光合成研究第 25 巻	  第 3 号（通巻 74 号）2015 年 12 月
NEWS LETTER Vol. 25 NO. 3 December 2015
THE JAPANESE SOCIETY OF PHOTOSYNTHESIS RESEARCH
次期会長選挙のお知らせ

174

研究紹介	
  3 つの時計タンパク質によるシアノバクテリア生物時計再構成系の解析
大山	
 克明	
 	
 浅井	
 智広	
 	
 寺内	
 一姫（立命館大）	
 

	
 

175	
 

研究紹介	
  シロザ由来の水溶性クロロフィル結合タンパク質の構造解析
高橋	
 重一	
 	
 大槻	
 孝之	
 	
 内田	
 朗	
 	
 中山	
 克己	
 	
 佐藤	
 浩之（東洋大）	
 

181	
 

研究紹介	
  光合成初期過程への超分子化学からのアプローチ PDB 構造データに準拠した光合成系
	
  	
  	
  	
  	
  における励起遷移過程の計算手法の提案鈴木	 哲（信州大）	
 梅嵜	
 雅人（富山大）沢井	
 裕佑（富山大）	
 
	
 

錦織	
 広昌（信州大）	
 小野	
 慎（金沢工大）	
 

解説特集	
  「光合成炭素代謝研究の新展開」

186
192

序文

松田 祐介（関西学院大）193

木下 俊則（名古屋大）

194

辻	
 敬典（関西学院大）	
 白岩	
 善博（筑波大）

202	
 

宗景	
 ゆり（関西学院大）

212

解説	
  気孔調節による植物の CO2 コンダクタンス制御
Wang Yin
解説	  紅藻由来の葉緑体を持つ二次共生藻類の炭素代謝解説	  C4 型光合成の進化過程から C4 化の鍵を探る
報告記事	
  International Conference “Photosynthesis Research for Sustainability-2015”参加報告鞆	 達也（東京理科大学）

220

報告記事	
  International Conference “Photosynthesis Research for Sustainability-2015”に参加して嶋川	
 銀河（神戸大）

221

報告記事	
  山田コンファレンス 国際シンポジウム「Dynamics and Regulation of Photosynthesis」
	
  	
  	
  	
  	
  に参加して加藤	
 義宣（京都大）

222

報告記事	
  若手の会活動報告〜第 12 回セミナーの開催、サイエンスアゴラ 2015 での出展報告〜浅井	
 智広（立命館大）223

村川	
 雅人（東工大）

224

報告記事	
  「光合成若手＆植物脂質若手ジョイントセミナー」開催報告
集会案内	
  International Conference “Photosynthesis Research for Sustainability-2016”開催のお知らせ鞆	
 達也（東京理科大学）

225

事務局からのお知らせ

225

日本光合成学会会員入会申込書

226

日本光合成学会会則

227

幹事会名簿

229

会員名簿

230

編集後記・記事募集

241「光合成研究」編集委員・日本光合成学会 2015 年度役員

242

賛助法人会員広告光合成研究	  25 (3) 2015

日本光合成学会	
  次期会長選挙のお知らせ	 「日本光合成学会会則（平成 21 年 6 月 1 日施行）第 5 条」に基づき、次期会長選挙（任期:平成 29 年 1 月 1 日~平成 30 年 12 月 31 日の 2 年間）を行ないます。本会では任期一年前に新会長を選出し、会の円滑、継続的な運営をはかることになっています。この会報の末尾に添付されている投票用紙に会員の中から会長候補者 1 名の氏名を明記し、同封の返信用封筒に入れて選挙管理委員会宛に 1 月 31 日までにご返信ください（当日消印有効）。会員名簿は本号の巻末をご覧ください。

これまでの本会会長は、宮地重遠、西村光雄、佐藤公行、金井龍二、井上頼直、高宮建一郎、
村田紀夫、伊藤繁、池内昌彦、田中歩、高橋裕一郎（現会長：任期 平成 27 年 1 月 1 日〜平成 28 年 12 月 31 日）の諸氏です。
「会則 5 条の 1 では会長は二期を超えて再任されないこと」となっています。今回の選挙では現会長にも被選挙権はあります。

日本光合成学会 選挙管理委員会

日原 由佳子（埼玉大学大学院理工学研究科）
西山 佳孝（埼玉大学大学院理工学研究科）

投票用紙の送付先〒338-8570

さいたま市桜区下大久保 255
埼玉大学大学院理工学研究科
日原由佳子 研究室内
日本光合成学会選挙管理委員会	
  行き

174

光合成研究	  25 (3) 2015

研究紹介	 3 つの時計タンパク質によるシアノバクテリア生物時計再構成系の解析§	 	 立命館大学	
 大学院生命科学研究科	
 
大山	
 克明*	
 浅井	
 智広	
 寺内	
 一姫
シアノバクテリアの生物時計は 3 つの時計タンパク質 KaiA、KaiB、KaiC と ATP によって in vitro で再構成可能である。中心振動体である KaiC のリン酸化状態が概日周期をもって変動する。このリン酸化
変動は、生物時計を特徴付ける 3 つの特性を持ち合わせており、生物時計の本質を in vitro で研究できる唯一の実験系として知られている。ここでは、シアノバクテリアの生物時計の再構成系を、我々の研究成果を中心に紹介する。
1．はじめに物が世代時間よりも長い 24 時間周期のリズムをもつ§

	  地球に生きるほとんどすべての生物にとって、昼とはずがないと考えられていた。近年、モデル生物を用

夜の変化は最も身近で大きな環境変動である。生物はいた分子生物学的研究の発展により、多くの生物で時昼夜の変化をあらかじめ予測して、より確実に生命活計に関連した遺伝子が発見され、その機能解析が進め動を営むために生物時計（体内時計、概日時計ともいられている。その中でもシアノバクテリアのもつ堅牢う）が機能している。

かつ安定でシンプルな時計システムが注目されてい	  生物時計は、3 つの固有の性質によって特徴づけらる。

1)れる 。第 1 の特性は、およそ 1 日（24 時間）で自律	  本稿では、シアノバクテリアの Kai タンパク質を用的に振動することである。第 2 の特性は、温度に対しいて試験管内で生物時計を再構成するという画期的て時計の周期長が安定していることである。これを温な研究 2)と、さらにその発見以降明らかになってきた度補償性という。第 3 の特性は、概日リズムの位相は

生物時計の分子メカニズムを含めて、我々の研究を紹外部からの刺激によって変化し、速やかに外部の位相介したい。

に同調することである。この性質により、時計は外界の環境変化に同調して時刻を合わせ直すことができ

2. シアノバクテリアの生物時計再構成系

る。

	  シアノバクテリア Synechococcus elongatus PCC 7942

	  シアノバクテリアは植物と同じ酸素発生型の光合を用いた研究により発見された 3 つの時計遺伝子は、成系を備えた原核生物である。生物時計を有する最も日本語の回転の「回」にちなんで kaiA、kaiB、kaiC と単純な生物と考えられており、時計研究分野において命名された 3)。その後の生化学的および構造生物学的研究の進展が著しい生物である。かつて、生物時計は解析により、中心振動体である KaiC は 519 個のアミ植物やヒトなど高等な真核生物にのみ存在し、原核生

ノ酸残基からなるタンパク質で、ATP 依存的に六量体物が生物時計をもっているとは考えられていなかっを形成し 4)、自己リン酸化活性と自己脱リン酸化活性た。多くの原核生物は 24 時間より短い世代時間で細および ATPase 活性をもつことが明らかになってい胞分裂し増殖することができる。例えば、シアノバク

る 5, 6)。一方、KaiA や KaiB は KaiC の活性を調節する

テリアの中には、最適な培養条件下において 24 時間

機能をもっており、KaiA は KaiC の活性を促進し 7)、

で複数回の分裂が可能な種が存在する。このような生一方で KaiB は KaiA の反応を阻害するように働く 8)
（図
１）。

§

第５回日本光合成学会シンポジウム	  ポスター発表賞受賞

	  2005 年に名古屋大学の近藤グループが試験管内で論文	
 KaiC のリン酸化レベルが概日振動するという画期的*連絡先 E-mail: sj001087@ed.ritsumei.ac.jp

175光合成研究	  25 (3) 2015

図 1. KaiA・KaiB・KaiC の構造・機能およ び生物時計再構成系（A）KaiA（二量体）、KaiB（四量体）、KaiC（六量体）の結晶構造と機能。
（B）生物時計再構成系での KaiC のリン酸化状
態変化。KaiA、KaiB、KaiC を ATP と混合し 30℃でインキュベーション後、反応溶液から一定時間毎に一部を取り出し、
SDS-PAGE で分離し CBB で染色した。KaiC は SDS-PAGE によりリン酸化型（上のバンド）と非リン酸化型（下のバンド）に分離される（上のパネル）。この２つのバンドの濃さをもとに、KaiC 全体量に対するリン酸化型 KaiC の比率を求め、その経時変化をプロットした（下のパネル）。

な研究結果を発表した 2）。大腸菌で発現させ精製した

酸化レベルがピークに達すると、次に KaiB が結合し3 つのタンパク質 KaiA、KaiB、KaiC と ATP を混ぜ

KaiA の活性を阻害し始め、KaiC のリン酸化レベルは30℃でインキュベーションすると時計は動き始める。

減少に転ずる。これが約 24 時間周期で繰り返されて一定時間毎に取り出した反応溶液を SDS-PAGE で解リン酸化サイクルが生じると考えられている。

析し、KaiC 全体におけるリン酸化型 KaiC の比率を求め、その経時変化をプロットすると、KaiC のリン酸化

3. BN-PAGE による 3 つの Kai タンパク質解析

レベルが約 24 時間ごとに上昇と下降を繰り返す周期	  Blue Native PAGE （ BN-PAGE ） で は 、 Coomassie

性をもって変動していることがわかる（図 1B）。このBrilliant Blue G-250（CBB G-250）をタンパク質分子の振動のエネルギー源として使われているのが ATP で表面に弱く結合させて全体を負に荷電させる。通常の

6）あり、ATP がなくなると振動は停止する 。ATP の供

Native PAGE ではタンパク質分子の荷電状態が移動度給が持続すれば 10 日間以上にわたってリズムが継続に大きく影響するため、必ずしも分子の大きさに応じ

9）。この試験管内での Kaiて分離されない。一方、BN-PAGE では CBB G-250 のタンパク質によるリン酸化振動が、生物時計としての負電荷によってタンパク質の本来の荷電状態の影響

3 つの特性を備えていることもすでに検証されていを抑えることができ、タンパク質は高次構造や複合体する堅牢なシステムであるる

2, 10）。

構造を保持したまま、その大きさにしたがって分離さ	  上述したように KaiA が KaiC のリン酸化を促進し、れる 15)。我々は、この方法を用いて時計タンパク質のKaiB が KaiA の効果を阻害することでリン酸化を抑制

高次構造の動態を解析した。BN-PAGE で KaiC は主に 2する。この KaiA と KaiB の KaiC に対する拮抗的作用

つのバンドとして検出された（図 2A）。KaiC 単量体のが安定した 24 時間振動に重要である。KaiA、KaiB、分子量は 58 kDa、KaiC 六量体の分子量は 348 kDa であKaiC の３つのタンパク質複合体の動的変動が、ゲル濾ることから、移動度が小さく上側に観察されるバンド

過やウエスタンブロット、NMR、X 線小角散乱、蛍光が六量体 KaiC、移動度が大きく下側のバンドが単量体

相関分光法、未変性状態での質量分析法（native MS）

KaiC であると考えられた。ところが、KaiC をゲル濾など多様な分析法により解析されている

11-15 ）。KaiC

過クロマトグラフィーで分離すると、見かけの分子量のリン酸化レベルが上昇する時間帯には、KaiA がで六量体にあたる位置に単一のピークで溶出されKaiC と相互作用を繰り返す。その結果、KaiC のリン（図 2B）、BN-PAGE の結果と一致しなかった。

176

光合成研究	  25 (3) 2015

図 2. KaiC の BN-PAGE 解析とゲル濾過ク ロマトグラフィー（A）ATP 存在下において KaiC を 30℃でインキュベーションし、各時間で BN-PAGE により解析した。見かけの分子量から、上側のバンドが六量体（348 kDa）、下側のバンドが単量体（58 kDa）に相当すると結論した。
（B）同様の KaiC を 30℃
でインキュベーションする前（0ｈ）と 12 時間後（12 h）にゲル濾過クロマトグラフィーに供した。横軸は溶出位置（ml）
を表し、分子量マーカーとして	  apoferritin (443 kDa)、β-amylase (200 kDa)、alcohol dehydrogenase (150 kDa)、albumin (66 kDa)を用いた。（C）30℃で 12 時間インキュベーションした KaiC (–)に CBB G-250 を添加 (+) して Native PAGE に供した。

	  これらの挙動の違いは、BN-PAGE で添加する CBB

すくなった状態であると推測している。

G-250 によって引き起こされたのではないかと推測し、KaiC に CBB G-250 を添加して Native PAGE をおこな4. 生物時計再構成系と KaiC の構造変化った（図 2C）。その結果、CBB G-250 を添加したとき	  次に、生物時計再構成系における Kai タンパク質とに限って KaiC 単量体と思われるバンドが検出された。

その複合体の挙動を BN-PAGE を用いて解析した（図このことから、KaiC 六量体には、CBB G-250 存在下で3A）。反応開始時には、ブロードなバンドとして検出

も六量体を維持する構造状態（State 1）と CBB G-250

され State 1 の状態にある KaiC は、30℃で反応を開始

存在下で解離する構造状態（State 2）が存在することしてから 6 時間で、State 2 の状態を示す移動度の大きが示唆された。State 1 は KaiC 六量体の表面にのみ CBBなバンドと、KaiC に KaiA と KaiB が結合した KaiABC

G-250 が結合している状態であり、State 2 は六量体構複合体のバンドとして検出された。これらのバンドは、造が緩み CBB G-250 が六量体の内部まで入り込みやともに 12 時間後には減少し始め、21 時間でほぼ完全

図 3. 生物時計再構成系 における BN-PAGE 解析（A）生物時計再構成系における反応液を各時間でSDS-PAGE と BN-PAGE により解析した。上のパネ
ルは SDS-PAGE での KaiC のリン酸化状態の解析、下のパネルは BN-PAGE での KaiC の挙動を表している。BN-PAGE で矢印を付した 3 つのバンドは、上から Kai 複合体、State 1 の KaiC、State 2 の KaiC に対応する。（B）A の結果をもとに、リン酸化 KaiCの比率、Kai 複合体、State 1-KaiC、State 2-KaiC の相対比率（もっとも高い値を１とした）の経時変化をプロットした。

177

光合成研究	  25 (3) 2015

図 4. リン酸化模倣変異 型 KaiC の構造状態（A）KaiC リン酸化状態の 24 時間サイクル。KaiC の 2 つのリン酸化部位セリン 431（S431）およびスレオニン 432（T432）
は、KaiC リン酸化サイクルにおいてリン酸化と脱リン酸化が一定の順序にしたがって進行する。pS/pT は S431 と T432 が共にリン酸化された状態を示す。8 つのリン酸化模倣変異型 KaiC（AA、AT、AE、SE、DE、DT、DA、SA）は、KaiC の
リン酸化のサイクルの各過程に対応するように作製された。
（B）ATP 存在下において 30 ℃で 24 時間インキュベーション
したリン酸化模倣変異型 KaiC を BN-PAGE で解析した。野生型 KaiC（WT）の State 1 のバンドの濃さを 1 として変異型
KaiC の State 1 の相対的含量を算出した。インセットは、野生型 KaiC と AA、DE の BN-PAGE の結果を示す。

に消失し、KaiC は再度 State 1 となり 24 時間を迎え、る。この一連の反応が 24 時間周期で繰り返される。

また次の 6 時間後には、State 2 と複合体のバンドが出

そこで，KaiC の 2 つのリン酸化部位をアラニン（A）、現した。これら一連の挙動の変化が、生物時計再構成

アスパラギン酸（D）もしくはグルタミン酸（E）に変系において約 24 時間周期で繰り返されていることが異させて、8 種類のリン酸化模倣変異型 KaiC を作製し

BN-PAGE で明らかにされた。State 1 のバンドはブロた（図 4A）。KaiC-AA、KaiC-DE は両方のリン酸化部

ードであり、また時間と共に変化することから複数の位が脱リン酸化、リン酸化した状態を、また KaiC-AE、状態があることが推測される。KaiC の State 2 が増加

KaiC-DA は一方のリン酸化部位がリン酸化もう一方している時間帯に限って KaiABC 複合体のバンドが検が脱リン酸化した状態を模倣している。KaiC-AT、出された。このことから、生物時計再構成系においてKaiC-SE、KaiC-DT、KaiC-SA は一方のリン酸化部位の概日リズムが生成される時、KaiC はその六量体構造を

みをリン酸化もしくは脱リン酸化状態に固定するこ

周期的に変化させており、KaiC の状態が State 1 からとで、リン酸化サイクルの途中の状態を模倣できるとState 2 へと変換すると同時に、複合体が形成されると考えた。これらの 8 種類の変異タンパク質は、各々24考えられた。KaiC が脱リン酸化している時に Kai タン

時間のうちの 3 時間毎の時刻におけるリン酸化状態を

パク質の複合体が最大になることから、構造変化の周模倣しており、リン酸化状態が各状態に固定されるた期性とリン酸化は密接に関係しているように見える。

め概日リズムは認められない。

そこで，KaiC のリン酸化と構造変化の関係を調べた。

野生型 KaiC およびリン酸化模倣変異型 KaiC の構造	  KaiC は、2 つの隣り合ったリン酸化部位セリン 431

状態を BN-PAGE で解析した。両残基ともにリン酸化（Ser431）およびスレオニン 432（Thr432）を保持しされた状態（pS/pT）を模倣した KaiC-DE と初期脱リており、24 時間のリン酸化振動の中でこの 2 つの残基

ン酸化状態（pS/T）を模倣した変異型 KaiC-DT では共のリン酸化および脱リン酸化は一定の順序で進行すに State 1 の割合が極めて低く、ほぼすべての分子が17）。非リン酸化型の KaiC（S/T）は、まず Thr432

State 2 の状態にある。一方、その他の変異 KaiC はがリン酸化され（S/pT）、次に Ser431 がリン酸化されState 1 の状態に留まっている（図 4B）。これらの変異（pS/pT）、2 カ所がリン酸化された状態となる。そし型 KaiC の KaiB との結合を調べたところ、KaiC-DE おて、Thr432 が脱リン酸化され（pS/T）、続いて Ser431

よび KaiC-DT のみが KaiB と結合することがわかった。

が脱リン酸化され、非リン酸化型 KaiC（S/T）にもどすなわち、KaiC が State 2 になることで複合体が形成る178

光合成研究	  25 (3) 2015
されることを意味する。生物時計再構成系において、Published December 31, 2015

Kai タンパク質複合体はリン酸化状態が pS/pT から脱リン酸化する位相で増加する（図 3B）。そのため、参考文献

State 2 の増加は複合体形成開始より後にピークを迎え

1.

Kondo, T., Strayer, C. A., Kulkarni, R. D., Taylor,W., Ishiura, M., Golden, S. S. and Johnson, C. H.

ることになる。

(1993) Circadian rhythms in prokaryotes: luciferase	  これらのことから、KaiC はリン酸化が進行するにつas a reporter of circadian gene expression in

れ State 2 へと構造が変化し、この構造変化により KaiB

cyanobacteria.

の結合が促進され、KaiC は脱リン酸化に転ずると推察

Proc.

Natl.

Acad.

Sci.

U.S.A.

90, 5672–5676.

される。

2.

Nakajima, M., Imai, K., Ito, H., Nishiwaki, T.,
Murayama, Y., Iwasaki, H., Oyama, T. and Kondo, T.

5. 今後の展望(2005) Reconstitution of circadian oscillation of	  KaiC と KaiA や KaiB との相互作用が 24 時間周期でcyanobacterial KaiC phosphorylation in vitro. Science
308, 414–415.

変 動 を く り か え し 、 KaiC の リ ン 酸 化 サ イ ク ル や

3.

ATPase 活性の概日変動が生じるが、その本質は、KaiC

Ishiura, M., Kutsuna, S., Aoki, S., Iwasaki, H.,
Andersson, C. R., Tanabe, A., Golden, S. S., Johnson,

六量体の構造が変化することにあると推察される。こC. H. and Kondo, T. (1998) Expression of a gene

れまでに KaiC の NMR や X 線小角散乱法による観察

cluster kaiABC as a circadian feedback process in

により、六量体の構造が変動していることが提唱されcyanobacteria. Science 281, 1519–1523.

ている 18, 19)。本研究では、BN-PAGE 法を用いること

4.

Pattanayek, R., Wang, J., Mori, T., Xu, Y., Johnson,
C. H. and Egli, M. (2004) Visualizing a circadian

で、常に状態が変化する KaiC の構造変化と複合体形

clock protein: crystal structure of KaiC and functional

成を連続的に捉えることに成功した。

insights. Mol. Cell 15, 375–388.

	  生物時計を知るには、その特性である、24 時間とい5.

う周期長、温度補償性、位相同調性などの基盤となる

Nishiwaki, T., Iwasaki, H., Ishiura, M. and Kondo, T.
(2000) Nucleotide binding and autophosphorylation

メカニズムを解明することが重要である。Kai タンパof the clock protein KaiC as a circadian timing

ク質による時計の位相同調は、KaiC のリン酸化がprocess of cyanobacteria. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.

pS/pT から pS/T の位相でおきることが報告されている

97, 495–499.

9)6.

。この位相は KaiC 六量体の構造が State 2 の状態に対Terauchi, K., Kitayama, Y., Nishiwaki, T., Miwa, K.,
Murayama, Y., Oyama, T. and Kondo, T. (2007)

応する。そのため、今回見出した KaiC の構造状態変ATPase activity of KaiC determines the basic timing

化は、生物時計の第 3 の特性である時刻合わせ、すな

for circadian clock of cyanobacteria. Proc. Natl. Acad.

わち Kai タンパク質がどのようにして位相同調するの

Sci. U.S.A. 104, 16377–16381.

かという疑問を解く手がかりとなるかもしれない。今7.

Iwasaki, H., Nishiwaki, T., Kitayama, Y., Nakajima,

後は、この点を視野にいれ生物時計の基本的性質の分M. and Kondo, T. (2002) KaiA-stimulated KaiC

子メカニズムを解き明かしたい。

phosphorylationincircadiancyanobacteria.

Proc.

Natl.

timing
Acad.

loops

Sci.

in

U.S.A.

99, 15788–15793.

謝辞

8.

	
  タンパク質精製や数日にわたるサンプリング実験

Kitayama, Y., Iwasaki, H., Nishiwaki, T. and Kondo,
T. (2003) KaiB functions as an attenuator of KaiCを手伝ってくれた研究室のメンバーに感謝します。本

phosphorylation in the cyanobacterial circadian clock

研究の一部は、文部科学省科研費（23107730、26102543）

system. EMBO J. 22, 2127–2134.

の補助を受けて行われました。また、このような執筆

9.

Ito, H., Kageyama, H., Mutsuda, M., Nakajima, M.,の場を与えてくださった日本光合成学会ならびに編

Oyama, T. and Kondo, T. (2007) Autonomous

集委員の方々に御礼申し上げます。

synchronizationofphosphorylation

rhythm.

thecircadianNat.

Struct.

KaiC
Mol.

Biol. 14, 1084–1088.

Received July 27, 2015; Accepted September 8, 2015;

10.

179

Yoshida, T., Murayama, Y., Ito, H., Kageyama, H.

光合成研究	  25 (3) 2015
and Kondo, T. (2009) Nonparametric entrainment offrom structural details of the KaiB-KaiC interaction.

the in vitro circadian phosphorylation rhythm ofProc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 111, 1379–1384.

cyanobacterial KaiC by temperature cycle. Proc. Natl.
11.

16.

Acad. Sci. U.S.A. 106, 1648–1653.

electrophoresis for isolation of membrane protein

Kageyama, H., Nishiwaki, T., Nakajima, M., Iwasaki,

complexes in enzymatically active form. Anal.

H., Oyama, T. and Kondo, T. (2006) Cyanobacterial

Biochem. 199, 223–231.

circadian pacemaker: Kai protein complex dynamics

12.

17.

K., Kiyohara, R., Takao, T. and Kondo, T. (2007) A

Cell 23, 161–171.

sequential program of dual phosphorylation of KaiC

Akiyama, S., Nohara, A., Ito, K. and Maéda, Y.

as a basis for circadian rhythm in cyanobacteria.

(2008) Assembly and disassembly dynamics of the

EMBO J. 26, 4029–4037.
18.

and LiWang, A. (2008) The day/night switch in KaiC,

Takabayashi, A., Ishii, K. and Ishiura, M. (2010)

a central oscillator component of the circadian clock

Direct interaction between KaiA and KaiB revealedofcyanobacteria.

Proc.

Natl.

Acad.

Sci.

U.S.A. 105, 12825–12830.

resonance analysis. Genes Cells 15, 269–280.

15.

Kim, Y. I., Dong, G., Carruthers, C. W., Golden, S. S.

Mutoh, R., Mino, H., Murakami, R., Uzumaki, T.,

by a site-directed spin labeling electron spin
14.

Nishiwaki, T., Satomi, Y., Kitayama, Y., Terauchi,

in the KaiC phosphorylation cycle in vitro. Mol.

cyanobacterial periodosome. Mol. Cell 29, 703–716.
13.

Schägger, H. and von Jagow, G. (1991) Blue native

19.

Murayama, Y., Mukaiyama, A., Imai, K., Onoue, Y.,

Goda, K., Ito, H., Kondo, T. and Oyama, T. (2012)

Tsunoda, A., Nohara, A., Ishida, T., Maéda, Y.,

Fluorescence correlation spectroscopy to monitor Kai

Terauchi, K., Kondo, T. and Akiyama, S. (2011)protein-based circadian oscillations in real time. J.

Tracking and visualizing the circadian ticking of the

Biol. Chem. 287, 3241–3248.

cyanobacterial clock protein KaiC in solution. EMBO

Snijder, J., Burnley, R. J., Wiegard, A., Melquiond, A.

J. 30, 68–78.

S., Bonvin, A. M., Axmann, I. M. and Heck, A. J.
(2014) Insight into cyanobacterial circadian timing

In vitro Analysis of the Cyanobacterial Circadian Oscillator Composed of Three Kai Proteins
Katsuaki Oyama*, Chihiro Azai and Kazuki Terauchi
Department of Life Sciences, Ritsumeikan University180

光合成研究	  25 (3) 2015

研究紹介	
 シロザ由来の水溶性クロロフィル結合タンパク質の構造解析§	
 
	
 
1

高橋 重一

1

東洋大学 生命科学部

大槻 孝之

2

内田 朗

2

2

東邦大学 理学部

中山 克己

2

佐藤 浩之

2

暗所で抽出されたシロザ由来の水溶性クロロフィル結合タンパク質は、光照射によって、自身に結合しているクロロフィル a のクロリン骨格をバクテリオクロリン様骨格に変換する極めてユニークな特性を持つが、その詳細な分子メカニズムは不明である。本タンパク質の立体構造を理解することは本メカニズムを解明する上で極めて重要な知見を与える。本稿では最近明らかとなった本タンパク質の
光変換前の立体構造を報告するとともに、本タンパク質のアミノ酸置換変異体のクロロフィル結合能および光変換能についての解析結果を紹介する。
1．はじめにクトルを示す。青線は暗所で植物体より抽出・精製さ§	  陸上植物において、光合成に寄与するクロロフィル

れた光変換前の、赤線は光変換後の吸収スペクトルでタンパク質は疎水性であり、葉緑体のチラコイドに局ある。図 1 に示した様に、Class I WSCP の吸収スペク

在するが、ある種の植物は光合成に寄与しない水溶性

トルは光変換によって劇的に変化する。光変換前後の

ク ロ ロ フ ィ ル 結 合 タ ン パ ク 質 （ Water-soluble

フォームは、長波長側の吸収ピークにちなみ、それぞ

chlorophyll-binding protein, WSCP）を保持する。

れ CP668 および CP742 と呼ばれる。尚、光変換には	  1963 年に薬師寺先生らによって、シロザ葉の摩砕液

O2 またはフェリシアン化カリウムやシトクロム （c Fe3+）

から光変換型（Class I）の WSCP が見出された事を端などが必要とされる 14)。CaWSCP はクロロフィル（Chl）

緒に研究が始まった 1) 。その後の調査から Class I

a および Chl b を結合するが、光変換の基質となるのは

WSCP はアカザ科、ヒユ科およびタデ科に属する植物

Chl a のみである 2)。光変換された色素は Chl a の C7=C8種に分布していることが明らかとなった 2,3)。また、カが還元されたもの、すなわちクロリン骨格がバクテリ

リフラワーやマメグンバイナズナといったアブラナ

オクロリン様骨格に変換されたものであることが報

科植物からは非光変換型（Class II）の WSCP が発見さ告されている 15,16)。CP668 は極めて安定な複合体であれた 4-6)。これらの WSCP の分子特性はいくつかの文

り、7M の尿素、5%の Triton X-100 や 10 mM の EDTA

献にまとめられているので

3,5,7)

処理に耐性を示す 17)。ところが、β メルカプトエタノ、興味を持たれた方はそちらを参照して頂きたい。

ールおよび DTT といった還元剤存在下では光変換能	  長期に渡り Class I WSCP をコードする遺伝子は不明が失われる 18)。これは、分子内もしくは分子間で形成であったが、発見から 50 年という節目の年に、我々される SS 結合が重要であることを示唆する。また、は本遺伝子が陸上植物に保存されている機能未知のヨウ化カリウムも光変換を強力に阻害するが、これはDUF538 ファミリーに属することを報告することがで

CP668 のチロシン残基が化学修飾されることによると。一方、Class II WSCP は Kunitz 型のトリプシ説明されていた 18)。本稿では CaWSCP の CP668 の立

ンインヒビターファミリーに属しており 10-13)、両者は体構造と、システインおよびチロシン残基のアミノ酸相同性を持たない全く別種のタンパク質である。

置換変異 CaWSCP のクロロフィル結合能および光変	  図 1 にシロザ由来の WSCP（CaWSCP）の吸収スペ換能について報告し、これまでに考えられてきた光変

きた

8,9)

換の分子メカニズムについて再考する。
§

第６回日本光合成学会シンポジウム	  ポスター発表賞受賞

論文	
 *連絡先 E-mail: takahashi102@toyo.jp181

光合成研究	  25 (3) 2015

図 1. CaWSCP の吸収スペクトル 図
暗所でシロザから抽出・精製を行った CaWSCP（CP668）の吸収スペクトルを青線で、光変換後の CaWSCP（CP742）の吸収スペクトルを赤線で示す。CP742 においても 668 nm に吸収ピークが残っており、これは CaWSCP に結合するすべてのChl a が光変換されるわけではないことを示している。

2. CaWSCP の立体構造

深いことに C7 位の官能基は CP668 に結合しているク	  図 2 に X 線結晶構造解析によるシロザより抽出されロロフィルにあって、外部に露出している唯一の場所

たネイティブの CaWSCP（CP668）の立体構造を示す。

であり、他の分子との接触も容易である（図 2C）。

CP668 はおよそ 16 kDa のサブユニットとクロロフィ	  完全に光変換した後の CP742 のフォームであってル 4 分子で構成されるホモテトラマーである（図 2A）。

も 668 nm の吸収ピークが残っていることから、一部

また、各サブユニットは 1 分子のクロロフィルを結合のサブユニットでは光変換が起こらないといえるする（図 2A）。サブユニットは 13 の β ストランドと 1（図 1）。一定の光量下で CP668 から CP742 への光変つの α へリックスから成り、中心にクロロフィルを結換の変化率の経時変化を調べたところ、3 段階の異な合している（図 2B）。クロロフィルのクロリン骨格は 2るステップがあることを見出した 19)。おそらく光変換

つの 4 本鎖逆平行 β シート（β ストランド 3、4、8、9は 3 つのサブユニットで起こり、1 つのサブユニット

および 10、11、12、13）によって包み込まれており、は光変換されないのであろう。CP742 がどの様な構造

一方、フィトール鎖は 1 つの逆平行 β シート（β ストをしているのか、大変興味のあるところだが、現時点

ランド 1、2、5、6 および 7 で構成される）と α へリ

では全く不明である。今後の研究の進展に期待して頂ックスにより抑え込まれている（図 2B）。

ければ、と思う。

	  単量体の CP668 は分子内に 5 つのシステイン残基を

	  蛇足になるが Class II WSCP の構造について少しば保持するが、この内、α へリックスを構成する Cys2 とかり説明をする。Class II WSCP もホモテトラマーであβ ストランド 1 の Cys30 が、また、β ストランド 3 のり 1 つの複合体あたり 4 分子のクロロフィルを結合す

Cys48 と C 末端側のループを構成する Cys144 が SS 結るなど、CP668 との共通点もみとめられるが、各サブ合しており、Cys63 はフリーで存在する（図 2B）。ク

ユニットが協調的に構築する疎水性ポケットを用い

2+

ロロフィルの中心金属である Mg とは Asn59 の側鎖てクロロフィルを結合しており、クロロフィルの結合の O 原子を介して配位結合する。

様式は全く異なる 20)。

	  すでに述べたことであるが、CaWSCP は Chl a、Chl b

3. アミノ酸置換変異 CaWSCP の解析

いずれも結合することができるが、光変換の基質とし8)て利用することができるのは Chl a のみである 。Chl a	  先に述べたように、CP668 の光変換には SS 結合とと Chl b の構造の違いは C7 位の官能基がメチル基であチロシン残基が重要であると考えられてきたが、そのるか、もしくはホルミル基であるかのみである。興味検証を行うことは困難であった。最近、我々の研究グ

182

光合成研究	  25 (3) 2015

図 2. CaWSCP（ CP668）の立体構造
A リボンモデルによる CP668 の立体構造図。CP668 はホモテトラマーであり、各サブユニットが 1 分子のクロロフィルを結合する。B 単量体の図。赤矢印は SS 結合（Cys2-Cys30 および Cys48-Cys144）を示す。また、チロシン残基を青矢印で示す。C CP668 の分子表面の様子。赤矢印は外部に露出しているクロロフィルの C7 位の官能基を示す。

ループが光変換活性を有する組換え CaWSCP の発現の獲得は Class I WSCP へと進化する上で重要な出来事

系を構築し、クロロフィルとの再構成系も確立したこであったと思われる。

とから、アミノ酸置換変異タンパク質を用い、これら	  一方、チロシンを置換した変異体は全てクロロフィ

8)。5 つのシスル結合能と光変換活性を保持していた（図 3B、4 重変

テイン残基をセリンに置換した変異体(C2S、C30S、異体である Y-13-14-87-134A のみ記載） 22)。また、4C48S、C63S、C144S)および 4 つのチロシン残基をア重変異体、Y13-14-87-134A の光変換活性はヨウ化カリ

ラニンに置換した変異体(1～4 重変異体で計 15 種類)

ウム処理により完全に阻害された（図 3B）これらの結を作製し、そのクロロフィル結合能と光変換活性の評

果はチロシン残基が光変換に関与しないことを示しの仮説を検証することが可能となった

価を行った

21,22)。結果、C2S および C30S ではクロロ

ている。

21)

フィル結合能の消失が認められた（図 3A） 。これはCys2 と Cys30 間で形成される SS 結合が CP668 のクロ

4. おわりに

ロフィル結合に必須であることを明確に示している。

	
  本 稿 で は こ れ ま で 全 く 不 明 で あ っ た 光 変 換 前 のまた、Cys48 と Cys144 間で形成される SS 結合に関しClass I WSCP の構造を明らかにするとともに、光変換てはクロロフィル結合に必須ではなく、光変換にも影に関与するであろうと考えられてきたアミノ酸残基

響しないことが明らかとなった（図 3A）。コアカザよの解析結果について述べた。現時点では、光変換後のり、Class I WSCP をコードする 2 つの遺伝子 CfWSCP1立体構造については全く不明であり、ヨウ化カリウム

および CfWSCP2 をクローニングし、推定アミノ酸領処理により光変換が阻害される分子メカニズムにつ域について CaWSCP との比較解析を行ったところ、いても再考しなければならず、さらに光変換に直接関CfWSCP1 および CfWSCP2 ともに Cys2 と Cys30 を保与するアミノ酸残基も定かでない。また、Class I WSCP

9)

持していることを見出した 。また、これらの Class Iが果たす生理機能も理解されていないなど、本タンパ

WSCP も CaWSCP 同様に DUF538 ファミリーに属する

ク質にはまだまだ多くの課題が残されている。組換えタンパク質であったが、他の DUF538 タンパク質にはタンパク質の発現と再構成系が早くに確立した Class

Cys2 と Cys30 が保存されているものはなく、また、ア

II WSCP は、そのシンプルな構造と、水溶性であり取カザ科、タデ科、ヒユ科以外の多くの植物種に DUF538

り扱いも極めて容易であることと相まって、クロロフ

ファミリーが分布していることから、DUF538 ファミィルタンパク質における Chl-Chl 間もしくは Chl-タン

リーが Class I WSCP なのではなく、DUF538 ファミリ

パク質間の相互作用を解析するための最適なモデル

ーの中にあって、これらが Class I WSCP として独自のとして、欧米の研究グループを中心に利用が進んでい進化を遂げたと考えるべきだろう。Cys2 および Cys30

る。Class I WSCP についても、組換え体を利用した解183

光合成研究	  25 (3) 2015

図 3. アミノ酸置換変異 CaWSCP の吸収スペクトル 図
大腸菌中で発現させた各アミノ酸置換変異タンパク質をホウレンソウより調整したチラコイドと混合し、再構成した光変換前の吸収スペクトルを青線で、光照射後の吸収スペクトルを赤線で示す。A システインをセリンに置換した CaWSCP 変
異体の吸収スペクトル図。C2S および C30S ではクロロフィルの結合能が消失していた。B チロシンの 4 重置換変異体、
Y13-14-87-134A の吸収スペクトル図。Y13-14-87-134A はコントロールの CaWSCP-His と同様に Chl 結合能と光変換能を保持し、ヨウ化カリウム（KI）により光変換が阻害された。

析を進めることが可能となったことから、新たなモデ
ルタンパク質として利用されることを願っている。ま3.

た、光変換を指標としたマーカーとしての利用等についても国内外から多数の問い合わせを頂いており、今4.

後は本タンパク質を用いた新たなテーマにも挑戦していきたい。

謝辞5.

	  本稿で紹介した研究の一部は一般財団法人濱口生6.

化学振興財団（H25 to S.T.）の支援を受けて行われた。
Received October 31, 2015; Accepted December 3, 2015;
Published December 31, 2015

7.

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Structure of Water-soluble Chlorophyll-binding Protein from Chenopodium album
1,

2

2

2

Shigekazu Takahashi *, Takayuki Ohtsuki , Akira Uchida , Katsumi Nakayama and Hiroyuki Satoh1

2

Faculty of Life Science, Toyo University, Faculty of Science, Toho University

1852

光合成研究	  25 (3) 2015

研究紹介	
 

光合成初期過程への超分子化学からのアプローチ
PDB 構造データに準拠した光合成系における励起遷移過程の計算手法の提案
1

信州大学 名誉教授
41,

2

信州大学 工学部環境機能工学科

3

富山大学 和漢医薬学総合研究所

金沢工業大学 ゲノム生物工学研究所

鈴木 哲 * 梅嵜 雅人

3

沢井 裕佑

3

錦織 広昌

2

小野 慎

4

量子論に基づく電子状態計算法を適用するには初期入力構造が必要であり、通常、構造最適化計算を用いて最適化幾何構造を求め、その構造に対応した電子状態波動関数を求める方法が標準的な方法となっている。光合成系のように、反応中心複合体等の X 線結晶解析結果がタンパク質データバンク（PDB）に登録され、研究者が自由にアクセスできる環境では、この構造データを利用する計算手法が見いだされれば、量子論に準拠した電子状態計算の適用領域が光合成初期過程研究へと拡がることが期待される。本論文では、PDB 構造データを用いて励起状態計算を行う計算手順を提案した。著者
らは PDB 構造データを用いて励起状態計算の入力データを作成する手順を構築することに成功したので、本論文でその手順の詳細を報告する。超分子系の光励起遷移に対してこの計算手順を適用し、提案した計算手順の妥当性を検証した。具体的な計算例として、Rhodopseudomonas acidophila の光捕集
アンテナ系について、X 線結晶解析データから構築した B800 および B850 部位の計算入力データを用
いて MO-S（INDO/S）計算を行い、励起遷移にかかわる基本物理量（遷移エネルギー、遷移確率など）を求め、超分子系における光合成初期過程の量子論的記述に寄与できることを示した。
1. はじめに§ことのできる葉緑体を取り出す操作とはなっていな
1)

において、「光合成は緑色植物のいことを示している。Jensen & Bassham の研究は、光

体内では葉緑体で行われているが、植物の葉をすりつ合成の機能がそれを構成する分子などの成分因子がぶして葉緑体を取り出した懸垂液ではもはや正常の存在するだけでは出現しないこと、その機能の出現に光合成をいとなむ能力は失われてしまう。」と記しては成分因子の集合体に備えられているある秩序が必いる。さらに続けて、「［ただし、後に CO2 固定を行い須であるということを示唆している点で、光合成研究

うる無傷の葉緑体標品を調整することに成功したのを新しい段階に導いた画期的な発見であったというで（Jensen & Bassham, 1966）、厳密にはこうはいえな

ことができよう。

い］」と述べている。このことは、その成分物質を抽	  この研究を契機に、葉緑体標品の調整法 2,3) の研究

出して分析するという化学の常套的な分析手法を機は新しい階段を上り、光合成研究は光合成単位の単離械的に葉緑体に適用することは、光合成機能を解明す

へと質的な進化を遂げた。そのひとつの頂点をなす到る研究法としては有効ではないことを示している。視達点は、光合成単位の X 線結晶解析の成功であっ点を変えて考えると、すりつぶすという操作は、葉緑た。1985 年には Rhodopseudomonas viridis（Blastochloris

体を構成する成分を取り出し、その組成を明らかにす

viridis）の X 線結晶解析結果が発表され、その翌年にることに役立てることはできても、光合成機能を担うは Rhodobactor sphaeroides の結果 が相次いで発表され、

藤茂はその著書

光合成研究は、質的に新しい知見を獲得し、新しいステージに突入することとなった。

*連絡先 E-mail: suzuki_s@katch.ne.jp186光合成研究	  25 (3) 2015	  超分子化学の概念と術語は、Jean-Marie Lehn4) によづいて超分子系の電子状態を求める計算手法を開発

れば、種子がまかれていた初期の仕事を発展および一し、光合成初期過程における励起遷移過程の量子論的般化させるものとして、1978 年に導入された。Lehn

記述を可能にすることを目的としている。

は、共有結合に基礎を置いた分子化学に対比させて、

2. 量子論に基づく光合成初期過程の記述

分子集合体と分子間結合の化学として超分子化学を定義した。また、共有結合に基礎を置いた分子化学の光合成系を構成する高秩序の分子複合体系は、典型

かなたに分子間結合を制御する超分子化学の世界が的な量子系であることは論を俟たないであろう 9)。量あるとも述べている。これらの定義を敷衍して、有賀子論に基づいた分子軌道法（MO 法）あるいは密度汎は、「超分子化学は、複数の分子が弱い相互作用関数理論（DFT）で求められた電子状態関数 10)に基づの分子間力で会合し、高秩序の分子集合体を形成する

いて、光合成複合体系において観測される物理量を電際に示す新しい機能を対象とする学問である」と定義

子状態関数から算出される期待値と比較・考察を行うしている。

ことにより、光合成初期過程における励起遷移等の量	  光合成研究において早い段階から注目されてきた

子論的記述を行うことができる。

ら5)スペシャルペアは、前述の秩序を具現した構造をもつ

MO 法あるいは DFT を用いて量子系の電子状態を求象徴的な実体であったということができる。しかしな

める標準的な計算手順は、系の原子配置を記述した初

がら、Ｘ線結晶解析で明らかにされた反応中心複合体

期入力構造データを作成し、構造最適化計算を用いての構造を見ると、スペシャルペアばかりでなく、アク最適化幾何構造とその構造に対応した電子状態波動

セサリクロロフィル、フェオフィチンからキノンに至関数を求める手順である。上で述べたように、光合成るまで、反応中心複合体を構成する分子種が由来生物

機能複合体については X 線結晶解析が行われ、その結種に依存しない共通した特有の配列構造を有してい

果がタンパク質データバンクに登録されている。したることは瞠目に値すると考えられる。このような秩序がって、初期入力構造に基づく構造最適化計算に代わ構造をもつ反応中心複合体において制御された秩序って PDB 構造データを用いる計算手法を開発するこをもつ超分子構造を認識することは、光合成におけるとができれば、特異な機能を発現する超分子系の電子機能発現を記述する上で本質的に重要な視点だと考

状態計算も容易に実行することが可能となる。

えられる。しかしながら、反応中心複合体をはじめと本研究では、初期入力構造を用いる伝統的な構造最する光合成機能単位を超分子系と認識し、機能発現を適化計算に代わりうる実体構造を反映した PDB 構造

超分子機能としてとらえる視点は、光合成あるいは超データに準拠した計算入力データを用いる計算手順

分子を主題とする成書には、いまだ共通認識として定を模索し、実体構造に対応した電子状態波動関数を求6,7)める方法を追究した。その結果、構造最適化計算を経着しているとは言い難い。

	  光合成系において、超分子構造を認識できる顕著な由することなしに、PDB 構造データに基づいて実体構複合系として、整った環状構造を有する紅色光合成細造に対応する励起エネルギーなどを求めることので菌の光捕集アンテナ系 LH1 および LH2 を挙げること

きる計算手順を組み立てることに成功した。本報告で8)。光捕集アンテナ系が整った環状構造をは、その具体的な手順を記述し、適用例として LH2 を構成していることの必然性を理解することができれ構成する B800 および B850 超分子系における励起遷移

ば、換言すれば、特徴的な分子秩序の構築に伴って発の計算結果を示した。

ができよう現する機能と分子秩序との相関を見出すことができ

この計算手順を用いれば、周辺アンテナ系のみなられば、光合成初期過程の解明にとっても重要な知見とず、中心アンテナ系を含む光捕集系や反応中心複合体なると考えられる。

における励起遷移についても、励起遷移エネルギー等

	  本論文は、タンパク質データバンク（PDB）に登録を算出し、励起エネルギー緩和過程の考察に資するこされた X 線結晶解析結果を参照して超分子系と認識でとができる。この計算手順は、光合成初期過程の解明

きる光合成機能単位について、その配列構造のもつ機に新たな展望をもたらす可能性を秘めていると考え能性を解明することを志向して、PDB 構造データに基

られる。

187

光合成研究	  25 (3) 2015
3. 超分子系の励起状態計算

	  3)において、この計算手法の成功のポイントは原子	  PDB 構造データを用いて計算の入力データを作成の番号付けと結合参照関係の適切な設定にあると記する手順の探索を行った結果、以下に示す手順によりしたけれども、これは著者らの経験的な到達点にすぎ

励起状態計算が可能であることを見出すことができない。残念ながら、計算が必ず収束する一般的な指針た。この方法の具体的な手順は以下のとおりにまとめをここに示すことができないので、我々が計算に適しることができる。なお、以下に例示する励起状態計算

た番号付けを見出すのに役立てた手段を紹介するこには、SCIGRESS MO Compact （SGMOC）にインストととする。

ールされている MO-S (INDO/S) を使用している。こ	  原子の番号付けに先立って、超分子系を構成する分

こでは、MO-S 計算を行うための入力データの作成手

子の配列について最適化しておくことが望ましい。隣

順を示した。

接構成分子との分子間距離ができるだけ短くなるよ
うに構成分子の配列序列を最適化しておくことが大1)

2)

PDB サイトからダウンロードした識別子.ent をも変有効であった。次に、超分子系を構成するユニット

つ構造データから、メモ帳その他の汎用のテキス

分子内における原子の番号付けには、ユニット分子

トエディターを用いて必要とする分子集合体部（この例では BChl a ）の構造最適化計算の検討が有分の構造を切り出す。

効であった。次章に示す具体例では、BChl a について.ent データを MOPAC の入力形式である.dat デー

内部座標に Z-Matrix を用いた構造最適化計算を行い、タに変換する。この変換操作には、汎用分子エデ計算が適切に収束する原子の番号付けと結合参照関ィターの Winmostar

3)

4)

5)

11)

を使用した。内部座標系と係をあらかじめ探し出しておき、超分子を構成するす

しては、Cartesian あるいは Z-Matrix のいずれかのべてのユニット分子に対しこの番号付けを適用した。

座標系を選択することができる。

このような手順に沿った原子番号付けを行うことに2)の操作により作成された入力データにおける原より、超分子系の計算が収束する入力データを作成す

子の番号付けは、X 線結晶解析で用いられた番号

ることができた。

付けに基づいて自動的に番号付けされる。しかし

	  励起状態計算にはこれまでに数多くの方法が用いながらこの番号付けをそのまま用いたのでは、多られてきたが、現在最も標準的と考えられる方法は、

くの場合に計算が収束しない。構造最適化計算に被占軌道から空軌道に電子 1 個を励起した一電子励起も適用できる番号付けに変更することが必須で配置の配置間相互作用（CIS）計算であろう。原理的ある。なお、内部座標として Z-Matrix を用いた場には、すべての一電子励起配置を考慮した配置間相互合は、結合参照関係の再設定も必須である。この作用計算を行うべきであるが、原子数が大きくなると過程における番号付けと結合参照関係の適否が実行不可能となる。そのため、限定した数の励起配置

この計算手法を成功させる最も重要なポイントについての配置間相互作用（Limited CIS）計算が行わである。番号付けの変更と結合参照関係の設定にれる。結果の精度は考慮した励起配置の数に依存するも Winmostar を使用した。

ことになるので、計算資源の許す範囲で、できるだけX 線結晶解析では水素原子の構造データは求めら

大きな数の励起配置を取り入れた計算を行うことがれていない。水素原子の付加は、Winmostar の水望ましい。

素原子付加機能を用いて容易に完結することが	
  励起状態計算には、半経験的分子軌道法（SEMO 法）できる。

に分類される SCIGRESS MO Compact Pro V1.0.612) に励起状態計算を行うには、SGMOC に付属する分

インストールされている MO-S (INDO/S) を使用した。

子エディターを用いて.mos 形式に変換する必要
がある。

188

光合成研究	  25 (3) 2015

図 1. B800-850 複合系の俯瞰図	  MO-S における 2 中心反発積分 13) の計算には、大野、
大野－Klopman、西本－又賀、西本－又賀－Weiss、
DasGupta－藤永、Psriser-Parr の式が選択使用できる、
RHF 近似レベルの励起状態計算では、西本－又賀の式
が実験との一致がよいことから一般的に用いられて
図 2. B800 および B850 に対する計算入力 データ構造

きた。

DasGupta－藤永の式を用いた。上記の設定に基づいて

4. 結果と考察求められた B800 および B850 の計算結果を励起遷移ス

	  この章では 3.で示した計算手法の実行例を提示し、その有効性を考察することとする。紅色光合成細菌

ペクトルとして図 3 に示した。795 nm および 875 nm
遷移を中心にして、それぞれ複数本の遷移がまとまっ

Rhodopseudomonas acidophila （PDBID: 2fkw）14) の構て二つのグループの励起遷移帯を構成していること

造データに準拠した入力データを用いた B800 およびが分かる。

B850 部位の励起状態計算結果を示す。

	
  LH2 アンテナ系は、B800 および B850 が回転対称軸

図 1 に Rps. acidophila の X 線結晶解析で求められたを共有する形で重畳した複合超分子系と認識するこ

構造データから抽出した B800-850 部位の Jmol によるとができる（図 1 参照）。この複合体を新たな超分子

表示結果を示した。計算入力データと対応させて、系と認識して励起状態計算を行うことは興味ある課

Bacteriochlorophyll a （BChl a）の phytyl 基は ethyl 基

題と考えられるが、著者らが使用している計算システに短縮して表示している。

ムでは計算機資源の制約から計算を行うことができ	
  3.で示した手順に従って、B800 および B850 部位のない。そのため、LH2 に対応する仮想スペクトルとし計算入力データを作成する。その際に、phytyl 基を ethylて、図 3 に示した B800 および B850 の励起遷移スペク

基で置換して原子数を減少させることにより、計算負トルを重ね合わせた励起遷移スペクトルを作成し、図荷の軽減を図った。作成された計算入力データの

3C に示した。

SGMOC 分子エディターによる表示結果を図 2 に示し	  図 4 に Rps. acidophila の室温吸収スペクトルを示した。

た（名古屋工業大学出羽研究室の測定結果）。800 nm

	  MO-S では、CIS 計算における一電子励起配置の項

および 850 nm 付近に、B800 および B850 を特性づけ

数の指定は CI(xx xx)コマンドで行うことができる。

る特徴的な吸収帯が観測されている。400 から 600 nm

B800 および B850 について CI(64 64) と指定することの領域には、構造をもつ吸収帯が観測されているが、により、4096 項の励起配置を考慮した CIS 計算を行っ

本計算からは、この吸収帯の帰属にかかわる知見は得た。2 中心反発積分の計算には、計算結果と実測吸収られなかった。

スペクトルとの対応が良好であったことから、

189

光合成研究	  25 (3) 2015

図 4. 計算結果と実測ス ペクトルの比較
A: Rps. Acidophila 10050 の室温吸収スペクトル
B: 計算結果のスペクトルシミュレーション	  この手法は、計算機資源に起因する制約を解消することができれば、BChl a の 32 分子系である LH1 にも適用できると考えられる。さらに、PSII および PSI 反
図 3. 励起遷移スペクト ルの計算結果

応中心を構成する中心アンテナ系に適用することに

A: B800, B: B850, C: B800 +B850（本文参照）

より、中心アンテナ系の機能の解明にも役立てることが可能であると考えられる。

	  図 3 に示した計算結果は、800 nm および 850 nm 吸	  本論文で提案した計算手法は、その手法を適用して収帯がいずれも単一の電子遷移ではなく、複数の励起求められた LH2 の励起状態計算結果が光捕集アンテ

遷移から構成された集合遷移帯であることを示唆しナ系の吸収スペクトルの特徴を再現することに成功ている。計算で求められた遷移は、純電子遷移である

しており、量子論的電子状態計算法の研究領域を超分ので線スペクトルで表すことになるが、実在の分子系

子化学の光励起過程に拡張できる新しい研究手法でが示す吸収帯は、振動がカップルした振電帯（Vibronic

あると結論してよいであろう。

band）で幅をもっている。直観的なスペクトル比較を容易にするために、Gauss 型の幅をもたせたスペクト

謝辞

ルシミュレーション計算を行った。その結果は、図 4B

	  LH2 （Rps. Acidophila 10050）の室温吸収スペクトルに示した。実測スペクトルの特徴を良好に再現できてを提供していただいた名古屋工業大学生命・物質工学

いることが分かる。

科出羽毅久准教授および名古屋工業大学生命・物質工	  MO-S 励起状態計算が収束したことは、励起エネル学科近藤政晴助教に深く感謝申し上げます。

ギー、遷移確率および励起遷移モーメントの向きが同時に求められたことを意味している。このことは、光Received September 15, 2015; Accepted October 13, 2015;

吸収の結果として生成した光捕集アンテナ系の励起

Published December 31, 2015

状態が量子論に基づいて記述できたことを意味している。励起状態生成に続くエネルギー緩和過程の考察

参考文献

は、別の論文で行うこととする。

1.

190

藤茂宏 (1982) 光合成	  明反応研究の流れ, p. 7,

光合成研究	  25 (3) 20159.

東京大学出版会.
2.

加藤 栄, 宮地重遠, 村田吉男 (1981) 光合成研

ムを支える力, p. 4, 講談社．
10. Lewars, E. (2003) Computational Chemistry,

究法, 共立出版.
3.

Kluwer Academic Publishers.

北海道大学低温科学研究所・日本光合成研会共編

4.

(2008) 光合成研究法, 低温科学, 第 67 巻.

11. Winmostar, http://winmostar.com/jp.

Lehn、J.-M., 竹内敬人訳 (1997) レーン超分子12. SCIGRESS

有賀克彦, 国武豊喜, 岡崎康治, 荻野 博 (2000)

Copyright

1.0.6
Fujitsu

sol/ mocompact.

阿久津秀雄, 月原富武, 島田一夫 (2006) 生命秩

14. 分子軌道計算プログラム MO-S version 1	  ユー

序を担う生体超分子, 共立出版.

ザーズマニュアル（1.1b 版）, 5.2.3 二中心電子

菅原正, 木村栄一編 (2013) 超分子の化学，裳華

間反発積分γBB, pp. 65-67, 富士通株式会社.
15. http://pdbj.org/mine/summary/2fkw.

房．
8.

Ver.

Limited, 1997-2011.

門 (16) 岩波書店．

7.

Compact

13. http://www.fujitsu.com/business-technology/tc/

超分子化学への展開, 岩波講座現代化学への入
6.

MOProfessional,

化学, 化学同人.
5.

園池公毅 (2008) 光合成とは何か, 生命システ

住斉 (2000) 紅色光合成細菌のアンテナ系における励起エネルギー伝達の機構	
  電子と生命,第 1-2 章, 共立出版.

Supramolecular Approach to Photosynthetic Primary Processes:
Proposition of Computing Procedures for Excitation Transitions on Photosynthetic Systems by
Utilizing PDB Structural Data
1

3

3

2

Satoshi Suzuki , Masahito Umezaki , Yusuke Sawai , Hiromasa Nishikiori and Shin Ono
1

42

Professor Emeritus, Department of Environmental Science and Technology, Faculty of Engineering, Shinshu
3

4

University, Institute of Natural Medicine, University of Toyama, Genome Biotechnology Laboratory, Kanazawa
Institute of Technology

191

光合成研究	  25 (3) 2015

解説特集 	 「光合成炭素代謝研究の新展開」	
 Editor: 松田	
 祐介（関西学院大学	
 理工学部	 生命科学科）	
 序文

松田 祐介（関西学院大）193

木下 俊則（名古屋大）

194

辻	
 敬典（関西学院大）	
 白岩	
 善博（筑波大）

202	
 

解説	
  気孔調節による植物の CO2 コンダクタンス制御
Wang Yin
解説	  紅藻由来の葉緑体を持つ二次共生藻類の炭素代謝解説	  C4 型光合成の進化過程から C4 化の鍵を探る宗景	
 ゆり（関西学院大）

192

212

光合成研究	  25 (3) 2015

解説	
 
序文

‡

関西学院大学	 理工学部	 生命科学科	
 
松田	
 祐介1	
 
	
 
	
  M.D. Hutch と C.R. Slack による 1966 年の C4 ジカルボン酸経路の実証は、炭酸同化の中心となるカル
ビン回路への基質供給を促進する CO2 濃縮機構の最初の発見であった。これ以降、ベンケイソウ代謝（CAM）を含む様々な C4 型 CO2 濃縮代謝のバリエーションが発見され、カルビン回路に CO2 を供給する機構が、乾燥や高温などの生育環境に適応するために、多様な起源から収斂進化したことを示している。一方、1978 年にカーネギー研究所の J.A. Berry のもとで、M.R. Badger と A. Kaplan が見いだした CO2 濃縮機構（CCM）は、シアノバクテリアや微細藻類など、水圏の光合成生物が有する直接的な CO2 ポンプ・蓄積機構である。この仕組みも極めて多様な起源から収斂進化したシステムであることが明らかになりつつある。これら C4 型および直接的な CO2 濃縮機構は、RubisCO 周辺の CO2 濃度を高めるだけでなく、光合成を行う細胞の無機炭素に対するコンダクタンスを高め、外界と RubisCO 間の“生理的距離”を実質的に短縮するための進化と言えるだろう。CO2 濃縮機構を持たない C3 植物の気孔開閉も、無機炭素コンダクタンス制御という括りで考えれば共通の生理的意義を内包しており、
C3 植物の葉肉細胞内にも無機炭素コンダクタンスを制御する未知の因子が隠されている可能性もある。
植物は、この“生理的距離”の短縮に、様々な代謝系を進化の道筋の中で他の生物や自身の代謝から“転用”しており、二次共生藻類を含めた光合成生物全体を考えると、この転用進化の柔軟性は極めて大きく、同時にこの代謝改変に大きな潜在力を示すものである。
	  本特集では、生理生化学的にはかなり確立した研究領域である、高等植物の C4 ジカルボン酸経路と気孔開閉の問題について、C3 植物から C4 植物への進化に関わる組織発生と転写制御（宗景ゆりさん）
および気孔開閉を制御するシグナル伝達系（Wang Yin さん）、といった新たな側面からのアプローチを解説していただいた。また、C4 有機酸代謝の柔軟な転用という問題は、二次共生藻類の分子・生化学研究の発展と共に、新たなステージを迎えている。このトピックについて、辻敬典さんに解説をいただいた。いずれも光合成周辺の炭素代謝とその制御について理解を深める一助となるものと考えている。
	  最後に本特集の編纂に当たって、第 5 回光合成学会でのシンポジウム開催にご尽力頂いた高橋裕一
郎さんと、本誌編集委員長の西山佳孝さんに多くのご協力を頂いた。心から感謝を表する次第である。

	
 

‡

	
 

解説特集「光合成炭素代謝研究の新展開」

1

連絡先 E-mail: yusuke@kwansei.ac.jp193

光合成研究	  25 (3) 2015

解説	
 気孔調節による植物の CO2 コンダクタンス制御‡
	
 
1

2

名古屋大学 トランスフォーマティブ生命分子研究所

名古屋大学 高等研究院	
 Wang Yin

1,2,

1* 木下 俊則 	
 植物は CO2 を吸収し、光合成を行うことによって地球環境を整え、食物を提供する、人類や動物の生存に不可欠な存在である。植物の表皮に存在する気孔は、光合成を盛んに行う太陽光下で開口し、光合成に必要な CO2 の取り込み、蒸散や O2 の放出など、植物と大気間のガス交換を行っている。一方、
乾燥ストレス下では、植物ホルモン・アブシジン酸に応答して閉鎖し、植物体からの水分損失を防ぐ。
筆者らは気孔開閉メカニズムの解明を進めるとともに、これらの知見を利用し、気孔開度を調節した
形質転換体の作出を進めてきた。本稿では、気孔開口の分子メカニズム及び最近の研究により明らかとなった植物の光合成や生産量に対する気孔開度の影響について紹介する。
1. はじめに	  ‡ 気孔は、植物の表皮に存在するガス交換のための

2. 光による気孔開口

バルブである。葉表面はクチクラに覆われ、空気およ

2.1 気孔開口に有効な光

び水が透過しにくいので、気孔は大気と葉内部とのガ	  光が気孔開口を刺激する主な因子であることは百ス交換（CO2 の取り込み、蒸散や O2 の放出）の主要な年以上前から知られていた。1898 年、F.ダーウィン

経路となっている。気孔は２つの孔辺細胞（表皮細胞（Francis Darwin）（Charles Darwin の息子であり、父親から特殊に分化した細胞）により構成され、その開きと一緒に植物の研究を行った）は初めて気孔観察研究

具合は、孔辺細胞の体積変動により調節される。気孔をまとめて公表した 1)。その中で、気孔の様々な環境を構成する孔辺細胞には二つの形状があることが知応答を調べ、特に光による気孔開口について記載した。

られている。一つは図 1（上）に示すような腎臓型のそのメカニズムは最近の約４０年間で徐々に明らか

孔辺細胞、もう一つがダンベル型の孔辺細胞であるになってきた。気孔開口の作用スペクトルの研究によ（図 1 下）。腎臓型の孔辺細胞は双子葉植物（例えばり、様々な単色光により気孔が開口することが分かっ

シロイヌナズナ、ソラマメなど）によく見られ、一方てきた 2)。近年は、光合成にもっとも有効な単色光、ダンベル型の孔辺細胞はイネ科の植物（例えばイネ、

赤色光と青色光による気孔応答について研究が多く

エンバク、トウモロコシなど）によく見られる。近年進められている。赤色光は光合成依存的に気孔開口をシロイヌナズナを用いた気孔開閉の研究が盛んに行制御する。一つは、葉肉細胞の光合成を介して葉内 CO2

われ、腎臓型孔辺細胞の制御メカニズムはよく調べら

濃度（Ci）の低下を引き起こすことによる気孔開口 3)；

れてきたが、ダンベル型孔辺細胞の知見は少ない。後

もう一つは、Ci と関係しない気孔開口誘導である 4-6)。

述する気孔の光応答性に関する光受容体や細胞膜どちらの場合でも光合成阻害剤 DCMU より阻害され+H -ATPase などの役割は腎臓型孔辺細胞をモデルとしる。しかし、赤色光下の気孔開口の分子メカニズムはての成果である。これまでの多くの研究によって、光、

まだ明らかになっていない。

CO2 濃度、水分状態が、気孔開度を制御する最も重要	  一方、青色光は気孔開口に対して最も顕著な効果をな環境要因であることがわかっている。

発揮する。青色光は光合成を駆動するのみならず、シグナルとして気孔開口を促進する。その絶妙な仕組み
は近年明らかになった。簡単にまとめると、青色光は‡

解説特集「光合成炭素代謝研究の新展開」*連絡先 E-mail: wangy@bio.nagoya-u.ac.jp
	
  	
  	
  	
  	
  	
  kinoshita@bio.nagoya-u.ac.jp

孔辺細胞に発現する青色光受容体フォトトロピンに194

光合成研究	  25 (3) 2015

図 1. 腎臓型の気孔 孔辺細胞とダンベ ル型の気孔孔辺細胞
様々な植物における孔辺細胞の写真。GC は孔辺細胞、SC は副細胞、EC は表皮細胞を示す。スケールバーは 20 µm。

受容され、気孔開口のキーエンザイムである細胞膜

色光による気孔開口が全く見られない 8)。また、フォ

H+-ATPase を活性化する 7, 8)（図 2）。活性化された細トトロピンは青色光受容体として、光屈性と気孔開口+

胞膜 H -ATPase は孔辺細胞の細胞膜の過分極を引き起に加え、葉緑体光定位運動、葉の伸展、葉や核の定位

9)運動等においても機能する 10, 13)。

こし 、それによって細胞膜の内向き整流性 K＋チャネ
ル（細胞膜 K＋in チャネル）を介した K＋の取り込みが可能となる（図 2）。K＋ の蓄積は孔辺細胞の膨張およ

2.3 細胞膜 H+-ATPase

び気孔開口を引き起こす。以下において、青色光受容	  気孔孔辺細胞プロトプラストを用いた生理・生化学+

体フォトトロピンと細胞膜 H -ATPase 及び最近明らか研究により、細胞膜 H+-ATPase が青色光により活性化になった青色光シグナル伝達に関わる因子についてされ、気孔開口の駆動力を形成することが示された 14)。

紹介する。

細胞膜 H+-ATPase は P 型 ATPase に属し、ATP 加水分
解エネルギーを利用して H+を細胞外へ能動輸送する

2.2 青色光受容体フォトトロピン酵素である。H+-ATPase は 10 個の膜貫通領域を持ち、

	  フォトトロピン（phototropin）の名称は、光屈性N 末端、C 末端と触媒ドメインが細胞質側に存在して（phototropism）からの造語である。モデル植物シロイ

いる。C 末端領域には約 110 アミノ酸からなる自己阻

ヌナズナには、フォトトロピン１（phot1）とフォトト

害ドメインを持つ。自己阻害ドメインを人為的に切断

ロピン２（phot2）が存在する。phot1 は 1997 年のシロすると顕著に活性が上昇することから、通常は触媒ド

イヌナズナの光屈性の研究より、突然変異体 nph1 のメインに対し阻害的な作用をもつと考えられてい。phot2 は phot1 のホモ

る 15, 16)。青色光による H+-ATPase の活性化には、自己ログとして報告された 11)。フォトトロピンは、N 末端

阻害ドメインの C 末端から 2 番目のスレオニンのリン側 に 発 色 団 （ FMN ） と 結 合 す る ２ つ の酸化が必須であると考えられている 14)。リン酸化されLight-Oxygen-Voltage (LOV)ドメインを、C 末端領域にた自己阻害ドメインには、14-3-3 タンパク質が特異的

典型的なセリン・スレオニンキナーゼドメインを持ち、に結合し、H+-ATPase が活性化される 17)。近年の研究

青色光を受容すると自己リン酸化する 12)。青色光によにより、C 末端スレオニンのリン酸化を介したる気孔開口には、phot1 と phot2 が重複して機能しておH+-ATPase の活性化は、孔辺細胞のみならず、植物細り、フォトトロピン二重変異体（phot1 phot2）では青胞に共通した生理的な活性化機構であることが示さ

原因遺伝子として同定された

10)

195

光合成研究	  25 (3) 2015

図 2. 青色光による気孔 開口の分子メカニズムモデル
	  太陽光に含まれる青色光は、フォトトロピン（phototropin）に受容され、細胞内シグナル伝達を経て、細胞膜プロトンポ
ンプ（H+-ATPase）を活性化する。青色光により活性化されたプロトンポンプは膜電位の過分極を誘導し、電位依存性のカリウムチャネル（K+in-channel）を介して、カリウムの取り込みが引起こされる。細胞内に大量に取り込まれたカリウムは、浸透圧を上昇させ、水が取り込まれ、孔辺細胞の体積が増加することで気孔が開口する。BLUS1：blue light-signaling 1；PP1：
タイプ１プロテインホスファターゼ；PATROL1 : proton ATPase translocation control 1

れている 18, 19)。フォトトロピンの二重変異体の孔辺細細胞膜 H+-ATPase の局在を制御する PATROL1 も光に胞では青色光による細胞膜 H+-ATPase の活性化が見らよる気孔開口に重要な役割を果たすことが最近報告+れず、H -ATPase はフォトトロピンの下流で働くことさ れ た 24) 。 し か し 、 フ ォ ト ト ロ ピ ン か ら 細 胞 膜が分かった。

H+-ATPase 活性化に至るシグナル伝達の全体像は未だ	  シロイヌナズナでは細胞膜 H+-ATPase をコードする

明らかになっておらず、今後の重要な課題である。

遺伝子は 11 個（AHA1—AHA11）あり、これらのアイ
ソフォームの一次構造に特別な違いは見られない 15)。

3. 気 孔 開 口 促 進 に よ る 光 合 成 と 生 産 量 の 増孔辺細胞では 11 個すべてのアイソフォームが発現し加+

3.1 気孔開口が促進された形質転換体の作出ており、孔辺細胞において細胞膜 H -ATPase が重要な役割を果たしていることを示めしている20)

	
  光合成に必要な CO2 は、大気から葉内へ拡散によっ。

て供給されている。植物が CO2 を取り込む過程におい

2.4 青色光シグナル伝達に関わる因子て、境界層抵抗、気孔抵抗、細胞間隙抵抗などのいく+	  青色光受容体フォトトロピンから細胞膜 H -ATPase

つかの抵抗が存在することが知られている。これらのの活性化に至る青色光シグナル伝達に関わる孔辺細抵抗の中で、気孔抵抗は変化が大きく、CO2 取り込み胞の因子については、これまでにセリン/スレオニン・の主要な制限と考えられる。気孔抵抗が植物によるタイプ１プロテインホスファターゼ（PP1）の関与がCO2 取り込みの主要な制限要因と考えられるにもかか示唆されている21, 22)。さらに、青色光による気孔開口

わらず、光合成および植物成長の増加を目標として気が損なわれた突然変異体 blus1 の解析により、フォト

孔開口（気孔コンダクタンス）を増大させる試みは、

トロピンと PP1 の間で働くセリン/スレオニン・プロテ

これまでに殆どなされていなかった。近年の研究によインキナーゼ BLUS1 が同定された

23)（図 2）。BLUS1

り、青色光による気孔開口には、青色光受容体フォトは青色光に依存してフォトトロピンによりリン酸化

トロピン、細胞膜 H＋-ATPase および細胞膜 K＋in チャ

されること、さらに、そのリン酸化が青色光による気ネルが主要な因子として関与することが明らかとな孔開口に必要であることから、孔辺細胞の青色光シグっている（図 2）。そこで、光による気孔開口が促進さナル伝達に必須のシグナル因子と考えられる。また、れた形質転換植物を作出するため、モデル植物シロイ

196

光合成研究	  25 (3) 2015

図 3. 野生株と AHA2 過剰発現株の気孔 開度と植物体の表現 型の比較
AHA2 過剰発現株は、光照射後、野生株より常に大きな気孔開度を示す（上）。AHA2 過剰発現株は、野生株と比べて大きく生育する（下）。

ヌナズナを用いて、気孔開口の 3 つの主要因子：青色

野生株のそれらと同程度であり、孔辺細胞における光受容体フォトトロピンのアイソフォームである

AHA2 の過剰発現は、気孔の分化や形態には影響を与8)＋

PHOT2 、細胞膜 H -ATPase の代表的なアイソフォー
ムである AHA2

14)

えないことが示された。

＋、ならびに細胞膜 K in チャネルのア	  対照的に、フォトトロピン過剰発現体 GC1::PHOT2、

25-29)

を孔辺細細胞膜 K＋in チャネルの過剰発現体 GC1::AKT1 および胞で高発現させることを試みた 30)。これらのタンパク

GC1::KAT1 では、導入遺伝子が孔辺細胞内で野生株と質の孔辺細胞特異的な過剰発現には、強力な孔辺細胞比較して顕著に増加していたにもかかわらず、気孔開31, 32)

プロモーターとして知られる GC1 （Guard Cell 1）

口に影響を与えなかった。これらの結果は、細胞膜 Hを使用した。

＋

イソフォームである KAT1 および AKT1＋

-ATPase が光による気孔開口の制限因子であること、

	  細胞膜 H -ATPase 過剰発現体 GC1::AHA2（AHA2

また孔辺細胞における H＋ -ATPase の量の増加により過剰発現株）の孔辺細胞における AHA2 転写量は、野

気孔開口の大きさと速度の両方が増大することを示

生株の AHA2 転写量より約 3.5 倍以上高く、AHA2 タしている。

ンパク質レベルは、野生株の孔辺細胞における AHA2
より約 1.5 倍高かった 30)。これら AHA2 過剰発現株に3.2 気 孔 開 口 が 促 進 さ れ た 形 質 転 換 体 の 光 合

おける気孔開口の光応答性を調べたところ、AHA2 過成活性剰発現株では、2.5 時間の光照射後、野生株より約 25％

	  AHA2 過剰発現株の無傷葉における気孔コンダクタ

大きい気孔開度を示した（図 3）。一方、これらの気孔

ンスおよび光合成速度（CO2 同化速度）について、ガは暗黒下では野生株と同様に閉じていた。興味深いこ

ス交換システム（LI-COR, LI-6400）を用いた詳細な解とに、AHA2 過剰発現株の気孔は、30 分間の光照射下析を行った。その結果、AHA2 過剰発現株における気で野生株の気孔よりも迅速に開口することが明らか

孔コンダクタンスと光合成速度は、比較的高い光強度+となり、孔辺細胞の H -ATPase 量を増やすことにより、（200 µmol m–2 s–1 以上）で野生株より有意に高まって気孔開度が大きくなるだけでなく、気孔開口の速度がいた。光合成飽和光に近い強い光で照射した場合、

30)。また、AHA2 過剰発現株のAHA2 過剰発現株における気孔コンダクタンスは野生

気孔密度、気孔インデックスおよび気孔の大きさは、型植物より約 56～63％高かった 30)。これと同様に、早まることが示された

197

光合成研究	  25 (3) 2015
AHA2 過剰発現株における光合成速度は野生株におけり起きていないことが考えられる。解析の結果、予想。さらに、

通り、AHA2 過剰発現株の 13CO2 の割合は野生株より

AHA2 過剰発現株の高い光合成速度がその大きな気孔も低く 30)、気孔が大きく開くことにより大気から CO2

開口に起因するかどうかを判定するために、光合成速を多く取り込んで光合成を行っていると考えられた。

度と葉内 CO2 濃度との応答曲線（A-Ci カーブ）が調べ

実際、マイルドな乾燥ストレス下で栽培した植物体のられた。その結果、野生株と AHA2 過剰発現株の曲線

炭素同位体比を調べたところ、AHA2 過剰発現株と野はほぼ一致しており、両植物間で光合成能力には差が生株の間で気孔開度に差が見られないため、炭素同位る光合成の速度より約 14～16％高かった

無いことが示された

30)

30)

。以上の結果は、AHA2 過剰発

体比に有意な差は認められなかった。これらの結果は、現株において、増大した気孔開口が光合成速度増加に

AHA2 過剰発現株に見られる生産量の増加が気孔開度寄与しているということを明確に示している。

にのみ依存していることをより強く示唆するもので

	  AHA2 過剰発現株の気孔は高い光強度において大きある。

く開くので、葉内 CO2 濃度は野生型植物と比べて増加	  ところで、AHA2 過剰発現株における光合成速度は、が見られた。しかし、より多く取り込まれた CO2 は光比較的高い光強度（200 µmol m–2 s–1 以上）で有意に高合成装置の制限によって固定できないため、AHA2 過いことが示されていたため、次に、有意な光合成活性剰発現株の水利用効率（光合成速度と蒸散速度との比）差が見られない比較的低い光強度（80 µmol m–2 s–1）では野生株と比べ約 14％低下していた。今後、光合成能の生産量を調べた。その結果、比較的低い光強度では、を改善するような遺伝子を同時に導入することによ

両植物において有意な生産量の差は観察されなかっり、さらなる光合成速度の促進が期待される。

た。この結果は、植物が光合成を盛んに行っている比較的高い光強度（200 µmol m–2 s–1 以上）の時に初めて、

3.3 気 孔 開 口 が 促 進 さ れ た 形 質 転 換 体 に お け

気孔開度が光合成や生産量の制限要因となることをる生産量示している。比較的低い光強度（80 µmol m–2 s–1）では、

	  次に、AHA2 過剰発現株の生産量について調べた。
植物を 200 µmol m–2

気孔コンダクタンスではなく、光合成電子伝達速度が–1s の光強度下で 25 日間生育させ光合成や生産量の制限要因となっていると考えられた場合、AHA2 過剰発現株は、野生株よりもロゼットる。以上の結果より、孔辺細胞の細胞膜 H+-ATPase 量

葉の数が増加し、その生重量および乾燥重量は約 42を人為的に増加させることは、気孔開口促進のみなら

30)～63％大きくなることが明らかとなった（図 3） 。

ず、植物の光合成や生産量促進に非常に有用な方法でさらに、播種後 45 日目の AHA2 過剰発現株における種あると考えられる 30)。

子、莢および花を含む全花茎の乾燥重量は、同じ生育

	  近年、恒常的に気孔が開口したイネの突然変異体

条件下では野生株の全花茎の乾燥重量より約 36～

slac1（アブシジン酸非感受性気孔開口変異体）の光合。また、AHA2 形質転換植物におけ

成活性が野生株植物と比べ、高いことが示された 33)。

る種子を含む莢１個の乾燥重量は野生株と同程度でしかし、slac1 変異体の生産量は、野生株と有意な差はあるが、1 個体（1 株）あたりの莢の数は野生株の２見られなかった。これと一致して、細胞膜 H+-ATPase倍になった。

の第一膜貫通領域内の 68 番目のプロリンをセリンに	  このような AHA2 過剰発現株の生産量の増加が、置換することにより恒常的高活性型に変換した H ＋AHA2 形質転換植物のより開いた気孔開度に依存して-ATPase 34)を GC1 プロモーターにより人為的に孔辺細いることを示すために、植物体における炭素同位体比

胞で増加させた形質転換植物（GC1::AHA2-P68S）では、41％大きかった30)13を調べた。CO2 固定を担うルビスコは、通常、 CO2

恒常的に気孔が開口した表現型を示すにも関わらず、12よりも CO2 を優先的に利用するが、葉内 CO2 濃度が12

生産量については野生株と有意な差が見られなかっ13低下し、 CO2 が減少すると CO2 も利用する。よって、た。一つの要因は、恒常的な気孔開口による乾燥スト

植物体の炭素同位体比を調べ、AHA2 過剰発現株におレスが考えられるが、これらの結果は、十分に水分を

13

CO2 の割合が野生株よりも低いようであれば、与えている状況においても観察されることから、恒常気孔が大きく開くことにより葉内 CO2 濃度が低下あま

的な気孔開口による夜間の水分損失が植物のバイオ

ける

198

光合成研究	  25 (3) 2015
マスの蓄積において不利である可能性も考えられる。

Published December 31, 2015

なぜ夜間の水分損失が増加すると植物生産量が低下

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3.4 気 孔 開 口 が 促 進 さ れ た 形 質 転 換 体 の 乾 燥
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ン・アブシジン酸により、野生株と同程度に阻害され

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4.

た。これと一致して、AHA2 過剰発現株から切り取っ

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processes in the stomatal response to CO2. Plant

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間通常条件で生育後、土壌の水分含量を通常の 80%前

5.

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られなかった3609–3619.

30)。また、２週間目以降、水を全く与え6.

ない強度の乾燥ストレス下においても、AHA2 過剰発

Wang, Y., Noguchi, K. and Terashima, I. (2011)
Photosynthesis-dependent

現株は野生株と同様な時間変化で枯死することが示

and–independent	
 responses of stomata to blue, red and green

された。これらの結果は、AHA2 過剰発現株の乾燥ス

monochromatic light: Differences between 	  the

トレスに対する感受性が野生株とほぼ同様であるこ

normally oriented and inverted leaves of sunflower.

とを示唆している。

Plant Cell Physiol. 52, 479–489.
7.

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	  本稿では、気孔の光応答のメカニズムとこれまでの知見を利用した気孔開度制御の最新結果を紹介した。

8.

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光受容体フォトトロピン、細胞膜 H＋-ATPase、細胞膜

9.

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protonextrusionbyguard-cell

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に人為的に増加させることが気孔開口促進に有効で10.

あり、気孔開口は光合成と成長の制限要因であること

Huala, E., Oeller, P.W., Liscum, E., Han, I.S., Larsen,
E. and Briggs, W. R. (1997) Arabidopsis NPH1: aが明らかとなってきた。気孔開口のメカニズムは植物

protein kinase with a putative redox-sensing domain.

を通じて共通であると考えられることから、シロイヌ

Science 278, 2120–2123.

ナズナで得られたこの技術は他の植物、特に農作物や

11.

Jarillo, J., Ahmad, M. and Cashmore, A.R. (1998)

バイオ燃料植物などの実用植物にも適用可能である

NPL1: a second member of the NPH serine/threonineと考えられ、今後、農作物やバイオ燃料用植物の生産

kinase family of Arabidopsis. Plant Physiol 117,719.
12.

量増加への貢献が期待される。

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光合成研究	  25 (3) 2015

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光合成研究	  25 (3) 2015
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Stomatal Regulation on CO2 Uptake
Yin Wang
1

1,2,* and Toshinori Kinoshita
2

1Institute of Transformative Bio-Molecules (ITbM), Nagoya University, Institute for Advanced Research, Nagoya
University

201

光合成研究	  25 (3) 2015

解説	
 紅藻由来の葉緑体を持つ二次共生藻類の炭素代謝‡	
 1

関西学院大学 理工学部生命科学科
2

筑波大学 生命環境系
1,辻 敬典 * 白岩 善博

2

紅藻の二次共生により葉緑体を獲得したハプト藻や珪藻は、葉緑体が四枚の包膜に包まれている点や、
貯蔵多糖としてβ-グルカンを蓄積する点など、緑色植物とは異なる構造的および代謝的特徴を持つことが知られていた。近年の研究の進展により、これらの二次共生藻類では、葉緑体内での生合成系に必要な炭素化合物を直接カルビン・ベンソン回路から供給している点や、C4 有機酸を合成する酵素が複数の異なるオルガネラに局在する点など、貯蔵多糖以外にも緑色植物とは異なる点が多々あることが示されつつある。本稿では、近年の研究から提案されている二次共生藻の炭素代謝の特徴について、
緑色植物の炭素代謝と比較しつつ紹介する。
1. 共 生 に よ る 葉 緑 体 の 獲 得 と 真 核 光 合 成 生

るが、その進化の道筋については不明な点が多く、さ物の多様化

まざまな説が提唱されている。例えば、珪藻の核ゲノ	  ‡ 真核光合成生物は、共生により葉緑体を獲得した

ムには、紅藻由来の遺伝子を上回る数の緑藻由来遺伝

多系統の生物群である。最初に、ある種の従属真核生子がコードされていることから、紅藻の葉緑体を獲得

物が、シアノバクテリアを取り込むことで葉緑体を獲する前に緑藻由来の葉緑体を持っていた可能性が指得した（図 1）。シアノバクテリアの細胞内共生による摘されている 2)。これに対する反論として、比較解析

葉緑体の獲得は「一次共生」と呼ばれ、一次共生によに使われた緑色植物の遺伝子数が約 20 万個であるのり葉緑体を獲得した真核光合成物は、緑藻・紅藻・灰に対し、紅藻の遺伝子はわずか 1 万個程度であったた

1)

色藻の３つのグループに分岐した 。これらの藻類（おめ、必然的に緑藻由来の遺伝子が多く検出されたのでよび緑藻から派生した維管束植物）は単系統であり、はないかという指摘もなされている 3,4)。今後は、多様

一次植物あるいはアーケプラスチダ (Archaeplastida)

な真核生物のゲノム情報に基づいて、二次共生藻類のと呼ばれる（図 1）。その後、さらに緑藻や紅藻などの系統関係が明らかになることが期待される。

アーケプラスチダが、他の従属真核生物に取り込まれ	  細胞内共生が成立する過程では、共生体（取り込まる二次共生により、多様な真核生物が光合成の能力（=れた側）のゲノムの多くが宿主（取り込んだ側）の核

1)（図 1）。二次共生イ

ゲノムに統合され、葉緑体包膜上の代謝産物輸送シス

ベントは、進化過程において複数回起こり、異なる系

テムが確立されることにより共生体と宿主の代謝が統に属する多様な真核生物が葉緑体を獲得したため、統合される。二次共生は、細胞内共生イベントを二回真核光合成生物の多様化を進めた原動力であると言経ているため、一次共生により葉緑体を獲得した緑色える。ただし、二次共生藻類の進化プロセスは複雑で植物と比較すると、細胞構造や代謝に大きな違いがああり、二次共生がどのタイミングで何回起こったかはる。この総説では、近年の研究から明らかになりつつはっきりしない。ハプト藻類や不等毛藻類（珪藻、褐ある、紅藻由来の葉緑体を持つ二次共生藻の炭素代謝藻など）は、紅藻由来の葉緑体を持つことは確実であについて、緑色植物の代謝と比較しつつ紹介する。

葉緑体）を獲得するに至った‡

解説特集「光合成炭素代謝研究の新展開」*連絡先 E-mail: tsuji.yoshinori.fu@kwansei.ac.jp202光合成研究	  25 (3) 2015

図 1. 	
 一次共生 (A) および二次共生 (B) にともなう細胞構 造およびゲノム構造の変化	 	
  一次共生では、ある種の従属真核生物がシアノバクテリアを取り込むことで葉緑体を獲得し、その後緑藻、紅藻、灰色藻の３つの系統に分岐した。これらの真核光合成生物は単系統であり、アーケプラスチダ	
 (Archaeplastida) と呼ばれる。一次共生が成立する過程では、シアノバクテリアの染色体にコードされた遺伝子の大部分が、宿主真核生物の核 (N1) へと転移し、アーケプラスチダの核	
 (N1’) に統合された。このような、共生に伴う共生体から宿主への遺伝子転移は、endosymbiotic
gene transfer (EGT) と呼ばれる。ハプト藻や不等毛藻は、紅藻の二次共生により葉緑体を獲得した。二次共生においても、EGT によって共生体の核コード遺伝子は、宿主の核 (N2) へと転移し、最終的に二次共生藻の核	 (N2’) へと統合された。
なお、紅藻の二次共生が進化上何回起こったかは不明であり、ハプト藻と不等毛藻が独立して別々に葉緑体を獲得したのか、あるいは葉緑体獲得後に両者が分岐したのかははっきりしていない。二次共生を経た結果、ハプト藻および不等毛藻の葉緑体は４枚の包膜に囲まれており、最外膜は核膜と融合した ER 膜からなる。	
 2. 維管束植物の炭素代謝のモデル

ルピルビン酸 (phosphoenolpyruvate, PEP) を輸送する

	  光合成炭素代謝の研究が最も進んでいるのは、アー

PEP/Pi translocator (PPT)がある（図 2）。TPT は同化産

ケプラスチダの中の緑色植物に属する維管束植物（特物であるトリオースリン酸（ジヒドロキシアセトンリににホウレンソウやシロイヌナズナなど）である。そン酸およびグリセルアルデヒド３リン酸）の一部を葉こで、二次共生藻の代謝のモデルを紹介する前に、比緑体から細胞質へと輸送する 6)（図 2）。PPT は細胞質

較のために維管束植物の代謝について概説する。維管で合成された PEP を葉緑体に取り込む機能を有し、芳束植物は、二重の包膜に包まれた葉緑体を持ち、光合

香族アミノ酸合成や脂肪酸合成の原材料として供給

成時には様々な代謝産物が輸送体を介して葉緑体のする（図 2）。PEP は葉緑体内での様々な化合物の生合内外へと輸送されている。葉緑体の外包膜には、ポリ成に必須であるが、葉緑体内においてカルビン・ベンン様タンパク質が存在し、30 kDa 程度までの大きさのソン回路（図中では C3 cycle と表記）から直接供給す

5)。一る機構は存在せず、細胞質で合成された後 PPT を介し方、内包膜にはポリン様タンパク質は存在せず、代謝て細胞質から供給される（図 2）。維管束植物の葉肉細産物は特定の輸送体を介して選択的に輸送される。

胞中の葉緑体内において、カルビン・ベンソン回路か	  維管束植物の葉緑体では、内包膜に局在する色素体

ら 直 接 PEP が 合 成 さ れ な い 理 由 は 、 3-PGA

リ ン 酸 ト ラ ン ス ロ ケ ー タ ー （ plastidic phosphate(3-phosphoglycerate, 3-PGA) から PEP を作るために必translocator, pPT）ファミリーが、葉緑体内外へのリン

要な 2 つの酵素 (3-PGA ムターゼおよびエノラーゼ)

分子であれば非選択的に透過することができる

酸化合物の輸送を担っている

6,7)。pPT ファミリーの代のうち、エノラーゼが葉肉細胞の葉緑体には存在しな

表的なものとして、トリオースリン酸/Pi トランスロケ

いためである 8-10)。

ーター (triose-P/Pi translocator, TPT) とホスホエノー

	  葉緑体内包膜には pPT ファミリー以外にも様々な輸

203

光合成研究	  25 (3) 2015

図 2. 	
 C3 型緑色植物の 葉緑体における PEP および有機酸の供 給経路	 	  カルビン・ベンソン回路 (図中では C3 cycle と表記) で作られたトリオースリン酸の一部は細胞質に運び出され、PEP に変換された後に再び葉緑体内に移動する。葉緑体内にエノラーゼが存在しないため、カルビン・ベンソン回路から直接 PEPを合成することはできない。葉緑体内でのシキミ酸経路などに必要な PEP は、PPT を介して細胞質から供給される。光呼吸や硝酸還元により生じたアンモニアは GS/GOGAT サイクルによりグルタミン酸 (Glu) へと固定されるが、このときに必要な炭素骨格 （2-オキソグルタル酸，2OG）は、ジカルボン酸輸送体 (2-oxoglutarate/malate transporter, OMT) を介して葉緑体へと輸送される。ミトコンドリアでは、窒素同化に伴い TCA 回路から 2OG が引き抜かれ、代謝中間体を補うためにオ
キサロ酢酸（OAA）などの C4 有機酸が合成され TCA 回路へと補充される（アナプレロティック反応あるいは補充反応と呼ばれる）。緑色植物では、PEP カルボキシラーゼ (PEPC) が主要なアナプレロティック酵素として機能している。AcCoA,
acetyl-CoA; OAA, oxaloacetate; PEP, phosphoenolpyruvate；3-PGA, 3-phosphoglycerate; PYR, pyruvate; Triose-P, triose phosphate;
OMT, 2-oxoglutarate/malate transporter; TPT, triose-P/Pi translocator；PPT, PEP/Pi translocator; TCA, tricarboxylic acid; PEPC, PEP
carboxylase; GS, glutamine synthetase; GOGAT, glutamine:2-oxyoglutarate aminotransferase

送体が存在し、代謝産物の選択的輸送を担っている。

しており、葉緑体内の非メバロン酸経路へとピルビン

例として、特異性の異なる 2 種類のジカルボン酸輸送

酸を供給している 12)。維管束植物や緑藻類（一次共生(2-oxoglutarate/malate transporter, OMT お よ び

生物）の主要な貯蔵物質は、グルコースがα-1,4 グル

general dicarboxylate transporter, DCT) がある（図 2）。

コシド結合で連なったアミロースと、α-1,4 およびαOMT は 、 窒 素 同 化 に 必 要 な 2- オ キ ソ グ ル タ ル 酸-1,6 結合を持つアミロペクチンから構成されるデンプ(2-OG) を葉緑体に供給し、DCT は窒素同化により作ンである。デンプンは、ADP-グルコースからデンプンられたグルタミン酸を葉緑体外へと運び出す役割が合成酵素の働きにより合成され、葉緑体ストロマやピある。近年シロイヌナズナにおいて、OMT はオキサロ

レノイド周辺に蓄積する。多様な真核光合成生物の貯酢酸 (OAA) にも高い親和性を示し、OMT によるオキ

蔵多糖を比較すると、不溶性α-グルカンを葉緑体の中サロ酢酸とリンゴ酸の対向輸送は、還元力を葉緑体かに蓄積するという特性は、緑色植物にのみ見られる性ら細胞質へと逃がすリンゴ酸バルブの分子実体であ質であり、真核光合成生物に普遍的な特徴ではない。

体ることが示された

11)。また、C4 植物では、C4 回路に

本稿では貯蔵多糖については詳しく述べないが、光合

おいて葉肉細胞の葉緑体へとピルビン酸を供給する

成 生 物 の 貯 蔵 多 糖 の 多 様 性 に つ い て は 、 Suzuki &+Suzuki (2013)に詳しい 13)。

Na 依 存 性 ピ ル ビ ン 酸 輸 送 体 (bile acid sodium
symporter family protein 2, BASS2) が同定されている 12)。BASS2 は C3 植物の発達中の葉においても発現204

光合成研究	  25 (3) 2015

図 3. ゲノム情報から推 測されるハプト藻および珪藻の葉 緑体における PEP と有機酸の供給経路
	  ハプト藻 Emiliania huxleyi や珪藻 Phaeodactylum tricornutum では、(ENO) やピルビン酸カルボキシラーゼ (pyruvatecarboxylase, PYC) が葉緑体に局在し、カルビン・ベンソン回路から PEP や OAA が直接供給されると推測される。また緑色植物と同様に、ハプト藻や珪藻でも triose-P/Pi translocator (TPT) によってトリオースリン酸の一部が細胞質へと運び出されると推測されている。しかし、複数存在する TPT ホモログのうち、どの TPT ホモログが四枚ある包膜のどの膜に局在するかは明らかにされておらず、各 TPT ホモログの基質特異性も明らかにされていない。また、ミトコンドリアに PEPC および PYC が局在すると予測されており、これらの酵素がアナプレロティック反応に寄与していると考えられる。紅藻および紅藻由来の葉緑体を持つ二次共生藻類では、ジカルボン酸輸送体は見つかっておらず、葉緑体局在の GS/GOGAT サイクルに必要な 2OG がどのようにして葉緑体に輸送されるかは不明である。ハプト藻や珪藻では、複数の GS/GOGAT アイソザ
イムが存在し、葉緑体以外のオルガネラにおいても GS/GOGAT サイクルが機能している可能性がある。また、ハプト藻や珪藻では、緑色植物型の光呼吸とは異なるグリコール酸代謝経路を持つ可能性もあるため、これらの藻類の硝酸同化・光呼吸についてはさらなる研究が必要である。略号は図 2 を参照のこと。

3. 維 管 束 植 物 以 外 の ア ー ケ プ ラ ス チ ダ に おると推測される 14,16,17)。

ける炭素代謝	  以上のように、TPT による葉緑体から細胞質へのト	  アーケプラスチダのうち、緑藻および紅藻では、維リオースリン酸の輸送と、PPT による PEP の葉緑体内

管束植物と同様に TPT がトリオースリン酸の葉緑体への輸送の仕組みは、紅藻と緑藻にも共通して保存さから細胞質への輸送を行い、PPT が細胞質で合成されれているようである。しかし灰色藻では、pPT ファミ

た PEP を葉緑体内へと輸送していると考えられている。

リーに属する輸送体が同定されておらず、pPT が機能

紅藻 Galdieria sulphuraria では、TPT と PPT が同定さしていない可能性もある。灰色藻の葉緑体は、シアネれており、その基質特異性が詳細に調べられている

14)。

レとも呼ばれ、その内包膜と外包膜の間にペプチドグ

維管束植物（ホウレンソウ）で明らかにされた TPT は、リカン層が存在する点や、アンテナ色素としてフィコ

トリオースリン酸に加え、3-PGA も輸送するが
藻 G.

15)

、紅

ビリンを持つ点など、シアノバクテリアに近い性質を

sulphuraria の TPT は、トリオースリン酸は輸保持している。灰色藻 Cyanophora paradoxa から単離送するものの、3-PGA は輸送しない

14)。その点を除き、したシアネレを用いた実験では、トリオースリン酸と紅藻 G. sulphuraria の TPT および PPT は、基本的に維Pi の対向輸送が行われることが示唆されており、維管管束植物の TPT および PPT と同様の輸送特性を持つ。

束植物と同様に TPT がトリオースリン酸の一部を葉緑藻および紅藻でも、維管束植物と同様に葉緑体局在

緑体から運び出すと考えられていた 18)。しかし、近年のエノラーゼは持たないため、葉緑体内での生合成にの Cyanophora paradoxa のゲノム解析および単離シア

必要な PEP は、細胞質から PPT を介して取り込んでいネレのプロテオーム解析では、TPT や PPT などの pPT

205

光合成研究	  25 (3) 2015
ファミリーに属する輸送体は見つかっておらず、単離の特徴を述べたい（図 3）。

シアネレにおけるトリオースリン酸輸送活性の分子	  アーケプラスチダの二重包膜葉緑体における代謝

実体は不明である

19,20)。

産物輸送体は、主に単離葉緑体を用いた実験系により

	  一方、カルビン・ベンソン回路から PEP を合成する

明らかにされてきた。しかし、ハプト藻や珪藻では、ために必要な 2 種の酵素（3-PGA ムターゼおよびエノ

葉緑体の最外膜が ER 膜を介して核膜とつながっていラーゼ）が単離シアネレのプロテオーム解析で同定さるため 21)、密度勾配遠心法による無傷葉緑体の単離はれており 20)、カルビン・ベンソン回路で合成された困難である。Wittpoth ら（1998）は、珪藻から無機炭

3-PGA から PEP が葉緑体内で合成され、葉緑体内代謝素を基質とする酸素発生活性を保持した葉緑体の単系に直接供給されていると考えられる。前述のとおり、離に成功したが、単離葉緑体の最内膜は無傷であった

灰色藻のシアネレはシアノバクテリアに近い性質をものの、外側三枚の包膜は壊れていた 22)。単離葉緑体

保持していることから、PEP 供給システムについてもにおける無機炭素依存的な光合成酸素発生は、Pi 添加

pPT ファミリーによる輸送システムが確立される前のによって阻害され、3-PGA の添加によって回復したこ

特徴を保持している可能性が考えられる。したがって、とから、3-PGA と Pi の対向輸送を行う TPT が機能し灰色藻のシアネレの代謝産物輸送体を調べることで、ていることが示唆された 22)。真核光合成生物の pPT フ

一次共生成立に伴う宿主真核生物とシアノバクテリ

ァミリーの分子系統解析においても、アーケプラスチ

アの代謝統合プロセスのヒントが得られるかもしれダの TPT と同じ系統に属する輸送体がハプト藻や珪ない。

藻から複数見つかっており 23)、これらの二次共生藻類

	  アーケプラスチダはいずれも不溶性の α-グルカンでの葉緑体においても TPT を介してトリオースリン酸

あるデンプンを合成するが、貯蔵場所が異なり、緑色を輸送していると推測されている（図 3）。PEP の輸送

植物は葉緑体内に、紅藻および灰色藻は細胞質にデンに関しては、ハプト藻や珪藻ではアーケプラスチダのプンを蓄積する

13)

PPT と同じ系統に属する輸送体は見つかっておらず 23)、

。緑色植物のデンプンはアミロースとアミロペクチンを含むが、多くの紅藻は「紅藻デン

PPT を介した葉緑体への PEP の輸送が起こっていない

プン」と呼ばれるアミロペクチン型のデンプンを蓄積可能性がある 23)。ハプト藻や珪藻では、カルビン・ベ

する。

ンソン回路から PEP を合成するために必要な二つの酵素（3-PGA ムターゼ およびエノラーゼ）が葉緑体に

4. 紅 藻 由 来 の 葉 緑 体 を 持 つ 二 次 共 生 藻 類 の局在することが示唆されており、芳香族アミノ酸など炭素代謝の生合成に必要な PEP は、葉緑体内でカルビン・ベン	  アーケプラスチダの葉緑体は二枚の包膜に囲まれソン回路から閉鎖系的に供給すると推測されていているが、代謝産物輸送の障壁となるのは内包膜である 24-26)（図 3）。ただし、珪藻 Thalassiosira pseudonana

り、内包膜上に存在する輸送体が代謝産物を選択的にのゲノム上には葉緑体局在エノラーゼが見つかって

輸送する

5,6)

おらず、葉緑体内での PEP 合成系が二次共生藻類の普。一方、ハプト藻や珪藻など、紅藻由来の葉緑体を持つ二次共生藻類の葉緑体は、四枚の包膜に遍的な特徴であるかは分からない。

包まれており、その最外膜は ER 膜を介して核膜と融	  二次共生藻では、ゲノム解析により、PPT が存在し合している（図 1）。二次共生によって新たに獲得されない点や、葉緑体内でカルビン・ベンソン回路から直た外側 2 枚の包膜においても、輸送体による選択的な

接 PEP を合成する酵素系の存在が示唆された点など、代謝産物輸送が起こっていると推測される。しかし、

アーケプラスチダとは異なる特徴を持つことが示さ

二次共生藻類の四重包膜葉緑体における代謝産物輸れているが（図 3）、実験的証拠は不足しており、今後送機構については、ほとんど調べられておらず、代謝の生化学・分子生物学的手法による詳細な解析が望ま産物が四枚の包膜を透過する機構も明らかになってれる。特に、pPT ファミリーに関しては、基質特異性いない。四重包膜葉緑体を持つ二次共生藻類の炭素代を決定するアミノ酸残基はいまだ同定されておらず、謝について体系的に説明することは難しいが、現時点

アミノ酸配列から輸送基質を予測することは困難でで分かっている情報を元に、二次共生藻類の炭素代謝ある 27)。そのため、個々の輸送体に関して、基質特異206

光合成研究	  25 (3) 2015
性と局在を実験的に明らかにすることが必要である。

あり、抗マラリア薬のターゲットとして盛んに研究が貯蔵多糖に関しても、ハプト藻や珪藻は、グルコース

行われているため、今後、アピコプラストの研究からが β-1,3 および β-1,6 結合により連なった β-グルカン

四重包膜葉緑体の物質輸送のヒントになる結果が得を細胞質の小胞内に蓄積することが古くから知られられることが期待される。

ているが、β-グルカン合成酵素は同定されていないな
ど未解明の点が多い 24)。また、一部のハプト藻では、

6. 二次共生藻類における C4 有機酸の合成経

β-グルカンではなくアルケノンと呼ばれる長鎖不飽和路とその機能ケトンが主要な貯蔵物質として機能している

28)

。

	
  二次共生藻類の炭素代謝の特徴として、C3 化合物から C4 有機酸を合成する β-カルボキシレーション酵素

5. 四 重 包 膜 葉 緑 体 の 痕 跡 オ ル ガ ネ ラ で あ るが複数の異なる細胞内区画に存在することが挙げら

アピコプラストにおける代謝産物輸送機構

れる 24,25,30,31)。光合成生物において代表的な β-カルボ

	  二次共生藻類の四重包膜葉緑体における代謝産物

キシレーション酵素としては、PEP カルボキシラーゼ

輸送については研究例が極めて少なく、不明な点が多（phosphoenolpyruvate carboxylase, PEPC）が知られてい。しかし、四重包膜葉緑体の代謝産物輸送機構を知いる。PEPC は、C3 化合物である PEP に HCO3-を付加るための手がかりとなる研究が、寄生性原生生物であし、C4 有機酸である OAA を合成する 32)。緑色植物にるマラリア原虫においてなされている。マラリア原虫

おいて PEPC は細胞質に局在し、アミノ酸合成に必要はアルベオラータの中のアピコンプレクサと呼ばれな TCA 回路の中間体を補充する反応（アナプレロテる系統に属し、かつて紅藻由来の葉緑体を持っていた

ィック反応、補充反応とも呼ばれる）に寄与しているが、進化の過程で光合成の能力を失い寄生生活を送っ32)ている。四重包膜葉緑体の痕跡器官であるアピコプラ

も持ち、OsPPC4 による有機酸の供給（OAA, 2-オキソ

ストは、四枚の包膜に包まれており、光合成の能力はグルタル酸）が、GC/GOGAT 系によるアンモニアの速失っているが、脂肪酸やヘムなどの生合成の場として

やかな固定に必要であることが示されている 33)。PEPC

機能している。マラリア原虫 Plasmodium falciparum でによるアナプレロティック反応は、TCA 回路の中間体

は、アピコプラストの pPT ファミリーとして最外膜にの枯渇を防ぐとともに、アミノ酸合成の炭素骨格とな

局 在 す る pPT (PfopPT)と 、 最 内 膜 に 局 在 す る pPT

る有機酸を供給することで C/N バランスを調整する役(PfipPT) が同定されており、これらの pPT を介して生割がある。また、C4 植物では、PEPC は C4 回路におけ合成の材料となる C3 化合物を細胞質からアピコプラ

る最初の炭酸固定反応を担っていることも知られてストの中へと供給していると考えられる。イネでは、例外的に葉緑体局在の PEPC (OsPPC4)

27,29)。一般的いる。このように、C3、C4 植物の両方において、PEPCに、光合成生物の pPT ファミリーは、3 位の炭素がリ

は炭素代謝および窒素代謝で重要な役割を担うこと

ン酸化された C3 化合物（トリオースリン酸や 3-PGA）から、酵素学的な性質が詳細に調べられている 32)。

を選択的に輸送する TPT と、2 位がリン酸化された C3

	  PEPC はほとんどの藻類で見つかっており、維管束

化合物 (PEP)を選択的に輸送する PPT が存在する。こ植物と同様にアナプレロティック反応を担っているれに対し、マラリア原虫 P. falciparum の PfopPT とと考えられる。ところが近年の研究により、多くの藻PfipPT は、リン酸基の位置による基質選択性は小さく、類では PEPC に加えて、ピルビン酸カルボキシラーゼ

トリオースリン酸（ジヒドロキシアセトンリン酸）、(pyruvate carboxylase, PYC) を持つことが明らかにな

3-PGA、PEP などの C3 化合物を非選択的にすべて輸送った。PYC は、ピルビン酸から OAA を合成する酵素するという特徴がある

27)。

であり、維管束植物では見つかっておらず、主に動物

上記のように、P. falciparum では、最外膜および最やバクテリアなどでアナプレロティック反応に寄与

内膜に局在する PfopPT および PfipPT 以外に pPT ファ

することが知られていた 34)。藻類における PYC の存

ミリーがゲノム上に見つかっておらず、中間の 2 枚の在については古くから議論があったが、維管束植物が

27)

。ア

PYC を持たないことや、多くの藻類において PYC のピコプラストはマラリア原虫に特有のオルガネラで酵素活性が検出されなかったため、例外的に一部の藻包膜における代謝産物の輸送機構は不明である

207

光合成研究	  25 (3) 2015
類でのみ機能していると考えられてきた 35–37)。我々は、かになっている 31)。さらに、細胞質および葉緑体に局ハプト藻 Emiliania huxleyi が PYC (EhPYC1) 持つこと在すると推測される PYC が見つかっている 31)。このを明らかにし、さらに EhPYC1 が葉緑体に局在するこ

ように、二次共生藻類における OAA 合成経路は極め30)。E. huxleyi の葉緑体では、EhPYC1 によとを示した

25,26,30)って OAA を合成できると推測されている（図 3）て複雑であり、各 OAA 合成酵素がオルガネラによっ。

て異なる機能を有するか、あるいは各オルガネラにおE. huxleyi のゲノムには、EhPYC1 に加え、ミトコンド

ける C4 有機酸合成の厳密な調整に寄与すると考えら

リア局在の PYC および PEPC が予測されていることかれる。しかし、藻類においては、β-カルボキシレーシ

ら、これらのミトコンドリアに局在する β-カルボキション酵素の機能や局在についてはまだ体系的な研究

レーション酵素が、アナプレロティック反応を担ってがなされておらず、生理的役割や機能分担を明らかにいると推測される（図 3）。EhPYC1 による葉緑体内でするための研究が必要である。

の OAA 合成経路の生理機能については不明だが、ア
ナプレロティック反応とは独立して、葉緑体内で Asp

7. 二次共生藻類の炭素代謝研究の展望

ファミリーアミノ酸の炭素骨格を供給していると推	  地球上の一次生産のおよそ半分は、海洋に生息する

測されている（図 3）。葉緑体型 PYC は、羽状目珪藻

藻類が担っている。なかでも、紅藻由来の葉緑体を持

Phaeodactylum tricornutum にも存在することが予測さつハプト藻や珪藻は、海洋の主要一次生産者であり、

れている

24)

海の光合成生物の代表であるといえる 40)。二次共生藻。

	  二次共生藻類における β-カルボキシレーション酵素

類の光合成の研究は、光合成生物の炭素代謝の進化・の重要な機能としては、珪藻や褐藻による暗条件下で多様化の理解だけではなく、海洋における物質循環やの硝酸同化とアミノ酸合成が挙げられる。多くの藻類

海洋一次生産のモデリングの基礎となる重要な研究

は、光照射下においてのみ硝酸を同化するが、珪藻で分野である。近年では、様々な二次共生藻類でゲノム

は、暗条件下においても硝酸を同化し、アミノ酸を合が解読され、さらに珪藻など一部の二次共生藻類では

37)。このとき、TCA 回路からは 2-オキソグルタ

外来遺伝子の発現系や、RNAi およびゲノム編集技術

ル酸や OAA がアミノ酸合成へと引き抜かれるため、などの解析ツールが応用されている 41-43)。これらのツ

アナプレロティック反応によって C4 有機酸が補充さールの発達により、二次共生藻類の分子レベルでの特れる。暗条件下では、PEP に CO2 を付加して OAA を徴が明らかになることが期待される。さらに、その学合成する PEP カルボキシキナーゼ (PEP carboxykinase,

術的知見は、海洋生態系の理解に不可欠なものであり、

PEPCK) の活性が上昇することから、PEPCK が暗条件

化石燃料消費による大気 CO2 濃度上昇に伴う地球温暖下でのアナプレロティック反応を担っていると考え

化や海洋酸性化等の影響に関する地球規模課題の解られている。なお、PEPCK が触媒する反応は CO2 固

決に対して大きく貢献することに疑いはない。

成する

定反応であるため、暗条件下での硝酸同化に伴って
CO2 が固定される。珪藻や褐藻では古くから暗条件下

謝辞における CO2 固定活性が高いことが報告されており、	  本原稿で紹介した筆者らの研究は、鈴木石根教授を条件によっては、暗条件下の CO2 固定速度が光合成はじめとする筑波大学植物代謝生理学研究室の皆様

CO2 固定速度の約 10％程度に達することも報告されてのご協力を頂きました。心より感謝を申し上げます。

いる38,39)。

また、筆者らの研究の一部は、JST/CREST「海洋ハプ

二次共生藻類であるハプト藻や珪藻のゲノム解析

ト藻類のアルケノン合成経路の解明と基盤技術の開では、PEPC や PYC など複数の OAA 合成酵素が、異発」の成果です。最後に、本執筆の機会を頂きました

なる細胞内コンパートメントに局在することが示唆

関西学院大学松田祐介教授に感謝申し上げます。

されている

24,25)。珪藻 Thalassiosira pseudonana では、β-カルボキシレーション酵素の局在解析がなされておReceived October 31, 2015; Accepted November 23, 2015;

り、PEPC が葉緑体包膜間およびミトコンドリアに局

Published December 31, 2015

在し、PEPCK がミトコンドリアに存在することが明ら

208

光合成研究	  25 (3) 2015
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211

光合成研究	  25 (3) 2015

解説	
 C4 型光合成の進化過程から C4 化の鍵を探る‡	 関西学院大学	 理工学部/大学院理工学研究科	
 
宗景	
 ゆり*	
 
C4 型光合成は熱帯や温帯の草原に生息する植物が獲得した収斂進化形の一つであると考えられおり、C4 型光合成を営む植物は被子植物に 66 系統存在することが確認されている。また C3-C4 中間型光合成を営む種が C4 種と共通の祖先を持つことが多数の系統において報告されており、C4 型光合成は、C3型から C3-C4 中間型を経て発生した可能性が指摘されている。本稿では、様々な植物の C4 型、C3-C4
中間型光合成の代謝経路と、同属内に多数の C3-C4 中間種や C4 様種が存在するキク科 Flaveria 属植物の知見から、段階的に進んだ C4 型光合成成立までの進化過程について紹介する。
1. はじめに

うち 10 系統において C3-C4 中間種と C4 種が共通の祖

	  ‡ トウモロコシやソルガム、サトウキビに代表され先を持つことが報告されている 2)。おそらく C4 型光合るように、C4 型光合成を営む C4 型作物は、CO2 濃縮機

成は，C3 型から一足飛びに発生したのではなく C3-C4能を持つため、亜熱帯や温帯、そして半乾燥地帯での中間型を経て発生したと考えられる。C3-C4 中間型光生産性が非常に高く、世界で主要な作物となっている。

合成では，光呼吸で生じたグリシンを運んで CO2 を濃現在、C3 型作物に C4 型の形質を付加する C4 化分子育縮する“C2 回路”が働いている。この“C2 回路”では C4種の取り組みが様々な国で行われている。しかしなが回路と同様に二種類の細胞を使って CO2 を濃縮する点

ら、植物の C4 化は容易ではない。なぜなら、C4 型光において C4 型光合成と類似しており、C3-C4 中間型で合成は非常に洗練されたシステムであり、CO2 を濃縮

は、C4 型光合成の準備段階の形態や代謝経路が構築さするための代謝経路である C4 回路の構築と共に、濃縮れていると考えられる。

した CO2 を逃がさないようにする細胞組織の形態変化、

このように多くの系統において C4 型への進化が独そして大きく変化した代謝産物のバランスや C4 回路立に起こり得たということは、どの植物も C4 化するポの駆動に必要なエネルギーの生産バランスを調節す

テンシャルを秘めている、言い換えると、C3 型植物がるメカニズムを同時に誘導する必要があるからであ

潜在的に共通して持っているシステムを利用して C4る。

化が引き起こされたと考えることができる。我々は、一方で、地球上に C4 型光合成を営む植物は、単子葉C3 型から C3-C4 中間型を経て、C4 型が発生したこの進類だけでなく双子葉類にも広く見られ、19 科にわたる化の過程を解析することにより、C4 化分子育種へのヒ

約 7500 種の C4 型植物の存在が確認されている。系統

ントが得られると考えた。キク科 Flaveria 属植物は、学的解析により、それらは 66 系統に分類されること比較的近年になって C4 化が進んだ属であり、同属内にが明らかにされており、C3 型から C4 型への進化は 66

C3 種、C4 種だけでなく、多くの C3-C4 中間種、そして1)。これらの植物

C3-C4 中間型と C4 型の中間に位置する C4 様種が数多くの生息地域から、C4 型光合成は熱帯や温帯の草原に生現存する 1,3)。これらの Flaveria 属植物の光合成様式や息する植物が獲得した収斂進化形質の一つであると生理学的解析に関する知見は比較的多い。本稿では、考えられている。また、C3 型でもなく、C4 型でもない

様々な植物種における C4 型光合成経路と Flaveria 属近C3-C4 中間型に分類される植物が 21 系統存在し，この縁種の知見に加え、近年我々が行った解析から見える

回引き起こされたと推察されている

C4 型光合成の進化過程について紹介する。
‡

解説特集「光合成炭素代謝研究の新展開」*連絡先 E-mail: munekage@kwansei.ac.jp212

光合成研究	  25 (3) 2015

図 1. C4 型光合成代謝経路 の模式図
(A) NADP-ME 型（黒色実線）代謝経路では、維管束鞘細胞へ輸送されたリンゴ酸（Mal）が葉緑体で脱炭酸され、ピルビン酸（Pyr）となり葉肉細胞へ戻る。NAD-ME
型（灰色実線）では、維管束鞘細胞へ運ばれたアスパラギン酸（Asp）がミトコン
ドリアでオキサロ酢酸（OAA）を経てリンゴ酸に変換され、脱炭酸によりピルビン酸となる。
ピルビン酸は、アラニン（Ala）
へ変換されて葉肉細胞に戻り、再びピルビン酸へ変換される。PEP-CK 型（黒色破線）代謝経路では、維管束鞘細胞へ輸送されたアスパラギン酸が、細胞質でオキサロ酢酸を経て、脱炭酸によりホスホエ
ノールピルビン酸（PEP）となり葉肉細胞へ戻る。PEP-CK 型では維管束鞘細胞へリンゴ酸として運ばれミトコンドリア
NAD-ME により脱炭酸される経路も同時に働く。(B) トウモロコシ（Zea mays）および C4 種 Flaveria（C4 Flaveria）において予想される光合成代謝経路の模式図。

2. C4 型光合成と３つのサブタイプ

鞘細胞へ限定される。C3 型光合成では光呼吸によってC3 型光合成では、CO2 固定からデンプン合成までの光合成効率が 20－50％程度低下するが、 C4 型光合成

一連の代謝反応は、葉肉細胞で行われており、葉緑体

では維管束鞘細胞の CO2 分圧を高く保つことで光呼吸

で は Ribulose-1.5-bisphosphate carboxylase/oxygenaseによる光合成効率の低下を防ぐことができる。このた（RuBisCO）による CO2 固定を初発段階とした C3 回路

め、C4 型光合成は、高温や水分欠乏環境により葉内のが働いている。これに対し、C4 型光合成では葉肉細胞

CO2 濃度が低下する条件下で、C3 型光合成より有利にと維管束鞘細胞の二種類の細胞を使って C4 回路を動働く 4)。

かし，維管束鞘細胞へ CO2 を濃縮する 1）。C4 型光合成

C4 型光合成には、脱炭酸酵素の種類によって分けら

では，気孔から入ってきた CO2 は、重炭酸イオンに変れた３つのサブタイプがある。ここでは、３つのサブ換された後、葉肉細胞で炭素数が４つのオキサロ酢酸

タイプの経路を同一の細胞に図示している（図 1A）。

へ固定され、アスパラギン酸またはリンゴ酸へ変換さトウモロコシやソルガム、サトウキビ、アワ（Setaria

れる。その後、これらのアスパラギン酸またはリンゴ

italica ）、 そ し て 我 々 が 解 析 に 使 用 し て い る C4 種

酸は維管束鞘細胞へ運ばれ，脱炭酸酵素により CO2 がFlaveria は、葉緑体 NADP-malic enzyme(NADP-ME)に放出される。ここで生成した炭素数が３つのピルビン

よってリンゴ酸が脱炭酸される NADP-ME 型に分類

酸（NAD-malic enzyme タイプではアラニンに変換されされる。キビ（Panicum miliaceum）や Cleome gynandra

る）またはホスホエノールピルビン酸（PEP）は、葉はミトコンドリア NAD-malic enzyme（NAD-ME）によ

肉細胞にもどり初期 CO2 固定反応に使われる基質となってリンゴ酸が脱炭酸される NAD-ME 型に分類され、る。C4 型光合成では、RuBisCO の発現領域は、維管束

ギニアグラス（Megathyrsus maximus）やアフリカヒゲ

213

光合成研究	  25 (3) 2015
シバ（Chloris gayana）は細胞質の PEP-carboxykinase

岐したと考えられる。実際に Flaveria 属において Clade（PEP-CK）によってオキサロ酢酸が脱炭酸されるA 系統に属する C3-C4 中間種 Flaveria ramosissima では、

PEP-CK 型に分類される。PEP-CK 型では、PEP-CK にNADP-ME だけでなく NAD-ME の発現量が上昇していよる脱炭酸経路を単独で持つ植物は見つかっておらる 11)。C3-C4 中間種 Flaveria ramosissima では、双方のず、ミトコンドリアにリンゴ酸を輸送して NAD-ME

経路が利用できるポテンシャルが維持され、C4 様型へによる脱炭酸を行う経路も同時に働く。実は C4 型植物の進化過程で NADP-ME 経路が選択されたと考えられのこれらのサブタイプへの分類は、主に働く脱炭酸酵る。様々な C4 代謝経路を統合した図をみると、すべて

素によって分類されており、植物によっては複数の経に共通する基本形は、1)葉肉細胞で PEP を使って路を利用している種も存在する。トウモロコシやヒエ

HCO3-がオキサロ酢酸へ固定されること、2)リンゴ酸（Echinochloa frumentacea）は、NADP-ME 型に分類さまたはアスパラギン酸を維管束鞘細胞へ輸送して脱れるが、PEP-CK が発現していることが知られてい炭酸をおこなうこと、3)C3 回路の反応は、3-ホスホグ

る

5,6)

14

。トウモロコシでは、 CO2 取り込み実験により

75%の

14

CO2 がリンゴ酸へ、約 25%のリセリン酸（3PGA）からトリオースリン酸（TP）ま14

CO2 がアスパ

ラギン酸へ取り込まれることが観察されており

7)でのリン酸化・還元を除いて（後述）、維管束鞘細胞、葉へ限定化されること、であることがわかる。では、ど緑体 NADP-ME によるリンゴ酸の脱炭酸経路の他に、のようにして進化の過程で C4 回路が発達したのだろ

維管束鞘細胞へ輸送されたアスパラギン酸がミトコうか。

ンドリアでオキサロ酢酸に変換された後、細胞質で3. C3 型から C3-C4 中間型へ

PEP-CK により脱炭酸される経路も働くことが示唆さ8)14れている （図 1B）。また、C4 種 Flaveria では、 CO2C4 型光合成は、C4 型から一足飛びに進化したわけで

14

取り込み実験により 60-65%の CO2 がリンゴ酸へ、約はなく C3-C4 中間型を経て、発生したと予想される。

1435-40%の CO2 がアスパラギン酸へ取り込まれることC3-C4 中間種に分類される種は、13 科と多岐にわたりが観察されている。C4 種 Flaveria では、他の NADP-ME

分布しており、43 種現存することが確認されている 2)。

型植物よりも維管束鞘細胞における葉緑体

それらは系統学解析により 21 系統に分けられる。こNADP-malate dehydrogenase （NADP-MDH）活性が高のうち 10 系統は、C4 種と共通の祖先から分岐しておく、またアスパラギン酸アミノ基転移酵素およびアラり、これらは進化の過程において C3 型と C4 型の中間

ニンアミノ基転移酵素の活性も高いことから、維管束に位置すると考えられる。最も C3-C4 中間種が多い属

鞘細胞へ輸送されたアスパラギン酸が、葉緑体でオキは、Flaveria 属で、9 種の C3-C4 中間種が存在し、近縁

サロ酢酸を経て、NADP-MDH によりリンゴ酸に変換

種に C4 様種、C4 種が含まれるため、これらの比較かされ、葉緑体 NADP-ME により脱炭酸された後、アラら進化過程を追うことができる。C3-C4 中間種では、ニンに変換されて、葉肉細胞へ運ばれる経路が働くこ

C4 回路ではなく、光呼吸に依存した C2 回路により CO29)とが推測されている （図 1B）。

を維管束鞘細胞へ濃縮する。その結果、C3 種よりも低これらの経路をすべて同一の細胞に描くとやや複い CO2 補償点を示す 12)。C3-C4 中間種では、C3 種と同雑になってしまう（図 1A）。複数の経路をあえてこの様に葉肉細胞に RuBisCO が存在し、C3 回路が機能しように同一の細胞へ描いた理由は、進化の過程においている（図 2A）。C2 回路では、この葉肉細胞の RuBisCOて、植物はこれらの経路をフレキシブルに、時には複オキシゲナーゼ反応により生じた 2-ホスホグリコール数を同時に使いながら選んだと考えるからである。

酸が、ペルオキシソームでグリシンへ変換され、維管Paniceae の系統樹を見ると、NAD-ME 型 Panicum 属

束鞘細胞のミトコンドリアへ運ばれて、脱炭酸反応に（Panicum miliaceum）、PEP-CK 型 Megathyrsus 属、より CO2 が放出される。脱炭酸の際に生じたセリンは、NADP-ME 型 Setaria 属の３つのサブタイプが C3 種

葉肉細胞へもどり、ペルオキシソームでグリセリン酸

Panicum を含む同じ系統樹に含まれる

10)。おそらく、に変換された後、葉緑体で 3PGA となり C3 回路へ合流

C3 型から C3-C4 中間型へ進化した後、C4 代謝経路はフする。Flaveria 属を含め C3-C4 中間種が発生した地域はレキシブルに変化し、それぞれ異なるサブタイプへ分

亜熱帯であり、植物は、光呼吸活性が高くなる生育条

214

光合成研究	  25 (3) 2015

図 2. C3 -C4 中間型光合成(A) C3-C4 中間型代謝経路の模式図
RuBisCO のオキシゲナーゼ反応により生じた 2-ホスホグリコール酸（2PG）
は、ペルオキシソームでグリシン（Gly）
へ変換され、維管束鞘細胞のミトコン
ドリアへ運ばれて、グリシンデカルボ
キシラーゼ（GDC）による脱炭酸反応
により CO2 が放出される。脱炭酸で生じたセリン（Ser）は、葉肉細胞へもどり、ペルオキシソームでグリセリン酸（glycerate）に変換された後、葉緑体で3-ホスホグリセリン酸（3PGA）となり
C3 回路へ合流する。(B) C3 -C4 中間種
Flaveria anomala の葉切片電子顕微鏡
写 真 	
  葉 肉 細 胞 :MC, 維 管 束 鞘 細胞:BSC, Bar = 5 µm。(C) 維管束鞘細胞の拡大写真	
  ミトコンドリア：m, 葉緑体: c, Bar = 5 µm。

件におかれていた 1)。C2 回路による CO2 濃縮はこのよ

低いレベルで観察されている 15)。また、Flavera C3-C4

うな地域で非常に有利であったと考えられる。

中間種では、C4 回路で働く酵素群、ホスホエノールピ

C2 回路による CO2 濃縮経路が獲得される過程は、比ルビン酸カルボキシラーゼ（PEPC）、ピルビン酸リン較的シンプルな変化で説明されている。ここで、重要

酸 ジ キ ナ ー ゼ （ PPDK ）、 NADP- リ ン ゴ 酸 酵 素

な要素となるのが、ミトコンドリアで脱炭酸反応を行（NADP-ME）や、アスパラギン酸アミノ基転移酵素

うグリシンデカルボキシラーゼ（GDC）の発現領域でおよびアラニンアミノ基転移酵素の発現が、C3 種と比ある。GDC の発現領域が維管束鞘細胞に限定されるこ較して高いことが報告されている 16)。これらの事象はとで、グリシンが濃度依存的に維管束鞘細胞へ移動

C3-C4 中間種においても、C4 代謝酵素を使った代謝経

し 2 細胞間の C2 回路が働くと考えられている

13,14)。

路が部分的に機能することを連想させる。Mallmann らC3-C4 中間種ではこの C2 回路による CO2 濃縮経路の獲は、C2 回路により維管束鞘細胞でグリシンの脱炭酸と得と共に、維管束鞘細胞でオルガネラが蓄積する

共に放出されるアンモニアを代謝するために、C4 代謝（図 2B）。電子顕微鏡写真では、維管束鞘細胞の葉緑酵素群が使われた可能性を指摘している 16)。

体が、ミトコンドリアの近傍に位置する様子が見られ

4. C4 回路の獲得と C4 型光合成の最適化（図 2C）、ミトコンドリアで放出された CO2 を、葉緑体が効率よくトラップしていると考えられる。Flavera

前述のように、C4 回路で働く酵素群は、C3-C4 中間属 C3-C4 中間種を用いた生理・生化学的解析や、近年種で発現が上昇しており C4 回路を獲得するきっかけの Flavera 属トランスクリプトーム比較解析から興味となる形質変化は、C3-C4 中間型で既に始まっている

深い事象が明らかになっている。Flavera 属 C3-C4 中間と考えられる。C4 回路で働く主要酵素の発現領域を調種の多くは、機能的な C4 回路を持たないことが報告さべたところ、C3-C4 中間種 Flaveria floridana では、葉肉

れているが

12)

14

、一方で、 CO2 の C4 酸への取り込みが細胞と維管束鞘細胞の双方で、遺伝子の発現が見られ、215

光合成研究	  25 (3) 2015
代謝酵素の発現の細胞特異性が獲得されていないこ

葉緑体の直鎖型電子伝達反応では、ATP/NADPH 生とが明らかになった（Taniguchi et al., in preparation）。

産比は約 1.29 に固定されているため 23)、ATP/NADPH

C3-C4 中間種 F. floridana では、葉肉細胞と維管束鞘細生産比を上昇させるために循環型電子伝達反応によ胞の両方で、C4 代謝酵素群の発現が上昇しているたって ATP が供給されていると考えられる。実際に、め、2 細胞間での C4 回路による CO2 濃縮が起こっていNADP-ME 型植物では、循環電子伝達活性が上昇してないと考えられる。一方、C4 様種に分類される F.

おり、循環電子伝達に関わる NDH 複合体や PGR5、brownii では、不完全ではあるが C4 代謝酵素が細胞特

PGRL1 の発現量が上昇している 24-27)。NADP-ME 型で異的に発現していた（Taniguchi et al., in preparation）。

は、葉肉細胞で NADPH を使ってオキサロ酢酸をリン

炭素同位体分別測定によると、C4 様種 F. brownii では

ゴ酸へ還元して維管束鞘細胞へ運び、葉緑体で脱炭酸

13δ C の値が低下しており、C4 回路による CO2 濃縮が機と共に NADPH を生成するため、維管束鞘細胞葉緑体

17)。これらのことから C4 代

での ATP/NADPH 要求比が上昇する。トウモロコシや謝酵素群の発現領域の限定化により、C4 回路が CO2

ソルガム、C4 種 Flaveria ではこの ATP/NADPH 要求比

濃縮経路として働くようになると考えられる。

に対応するように、NDH 複合体の発現量は維管束鞘細能していることがわかる

また、C4 様種 F. brownii では、葉肉細胞でも RuBisCOが発現しており C3 回路が働いている

胞で多くなっている。また、維管束鞘細胞の葉緑体チ

18)。葉肉細胞でラコイド膜は、葉肉細胞の葉緑体チラコイド膜と大きは RuBisCO のオキシゲナーゼ反応も起こるため、C2

く異なり、グラナ構造がほとんどみられない 28)。光化回路による CO2 濃縮も機能することが示唆されてい学系 II 複合体はグラナに局在しており、グラナ構造の19,20)。従って、C3-C4 中間型から C4 様型への進化の消失は光化学系 II の活性抑制と大きく関連してい過程で、C2 回路に依存した CO2 濃縮から C4 回路による 29,30)。トウモロコシやソルガムの成熟葉の維管束鞘る CO2 濃縮へ、段階的に移行したと考えられる。C4葉緑体では、直鎖型電子伝達活性がほとんど観察され様種に分類される Flaveria palmeri や Flaveria vaginata

ず、循環型電伝達による ATP 供給のみが行われているでは、いずれも RuBisCO の発現が葉肉細胞に少し残存と考えられる。

る21)。最終ステップである C4 様型から C4 型への過葉肉または維管束鞘細胞の各葉緑体における程では、RuBisCO の発現領域が維管束鞘細胞に限定化

ATP/NADPH 要 求 比 に 関 し て は Kanai and Edwards

されることで、完全な C4 型光合成が成立する。

（1999）や Edward and Voznesenskaya （2011）で算出する

ここで C4 型光合成の ATP/NADPH エネルギー要求されている 22,31)。ここで注意しておきたいことは、葉比についてふれたい。C3 型光合成では、C3 回路の駆動

緑体 ATP/NADPH 要求比は葉肉細胞と維管束鞘細胞間に、1 分子の CO2 固定あたり、ATP が 3 分子、NADPHの PGA/TP 交換輸送の見積もり量によって異なること

が 2 分子必要であり、これらは葉緑体の電子伝達反応である。PGA/TP 交換輸送は、どのサブタイプでも機によって生産される。NADP-ME 型および NAD-ME 型

能していると考えられる。それは、C3 回路で働く酵素

C4 光合成では、C3 回路に加え C4 回路を駆動するための活性が、C4 型では維管束鞘細胞に限定化されるのにに ATP が 2 分子余分に必要であり、結果として 1 分子

対し、PGA から TP までのリン酸化および還元反応にの CO2 固定あたり、ATP が 5 分子、NADPH が 2 分子

関わる、PGA キナーゼ（PGK）およびグリセルアルデ

必要となる。これらは、葉緑体の電子伝達反応によっ

ヒド 3 リン酸脱水素酵素（GAPDH）は、葉肉細胞と維て生産される必要がある。PEP-CK 型では、ミトコン

管束細胞の双方で活性が見られることから推測されドリアの NAD-ME 脱炭酸反応によって放出されるている 32,33)。しかしながら、実際にどの程度の流量でNADH から ATP が供給されると考えられており、葉働いているのかについてはよくわかっていない。維管緑体では 1 分子の CO2 固定あたり、3.6 分子の ATP、2.3束鞘細胞から葉肉細胞への CO2 のリークを無視すると、分子の NADPH が電子伝達反応によって生産される必NADP-ME 型では約 50%の PGA が葉肉細胞へ輸送され

22)。従って、NADP-ME 型

TP に変換されて戻ってくるとした時に、脱炭酸によるあるいは NAD-ME 型では、C3 型光合成と比較して葉

NADPH 生産と C3 回路での NADPH の消費がつり合い、緑体での ATP/NADPH 要求比が大きく上昇する。

維管束鞘細胞において直鎖型電子伝達反応による要があると算出されている

216

光合成研究	  25 (3) 2015
NADPH 生産が必要ない計算になる。NADP-ME 型で発現領域が維管束鞘細胞へ限定化され、維管束鞘細胞

も維管束鞘細胞葉緑体にグラナ構造が見られる植物

葉緑体のグラナ構造が消失する。RuBisCO の発現領域

では、維管束鞘細胞で直鎖型電子伝達反応が起こるとの限定化は転写後制御が大きく関わることが報告さ考えられるため、PGA/TP 交換輸送が低く見積もられれており 35)、mRNA の安定化に関わる因子やシャペロている 22)。C4 種 Flaveria では維管束鞘細胞葉緑体にグン等のタンパク質の蓄積に関わる因子が鍵となる可ラナ構造が観察され、直鎖型電子伝達活性が見られる

能性が考えられる。これら各段階で働く鍵因子が明らが、これは C4 種 Flaveria の副代謝経路である、アスパ

かになれば、作物の C4 化も夢ではなく現実味を帯びてラギン酸が維管束鞘細胞葉緑体でオキサロ酢酸を経くる。

て、NADP-MDH によりリンゴ酸に変換される過程でNADPH が消費されるので、直鎖型電子伝達反応によ6. おわりにる NADPH の生産が必要であるためと考えられている。

様々な C4 型種、C3-C4 中間種や C4 様種の比較解析から

いずれの場合も維管束鞘細胞葉緑体での ATP/NADPH

C4 型光合成の進化過程が見えてくる。近年、急速に普要求比は低くなるが、C4 回路全体では ATP が 2 分子

及した次世代シーケンス解析により、非モデル植物に必要になることから、葉肉細胞での ATP/NADPH 要求

おいても遺伝子情報基盤が整いつつある。NADP-ME

比が上昇することとなる。進化の過程では、代謝反応

型、NAD-ME 型、PEP-CK 型すべてにおいてトランス

経路に応じて、葉緑体での ATP/NADPH 生産比は、消クリプトーム情報も蓄積している。しかしながら比較

費とつり合いが取れるように最適化されたと考えら

トランスクリプトームにより、発現量が変動する遺伝れる。Flaveria 属植物を用いた比較解析から、NDH 複子が明らかになっても、それら遺伝子が原因遺伝子と合体量の増加とグラナ消失の過程は異なる制御系にしてではなく結果として変動している場合も多く、鍵よって、前者は主に C3-C4 中間型から C4 様型への進化

因子を探すことは難しい。今後の展開として期待され過程で、後者は C4 様型から C4 型への進化の過程で誘ることは、C4 化に関わるゲノム変異が同定されること導されていることが明らかになっている27)。

である。進化の軌跡はゲノムに残されている。我々は、
現在 C3-C4 中間種と C4 様種の交雑により、次々世代（F2）5. C4 化の鍵となる因子は存在するのか？

集団を得ており、これらの集団では C4 様種でみられる

	
  C3 型から C4 型への進化は、被子植物界で引き起こ

形質がいくつかに分離することが明らかになっていされた収斂進化の一つであり、C3 型植物が共通して持る。今後、これらの C3-C4 中間種と C4 様種の遺伝子地

つシステムが使われていると考えられる。そこには、図や全ゲノム配列情報の解析が進めば、量的遺伝子座

鍵となる因子が存在するのだろうか？ Flaveria 属で解析により、C4 様型の形質を引き起こすゲノム変異を観察される C3 型から C4 型への進化の段階を一つずつ同定できると期待している。

追うと、各段階における重要なイベントが見えてくる。
C3 型から C3-C4 中間型への過程では、GDC の維管束鞘

Received November 2, 2015; Accepted November 16, 2015;

細胞への局在化と（おそらく光呼吸活性の上昇に伴う）

Published December 31, 2015

C4 代謝酵素群の発現上昇が挙げられる。C3-C4 中間型
から C4 様型への進化の過程では、C4 代謝酵素群の局

参考文献

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進化の過程で明確になる 34)。従って、細胞の位置情報

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C4 代謝酵素群の細胞特異的発現の双方に関わる可能

3.

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involved in the decarboxylation of aspartate in the11.

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Differential

expressionof光合成研究	  25 (3) 2015
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C4 plants. Eur. J. Biochem. 190, 185–194.

bicolor indicates that the complex I-homologous

25.

30.

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Yuri Munekage*
Department of Bioscience, School of Science and Technology, Kwansei Gakuin University219

光合成研究	  25 (3) 2015報告記事	 International Conference “Photosynthesis Research for
Sustainability-2015”参加報告
東京理科大学	
 理学部	
 
鞆	
 達也	
 
	
  ギリシャのクレタ島にて International Conference “Photosynthesis Research for Sustainability-2015” が開催されまし
た。会の雰囲気は嶋川さんの学会参加記をご参照ください。本会議は 2004 年に最初にカナダで催され、2007、2014
年にロシア, 2011 年、2013 年にアゼルバイジャンで開催されています。本年はおよそ 20 の国々から約 150 人近くの参加者が集まり、日本からは大学院生 6 人（小松さん（筑波大）、篠田さん（東理大）、嶋川さん（神戸大）、寺
村さん（立命大）、中村さん（名古屋大）、船津さん（筑波大）、）を含む 20 人が参加しました（写真 1、全体写真）。
会議は James Barber (UK)、Eva-Mari Aro (Finland)、Govindjee (USA)、Tingyun Kuang (China)、Anastasios Melis (USA)、
Kostas Stamatakis (Greece)、村田紀夫先生 (Japan)、佐藤公行先生 (Japan)らによるオープニングセレモニーから始
まり、38 件の招待講演と 80 件近くのポスター発表が行われました。多岐にわたる光合成領域の討論が行われ実りある会議になりました。ギリシャは日本からの直行便がないため、到着にはかなりの時間がかかりましたが、学会会場はエーゲ海の南に面しており眺望も素晴らしく、また、エクスカーションでは青銅器時代の遺跡があるクノッソスへのツアーもありました。次回は来年ロシアで行われます。

写真 1. 会場（Ortho Academy of Science）の前でのグループフォト

220

光合成研究	  25 (3) 2015報告記事	 International Conference “Photosynthesis Research for
Sustainability-2015”に参加して神戸大学 農学研究科
嶋川 銀河
	
  ギリシャのクレタ島で 2015 年 9 月 21 日～26 日に開かれた International Conference “Photosynthesis Research for
Sustainability-2015” in honor of George C. Papageorgiou に参加してきました。本会議への参加は今回が初めてでした
が、学会関係者の方、発表者の方ともに心優しく、学会の雰囲気にはすぐに慣れることができました。
	
  学会以前の問題としてまず不安だったのが開催国であるギリシャの内情でしたが（ちょうど私がアテネ行きの往復航空券を買った直後にギリシャがデフォルトしました・・）、これは想像以上に気にする事ではありませんでした。クレタ島はなおさらの事、アテネ市内ですら「本当にこんな穏やかで良いのか？」と思えるほど平和で過ごしやすい印象でした。学会会場はクレタ島でもひときわ辺鄙なところにありましたが、そこから見えるエーゲ
海の景色は格別でした。
	  私の発表は 5 日目で日本人の中でも最後でした。発表した研究テーマ“Flavodiiron 2 and 4 proteins mediate an
O2-dependent alternative electron flow in Synechocystis sp. PCC 6803 under CO2-limited conditions”の概要は光合成研
究 2015 年 4 月号にも研究紹介として載せていただいているので、ご興味のある方はそちらを参考にしてくだされば幸いです。また、2 日目と 4 日目にはポスターセッションもあり、熱気に包まれた会場で多くの方とお話しする事ができました。
	  最終日には受賞式などもあり、日本人として長尾遼先生と一緒に Young Talents 賞をいただきました。余談です
が、同賞を受賞されたスロバキアの Marek Zivcak はうちのラボで瀬島健裕くんが組み上げた光化学系 I の失活誘導法（通称パルス法）を上手く実験に適用してくれています。本会でもコムギでの光化学系 I 光阻害について面白い話を聞かせていただきました。
	  本会を通して、光合成に関わる多様な研究の話を聞きディスカッションする事ができました。個人的な話になってしまいますが、特に(1)自身の発表テーマで着目している Flavodiiron 2 and 4 proteins を研究している Eva-Mari
Aro のグループと濃いディスカッションを交わせた事、(2)中村伸さんら同年代の学生と話して良い刺激を受けた
事は素晴らしい収穫でした。一点だけ、最終日の 26 日に発表プログラムが無かったことだけが残念ではありまし
たが、来年 2016 年はロシア・モスクワにて開かれるそうですので、ご興味のある方は是非とも参加してみてはいかがでしょうか。最後に、鞆達也先生や秋本誠志先生を初めとして、こんな弱輩者の私に対して発表の前後に親切にお声をお掛けしてくださった大変多くの方々に、この場をお借りして改めて深くお礼申し上げます。

221

光合成研究	  25 (3) 2015

報告記事	
 

	
 

	
 
山田コンファレンス	 国際シンポジウム	 「Dynamics and Regulation of Photosynthesis」に参加して京都大学 理学研究科 植物分子遺伝学研究室
博士課程 1 回生	
  加藤 義宣	  国際シンポジウム「Dynamics and Regulation of Photosynthesis」が、2015 年 10 月 29 日～31 日にかけて奈良春日野国際フォーラム甍で開かれました。国内外から 38 名の研究者が集結し、最先端の研究が 3 日間にわたって発表され、活発な議論が行われました。内容は、光合成電子伝達の動態・制御過程を中心として、光合成色素の代謝系から光合成効率の改変まで多岐にわたるものでした。
	  これまで分野を牽引してきた先生方の 30 分のプレゼンテーションは非常に濃密なものでした。きちんと理解するためには、まだまだ私自身の勉強が足りていないと痛感することが多々ありましたが、それでも刺激的な研究成果からはたくさんのことを学ぶことができました。また、質疑応答では高度な議論が数多くなされました。意見のぶつけ合いとなり白熱した議論においては、時には自分の意見を“押し切る”こともこの世界で残っていく
ためには大切なのだな、と感じたシーンもありました。
	  2 日目の夜に開かれたバンケットでは、美味しい日本酒とともに様々な交流が行われました。私は意を決して、
高橋裕一郎博士と Wollman 博士に質問をぶつけに行きましたが、ものの 20 秒で置いてかれました。さらに Redding
博士が入って 3 人の議論は加速していき、私は為す術なくフェードアウトすることしかできませんでした。ですが、先生方の頭の回転の速さを間近で感じることができ、いつかこのような議論にもついていけるようになりた
いと思える刺激的な瞬間でした。
	  シンポジウムは非常に密度が濃く、毎日終わるたびにくたくたになりましたが、私も日々の研究をもっと頑張
ろうと刺激された 3 日間でした。最後にシンポジウムを開催して下さった久堀先生、皆川先生、高橋裕一郎先生、
田中歩先生、鹿内先生にこの場をお借りして感謝を申し上げます。

	 	 集合写真（左）と 質疑応答で議論を行う Wollman 博士（右）222

光合成研究	  25 (3) 2015報告記事	 若手の会活動報告〜第 12 回セミナーの開催、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
	  若手の会では、前号の会報が発行された 8 月から今号が発刊される 12 月までに、合宿形式の若手の会のセミナーの開催と、サイエンスアゴラ 2015 での出展を通じたアウトリーチ活動行いました。
	  通算 12 回目となる若手の会のセミナーは、10 月 10 日から 11 日の二日間にわたり、東京大学農学部キャンパス
で開催しました。前号の会報でも告知させていただいた通り、今回は、植物脂質研究若手の会との共催による合同セミナーを企画しました。
「植物脂質研究若手の会」は、植物や藻類の脂質を研究している若手研究者が集まり、昨年有志で発足された新しい研究会です（http://www.plantmorphogenesis.bio.titech.ac.jp/~plantlipidyouth/ 参照）。今回の合同セミナーは、その代表幹事である東京工業大学の村川雅人さんにご提案頂き、開催までの準備と当日の運営のほぼ全てを村川さんが中心になって進めて下さいました。合同セミナーということで、例年のセミナーと比べて少し雰囲気が変わるかなと思っていましたが、実際始まってみるとそんな心配は杞憂に終わりました。今
回も例年に引けを取らないくらい濃密な議論とフランクな交流ができたと思います。今回も開催と運営に当たりご協力下さった、東京工業大学の村川雅人さんをはじめ、清水隆之さん、東京大学の藤井祥さん、片山健太博士に、この場を借りて御礼申し上げます。詳しい合同セミナーの様子については、村川さんに執筆していただいた
報告記事をご覧ください。
若手の会としては通算 5 回目を数えるサイエンスアゴラでの出展は、東京お台場の日本科学未来館で 11 月 14
日と 15 日の二日間行い、今年も盛況のままに終えることが出来ました。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）。このテー
マに即して 3 つの主要な話題が提案され、このうちのひとつは「「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）が中心となって出展を企画し、「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。パネル展示による光合成に対する理解の促進、デモ実験での光合成研究の疑似体
験、様々な光合成生物の観察を通した多様性の実感、若手研究者との直接対話による光合成研究の魅力の共有などを目指して出展に取り組みましたが、今回はデモ実験内容や協力していただいた方の顔ぶれが少し変わったこともあり、例年とは異なる感触や課題も得られました。現在、来訪者の感想アンケートを集計中ですので、詳細な出展報告については次号の会報の若手の会の活動報告で紹介したいと思います。
	  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。若手の会セミナーでの学生招待講演では、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、遠慮無く浅井（cazai@fc.ritsumei.ac.jp）までお問い合わせください。

223

光合成研究	  25 (3) 2015

報告記事	
 

「光合成若手＆植物脂質若手ジョイントセミナー」開催報告
東京工業大学	 大学院生命理工学研究科	
 村川	
 雅人（植物脂質研究若手の会	
  代表幹事）	
 	  2015 年 10 月 10～11 日にかけて、光合成学会若手の会と植物脂質研究若手の会の共催によるジョイントセミナ
ーを開催いたしました。折しも 2015 年 8 月発行の光合成研究第 25 巻第 2 号（通巻 73 号）において『光合成と脂質』という特集が掲載された直後だったこともあり、当日は 30 名近くの光合成や脂質に関わる若手研究者の皆様にお集まりいただきました。セミナー会場として東京大学・弥生キャンパスの講義室、懇親会場としてキャンパ
ス横すぐにある民宿、更新館の大広間をお借りしました。初日の話題提供にあたっては、首都大学東京の春田伸
先生に「光合成細菌と他細菌との共生と物質のやりとり」について、東京大学の小林康一先生に「光合成（生物）における膜脂質代謝の重要性」についての招待講演をお引き受けいただきました。その後は、光合成学会若手の会の恒例である参加者全員の自己紹介を経て懇親会場へ移動し、寝る間を惜しんでの交流が行われました。翌日
は大学院学生の招待講演として、埼玉大学の鬼沢あゆみさんに「光合成、脂肪酸合成に関わる転写制御因子」について、また筑波大学の西村貴皓さんには「野外における炭素フラックス測定方法の実際」について話題をご提供いただき、皆で朝早くから熱い議論を交わしました。本セミナーを通して、広い視野で研究を展開していくことの重要性を再確認することができました。活発な議論を盛り上げていただいた参加者の皆様に、心からの感謝を申し上げます。
	  私は 2012 年に植物脂質研究若手の会を発足し、2014 年の 11 月には基礎生物学研究所の村田紀夫先生をお招きして第 1 回勉強会を開催しました。その際に「光合成研究と植物脂質研究において多大な功績を残されている村
田先生にお話を伺ったからには、次はぜひ光合成学会若手の会とコラボレーションをしたい！」と思い立ち、代表の浅井智広さん（立命館大学）にジョイントセミナーの開催をご提案させていただいたころ二つ返事でご承諾いただきました。実のところ、未だ光合成学会若手の会のセミナーはおろか、日本光合成学会にすら参加したことがなかった私の提案を快く受け入れてくださった浅井さんをはじめ、光合成学会若手の会の皆様には心から感謝しております。来年以降もなんらかの形でこのご縁を繋いでいきたく考えておりますので、引き続きよろしくお願いいたします。
最後になりましたが、今回のジョイントセミナーの開催にあたってご協力いただきました浅井さん、東京工業大学の清水隆之さん、東京大学の藤井祥さん、同じく東京大学の片山健太さんにこの場を借りてお礼申し上げます。ありがとうございました。

224

光合成研究	  25 (3) 2015

集会案内	
 International Conference “Photosynthesis Research for
Sustainability-2016”開催のお知らせ鞆 達也（東京理科大学）
	  2016 年 6 月 19-25 日に同会議がロシアモスクワ郊外の Pushchino (Institute of Basic Biological Problems)で開催されます。来年は Pushchino 研究所の開設 50 周年と重なることからノーベル賞受賞者 2 人(John Walker, Ada Yonath)の招待講演も予定されています。会議内容は前回同様に全ての光合成領域を含みますが、2016 年は“持続ある水素エネルギー社会”についてもセッションを設けて討論を行います。光合成による水素発生等の研究している研究者の方々の参加もお待ちしています。なお、日本からモスクワへは直行便があり渡航は容易ですが、VISA が必要になります。VISA 取得のために同研究所に招聘状を申請する必要があることから 4 月 10 日が一応の締め切り日となります。多くの方の参加をお待ちしております。詳細は下記ウエブサイトをご覧下さい。よろしく御願いします。

http://photosynthesis2016.cellreg.org/Home.php

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（shikanai@pmg.bot.kyoto-u.ac.jp）までお問い合わせください。会員の皆様のご理解とご協力をお願い申し上げます。
★事務局長交代のお知らせ	  2016年度より、早稲田大学の園池公毅先生に事務局長を引き受けていただくことになりました。どうぞよろしくお願いします。８年間、至らないことばかりでしたが、会員の皆様のご協力に感謝いた
します。

225

光合成研究	  25 (3) 2015

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）
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所属

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住所 1

〒
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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）

〒
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TEL1	
 

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TEL2（必要な方のみ記入）

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FAX

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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

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光合成研究	  25 (3) 2015

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。

227

光合成研究	  25 (3) 2015

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。

228

光合成研究	  25 (3) 2015

幹事会名簿
秋本誠志

神戸大学大学院理学研究科

鈴木祥弘

神奈川大学理学部

粟井光一郎

静岡大学学術院理学領域

園池公毅

早稲田大学教育学部

池内昌彦

東京大学大学院総合文化研究科

高市真一

日本医科大学生物学教室

石北	
  央

東京大学大学院工学研究科

高橋裕一郎

岡山大学大学院自然科学研究科

泉井	
  桂

近畿大学生物理工学部生物工学科

田中	
  歩

北海道大学低温科学研究所

伊藤	
  繁

名古屋大学

田中	
  寛

東京工業大学資源化学研究所

井上和仁

神奈川大学理学部

田中亮一

北海道大学低温科学研究所

伊福健太郎

京都大学大学院生命科学研究科

民秋	
  均

立命館大学総合理工学院

臼田秀明

帝京大学医学部

都筑幹夫

東京薬科大学生命科学部

榎並	
  勲

東京理科大学出羽毅久

名古屋工業大学大学院工学研究科

得平茂樹

首都大学東京大学院理工学研究科

寺島一郎

東京大学大学院理学系研究科

遠藤	
  剛

京都大学大学院生命科学研究科

徳富(宮尾)光恵

農業生物資源研究所

大岡宏造

大阪大学大学院理学研究科

大杉	
  立

東京大学大学院農学生命科学研究科

鞆	
  達也

東京理科大学理学部

太田啓之

東京工業大学仲本	
  準

埼玉大学大学院理工学研究科

バイオ研究基盤支援総合センター

永島賢治

神奈川大学

大友征宇

茨城大学理学部

成川	
  礼

静岡大学大学院理学研究科

大政謙次

東京大学大学院農学生命科学研究科

南後	
  守

大阪市立大学大学院理学研究科

小川健一

岡山県農林水産総合センター

西田生郎

埼玉大学大学院理工学研究科

生物科学研究所西山佳孝

埼玉大学大学院理工学研究科

小野高明

茨城大学工学部生体分子機能工学科

野口	
  航

東京薬科大学生命科学部

小保方潤一

京都府立大学・生命環境科学研究科

野口	
  巧

名古屋大学理学研究科

小俣達男

名古屋大学大学院生命農学研究科

長谷俊治

大阪大学蛋白質研究所

垣谷俊昭

名古屋大学

林	
  秀則

愛媛大学プロテオサイエンスセンター

菓子野康浩

兵庫県立大学理工学部

原登志彦

北海道大学低温科学研究所

柏山佑一郎

福井工業大学工学部

彦坂幸毅

東北大学大学院生命科学研究科

金井龍二

埼玉大学

久堀	
  徹

東京工業大学資源化学研究所

神谷信夫

大阪市立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

熊崎茂一

京都大学大学院理学研究科

檜山哲夫

埼玉大学

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	
  亘

岡山大学資源生物科学研究所

前	
  忠彦

東北大学

佐賀佳央

近畿大学理工学理学科

牧野	
  周

東北大学大学院農学研究科

櫻井英博

早稲田大学

増田真二

東京工業大学

佐藤公行

岡山大学

佐藤直樹

東京大学大学院総合文化研究科

増田	
  建

東京大学大学院総合文化研究科

佐藤文彦

京都大学大学院生命科学研究科

松浦克美

首都大学東京都市教養学部

鹿内利治

京都大学大学院理学研究科

松田祐介

関西学院大学理工学部

重岡	
  成

近畿大学農学部

真野純一

山口大学農学部

篠崎一雄

理化学研究所植物科学研究センター

皆川	
  純

基礎生物学研究所

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

光合成研究チーム

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

杉山達夫

名古屋大学

バイオサイエンス研究科
和田	
  元
＊

229

東京大学大学院総合文化研究科

平成 27 年より新幹事

光合成研究	  25 (3) 2015
編集後記	
 
	
  9 月に所用があってタイ・バンコクを訪問しました。高温多湿の熱帯モンスーン気候のもと、眩しい
太陽と濃い緑が目にとまりました。三島由紀夫は「暁の寺−豊饒の海・第三巻」で、戦前のバンコクの様子を、暁の寺（ワット・アルン）のかなたにトンブリの密林（ジャングル）が広がり、鳥の引き裂
くような叫喚が充ちると描いています。さすがに今日では都市化が進み、トンブリの密林はビル群へと姿を変えましたが、街の中心部を一歩出ると、バナナやパパイア、ココナッツなど熱帯果樹がいたるところにあり、多種多様な作物が勢い良く育っているのが見えます。稲も二毛作や多毛作で耕作しているとのこと。眩い太陽やうだるような暑さ、豊富な水は、人々に豊饒の大地を提供しているのでしょう。生き生きとした濃い緑の植物を見ると、その中で光合成がたくましく働いている姿が想像できます。道を歩きながら、なぜ実験室内だと光合成はかくも脆弱なのだろうと思いを巡らせました。
もちろん生物種の違いや適応現象を考慮に入れなければならないが、高温多湿にはない条件、つまり低温や乾燥といった条件が大きいのだろう、そこに強光が加わればさらにストレスは増大するだろう、
きっとそのとき CO2 固定が律速になっていることも多々あるのだろう−−−−。
	  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「光合成炭素代謝の新展開」
でご講演いただいた方から 3 名の方の解説を掲載しました。このシンポジウムを企画された松田祐介
さんが「序文」で述べられていますように、CO2 濃縮機構や気孔開閉が光合成の進化に大きな役割を担っていると思われます。さらに、ポスター発表賞受賞者の中から大山克明さん（第 5 回）、高橋重一さん（第 6 回）、それに信州大学の鈴木哲さんに研究紹介を執筆していただきました。今号も力作が多いと思います。今号に関するご意見や本誌に対するご要望がございましたら、ぜひ私までご連絡ください。
	  また、研究紹介や解説を随時受け付けておりますので、奮ってご投稿ください。表紙に適した写真もよろしくお願いします。
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。

241

光合成研究	  25 (3) 2015
「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	
  2015年度役員
会長

高橋 裕一郎（岡山大学）

事務局長

鹿内 利治（京都大学）

常任幹事

田中 歩（北海道大学）

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

園池 公毅（早稲田大学）

常任幹事

久堀 徹（東京工業大学）

常任幹事

皆川 純（基礎生物学研究所）

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 佑一郎（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）

前会長

渉外

光生物学協会

光合成研究	
  第 25 巻	
  第 3 号	  （通巻 74 号）	
  2015 年 12 月 31 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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