象でした。そのため、より生化学・酵素学に研究の軸を置く後者の Maeda
博士のラボを第一希望としてコンタクトを取りました。それが D2 の冬、2016 年 1 月のことです。
幸運なことにその年の植物生理学会に Maeda 博士が参加するとのことでしたので、学会中に会い、受け入れが決まりました。その後、JSPS 及び上原記念生命科学財団のサポートを受けて 2017 年
春からアメリカにて研究を始めています。

２．ウィスコンシンでの研究活動
名前からご想像できる通り、Maeda 博士は日本出身の方で、大阪大学で修士号を取得後、植物の Tocopherol（ビタミン E）研究でミシガン州立大学で博士号を取得されています。ウィスコンシ
ン大学植物学部に Maeda lab ができたのは数年前のことで、ラボの規模は学生・ポスドクが 2-3 人ずつという小規模なグループですが、すでにいくつものハイインパクトな論文が出されており、とても生産性の高いラボだと感じています。2 週間に一度 Maeda 博士との 1 対 1 のミーティングがあり、進捗報告や実験計画の相談のほかに、実験上の些細な質問も気軽にできるのが高い生産性に繋がっているのだと思います。ミーティングでは必ず Maeda 博士から What’s your plan/idea?
と自分の考えを聞かれ、Maeda 研では様々な面で学部生からポスドクにいたる全員が independentになるよう強く求められます。しかし、その分 Maeda 博士からのサポートも手厚く、親身に実験・キャリアの両面で相談にのってもらえるため、独立した研究者を目指すには最良の環境だと感じています。また、ラボメンバーは勿論日本語話者ではないため、Maeda 博士とのコミュニケーショ
ンは 2 人だけの状況でも全て英語で行なっており、英語力という面でも鍛えられる環境です。京大鹿内研ではラボミーティングを英語で行ったり、多くの外国人研究者との一対一ミーティング
をセッティングしていただけたりしたおかげで、ある程度は英語でのコミュニケーションも最初からスムーズにできました。ただ、英語力という面ではまだまだ精進が必要だと感じています。
現在ラボのメインテーマは、植物におけるシキミ酸経路及びそれに続く芳香族アミノ酸（チロシン・フェニルアラニン・トリプトファン）合成経路についてです。植物シキミ酸経路は葉緑体に局在し、光合成によって固定された炭素源の最大 30%もがシキミ酸経路に流入し、膨大で多種多様な芳香族アミノ酸由来の二次代謝産物を作り出します。植物細胞壁の主成分であるリグニン、
電子伝導に必要不可欠なプラストキノン・ユビキノン、植物発生のマスターレギュレーターであるオーキシン、その他様々な植物ホルモンや生理活性物質を含む芳香族二次代謝産物の合成はす
べてこのシキミ酸経路を経由します。そのため、光合成由来の炭素源が如何にしてシキミ酸経路へと流入するか、その制御機構を理解することは植物由来の有用芳香族化合物の代謝工学にとどまらず、光合成や発生といった植物の生理機能の多面的な理解に繋がります。現在私は in vitro での酵素活性測定を中心に、分子遺伝学やメタボロミクスを組み合わせてこの課題に挑んでいます。

３．Maeda 研でよかった点
現在ラボ在籍 3 年目ですが、とても有意義なポスドクライフを過ごしています。その理由は主に 3 つあり、1 つ目の理由は当初思い描いていた通りのことができている点です。これまで HPLC
や GC-MS の使用経験はありませんでしたが、研究室が所有しているものを使用でき、かつ小さいラボであるため気兼ねなく Maeda 博士やラボメンバーに不明な点を聞けるため、新しい技術を効率よく吸収できています（まだまだ精進が必要ですが……）。もちろん鹿内研時代に鍛えられた
シロイヌナズナの分子遺伝学や生化学も現在の研究に活かせています。2 つ目の理由は、研究分
野が変わったことによって様々な恩恵を受けていることです。ラボメンバーは代謝やその周辺分
野のバックグラウンドを持つ人が多く、かつウィスコンシン大学には光合成の基礎研究をしているラボがありません。そのため、ウィスコンシン大学に着任したときから、キャンパス内でほぼ一番光合成に詳しい研究者になってしまったのです（もちろんこの記事を読んでおられる日本の優秀な光合成研究者の皆様を前にして自分が「光合成のエキスパート」だとは口が裂けても言え249

光合成研究 29 (3) 2019

ませんが……）。しかしその結果、キャンパス内では"Ryo Yokoyama = 光合成の人”と認識してもらえ、「光合成の論文でわからないところがあるんだけど、このパラメータは何を表しているの？」「自分の研究のオミクス解析で光合成に関係する xxx が出てきたけど、これってどういう機能なの？」といった質問を受けることがよくあります。Maeda 博士からも授業で話す光合成の最新の知見について質問を受けたり、最終的には Maeda 博士が受け持つ学部生・大学院生向けの講義の
うち、NPQ や D1 repair といった光合成制御の回を受け持ち、アメリカで講義デビューを果たしました。これらは、光合成に馴染みのない環境に飛び込んだおかげだと感じています。その分、しっ
かりと光合成分野の最新の知見をアップデートする必要もあるため、昔と同様に光合成関連の論文もよく読みます。最後に、Maeda 博士が各ラボメンバーの将来についてしっかりと考えてくれている点です。年 1, 2 回は必ずキャリアに関するミーティングを行い、その際には Individual
Development Plan (IDP)を予め作成し議論に望みます。IDP には、自身の長期的な目標と、それを達成するために必要な具体的な計画、過去に立てた目標の達成度などを列挙します。頭の中で漠然と考えていることを具体的に書き出す作業は時に辛いこともありますが、「何が自分の目指すゴールで、そのために何が必要で、今の自分には何が足りないのか」を把握することは非常に有益なことです。また Maeda 博士にそれら目標を宣言（？）することで、よいモチベーションの維持にも繋がります。IDP の存在は日本にいたときは知りませんでしたが、ウィスコンシン大学のポスドク組織（労働組合のようなもの）も IDP の作成を推奨しており、ある程度一般的なものなのかもしれません。私は現在光合成を少し離れて一次代謝の分野にいますが、今の分野で様々な技術や知識を吸収して、いつか光合成と一次代謝の分野を結びつけるような研究がしたいという目標を持っています。この目標には Maeda 博士も賛同してくれており、そのために何ができるか、必死に頭と手を日々動かしている最中です。

４．マディソンでの生活
冒頭でも紹介した通り、ウィスコンシン州はアメリカ中西部の最北端に位置し、マディソンは州都になります。ウィスコンシン大学マディソン校のキャンパスとダウンタウンは 2 つの大きな湖に挟まれた所にあります。そのため、キャンパスから見た湖の景色は四季を問わず綺麗です。
マディソンは大学関係者と州政府関係者が多い街なため、治安はアメリカとは思えないほどよく、
昨年はアメリカで最も子供が住みやすい街に選ばれました。物価もアメリカの海岸沿い（サンフランシスコ、LA、シアトル、NY、ボストンなど）に比べて高くはなく、特に家族連れには優しい街です。
キャンパス内には家族のいる教職員・学生用のアパート郡あり、私達家族もそこに住んでいます。家賃はそこまで高くなく、家のインターネットは学内のネットワークを使っているため、家にいながら論文を自由にダウンロードできるのが助かっています。アパート郡とキャンパス中心部は無料バスで結ばれており、寒い冬や夜遅くでも家と研究室の往復には困りません。アメリカ
海岸部やヨーロッパの大都市では物件の絶対数が少なく、かつ家賃が非常に高いため、家探しが非常にストレスフルだとよく聞きますが、ウィスコンシン大学やその他の中西部の大学は家族向
けのアパートを用意することで差別化を図り、より優秀な人材を獲得しようと努力しているようです。入居の申し込みも渡米前にオンライン上でできたため、特に私のように海外から初めてアメリカに移住してくる家族にとってはありがたかったです。またキャンパス内アパート郡には、本当に様々な国から来た家族が住んでいます。子供を外の公園で遊ばせていると、子供経由で親同士が仲良くなり、子育てからお互いの国の事情に至るまで多種多様な話ができます。それぞれ家で自国の料理を振る舞い、異文化交流をすることもしばしばです。その際に重要なのが、自分の国のことを他国の人に英語で伝えるスキルです。皆さん自分の研究分野のことなら比較的簡単に説明できますが、社会システムや文化に関係することとなるとまず単語を知らないことも多い
ため、自分の教養レベルが大切になってきます。これから海外に行く方には、自分の専門分野だ
けではない様々なトピックについて英語で勉強することを強くオススメします。
ウィスコンシンを走る車のナンバーには”America`s Dairyland”と書かれています。「酪農の国」という意味どおり、アメリカの中でも乳製品が有名な土地です。大学で開かれるレセプションなどでは必ず名産品のチーズが振る舞われたり、教職員やアパートの住人にアイスクリームが無料

250

光合成研究 29 (3) 2019

で振る舞われる Ice Cream Social というイベントが頻繁に開かれたりと、ウィスコンシンの名産を味わう機会が多くあります。もう一つのウィスコンシンの名産品はビールですが、残念ながら私はお酒が飲めないため、その美味しさは未体験です。他にも、肉類は日本よりも安いため、夏には友人たちと頻繁に家の裏で BBQ をします。渡米以来、BBQ の火起こしと肉の焼き方はかなり上達しました。
ここまでウィスコンシンでの生活のいい面を紹介しましたが、もちろん悪い面も多く存在します。その最たる例が、冬の厳しさです。この原稿を書いている 10 月末に大雪が降り、早朝には雪かきをしました。最高気温は摂氏 5℃前後、最低気温は 0℃以下です。そして真冬は-10℃以上な
ら暖かい方で、寒い日は-30℃まで下がります。そのため外出をする際は南極探検に行くような重装備で外を歩き、かつ外にいる時間は最小限にしなくてはいけません。屋内は気密性が高くセン
トラルヒーティングが働いているため問題がありませんが、小さい子供にとっては外で遊ぶことができないためストレスがたまるようです（もちろんそれに伴い親も疲弊します）。積雪量はそこまで多くはないですが、4-5 月まで雪が降ることもあるので、衣替えのタイミングにいつも悩みます。もう一つのウィスコンシン（というよりアメリカ全体）での不便な面は、健康保険料や保育園料がとても高いことです。保育園の質はとてもいいので不満はそこまでありませんが、健康保険と病院に行った際の自己負担額はとても高く、できるだけ病院に行かないように健康に気をつける日々です。家族が渡米してから半年ほどで次女が産まれましたが出産後 2 日で退院せねばならなかったり（日本だと通常 1 週間程度）、新規の病院予約が 2-3 ヶ月後しか空いてなかった
りと、病院関連ではカルチャーショックの連続です。病院や公共サービスなどではフラストレー
ションがたまることも多いため、下手な英語でも粘り強く交渉すること、そして時には潔く諦めることも求められます。

５．留学はすべき？
これまでのマディソンでの研究や生活を通して、私は学位取得後のタイミングでマディソンに来るという選択をしてとてもよかったと思っています。ただ、私のケースはコントロールのない
n=1 の実験と同じで、すべての人が海外に行くべき、すべての人が研究分野を変えるべきとは思っていません。海外に行くことが目的化してしまうと、いざ海外に行ってしまった後のモチベーション維持が難しくなってしまうでしょう。重要なのは、自分の学術的な興味、バックグラウンド、
将来の計画などに加えてプライベートな事情を考慮し、自分のベストな選択をすることです。その上で、海外に研究拠点を移したいと思うのであれば、私は心の底から応援したいと思います。
もちろん、海外・国内両方の選択肢を考慮した上で、国内に残るという選択肢を選ぶというのも素晴らしいことだと思います。一方で、英語に自信がないから、業績がないからなどという理由
で、海外で研究をするという選択肢を最初から検討しないということはとても勿体無いことです。
もし興味があるラボが海外にあるが様々な理由で悩んでいる方の精神的な障壁が少しでも低くなれば幸いです。
最後になりましたが，研究者としての基礎をご教授下さり，留学にあたり親身なアドバイスとサポートをしてくださいました京都大学鹿内利治先生と、ウィスコンシン大学での研究を支えてくださっている Maeda 博士を始めとしたラボメンバー、そして日々絶え間なく私を励ましてくれ
る妻と子供たちに心よりお礼申し上げます。

251光合成研究 29 (3) 2019

報告記事
「新光合成—光合成若手の会ジョイント若手ワークショップ 2019」
開催報告
関西学院大学理工学部生命科学科
西村 健司
今年８月２９－３０日、神戸セミナーハウスにて新学
術領域「新光合成：光エネル
ギー変換システムの再最適化」と日本光合成学会若手の会によるジョイント若手
ワークショップを開催しました。同様のジョイント若手
ワークショップが 2017 年にも開催されており（光合成研究 2017 年 12 月号参照）、今回で 2 回目でした。会場は神戸の山間に位置し、都会の喧騒からも最寄駅からも遠く離れていましたが、総勢 33 名の光合成研究に取り組む学部生・大学院生を中心とした若手研究者の方々が参加してくれました。この場を借りて厚く御礼申し上げます。一泊二日の短期間でしたが、合宿形
式（相部屋）により寝食を共にするなかで、参加者の研究交流と親睦が深まったのではないかと思います。実際、懇親会やその後のフリーディスカッションは深夜まで続き、大変賑やかなものでした。そのせいか翌朝の朝食時はとても静かでした。
プログラムは、初日が招待講演 2 題とポスター発表 14 題、2 日目が招待講演 1 題と一般口頭発
表 3 題という内容でした：
招待講演では、千葉大学の華岡光正先生、大阪大学の朝倉由香里博士、東北大学の高木大輔博士の 3 名の方々に話題提供して頂きました。華岡先生には、葉緑体生物学の中心課題の一つである葉緑体－核間のレトログレードシグナルに関して、特に光環境や概日時計に応答した光合成関連遺伝子の発現制御機構におけるプラスチドシグナルの役割についてご講演頂きました。朝倉博
士には、葉緑体遺伝子発現制御について、主にイントロンスプライシングを制御する RNA 結合タ
ンパク質の発見の歴史について、米国留学時のお話も交えて振り返って頂きました。高木博士には、光合成の観点から植物栄養学分野の未解明の現象をとらえ直す中で見出した、リン酸毒性の発症に至る分子メカニズムについて、代謝変動や細胞内ストレス状態等の詳細な解析結果と共に報告いただきました。
一方、一般口頭発表・ポスター発表では、実験材料もアプローチも様々なバラエティーに富んだ研究報告がなされました。今回が初めての学外あるいは研究室外での発表という学生の方も多く、同世代の研究者の発表や情報交換・ディスカッション等が良い刺激となったようです。また
光合成研究の学際的魅力についても知るよい機会になったのではないかと思います。
最後になりますが、日本光合成学会若手の会会長の清水隆之先生、東京大の神保晴彦先生、関西学院大の米田公平先生、宗景ゆり先生、そして新学術領域「新光合成」代表の皆川純先生には多大なご尽力を頂きました。どうも有り難うございました。

252

光合成研究 29 (3) 2019

報告記事
「藍藻の分子生物学 2019」開催報告
静岡大学
成川 礼、兼崎 友、粟井 光一郎
2019 年 11 月 29 日（金）午後から 30 日（土）の夕刻まで、木更津市のかずさアカデミア
ホールにて藍藻の分子生物学 2019 が 2 日間の日程で開催されました。藍藻の分生生物学は1998 年からほぼ隔年で開催している研究会で，今年で 12 回目になります。当初の 4 回は光合成学会の元会長でもある村田紀夫先生を中心とした世話人により基礎生物学研究所で開催されていましたが、2005 年の第 5 回からは、かずさ DNA 研究所の田畑哲之先生のサポートを受け、かずさアカデミアホールで開催されています。研究会の発表の様子については、静岡大学の三宅敬太さんに報告記事としてまとめてもらいましたので、詳しくはそちらをご覧ください。
今回の研究会では、招待講演 19 件、ポスター発表 51 件の発表があり、総勢 114 名の参加がありました。教職員と学生の比率はおよそ半々で、比較的学生の参加が多く活気のある研究集会だと思います。本研究会は各発表の内容はもちろん、質疑応答も活発です。例えば発表者が把握していない内容の質問に対して共同研究者ではない他の参加者が代わりにコメントするなど、研究会全体として科学の発展を第一義に考えているところも魅力の一つです。
懇親会は，光合成学会と同様、ポスター会場で行われるため、より議論も白熱し、聞くとこ
ろによると場所を移して深夜まで続いたようです。
次回は、立命館大学の寺内一姫先生を世話人として 2021 年 11 月頃に開催の予定です。みなさまの積極的なご参加をお待ちしています。

集合写真

253

光合成研究 29 (3) 2019

報告記事
「藍藻の分子生物学 2019」に参加して静岡大学大学院 自然科学系教育部
博士課程 1 年
三宅 敬太
2019 年 11 月 29 日から 30 日にかけて、かずさ DNA 研究所アカデミアホールにて『藍藻の分子生物学 2019』が開催されました。今回の研究会は、二日を通して、19 題の招待講演および 51 枚のポスター発表にて構成されていました。
初日は、藍藻における物質生産に関するセッションから始まりました。このセッションでは、特定の遺伝子を改変・制御することによって、特定の物質を生産させる取り組みや日本固有種が生産する天然の多糖類がバイオ資源となる可能性に関して、議論されました。次のセッションでは、光合成遺伝子の制御から光合成装置の修復や Chl. f が組み込まれた光化学系の構造・機能に関して報告されました。初日の最後のセッションでは、藍藻の分類に関する議論から実際の海洋における藍藻と藍藻に感染するファージとの相関に関して報告されました。初日、最後のセッションの後に、ポスター発表が行われ、このポスター発表が行われた会場にて、懇親会も開催されました。懇親会は、気軽に先生達と親交を深めることができる場となっており、なかには食事を片手に、引き続きポスターの前で議論している様子も見受けられました。私自身も今後の研究に関わる貴重な情報交換ができ、非常に有意義な時間を過ごすことができました。
二日目は、藍藻の光の強度や質そして塩ストレスへの応答に関するセッションから始まりました。次のセッションでは藍藻における代謝経路を動的に捕捉することで、中間代謝物質の生合成速度を直接的に知る手がかりとなる技術の開発とそれを応用した物質生産に関する報告が行われました。最後のセッションでは、藍藻のなかでも研究のモデルとして扱いにく
い種の培養や保存に関する視点や実際の藍藻がどのように水中を動くかといった形態学的な視点からの研究報告も行われました。
私は、このように分子・形態・生態・生理・応用など様々な視点で藍藻を捉えた研究の最新情報を交換できる研究会に参加できたことをありがたく感じるとともに、今後も藍藻における未解明な領域の理解を進める研究に尽力するという覚悟を基に、これからも精進していきたいと思います。
最後になりますが、本研究会を主催していただいた粟井先生、兼崎先生、成川先生、田畑先生、そして有意義な時間を共有してくださいました参加者の皆様に、この場をお借りして感謝申し上げます。

254

光合成研究 29 (3) 2019

事務局からのお知らせ★入会案内
本会へ入会を希望される方は、会費（個人会員年会費：￥1,500、賛助法人会員年会費：￥50,000）を郵便振替（加入者名：日本光合成学会、口座番号：00140-3-730290）あるいは銀行振込（ゆうちょ銀行、０１９店(ゼロイチキュウと入力)、当座、0730290 名前：ニホンコ
ウゴウセイガッカイ）にて送金の上、次ページの申し込み用紙、または電子メールにて、氏
名、所属、住所、電話番号、ファックス番号、電子メールアドレス、入会希望年を事務局まで
お知らせください。
★会費納入のお願い
学会の運営は、皆様に納めていただいております年会費によりまかなわれております。当該年度の会費が未納の場合、光合成研究が送られてくる封筒に、会費未納が印字されています。ご都合のつくときに、会費を納入ください。１年間会費を滞納された場合、次年度よりお名前が会員名簿から削除され、光合成研究は届かなくなります。再入会される場合は、未納の分もあわせてお支払いいただきます。会費納入状況などにつきましては、ご遠慮なく事務局（sonoike@waseda.jp）までお問い合わせください。会員の皆様のご理解とご協力をお願い申し上げます。

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光合成研究 29 (3) 2019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〒606-8502 京都府京都市左京区北白川追分町
京都大学 理学部研究科 鹿内利治 研究室内

日本光合成学会
TEL : 075-753-4247
FAX : 075-753-4257
ホームページ: http://photosyn.jp/

郵便振替口座 加入者名：日本光合成学会 口座番号：00140-3-730290
銀行振込の場合 ゆうちょ銀行、０１９店(ゼロイチキュウと入力)、当座、0730290
名前：ニホンコウゴウセイガッカイ

256光合成研究 29 (3) 2019日本光合成学会会則
第１条 名称
本会は日本光合成学会（The Japanese Society of Photosynthesis Research）と称する。
第２条 目的本会は光合成の基礎および応用分野の研究発展を促進し、研究者相互の交流を深めることを目的とする。
第３条 事業本会は前条の目的を達成するために、シンポジウム開催などの事業を行う。
第４条 会員
１．定義
本会の目的に賛同する個人は、登録手続を経て会員になることができる。また、団体、機関は、賛助会員になることができる。
２．権利会員および賛助会員は、本会の通信および刊行物の配布を受けること、本会の主催する行事に参加することができる。会員は、会長を選挙すること、役員に選出されることができる。
３．会費
会員および賛助会員は本会の定めた年会費を納めなければならない。
第５条 組織および運営
１．役員
本会の運営のため、役員として会長 1 名、事務局長 1 名、会計監査 1 名、常任幹事若干名をおく。役
員の任期は２年とする。会長、常任幹事は連続して二期を越えて再任されない。事務局長は五期を越えて再任されない。会計監査は再任されない。
２．幹事
幹事数名をおく。幹事の任期は 4 年とする。幹事の再任は妨げない。
３．常任幹事会
常任幹事会は会長と常任幹事から構成され、会長がこれを招集し議長となる。常任幹事会は本会の運営に係わる事項を審議し、これを幹事会に提案する。事務局長と会計監査は、オブザーバーとして常任幹事会に出席することができる。
４．幹事会
幹事会は役員と幹事から構成され、会長がこれを招集し議長となる。幹事会は、常任幹事会が提案した本会の運営に係わる事項等を審議し、これを決定する。
５．事務局
事務局をおき、事務局長がこれを運営する。事務局は、本会の会計事務および名簿管理を行う。
６．役員および幹事の選出
会長は会員の直接選挙により会員から選出される。事務局長、会計監査、常任幹事は会長が幹事の中から指名し、委嘱する。幹事は常任幹事会によって推薦され、幹事会で決定される。会員は幹事を常任幹事会に推薦することができる。
第６条 総会
１．総会は会長が招集し、出席会員をもって構成する。議長は出席会員から選出される。
２．幹事会は総会において次の事項を報告する。
１）前回の総会以後に幹事会で議決した事項
２）前年度の事業経過
３）当年度および来年度の事業計画
３．幹事会は総会において次の事項を報告あるいは提案し、承認を受ける。

257

光合成研究 29 (3) 2019１）会計に係わる事項
２）会則の変更
３）その他の重要事項
第７条 会計
本会の会計年度は 1 月 1 日から 12 月 31 日までとする。当該年度の経理状況は、総会に報告され、その承認を受ける。経理は、会計監査によって監査される。本会の経費は、会費および寄付金による。
付則
第１ 年会費は個人会員 1,500 円、賛助会員一口 50,000 円とする。
第２ 本会則は、平成 14 年 6 月 1 日から施行する。
第３ 本会則施行後第一期の会長、事務局長、常任幹事にはそれぞれ、第５条に定める規定にかかわらず、平成 14 年 5 月 31 日現在の会長、事務局担当幹事、幹事が再任する。本会則施行後第一期の役員
および幹事の任期は、平成 14 年 12 月 31 日までとする。
第４ 本会則の改正を平成 21 年 6 月 1 日から施行する。

日本光合成学会の役員選出に関する申し合わせ

平成 27 年 5 月 27 日 幹事会
１．選挙管理委員会
本会の選挙を公正に実施するため、選挙管理委員会を置く。選挙管理委員 2 名は常任幹事会が幹事会に推薦し、決定する。選挙管理委員の互選により委員長を選出する。
２．会長［会則第５条第６項］
１）幹事および常任幹事による若干名の候補者の推薦方法
幹事は、会長選挙に推薦する候補者としてふさわしい会員を 3 名連記で投票する。投票結果が上位の会員について、常任幹事会は、本人の意向を確認した上で、若干名を推薦候補者として決定する。選挙事務は事務局長が執り行う。
２）会長選挙会長選挙の実施に当たっては、会員に推薦候補者を提示し、全会員による単記無記名投票を実施する。
最高得票者を、次期会長とする。得票数が同数の場合は、抽選により決定する。選挙事務は選挙管理委
員会が執り行う。

日本光合成学会の運営に関する申し合わせ

１．幹事会
幹事は光合成及びその関連分野の研究を行うグループの主催者である等、日本の光合成研究の発展に顕著な貢献をしている研究者とする。任期は 4 年とするが、原則として再任されるものとする。
２．事務局
事務局長の任期は 2 年とするが、本会の運営を円滑に行うため、約 5 期（10 年）を目途に再任されることが望ましい。
３．次期会長会長の引き継ぎを円滑に行うため、次期会長の選挙は任期の 1 年前に行う。
４．常任幹事会
常任幹事会の運営を円滑におこなうため、次期会長は常任幹事となる。

258

光合成研究 29 (3) 2019

「光合成研究」
総則
1. 「光合成研究」（本報）は光合成に関連する諸分野における記事を掲載する。
2. 1 年に 3 回（4 月、8 月、12 月号）冊子体として発行し、電子版を光合成学会のホーム
ページ上に公開する。
3. 原稿が E-mail において受付処理をされた日を以て受付日とし、編集委員が掲載可と判断した日を採択日とする。ただし原稿が本規定に合わない場合受け付けないことがある。
4. 編集委員は、原稿の審査に際し、原則的に適切な査読者を選んで査読を依頼し、掲載の可否を判断する。
5. 掲載論文の著作権（冊子体および電子版）は日本光合成学会に属する。
6. 図やそこで使われる写真が過去論文として発表したものもしくは発表されたものであった場合は、それらの著作権問題を著者ら自身でクリアする必要がある。
7. 投稿に当たっては、全ての著者が投稿に同意し、かつ原稿の内容について責任を持たなければならない。また、全ての著者は代表著者が全著者を代表して原稿の掲載に関する事項を執り行うことに同意するものとする。
一般的事項(1) Microsoft Word ファイルを基本とする。
字数制限は設けないが、「解説」は A4
サイズ 6〜8 ページ、「トピックス」、「研究紹介」は 4 ページ程度を目安にする。1 ページ当りの文字数は、図表を含めて 1800 字程度。日本語は MS 明朝、英数字は Times New Roman とする。
(2) 本文の最初に、日本語および英語での論
文題名、著者所属機関名、氏名を記載する。
(3) 句読点は「 、 」「 。 」に統一する。
(4) 300 字程度の日本語要旨を作成すること。
(5) 参考文献、表、図のキャプションは、本文の後ろにつける。

投稿規定(6) 本文中に図の大体の位置を指示する。
（図を貼り付けてもよい。）
参考文献(1) 参考文献は、本文中の該当箇所に、右上付きで、1)、1,2)、1–3) のように示す。
(2) 参考文献の表記は下記のとおりとする。
雑誌例
1. Berthold, D.A., Babcock, G.T. and Yocum,
C.F. (1981) A highly resolved, oxygenevolving photosystem II preparation fromspinach thylakoid membranes. EPR andelectron-transport properties. FEBS Lett.
134, 231–234.
2. Nanba, O. and Satoh, K. (1987) Isolationof a photosystem II reaction center
consisting of D-1 and D-2 polypeptides
and cytochrome b-559. Proc. Natl. Acad.
Sci. U.S.A. 84, 109–112.

書籍例
3. Diner, B.A. and Babcock, G.T. (1996)
Structure,dynamics,
andenergyconversion efficiency in photosystem II, in
Oxygenic Photosynthesis: The Light
Reactions (Ort, D.R. and Yocum, C.F.,
Eds.) pp 213–247, Kluwer, Dordrecht, The
Netherlands.
図／写真(1) 図、写真はグレースケールでも良い場合には、グレースケールで作成する。カラーの図や写真を希望する場合には、カラーの図や写真を送付すること。図や写真の枚数によっては、編集委員会との相談により、PDF 版ではカラーになるが、冊子体ではグレーになる場合がある。
(2) jpg あるいは tiff 形式等で本文とは別ファ
イルとして送付すること。解像度は 300
dpi 程度とする。

日本光合成学会「光合成研究」編集委員会
2017 年 12 月 23 日改訂259

光合成研究 29 (3) 2019

幹事会名簿
秋本誠志

神戸大学大学院理学研究科

高林厚史

北海道大学低温科学研究所

粟井光一郎

静岡大学学術院理学領域

田中歩

北海道大学低温科学研究所

池内昌彦

東京大学大学院総合文化研究科

田中寛

東京工業大学資源化学研究所

石北央

東京大学大学院工学研究科

田中亮一

北海道大学低温科学研究所

泉井桂

近畿大学生物理工学部生物工学科

民秋

立命館大学総合理工学院

伊藤

繁

名古屋大学

田茂井政宏

近畿大学農学部生物機能科学科

井上和仁

神奈川大学理学部

都筑幹夫

東京薬科大学生命科学部

伊福健太郎

京都大学大学院生命科学研究科

出羽毅久

名古屋工業大学大学院工学研究科

榎並

東京理科大学寺島一郎

東京大学大学院理学系研究科

得平茂樹

首都大学東京大学院理工学研究科

鞆達也

東京理科大学理学部

大岡宏造

大阪大学大学院理学研究科

仲本

準

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

静岡大学学術院理学領域

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

小俣達男

名古屋大学大学院生命農学研究科

野口巧

名古屋大学理学研究科

垣谷俊昭

名古屋大学

長谷俊治

大阪大学蛋白質研究所

菓子野康浩

兵庫県立大学理工学部

林

愛媛大学プロテオサイエンスセンター

柏山祐一郎

福井工業大学環境情報学部

原登志彦

北海道大学低温科学研究所

金井龍二

埼玉大学

彦坂幸毅

東北大学大学院生命科学研究科

神谷信夫

大阪市立大学複合先端研究機構

久堀

東京工業大学研究院化学生命科学研究所

熊崎茂一

京都大学大学院理学研究科

日原由香子

埼玉大学大学院理工学研究科

栗栖源嗣

大阪大学蛋白質研究所

福澤秀哉

京都大学大学院生命科学研究科

小池裕幸

中央大学理工学部

藤田祐一

名古屋大学大学院生命農学研究科

小林正美

筑波大学大学院数理物質科学研究科

古本強

龍谷大学農学部

坂本

岡山大学資源生物科学研究所

前

忠彦

佐賀佳央

近畿大学理工学理学科

牧野

周

櫻井英博

早稲田大学

増田真二

佐藤公行

岡山大学

佐藤直樹

東京大学大学院総合文化研究科

増田

鹿内利治

京都大学大学院理学研究科

松浦克美

首都大学東京都市教養学部

篠崎一雄

理化学研究所植物科学研究センター

松田祐介

関西学院大学理工学部

嶋田敬三

首都大学東京真野純一

山口大学農学部

白岩義博

筑波大学生物科学系

皆川

基礎生物学研究所

沈

岡山大学異分野基礎科学研究所

宮尾光恵

東北大学大学院農学研究科

杉浦昌弘

名古屋大学

宮下英明

京都大学大学院地球環境学堂

杉浦美羽

愛媛大学プロテオサイエンスセンター

宗景（中島）ゆり 関西学院大学理工学部

杉田

勲

亘

建仁

護

均

秀則

徹

埼玉大学大学院理工学研究科

東北大学
東北大学大学院農学研究科
東京工業大学
バイオ研究基盤支援総合センター

建純

東京大学大学院総合文化研究科

名古屋大学遺伝子実験施設

村田紀夫

基礎生物学研究所

杉山達夫

名古屋大学

本橋

京都産業大学総合生命科学部

鈴木祥弘

神奈川大学理学部

本橋令子

静岡大学学術院農学領域

園池公毅

早稲田大学教育学部

矢守航

東京大学大学院理学系研究科

高市真一

東京農業大学生命科学部

和田

元

東京大学大学院総合文化研究科

高橋裕一郎

岡山大学異分野基礎科学研究所

260

健光合成研究 29 (3) 2019

編集後記
今年は夏から秋にかけて、豪雨・大型台風など多くの気象災害が発生しました。被害に見舞われた地
域の皆様には、心からお見舞い申し上げます。
さて、今号は第 10 回日本光合成学会年会において、鹿内学会長がオーガナイズされたシンポジウム
でお話しいただいた、佐藤さん、田中さん、池内さん、栗栖さんに執筆いただきました。進化から物質
生産、タンパク質構造まで多彩な話題が提供されています。また、前号の表紙を担当いただいた吉田さんによる、葉緑体とミトコンドリアの分裂装置に関する記事も掲載されています。今号に関するご意
見や本誌に対するご要望がございましたら、ぜひ私までご連絡ください。
今年 5 月より改元されて始まった令和元年もまもなく終わります。新しい元号の幕開けとともに、日本の光合成研究がより活性化されることを願っています。そのためには、若い研究者の皆さんの活躍が不可欠です。光合成学会でポスター賞を受賞された方々は「光合成研究」に記事を執筆する機会が得られます。記事の執筆は、若手の皆さんが自身の研究をアピールする絶好の場です。皆さんの投稿をお待ちしておりますので、是非よろしくお願いします。
また、それ以外にも研究紹介や解説を随時受け付けておりますので、奮ってご投稿ください。表紙に適した写真もよろしくお願いします。
編集長・成川 礼（静岡大学）

記事募集
日本光合成学会では、会誌に掲載する記事を会員の皆様より募集しています。募集する記事の項目は以下の通りです。
¡ トピックス：光合成及び関連分野での纏まりのよいトピックス的な記事。
¡ 解説：光合成に関連するテーマでの解説記事。
¡ 研究紹介：最近の研究結果の紹介。特に、若手、博士研究員の方からの投稿を期待しています。
¡ 集会案内：研究会、セミナー等の案内。
¡ 求人：博士研究員、専門技術員等の募集記事。
¡ 新刊図書：光合成関係、または会員が執筆・編集した新刊図書の紹介。書評も歓迎します。
記事の掲載を希望される方は、編集長の成川（narikawa.rei@shizuoka.ac.jp）までご連絡ください。

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光合成研究 29 (3) 2019
「光合成研究」編集委員会
編集長
編集委員
編集委員
編集委員

成川 礼（静岡大学）
高林 厚史（北海道大学）
宗景 ゆり（関西学院大学）
矢守 航（東京大学）

日本光合成学会 2019年度役員
会長
事務局長

鹿内 利治（京都大学）
園池 公毅（早稲田大学）

常任幹事
常任幹事
常任幹事
常任幹事
常任幹事
常任幹事
常任幹事
常任幹事
常任幹事
常任幹事
常任幹事

杉浦 美羽（愛媛大学）
年会 2017年
古本 強（龍谷大学）
年会 2017年
石北 央（東京大学）
伊福 健太郎（京都大学）
前編集長
牧野 周（東北大学）
年会 2018年
宮尾 光恵（東北大学）
年会 2018年
本橋 健（京都産業大学）
年会 2019年
菓子野 康浩（兵庫県立大学）
熊崎 茂一（京都大学）
光生物学協会成川 礼（静岡大学）
編集長
矢守 航（東京大学）
ホームページ

会計監査
選挙管理委員高橋 裕一郎（岡山大学）
和田 元（東京大学）・増田 建（東京大学）

光合成研究 第 29 巻 第 3 号 （通巻 86 号） 2019 年 12 月 31 日発行

日

本

光

合

成

学

会

〒606-8502 京都府京都市左京区北白川追分町
京都大学 理学研究科 鹿内利治 研究室内
TEL : 075-753-4247
FAX : 075-753-4257
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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