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植物の光ストレス順応における葉緑体型アスコルビン酸ペルオキシダーゼの位置付け
The role of chloroplastic ascorbate peroxidases in plant acclimation to light stress

光合成を唯一のエネルギー源とする植物にとって，活してしまう 3）．この弱点を補うために，H2O2 消去酵

光はもっとも重要な環境要因のひとつである．光エネ

素を葉緑体内で過剰発現させることで，植物の強光ス

ルギーは反応中心クロロフィルを励起し，光合成電子トレス耐性能は飛躍的に向上する 4）．これらの理由か伝達系を駆動する．光化学系 II から流れる電子は光化

ら，葉緑体型 APX は植物の光酸化的ストレス防御の学系 I を経て，最終的に NADP ＋の還元に用いられる．

鍵酵素であり，その遺伝的な欠損は致死的な影響をもまた，この過程でチラコイド膜内外に pH 勾配が形成たらすとさえ信じられていた．しかし逆遺伝学的な解され，ATP 合成に利用される．生成された NADPH と析から，葉緑体型 APX のノックアウトや発現抑制はATP を利用して，カルビン回路が二酸化炭素を固定す

シロイヌナズナやイネの強光耐性能にほとんど影響しる．自然界において植物に降り注ぐ光の強度は季節やないことが複数のグループから相次いで報告されたこ

天候，周辺環境の影響を大きく受ける．光合成のキャとで 5）-9），その生理学的重要性は不明瞭なものになっパシティを超える強い光の下では，NADPH の生成速た．

度が消費量を上回ることで電子伝達系の過還元状態が同時に，葉緑体におけるさまざまな ROS 生成回避生じる．その結果として，光化学系 I 近傍で酸素分子機構の存在が示されてきた．例えば，チラコイド膜内が還元（メーラー反応）され，活性酸素種（ROS）の生外の pH 勾配に依存的な電子伝達系の精密制御である．

成が促進される 1）．カルビン回路の構成酵素の一部はpH 勾配形成，すなわちチラコイド膜内腔（ルーメン）

ROS に感受性であるため容易に酸化失活を受け，これの酸性化によって qE クエンチングと呼ばれる機構ががさらに電子伝達系の過還元状態と ROS 生成を助長活性化され，受容した光エネルギーを熱として放散すしうる．このように植物にとって光は諸刃の剣であり，る 10）．また，ルーメンの酸性化によって光化学系 II か光合成反応を効果的かつ安全に駆動するためには，不ら I への電子伝達が下方制御を受けることで，スーパー可避的に生じる光酸化的ストレスへの対応が不可欠でオキシドラジカル生成の起こる光化学系 I の過還元をある．

防ぐことができる 11）．これらの仕組みにより電子伝達アスコルビン酸の蓄積は光酸化的ストレス防御への2）系の電子渋滞を緩和し，ROS 生成を回避することがで有効な手段である ．アスコルビン酸は優れた抗酸化きる．このように，植物は複数の防御機構を相互補完剤であるとともに，アスコルビン酸ペルオキシダーゼ的に利用することで，極めて頑健な光酸化的ストレス（APX）への電子供与体として機能する．この酵素は光耐性能を作り上げていると考えられる．そして，この合成真核生物に特有であり，アスコルビン酸依存的なことが葉緑体型 APX の欠損 / 発現抑制株が明確なストH 2O2 の効果的な消去を可能にする．緑藻の葉緑体にはレス感受性を示さない要因であると考えられるが，複ストロマ型（sAPX）のみが存在するのに対し，陸上植数の防御機構の相互関係を遺伝学的に解析した例は少物と車軸藻クレブソルミディウム（淡水性真核藻類）のなく，詳細は不明であった．そこで，Kameoka ら 12）はそれには sAPX とチラコイド膜結合型（tAPX）が存在

葉緑体型 APX と pH 勾配依存システムの相互補完性に3）する ．これらはスーパーオキシドジスムターゼ（SOD）と共役し，光化学系 I で生じたスーパーオキシ1）ついて解析した．
チラコイド膜内外の pH 勾配形成には proton gradient

ドラジカルを水にまで無毒化する ．しかし，葉緑体

regulation 5（PGR5）タンパク質が重要な役割を担って型 APX は極めて不安定な酵素であり，アスコルビン酸の非存在下ではわずか数十秒で活性を失う．そのたいる 13）．そのため，シロイヌナズナの葉緑体型 APXの二重変異株（sapx tapx）と pgr5 変異株を掛け合わせ，め，この酵素は過度な酸化ストレス条件では容易に失sapx pgr5 および tapx pgr5 の二重変異株，そして sapx

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〔ビタミン 96 巻tapx pgr5 三重変異株が作出された．これらの株を弱光であった．加えて，強光条件の葉を用いたトランスク条件（50 〜 80 μmol photons m−2 s−1）で 3 週間栽培したリプトーム解析の結果，野生株と比較して sapx tapx 株，pgr5 株または三重変異株では，それぞれ 11，113 およ後，強光（1,500 μmol photons m−2 s−1）を 24 時間照射した．このストレス処理では，野生株および sapx tapx 株

び 408 遺伝子が有意（2 倍以上，P＜0.01）に発現上昇すで明確なストレス障害（葉のブリーチングなど）は起こることが分った．pgr5 株および三重変異株で発現上昇らなかった．pgr5 株では 24 時間後に古い葉で部分的な 白 色 化 が 生 じ， 同 程 度 の 障 害 が sapx pgr5 お よ び

した遺伝子には 90 個の重複があったが，その多くはpgr5 株よりも三重変異株で高い発現を示した．三重変

tapx pgr5 二重変異株でも観察された．一方，三重変異異株で発現上昇した遺伝子の多くは酸化ストレス誘導

株では 12 時間後から顕著な葉の白色化が生じ，24 時性遺伝子であった 12）．三重変異株でみられたレドック間後には個体全体で劇的な細胞死がみられた 12）．各変ス異常や発現遺伝子のパターンは，典型的な酸化スト異株における強光感受性の度合いは，光化学系 II の最レスモデル変異株であるカタラーゼ欠損株で報告され大量子収率（Fv/Fm 値：クロロフィル蛍光測定により算て い る も の 14）と 類 似 し た． し た が っ て， 葉 緑 体 型

出されるパラメータであり，光合成損傷の指標となる）

APX と PGR5 の同時欠損は H2O2 蓄積および酸化損傷の値と一致した．

を引き起こし，その結果として劇的な細胞死を生じる

次に細胞内レドックス状態について検討した結果，強光照射に伴う H2O2 レベルおよび酸化型グルタチオ12）と結論づけられた．
以上の結果より，葉緑体型 APX は防御酵素としてンの蓄積が三重変異株のみで顕著にみられた ．また，野生株や sapx tapx 株では強光照射後にアスコルビン酸同酵素と PGR5（pH 勾配）依存システムの相互補完的の増加が起こるのに対し，pgr5 株や sapx tapx pgr5 株

なはたらきが光酸化ストレス防御に不可欠であること

では逆に減少し，その度合いは三重変異株でより顕著が初めて明らかになった 12）．光合成の精密制御に関与

図1

機能的であることが遺伝学的な見地からも支持され，光合成による ROS 生成と防御機構

光合成電子伝達系の模式図を示す．電子は光化学系 II（PSII）から PSI を経て NADP＋の還元に利用される．この過程でストロマからルーメンへとプロトンが輸送され，チラコイド膜内外での pH 勾配が形成される．PSI からの電子漏洩により酸素分子が還元され，スーパーオキシドラジカルが生じる（表示なし）．その後の不均化反応により生成された H2O2 は，ストロマ型およびチラコイド膜結合型アスコルビン酸ペルオキシダーゼ（それぞれ sAPX および tAPX）によって水へと還元される．Proton gradient regulation 5（PGR5）タンパク質は pH 勾配形成に必要なタンパク質である．ルーメンの酸性化に伴って qE クエンチングが起こり，光エネルギーが熱として放散される．同時に，PSII から PSI への電子伝達が下方制御され，PSI の過還元および活性酸素種生成が抑制される．Cyt b6/f，シトクロム b6/f 複合体；Fd，フェレドキシン；
FNR，フェレドキシン-NADP＋レダクターゼ；PQ，プラストキノン．

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する仕組みや APX 以外の葉緑体型ペルオキシダーゼ

oxidative stress in tobacco having bacterial catalase in chloro-は他にもまだ複数存在する．さらに，光受容を制限す

plasts. FEBS Lett 428, 47-51

る仕組みとして葉緑体の逃避運動（葉緑体を細胞側面に移動させる）やアントシアニン蓄積による遮光効果がある．このように，植物はさまざまな防御機構をふんだんに活用することで，時々刻々と変動する光環境

5）Giacomelli L, Masi A, Ripoll DR, Lee MJ, van Wijk KJ (2007)
Arabidopsis thaliana de¿cient in two chloroplast ascorbate peroxidases shows accelerated light-induced necrosis when levels of cellular ascorbate are low. Plant Mol Biol 65, 627-6446）Kangasjarvi S, Lepisto A, Hannikainen K, Piippo M, Luomalaに対応し，効果的な光合成反応を実現しているのだろ

EM, Aro EM, Rintamaki E (2008) Diverse roles for chloroplast

う．葉緑体型 APX 欠損株の表現型は筆者を長らく困

stromal and thylakoid-bound ascorbate peroxidases in plant stress惑させてきたが，植物の方が一枚も二枚も上手だったのである．実験室内では単一強度の光をストレス源として用いることが多いが，自然界では雲などの影響により光強度が著しく変動する．このような変動光環境
では，光化学系 I が主に損傷を受け，その結果としてresponses. Biochem J 412, 275-285
7）Maruta T, Tanouchi A, Tamoi M, Yabuta Y, Yoshimura K, Ishikawa
T, Shigeoka S (2010) Arabidopsis chloroplastic ascorbate peroxidase isoenzymes play a dual role in photoprotection and gene regulation under photooxidative stress. Plant Cell Physiol 51, 190200

ROS 生成が飛躍的に高まることが分ってきた 11）．今後，

8）Maruta T, Noshi M, Tanouchi A, Tamoi M, Yabuta Y, Yoshimura K,自然環境またはそれに近い環境で研究を進めること

Ishikawa T, Shigeoka S (2012) H2O2-triggered retrograde signaling

で，葉緑体型 APX の重要性がより明確になると期待from chloroplasts to nucleus plays specific role in response toされる．

stress. J Biol Chem 287, 11717-11729
9）Caverzan A, Bonifacio A, Carvalho FE, Andrade CM, Passaia G,Key words :Ascorbate peroxidase, light stress, reactive oxygen species, photosynthesis, plants
Faculty of Life and Environmental Science, Shimane University, 1060 Nishikawatsu, Matsue, Shimane 690-8504, Ja-Schunemann M, Maraschin FDS, Martins MO, Teixeira FK, Rauber R, Margis R, Silveira JA, Margis-Pinheiro M (2014) The
knockdown of chloroplastic ascorbate peroxidases reveals its regulatory role in the photosynthesis and protection under photo-oxidative stress in rice. Plant Sci 214, 74-8710）Li XP, Bjorkman O, Shih C, Grossman AR, Rosenquist M, JanssonpanS, Niyogi KK (2000) A pigment-binding protein essential for regu-Takumi Iwagami, Takanori Maruta

lation of photosynthetic light harvesting. Nature 403, 391-395〒 690-8504 島根県松江市西川津町 1060

M, Kangasjarvi S, Paakkarinen V, Tikkanen M, Jansson S, Aro EM

島根大学生物資源科学部
岩上拓己，丸田11）Suorsa M, Jarvi S, Grieco M, Nurmi M, Pietrzykowska M, Rantala(2012) PROTON GRADIENT REGULATION5 is essential for隆典

proper acclimation of Arabidopsis photosystem I to naturally andarti¿cially Àuctuating light conditions. Plant Cell 24, 2934-2948

利益相反自己申告：申告すべきものなし

12）Kameoka T, Okayasu T, Kikuraku K, Ogawa T, Sawa Y, Yamamoto H, Ishikawa T, Maruta, T (2021) Cooperation of chloroplast（2022.1.6 受付）

ascorbate peroxidases and proton gradient regulation 5 is criticalfor protecting Arabidopsis plants from photooxidative stress. Plant
J 107, 876-892
13）Munekage Y, Hojo M, Meurer J, Endo T, Tasaka M, Shikanai T文献1）Asada K (1999) THE WATER-WATER CYCLE IN CHLOROPLASTS: scavenging of active oxygens and dissipation of excess
photons. Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol 50, 601-639
2）丸田隆典（2021）ビタミン C 代謝と植物の環境ストレス順応．
ビタミン 95，405-412
3）Maruta T, Sawa Y, Shigeoka S, Ishikawa T (2016) Diversity andevolution of ascorbate peroxidase functions in chloroplasts: Morethan just a classical antioxidant enzyme? Plant Cell Physiol 57,1377-1386
4）Shikanai T, Takeda T, Yamauchi H, Sano S, Tomizawa KI, YokotaA, Shigeoka, S. (1998) Inhibition of ascorbate peroxidase under(2002) PGR5 is involved in cyclic electron Àow around photosystem I and is essential for photoprotection in Arabidopsis. Cell 110,361-371
14）Kerchev P, Waszczak C, Lewandowska A, Willems P, Shapiguzov
A, Li Z, Alseekh S, Muhlenbock P, Hoeberichts FA, Huang J, Van
Der Kelen K, Kangasjarvi J, Fernie AR, De Smet R, Van de Peer Y,
Messens J, Van Breusegem F (2016) Lack of GLYCOLATE OXIDASE1, but not GLYCOLATE OXIDASE2, attenuates the photorespiratory phenotype of CATALASE2-deficient Arabidopsis.
Plant Physiol 171, 1704-1719