光合成研究
第23巻第3号（通巻68号）2013年12月

NEWS LETTER Vol. 23 NO. 3 December 2013
THE JAPANESE SOCIETY OF PHOTOSYNTHESIS RESEARCH

次期会長選挙のお知らせ!

!

! 106

華岡 光正（千葉大）!

! 107

研究紹介 ChIP法を用いた葉緑体光合成遺伝子の転写制御解析!
研究紹介

植生分布で偏りが見られるルビスコ内アミノ酸置換の同定
中里 拓也（メンフィス大）!

小笠原 智也

増田 真二（東工大）!

! 111

!

! 116

佐藤 直樹（東京大）!

! 117

解説特集「30年後の光合成研究」!
序文

2013年公開シンポジウム「30年後の光合成研究」開催によせて!
解説

クロロフィル蛍光解析における時空間軸のギャップ
岩井 優和（理研!
解説

JSTさきがけ）!

! 118

石北 央（大阪大）!

! 125

恩師のノーベル化学賞受賞に寄せて!
解説!

フィールド・トランスクリプトミクスから30年後の生物学を考える永野 惇（京都大解説

人工光合成への期待!
解説

光合成生物の生き様の理解とそれに基づく合目的的な改変・制御の展望!
解説

作物の光合成能力の改善は可能か？

JSTさきがけ）!

! 129

民秋 均（立命館大）!

! 136

成川 礼（東京大!
解説

JSTさきがけ）!

! 141

牧野 周（東北大学）!

! 147

佐藤 文彦（京都大）!

! 152

高橋 裕一郎（岡山大学）!

! 157

伊藤 繁（名古屋大）!

! 162

これからの挑戦

フラスコの中から見る30年後の光合成研究!
解説!

過去30年間の光化学系1複合体の研究から30年後の研究展開を読む

解説

科学の進歩と未来!
報告記事

若手の会活動報告〜第九回セミナーの開催、サイエンスアゴラ2013への出展〜!
報告記事

第9回光合成若手の会セミナーで講演して!
報告記事

サイエンスアゴラ2013

浅井 智広（立命館大）!

! 168

横山 諒（京都大）!

! 169—サイエンスカフェ地球を支える緑の不思議 — 光合成博士にきいてみよう！— 出

展報告!

溝上 祐介（東京大） 浅井 智広（立命館大） 大西 紀和（基生研） 岡島 公司（大阪府大）川上 恵典（大阪市立大） 辻 敬典（筑波大） 成川 礼（東京大） 渡辺 麻衣（東京大）!

! 171

事務局からのお知らせ!

! 174

日本光合成学会会員入会申込書!

! 176

日本光合成学会会則!

!

!

! 177

幹事会名簿!
会員名簿!

!
!

!
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! 179
! 180

編集後記!

!

!

! 191

記事募集!

!

!

! 191

賛助法人会員広告光合成研究 23 (3) 2013日本光合成学会「日本光合成学会会則

次期会長選挙のお知らせ（平成2 1年6月1日施行）第5条」に基づき、次期会長選挙（任期：平成27年1月1日〜平成28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、同封した返信用封筒にいれて選挙管理委員会宛に1月31日までにご返送下さい（消印有効）。会員名簿は本号の巻末をご覧下さい。

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（二期）、伊藤繁（二期）、池内昌彦（二期）、田中歩の諸氏です。「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」となっておりますので、今回の選挙では村田紀夫、伊藤繁、池内昌彦の三氏に被選挙権はありません。

日本光合成学会

選挙管理委員会久堀

徹（東京工業大学資源化学研究所）

太田啓之（東京工業大学バイオ基盤支援センター）＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
投票用紙の送付先〒226-8503
横浜市緑区長津田4259 R1-8
東京工業大学資源化学研究所
久堀

徹研究室内

日本光合成学会選挙管理委員会

行き

106

光合成研究23 (3) 2013

研究紹介

ChIP法を用いた葉緑体光合成遺伝子の転写制御解析§
千葉大学 大学院園芸学研究科 応用生命化学領域
華岡 光正*
葉緑体には、独自のゲノムDNAとその遺伝子発現系が存在している。我々は葉緑体分化や環境応答に際した光合成遺伝子の転写制御機構の解明を目指しており、本稿では筆者らが最近確立したクロマチン免疫沈降（ChIP）法を用いて行った研究の一例について紹介する。分化後期に発現が誘導されるシグマ因子SIG1に着目し、ChIP法を用いて通常条件と強光ストレス条件下における標的プロモーターへの結合変化を調べた結果、両条件でのSIG1の発現挙動と相関が見られなかったことから、SIG1の翻訳（後）制御やストレス応答シグマ因子SIG5との役割分担の可能性が示唆された。

1. はじめに本研究では、核コードのシグマ因子による葉緑体遺葉緑体は、原始シアノバクテリアの細胞内共生によ

伝子の転写制御の理解に向けて、筆者らが最近確立しり誕生したと考えられている。従って、葉緑体には、たクロマチン免疫沈降（ChIP）法をベースとした解析

共生に由来する独自のゲノムD N Aとその転写翻訳シスを行ったので、その概要について紹介する。

テムが残されている。光合成機能に関わる遺伝子はシ2. 葉緑体シグマ因子SIG1の発現量変化

アノバクテリアから継承され、その多くは今なお葉緑体ゲノム上に残されている。一方で、植物の長い進化を葉緑体には、遺伝子の転写に関わる R N A ポリメ

経て、シアノバクテリア由来の多くの遺伝情報は葉緑

ラーゼが2種類存在しており、それぞれNEP（Nuclear-

体ゲノムから消失したか、核ゲノムに移行した。その結

encoded

果、現在の植物では、光合成などの葉緑体機能に必要

encoded plastid RNA polymerase）と呼ばれる。これらな遺伝子群は、核ゲノムと葉緑体ゲノムに分かれて存在のうち、光合成遺伝子の転写には、主にPEPが関わるしている。そのため、発達や環境変化に応じて、両ゲノとされている。PEPは、シアノバクテリア由来の複数

ム上の遺伝子の発現を協調させることが、植物の生存のサブユニットからなる酵素であり、転写伸長を司る

plastidRNA

polymerase）、PEP（Plastid-

戦略において特に重要であると考えられる1)。
両ゲノムにおける遺伝子発現の協調には、核と葉緑体間の双方向のシグナル伝達が重要な役割を果たす。
現在までに、核からのシグナル（アンテログレード（順方向の）シグナル）による葉緑体遺伝子の発現調節に関する知見が蓄積しているが、葉緑体からのシグナル（レトログレード（逆方向の）シグナル）による核遺伝子の発現制御についても、最近になって非常に注目されている 2 ) 。我々は、葉緑体分化や環境応答に際した遺伝子発現の協調メカニズム、中でも光合成遺伝子の転写制御に関わる核と葉緑体間の情報伝達機構の解明を目指して研究を行っている。
§ 第4回日本光合成学会シンポジウム

図1 シロイヌナズナの葉緑体シグマ因子

ポスター発表賞受賞論文* 連絡先 E-mail: mhanaoka@faculty.chiba-u.jp107光合成研究 23 (3) 2013

した植物体におけるS I G 1の発現を調べた結果、強光ストレスによりわずかに増加した一方で、低温・高温・塩ストレス下では蓄積量が減少する傾向が見られた（図 2 ）。転写レ
ベルではこれらのストレスに応答しないことが示されている 7 ) ことから、各種ストレス条
件におけるSIG1の発現は、主に翻訳（後）の段階で調節される可能性が示唆された。

3. SIG1による葉緑体遺伝子の発現制御
図2 様々な発達段階・ストレス条件下におけるSIG1の発現解析
従来の葉緑体転写制御の研究は、目的因(A) 通常条件 （22℃、連続光） で生育させて 1 〜 4 週目のシロイヌナズナ
子の欠損株などを用いた分子遺伝学的手（Col-0）におけるSIG1タンパク質の蓄積量の変化。
(B) 播種後4週目の植物体に強光（1200 µmol photons m-2 s-1、1時間）・低温 法、あるいはin vitro転写やゲルシフト法を利（4℃、2時間）・高温（30℃、2時間）・塩（250 mM NaCl、2時間）スト
用した生化学的手法を中心に進められてきレスを与えた際のSIG1タンパク質の蓄積量の変化。

た。しかしながら、生化学的手法では一般
コアサブユニットの遺伝子群は葉緑体ゲノムにコードにin vivoの生理条件下における役割を説明することはされている。一方で、プロモーター配列の認識と転写できない。また、分子遺伝学的手法では遺伝子欠損にの開始に必要なシグマ因子は、核ゲノムにコードされよる間接的な影響が同時に観察されるため、目的とすており複数種存在している。すなわち、植物の発達段

る制御因子の直接的・特異的な制御を理解することが階や環境条件に応じて、複数のシグマ因子を選択的に困難である。さらに、必須遺伝子であれば欠損させる

発現させることで、核による葉緑体遺伝子群の特異的ことはできず、また重複機能を持つパラログが存在すな転写制御を可能にしていると言える。シロイヌナズ

る場合は機能相補により欠損の影響が見えなかったり

ナには6種類のシグマ因子が存在し3)、それぞれのシグと、解析が困難なケースも実際に多く見られた。そのマ因子の欠損株等を用いたこれまでの解析を通じて、ため、従来のアプローチのみでは葉緑体遺伝子の転写

個々の機能が徐々に明らかにされつつある（図 1 ）制御系の全体像の理解に到達することは困難であるとが、その全体像の理解には至っていない。中でも、シ考えられた。以上の問題点を解決する技術として、近ロイヌナズナにおけるSIG1の機能についてはこれまで

年この分野の研究で盛んに利用されているクロマチン

あまり明らかにされていなかった。

免疫沈降（ChIP）法が挙げられる。ChIP法は、転写

本研究では、S I G 1のタンパク質レベルでの挙動を

因子をはじめとしたD N A結合タンパク質のターゲッ

明らかにするため、イムノブロット解析を行った。まトへの結合状態をin vivoでリアルタイムにモニターす

ず、発達段階に伴ったSIG1の蓄積量の変化を調べたとることのできる画期的な解析手法であり（図3）、生ころ、播種後1週目、2週目ではほとんど発現が見られ物種を問わず転写制御研究の最有力なツールの一つとなかったのに対して、3週目、4週目と週を追うごとにS I G 1の蓄積が見られた（図2）。このことから、SIG1は発達段階の後期で機能するシグマ因子であり、葉緑体分化・発達の初期過程において光合成装置の構築に関わるとされるSIG24,5)やSIG66)との機能分担の可能性が示唆された。
続いて、様々なストレス条件下におけるS I G 1の蓄積量の変化を調べた。
図3 クロマチン免疫沈降法の概略

強光・低温・高温・塩ストレスを付与

108

光合成研究23 (3) 2013

元の転写を行うため待機していると予想された。ストレス条件下では別のシグマ因子であるS I G 5が機能することが見出されており 7 ) 、環境変化によるS I G 1との役割分担やシグマ因子の使い分けについても、今後のC h I P法を用いた解析を通じてさらに明らかにできるものと期待される。

4. 今後の展望
本研究では、葉緑体遺伝子の転写制御システムを解明する上での有力ツールとしてのChIP法に基づいた解析
系を立ち上げ、S I G 1のターゲットプ
ロモーターへの結合と、ストレスの
図4 SIG1のターゲットプロモーターへのin vivoにおける結合変化
様々な葉緑体遺伝子のプロモーター領域へのSIG1タンパク質の結合レベルを、（A）通常生育条件（22℃、連続光）、（B）強光ストレス条件（1200 µmol
photons m-2 s-1、1時間）のそれぞれについてChIP-qPCR解析によって調べた。

有無によるパターンの変化を示すことができた10)。ChIP法は、in vivoにおける転写調節因子の役割を知る上で重要な手がかりとなるものであり、他の解析手法と組み合わせることして広く利用されている。しかし、シロイヌナズナので、葉緑体の遺伝子発現制御機構の詳細とその生理的葉緑体研究にC h I P法を導入した事例はこれまで報告

意義についてさらに理解が深まるものと期待される。

されていなかった。そこで本研究では、葉緑体遺伝子

筆者の研究グループでは、光合成生物における遺伝子の転写制御機構についてさらに理解を深めるため、酵発現制御系の普遍性と特異性、さらにそのシステムの母における実験系8)をモデルに葉緑体のChIP解析系を進化に興味を持って研究を進めており、本稿で紹介し構築し、シグマ因子S I G 1とそのターゲット遺伝子のたシロイヌナズナの葉緑体研究に加え、シアノバクテ

関係を調べることで実験系の評価を行った。

リアにおける強光ストレス応答や概日時計に依存した

SIG1の蓄積が見られる4週目の植物体をホルムアル

転写制御についても、C h I P法を用いた解析を通じてデヒドによって固定し、DNA-タンパク質複合体を抽その実体に迫ることに成功している11,12)。最近は、単出し、SIG1が結合しているターゲットDNAの量を定細胞紅藻Cyanidioschyzon merolae（シゾン）の葉緑体

量PCRによって測定した。その結果、イネでSIG1の標

転写制御系の研究にもC h I P法の導入を試みており、的として報告されているpsaABプロモーターなど9)への新たな展開が見えつつある。C h I P法の利用によりi n

特異的な結合が確認されたことに加えて、clpPなどこ

vivoでの遺伝子発現の動態を捉えることで、光合成生れまで情報のない新たなプロモーターへの結合も検出物に特有の転写制御システムの全体像を明らかにしてすることができた（図4）。さらに、強光ストレスをいきたいと考えている。

与えた植物体から回収したサンプルを用いて同様の実験を行ったところ、S I G 1の標的プロモーターへの結謝辞

合は強光ストレスに依存して一様に弱まる傾向が見ら

本研究の遂行にあたり、東京工業大学の田中寛教授れた（図4）。上述のイムノブロット解析において、のご協力・ご助言を賜りました。また、千葉大学の大S I G 1の蓄積量は強光ストレスにより減少しないこと

学院生・学生の皆さん、特に加藤麻衣子氏、木山貴史が示されている。このことから、強光ストレス下にお氏、安間美里氏には、一連の実験において多大な協力

いてS I G 1は分解されるのではなく一過的にプロモーを頂きました。深く感謝申し上げます。

ターから離れて、ストレスから解放された際に迅速に109

光合成研究 23 (3) 2013

133-144.
7. Nagashima, A., Hanaoka, M., Fujiwara, M., Shikanai,T., Kanamaru, K., Takahashi, H. and Tanaka, K. (2004)
The multi-stress responsive plastid sigma factor, SIG5,
directs activation of the psbD light responsive promoter(LRP) in Arabidopsis thaliana. Plant Cell Physiol. 45,
357-368.

Received November 15, 2013, Accepted November 26,
2013, Published December 31, 2013

参考文献
1. Goldschmidt-Clermont, M. (1998) Coordination of
nuclear and chloroplast gene expression in plant cells.
Int. Rev. Cytol. 177, 115-180.
2. Woodson, J.D. and Chory, J. (2008) Coordination ofgene expression between organellar and nuclear
genomes. Nat. Rev. Genet. 9, 383-395.
3. Schweer, J., Türkeri, H., Kolpack, A. and Link, G.
(2010) Role and regulation of plastid sigma factors andtheir functional interactors during chloroplasttranscription - recent lessons from Arabidopsis
thaliana. Eur. J. Cell Biol. 89, 940-946.
4. Kanamaru, K., Nagashima, A., Fujiwara, M., Shimada,H., Shirano, Y., Nakabayashi, K., Shibata, D., Tanaka,
K. and Takahashi, H. (2001) An Arabidopsis sigma
factor (SIG2)-dependent expression of plastid-encodedtRNAs in chloroplasts. Plant Cell Physiol. 42,
1034-1043.
5. Hanaoka, M., Kanamaru, K., Takahashi, H. and Tanaka,
K. (2003) Molecular genetic analysis of chloroplast
gene promoters dependent on SIG2, a nucleus-encoded
sigma factor for the plastid-encoded RNA polymerase,in Arabidopsis thaliana. Nucleic Acids Res. 31,
7090-7098.
6. Ishizaki, Y., Tsunoyama, Y., Hatano, K., Ando, K.,
Kato, K., Shinmyo, A., Kobori, M., Takeba, G.,
Nakahira, Y. and Shiina, T. (2005) A nuclear encoded
sigma factor, Arabidopsis SIG6, recognizes sigma-70
type chloroplast promoters and regulates early
chloroplast development in cotyledons. Plant J. 42,

8. Kuo, M.H. and Allis, C.D. (1999) In vivo cross-linking
and immunoprecipitation for studying dynamic
Protein:DNA associations in a chromatin environment.
Methods. 19, 425-433.
9. Tozawa, Y., Teraishi, M., Sasaki, T., Sonoike, K.,
Nishiyama, Y., Itaya, M., Miyao, A. and Hirochika, H.
(2007) The plastid sigma factor SIG1 maintains
photosystem I activity via regulated expression of thepsaA operon in rice chloroplasts. Plant J. 52, 124-132.
10. Hanaoka, M., Kato, M., Anma, M. and Tanaka, K.
(2012) SIG1, a sigma factor for the chloroplast RNA
polymerase, differently associates with multiple DNA
regions in the chloroplast chromosomes in vivo. Int. J.
Mol. Sci. 13, 12182-12194.
11. Hanaoka, M. and Tanaka, K. (2008) Dynamics of
RpaB-promoter interaction during high light stress,
revealed by chromatin immunoprecipitation (ChIP)
analysis in Synechococcus elongatus PCC 7942. Plant
J. 56, 327-335.
12. Hanaoka, M., Takai, N., Hosokawa, N., Fujiwara, M.,
Akimoto, Y., Kobori, N., Iwasaki, H., Kondo, T. andTanaka, K. (2012) RpaB, another response regulator
operating circadian clock-dependent transcriptional
regulation in Synechococcus elongatus PCC 7942. J.
Biol. Chem. 287, 26321-26327.

Analysis of Chloroplast Transcriptional Regulation by Chromatin Immunoprecipitation
Mitsumasa Hanaoka*
Division of Applied Biological Chemistry, Graduate School of Horticulture, Chiba University110

光合成研究23 (3) 2013

研究紹介

植生分布で偏りが見られるルビスコ内アミノ酸置換の同定§
1
2

東京工業大学メンフィス大学

生物科学科

バイオ研究基盤支援総合センター
3

東京工業大学

中里 拓也1

地球生命研究所

小笠原 智也2 増田 真二2,3,*

ルビスコは、光合成の暗反応において、二酸化炭素を固定するきわめて重要な酵素である。私たちは、地理情報システム（GIS）とGenBankに登録されている数千種の植物種のデータを組み合わせ、植生分布とルビスコ内のアミノ酸置換の相関を解析した。その結果、高度・緯度・気温・降水量の違いによって変異が偏るアミノ酸置換を複数同定した。これは、ルビスコの収斂進化を具体的に示した最初の例であると共に、光合成効率を高めた植物の開発に利用できる。

1. はじめにられるアミノ酸置換が、どのように酵素の働きに影響

ルビスコ（リブロース 1 , 5 - ビスリン酸カルボキシしているのかを生理的、三次元構造的な視点から調査

ラーゼ/オキシゲナーゼ）は、光合成のカルビン - ベ

した。

ンソン回路において二酸化炭素（CO 2）固定反応の中核となる重要な酵素である。そのため、ルビスコの反2. 生息環境の適応に関与するアミノ酸置換の同定

応速度が光合成そのものの効率に大きく影響を及ぼ

仮に、あるアミノ酸配列位置において、低温環境にす。その反応速度は、環境、特に温度やCO 2濃度に影生息する種と高温環境に生息する種が、異なる性質の響されやすく 1 , 2 ) 、生息環境の異なる種の間で反応速アミノ酸を持つ傾向があるとすれば、そのアミノ酸置度に大きな幅があることが確認されている 3 ) 。ルビス

換が自然選択によって環境温度の適応に関わっているコ大サブユニット（R b c L）のアミノ酸配列は、系統可能性が高い。ただし、系統樹上で近接する種は、同学上の種分類に頻繁に利用され、一般的にその進化はじ形質を共有する傾向があるので、環境適応ではな

ほぼ中立であると仮定されている。しかし、多数の被く、歴史的な理由のみによりアミノ酸分布と生息環境

子植物のアミノ酸配列を比較した近年の研究により、に関連が生まれる可能性もある。そうした種間の系統

ルビスコ分子の進化は自然選択に大きく影響を受ける

的依存性を取り除くためにPhylogenetic

ことが確認された 4) 。これらのことから、ルビスコのContrast

アミノ酸の分布と、それによって形成される分子構造

生息環境の関連を分析する必要がある。私達は3078科

は、自然選択によって進化し、種の生息環境への適応に属する6446種の被子植物において、アミノ酸分布とに関与している可能性が高いと考えられる。

生息環境の関連を調べた。まず、それぞれの種の生息

Independent(PIC)5)などの方法を介して、アミノ酸分布と私達は、ルビスコ分子構造の進化が、アミノ酸レベ

環境に関係する4つの変数（緯度、標高、年間平均気ルで、生息環境への適応にどのような影響を与えてい温、年間平均降雨量）を、種の確認されている生息地

るのかに注目した。具体的には、多数の被子植物種の点の地理座標を基に、Geographic Information System

生息環境と、ルビスコ大サブユニットのアミノ酸分布( G I S )のデータを使って特定した。次に、それぞれのの関連を調べることによって、環境適応に関わるアミ種のルビスコ大サブユニットのアミノ酸配列から、そノ酸の特定を試みた。更に、環境適応に関わると考えれぞれのアミノ酸の極性を特定した。そして、それぞ§ 第4回日本光合成学会シンポジウム

ポスター発表賞受賞論文* 連絡先 E-mail: shmasuda@bio.titech.ac.jp111

光合成研究 23 (3) 2013

れのアミノ酸の配列位置における生息環境とアミノ酸

均気温と有意に関連しているが、aa328に比べると関の極性の関連を、PICを使って調べた（図１）。その連は全般的に弱い（図1）。この位置では、極性のチ

結果、8つのアミノ酸の配列位置で、1つ以上の環境変

ロシンが66％で、非極性のフェニルアラニンが34％の数との有意な（family-wise p < 0.05）関連が確認され種を占めており、チロシンを持つ種がフェニルアラニ

た。特にアミノ酸配列位置aa97とaa328で関連が特にンを持つ種に比べて低緯度で高温の環境に生息する傾強く（図１）、これらのアミノ酸位置における置換向にある。これら二つの配列位置において、極性と生が、何らかの形で種の生息環境への適応に関与してい息環境の関係が逆であることから、極性の変化がもたると思われる。環境変数は、お互いに関連しあっていらす環境適応への影響がこれらの位置で異なると考えるため、要因となる環境要素は特定できない。しかしられる。この２つのアミノ酸は、KapralovとFilatov

ながら、この二つのアミノ酸配列位置において年間平（2007）の研究結果でも、自然選択に大きく影響され

均気温と特に関連が強いため、温度が環境適応の主要ていることが示されている 4 ) 。ただしこの研究では、素である可能性が高い。一方で、これはあくまで被子

他のアミノ酸配列位置（例えばaa142やaa470など）も植物全般を見るとこうした傾向があるということで、多様性が高く、自然選択に大きく影響されていると示

例外は多数あるということを記しておきたい。

されたが、我々の解析では有意な関連は見られなかっaa97とaa328においてのアミノ酸分布を詳しくみてた。従って、これら多様性の高いアミノ酸配列位置

みると、aa328では非極性のアラニンが64％、極性のは、今回調査した以外の環境要素に適応して置換してセリンが35％の種を占めていた。この位置は、4つすいる可能性が考えられる。

べての環境変数と有意に関連していて、アラニンをも

3. ルビスコ分子におけるaa97とaa328の分布

つ種がセリンを持つ種に比べて、標高が低く高温の環境に生息する傾向にある。一方aa97は、緯度と年間平aa97とaa328がルビスコ分子の三次元構造のどこに位置しているかを分析することによって、それらのアミノ酸の機能に つ いて 考 察 す る こ と が で きる。aa97とaa328および、基質となるリブロース1,5-ビスリン酸が結合する活性部位の物理的位置関係を見てみると、aa328は活性部位近傍に位置しているのに対し、aa97は離れた場所に位置していることが分かる（図 2 ）。また、これらのアミノ酸配列位置における溶媒への接触度を示す
solvent-accessible

surfacearea(SASA)は、aa97で0.027Å 、aa328
で0 . 0 0 1 Åと比較的小さいことから、これらのアミノ酸がルビス
コ分子の内側に位置し、周辺の溶媒との接触が少ないことがわかる。これらのことから、aa328
はアミノ酸置換によって基質との親和力を変え環境適応を誘導し

図1 ルビスコ大サブユニットのアミノ酸配列位置の極性と4つの環境変数の関連
PICを使ってsign test とt−testを基に関連の有意値（logに変換）を特定。灰色の横線は ている可能性が高い。一方、aa97
family-wise p ＝ 0.05を示す。
は、その基質結合部位との遠さ

112

光合成研究23 (3) 2013から、直接基質親和性に影響を及ぼしているとは考え

cystis sp. PCC6803の野生型RbcLでは、それぞれがチロ難い。他の要因、例えば異なる温度下における分子のシン、セリンとなっている。Synechocystisのゲノム上構造的安定性を、アミノ酸置換によって環境適応を促には、ルビスコ大サブユニットR b c L、ルビスコ特異している可能性などが考えられる。

的シャペロンタンパク質R b c X、ルビスコス小サブユ
ニットR b c Sをコードする遺伝子がオペロンを構成している。RbcXは活性型ルビスコ（L 8 S 8のヘテロ16量体）の正しい会合状態の形成に必要な因子であることがわかっている6,7)。このオペロンを直接大腸菌発現プ
ラスミドにクローニングし、rbcL/X/Sの共発現系を構築した。この共発現プラスミドに対し、Y92F（aa92のチロシンをフェニルアラニンに変えた）および
S323A（aa323のセリンをアラニンに変えた）変異を個別に導入し、空ベクターを含めて計4つのプラスミ
ドをそれぞれ大腸菌に導入した。

図3 大腸菌内で発現させたルビスコのカルボキシラーゼ活性空ベクター保持大腸菌（■）もしくは、シアノバクテリア
Synechocystis sp. PCC6803のrbcL/X/S遺伝子をベクター上で発現させた大腸菌（●）粗抽出液を用いたカルボキシラーゼ活性測定結果。測定は、反応液中のNADHの酸化（ΔA340）をモニターすることでカルボキシラーゼ活性を測定するRackerの方法10)により行った。

図2 ルビスコの複合体（L8S8）の三次元構造（上）a a 9 7とa a 3 2 8の位置をそれぞれ実線および破線矢印
で、リブロース1,5-ビスリン酸結合部位を丸で示す。
（下）リブロース1 , 5 -ビスリン酸結合部位の拡大図。P D B
ID: 4HHHを基に作成。

RbcL/X/Sの発現を誘導した大腸菌の粗抽出液は、

4. aa97とaa328におけるアミノ酸置換の酵素反応

ルビスコ特異的なカルボキシラーゼ活性を示した（図に対する影響3）。この活性を指標に、CO 2 への親和性（K m ）を調

今回の解析で同定されたaa97とaa328に位置するアミ

べたところ、WT, Y92F, S323AのKm値はそれぞれ、ノ酸置換が、ルビスコの酵素反応にどのような影響を与191 ± 17, 126 ± 14、206 ± 10

μM（±SE）となった

えるのかを生化学的に調べた。他の変異箇所の影響を（図4）。WTの値は、過去に報告された結果（〜200

さけるために、シアノバクテリアのルビスコに対し、部μM）と一致する8,9)。Y92Fのみ若干CO 2への親和性が位特異的変異導入を行い、それら変異型ルビスコの酵上がったが、全体として大きな変化はなかった。最大

素活性を、野生型のそれと比較することにした。

反応速度を見ると、S323AがWTに比べ3倍ほど高い。

R b c Lのアミノ酸配列のアライメントから、植物のしかし、これは大腸菌内での発現量の違いに起因する

aa97およびaa328に対応するアミノ酸は、シアノバク可能性もあり、アミノ酸置換の影響かどうかは現時点

テリアにおいてはaa92およびaa323であり、Synecho-

では判断できていない。

113

光合成研究 23 (3) 2013

シアノバクテリア型ルビスコの生化学的性質がそのまま高等植物型ルビスコに当てはまらない可能性もある。ルビスコアクチベース等、高等植物特異的なルビ
スコ制御因子との相互作用が、これらアミノ酸置換により影響を受けている可能性を踏まえ、高等植物型ル
ビスコの生化学的／遺伝学的解析が今後期待される。
分 析 機 器 の 進 歩 と デー タベース の 整 備 に 伴 い 、GenBankとGISには日々膨大な量のデータが蓄積されている。今後、如何にこれらのデータを生物学的研究に利用するかが重要となる。本研究はその指針を与えるものと考えられる。

謝辞
ルビスコの活性測定法に関しまして貴重なアドバイスをいただいた奈良先端科学技術大学院大学の横田明穂教授、蘆田弘樹助教に感謝いたします。

Received October 30, 2013, Accepted November 12, 2013,
Published December 31, 2013

参考文献
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2. Galmés, J., Flexas, J., Keys, A.J., Cifre, J., Mitchell,
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The rbcX gene product promotes the production andassembly of Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/
oxygenase of Synechococcus sp. PCC7002 in
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7. Saschenbrecker, A., Bracher, A., Rao, K. V., Rao, B.V.,
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8. Marcus, Y. and Gurevitz, M. (2000) Activation of

図4 大腸菌内で発現させたルビスコのCO2濃度依存性
図3と同様にルビスコを発現させた大腸菌粗抽出液のカルボキシラーゼ活性を、異なったCO2濃度下で測定した。上から
WT, Y92F, S323A変異ルビスコ発現株の測定結果を示す。反応は窒素置換条件、且つ異なる N a H C O 3 濃度下で行い、HCO 3 -とCO 2間のpK aを6.15として8)、個々の反応液中のCO 2
濃度を算出した。K m値（±SE）は、3回の実験値をミカエリ
スメンテン式にフィッティングさせることで算出した。

5. おわりに
今回、ゲノム情報とGISデータを組み合わせ、高度・
緯度・気温・降水量の違いによって偏りが見られるル
ビスコ大サブユニット内のアミノ酸置換を同定した。
シアノバクテリアのルビスコの生化学的解析により、
これらアミノ酸残基の違いは、CO2への親和性に大きな影響を与えないことがわかった。しかし、高等植物型
ルビスコのCO2に対する基質親和性は、シアノバクテリ
アのそれに比して一桁以上高いことが知られており、

114

光合成研究cyanobacterial
RuBP-carboxylase/oxygenaseisfacilitated by inorganic phosphate via two independent
mechanisms. Eur. J. Biochem. 267, 5995-6003.
9. Marcus, Y., Altman-Gueta, H., Wolff, Y. and Gurevitz,
M. (2011) Rubisco mutagenesis provides new insight

23 (3) 2013

into limitations on photosynthesis and growth inSynechocystis PCC6803. J. Exp. Bot. 62, 4173-4182.
10. Racker, E. (1962) Ribulose diphosphate carboxylasefrom spinach leaves. Methods Enzymol. 5, 266-270.

Determination of RubisCO amino acid residues that are associated with speciesʼ
habitat environments
Takuya Nakazato1,Tomoya Ogasawara2, Shinji Masuda2,*

1University of Memphis, 2Tokyo Institute of Technology

115

光合成研究 23 (3) 2013

解説特集
「30年後の光合成研究」
Editor: 田中 歩（北海道大学 低温科学研究所）
鹿内 利治（京都大学

大学院理学研究科）

佐藤 直樹（東京大学 大学院総合文化研究科）

序文

2013年公開シンポジウム「30年後の光合成研究」開催によせて
佐藤 直樹（東京大学 大学院総合文化研究科）
P. 117クロロフィル蛍光解析における時空間軸のギャップ
岩井 優和（理化学研究所 ライブセル分子イメージングチーム／JSTさきがけ）
P. 118 〜 124

恩師のノーベル化学賞受賞に寄せて
石北 央（大阪大学

大学院理学研究科）

P. 125 〜 128

フィールド・トランスクリプトミクスから30年後の生物学を考える永野 惇（京都大学 生態学研究センター／JSTさきがけ）
P. 129 〜 135

人工光合成への期待
民秋 均（立命館大学 大学院生命科学研究科）
P. 136 〜 140

光合成生物の生き様の理解とそれに基づく合目的的な改変・制御の展望成川 礼（ 東京大学 大学院総合文化研究科／JSTさきがけ）
P. 141 ~ 146

作物の光合成能力の改善は可能か？

これからの挑戦牧野 周（東北大学 大学院農学研究科）
P. 147 ~ 151

フラスコの中から見る30年後の光合成研究佐藤 文彦（京都大学 大学院生命科学研究科）
P. 152 ~ 156

過去30年間の光化学系1複合体の研究から30年後の研究展開を読む高橋 裕一郎（岡山大学 大学院自然科学研究科）
P. 157 ~ 161

科学の進歩と未来
伊藤 繁（名古屋大学 遺伝子実験施設）
P. 162 ~ 167116

光合成研究23 (3) 2013

解説
序文 2013年公開シンポジウム「30年後の光合成研究」開催によせて‡
東京大学 大学院総合文化研究科
佐藤 直樹*

第4回年会に伴う公開シンポジウムは、表記のタイトルで行われた。オーガナイザーは、会長の田中歩氏と事務局長の鹿内利治氏に加えて私となっていたが、実質的なアレンジは会長がして下さり、私の方は所用で一日目も欠席ということで、二日目の司会をつとめることになった。
シンポジウムの最初に、このタイトルは、ひょっとしたら私が昨年刊行した『40年後の「偶然と必然」』という本のタイトルに関係するのかもしれないという話をさせていただいた。4 0年前にモノーが書いた『偶然と必然』は、多くの人が読んだのだが、本当に著者が書きたかったことを、どれだけの人が受け取っただろうか。分
子生物学を実存主義に結びつけ、人類の新しい社会像を提案した著者の想いは、少なくとも大部分の日本人読者には届かなかった。しかし、社会の問題は、当時も今も変わらない。どうしたら、次の時代を少しでもよりよく生きていけるのだろうか、という重たい課題を私たちも背負っている。こんなことを私は拙著の中で書きつづった。そこで、これから先の光合成は、学術的にはどのように発展し、社会の期待にどのように応えて行くことができるのだろうかということを、過去を振り返りながら考えるのが、今回のシンポジウムである。
多くの研究者のキャリアーは、20歳過ぎから始まり60歳か65歳くらいまで続くので、あるテーマの研究がどのよ
うに進められたのかという「ことの顛末」を、一人の人間が経験として知ることのできる期間は、40年間くらいに限られている。大学院を終えて一人前の研究者となる時期から数えると、おそらく30年間の歴史を担ってきたということかもしれない。現在のシニア研究者たちは、自分たちが学生として研究をはじめた頃の知識状況や問題意識
や研究機材がどんなもので、それが、この3 0年間にどの程度変容したのかということを、経験として把握している。途中で研究テーマや分野が変わった方も多いので、必ずしも、このことはあてはまらないのかもしれないが、特に光合成という分野に限ると、かなり同じ顔ぶれがいつまでもいるようにも思える（悪口ではありません）。
そもそも今回、会長がこのような企画を考えられたのも、シニアの研究者として、これまでを振り返ることで、今研究をスタートしたばかりの若い研究者に、自らの 3 0 年後の姿を思い描いてもらいたいと考えたからであろう。今の日本の社会は先が不透明で、一時的に景気回復の幻想をもつかもしれないが、地球資源は限られていて、日本だけが抜け駆けするわけにもいかないことを考えれば、「脱成長」が現実のものになってきており、少なくとも大発展するような未来はありえない。そうした社会にあって、決して豊かであったとはいえない時代に、日本の科学がどのように構築されてきたのか、その中で、個人個人の科学者は、どんな目標を掲げ、それをどのように実現しようとしてきたのかということに、若い研究者が少しだけ関心を持ってくれることを望む。どんな厳しい社
会のなかでも、個人個人は、それぞれの人生の目的を達成すべく努力し続けて来たし、これからもそうであるに違いないからである。『偶然と必然』の冒頭に引用されているカミュの『シジフォスの神話』の一節は、そうしたことを訴えている。過去を少しだけ見据えると、おぼろげであっても、未来の自分像を想像することもできるだろう。そうして初めて、自分の研究人生の設計ができ、意欲をもってこれからの研究に臨むことができると期待したい。「少しだけ」と書いたのは、あくまでも、未来を志向するための触媒としてという意味である。
さて、みなさんはどんな未来を描くであろうか。もっとも、私にも未来を描く資格は残っている。田中会長はいかがですか！

‡解説特集「30年後の光合成研究」* 連絡先 E-mail: naokisat@bio.c.u-tokyo.ac.jp117

光合成研究 23 (3) 2013

解説
クロロフィル蛍光解析における時空間軸のギャップ‡
理化学研究所 光量子工学研究領域 ライブセル分子イメージング研究チーム／JST さきがけ
岩井 優和*
クロロフィル蛍光解析によって、エネルギー伝達過程や光合成電子伝達に関する多くの現象がこれまで明らかにされてきた。しかし、異なる時間軸と空間スケールを有する異なる解析で得られた情報から、どのようにして相互認識が可能な共通の結論を導きだすことができるだろうか。この問いに関して、本稿では、共焦点レーザー顕微鏡を用いたクロロフィル蛍光解析における時間軸と空間スケールについて考察し、その問題点をこれまでの研究の紹介を交えて議論したい。

1. はじめに

準は、個々の研究者に委ねて良い問題ではない。な

葉緑体に存在するチラコイド膜には、クロロフィル

ぜなら、専門分野の異なる研究者は、それぞれが異分子を結合したタンパク質が数多く存在している。クなる“想像力”を持っているため、その想像を超えた領

ロロフィル分子は太陽光に含まれる光エネルギーを吸域での現象を考察する際、その想像力の差が少なか収し、そのエネルギーを隣接する同分子に一瞬で受らず影響するからである。もちろん想像と科学は全くけ渡すことができる。その一瞬の出来事が複数の分別物であるが、専門分野が異なる場合、上記の光合子間で繰り返し起こることで、光エネルギーはやが成初期反応過程について想像できる深みは様々であて光合成反応中心タンパク質へ伝達され、そこで電気り、その違いによって解釈の本質も異なってくる。

化学エネルギーに変換される。

本稿では、共焦点レーザー顕微鏡を用いたクロロ

数多くの研究成果を省いて言葉で記述するとなんフィル蛍光解析における時間軸と空間スケールについだか教科書的であっけない気もするが、秒速約 3 0 万て考察し、観察された結果がどこまで共通の現象とキロメートルで移動する光を捕捉し、そのエネルギー

して識別できるのか、その問題点をこれまでの研究のを目的の場所まで運ぶ過程には数えきれない経路と紹介を交えて議論したい。

障壁があるに違いない。実際すべてが目的地まで難なく到達するわけではなく、そのエネルギー伝達過2. 異なる時間軸と空間スケールから導き出され程でクロロフィル分子から蛍光として再び放出されるる情報ことがある。このクロロフィル蛍光は光合成反応を研

1674年、Anthony van Leeuwenhoekは自ら設計した光学

究する上で最も重要な情報の一つであり、その現象

顕微鏡を用いて葉緑体を初めて観察した 1 ) 。この時、は幅広い時間軸と空間スケールで解析されている。しアオミドロ属かし、光エネルギーが蛍光として放出される瞬間のク

globules”とし、緑色の正体が葉緑体であることを記し

ロロフィル分子の振動状態や周辺場の応答についてた。無論この時点ではチラコイド膜や光化学系タンパ

は、まだ未解明な部分が多いため、クロロフィル蛍光

ク質などについては知る術がなかった。 1 9 世紀に入の解析においては、個々の問題に本質的な時間軸とり、光学顕微鏡の空間分解能が上がり、葉緑体内に空間スケールを選択し理解する必要がある。最も重ドット状の構造があることをHugo von Mohlらは発見

要なことは、異なる時間軸と空間スケールを有する

し、Arthur

異なる解析で得られた情報から、いかに相互認識の1 ) 。それから約１世紀半経過した現在では、 “ グラ

可能な共通の結論を導きだすかである。その判断基ナ”は教科書で紹介されるよく知られた構造だが、緑‡

解説特集「30年後の光合成研究」* 連絡先 E-mail: miwai@riken.jp

118

Spirogyraの葉緑体を“small

green

Meyerは、その構造を“Grana”と記述した

光合成研究23 (3) 2013

色をしたオルガネラの中に見出だした小さなドット状

系の励起状態が変化することで、各光化学系タンパクの構造物について、それ以上のことを知る術は当時な質への励起エネルギー伝達効率が、何らかの機構にかった。20世紀に入り、電子顕微鏡を用いた観察が可

よって変化している結果と考えられる12)。また、パル能となり、そのドット状構造物を目印に、葉緑体を識ス変調時間分解蛍光法に基づくクロロフィル蛍光解析

別し、その中に存在するグラナが平らな袋状構造物の13)によって、同様の変化を生きた細胞を用いて測定す

積み重なったものであることが示された2,3)。電子顕微ることも可能である14)。

鏡によって、空間分解能が上がり、トモグラフィー解タンパク質に結合するクロロフィル分子から放出さ析によって立体構造まで明らかとなった 4 - 6 ) 。現在でれる蛍光を詳細に解析することで、タンパク質間におは、チラコイド膜に存在するタンパク質の配列の様子

ける分子配置や相互作用についての情報が得られる。

までも観察されている7)。

これは光合成研究の根幹を担う最も重要な知見であ

最初は緑色のドット状にしか見えなかったグラナる。しかし、クロロフィル分子から放出される微量なが、電子顕微鏡が持つ空間分解能によって幾層にも重蛍光を検出する技術には制限があり、充分な強度をなったチラコイド膜の構造物であることが明らかと検出するためには、サンプル量を増やすか検出時間なった。グラナ構造の他に、膜が重ならない“ストロを延ばす必要がある。サンプル量（例えば、細胞マラメラ”の構造も電子顕微鏡によって観察されてお数）を増やした場合、異なる個性を持つ可能性のあり、それぞれの膜構造の違いには、2種類の光化学系

る複数の蛍光の発信源のバルクでの解析となるたタンパク質（PSIIとPSI）が別々に局在しているといめ、得られる情報は全体の平均値となる。そのたう生化学的解析結果と関連づけられている 8) 。電子顕

め、個別の蛍光について検出することが難しくな微鏡技術によって、見えなかったものが見えるようにり、同時に空間分解能も低くなる。また、検出時間

なり、チラコイド膜の微細構造情報が明らかとなっを長くした場合、その時間内で生じる変化を識別すたが、解析の都合上（固定サンプルの超薄切片を真ることができなくなるため、複数の状態変化を含ん空中にて観察するため）、生命現象における時間軸

だ平均値となる。ここで当然考えるべき問題点は、情報を犠牲にしなくてはならない。ここで当然考え細胞（葉緑体）内で起こる多種多様な物質状態を反るべき問題点は、ある一瞬における微細構造情報を映する複雑な（蛍光）情報をもとに、どこまで想像

もとに、どこまで想像を広げることが可能だろうかを広げることが可能だろうかということである。

ということである。

3. 時間軸と空間スケールはどこまで同時に極限光合成研究では、クロロフィル蛍光を観察することまで近づけられるか

で、クロロフィル結合タンパク質の状態について知ることができる 9) 。上述したように、クロロフィル分子

上述した電子顕微鏡観察とクロロフィル蛍光解析

によって吸収された光エネルギーが光化学系反応中心

は、どちらも光の特性を巧みに利用し、検出方法をへ伝達される過程で、励起エネルギーが再び分子か工夫することで、それぞれ異なる次元の情報を導きだら放出されるものがクロロフィル蛍光である10)。PSII

す。では、顕微鏡による微細領域の特定とその領域に反応中心、もしくはPSI反応中心まで伝達された励起

おける蛍光検出を同時解析することで、異なる時間

エネルギーが、その場で消費されず蛍光として放出さ軸と空間スケールにおける現象をどこまで共通認識れる際、各反応中心でのエネルギー量が異なっていすることができるだろうか。この問いに関して、共焦るため、それぞれの波長に応じた分光測定をするこ

点レーザー顕微鏡を基本解析技術として、本稿では考とで蛍光の発信源を識別できる。これに基づき、光察する。共焦点レーザー顕微鏡を用いることで、エネルギーの吸収様式（励起方法）を工夫すること

レーザー光によるクロロフィル分子の励起とその蛍光で、クロロフィル結合タンパク質の配置や相互作用状の検出を連動させ、更にレンズとピンホールによる光態について情報を得ることができる11)。例えば、PSII

学的断層効果を利用することで、サンプル内のある一を効率良く励起する光を葉緑体に照射すると、PSIIか点の深度を限定して検出することが可能である15)。サらの蛍光強度が減少（もしくは、 P S I からのクロロ

ンプル上を走査しながら同様に蛍光を検出すること

フィル蛍光強度が増加）する。これは、片方の光化学で、ある平面のクロロフィル蛍光強度分布を得ること

119光合成研究 23 (3) 2013

上だが、1画素（0.14×0.14マイクロメート
ル）には、数十個のタンパク質が存在していると考えられる（図 2 ）。すなわ
ち、必要なタンパク質が存在していれば、一連の光合成反応が円滑に完了できる空間領域である。例えば、 1 画素内にPSIIとPSI、そしてそれぞれの集光アンテ
ナタンパク質（L H C I IとL H C I）が存在し、吸収した光エネルギーが各光化学系へと伝達される状況が充分にあり得る。
図1 共焦点レーザー顕微鏡を用いたクロロフィル蛍光観察における時空間スケール
一般的な観察条件のある一例を本稿における観察条件とする。A. 一画素。B. 一平面。C. 異なる深度の平面を5枚連続取得することで三次元画像を構築する。
D. 次の三次元画像に移る際にZ5からZ1平面に移動するのに要する時間。E. コケ
植物ヒメツリガネゴケの原糸体細胞内に存在する葉緑体のクロロフィル蛍光画像。

また、それに基づく光合成電子伝達系も起こっていても不思議ではない。したがって、数十個のタンパク質が存在し得る 1 画素から検出されるクロロフィル蛍
光のある一つの強度数値には、複数のタができる。ここでは市販されている共焦点レーザー顕ンパク質の異なる光エネルギー状態の情報が含まれて微鏡における一般的な観察条件を例に考える（図おり、反応中心と集光アンテナタンパク質との結合様1 ）。検出器の性能とここでの観察条件から、 1 画素

式や励起エネルギーの方向性など1 7 ) を分析するには極（0.14×0.14マイクロメートル）における検出時間はめて困難な空間スケールである。

1.61マイクロ秒を費やし、512×512画素（71.68×71.68

葉緑体の長辺は約10マイクロメートル以下なので、マイクロメートル）の視野を走査するのに422ミリ秒

一平面（71.68×71.68マイクロメートル）の視野となるの時間が必要である。実際には、顕微鏡装置が走査と、数十個の葉緑体が存在し得る（図1E）。一つの葉に費やす時間が各画素間に含まれるため、一平面を緑体には、膨大な数のタンパク質が協調しながら存在検出するのに約800ミリ秒を費やす。

しており、クロロフィル分子を結合しないタンパク質

まず、1画素の情報を得るのにかかる1.61マイクロ秒やストロマ領域に存在するタンパク質も含まれる。電の時間について考える（図 1 A ）。この時間スケール

子顕微鏡で観察されるグラナとストロマラメラのようは、光エネルギー伝達の概念 1 6 ) からすると、1画素に含まれる全てのクロロフィル結合タンパク質間を励起
エネルギーが移動するのに充分な時間である。更に、一平面の情報取得に費やす約 8 0 0 ミリ秒の時間（図1B）があれば、PSIIに到達した励起エネルギーが光誘起電荷分離・電荷移動反応を起こし、チラコイド膜中のキノンプールの酸化還元状態の均衡を崩しだすのに充分な時間である17)。レーザー光による励起効率が高いと仮定すると、一平面に含まれる多くのクロロフィ
ル結合タンパク質が約8 0 0ミリ秒の間に全て励起されていることになる。このような状況下では、様々な反応が進行し、一平面におけるエネルギー伝達過程の概

図2 一画素中に存在し得るタンパク質の数精製した葉緑体チラコイド膜を、マイカ表面に吸着させ、原子間力顕微鏡を用いて、その表面の凹凸をナノスケールで観察した。観察は大気中で行った。個々の粒子がタンパ
ク質を示しており、一画素（140 × 140 nm）中に少なくとも数十個のタンパク質が存在できることが分かる。カラー
バーは高さ（相対値）を示す。

念を見出だすことは困難である。従って、1画素から得られる確かな情報は、その画素に含まれるクロロ
フィル分子の存在量のみであり、それ以上のことを証明するにはこの観察条件では難しい。
次に空間スケールについて考える。あくまでも数値

120

光合成研究23 (3) 2013

鏡装置の特性上、避けられない問題である。しかし、光が顕微鏡装置を通過する時に起こる方向性の変化や広がり度合いを蛍光ビーズ（0.1マイクロメートル）などを用いて、その特性をあらかじめ測定することで、三次元的な情報の混入を画像処理によって除くことができる19,20)。この方法を用いることで、葉緑体に存在するクロロフィル分子の空間分布をより詳細に特定す
図3 画像解析による非焦点ボケの除去
共焦点レーザー顕微鏡を用いて、寒天培地上に育つコケ植物ヒ
メツリガネゴケ原糸体細胞内のクロロフィル蛍光の三次元画像を取得した。観察条件は本文中に示した通りである（図1）。
寒天培地にアンピシリンを添加し育成することで、葉緑体の分裂を阻害する。その結果、一つの原糸体細胞に一つの巨大な葉緑体を形成する。巨大になった葉緑体は細胞内で動かなくなる
ので、葉緑体内のチラコイド膜の動態変化を解析するのに適した観察方法である。(A) 画像解析前は非焦点ボケが含まれるため構造が見えにくいが、(B) 非焦点ボケを除去することで、葉緑体内の構造が鮮明に確認することができる。スケールバーは5マイクロメートル。

ることができる（図3）。次にこの観察条件における時間軸と空間スケールの問題について考察する。
上述した画像処理によって、三次元画像に含まれる
非焦点ボケを除去する際、最低でも3枚の異なる深度の平面情報が必要である。ここでは5枚の平面情報を画像処理で用いるが、これらは同時に取得されたものではなく、平面毎に約1秒間のずれが生じている。すなわち、5つの異なる位置の平面情報を用いて得られた三次元画像には、5つの異なる時間の空間情報が混在していることになる。また、葉緑体に存在するクロな膜構造の違いも存在する。一個体のオルガネラと言ロフィル分子が約4.3秒間、レーザー光によって連続励

えども極めて複雑な構造を持つ葉緑体には無数のクロ起されており、この間に起こりうるエネルギー伝達機

ロフィル分子が含まれており、その存在する空間を構に関する問題はあまりにも複雑すぎる。何度も述べ

10×10マイクロメートルと仮定すると、20ミリ秒以内たが、クロロフィル蛍光が検出された空間にクロロ

でそのほとんど全てが均一に励起される。このようなフィル分子が存在していたことは確かだと言える。し状況下で検出されるクロロフィル蛍光から、様々な反かし、一つの三次元空間分布を（特に生きた細胞を用応機構に関連する仮説を正しく導きだすことは可能だ

いて）解析する場合、時間経過による局在変化を考慮

ろうか。不可能とは言わないが、得られた情報を検証する必要があり、その変化にかかる時間が短く、方向するにはこの観察条件だけでは難しい。したがって、性がランダムであった場合、再構築した三次元空間分

この空間スケールで得られる確かな情報は、クロロ

布で観察される構造は不確かな情報となる。

フィル分子の存在量とその分布のみとなる。

ここでの画像取得における時間軸と空間スケール
が、どれだけ生命現象による三次元空間分布の変化

4. 生命現象における時空間軸とその情報取得にに対応できるか判断するため、三次元タイムラプス解

おける時空間軸析を行った。すなわち、クロロフィル蛍光の三次元的共焦点レーザー顕微鏡を用いることで、生きた細胞

空間分布が大きく変化していなければ、画像を連続取の微細領域を観察することが可能である。生体内で常得しても検出される強度分布は大きく変化しないはずに変動する現象を解析する場合、平面だけでなく立体である。上述した観察条件で三次元画像を連続取得的な追跡が必要となるため、複数の平面情報を連続取する場合、基準となる深度に戻る（5番目のZ平面か得することで立体情報を導きだす。ここでは、上述しら1番目のZ平面までの）時間（約2.7秒）を含めるとた平面の画像取得を0.2マイクロメートル毎に5回繰り

画像取得間隔は約7秒となる（図1D）。三次元タイム

返し、高さ 1 マイクロメートル分の三次元画像を取得

ラプス解析の結果、クロロフィル蛍光の空間分布がほした（図 1 C ）。この時、各平面間の移動にかかる時

とんど変化しないドット状の領域が確認された（図間（約1秒）を含めて約4.3秒の取得時間を要する。三4、黒色領域）。同様な領域は視野に複数存在してお次元画像として蛍光を取得した場合、それぞれの平面

り、大きさを見積もると直径（長軸）が平均して約には、上下に隣接する平面からの情報（いわゆる非焦

5 0 0ナノメートルであることが分かった。このドット

点ボケ）が混入することが多い。これは光を扱う顕微状を示すクロロフィル蛍光は、この観察での時間軸と121

光合成研究 23 (3) 2013

光のほとんどはPSIIとLHCIIに含まれるクロロ
フィル分子からだと考えられているので、これ
らのタンパク質が経時的に激しく動く環境下（状態）にある；2)

室温では蛍光検出が難し

いPSIへの励起エネルギー移動効率が変化することで、細長い領域における蛍光強度が経時的に変化している；そして、3) チラコイド膜自体が分裂と結合を繰り返している22,23)。ここでの観察条件では、これら3つの可能性について、
これ以上言及することが難しい。しかし、三次元タイムラプス解析によって、生体内でのク

図4 ドット状領域（黒色）と細長い領域（赤色）の経時的局在変化
三次元タイムラプス解析から、二つの異なる蛍光強度領域を抽出する ロロフィル分子の局在領域が少なくとも二種類と、経時的に局在が大きく変わらない領域（黒色）と少なくとも7秒以 あることが分かった。最低7秒間は安定している内で局在を変える領域（赤色）を確認することができた。細長い領域
領域とそうでない領域である。
がドット状領域を繋ぐような形状をしている様子が複数確認できる。
数字は、経過時間を示し、Mはそれぞれを重ね合わせた図。スケール
バーは2マイクロメートル。
5. 可視化された事象を不可視化しないために空間スケールにおいて経時的に安定しており、その構

本稿で紹介した共焦点レーザー顕微鏡の観察条件で造情報には時空間軸におけるずれがほとんど含まれては、上述した時間軸と空間スケールの問題点を完全にいないと考えられる。これまでの電子顕微鏡観察で解決することは難しい。しかし、これまでに様々な現得られている情報 4 - 6 ) を考慮すると、ドット状に観察

象が分光学的クロロフィル蛍光解析によって証明されされた領域はグラナである可能性が高い。

ており、それらを顕微鏡で観察される現象と関連づけ

一方、三次元タイムラプス解析でクロロフィル蛍光

ることは重要である。一方、共焦点レーザー顕微鏡をの空間分布が大きく変化する細長い領域を確認するこ用いることによって、生体内の微細な空間におけるクともできた（図4、赤色領域）。ここでの観察条件を

ロロフィル蛍光の観察が可能となり、上述した時空間考慮すると、少なくとも7秒以内にこの細長い領域の的動態変化の情報（図4）を得ることができる。その空間分布は変化している。特徴的な点は、細長い領域

ような情報は必ずしも通常の生化学的解析によってそが二つのドット状領域を結ぶように存在している点での実体が解明できるとは限らない24)。したがって、クある。電子顕微鏡で観察されているストロマラメラがロロフィル蛍光の解析方法やその原理が異なる場合、同様の構造的特徴を示しており 3 - 6 ) 、時間軸と空間ス

それぞれに応じた時間軸と空間スケールでの情報解釈

ケールの問題点を敢えて無視した場合、この細長い領をするべきである。また、光合成研究は蛍光解析の先域はストロマラメラであると考えることができる。し駆的分野であり、一つの手法にのみ偏った解釈はもはかし、一般的にグラナとストロマラメラには、PSIIとやできないため、次元の異なる解析結果を相互に理解

PSIがそれぞれ別々に局在すると考えられており8)、ましていくことも重要である。

た室温におけるP S Iからのクロロフィル蛍光の寄与が

本稿では一般的な共焦点レーザー顕微鏡に関して述

数％である21)ことが知られている。従って、この観察

べたが、クロロフィル分子の励起に用いる光源やクロ条件では、この細長い領域がストロマラメラであると

ロフィル蛍光を検出する方法を改良することで、得ら断定することが困難であるとも考えられる。ここで重れる情報の範囲は大幅に広がる。例えば、パルスレー

要なことは、異なる時間軸と空間スケールを有する異ザー光による時間分解蛍光測定を各画素毎で行えば、なる解析で得られた知見を、いかに相互認識が可能な

クロロフィル蛍光寿命を微細領域で解析することがで共通の結論として導きだせるかである。では、経時的

き、タンパク質のエネルギー状態の平面分布図を取得に形状を変化させる細長い領域は一体何か。ここで考することができる25)。また、ニポウディスク方式を用えられる仮説は3つある：1) 室温でのクロロフィル蛍いることで多焦点走査が可能となり、一平面を極めて

122光合成研究23 (3) 2013

短い時間（5ミリ秒以下）で走査することができ 2 6 ) 、が、その言葉は光合成研究に通ずるものがある。1 0 0

これを利用することで、本稿で述べた時間軸と空間ス

年後を見据えた長い時間軸と多くの樹木と対峙する広ケールの問題を大幅に解消することができる。また周

大な空間スケールでの光環境の調整は、もはや想像を

波数領域測定法に基づく蛍光寿命解析とニポウディス

絶する環境変化に立ち向かう大実験である。

ク方式による検出を融合することで、生体内チラコイ

第4回日本光合成学会での公開シンポジウム「30年

ド膜の微細な（グラナ・ストロマラメラ）構造におけ後の光合成研究」の開催にともない、自分自身の 3 0

るエネルギー伝達過程（クロロフィル蛍光寿命分布）

年後の研究について考える機会を与えていただいた。

の三次元タイムラプス解析も可能である。最近では、

そのようなことをこれまで一度も考えたことがな

空間分解能が極めて高い電子顕微鏡観察と光学顕微鏡

かっただけに、それだけの時間軸を見据えて自分自による蛍光観察を同時に行う電子光子同軸顕微鏡27)の身の研究と向き合うと、それまで見えなかった何か開発がされており、クロロフィル蛍光を放出するタンが見えた気がする。想像が広がることで、不可視がパク質を実際にチラコイド膜上で確認することもいず可視化されたのかもしれない。100年後を見据えた雑れ可能となる。将来的に検出器の感度が向上すること

木林の間伐のような壮大な時空間スケールでの大実で、顕微鏡を用いたラマン分光解析28)が実用化され、験とはならないかもしれないが、100年後の自分自身

生体内でのチラコイド膜やその他の物質の挙動変化をの研究について想像を広げることで、目の前の直近の直接追跡観察することも可能になるだろう。

課題の中にも、新しく見出だす何かがあるかもしれ

20世紀に入り電子顕微鏡観察によって見えなかったない。そんな探究心を忘れず持ち続けているかどう

ものが見えるようになり、観察された構造をもとに多か、30年後の自分自身にここで問いかけてみたい。

くの現象に関わる仮説が提唱されたことは先に述べ謝辞た。その後も様々な手法による解析が進み、理論と計算で全てシミュレーションすることが可能と言われる

本稿で紹介した筆者の研究の一部は、JSTさきがけ

ほどの膨大な情報が存在する現代において、これまで「二酸化炭素資源化を目指した植物の物質生産力強

見えなかった事象が見えるようになった時、その事象

化と生産物活用のための基盤技術の創出」領域の支をどれだけ本質的で正しく解釈することができるだろ援のもと、理化学研究所光量子工学研究領域ライブ

うか。見えなかったものを見えるようにする際、検出

セル分子イメージング研究チーム（中野明彦チーム

技術が制限となるが、今後も新しい検出技術が開発さリーダー）において行われたもので、横野牧生博士

れ、検出感度が桁違いに向上し、これまで見えなかっ（北海道大学）との共同研究による成果です。この場た生命現象が見えた瞬間、その未知なる事象とどれだをお借りして厚く御礼申し上げます。最後に、第4回

け正しく向き合えるだろうか。専門分野が異なり、想日本光合成学会公開シンポジウムでの講演（2013年5

像力が異なれば、見えてくる情報の深みは様々とな

月31日）と本執筆の機会を与えてくださいました田中

り、解釈の本質に違いが生じる。想像力の乏しさに

歩先生（北海道大学）、鹿内利治先生（京都大よって、可視化された事象が再び不可視化されないよ学）、佐藤直樹先生（東京大学）に感謝いたします。

うに、複数の時空間軸において広い視野を持つことを常に心がけたい。

Received November 20, 2013, Accepted November 29,
2013, Published December 31, 2013

6. おわりに
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雑木林の間伐の仕事をするある人の言葉がとても印

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象的だった。「私たちは、樹木の成長のため、森林の
光環境の調整のため、そして1 0 0年後の木材のため、雑木林の間伐を行っています。」めまぐるしく変動する地球環境と向き合い、長い年月がかかる樹木の成長を考えた場合、それだけの時間軸を想定しなければ、すぐに対策が後手となるそうだ。職業としては異なる

123

光合成研究 23 (3) 2013

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Imaging Chlorophyll Fluorescence at Multiple Spatiotemporal Scales
Masakazu Iwai*
Live Cell Molecular Imaging Research Team, RIKEN Center for Advanced Photonics / JST PRESTO

124

光合成研究23 (3) 2013

解説
恩師のノーベル化学賞受賞に寄せて ‡大阪大学 大学院理学研究科 生物科学専攻
石北 央*
2013年のノーベル化学賞受賞者の一人Arieh Warshel教授（南カリフォルニア大学）は、蛋白質の理論化学研究
分野の発展、特に計算化学手法の開発に多大な貢献をした。一方で、数多くの理論化学研究者を差し置いて彼がノーベル賞を受賞した理由は、計算化学の枠にとどまらない、蛋白質科学における重要な基本概念をいくつも明らかにしてきたことであろう。例えば、誰もが本来「知っている」はずの水素結合の概念を基本から見直すこと
で、多くの研究者の「低障壁水素結合」への誤った理解に警鐘を鳴らした。群れをなさず、権威に媚びず、そして子供のように好奇心旺盛。それがArieh Warshelであり、科学者とは本来そうあるべきである。

1. はじめにの状態を知ることができる。水分子間の理想的な水素

2 0 1 3年のノーベル化学賞は、蛋白質の理論計算化

結合におけるO - O結合距離は2 . 8 Å付近を中心に分布

学分野の発展に大きく貢献した3名に贈られた。光合し、O-D伸縮振動数は2500 cm-1程度となる1)。強い水素成とは関係ないだろうと思うかもしれないが、その結合では、ドナーO-DのDがより強くアクセプターのO

うちの一人、Ariehofに引かれるため、O-D OのO-Oは短くなり、逆にO-D

Southern California ：USC、南カリフォルニア大学）は伸びる。強い水素結合におけるこのO-Dの伸びは、は、私の恩師である。さぞかし多くの日本人が1H-NMRで大きな化学シフト値となって観測される2)。

Warshelのラボで研究していたのではと思うかも知れ

またFTIRでは、O-D伸縮振動数の低下（例 2200 cm-1）

ないが、南カリフォルニア大学の彼のラボにポスドクとなって現れる1)。

Warshel教授（University

研究員として研究していた日本人は、現状では私が最初で最後であるのは摩訶不思議である。もっとも、

3. 水素結合とドナー・アクセプターのpKa

いったんノーベル賞を受賞すると、人は手のひらを二つの酸素原子間に形成される水素結合O - H

Oを返したようにぞろぞろ行くのかもしれない。そうい

例として説明する。水素結合には、水素結合ドナー

う意味では、ポスドク時の私には、表層的なことに（H-bond donor）とアクセプター（acceptor）の両者がとらわれずに人を見る目があったのかも知れない、必要である。ここで、ドナーとはプロトンがより強くと思うことにしておきたい。ここではWarshelと関連結びついている側、つまり（結合距離が短い） O - H

ある研究について取り上げてみる。

側、アクセプターとは（距離が長い）H O側である。
しかし、結合距離にはいろいろな要素が含まれるた

2. 蛋白質中における水素結合の解析手法

め、pKaが高い部位（＝プロトン・アフィニティーが高蛋白質中の水素結合の様子を調べるにはどうすればよい部位）が水素結合ドナー、低い部位が水素結合アクいだろうか？ 例えば、FTIR（Fourier transform infrared

セプターと理解するのがよい（pKaをプロトン・アフィ

spectroscopy）分光法や核磁気共鳴分光法（Nuclear

ニティーと言い換えてもよいが、溶媒和を含んでいる

magnetic resonance spectroscopy、NMR）を利用すると、のでp K a と呼ぶほうが適切。）例えばアルコール- O H

蛋白質中の水素結合の強度を調べることができる。特(pKa〜16)とカルボン酸-COO-に水分子がドナーとして関与する水素結合では、重水結合-OH置換の場合、O - D伸縮振動の大きさによって水素結合

ル側、アクセプターはカルボキシル基側である。

‡

解説特集「30年後の光合成研究」* 連絡先 E-mail: hiro@bio.sci.osaka-u.ac.jp125（〜4）間に生じる水素-OOC-では、（pKaより）ドナーはアルコー

光合成研究 23 (3) 2013

以上の話は水素結合のポテンシャルをみるとわかりやすい。プロトンはp K a が高い側を好むので、ドナー側
ならエネルギーは低くてすむ。従って、通常の水素結合（standard

H-bond）のポ 図1 典型的な水素結合ポテンシャル

テンシャルでは、（アクセプターに比べてpK aが高い）（左）standard H-bond（通常の水素結合）、（中）low-barrier H-bond（LBHB、低障壁水素結合）、（右）single-well H-bond。縦軸: energyが下がる向きは部位のpKaが上がる向きに対応する。LBHB、single wellではドナーとアクセプターの明確な差はもはやない。

ドナー側に深い谷が存在結合」においては、H原子はアクセプター側のO原子にし、左右非対称の形となる。つまり、通常の水素結引かれる傾向にあるため、電子の遮蔽効果が少なく、合ではアクセプター側にプロトン移動するには大きなN M R では低磁場側にシフトし大きなδ H 値を示す。

エネルギーが要ることがわかる（図1左）。

Jeffrey8)やFrey9)によると、水素結合はδH値やO–O結合長のサイズにより以下のように分類できる。①i o n i c

4. 低障壁水素結合とは？

(single-well) H bond（δH = 20–22 ppm、O–O結合長 =さて、もしドナーとアクセプターのpK a値がほぼ一2.4–2.5 Å）、②LBHB（δH = 17–19 ppm、O–O結合長 =致すると水素結合はどうなるだろうか ? 当然ポテン

2.5–2.6 Å）、③weak H bond（δH = 10–12 ppm、O–O結

シャルは左右対称の形となり、一般的にlow-barrier Hbond

合長 > 2.6 Å）。O–O結合長は、ionic H bondが最も短(LBHB、低障壁水素結合、図1中)、あるいはく、LBHBはそこまでは短くない（図1）。

single-well H-bond（図1右）と呼ばれる水素結合となる（両者を対称性水素結合と呼ぶ）。両者の区別は（pKa値）

必ずしも絶対的ではないが、対称性水素結合の条件

Warshelよれば、結合長だけによるLBHBの判断は適切でなく、水素結合のポテンシャルエネ「pK a一致」はどの研究者も認める事項である3,4)。な

ルギー曲線が左右対称であることが必要である 4) （図お誤解されやすいが、single-well H-bondでも、通常は1）。ポテンシャルエネルギー曲線は、蛋白質環境内

Hがドナー・アクセプターOの中点に位置するわけででのドナー・アクセプターのpK a 値を知ることができはない。真ん中に存在するならばプロトン移動中のれば、ある程度予測がつく。通常の水素結合（＝過渡的で不安定な状態である。（１分子にカルボキ

asymmetric double well potential）では、ドナー側のpKa

シル基2個を持つ）マレイン酸の分子内single-well H-

値が、アクセプター側のp K a 値より高い（＝H原子がb o n dですら、Hは結合の真ん中には存在せず(実際のドナー側に引きつけられている）。なお、pK aの大・ポテンシャルは完全に水平ではない ) 、 O 原子に近い

小関係は、ポテンシャルエネルギーの低・高に対応

部位により分布しやすい5)。

する（図1）。一方、ionic (single-well) H bondやLBHB「 L B H B 」の概念や定義はしばしば曖昧であった

形成においては、ドナー側とアクセプター側のp K a 値4,6)。酵素活性部位でのLBHBの存在を論じたCleland 7)がほぼ一致することが必須である。この条件は、やFrey3)の論文がScience誌に発表された後は、蛋白質

Cleland 7)やFrey 3)の論文にも明記されており、多くの内の短い水素結合に対し慎重な検証もなく安易に研究者が同意する特徴である。

LBHBと結論づける風潮も見られた。ここでは、蛋白質におけるLBHBの特徴を改めて整理してみたい。

（共有結合性）

蛋白質内におけるLBHBの特徴に関しては、結晶構

通常の水素結合はHδ+とOδ–のような分極をもつ結合である。一方、LBHBでは、H原子が造解析、プロトン核磁気共鳴（1H-NMR）、理論化学

二つのO原子間を行き来できるため、電荷がドナーか等を中心とした研究手法の立場からそれぞれの主張

らアクセプター領域において非局在化して共有結合性がなされてきた。

をもつ3,7)。しかし、「LBHBの共有結合性」に関しては、これを唱え始めたClelandらの主張7)を慎重に検証（NMRケミカルシフト(δH)と水素結合長）「強い水素126

光合成研究23 (3) 2013

する必要がある。 C l e l a n d によると、蛋白質内部は酸素発生を行う光合成蛋白質Photosystem II（PSII）「無極性溶媒」のようなものであるため、電荷が非のキノン分子QBは、反応中心部位にあるクロロフィル

局在化したLBHBは容易に形成され得る、とのことで分子の光励起によって開始される2回の電子移動と、ある。しかし、「疎水的環境＝無極性溶媒」は正しそれに伴って起こる2回のプロトン移動によりQ B ●− 、い理解ではない。

QBH● 状態を経て最終的にQBH2となる。ここでのプロ

蛋白質内部には、蛋白質構成原子のvan der Waals半トン移動のきっかけは、電子移動による Q B の還元

径（体積）により、水分子は入り込みにくい。その（負電荷）による Q B カルボニル基の p K a 変化である

結果、蛋白質内部では、水分子によるsolvation energy

15)。プロトン移動が起こる際は、水素結合ドナーのアが得られにくい。これこそが「蛋白質内部の疎水

ミノ酸と Q B 間に非常に短い対称性水素結合が生じる性」である。一方、蛋白質内部には無極性溶媒とは16)。水素結合内でプロトン移動が起こる過渡的な状況

異なり、多くのdipoleが存在する。極性アミノ酸側鎖で、短い対称性水素結合が生じる。ドナー・アクセプだけでなく、主鎖カルボニル基C δ+ =O δ–は強く分極しター間でp K a が等しい対称性水素結合ではドナー・ア

おり、蛋白質内での電荷の安定に大きく貢献する

クセプターの性格の差を薄めることになるので、（通10,11)。さらに、蛋白質中での静電相互作用は、バルク常起こりにくい）ドナーからプロトンを放出しやすく

水中のように遮蔽されず、強い。このような場では、するのには都合がよい。逆に、（本来のp K a が大きく分極している通常の水素結合なら安定化効果を得られ異なる部位同士の場合は特に）対称性水素結合を初るが、電荷が非局在化しているLBHBでは小さい。

期・定常状態等で維持し続けることはエネルギー的には得策ではない 5 ) 。多くの場合、対称性水素結合は励

5. プロトン移動が起こる際の水素結合の様子

起や電子移動のエネルギーを用いることで初めて過渡ドナーとアクセプターのpKa一致は対称性水素結合の的に作り出せる。それが証拠に、対称性水素結合の出条件3,4)であるが、同時にプロトン移動が最も起こりや

現・プロトン移動後には、 P S I I でも水素結合崩壊とすい条件でもある 1 2 ) 。p K a の一致でカップリングは最QBH2の蛋白質結合サイトからの遊離といった構造変化

大となるため13)、対称性水素結合は２つの分子種が取に絡んだ大きなイベントが待ち受けている。

り得る最短の水素結合である。このような議論から、アクセプター側のpK aが上昇し、ドナー側のpK aとほぼ

6. “The LBHB proposal revisited”

同じになった際、水素結合は最短となることが理解で

LBHBは i) 「短い水素結合」である。また、水素のきる。それは両部位のカップリングが最大となるから移動においてバリアが小さいため、水素はドナー・であり、水素結合内でのプロトン移動が最も容易となアクセプター間に ii) 「非局在化」する。「短い結合る12,13)。このように、対称性水素結合はプロトン移動ほど強い」「（本来分極しているはずの水素結合が）と関係が深い。例えば、蛋白質中の水分子クラスター

非局在化することは共有結合性を持つことを意味してでは、プロトンが外部から来ると、ドナーもアクセプいる」という都合のいい解釈を著名な人たちが権威

ターも水分子なので p K a の一致が容易に行え（＝ドある雑誌上で言い出すと、多くの研究者たちは簡単

ナーH3 O+の脱プロトン化とアクセプターH2 Oのプロトに引きずられてしまうのは、今も昔も同じである。周ン化）、対称性水素結合（H2O

囲の顔色をうかがわずにものごとの「中身」を自らH-OH2+）が生じプロ

トン移動経路になりやすい。

判断して、堂々と意見を述べることができる研究者はいったいどれほどいるだろうか。

一方で、水素結合内（pKa: ドナー＞アクセプター）のプロトンがアクセプター側へ移動するためには、そこに、堂々と自分の意見を述べたのがWarshelで

pK a を変えるのに十分な構造変化、酸化状態変化等がある4,17)。Warshelは蛋白質の計算化学の手法開発にも必要である。例えばバクテリオロドプシンではシッ

多大な貢献をしたが、（他の同業者ではなく）彼がノーベル賞を受賞した理由は、それだけにとどまら

フ塩基からプロトン移動が開始することが知られていず、計算化学の枠を超越した蛋白質科学における重要るが、そのトリガーは、レチナールのtrans-cis光異性ないくつもの基本概念を、たとえ他の著名な研究者化に由来するpKa変化である14)。

らが自分と逆の意見であろうが、他人の顔色をうか127

光合成研究 23 (3) 2013

がわず主張したことにあると私は思う。
この件に関してWarshelが誰にでもわかりやすい形でまとめてあげたことは、次の点につきる。「ドナー・アクセプターのp K a が一致した水素結合がL B H Bであり、それ故、salt-bridgeのように（pK a 差が大きいため）分極がはっきりしている水素結合とは相反した性質を持つ。だから、溶媒和安定効果を得ることができず、極性環境ではエネルギー的に安定ではなく、決して強い結合ではない 4 , 1 7 ) 。」科学としてはごくあたり
図2
Arieh Warshel教授とそのpostdocであった筆者（2008年頃、Los Angelesにて）。

まえなことをWarshelは述べただけに過ぎないが、大多数が狂信的に権威を支持する中で、当たり前のことを

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謝辞
共に研究を行った斉藤圭亮博士（大阪大学）に感謝申し上げます。

Received November 10, 2013, Accepted November 26,
2013, Published December 31, 2013

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Dear Arieh, a laureate of the Nobel Prize in Chemistry 2013
Hiroshi Ishikita*
Department of Biological Sciences, Graduate School of Science, Osaka University128

光合成研究23 (3) 2013

解説
フィールド・トランスクリプトミクスから30年後の生物学を考える‡
京都大学 生態学研究センター／JST さきがけ
永野 惇*
植物の本来の生育環境である野外では、温度や光などが刻一刻と複雑に変化する。単純にコントロールされた実
験室環境における研究のみから、複雑に変化する野外環境に対して植物がどのように応答しているのかを類推することは難しい。我々は、野外圃場における大量のイネのトランスクリプトームデータと気象データを統計モデ
リングによって解析することでこの問題に答えた。同時に、葉で発現の見られる大半の遺伝子に関して発現のシ
ミュレーションが可能となった。最後にフィールド・トランスクリプトミクスの立場から、「予測」・「設計」・「制御」へ向けた展望をのべる。

1. はじめに起こっていることを想像するのは容易ではない。例え

近年の植物の分子生物学的研究は、そのほとんどば、ある実験で高温に対する応答を、25℃のインキュが実験室内で行われている。栽培環境・実験環境を可

ベーターから3 5℃のインキュベーターに移すことで調能な限りコントロールし、研究対象としている要因以

べたとしよう。温度変化に対する応答の分子機構を明外を極力そろえた条件で実験を行う、というのが基らかにするためには十分なセッティングかもしれな

本姿勢である。このようなアプローチによって、植物い。しかしながら、野外での気温は細かい変動を繰りの様々な側面に関する詳細な分子機構が明らかにさ返しながら徐々に変わっていく。仮に明け方の最低気れてきた。もちろん、今後もさらに精緻な実験によっ

温が25℃、昼過ぎの最高気温が35℃だったとすると、て、多くのことが明らかにされていくことだろう。
一方で植物の本来の生育環境は実験室ではなく野外であることは言うまでもない。野生植物であれば自然環境下で生育し、作物であれば圃場で栽培される。となれば、実際に野外環境下で起こっていることを理解する必要があるだろう。ここで問題になるのが、野外環境の複雑さである。先にふれたように、実験室では
気温・光を一定にするなど、比較的単純な条件にコントロールして植物を栽培する。一方、野外では激しく変動する（図1）。兵庫県における気温を例に見ると、
まず日周変動がある（図1A）。ほとんどの日では、1日の中で昼は暖かく夜は涼しい。季節にもよるが昼夜の気温差は10℃以上になることも多い。より長いスパンでみると年周変動を見ることが出来るし（図1B）、より短いスパンでみると分オーダーの変動も存在する。
このように複雑に変動する野外環境に対して、生物はどのように応答しているのだろうか。単純な環境にコントロールされた実験室で得られた知見から、野外で‡

図1 (A) 2010年4月24日から28日の兵庫県西脇のアメダス気温データ。4月2 7日は雨天のため日中の気温上昇がみられない。
(B) 2010年の兵庫県西脇のアメダス気温時別平均データ。

解説特集「30年後の光合成研究」* 連絡先 E-mail: anagano@gr.bot.kyoto-u.ac.jp129光合成研究 23 (3) 2013

数時間かけて変化が起こることになる。数分で25℃かおける日周変動の比較 5 ) を行った研究があるが、気温

ら35℃になる場合と、数時間かけて25℃から35℃にななど気象条件の変動の影響は評価されていない。シロる場合で植物の応答が根本的に異なっているかもしれイヌナズナ6)、Andropogon gerardii8)、Populus tremula9)ない。そう考えると、一口に高温応答といっても実験を用いた研究では気象データとの関係を解析していの条件設定はいくらでもありうることが分かる。それる。なかなか直観的な解釈は難しいものの、いずれもならばいっそのこと、実際の野外環境で植物の応答を

何らかのパターンは見出しており、一定の成果が得ら調べてみるのが、手っ取り早い方法の一つだろう。

れている。例えば、いずれの研究でも温度の影響が検では、何を測定するべきか。野外での栽培や研究は出されている。しかしながら一方で、サンプリング時

一般に実験室で行う場合より労力がかかる。また、環点数（日数）が少ないことなど様々な原因から、それ境条件は自然任せになるため栽培シーズンが限られ、以上の踏み込んだ議論が難しい結果になっている。

多くの場合、年に1回きりのチャンスで可能な限りのこ

ここでトランスクリプトーム解析ではないものとをすることになる。そのため、なるべく沢山の項目の、結果が比較的明瞭で解釈しやすい研究をひとつをまとめて測れて、定量性が良いものが良いと考えら

紹介したい。相川らは、シロイヌナズナ（Arabidopsis

れる。そのような条件を満たすもののひとつが、トラt h a l i a n a ）に近縁な多年草のハクサンハタザオ

ンスクリプトームである。DNAマイクロアレイやRNA-（Arabidopsis halleri）の兵庫県の自生集団を用いて、Seqによるトランスクリプトミクスは網羅性・定量性と週に１回、正午の葉のサンプリングを 2 年間行い、もに高い。その網羅性ゆえに、トランスクリプトーム

FLCオーソログ（AhgFLC）の発現を定量PCRによっ

データは直接的・間接的に様々な生物現象を反映してて測定した13)。FLCは花成の抑制因子であり、シロイ

いると期待できるだろう。また、遺伝子発現は数分かヌナズナでは低温処理によって発現が抑制され、そのら数時間で変動しうること、その変化の幅はときに100

結果、花成が誘導されることが良く知られている14)。

倍以上になることが明らかになっている1,2)。このよう

先述の定量PCRの結果から、野生のハクサンハタザオに短時間で大きく変動しうる性質からも、トランスク集団において、AhgFLCの発現は晩秋から冬にかけて

リプトームは野外環境下における植物の環境応答を知徐々に低下していくことが明らかになった（図2）。

るための測定対象として適していると考えられる。

春になると再び発現が上昇し始め、夏前にはピーク

2. フィールド・トランスクリプトミクス：
野外環境下での遺伝子発現研究
これまでに、野外環境下での遺伝子発現研究はいくつか行われている。トランスクリプトーム
レベルのデータがとられているものに限っても、イネ 3 - 5 ) 、シロイヌナズナ 6 ) 、トウモロコシ
7)、Andropogon

gerardii8)、Populus

tremula9)、

Shorea beccariana10)、変わったところではサンゴと共生藻 1 1 ) などがある。また、最近では海洋のメタトランスクリプトームの日周変動解析 1 2 ) も報告されている。もちろん、これらのすべてが気象データなどとの関係を解析しているわけではない。目的とする特定の現象を解析するためのデザインで行われた実験においては、野外環境下における気象条件の変動はむしろ背景のノ
イズとみなされている。イネでは、通常の栽培
期間を通じた変化3)や、FACEにおける応答4)、野生型と概日時計関連遺伝子の変異体（o s g i）に

図2 (A) 兵庫の自生集団におけるハクサンハタザオAhgFLC遺伝子の発現量変動。週に１回、正午に 6 個体からの葉のサンプリングを行った。定量PCRによる実測値（灰色の円）とモデルから期待される予測量（黒線）。(B)
気温の実測値（灰色線）とモデルから期待される
AhgFLC遺伝子の予測量（黒線）。

130

光合成研究23 (3) 2013

レベルまで戻る。ハクサンハタザオのこの集団では 2 月末〜 3 月初旬に抽台、4月末ごろに開花、5〜6月にかけてリバージョン（花茎先端からロゼット葉、根が形成され、花茎が倒れて接地し新しい個体として定着する）がおこる。これらのイベントは、AhgFLCの発現の変動と
図3 統計モデリングのイメージ密接に関係していると考えられる。
では、このようなA h g F L Cの発現パ

変動する野外環境への応答を探る試みがスタートしターンは気温によって説明されるのだろうか。気温のた。まず、6月から9月にかけて461サンプルの葉を収影響を受けるとした場合、ある時点のmRNAの蓄積量集した。この中には、9セットの2時間おき4 8時間サ

はその時点の気温だけで決まるわけではなく、そのンプル（豪雨が観測された日を含む）や、毎週火曜の時点に至るまでの気温の影響も受けると考えられ

1 2時と2 4時のサンプルなど様々な時刻・気象条件のる。これを表現する一つの方法として、積算温度とい

サンプルが含まれている。これらのサンプルから、う考え方がある。“過去一定期間に温度がどのくらい

D N A マイクロアレイによってトランスクリプトーム

閾値を超えた（あるいは下回った）か”が積算温度でデータを得た。次に気象データは気象庁が測定・提供ある。閾値を超えるかどうかが重要でどのくらい超えしているものを利用することとした。トランスクリプ

たかが関係ない場合は“閾値以上の温度に曝された時

トーム解析用のイネを栽培していたつくばの農業生物

間の積算”と言いかえることができ、閾値を大きく超資源研究所実験圃場から3kmほどの距離に気象庁の地

えた場合は大きな効果があると考える場合は“閾値以

上気象観測地点があり、1分ごとの気温、相対湿度、

上の温度の過去一定期間における積分”となる。この気圧、風向・風速、全天日射量、降水量などのデータような考え方は生態学におけるフェノロジーのモデが利用可能となっている。

リングや植生予測、農業における収穫タイミングの予

500枚近いマイクロアレイデータと20万分以上の気測などに広く用いられている15,16)。AhgFLCの発現は象データが手元に集まった。次はそれらを、どのよう低温の影響を受けると予想されるので、過去一定期に解析すれば変動する野外環境とトランスクリプトー間において閾値以下の温度に曝された時間の積算がムの間の関係を明らかにできるか、というのが問題に発現量を説明すると仮定したモデルによる解析が行なる。解析の切り口は幾通りもありうる。それらの中われた。その結果、AhgFLCの発現の変動を最もよくから最終的に得たい情報にあわせた手法を選ぶことが説明したのは、過去42日間の10.5℃以下の温度の積算肝要である。いくつかの解析手法を検討した結果、統であった。驚くべきことにこの温度の情報のみで、2計モデリングと呼ばれるアプローチを採用した（図年間の発現変動のうち 8 3 ％が説明された。さらに、3）。統計モデリングでは最終的に解釈したい切り口

このモデルはグロースチャンバーを用いて人工的に気を仮定として与えて解析できるため、結果を生物学者

温をコントロールした場合の応答も高い精度で予測が解釈しやすいというメリットがある。統計モデリン

することが出来た。これらの結果から、積算温度をグにおいては説明される側のデータ（例えば遺伝子発用いたモデルは、遺伝子発現変動のモデリングにおい現量）と説明する側のデータ（気温やサンプリング時ても役立つことが分かる。

刻など）の間の関係を数式で表す必要がある。例えば、概日時計に由来するサンプリング時刻に依存した

3. イネを用いたフィールド・トランスクリプト

発現変動は正弦関数を用いた。また、気温などの環境

ミクス

要因からの影響は、前節で説明したような積算温度の話をトランスクリプトームに戻し、著者が関わっモデルを拡張して用いた。積算“温度”のみではなく、たプロジェクトを紹介する17)。2008年から、イネの圃

相対湿度、気圧、風速、全天日射量、降水量も含めた場でのトランスクリプトーム解析を通じて、複雑に131

光合成研究 23 (3) 2013

図4 9セットの2時間おき48時間サンプルにおけるイネOsGI遺伝子の発現量。マイクロアレイによる実測値（灰色の円）とモデルから期待される予測量（黒線）。

図5
良く似た日周の発現変動を示すが個体間の確率的な“ゆらぎ”の大きさが異なる遺伝子の例。（A）ゆらぎの大きい遺伝子、（B）ゆらぎの小さい遺伝子。

分かった。また、環境応答の中では温度の影響が特
6 通りの気象データから、最もよく発現を説明するに大きいこと（環境応答を示す遺伝子の約8割が温度データを各遺伝子について選ぶこととした。さらに、に対して応答）や、一日のうち特定の時間帯のみ環境

一日のうち特定の時間帯のみ環境応答を示す現象

応答を示す現象（ゲート効果）が多くの遺伝子で見（ゲート効果）を表現できるようにした。モデルの詳られること（環境応答を示す遺伝子の約3割）を明ら

細や計算上の工夫などは省くが、遺伝子ごとに最大17かにした。さらに、概日時計や環境応答などの決定

パラメータを最適化する計算を行った。大型計算機を論的な変動では説明できない個体間の確率的な“ゆら用いた2カ月の計算の結果、葉での遺伝子発現を発現ぎ”の大きさが遺伝子ごとに異なっており（図5）、リが見られた遺伝子のうち96.7%について予測可能なモボソームやヒストンなど基本的な細胞機能に関わる

デル・パラメータを得ることができた。このことは、遺伝子では小さく、病害応答などの外的な刺激に関パラメータの最適化に用いたのとは別の年（2009年、わる遺伝子では大きいことを発見した。また、得ら

2010年）の野外サンプルのデータや、実験室で温度条れたモデルを用いて、任意の環境下でのトランスクリ

件・光条件を変えて栽培した際のデータ1 4 9サンプル

プトームを予測することも可能である。仮に、つく分を用いて検証済みである。なお、個々の遺伝子のモばの気温に対して平均気温が5℃上昇した場合、どのデリング結果はデータベース（FiT-DB : http://fitdb.dna.

ような遺伝子の発現に影響が出るかをシミュレー

affrc.go.jp/）として公開している。

ションした。その結果、light harvesting complexの遺例としてOsGI遺伝子の結果を示した（図4）。OsGI

伝子やセルロース合成酵素の遺伝子に特に大きな影響

はシロイヌナズナのGI遺伝子のオーソログであり、概が出るという予測が得られた。もちろん、予測の精日時計に関わる遺伝子であることが変異体の解析か度に関しては今後慎重な検討が必要である。

ら示されている 5) 。そのことから予想される通り、明瞭な日周期の変動がみられた。加えて、日によって大4. 30年後への展望、「予測」・「設計」・「制きく振幅が異なっていることもわかった。モデリング

御」へむけての結果、OsGIの発現変動は、過去約6時間の14.8℃以30年度の光合成研究、あるいは生物学研究を正確に

上の気温の積算で、かつ21時すぎから5時前の間のみ予測することは、言うまでもなく極めて困難だろう。

気温に感受性と考えた場合最もよく説明できた。すしかしながら、このような方向に進んでいきたい、となわち、振幅の違いは夜間の気温の違いによって説明いう展望を述べることはできる。僭越ながら、特にでき、夜間の気温が高いほど振幅が大きくなるといフィールド・トランスクリプトミクスの立場から、30うことが明らかになった。さらにトランスクリプ

年後に向けた展望を述べさせていただきたい。キートームワイドな結果の解析から、例えば、野外環境

ワードは、「予測」・「設計」・「制御」である。

下でのトランスクリプトームの変動には、概日時計

前節で紹介した研究によって、野外環境下におけるの影響が最も大きく、次に温度・光などへの環境応答

トランスクリプトームの予測はある程度は可能になっが大きく、植物の日齢はそれほど影響しないことがた。となれば、次は遺伝子発現をもとに形質の予測を

132

光合成研究23 (3) 2013

行いたいと考えるのが自然だろう。ほとんどの場合、が可能になるということを意味する。しかしながら、最終的に興味があるのは遺伝子発現そのものではな

このアプローチを正攻法で実現するためには、「系統く、その帰結として生じる形質だからだ。遺伝子発現数（ 1 0 0 程度）」 × 「モデリングに必要なサンプル数

から何らかの形質を予測する場合、2つのアプローチ（500程度）」=50000サンプルという膨大なトランスがありうる。ひとつ目はあらかじめその形質を制御す

クリプトームデータが必要なことが問題となる。そこる遺伝子を特定しておき、それらの発現の予測から形で、実験側・解析側の両面からの対策を進めている。

質の予測を行うアプローチ。この場合、対象とする形

実験側では、低コスト・ハイスループットなRNA-Seq

質の背後にある分子機構の詳細な理解が重要になる。

用ライブラリ調整システムを確立している。解析側でこのようなアプローチが可能な形質の一つに花成があは、いくつかの工夫により必要なサンプル数、R N A -る。実験室で低温処理を施したハクサンハタザオにおS e qのリード数を大幅に減らすことが出来る見込みでけるFLC、FTオーソログの発現量データを元にモデルある。QTL解析では利用可能なのは両親間の多型のみ化し、北海道（札幌）と滋賀（大津）の圃場での発現であるが、将来的にはGWASやゲノミックセレクショ

量、抽台、リバージョンを予測した研究が最近発表さンといった手法と組み合わせて行くことでより広い範れた18)。ポイントはFTオーソログの発現量から抽台、囲の設計が可能となるだろう。さらには、TA L E Nや

リバージョンのタイミングを上手く説明できる点だ。

CRISPR/Casなどを活用したより柔軟な設計も考えられ

このため、気温と日長からFLC、FTオーソログの発現る20)。

を予測し、それらをもとにさらに抽台、リバージョン

さらに先の目標としては、システムとしての制御がのタイミングを予測することが可能となった。もうひある。システムを制御するために必要なことは、シス

とつは形質のデータとトランスクリプトーム（の予測

テムの状態のモニタリングとそれに入力を加える手法

値）を解析することで、形質と強い相関を示す遺伝子である。また、前提として、システムの時間変化と入の発現（あるいは複数遺伝子の発現を組み合わせた指力による応答を表現するモデルが必要となる。実験標）を見つけ出すアプローチである。手法としては癌室レベルであれば、薬剤誘導性プロモーターを用いのバイオマーカーの探索に近い。植物における近い研た形質転換体などを用いることで、任意のタイミング

究としてトウモロコシの窒素栄養状態を示す発現マーで特定の遺伝子の発現を変化させるという入力が加カーをトランスクリプトームデータから得た研究があえられる21)。現状、特に日本国内では野外でその様なる19)。低窒素条件、高窒素条件、それぞれ30枚のマイ実験を行うことは難しい。ましてや、実際の農業現場

クロアレイデータをもとに、84遺伝子の発現量から計で使える技術になるまではいくつものハードルがある算される指標を作成した。この指標は様々な発生ス

ことだろう。しかしながら、海外で研究レベルではテージのサンプルを用いても頑健に窒素条件を反映し薬剤誘導性プロモーターを導入した形質転換植物をただけでなく、窒素欠乏状態からの窒素施肥にも鋭敏

野外で栽培し、生態学的研究を行おうというプロに応答し数時間オーダーでの変化も反映していた。

ジェクトも行われつつある22)。また、特定のタンパク予測が可能になると、次の目標としてそれをもとに質間相互作用やタンパク質-DNA相互作用を阻害する

した遺伝学的な設計が考えられる。これまでの我々の化学物質をスクリーニング、あるいはデザインするこ

研究はイネの標準系統である日本晴のみを用いて得らとによって取得する技術が大きく発展すれば、組換えれた結果であり、各遺伝子の各パラメータを支配する体を用いることなく入力を加えることが可能になる

遺伝的基盤は未知であった。そこで次のステップとしかもしれない。

て、QTL解析用の集団を用いた同様の解析が進行中で以上で述べた「予測」・「設計」・「制御」はシスある。これによって、各遺伝子の各パラメータを量的

テムのモデリングを軸に互いに深くかかわっており、形質としてゲノムにマッピングすることが可能にな

それぞれが有機的に影響を及ぼしながら発達していくる。さらに、その結果を逆に用いることで、任意の遺べきものだ。同時に、個々の生物学的現象の背後にあ伝子型の個体の任意の環境条件におけるトランスクリ

る分子機構の理解も、より良い「予測」・「設計」・

プトームをシミュレーションできる。これは、野外で「制御」に不可欠である。詳細な分子機構を明らかに望んだ遺伝子発現パターンを示す系統を設計することする研究の重要性は、今後も下がることはない。今後133

光合成研究 23 (3) 2013

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Received October 9, 2013, Accepted November 26, 2013,
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Baldwin, I. and Meldau, S. (2013) "Real time" genetic
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Field Transcriptomics and a Future Perspective
Atsushi J. Nagano*Center for Ecological Research, Kyoto University / JST PRESTO

135

光合成研究 23 (3) 2013

解説
人工光合成への期待‡
立命館大学 大学院生命科学研究科
民秋 均*
天然の光合成では、二酸化炭素と水と可視光を利用して、高エネルギー化合物（糖類など）を合成している。このような過程を模倣して、二酸化炭素と水を原料とした光化学反応によって、人工的に高エネルギー化合物（水
素や炭化水素類）を合成しようとするのが、人工光合成である。エネルギーや食糧問題だけでなく、環境問題の切り札として、人類がどうしても達成しなければならない技術であり、様々な分野の研究者が連携して一日でも早い「人工光合成」の達成が望まれている。

1. はじめに光合成は光エネルギーの変換システムであり、天然では化学エネルギーへの変換が光合成生物によって行われている。天然における光エネルギーの供給源は、太陽からの地球に降り注ぐ光であり、地表や水中に届
く太陽光が利用されている（後の7で詳述）。地球自図1 光合成の反応式（左）と単糖の一つであるβ-Ｄ-グルコースの構造式（右）身の活動に伴う熱源近辺での輻射光を利用することも結合に含まれる化学エネルギーは、糖類を構成する炭

天然では可能であるが、ごく希である（海底の熱水鉱

素と炭素原子／炭素と酸素原子／炭素と水素原子なら床など）。光がエネルギーであることは、通常の生活

びに酸素と水素原子の間の単結合（図1右）に含まれでも感じ取ることができる（例えば、日焼けや赤外線る化学エネルギーよりも小さく、糖類の構成原子間にストーブなど）。一方、食事を摂ることで生命活動を化学エネルギーが貯えられることになる。

維持していることや石油を燃やして暖が取れることか

光エネルギーのエネルギー変換システムには、化学

ら、化学エネルギーの存在も判ってもらえると思う。

エネルギーへの変換だけではなく、他のエネルギー分子の中の原子と原子の間の結合に化学エネルギーが形態への変換システムもある。例えば、電気エネル

貯えられており、分子変換（分子を形成している原子

ギーへの変換系である太陽電池や、熱エネルギーへと原子の組み換え）を通して、取り込まれたり／放出の変換系である太陽光温水器などがあげられる。こされたりすることが可能である。このような化学変換

こでは太陽光の化学エネルギー変換系に注目して、人（反応）では、構成原子に変化はなく、結合の仕方が工的な変換系である「人工光合成」について述べる

変化するだけであり、原子自身が変化する核反応とはことにする。

区別される（原子力エネルギー）。
光合成では、低エネルギー化合物である二酸化炭素

2. 人工光合成へ（CO2, O=C=O）に、水（H2O）などを利用しつつ光エ

光合成生物を改変していくことは古くから行われてネルギー注入することで、貯蔵可能な高エネルギー化

おり（品種改良）、食糧増産や嗜好適応を通して人類合物である炭水化物（糖類）が合成される（図 1の発展に寄与している。最近では、遺伝子改変による左）。水を利用すると、その構成酸素原子が酸素分子

品種改良が行われるようにもなっている。また、光（O2）に変換され、酸素ガス発生を伴うことになる。

合成研究の発展に伴い、人工的に光合成を模倣しよ二酸化炭素を構成している炭素と酸素原子の間の二重‡解説特集「30年後の光合成研究」* 連絡先 E-mail: tamiaki@fc.ritsumei.ac.jp136光合成研究23 (3) 2013

うとする人工光合成研究が活発になってきている。特る。大気中の二酸化炭素を利用しているので、炭素排に、何度か繰り返されてきたエネルギー危機（原油の出量はオフセットされ、太陽光が潤沢で未利用地が広価格高騰や供給不足）のたびに、エネルギー問題解

大な地域（海洋を含む）から、消費地（もしくはその決の切り札として脚光を浴びているが、危機の回避に

近接発電所）までの高エネルギー化合物の運搬も容易

伴って毎度下火になっている。20世紀末からは、環境である。石油や石炭や天然ガスの主成分は、炭化水素問題（大気中の二酸化炭素濃度の上昇など）の解決

類やその酸化物（アルコール類など）であり、そのよのためにも、有機物（特に石油や天然ガスに代表さうな高エネルギー化合物を、低エネルギー化合物であれる炭化水素類）の燃焼（火力発電）を避けようとする二酸化炭素から直接合成するのは、やはりかなり面

る気運が高まっているし、さらに原子力発電は廃棄倒である。そこで、ワンクッションをおいて二酸化炭物処理や事故が起こった場合のリスクも考えて、なる素を化学的に変換するのが望ましい。そのポイントにべく避けたいという方向に地球規模で向かいつつあなるのが、「水素」である。二酸化炭素分子に水素をる。原子力発電所が全て停止している現在の日本で作用させることで、炭化水素やアルコール類を合成す

は、節電と火力発電のフル稼働で何とか電力をまかるのが、人工光合成の切り札になる。この際の水素なっているが、以前にもましての二酸化炭素の大気中

は、水素分子でもいいし、水素原子を与えることがでへの放出との引き替えで成り立っていることを忘れてきる化合物でもいい（天然ではNADPHがよく使われはならない（地球環境への負荷の増大）。

る）。しかも、この水素（H）は、水（H 2 O）から作

光合成生物は、自身の生命活動を行うために光合成りたい。現在、水素ガス製造のほとんどが、安価なメを行っており、貯蔵される化学エネルギーはさほど多タンを原料としているが、それでは光合成にならない

くなく、太陽光から人類が利用可能な化学エネルギー（図2）。メタンから水素を合成し、二酸化炭素と水への変換効率はあまり高くない（せいぜい数％程

素からメタンを光合成しても、意味がないからであ度）。人工的に光合成システムを構築して、光エネル

る。水からの水素ガス発生について、以下で述べる。

ギーを化学エネルギーに変換できれば、変換効率の増大が期待できる。以前は、夢のエネルギー変換系としてもてはやされたが、今や実現しなければならないシ
ステムになっており、エネルギーや環境問題の解決ばかりでなく、食糧問題や紛争問題の解決ももたらすこ

図2 メタン改質による水素ガス合成（右へ）と二酸化炭素と水素によるメタン合成（人工光合成：左へ）ととなるであろう。「人工光合成が地球を救う！」である。しかし、効率ばかりでなく、乗り越えるべき問
題（コスト／安全性／耐久性など）をまだまだ多数抱

4. 水の光分解による水素発生

えており、多くの研究者がそれぞれの立場で連携し水の電気分解は、中学校（あるいは高校）の教科書て、一日でも早く実現を見なければならない。

でも出てくるのでよく御存知だと思う。電解水溶液に電気を流すと、陽極から酸素／陰極から水素ガス発生

3. 二酸化炭素の利用へするというものである。しかし、水の光分解となる

天然の光合成では、二酸化炭素から糖類が作られると、ちょっと世間での認知度が落ちる。本多−藤嶋効が、糖が人間も含めた生物にとって取り扱いやすい

果という日本が世界に誇れる大発見なのですけど 1 ) 。

（その代謝系を既に確立している）ためである。二酸

水の電気分解で用いた陽極に二酸化チタン（半導体）化炭素から人工的に糖類を合成するのは結構面倒であ電極を用い、その二酸化チタンに紫外線の光を照射す

り、糖を最終的な高エネルギー化合物として生産（つると、電気分解と同じように二酸化チタン表面から酸まり食糧生産）するのは、天然の光合成生物に任せる

素／対極から水素ガス発生する。ご興味のある方は、のに限る。過去の光合成生産物を起源として、長い年

光触媒に関する実験キットが市販されているし、川崎

月を掛けて地球内部で作られてきた石油や石炭や天然市のかながわサイエンスパークにある光触媒ミュージ

ガス（最近ではシェールオイルも）が短時間で手に入アムに行けば、水の光分解を実際に試すこともできれれば、現在のインフラを利用できるので好都合であ137

光合成研究 23 (3) 2013

図3 水による酸化反応とそれに伴う水素ガス発生る。一段階で水の光分解を行うためには大きなエネル
ギーが必要なために、この反応は紫外光でしか進行しない。天然の光合成では、Zスキームという二段階の光励起で進行させているので、可視光でも水から酸素
分子と水素（化合物）を作ることができる。そこで現在、可視光で駆動する水分解に伴う水素発生用の光触媒の開発が精力的に行われている2)。また、光化学系II

図4 二酸化炭素の水素化の酸素発生型マンガンクラスターを模倣した水の分解系の開発も急がれているが、まだうまくいっていな

ルの炭素酸素単結合に水素分子が挿入されて、最終的い。酸素ガスが同時発生することを嫌って、水によるにメタン（CH4）と水が出来ることになる。つまり、酸化反応との組み合わせによる水素発生系も検討され二酸化炭素 1 分子に水素を 1 ／ 2 ／ 3 ／ 4 分子付加するている（図3）。炭化水素を用いれば、アルコールやと、ギ酸／ホルムアルデヒド／メタノール／メタンがエポキシドなどの有用な酸化生成物が副成するので、生成することになる（図4下）。この反応は、自発的利用価値が高い。但し、有用物質の副生成物としてのに進行するのではなく、触媒が必要である（天然で水素発生とも言えるので、今のところ大量の水素ガス

は酵素がその役割を果たしている）。効率が良く／安

合成にはあまり向いていない。図3のＸとして未利用

価で／耐久性のある触媒探索が急務となっている。

物質の酸化受容体（犠牲剤）を用いた系の開発が期待

また、二酸化炭素の濃度が高いほうが反応は進行しされている。

やすい。鉄鉱所や火力発電所などから排出される高水素分子は高エネルギー化合物であり、酸素と化合

濃度の二酸化炭素を含むガスや水溶液などが有望視

すると水になり、その際にエネルギーを放出する。

されている。あわせて、大気中の低濃度の二酸化炭素

燃焼によって熱エネルギーになるし（例えば水素自動と平衡にある水溶液を利用している天然光合成系を見車）、電気エネルギーとして取り出すことも可能であ習うことが、今後重要になってくるであろう。なるべる（燃料電池）。

くエネルギーを投入せずに二酸化炭素を濃縮する技
術開発も期待されている（例えば二酸化炭素に対する

5. 二酸化炭素のメタンへの還元

選択分離吸着能の高い多孔性物質など）。

二酸化炭素を水素化していくと、図4上のスキーム生成したメタンガスは、二量化によってエタンガス

に従ってメタンにまで還元される。二酸化炭素の一にしたり、さらにそのエタンガスをエチレンガスに方の炭素酸素二重結合（カルボニル基）に水素分子1

改変（脱水素化）したりすることも可能であり（図分子を付加すると、ギ酸（HCOOH）となる。ギ酸の5）、エネルギー源ばかりでなく、各種素材の原料にカルボニル基にさらに水素分子が付加すると、ホルもなっていく。

ムアルデヒド一水和物（CH 2 (OH) 2 ，メタンジオール
やメチレングリコールともいう）になる。気相中では水和していた水分子が直ちに脱離して、ホルムアルデ
ヒド（HCHO）が生成する。ホルムアルデヒドは水素
図5 メタン（C1）からエタン・エチレン（C2）へ分子によって還元（カルボニル基への水素付加）されて、メタノール（CH3OH）となり、生成したメタノー

138

光合成研究

6. 二酸化炭素の一酸化炭素への還元

23 (3) 2013

与する。」であり、第二法則が、「光の吸収は、光

上記のような水を発生源とした水素による二酸化

量子単位で起こる。」である。第一法則は当たり前

炭素のメタンへの還元ばかりでなく、一酸化炭素合のことであるが、学会でも時々これを無視した光化成も検討されている。二酸化炭素のカルボニル基に水学反応が報告されることがある。照射光に含まれる素が付加すると、上述のとおりギ酸が発生するが、赤外線光による溶媒の加熱に伴う熱反応が、その反二酸化炭素の一方の酸素原子に形式的に水素が添加

応の主原因であるような場合である（特に光化学反すると、一酸化炭素（C O）と水が生成することにな

応の効率が低いときに、加熱効果が顕在化する）。

る（図6上）。ギ酸を一酸化炭素と水に分解したと考可視部に吸収のある色素分子を用いていても、分子のえてもよい（図6下）。二酸化炭素への水素添加では励起状態からの電子や励起エネルギー移動や化学反なく、二電子注入（還元）と二プロトン（水素イオ

応が、注目している反応の主原因でないこともある。

ン）付加によって、一酸化炭素を合成しようとする試

例えば、励起分子が基底状態に熱放出で失活して、そみも行われている。二光子（できれば可視領域の光）の際に発生した熱によって反応が進行している場合がによる二電子還元に伴う二酸化炭素から一酸化炭素あるからである。

への変換が、既に金属錯体を利用して成功している

太陽からの光エネルギーは黒体輻射に基づいている3)。今後の発展が期待されている分野である。

ので、そのスペクトルがエネルギー単位を縦軸にしている物理量で表されることが多いし、教科書にも地球外と地表面での太陽スペクトルがそのように示されていることが一般的である（図 8 上）。しかし、光化学反応第二法則にあるように、光子数が反応には重要であるので、光化学反応を基盤としている光合成を研究する上では、縦軸を光子数で示すことが重要である（図8下）4)。光子数を縦軸にした地表面での太陽スペクトルでは、680nm付近を極大としたものになり、450

図6 二酸化炭素の一酸化炭素への還元

生成した一酸化炭素は、水素と反応することで種々の炭化水素に変換できる（フィッシャー・トロプ
シュ反応、図7）。石油代替品（人造石油や合成石油ともいう）の合成法として既に工業的にも行われており、原油等の価格次第では、いつでも大量生産できる状態にある。

図7 フィッシャー・トロプシュ反応

7. 太陽光の効率的な吸収光合成は、光の吸収によって開始される光化学反応であるので、太陽光の吸収は重要である。光化学
反応には、絶対的な法則が二つある。第一法則が、

図8 太陽スペクトル：縦軸がエネルギー単位（上）と光子数単位（下）「入射した光のうち、吸収された光だけが反応に関139

光合成研究 23 (3) 2013
率的に光吸収することができる光合成細菌がお目見え

から900nmまでの領域で光子の数が多いことが判る。

する日が近いかもしれない。

680nmはクロロフィルaの長波長領域における強い吸収帯であるQy帯の吸収極大とほぼ一致しており、光合成

8. おわりに生物がクロロフィルaを利用している理由の一端とも考えられる。一方、クロロフィルの短波長領域における「人工光合成」は数年後に実現できるわけでな

強い吸収帯であるソーレー帯は、通常450nmよりも短く、30年後には実現していなくてはならないシステム

波長側にあるので 5 ) 、このソーレー帯での光吸収に伴である。異分野の研究者もどんどん参加して、なるべ

う光化学反応は、あまり有効でないことが判る。従来

く早く目処をつけなければならない。微力ながら、のエネルギー量を単位にした太陽スペクトルでは、短そのお手伝いをしたいと考えている（http://artificial-

波長の光ほどエネルギー量が大きいために過剰評価さ

photosynthesis.net/参照）。その恩恵を私は受けることれていたきらいがある。光合成研究では、光子数を縦がなさそうであるが、子孫のためにも負の遺産では軸にした太陽スペクトルを用いることを薦めたい（特なく、明るい未来を提供することが、私たちの年代に教科書で）。

の研究者の義務である。 3 0 年後も研究を続けている

光子数を縦軸にした地表面での太陽スペクトルを眺

若い方々の参入を切に願っている。

めていると、光合成生物の光吸収戦略がよく見えてくる。バクテリオクロロフィル a を構成色素としている

Received November 7, 2013, Accepted November 26, 2013,

紅色細菌では、900nm領域までの光を利用していていPublished December 31, 2013

るが、その波長までは光子数がかなり多いので、そのような紅色細菌が生育するのに有利である。大気中の参考文献

水の吸収によって950nmと1100nm近辺の光がほとんど

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Nakagawa, Y., Funada, Y., Koike, K., Yamamoto, Y.,
Shishido, S., Kojima, T., Saeki, T., Ozeki, T. and
Ishitani, O. (2013) Ring-shaped Re(I) multinuclear
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ロフィル. 化学 68(3), 48–53.
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and Tamiaki, H. (2012) A seventh bacterial chlorophyll
driving a large light-harvesting antenna. Sci. Rep. 2,
671; DOI:10.1038/srep00671.

届かないが、その間隙の1000nm付近の光（光子数は最大値の高々3割減）を、バクテリオクロロフィルbを構成色素としている紅色細菌が効率的に吸収することができ、やはり生育にとって有利に働く。1 2 0 0 n mや
1 6 0 0 n m付近にも未利用な光が結構あるので、これを利用した人工光合成（あるいは光合成生物の変異体）の開発が待たれている。
450nm以上の波長領域の光は、通常カロテノイドやビリン類（フィコビリソーム）が吸収できるので、そのような化合物が効率的は光吸収色素となる。一方、
クロロフィルの中にも、450nm以上の光を効率よく吸収できるものがある。その一つが、バクテリオクロロ
フィル e を構成色素としている緑色細菌である。この色素分子はJ型の自己会合体を形成して、500nm付近に大きな吸収帯を有しており、太陽からの光を効率よく吸収することが可能である。最近そのような緑色細菌の遺伝子改変が可能になっており6,7)、太陽光をより効

Artificial Photosynthesis and Movement toward Its Realization
Hitoshi Tamiaki*
Graduate School of Life Sciences, Ritsumeikan University140

光合成研究23 (3) 2013

解説
光合成生物の生き様の理解とそれに基づく合目的的な改変・制御の展望‡
東京大学 大学院総合文化研究科／JST さきがけ
成川 礼*
光合成生物にとって、光はエネルギー源であるが故に、最重要な情報ともいえ、光合成生物は高度な光応答シス
テムを備えている。光応答システムは、光感知、シグナル伝達、細胞・個体レベルの光応答で構成されており、その各段階を詳細に解析することで、光応答システムを理解することができる。本稿では、光合成生物の中でも、ゲノム情報や遺伝学的ツールが充実しているシアノバクテリアに着目し、その光応答システムを分子から細胞レベルまで簡単に概説し、基礎研究としての今後の展望、更には、理解したシステムを基にした応用研究の展望を記す。
光合成生物にとって光はエネルギーであり、それ故

1. はじめに光合成生物は地球上のほぼ全ての生命にエネルに最重要な情報といえ、変動する光環境下で効率良ギー源を供給しているという観点で、現在の生態系にく光合成するために、光合成生物は高度な光応答機

おいて最も重要な生物群の一つと捉えることができ構を備えている。光合成生物が光に応答する仕組みる。近年では、我々人間の生活で使用するエネル

は大きく二つに分けられると私は考えている。一つ

ギーに関しても、光合成を利用する試みがなされておは、光合成装置自身が応答するもので、ステート遷り、基礎的側面に加えて、応用的側面でもますますそ

移やキサントフィルサイクルなどがその代表例であの重要性が増している。また、光合成研究といってる。もう一つは、光合成装置とは別の光応答システム

も、光合成の素過程を原子・分子レベルで解明するが光を感知し、転写制御やタンパク質の活性制御を通研究から、細胞から個体・生態レベルのマクロな視じて光合成を制御するものである。この場合、わざ点で光合成を捉える研究まで非常に幅広い。さら

わざ光応答システムを別個に構築しなければならないに、光合成そのものを研究対象とするだけでなく、が、その分、精緻なシステムが構築可能であり、実際

光合成の制御、光合成生物の代謝や環境応答などのに、そのような光応答が多く同定されている。陸上植研究も光合成研究と捉えることができる。実際、私物では、フォトトロピンを介した葉緑体定位運動、自身も卒業研究からこれまで一貫して、光合成生物で屈光性制御、フィトクロムを介した避陰応答、芽生え

あ る シ アノバ ク テ リ ア を 材 料 に 研 究 を 行 って い る制御などがよく知られ、シアノバクテリアでは、走光が、“光合成”そのものではなく、シアノバクテリアの性制御、補色順化などが挙げられる 1 - 3 ) 。このような環境応答、特に光応答を研究対象としている。このよ

光応答システムのモデルを図1に示す。色素を結合しうに、非常に多岐に渡る研究領域に跨がっている“光た光受容体が光を感知すると、色素とその周辺のタ合成研究 ” の 3 0 年後を展望するのは非常に挑戦的なンパク質ドメインの構造が変化し、その後、ドメイン

テーマであるが、本稿では私がこれまで従事してきた

間・タンパク質間のシグナル伝達を経て、最終的に細シアノバクテリアの光応答システムについて、私も含胞レベルや個体レベルの光応答現象が発現される。

めた様々な研究グループによる研究を簡単に概説し、つまり、これら各段階を詳細に解析することで、光基礎研究としての今後の展望、更には、理解したシス

応答システムを分子レベルから細胞・個体レベルまで

テムを基にした応用研究の展望を記したい。

理解することができる。私はその中でも、最初の光受容体が光を感知する仕組みを分子レベルで詳細に

2. シアノバクテリアの光応答システム‡

解析してきた。

解説特集「30年後の光合成研究」* 連絡先 E-mail: narikawa@bio.c.u-tokyo.ac.jp141光合成研究 23 (3) 2013
タ ンパ ク 質 間 相 互
作用、セカンド
メッセンジャーなど を 介 して シグ ナ
ルが伝達され、最終的に、転写制御
や タ ンパ ク 質 の 活
性 制 御 を 介 して、

図1 光合成生物の光応答システムのモデル

光応答現象が発現
陸上植物にはフラビンを結合して青色光を感知するされる。具体的な光応答現象としては、特に、走光

クリプトクロムとフォトトロピンという光受容体と性、光合成アンテナ色素の補色順化、光依存的細胞凝開環テトラピロールを結合して赤色光と遠赤色光を感集などの現象について、その制御機構が詳細に解明さ知するフィトクロムという光受容体が存在する 2 , 3 ) 。

れてきている5,8,13,21-27)。中でも興味深いのは、走光性

陸上の光合成生物のほとんどがクロロフィル以外の補や光依存的細胞凝集の解析から、紫〜青色光がシアノ

助的色素をカロテノイド以外に持たない緑色植物であバクテリアにとって、逃避すべき光であると示唆されるため、均一な集団の中でクロロフィル同士が光を奪ていることである。陸上植物においても、葉緑体定位

い合っているといえる。その意味で、クロロフィルが運動の解析から、特に強い青色光は逃避すべき光と主に吸収する青色光と赤色光を感知するシステムを陸なっている。陸上植物ではフラビンを結合するLOVド

上植物が持っているのは、適応的であると捉えられ

メイン、シアノバクテリアでは、フラビンを結合するる。一方、シアノバクテリアには、フラビン結合型青

BLUFドメインとシアノバクテリオクロムのGAFドメイ

色光受容体とフィトクロムに加えて、シアノバクテリ
オクロムという光受容体群が存在する 1) 。その色素結合領域はフィトクロムと同様であるが、紫／緑色光、
青／緑色光、緑／赤色光、赤／緑色光など、多様な光質に応答する様々な光受容体が同定されている
4-9)。シアノバクテリアは水圏に存在することが多く、水圏では補助色素の組成が異なるヘテロな光合成生物の集団の中で光の奪い合いが起きていると推察される。そのため、シアノバクテリアはこのような多様な光質を感知しているのかもしれない。
近年の国内外の精力的な研究により、これらの多様な分光特性は結合する色素の違いや光変換機構の違いによって確立されていることが明らかとなりつつある4-8,10-18)。中でも、シアノバクテリオクロムの光受
容ドメインの立体構造が複数報告されたことで、分子レベルでの光応答機構解明により近づくことができた19,20)。現在は光受容ドメイン内部で、シグナル伝達がどのように進むかが解明されつつあるが、ドメイ
ン・タンパク質間のシグナル伝達の分子機構解明が今
図2 シアノバクテリアの光応答システムの概要
シアノバクテリアの光応答システムについて、模式的に示した。淡水や陸生のシアノバクテリアは多様な光質を感知して、走光性、細胞凝集、補色順化などを制御している。最近、多様な光質を感知するシアノバクテリオクロムの結晶構造が決定され、感知機構が分子レベルで解明されつつある。

後の課題である。そのためには、光受容タンパク質全長やタンパク質複合体での生物物理学的解析や立体構
造の決定が重要になるだろう。
ドメイン・タンパク質間では、リン酸の受け渡し、142

光合成研究23 (3) 2013

ンが青色光を感知する光受容体である。つまり、“青リプトーム解析と各種環境因子（メタデータ）とを色光”を感知する分子は進化的に全く異なるにも関わ統合し、光環境変動に応答して、へテロな光合成生物

らず、同様に青色光から逃避するシステムを構築して群の動態がどのように変動するかを解析することで、いるのである。これに関連して、興味深い知見があ

光応答システムを生態レベルで詳細に理解できると期る。酸素を発生する光化学系反応中心II複合体は強光待される。そして、メタゲノム解析などの結果の解釈

下で光阻害を受けるが、その光阻害は二段階で進行には、これまでに分子レベルの詳細研究により解明

し、最初の段階は紫外〜青色光で誘導される28)。これされた知見が役立つだろう。最終的には、試験管のは、酸素発生中心のマンガンが紫外〜青色光を吸収中で複数の光合成生物を培養し、光環境を変動させし、それにより酸素発生中心が壊れるからであると示ることで、野外での生物間相互作用を再構築する研唆されている。つまり、酸素発生型光合成は青色光に究へと着地するかもしれない。

よって損傷を受けやすく、そのために、これらの種に

3. 多様な真核藻類の光応答システム

おいて共通して青色光を避けるシステムが構築された

緑色植物とシアノバクテリアに関しては、モデル生と考えられる。

物を用いた精力的な解析から、光応答システムの詳細

これまでに記述してきたシアノバクテリアの光応答
6803，が明らかとなりつつある。酸素発生型光合成を行う

Thermosynechococcus vulcanus RKN，Nostoc punctiforme

多様な真核藻類（灰色植物、紅色植物、黄色植物、など、淡水や陸上に生息しているシアノバクテリアでクリプト植物など）に関しても、それぞれ独自の光応観察される現象である。近年のゲノム解析技術の急速答システムを保持していることが期待されるが、光受な進展により、シアノバクテリアに関しても40種以上

容体や光応答システムに関する知見は限定的である。

のゲノム配列が利用可能となっている。これらのシア

これらの生物において、分子から個体レベルまでよくノバクテリアから、光受容ドメインなどのシグナル伝

分かっている光応答システムは、黄色植物であるフシ達系のドメインを探索すると、興味深いことに、淡ナシミドロにおける、オーレオクロムによる青色光依

水・陸生のシアノバクテリアではそれらのドメインが存的な分枝形成くらいである34,35)。ゲノム配列が決定

豊富に存在するのに対し、海洋性シアノバクテリアでされている種が少なく、形質転換系が確立されているは非常に少ない傾向がある29,30)。海洋においては、環種も少ないことが、これらの生物における知見の蓄

境変動はあまり激しくなく、海の深度に沿ったニッチ

積を遅らせているといえる。シアノバクテリアの場の形成と光合成集光装置の多様化により、生育環境に合、淡水や陸生のシアノバクテリアが光応答系を発達適応していると考えられる31-33)。一方、淡水や陸上にさせ、海洋性シアノバクテリアは光応答系をあまり持おいては、多様な光受容体が変動する光環境を感知たない代わりに海の深度に沿ったニッチを形成していし、転写制御やタンパク質の活性制御を介して、そのると前項で述べた。これらの生物群においても、収光環境に順化していると考えられる。また、光環境そ斂進化で同様の傾向が観察される可能性がある。淡のものは大きく変動せずとも、光を奪い合う競合相手

水性の真核藻類について網羅的に光受容体や光応答の動態が変動しているのかもしれない。とにかく、結現象を探索することで、多様な光応答システムが見つ

果的に変動した光環境に応じて、淡水・陸生のシアノ

かるかもしれない。特に、緑色光集光システムを持つバクテリアは走光性、細胞凝集、集光装置の色素組成

紅色植物やクリプト植物から、多様な光質に応答すなどを制御していると考えられる。

るものが発見されると期待している。

現象は、主にSynechocystis

sp.

PCC

これまで、試験管の中で個々のモデル生物の光応答

4. 応用研究に向けて現象が詳細に解析されてきたが、実際の生育環境では、他の生物との相互作用の中で生育している。光合

これまでの解析で、シアノバクテリアの光応答シス

成生物が持つ本来の光応答システムを理解するには、テムが詳細に理解できたといえる。そこで、この理解

野外での生態学的な研究が必須であろう。また、単したシステムを応用利用できないか、検討している。

なる生態学的解析に留まらず、近年急速に発達したゲ

光は可逆的で時間・空間分解能が非常に高いツール

ノム解析技術を利用したメタゲノム・メタトランスク

であり、光質と強度という二つのパラメーターで細か

143

光合成研究 23 (3) 2013
く制御可能である。また、光受容体は二つの光質の間で光変換を示すものや、暗反転を示すものが多い
ため、多くの光受容体では光の効果は可逆的である。これらの利点から、光を用いて細胞を制御する
オプトジェネティクスや分子の局在を細胞レベルで可視化する分子イメージング技術が、フラビン結合タン
パク質、ロドプシン、GFP系蛍光タンパク質などを活用することで、近年、急速な発展を遂げている36-39)。
しかしながら、光合成生物を対象にしたオプトジェ
ネティクスや分子イメージングを行う場合、利用するタンパク質が吸収する光や発する蛍光が、光合成装置
が吸収する光や発する蛍光と被らない必要がある。
図3 今後の研究展望

その意味で、遠赤色光〜近赤外光はクロロフィルの吸収する赤色光より長波長であり、それらの光を吸収

クテリオクロムにおいては、最も長波長でも、赤色光するタンパク質は、非常に有用であると考えられる。

を吸収するタンパク質が知られているのみである。そまた、これらの長波長の光は、光合成生物だけでな

こで、結合色素の改変や色素近傍アミノ酸の変異導入

く、動物の個体レベルでのオプトジェネティクス・分により、吸収波長を長波長にシフトさせることができ子イメージングにも適した光である。これらの光は、れば、好ましい。現在、実際に赤色光と緑色光の間で細胞に豊富に存在するヘモグロビン、メラニン、水な可逆的光変換を行うシアノバクテリオクロムに対し、どによって、あまり吸収されたないため、組織の奥深

本来結合する色素よりも長波長を吸収する色素を結合くの細胞や分子まで浸透しやすい。しかしながら、させることで、両方の吸収型を50-60 nm ほど長波長に

上記のタンパク質群に関しては、650 nmより長波長のシフトさせることに成功している（Narikawa et al. in

光を吸収するタンパク質の開発は進んでいない。

preparation）。また、シアノバクテリオクロムは光受容

そのような状況の中で、長波長の光を吸収する色ドメインと酵素活性ドメインとの組み合わせが多様で

素・ビリベルジンを結合したバクテリオフィトクロム

あるため1)、キメラタンパク質を作製することで、新規という光受容体に注目が集まっている。バクテリオの組み合わせを創出しうる。このように、吸収する光

フィトクロムはビリベルジンを共有結合し、700 nm との波長や制御ターゲットを変えることで、目的に合っ

750 nm の間で可逆的に光変換する光受容体である40)。

た多様な光制御系を構築可能であると期待される。蛍このタンパク質を土台として、変異導入により、蛍光光プローブとしては、安定的に高い蛍光量子収率を実の量子収率が改善された蛍光プローブがこれまでに二現するために、変異導入による光変換を示さないタン

つの研究グループから報告されている4 1 - 4 3 ) 。これらはパク質の取得が求められる。最終的には、光スイッチ

ともに700 nm付近の光を吸収し、725 nm付近の蛍光をや蛍光プローブを植物細胞や動物細胞に導入すること出す。これらの蛍光特性は、光合成生物や動物の個体でその性能を評価し、実用可能なレベルまで開発したへの適用に適しているが、いくつかの改善すべき点がいと考えている。

残っている。1つ目は、色素を結合するタンパク質領域

5. おわりにが大きい点、二つ目はタンパク質が二量体以上の多量体を形成する点である。一方、シアノバクテリオクロ

私はこれまで、シアノバクテリアの光応答に着目

ムにおいては、色素の結合には25 kDa 程度のGAFドメ

し、分子から細胞レベルまでの基礎研究を行ってきインが必要十分であり 1 ) 、また、G A Fドメインの結晶た。今後は、真核藻類なども用いて生態レベルまで

構造解析等から、単量体で存在することも分かってい解析の枠を拡げ、また、基礎研究だけでなく応用研究

る 2 0 ) 。これらの特徴から、シアノバクテリオクロムはにもアプローチしていきたい（図3）。多岐に渡った

バクテリオフィトクロムで改善すべき点を既に克服し領域での展望を記載したので、全体の統一感があまていることが分かる。しかしながら、天然のシアノバ

りなく、発散した内容になってしまったが、読者の144

光合成研究方々の今後の研究展開への一助に少しでもなれば幸い

23 (3) 2013is required for the blue/green photoreversibility of
cyanobacteriochrome
Tlr0924
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光合成研究 23 (3) 2013

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146

光合成研究23 (3) 2013

解説
作物の光合成能力の改善は可能か？

これからの挑戦‡東北大学 大学院農学研究科 応用生物科学専攻
牧野 周*
人類の食糧の半分を占めるイネとコムギを題材に、人類は、どのような戦略でそれらの食糧増産を実現したのか、そして、その延長上にどのような戦略が考えられ、その方向性はどのようなものなのかを述べた。ポイントは、いかに窒素施肥をおさえて、高い光合成能を維持あるいは実現し、穀粒数を確保、稔実させるかである。前者（ソース）に関しては、様々な自然生態系に適応した種の多様性を理解し、有用な遺伝子資源を光合成の生理学から見出し、主要作物に導入するかであろう。後者（シンク）に関しては、すでに、現在展開されている穂の形成に関する分子遺伝学によって見出される有用遺伝子導入を積み重ね、どのようにシンク拡大を計るかであろう。そして、両者（ソース能向上とシンク拡大）を組み合わせることで、画期的な第2の緑の革命は可能となる。

1. はじめに施肥を可能として、多肥に依存した増収を成功させ

図1に、重量ベースで換算された人類の食糧の由来

た。多量の窒素施肥は、葉の窒素含量を増加させ、について示した 1) 。人類は84%までの食糧を植物に依

その窒素含量の増加によって光合成能力を増大にさせ存している。しかも、2種の作物、イネとコムギにそる効果があり、同時にシンク面では、穂数増加や籾の半分以上、全食糧に対しても44%を依存している。

数増加効果もあるため、イネやコムギの増産に直接家畜の飼料分も考慮すると、人類の食糧は、たった2結びつくものであった。しかし、窒素の多量施肥

種の植物におおよそ半分量を依存していることにな

は、肥料コストの増大のみならず、地下水の汚染や生る。この地球上には約3 0万から4 0万種の植物が存在

態系への影響など、多くの問題を生むことになっすることを考えれば、恐るべき数字である。

た。今後、緑の革命の成功を踏まえた上で、第2に緑

人類がこのイネとコムギを栽培化したのは、1万年の革命を起すとするならば、窒素施肥に依存しなくらい前と推定されているが、おおよそ50年前に、こい、作物改良がどこまで可能かという課題に尽きるの2種の作物が、大きく増産される口火となる画期的な品種改良が行われた。緑の革命と呼ばれた短稈育種である。亜熱帯の水生植物であるイネと寒冷地の畑作物であるコムギで、まったく同じ方向での革命的な育種がなされたのは興味深い。短稈育種は、コムギで先行して行われ、その業績によって、国際トウモロコ
シ・コムギ研究所に勤務していたノーマンボーロック（デュポンの植物育種研究者）が1970年にノーベル平和賞を受賞した。しかしながら、その栄光の陰で1935
年岩手農業試験場において稲塚権次郎氏が育種した半矮性コムギ農林10号が、ボーロックらのコムギの短稈化に使われたことは、ボーロックのノーベル賞受賞後まで、まったく知られていなかった。
短稈種は、耐倒伏性を持つことから、多量の窒素‡

図1 人類の食糧生産割合 (重量ベース)1)

解説特集「30年後の光合成研究」* 連絡先 E-mail: makino@biochem.tohoku.ac.jp147光合成研究 23 (3) 2013と言える。ここでは、イネを中心にその方向性につることがわかる。したがって、これを実現するためにいて議論したい。

は、同じ窒素を吸収してもさらに籾数が増やすようなイネを作出することが求められる。一部の多収イン

2. イネの生産性は吸収窒素量で決まる

ディカタイプのイネでは、窒素吸収量当たりの籾数が穀類作物の収量は、単位栽培土地面積あたりの穀粒多いものが選抜されてきていることも指摘されており数と一粒あたりの穀粒重と登熟（稔実）歩合の積で3) 、芦刈ら（2005）によって、籾数を決定する遺伝子決まる。イネの場合、一粒あたりの穀粒重（籾重）Gn1などが同定されている7)。インディカ由来のGn1形

は、栽培環境によらず遺伝的に固定されていて 2 ) 、登質がジャポニカタイプのコシヒカリの一穂粒数を40%

熟歩合も正常に生育する限り、70〜90%の範囲で落ち増加させたことも報告されており、これらの有用形質着くので、増収のターゲットは、いかに土地面積当の主要栽培品種への導入は、この問題をブレークス

たりの穀粒数（籾数）を増やすかと言う問題になる

ルーする可能性があることを示している。しかしなが

2 , 3 ) 。一方、コムギの場合は、生育環境条件の違いにら、これらの籾数増加が、必ず登熟歩合の低下する2

よって、穀粒重と穀粒数がともに影響を受け4,5)、さら次枝梗と3次枝梗の籾数の増加 3 ) である点が限界点とに両者の間には負の相関関係が存在する 4) ので、増収なるかも知れない。

のターゲットはイネより複雑となる。

3. 光合成能力と葉の窒素含量の関係

和田と松島（1 9 6 2）は、増収のターゲットを単位
栽培土地面積あたりの籾数に絞り、異なる産地にお

次に葉の窒素と光合成能力との関係に注目してみよ

ける異なる品種のデータを集め、イネの籾数がどのよう。葉の窒素含量と光合成速度とは間には高い正のうな要因によって決定されているかを調べた 6 ) 。その相関関係が認められる。この関係は、葉に分配され結果、籾数は、産地、品種、栽培年にかかわらず、出る窒素の約75%が葉緑体の構成窒素となることで説明

穂期までに吸収した窒素量で決まることを見出しされる8)。特にCO2を固定する酵素Rubiscoに葉身全窒た。このことは、増収を狙うには、単純に出穂期ま素量の約25%が、また、光を捕集するクロロフィルタ

でに、いかにイネを倒伏させないで、多くの窒素を吸ンパク質複合体に約20%が使われている 9) 。植物は、収させるか、が課題であることを意味した。まさCO 2と光を獲得する機能タンパク質のみで約50%ものに、短稈育種がその問題をクリアし、さらにそれぞ

窒素を使っているのである。したがって、ここでも、れの短稈品種に合わせた肥料施肥設計が、増収を実

大きなターゲットは、これらのタンパク質の機能向上現させる鍵となった。

を計るなど、いかに窒素含量当たりの光合成能力を現在の日本のおコメの平均玄米収
量は1000 m2 (10 a)当たり530 kgぐらいである。多収の目標値を仮に 9 0 0
k g と置き、玄米一粒重を平均値 2 2
m g、登熟歩合を8 0 %とすると、9 0 0
k gの玄米収量を実現するためには、単位土地面積m 2 あたり、5 11 0 0粒の籾数が必要と計算される。この51100
粒／m 2 を和田と松島のデータに基づき計算すると、出穂期までにイネに1000 m2あたり22 kgの窒素を吸収させる必要があることがわかる。現在の稲作では、基肥と追肥を合わせても10 kg以上の窒素の施肥をすることは稀なので、土壌由来の窒素供給を考慮しても、非常に困難な数値であ 図2 C3植物の光飽和条件での葉面積当たりの光合成速度と葉身窒素含量との関係10)148

光合成研究向上させることが可能かと言う問題となる。

23 (3) 2013

力の低下を伴うものであることを意味している。

オーストラリア国立大学のEvans (1989)は、C3型光以上のように、これらのことは、イネやコムギな合成を行う植物の窒素含量当たりの光合成速度にはどの主要作物の窒素含量当たりの光合成能力をさら大きな植物種間差が存在することを報告した（図2）に向上させることは非常に難しいとことも示唆してい10)。さらに、彼は、種に依存して、葉の窒素含量と光る。なお、C 4光合成を行うトウモロコシの葉の窒素合成速度との間に正の相関関係があること、そして、含量当たりの光合成速度はイネやコムギより2倍ほど

窒素含量当たりの光合成速度は、主要作物のイネや高い9)。しかし、C4光合成における光合成器官に対す

コムギにおいて最も高く、カルフォルニアや南アフリる窒素投資は C 3 光合成のそれと本質的に異なる 9 ) のカの半乾燥地帯に自生する低木で最も低く、その差で、ここでは触れない。あくまで、C 4植物の高い光は5倍以上に及ぶことを指摘している。人類、農耕1万

合成速度は、光と温度が十分確保されている時に発揮

年の歴史中で、イネとコムギに人類が食料としてもっされるものである。

とも多くを依存してきたことに、必然性を感じさせる

4. イネのシンク能拡大は光合成能力の向上につ報告でもあった。

ながるのか？

彦坂と重野（2009）は、東北大学のキャンパス構内に自生する草本、落葉樹、常緑樹群の葉の窒素含量

シンク能の拡大が葉の光合成を促進する要因の一と光合成速度の関係を調べ、やはり、窒素含量当たつであるとの見解をよく耳にする。しかしながら、りの光合成速度に大きな差があることを見出した11)。

いわゆるシンクとソースの相互関係を科学的に証明し葉の窒素含量当たりの光合成速度は草本で最も高たケースを私は見たことはない。少なからずとも、私

く、常緑樹で最も低かった。そして、細胞壁画分に分たちが行った大粒イネ（秋田 6 3 号）の解析の結果か配される窒素量と葉の窒素含量当たりの光合成速度

らは、シンク拡大による光合成促進の効果を見出すことの関係に負の相関関係が存在し、Rubisco量と葉のとはなかった。

窒素含量当たりの光合成速度には種に依存しないほ

図3は、私たちが数年間にわたって行ってきた圃場

ぼ同一の正の相関関係を認められることを報告し試験での多収解析の結果をまとめたものである12)。図た。彼らの結果は、草本に比べ葉の寿命が長い樹

3 Aに示すように、籾数は品種や栽培年の違いに関わ

木、とりわけ、常緑樹などでは、葉の細胞の骨格を担う細胞壁などに窒素のコストが余分にかかり、結果として光合成速度が低いと言う結果で
あ る こ と 示 唆 して い る 。 ま た 、E v a n sの結果は、例えばカルフォル
ニアや南アフリカの半乾燥地帯に自生する植物種では、それらの環境に適応するための窒素のコストがかかり光合成速度が低い、またストレスのない良好な農耕地で栽培されるイ
ネやコムギは、目いっぱいの窒素を光合成器官に投資できるので、結果的に高い光合成を発揮できる、したがって、特別に、彼らが優れた光合

図3 イネの籾数 (A)、バイオマス生産量 (B) および収量 (C)と収穫期の単位土地面積

成機能を有しているのではないこと 当たりの吸収窒素量12)を 示 唆 して い る 。 ま た 、 こ の こ と 00は2000年、01は2001年、09は2009年の記録。いずれも秋田農業試験場圃場において行った。収量は、玄米収量ではなく、国際規格である籾収量で表示している。右は、同時に、主要作物への不良環境 上図は、秋田63号、雪化粧およびあきたこまちの籾の写真。秋田63号は他の一般品
ストレスへの耐性付与は、光合成能 種に比べ35%ほど籾重が重い。

149

光合成研究 23 (3) 2013

らず、収穫期までに吸収した窒素量によって決まっている。上で述べた、和田と松島の報告通りの結果である。図3 Bは、地上部バイオマス量（乾物量）であるが、これも品種・栽培年に関わらず、吸収した窒素量で決まっている。ただし、籾数が直線相関であるのに対して、地上部バイオマス量は曲線相関となっている。後者の曲線相関は、高窒素条件による土地面
積当たりの光の利用制限が生じたためと思われる（葉面積拡大による相互遮蔽発生）。大粒である秋
田6 3号は、他の品種に比べ3 5 %ほど一粒重が重いので、結果として、20から30%増収となった（図3C）。
これらの結果から、増収によるシンク拡大は明確に

図4 イネとコムギの光飽和条件で測定された光合成速度の温度応答13)単位はクロロフィル含量あたりで表示。

認められているのにもかかわらず、地上部バイオマス
生産量には差を与えていないことがわかる。すなわ

を効率よく回収している様子が観察されている15)。コ

ち、イネで見る限りにおいては、必ずしもシンク拡大

ムギでは、そのような形態は観察されていない。このが地上部全体のバイオマス増産には繋がらず、シンク

ように、イネとコムギの比較においても、自然生態系の改良が本当に光合成機能向上の戦略になり得るもにおける種の起源としても特性を見出すことができのかどうか疑わしい。

る。そして、食糧増産のための作物の栽培地拡大は少蛇足ではあるが、この図3 Cにおいて、秋田6 3号のなくとも光合成の環境不適応を生じている。例えば、収量は同じ窒素を吸収しても収量が20から30%と増収となっている。この結果は、「2.

イネの栽培地の北上である。亜熱帯起源のイネは、品

イネの生産性は吸種改良により、今や北海道や中国東北地方でも主要作

収窒素量で決まる」で述べた、窒素と収量の関係を物となっている。しかしながら、イネの栽培北上化のブレークスルーした結果であることがわかる。ある

成功は、低温耐性付与育種16)や短日性の消失17)によっ

意味、第2に緑の革命の実現例でもある。

てもたらされており、光合成不適応は解消されていな
い。北海道や東北地方のイネの現在の収量限界要因

5. おわりには、春先から初夏にかけて十分なバイオマス生産がで

イネとコムギの事例をいくつか取り上げ、作物の光きないことにある。北国の春から初夏にかけて、もし合成機能改善の方向性を見出すことの困難さを述べてイネが、コムギなみに光合成をすることができれば、きた。図4にイネとコムギの光合成の温度応答を示し

更なる大きな増収も期待できる。このように、地球上た13)。同じC3型の光合成を行う両種であるが、光合成に存在する様々な光合成の遺伝子資源を有効利用し、速度が最高速となる至適温度は異なっている。夏作物

主要作物に積極的に導入することによって、光合成機であるイネは、冬作物であるコムギより至適温度は高能改善の方向性は充分あるものと考えられる。

い。また、R u b i s c oのキネティクスを見ても、イネのRubiscoは高温環境向きで、コムギは低温環境向きとReceived November 29, 2013, Accepted November 29,

解釈できる。イネのRubiscoはLow Km(CO2)／Low Vcmax

2013, Published December 31, 2013

型で、コムギのRubiscoはHigh Km(CO2)／High Vcmax型
である14)。高温に適応したイネは、高温で溶解度の低参考文献

いCO 2を有効利用するためにCO 2との親和性を高める

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はCO 2の親和性より、比活性向上に特化した進化をとげたとみられる。また、高温で促進される光呼吸ロスを抑えるため、イネにおいてはミトコンドリアを有効
的に葉緑体が覆う形態を取り、光呼吸による放出CO 2150

光合成研究

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Photosynthesis Improvement in Crops is Feasible?
Amane Makino*
Graduate School of Agricultural Science, Tohoku University151

光合成研究 23 (3) 2013

解説
フラスコの中から見る30年後の光合成研究‡
京都大学 大学院生命科学研究科
佐藤 文彦*
過去30年の急激な分子生物学の進展は、培養細胞を用いたモデル研究を過去の遺物に追いやった。しかし、培養
細胞系は、単離葉緑体（オルガネラ）や植物個体では実験できないような植物化学調節物質／除草剤のin vitroス
クリーニングや除草剤・環境ストレス耐性株の単離と解析を可能としてきた。また、個体レベルでは見落とされる現象、例えば、葉緑体の機能分化の制御に関わる因子（CND41）の同定も可能にしてきた。次の30年は、分子から生態系にいたる俯瞰的な視点での科学が必要である。培養細胞における機能分化制御機構の解明とともに、培養細胞を用いた解析が、両者のハブとして、生物学の深化と応用に貢献できると期待している。
では、3 0年前（1 9 8 3年）とはどういう年であろう

1. はじめに
田中歩会長から、2 0 1 3年の年会で3 0年後の光合成か？さらにさかのぼる6 0年前、すなわち、1 9 5 3年の研究について話をしてほしいという依頼があったの

WatsonとCrickによるDNAの二重らせん構造の発見かは、2月の初めのころである。そのころ、磯貝彰奈良らの分子生物学の大きな進展の結果、植物でも形質転先端科学大学院大学前学長（当時、学長）が総括を換体の作成が報告された年である 1 ) 。一方、植物細胞しておられるJSTのCREST研究「二酸化炭素資源化を培養研究においても、1957年SkoogとMiller によるオー目指した植物の物質生産力強化と生産物活用のため

キシンとサイトカイニンの量比による個体再生制御のの基盤技術の創出」の評価会で、少し嫌みな質問ば確立、メリクローンを利用したウイルスフリー苗の育

かりしていたので、そうした意見を学会講演会でも発成、プロトプラストの単離と融合によるトマトとポテ言してほしいのかと考えた。しかし、プログラムをみ

トの体細胞雑種「ポマト」の作成、有用物質高産生培

ると、かならずしも、そうではなく、もっと科学的

養細胞の育成など、細胞培養工学の大きな進展があな展望が期待されているように思われた。ということり、非常に熱気にあふれていた時代である。特に、で、講演会では、「フラスコの中から光合成研究の未1982年日本で国際植物細胞培養学会が開催され、我が来をみる」として、私が専門としている植物細胞培養

国における植物細胞培養・細胞分子生物学研究は一気／細胞分子生物学の立場から、光合成研究への貢献に加熱したといえる（細胞培養から遺伝子組換え作物の可能性について、紹介した。今回、再度、記事を執の開発の歴史については、Vasilの総説2)を参照）。

筆してほしいとの依頼があり、講演の内容とともに、植物細胞培養研究者の駆け出しとしては、分子生物

当初予定していた「光合成研究に対する危機感と期学の潮流を感じてはいたものの、その技術は、まだ、待」をもう少し率直に述べることにしたい。

ごく一部の研究者が使うことのできる先端技術であり、一般の研究への普及は遠いと感じていた。もちろ

2. 植物細胞培養・細胞分子生物学の30年

ん、我々の研究室でも、1980年代半ばから、分子生物

現在の植物科学、あるいは、生命科学研究では、分学を取り入れ、いくつかの遺伝子の単離を開始した

子生物学／遺伝子組換え技術を抜きにして研究を考えが、一つの遺伝子を単離して解析をするというのが大ることはできない。 3 0 年後を予測するにあたり、ま仕事であった。大山莞爾博士、ならびに杉浦昌弘博士

ず30年にわたる過去の研究の進展を振り返ってみるこ

らにより1986年、葉緑体ゲノムの解読が報告されたが、とにしたい。

それらはとてつもない大事業と感じられた3 , 4 ) 。一方、‡

解説特集「30年後の光合成研究」* 連絡先 E-mail: fsato@lif.kyoto-u.ac.jp152光合成研究23 (3) 2013

その後のゲノム解読技術の進展により、アラビドプシスな課題が与えられていた。それは、光独立栄養細胞系

ゲノムが2000年に解読5)され、さらに、その後、イネをにおいて、有用物質生産を行うという課題であった。

初めとする多数の植物種において大規模なゲノム解読が従って、通常の光合成研究では使わない特殊な薬用植進展し、様々なビッグサイエンスが展開されていること

物を用いて緑色培養細胞／光独立栄養培養細胞を作は、まさに時代の進展を感じるばかりである。

成し、その有用二次代謝物産生を検討した。しか当然、当時の科学研究の雰囲気は、ある意味、牧し、既に述べたように、これは明らかに二律背反を歌的、非常に単純であり、ドラエモンの歌のように期待するものであり、光独立栄養培養細胞における「こんなことができたらいいな」という楽観的発想

有用物質生産の試みは頓挫した。現在、微細藻類をに満ちあふれていた。例えば、先にあげた「ポマト」

用いたバイオ燃料生産の試みをみると、その多くはは、研究者の真の目的は別にあったにしても、一般的細胞生育と物質生産を追求するものであり、我々がには、地上部にはトマト、地下部にはジャガイモが収

過去に試みたように、できないことを追い求めてい穫できる夢の作物として語られていた。すなわち、科るように感じられる。すなわち、生育するために学の進歩によって、なんでもできるのではないかといは、余剰エネルギー蓄積／二次代謝にかけるエネル

う非常な楽観があり、現在の知識からして困難と思わ

ギーの余裕はなく、二次代謝を追求すると生育が低れる二律背反を平気で期待していたといえる。

下するという二律背反があると考える。
光合成だけで生育する緑色細胞確立の一つの要因

3. 培養細胞と光合成研究

は、生育の遅い細胞を選ぶことであった。すなわ

実際に私が研究を開始した1 9 7 0年代中頃では、分ち、糖存在下における生育を優先すると葉緑体形成

子生物学の適用範囲はさらに狭く、大腸菌などの一そのものが生育にとっては余分のコストとなり、葉緑部の微生物やウイルスでのみ研究可能であった。従っ体が未発達な状態、つまり、白色の培養細胞が選抜て、圃場レベルでの植物科学研究と生化学／分子生される。同様なことは、二次代謝産物産生において物学との狭間で、植物細胞培養は、最も解析的であも同様である。陸上化にともない、余分の光合成産り、かつ、実用化への展開が可能な材料と考えられ物を蓄積できる組織を形成するようになるとともた。当時の課題は、一般的な植物培養細胞は光合成に、二次代謝産物の合成と蓄積が可能となったといをしないということであり、如何にして、光合成をす

うのが、私の理解である。ある種の分化した組織、る培養細胞系を確立するかということにあった。培例えば、シュート形成したジギタリスが強心配糖体で養細胞は、ホルモン制御により器官再生ができるとあるジギトキシンを産生するが、このような組織分

はいえ、動物細胞のように分化した表現形質を持続化が二律背反を達成するために必要と思われる。

的に維持することは困難であり、容易に脱分化／再一方、光合成だけで生育する光独立栄養培養細胞の分化できるという特性ゆえに、光合成をする葉肉細光合成研究への利用であるが、いくつかの解析の結胞も、培養に伴い容易に光合成活性を失った。幸い果、光合成研究のモデル植物ほどではないが、それななことに、より緑化したタバコ培養細胞を入手し、りの光合成活性を持つことが明らかになり、多くの共実際にこの細胞が、糖存在下でも光合成をしているこ

同研究者の協力により、様々な植物生長調節物質の評とを確かめるとともに、さらに、糖無添加条件でも価や耐性株のスクリーニングに応用することが可能で光合成に不可欠なCO2濃度を富化することにより、光あった。特に、重松由夫博士の努力により光化学系II

独立栄養的に生育できることを実証したのが、その阻害剤であるアトラジン耐性株のスクリーニングに成後の研究の出発である 6) 。こうした研究の多くであり功するとともに、同株が通常の抵抗性雑草が示さないがちなことであるが、この研究は、ほぼ同時期に行DCMU耐性を示すとともに、葉緑体遺伝子psbAにおい

われていたHuesemann & Barzら(1977)のChenopodiumてSer264Thrという初めての葉緑体ゲノム変異を示すこの系 7 ) に次いで、 2 例目の安定した光独立栄養培養細とにも成功した8,9)。緑藻類を用いた葉緑体変異体の単胞系の成功例となり、現在まで維持されている。

離研究はよく行われているが、高等植物でも同様の選光合成だけで生育する培養細胞の作成において抜が可能であることを示す初めての成果となった（詳は、先にも述べたように、二律背反を期待する過酷

しくは、総説10)を参照）。

153

光合成研究 23 (3) 2013

4. 光独立栄養細胞と葉肉細胞との違い
このように、光独立栄養培養細胞は光合成研究のモデルとなりうるものではあったが、一方、葉肉細胞との明らかな違いもあった。すなわち、培養細胞は、遅いとはいえ、継続的に増殖する細胞であり、特に、活発に生育する時期には、 C 4 光合成の初発炭酸固定酵素であるphosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC) の高い活性が見られた。もちろん、P E P Cには解糖系におけるアナプレロティックな役割が知られていたが、14 CO 2 を用いた炭酸同化の解析から、C4有機酸への取り込みが認められた。そこで、さらなるC代謝への期待を持ち、多くの共同研究者、特に、小泉望博士が精力的に解析し、初めてのC3型PEPC遺伝子の単離、形質転換植物体の作製を行ったが、 C 3 植物におけるPEPCの役割の解明には最終的に至らなかった。
一方、培養細胞の遺伝子発現をタンパク質レベル
で、緑葉の葉肉細胞と直接比較すること（今でいうプ

図1 光mixotrophic（混合）培養細胞(A)ならびに、緑葉葉肉細胞(B)の模式図
C:葉緑体、N:核、V:液胞、文献12より許可をえて引用（竹田恵美博士原図）ロテオミックス）により、培養細胞特有の遺伝子発
現、すなわち、培養細胞は無菌で生育しているにもかかわらず、病害菌感染誘導タンパク質を著量蓄積していることが明らかになった11)。竹田恵美博士の一連のた、葉緑体の祖先と考えられる原核細胞では、ヒス研究により、培養細胞には、明らかに葉肉細胞とは異トンは存在しないもののHUなどのDNA結合タンパクなる遺伝子発現があり、かつ、その光合成的生育に質が存在し、その遺伝子発現の制御に関わっているは、通常の大気濃度を大きく上回るCO 2濃度が必要でことが明らかになりつつあった。我々も光独立栄養

あること形態的違いが明らかとなった。すなわち、通培養細胞を用いることにより、葉緑体核様体構成タ

常、細胞膜に張り付いている葉緑体が細胞膜から脱落

ンパク質の単離同定ができるのではないかと考えた。

し、核膜の近くに局在していることが、細胞質におけ中野雄司博士の努力により、培養細胞から、C N D 4 1

るCO2の拡散抵抗を大きくしていると考えられた（図1という新規な葉緑体D N A結合性タンパク質を単離・参照）12,13)。このことは、葉緑体の運動を制御するア

同定することができた。また、村上真也博士の努力

クチンフィラメントの不全とも考えられるが、一方、により、同タンパク質がプロテアーゼ活性を有するこ培養細胞では、細胞内で活発に呼吸が起こっていることが明らかになり16)、さらに、現在、加藤裕介博士のとを考えると、むしろ、原始的な真核細胞に捕らえら努力により、同タンパク質が老化時におけるRubisco

れた植物細胞の初期の状況を反映しているとも思われの分解と転流に関わっていること17,18)、また、中野博

る。培養細胞は、植物細胞の通常観察されない特性を士の努力によりC N D 4 1の発現抑制によりプロプラス

明らかにする良い実験系と考えられる。

チドから葉緑体への分化が進行するとともに、プロ
プラスチドにおけるジベレリン生合成の抑制と植物

5. 培養細胞と葉緑体遺伝子発現

生長の抑制が起こるという全く予想していなかった色光独立栄養細胞の解析から明らかになった、もう素体のバイオジェネシスと個体の生長制御における機一つ重要な成果は、葉緑体の遺伝子発現を制御する能が明らかになってきた19)。我々が最初にタバコで同タンパク質CND41の同定である14,15)。我々が、この研定したCND41に存在するN末端の塩基性配列は、タバ究を始めた当時、黒岩常祥博士のグループが精力的

コやトマトなど、ナス科の植物に限定されており、そに、葉緑体核様体タンパク質を観察しておられた。まのため、C N D 4 1の普遍的生理作用については、一部

154

光合成研究23 (3) 2013の研究者の興味を引くにとどまっているが、タバコ植した細胞から、自在に植物個体を再生し、その機能物体において明らかになった老化制御機能は、植物を強化できること、あるいは、植物体の特定の時期の生長制御のひとつの糸口になると期待している。

の特定の細胞の遺伝子発現を任意に制御できることなど、期待する夢はたくさんある。まだまだ、我々

6. 培養細胞から見た光合成研究の可能性が知らない遺伝子機能が埋蔵されており、そうした遺以上の自己総括を踏まえて述べたいことは、分子生伝子機能の発掘は、環境変化とともに進化してきた植物学研究が全盛の現代において、古びたように見える

物の多様性を考えると無限であると言える。

培養細胞研究の中にも、未来が詰まっているのではな

このように、夢は無限であるが、我々の日常は有限いかということである。例えば、光独立栄養培養細胞である。夢だけで生活することはできない。何処か

系は、植物体よりも単純化したシステムとして、光合で、実用化を考える必要もある。残念ながら、我々の成のメカニズム解析、特に、細胞選抜系としての利点

研究も、現時点では、圃場における作物生産性の向上は既に述べた通りである。例えば、大気中のCO 2だけにつなげることはできていない。しかし、常に、研究で生育できる光独立栄養培養の確立は、高等植物にお成果を作物生産／物質生産につなげたいという意識をける C O 2 濃縮機構の存在の理解に繋がると期待されもって解析している。そのために、使える技術／目標る。また、完全に制御した環境での培養という利点かを掲げて、研究してきたといえる。例えば、除草剤にら、培地交換によるC/Nバランスの解析等、様々な解よる耐性株のスクリーニング、除草剤機能の評価、新析が可能である。例えば、個体を用いたCND41の機能

規な生長調整物質の探索や耐塩性細胞の選抜、環境制

解析は、器官分化を伴うために複雑であるが、培養細御による光合成機能の改変の可能性や、抗菌性タンパ

胞系をもちいることにより大幅に簡略化できると考えク質の解析など21)、広い意味での光合成機能の最適化ている。また、未解明に終わっている培養細胞におけのために、よくいえば、多面的に、悪く言えば、底浅るPEPCの高発現はC3植物からのC4植物の進化の理解

く、解析し続けてきたといえる。

につながると期待できる。また、培養細胞における継一方、近年の大型研究プロジェクトを拝見する

続的な増殖は、葉緑体の分裂・分化の理解に有用な素と、より深掘した提案が多いと感じる。当然、内容材を提供している13)。さらに、耐塩性光独立栄養培養

は精密になっている。しかし、目標が絞り込まれる細胞の単離と、その光化学系IIの耐塩性の解明20)は、とともに、解析対象がミクロ化し、部分現象の解明

さらなる耐塩性植物の開発、あるいは、構造解析に耐に終わり、個体、あるいは、自然環境下での評価とえる安定した光化学系IIの単離と解析に有用と期待さいう、現場の必要とする目標に向かっていないようにれる。意外とフラスコの中は、個体を用いた研究より感じる。このように書くと、研究に対する考えが、も自在の材料を提供してくれる可能性がある。

応用に縛られすぎていると感じる方も多いかと思う。
研究が好奇心で動いていることは事実であり、か7. おわりにつ、重要である。しかし、予算の大型化に伴い、好以上、3 0年におよぶ光独立栄養培養細胞を用いた奇心を満足させる多くの研究成果とともに、納税者研究を総括していえることは、培養細胞系も意外と使の期待を、より考える必要があるように思われる。

えるのではないかということである。もちろん、遺自分自身、もし、予算がなく、自分のお金でしない

伝子組換え技術／分子生物学の発展により、個体レといけないとすれば、どれだけの予算を自分で支払ベルで、遺伝子機能を直接解析できるようになり、うのだろうと考えることがある。実用化ができるに培養細胞のように個体での機能評価に反映しにくい越したことはないが、それができなくとも、できる系を使う必要がないことも事実ではある。しかし、だけ、わくわくする研究で、より多くの社会的インパ個体を使っているからといって、個体の生産機能評価

クトを与え続けることを続けたいと念願している。そにつながっているかというと、それは、意外と見落

れは、何も光合成研究に限ることではなく、全てのとされていると感じることがしばしばある。培養細胞科学に共通すると考える。同時に、「光合成研究とで研究したことが、個体の機能改変にもっと繋がるいう縛り」をつくることは、自らの道を狭めていること、例えば、より高い光合成機能を持つとして選抜のではないかと危惧している。30年後、光合成研究が155

光合成研究 23 (3) 2013
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21. 佐藤文彦 (2000) 光独立栄養培養細胞株を用いた植物機能の分子細胞生物学的解析とその応用, 植物の化学調節 35, 8-16.

とを念願している。

謝辞
本文に名前を挙げた方々以外にも多くの共同研究者のご協力、ご支援、ならびに、科学研究費補助金を始めとする多くの研究助成金により、ここに記載
しました研究を推進することができましたことを感謝申し上げます。

Received November 18, 2013, Accepted November 26,
2013, Published December 31, 2013

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Division of Integrated Life Science, Graduate School of Biostudies, Kyoto University156

光合成研究23 (3) 2013

解説
過去30年間の光化学系1複合体の研究から30年後の研究展開を読む‡
岡山大学 大学院自然科学研究科
高橋 裕一郎*光化学系1は光捕集、光化学反応、電子伝達反応に関与するコファクターが一体となった複合体を形成するため、多くの光合成研究者の興味を引きつけてきた。生化学と物理化学の分野の研究者が研究を牽引してきたが、最近では分子生物学の手法も多用されるようになり、研究手法が広がりつつある。長年にわたる研究の結果、光化学系1の静的な構造と機能の研究は大きく進展した。そして、光合成生物が変動する自然環境に応答して、光化学系1複合体の構造と機能をフレキシブルに変化させる分子機構を解明する研究はこれから大きく展開していくだろう。本稿では光化学系1研究の過去と現在を振り返りながら、今後の研究の方向を議論したい。

1. はじめに

著者の主観を交えて概観し、それを基にして今後の研

光化学系は、光捕集、光化学反応、電荷分離の安究の展開を考えてみたい。

定化を担う。酸素発生型光合成電子伝達系には2つの光化学系1の研究の流れを振り返る：サブユ

光化学系が直列に機能し、光エネルギーを利用して

2.

H2OからNADP+への電子伝達反応を駆動する。光化学

ニット組成を中心に系2はH 2 Oから電子を引き抜く高い酸化力を生成し、

光化学系1複合体を単離する研究は50年ほど前から本

プラストキノンおよびシトクロムb 6 fを経てプラスト

格的に行われるようになった。1960年代に、2つの光

シアニンもしくはシトクロムcを還元する。一方、光化学系を物理的に分離することに成功した 1) 。植物の化学系1はプラストシアニンもしくはシトクロムcを酸

チラコイド膜を温和な界面活性剤であるジギトニン

化し、フェレドキシンを還元する反応を触媒し、で処理した後、分画遠心法によりチラコイド膜断片

NADP +を還元する強い還元力を生成する。光化学系2を分画したところ、重い膜画分はクロロフィルbが多やシトクロムb 6 fと同様に、光化学系1は多数のコファ

く光化学系 2 活性が高いこと、軽い膜画分はクロロ

クターとサブユニットから構成される大きな複合体を

フィルaが多く光化学系1活性が高いことが示された。

形成し、チラコイド膜に埋め込まれて存在する。光化植物ではチラコイド膜のグラナ構造が発達しており、学系1は、分子量が大きく、構造が複雑な膜タンパク

グラナチラコイドには光化学系2が、ストロマチラコ質複合体であるため、解析が容易でなかった。しかイドには光化学系1がそれぞれ局在していることが現し、新しい界面活性剤の導入、タンパク質精製法およ在では明らかにされている。ジギトニンによりグラナ

び微量タンパク質解析法の発展、構成サブユニットのチラコイドとストロマチラコイドの接続部分が切断

遺伝子の解析および改変法の開発、コファクターのされた結果、グラナチラコイドが重い画分に分画さ分析法や活性の分光学的解析法の高度化、結晶構造

れ、ストロマチラコイドが軽い画分に分画されたの解析の成功などにより、光化学系1複合体の構造と機である。当時は既に酸素発生型光合成電子伝達系に能の解明は大きく進展した。

は2つの光化学系が直列に機能することが提唱されて光化学系1の還元側では、電子の行き先が多方面にいたが、2つの光化学系を分離できることを示した実分かれるため、光合成研究者にとって魅力的な研究

験は、その後の光化学系複合体の精製につながる重対象の一つである。ここでは光化学系1複合体の生化要な成果である。

学的解析の経緯と今後の展開の大きな流れについて、‡

一方、チラコイド膜を強い界面活性剤であるSDSで解説特集「30年後の光合成研究」* 連絡先 E-mail: taka@cc.okayama-u.ac.jp157

光合成研究 23 (3) 2013

可溶化し、ポリアクリルアミドゲル電気泳動にかけると、緑のバンドが3本分離された。先端に泳動されたバンドは遊離色素であったが、泳動度の小さい2本のバンドは泳動度の低い順番に、クロロフィルaを主に含むCPIとクロロフィルbを多く含むCPIIと名前がつけられ、クロロフィルa/b比から前者が光化学系1、後者が光化学系2であると結論された 2 ) 。その後、クロロ
フィルb欠損株には光化学系2の活性があるにもかかわらずCPIIが分離されなかったことから、CPIIはアンテナ複合体（LHCII）であることが示された 3)。SDSを用いた電気泳動の研究により、光化学系1とLHCIIがクロロフィルを結合するタンパク質（クロロフィルタ
ンパク質複合体）として生化学的に分離できることが証明された。
呼吸鎖やATP合成酵素の研究の分野でも大きな構造をもつ複合体が重要な機能を果たすことが注目される

図1 光化学系1複合体の生化学的解析の展開
緑の丸は反応中心を示し、いわゆるコア複合体である。ここにはコアアンテナ色素（クロロフィルaとβ−カロテン）と主要な電子伝達成分（P700、A 0、A 1、F X）が結合する。小さな青の丸はその他の小型サブユニットを示し、電子受容体FAとFBを結合するPsaCはそのうちの一つである。4つ連なった小さな緑の
丸はアンテナ複合体（LHCI）を示す。研究の流れとして、光化
学系1活性を保持する最小単位を解明する方向（右矢印）と無傷な複合体を解明する方向（左矢印）があった。

ようになってきた。そして、1 9 7 0年代には光化学系1

溶化するのである。その結果、植物の光化学系1複合複合体の生化学的研究も新しい段階に発展し、複合体

体には、シアノバクテリアの光化学系 1 複合体と共通を構成する成分に着目した研究が報告されるようにする構造をもつコア複合体（PSI

なった。光化学系1は膜タンパク質であるため活性を合体（LHCI）が結合していることが分かった5)。現在

保持したまま可溶化するためには適切な界面活性剤をではこの標品はPSI-LHCI超複合体と呼ばれている。ま使用しなければならないこと、そしてサイズが非常にた、葉緑体ゲノムの全塩基配列が決定され、N末端の大きいことなどから精製法を工夫する必要があった。

アミノ酸配列の決定法が大きく進歩し、これまでに知そして、1975年にはポリペプチド組成を議論できるレ

られていなかった 1 0 k D a 以下の膜を一回貫通するヘベルまで純化された標品が報告された 4 ) 。温和な界面

リックスをもつ疎水性サブユニットが存在することが活性剤で可溶化して、光化学系1複合体を単離・精製

見いだされた 6 ) 。このような疎水性小型サブユニット

し、それを今度は S D S で解離しポリペプチド組成をはシアノバクテリアから植物の光化学系 2 およびシト

SDS-ポリアクリルアミドゲル電気泳動法で調べた。すクロムb6 f複合体にも存在する。葉緑体ゲノムの全塩基

ると、80kDa程度の大きなサブユニットと、20kDa以

配列の情報が、小型のサブユニットの発見に重要な貢下の多数の小さなサブユニットが光化学系1複合体に献をした7,8)。興味深いことに，疎水性小型サブユニッ

存在することが示された。複合体に含まれる多数のサ

トは光合成細菌の反応中心標品や呼吸鎖のシトクロム

ブユニットの機能の解析も進められ、80kDaの大きな

b c 1 複合体には見いだされない。したがって，光化学

サブユニットに光化学反応の成分とアンテナクロロ

系 1 複合体のサブユニット構造は当初考えられていたフィルが存在することが明らかにされた。さらに、小よりもかなり複雑であることが分かった。

core）にアンテナ複型のサブユニットの機能解析も進められ、電子受容体

分子生物学の進展に伴い、1980年代にはシアノバクの鉄硫黄中心の結合とプラストシアニンの酸化の効率

テリアの光合成遺伝子の形質転換が可能になった。

化に関与するサブユニットの同定に成功した。より強1990年代には緑藻クラミドモナスを中心に葉緑体形質

い条件での可溶化と精製法を用いて、光化学系1の機転換系が開発され、光合成の葉緑体遺伝子の特異的形能をもつ最小単位の構造を明らかにすることが，当時質転換が可能となった。その結果、小型サブユニットの研究の主要な目標の一つであった（図1）。

の機能の一部が明らかにされた。また、いくつかのサ

光化学系1複合体の無傷な構造を明らかにするとい

ブユニットは、欠損させると複合体の安定性が損なわう逆の方向性の研究も進められた（図 1 ）。この場れる多面効果があることも示された。これまでの生化

合、より温和な界面活性剤を用いてチラコイド膜を可学的解析と新たな分子生物学的解析により光化学系1158

光合成研究表植物の光化学系１複合体のサブユニット

23 (3) 2013に2分子のフィロキノン（ビタミンK 1 ）が存在するこサブユニット遺伝子

機能とが生化学的に明らかにされ 9 ) ，結晶構造解析が行わ

PsaA

C

反応中心

れたた標品もフィロキノンをもっていたため、光化学

PsaB

C

反応中心

系 1 のナフトキノンはフィロキノンのみであると考え

PsaC

C

Fe-S中心、FAとFBがちである。しかし、様々なシアノバクテリアや藻類

PsaD

N

フェレドキシン結合のナフトキノンを分析すると、フィロキノン、メナキ

PsaE

N

フェレドキシン結合

ノン、ヒドロキシフィロキノンの3種類のナフトキノン

PsaF

N

プラストシアニン結合が存在することが明らかになった。光合成のモデル生

PsaG

N

アンテナ複合体と相互作用物として多用される緑藻クラミドモナスも最近までナ

PsaH

N

ステート遷移

PsaI

C/N

PsaJ

C

PsaK

N

アンテナ複合体と相互作用

PsaL

N

ステート遷移PsaN

N

アンテナ複合体と相互作用

PsaO

N

ステート遷移PsaP

N

リン酸化タンパク

フトキノンの組成が明確でなかったが、 2種のフィロキノンが存在し、ヒドロキシフィロキノンが 9 0 ％でフィロキノンが10％存在することが分かった10)。光化学系 1 のコア複合体の構造と機能はシアノバクテリア
から植物までよく保存されているが、重要な電子伝達成分であるナフトキノンの化学種が異なることは意外な結果である。種により 3種のナフトキノンがどのよ
うに使い分けられているのかは分かっていない。

Cは葉緑体コード、Nは核コードの遺伝子を示す。

光化学系1と光化学系2では、反応中心サブユニッ
複合体のサブユニット組成の全貌が明らかにされたトのアミノ酸配列が大きく異なるため、両者はそれ（表）。また、シアノバクテリアそしてそれに続く植ぞれタイプIおよびタイプI Iの先祖型反応中心から進物の光化学系1複合体の結晶構造解析により、各サブ化してきたと考えられている。しかし、結晶構造解ユニットの複合体内での配置が明確になり、サブユ

析により明らかにされた膜貫通ヘリックスの配置がニットの構造と機能の解明も大きく進展することと光化学系 1 と 2 でよく保存されていることから、両者なった。

は共通の先祖型反応中心から進化したとみなされている。また、光化学系1と光化学系2には1対の電子伝3. 光化学系1の研究の流れを振り返る：コファク

達体（光化学系1ではクロロフィルa二量体の電子供ター組成を中心に与体P700、クロロフィルaの電子受容体A0、ナフトキ

光化学系1複合体のサブユニット構造は当初考えら

ノンの電子受容体A 1 、光化学系2ではクロロフィルa

れていた以上に複雑であることが明らかになってきた

二量体の電子供与体P680、クロロフィルaの電子受容が、コファクター組成の解明も大きく進展した。シア

体 A 0 、フェオフィチン電子受容体、プラストキノン

ノバクテリアと植物に共通する構造であるコア複合体

電子受容体Q A、Q B）が複合体内で対称的に配置されにはおよそ100分子のクロロフィルaが結合し、その一ている。電子伝達成分の酸化還元反応のキネティク

部は初期電子供与体（P700）と初期電子受容体（A0）ス解析によると、光化学系2では一方の電子伝達鎖しとして機能する。また、主要なカロテノイドはβカロ

か機能してないが、光化学系1では両方の電子伝達鎖

テンで、クロロフィル b やキサントフィルは存在しなが機能している。ここでは、光化学系1複合体の構造

い。また，鉄硫黄中心が3種存在し，中間電子受容体の解明というブレークスルーが想定していなかったの4Fe-4SであるF Xが2つの相同な反応中心サブユニッ

新しい研究課題を生みだすことを示すよい例であト（PsaAとPsaB）間に結合し，最終電子受容体のF Aる。タンパク質の構造解析や生化学、機能上重要なとFBがストロマ側に結合するPsaCサブユニットに結合

アミノ酸を改変するタンパク質工学、電子伝達系のする。PsaCは4Fe-4Sクラスターを2つ結合し、バクテ活性を測定する分光学的な測定法、などの異分野のリア型フェレドキシンの構造とよく似ている。A0とFX

知識・技術を駆使して研究を進めるという光合成研の間に機能する電子受容体A1の化学種はナフトキノン

究の特徴である学際性が光化学系1複合体の解析に大である。植物とシアノバクテリアで光化学系 1 複合体

きな力を発揮している。

159

光合成研究 23 (3) 2013

4. 光化学系1の構造と機能のダイナミクス：最近の研究の進展と今後の展開
これまでの研究では、光化学系1はその構造や機能が不変で安定した複合体として解析されてきた。シア
ノバクテリアの光化学系1の3量体11)と植物のPSI-LHCI
超複合体12)の結晶構造解析によりサブユニット構造とコファクターの配置の解明も大きく進展した。その結果、筆者が大学院生として光化学系1の研究を始めた
30年程前からすると構造と機能に関する基本的な謎は解けてしまったと思われる。しかし、残された未解明の重要な課題に注目すべき時期がきている。最近の研究手法の進展によりこの未解明な課題を本格的に取り組める段階にようやく達したと言えるのである。
今後解決すべき課題の一つは、複雑で巧妙な構造をもつ光化学系1複合体がどのように合成されるかである（図2）。コア複合体のサブユニット数は14前後で，その多くは膜貫通ヘリックスをもつ疎水性タンパク質である。さらにコファクターとしてクロロフィル、カロ
テノイド、ナフトキノン、Fe-Sクラスターをもち、それらの総数は百数十分子にも達する。真核生物の場合、サブユニットの一部は葉緑体にコードされ、残りは核にコードされている。また、クロロフィルは合成されたとほぼ同時に光化学系複合体のクロロフィル結合サ
ブユニットに結合されないと光照射下では有害な活性

図2 光化学系1複合体の動的構造の解明
光化学系1複合体の分子集合（上）と完成された光化学系1複合体が生育条件に応答してその機能を変化させる様子（下）を模式的に示した。複合体の分子集合は段階的に行われると考えられている。サブユニットの翻訳とコファクターの生合成
は協調的に行われているはずである。周辺部のサブユニットは順番に付加されていくと考えられる。分子集合が完了しても複合体の構造は静的ではなく生育環境に応答して、アンテナ複合体が付加されたり、循環型電子伝達体と結合したりすると考えられている。

酸素を発生して葉緑体や細胞に有害である。つまり、
光化学系複合体の合成には異なる部位で合成されたサ

その一部が光化学系 2 から光化学系 1 複合体へ移動

ブユニットとコファクターが効率的に分子集合されなし、光化学系1のアンテナサイズを大きくする 13) 。植ければならないのである。その仕組みはどのようなも物の光化学系1コア複合体の一方側（PsaFとPsaJが存のなのだろうか。これまでに分子集合に必須なタンパ

在する側）にLHCIが4つ結合し（クラミドモナスではク質因子がいくつか報告されているが、それらの因子

9つ結合する）、その反対側（P s a H，P s a I，P s a L，がどのような分子機構で光化学系成分の分子集合を介PsaOが存在する側）にLHCIIが結合すると考えられて添えしているのかはほとんど明らかにされていない。

いる。しかし、正確な結合部位は不明で、どのくらいもう一つの興味深い課題は、光化学系1複合体の構のL H C I Iが結合するかも明らかにしなければならな造と機能が生育環境変化に応答して部分的に変化する

い。もう一つの具体例は、直鎖型と循環型電子伝達

動的な性質を解明することである（図2）。光化学系系の制御機構である。酸素発生型光合成電子伝達系

1複合体の構造と機能のダイナミクスの分子機構の解には，2つの光化学系が直列に機能する直鎖型電子伝

明は今後大きく進展することが期待される。例え達系が存在することはよく知られており、この反応とば、光環境変化に応答した2つの光化学系間の光エネ

ATP合成が共役し、さらにNADPHが生成される。まルギーの分配機構として知られるステート遷移があた、光化学系1だけが関与する循環型電子伝達系も機る。光化学系 2 が光化学系 1 よりもより励起される条能し、フェレドキシンからシトクロムb 6 fへ電子が還件下では、2つの光化学系の中間にあるシトクロムb 6 f

流し、電子は再び光化学系1へ戻ってくる。この反応が還元型になる。その状態を感知すると光化学系2にはATP合成と共役し、NADPHは生成されない。光化

結合するアンテナ複合体（LHCII）がリン酸化され、学系1の還元側が直鎖型と循環型電子伝達への電子の160

光合成研究23 (3) 2013

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5. まとめ光化学系1複合体は巨大な構造をもち、光捕集・光化学反応・電子伝達反応という複雑な機能を効率的に果たしている。微細な構造が明らかにされてきたが、分子集合や機能調節といったダイナミクスは今後の魅力的な研究対象である。この課題が解明されるには 3 0 年かかるのかどうかは議論が分かれるところであろう。しかし、解決したと思った研究課題か
ら、新しい研究手法が導入されると再び脚光を浴びるような新しい研究成果が生まれてくることはよくあることである。新しい研究対象に取り組むだけでな
く、新しい視点でこれまでの研究対象を見直すことも大切ではないだろうか。

Received December 5, 2013, Accepted December 7, 2013,
Published December 31, 2013

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Perspective Research on Photosystem 1 Based on
the Past and Present Achievements
Yuichiro Takahashi*
Graduate School of Natural Science and Technology, Okayama University161

光合成研究 23 (3) 2013

解説
科学の進歩と未来‡
名古屋大学 遺伝子実験施設
伊藤 繁*
光合成研究の未来を、科学研究の発展段階についての考え方と、光合成研究の歴史への感想、研究と科学者個人の関係から論じる。

1. 科学の発展段階

一さん（岐阜大）、地質学の磯崎さん（東大）らは、「伊藤君、光合成の進化とか言っているなら、行っ広い視点から地球史を考える科研特定領域研究「全地て自分で見てきたまえ。」と熊沢さんにいわれて、私球史解読」を立ち上げ、分野内での縦縞研究だけでなは太古のシアノバクテリアの堆積物（20億年前のスト

く、広い視点からのヨコシマな「シマシマ学・科学運

ロマトライトライト化石）を調べに、1998年夏カナダ動」を目指していました。

北極圏のオーロラで有名な人口1万人の町イエローナ

一方私は「光合成反応中心」を研究するうちに、イフへと飛び、そこからチャーター飛行艇で100 km、「こんな完璧なものがどうして出来たのか？」と「進グレートスレーブ湖中の島につきました。北極圏の夏化」に興味をもち、たまたま（加藤哲也さんの紹介

は最高、ヒトのいない熊のテリトリー（本当に熊さんで）研究班に入れてもらった所でした。でも、「無知に遭遇）にテントをはり、見渡す限り続くストロマトな私が化石調査にいっていいのですか？」「君でライト上で、呆然（図1）。昼はボートで別の島に行も、困った学生さんを助けるくらい出来るでしょき何万年間堆積した化石を切り取る。夜は、ボートでう」といわれ、途中で飛び入りしました。「見渡す大きなマスやパイクを釣り、大部分はリリースし、限りのストロマトライト」、「多細胞生物がはびこ

オーロラ（イエローナイフはオーロラ見物で有名）をる 前 の 、 捕 食 者 の い な い 世 界 」 は 「 細 菌 ワ ール

見る。ストロマトライトの一部は今私の足の下にあド」、シアノバクテリアが延々と何万年にもわたってる。地球物理の熊沢峰男さん（当時名大理）、川上紳堆積した時代だったのです。「すごい、きてよかった。」「光合成が地球を変えた」。
それまで、レーザで光合成を研究していた私は「君のやっているのは生物ではない」「役に立つのです
か？」といわれ、生物分野の大型研究にはお呼びでなく、疲れてもいました。
化石探索に出かける前、熊沢さんが若手地球物理
学者たちに話しました。科学の発展には段階がある。科学研究は、段階を追って進む（図2）。
①「狂いと天才の時代」；だれも思いつかない事、
全く新しい概念を提出する天才は気狂い扱いされる。時には火あぶりにあう（それでも太陽はまわっている）。誰も信じてくれない。

図1
20億年前のシアノバクテリア堆積物（ストロマトライト）化石探索。カナダイエローナイフのグレートスレーブ湖（伊藤撮影）‡②「ロマンスの時代」；やがて少しはわかってもらえる。そうかも知れない。科学研究の対象になる。研

解説特集「30年後の光合成研究」* 連絡先 E-mail: Itoh2nd@gmail.com

162

光合成研究23 (3) 2013生まれた。自分は「職業」として、「もらったお金分の研究をしている！」ようでもあります。では、これらのスペクトルを意識的にとらえ、自分の研究やテーマも考えたらどうだろう。自分の研究全体を職
業的研究ゲームと考え、①−④のゲームを自分の好みに合わせて、適宜配分する。ビジネスゲームや、科学
ゲームを意識してやる。自分の専門として期待されていることは100％やり、そして、すこし、給料分からはみだしても、自分自身や、みんなのための科学も、別にやってもいいような気がしてきました。これが化
図2 科学の発展段階

石堀りに行く自分について考えた事でした。

究者も増える。

2. 30年前：「見えない物をみる人との出会い」③「科学の時代」；学説が市民権を得て、科学としてさて、未来のことは誰にもわからない。それが良い定説となる。正統が出来る。するとこれに合わないともいえますね。でも30年後くらいといわれれば、考ものは異端となり、子殺し（＝異説、違う考えの排えられなくもないかもしれませんね。40年前、光合成除）が始まる。

の研究では「反応中心」という概念が生まれ、探索が④「ビジネスの時代」；やがて実際に使われ、お金始まりました。しかしタンパク質の構造はミオグロビを生み出すビジネスへと発展する。ビジネスとしてのン(1958年)くらいしかなく、膜タンパク質は膜表面に科学が始まる。でもこれも悪くはない。きれいな研ついていると考えられていました。その中で1966年P.

究所が出来て、役に立つ、お金がもうかる。

Mitchellさんが光合成や呼吸系のタンパク質は膜を貫

熊沢さんのオリジナルか、受け売りかは、聞いていいて方向をもって、並んでいる。その中を電子やH +イませんが、これを聞きながら、私は何かがわかったよ

オンが一定方向に動き、膜内外溶液層間にΔpHと膜電

うな気がしました。私はそれまで「ビジネスのように位差を作り出す。そして、これが膜上の別部分にある研究をする」ことを嫌っていました。でも、農学や工AT P合成酵素の中でH + を動かし、AT Pを作るエネル

学ではこれ④が大事、しかし理学では③科学が大事。

ギーを与えるという「膜浸透圧説」を主張しました

同じ分野にいても私の先生たちは③科学や④ビジネス

1) 。彼はpHメータと酸素電極で、細胞やミトコンドリが強く、私は②ロマンスや③科学が好き、①に憧れてア膜の外側の変化を見ただけなのに、膜中を横切っている。私は、一人の研究者の中にもこれらの要素が混電流が流れ、H+イオンが動くと、予言しました。

じっていると気がつきました。それぞれの研究者はこ「見えない物をみる」この提言は、溶液中での酵素れらの比がちがい、違うスペクトルをもって研究を進

反応しか知らない当時の大先生たちの大きな反対にさめている。そんな風に考えて周りを見ると、「工学部らされました。でも、今になってみれば、当たり前！

の先生でも自分の給料分を稼げる人はほとんどいな

細胞内外での物質や、イオン、電子の動きはお互いにい！」、役に立っているわけでもない。私は、「理学関係し合い、生物そのものを生み出した原理でもあだからここで終わり！」などと言わないで、どこまでる。しかし、私も習った当時の先生方は「P.

も応用も含めて、考えてみたらどうだろうか？自分のは気狂いだ、間違っている」と大合唱でした。その中出来る事には限界はあるが、考えには限界をつくらな

で、私の英国でのポストドク時代の先生Croftsさんをいでいいのではないか、と考えつきました。

含む多くの若手が、この説で自分の目の前の生物現象

Mitchell

実は研究費を使うという事自体が「ビジネス」ながうまく説明されることを理解して、「実際に見てみのですね。だって、ダーウインさんやダビンチさんやよう」と、膜中の分子やイオンや、電子の動きを見る

メンデルさん達の時代には、研究分野も、専門も未為の技術を発展させました。この時代に英国でお会い

分化で、科学も職業とはいえなかったようです。近代

したMitchellさんは恐ろしいくらいに、戦っていましになり、給料もらって研究する「職業的科学者」がた。そして、膜タンパク質としては初めて決定された

163

光合成研究 23 (3) 2013

キノンで入れ変えても反応は進み、電子の移動速度はMarcusの電子移動理論がいうように、反応で生まれる
自由エネルギー差（-ΔG0）が、分子配置や構造の再配置に必要なエネルギー（λ）と釣りあう（-ΔG0＝λ）時に、トンネル効果で最速で進み、これ以下でも以上でも遅くなることがわかりました。この時点では構造未解明でしたが、キノン入れ替え実験から分子間距離と自由エネルギー差を図3に示すように予測しました。
そして、その後解明されたP S Iの構造はこれを実証しました。2種の反応中心は、作り出す還元力も、使う
クロロフィルも、吸収する光の波長も大きく違うが、どちらも高度に最適化されていることがわかった。自然は高度に最適化されているが、変化も許し異なった

図3
光化学系IのA 0→フィロキノン、紅色光合成細菌Rb.
sphaeroides反応中心でのフェオフィチン→ユビキノン反応
で、キノンを抽出後、酸化還元電位の異なる人工キノンと入れ替えることで反応の-ΔG oを変えた際の、反応速度定数kの変化。2つの反応中心は異なった-ΔGとλで本来のキノン（赤丸）に最適化されていた3)より改変

反応中心を作り出した。改めて「どのようにしてこんな構造ができてきたのだろう」と考え、「進化」を知りたくなりました。

3.

「紅色細菌反応中心の構造 (1984)」2)が「化学浸透圧科学研究の進め方「新しい概念、対象、技

術、需要」

説」を実像にしました。その後、さらに多くの実験が熊沢さんの受け売りに戻ります。科学研究で一番大AT P a s eの構造や一分子の動きまでを見せてくれまし事なのは、「a. 新しい概念」である。科学者はこれをた。反応中心の構造は見事にそれまでの分光実験や生夢見る。しかし、新しい概念は「①気狂いと天才」の化学実験を説明し、このタンパク質内にほぼ対称に配もの！

置されたクロロフィルやキノンの位置関係は美しくさ

実際の研究は、「a. 新概念」、「b. 新対象」、「c.

えありました。

新技術」、そして「d. 新需要」で推進される（図4）。

反応中心構造の話をドイツから帰られた三木邦夫さ

凡人研究者は、「a. 新概念」を夢見つつ、実際にはb-dん（京大）に光合成研究会の公開講演会（今の年会のを進めて「論文」をだし、「研究ビジネス」をする。

始まり）で初めて聞いたとき（1985年）、最後まで聞先にあげたP.

くのには勇気がいりました。「自分の知りたかったこ

Mitchellさんの新概念も、当時の新技術（電子顕微鏡、遠心分離、反応測定などの進歩など）とが全部そこにある、しかし、自分の研究は何もそれによる細胞や膜構造観察の革新の上に出てきました。

に貢献していない」。何度聞いても発見があり、勇気

私はbとcが好きで、新しい対象（新色素Chl d，Chl f，がいりました。やがて、「なんでこんな構造が出来たのだろう」と考えるようになりました。構造はそのままでは、「絵に描いた餅」でしかない。しかし、その中に自分の知りたいことが隠れている。
やがて自分のやっている、まだ構造未解明の光化学系 I 反応中心も、似た構造をもつにもかかわらず、異なった出力を生み出すように内部の電子移動反応系が最適化されていることが、レーザ実験からわかり出しました (1996)3)。PSI反応中心内の電子受容体フィロキ
ノンの役割を初めて決め、さらに人工分子と取り替えて、超高速ピコ秒の電子移動反応やESRへの影響を見ることで、これがわかりました。フィロキノンを人工

図4 科学研究の進め方

164光合成研究23 (3) 2013aなどをもつ光合成系、絶対嫌気の光合成系

ただし、ゲーム等といわずに「気狂いと天才の時等）に、（超高速レーザ分光や、極低温ESR,顕微分光代」をひたすら脇目もふらずに、生きるのもいい科学などの）新装置を使いながら、自分の自然観察能力を者ゲームですね。一方、科学は我々のすべてではな

ひろげ、さらに共同研究で視野を大きく広げることがい。我々の職業もまた、自分の科学の全てではない。

出来ました。さらに時代の変化で、新しいneedsである

長い間、自分が生物分野にいた間は「君の研究は生「人工光合成」が社会から出てきました。私もたまた物ではない」といわれました、しかし物理分野にきた

まこの課題でトヨタ自動車との共同研究（2006-2010）

ら「生物」のことを何でも知っていると思われましを行っており、ビジネスとしての研究の機会ができまた。実際は小さなゲームしかやらないのが自分ですした。私のそれまでやっていた「学者間科学ゲーム」

ね。

Zn-BChlと違う「会社科学ゲーム」は、ともに、いいゲームで

5. 未来の技術、対象、概念はあるのですが、部分的であることも否めません。会社ゲーム中では評価されないことも、価値観を切り替

ゲノム、分子構造、解析技術、遺伝子操作、シミュ

えると科学ゲームとしては価値があり、楽しいゲーム

レーション。いろいろな新技術がありますね。物理とに出きる事を「学生諸君」が教えてくれました。

生物の研究のもっとも大きな違いは、理論家の存在の有無でした。物理では、実験と理論が両輪となって研4. マルチリンガルな研究者：「君は生物ではな

究を進めます。先端技術での実験がデータを出し、そい→君は生物です！」

れを理論が検証し理解を深め、さらなる実験技術の提私は生物系から名大理・物理学科の教授

案や予測もする。それを新たな実験が実証、反証し、になりました。いい体験をしました。物

さらに理論がこれに対応する。一方、我々の生物研究

理学科は生物物理が 4 研究室、残り 1 6 研究室は素粒ではまだ、自分で思いつき、実験をして、自分で解析

子・物性・宇宙物理。トランプゲームに例えれば、一して、運がよければ、思い通りの結果がでる。運が悪緒になった時は物理学科ゲームをやり、個々の研究分

いと。。。実験の前にsimulationなどはしない。でもこ野ではババ抜きやったり、七並べやったりしているよ

れだけ情報が多くなると、一つの研究課題も一人の研うな感じです。この中では、他のグループの人たちが究者の能力をこえていて、否応無しに共同研究が必要

自分達のことをわかってくれないとこぼしても仕方がとなります。理論が必要なのでしょう。でも物理学者ない。評価も価値観もちがう。「生物の人はどう思いの作った理論は一般論が多く、生物個別の現象にはなますか」と「宇宙の人」に聞かれ、50名連名の論文がかなか対応しきれない。今後の生物学では研究者個々

博士論文として出てきます。理論物理などに比べればのゲームをこえた共通ゲームを意識して、理論と実験

私の研究は役に立つ、でも底深い面白さではとてもかの協力できる研究体制を作る必要がありますね。そのなわない。一方、こちらのやっている別のゲームの相為には、すでに現在進みつつあるような、若手同士の手の超巨大会社は、純粋理論のような営利につながら共同研究や、中堅学者間の協力関係がますます重要にないゲームはどう転んでもやらないし、やれない。大なってくるでしょう。一つの言葉、分野だけのゲーム

学とはとても豊かな、お金だけでは決まらない贅沢なだけでなく、マルチリンガルな展開が必要です。

(2000-2010)

組織だと実感しました。皆がそれぞれ自分のゲームを

実は、全く新しい概念はめずらしく、すでに感じ

自分の価値観でやっている。

ていた疑問、皆が疑問におもっていた当たり前のこ研究費も、物理系、化学系、生物系、皆さんそれぞとの中に、新しい展開がありそうです。組み合わせをれ違うゲームをやっていて、そこでは、とりあえずそ

変えると、新しい解決法がみえてくる。見えないもののゲームをしないといけない。いっしょに遊ぶには、が見えてくる。

相手の言葉もわかったほうが面白い。マルチリンガル

6. 職業としての研究と自分の科学になると楽しいのがこの研究ゲームだと思うと、楽でした。相手を尊重し、科学を楽しむ。外国語を話せる

私はいつの間にか、論文を書ける、学生さんが解く

ほうが話せないより楽しみが多いように、分野もマル事が出来る、研究費をもらえる、といったうまくいき

チはいい。

そうな研究テーマを選ぶのがうまくなりました。で165

光合成研究 23 (3) 2013

も、頭の中のどこかが、「ムズムズ」。「私はこんなど、動かない。結局、私たちが2004年夏にアラスカ最ことを本当にしたかったのだろうか？」。

北端ポイントバローにいき、大阪の「此花さくや館」

そんなときに、「化石堀りにいって進化を見てきたと高知の「牧野植物園」の採集チームといっしょに採まえ」といわれ、役に立たない生物物理学者が地質・集と実験をする事になりました。私たちは本来は実験

地球物理の集団に加わりました。でも、たしかに「見室内だけの科学者で、寒冷生物の専門家は他に沢山いると聞くとは大違い」。真核生物がいなかった地球をらっしゃるので、論文とかは無理そう。だけど、行く

実感することができました。これは簡単には、論文にことにしました。

はできない。（できればすばらしい！）。しかし、こ夏の極地は、やはり最高。森林限界をこえた大陸最の集団中の最若の院生よりも物を知らないフール人間

北端には、冬期の積雪20 cmに埋まって冬の寒気をやりにも、価値があることを実感しました。私にとってすごせる、たけの低い植物だけしかいませんでした。

は、「かれら地球物理学者の常識」は常識ではない。

しかし、草本、木本、コケ、地衣と沢山の種が地をはいつも基本を聞かざるをえません。私の存在はグルー

い、堆積し、その上にまた生えて短い夏に成長する。

プ内にほどほどの余裕と軽い緊張を与えたようです。

どうも植物や光合成は大きな適応能力と隠れた力を持私に説明することで、全員が課題を再確認し、優越感つらしい。夏とはいえ、強い日差しの下で雪が舞う。

も得て和む。私は私として、自分がレーザ実験で標的

冷害の条件そのものの極地で、植物達は花さえつけとしてきた、ガラス容器内の光合成反応中心タンパクる。日本に帰ってから、だんだんとわかってきまし

質が生まれた環境を初めて実感しました。これがあった。極地のコケや地衣類は光合成がほとんど働かないて、現在がある、生物間の生存競争を超えた大きな地

低温でも、強光、紫外線をうける。でも死なない。十

球環境の変化の中で、シアノバクテリアは太陽光と切年後の今、私は一生懸命乾燥下でのコケや地衣類の光り結び、物理法則を自在に利用して光合成装置を完成

障害回避機構をピコ秒蛍光寿命測定で研究していましてきた。私は、もっと早く、これを見て、感じておす。お地蔵さんや樹幹についた地衣類は、いつもは乾

けばよかったのに。いつもとりやすい研究費におぶさいていて、霧や雨でぬれた時だけ、光合成する。乾いり、金にならない研究はしなかった。自腹でストロマていて反応が出来ない状態で、光が当たっても死なな

トライトを見にきてもよかったのに。結局、やれる範い。物質生産にも関係ない生物である地衣類やコケの囲の仕事として、科学をやっていた。（見事に熊沢光合成は、ビジネスにはなりそうにもない。でも高等流、「科学運動」に巻き込まれました！）。

植物では機動的に光障害回避に働くNPQ機構やステー

地質学研究の昔話を大自然の中のテントで毎晩聞

トシフト機構などと似た現象を、低温でさらに強力にきました。プレートテクニクスを異端視し、自腹でやっているのが興味深い。というわけで、今は、無給の研究が当たり前で、おらが裏山を縄張りにするか

で、この課題をピコ秒蛍光寿命の測定をしながら調べ

つての地質学の話は、それなりに身につまされるもています。新しいことはおもしろい。

のでした。

8. 人工光合成ビジネス
7. ビジネスとビジネスでない科学

今現在は、好きな研究と、物理・化学系のJST若手

たしかに私がやってきた研究は、立派な仕事。年にさきがけ研究光関連の2テーマや、科研人工光合成研

10近い論文も出る。でも、何か「ムズムズ」。他のこ究のアドバイザーとしてお手伝いしています。これはともやりたい。で、わかってきました。趣味でもいい仕事。世の中では、人工光合成や、藻類による油の生から、自分の好きな科学もやればいい。自分の専門

産など、エネルギーがらみの大きな研究費がいくつもゲームは仕事としてしっかりやる。そして、他にもや進んでおり、光合成研究者も大勢はいっています。工ればいい。そんな気分になりかけているときに、2005

学や化学の先生たちは、しっかりと協力して運動し、

年愛知万博への協力依頼がありました。地球のどこか

次の大きな研究課題を作られます。必要とあれば、生で植物を採り、生かしたまま運び、展示したい。昔

物光合成も多数いれて研究ビジネスをこなす。すごい

コーヒーの苗を大陸を超えて運んだように。そこで、ですね。研究費をとるのはビジネスと割り切って、考企画に参加。偉い人たちは皆さん色々アイデア出すけ

え、やりたいことをやる。悪くない。科学もますます

166光合成研究23 (3) 2013

ビジネスになってきた。で、あなたのスペクトルはいかがでしょうか？①気狂いと天才？それとも、②ロマンス？③科学でしょうか？あるいはやはり④ビジネス？

9. 30年後はどうなるの？
そして、30年後にはどうしているのでしょうね？この40年、私にとっては光合成研究は予想を超えるドラマでした。昔は想像しなかったことがいっぱい実現しました。何よりも技術の発展がすばらしい。でも、同時にそんなに変わったことも起こっていないと

図5 未来もいえなくもない。精一杯、背伸びして、跳んでみても、まじめな自分は大して跳べないから、安心といえ

Received December 2, 2013, Accepted December 2, 2013,

ば安心。自然はみな繋がっていて、どこからやろう

Published December 31, 2013と、大丈夫！一生懸命考えれば、いつの間にか、希
望はかなえられている。世界中で、手をつないで進め

参考文献ているのが研究ゲームですから。

1. Mitchell, P. (1966) Cherniosrnotic coupling inoxidative and photosynthetic phosphorylation. Biol.
Rev. Cambridge Phil Soc. 41, 445-502.
2. Deisenhofer, J., Epp, O., Miki, K., Huber, R. andMichel, H. (1984) X-ray structure analysis of amembrane protein complex. Electron density map at 3
Å resolution and a model of the chromophores of thephotosynthetic
reaction
centerfrom
Rhodopseudomonas viridis. J. Mol. Biol. 180, 385-98.
3. Iwaki, M., Kumazaki, S., Yoshihara, K., Erabi, T. and
Itoh, S. (1996) ΔG0 dependence of the electrontransfer rate in the photosynthetic reaction center ofplant photosystem I: Natural optimization of reaction
between chlorophyll a (A0) and Quinone. J. Phys.
Chem. 100, 10802-10809.

でも、こうやって書いてみると、私は「①気狂いと天才ゲーム」は全くやらなかったようです。皆さんはがんばってみるのもいいかもしれませんね。まだ十分
時間もある。温暖化で世界も今の延長ではなくなっていくかもしれないし。

「光合成」は偉大です。私たちは小さくとも、この地球さえ変えた偉大な生物機能は、すばらしい研究課
題を我々に与えつづけてくれるでしょう。

Progress and Future of Our Science
Shigeru Itoh*
Center for Gene Research, Nagoya University167

光合成研究 23 (3) 2013

報告記事
若手の会活動報告〜第九回セミナーの開催、サイエンスアゴラ2013への出展〜
立命館大学 生命科学部 生命情報学科
浅井 智広

8月号と1 2月号の会報が発行される間の期間である秋は、毎年、予定しているイベントが最も多く、若手の会の活動が活発な時期です。まず、通算9回目を数える若手の会の秋のセミナーを、去る10月26日と27日に東京大学
本郷キャンパスの理学部の講義室を一部屋お借りして開催しました。その2週間後の11月9日と10日には、日本科学技術振興機構（JST）が主催する「サイエンスアゴラ2013」に出展者として参加しました。
例年、秋のセミナーは合宿形式で行っており、講演や発表での情報交換だけでなく、寝食を共にすることで若手研究者間の活発な交流を目指しています。今回も、初日の自己紹介と研究紹介に始まり、合宿場所である旅館「太栄館」では時間無制限の自由な議論、二日目の招待講演では活発な意見交換ができました。招待講演では3名の講師の方にご講演いただき、南極での生態学的な研究から、比較ゲノム解析、顕微分光法による分子科学的な研究と、若手の会のセミナーの特徴である幅広いテーマのお話を聞くことができました。また、今回新たな試みとして大学院の学生の招待講演を企画し、京都大学鹿内研究室の横山さんにご自身の研究内容を発表していた
だきました。結果として多くの参加者にご好評をいただき、ポスドク以上の若手研究者にも良い刺激になりました 。 今 後 も こ の 企 画 を 続 け て い き た い と 思 い ま す の で 、 自 薦 他 薦 問 わ ず、 お 気 軽 に 候 補 者 を 私（cazai@fc.ritsumei.ac.jp）までご連絡ください。詳しいセミナーの様子は、横山さんに執筆していただいた参加報
告記事をご覧ください。
サイエンスアゴラへの出展は、若手研究者のアウトリーチ能力の向上を目指して参加しています。科学研究の成果の積極的な社会への還元が求められる昨今、私たち若手研究者がアウトリーチ能力を延ばしていくことは、研究内容や成果が興味深いものであればあるほど大切なものになってきています。若手の会では2011年からサイエンスアゴラに出展しており、今回で通算3回目となりました。今回は「地球を支える緑の不思議〜光合成博士にきいてみよう！〜」と題し、光合成の解説や最新の研究内容の紹介、光合成生物の展示やデモ実験を通して、一般の方に光合成に興味を持ってもらえるような出展を企画しました。特に今回は、一般の方とのコミュニケー
ションに重きをおき、直接的な対話やソーシャルネットワークサービス（SNS）を通した疑問の募集と回答を行いました。実際に聞いてみると、一般の方の何気ない質問には考えさせられるようなものも多く、それに本気で回答することは私たち自身の能力の向上にも繋がると感じました。SNSでの質疑応答は今後も若手の会で運営を続けていきたいと思います。詳しい活動内容は、後の報告記事をご覧いただきたいと思います。
光合成学会若手の会では、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。
若手の会の活動内容や最新情報は、ホームページ（https://sites.google.com/site/photosynwakate/home）で紹介していますので、ご覧ください。また興味のある方は、若手の会のメーリングリストから随時、最新情報をお知らせしますので、cazai@fc.ritsumei.ac.jpにご連絡下さい。若い気持ちで現場の研究を推進している研究者が交流すること
は、学際性の強い光合成研究では絶対不可欠であると、私は考えています。この記事を読んでいただいた先生方には、ご自身の参加はもちろんのこと、ご指導されている学生さんやポスドクの方に、是非、若手の会への参加をお勧めいただきたいと思います。
最後になりましたが、今回の秋のセミナーの開催とサイエンスアゴラ2013への出展には、活動に掛かる費用の一部を本会からご援助いただきました。この場をお借りして、深くお礼申し上げます。

168

光合成研究23 (3) 2013

報告記事

第9回光合成若手の会セミナーで講演して京都大学 大学院理学研究科 修士課程2回生
横山 諒

平成25年10月26-27日に東京大学本郷キャンパスでも雪に覆われていない陸地も多いことが写真でもわか光合成若手の会の第9回セミナーが行われました。前

りました。しかし、その陸地は地球上で最も低温で日から台風27号が日本列島に接近していましたが、当乾燥した環境だそうで、そこに生息する地衣類（菌日は新幹線などの交通機関が大幅に遅れることもな

類と藻類の共生体）などの光合成生物の生理特性をく、無事に開催されました。私にとって若手の会へ

通年でモニターし続け、外部環境の変化との関連付の参加は今回で2回目でしたが、この度は学生招待講

けを試みられていました。半年間の観測では外部の乾演という形で私の研究を発表する機会を与えていた

燥状態に応じて光合成活性が変化する傾向があるこ

だきました。講演での個人的な経験も含め、若手のとを説明していただき、今後の観測ではどうなるのか

会での出来事を紹介したいと思います。

に非常に興味を持ちました。

「今秋の若手の会には参加できるかなぁ。」とぼ2人目の講師は京都大学の熊崎茂一先生で、葉緑体んやり考えていた9月中旬、突然若手の会の幹事の方とシアノバクテリアにおける顕微分光測定について講から講演依頼のメールが届きました。今までの若手演していただきました。まず驚かされたのが、発表スの会ではポスドク以上の方の講演のみでしたが、学ライドに映しだされた光化学系Ⅰから発せられた蛍光会発表とはまた違う緊張感のある場で発表を行うこの写真でした。常温下では蛍光量子収率が高い光化とで学生に経験を付けてもらうという目的で、第9回学系Ⅱに比べ、光化学系Ⅰからの蛍光が非常に低いこ

若手の会から学生に研究内容を紹介してもらうことにとが知られており、光化学系Ⅰの蛍光を解析する場合なったようです。1人あたり20分くらいで複数の学生

は液体窒素で低温にするのが一般的です。しかし近赤さんが喋るのだろうと当初思っており、お引き受け外レーザーを用いることで、光化学系Ⅰからの蛍光をさせてもらいました。その結果、名だたる先生方の見ることが可能になるようです。熊崎先生は、系統講演の後にトリとして、質疑応答を含め1時間の講演立った物理化学的考察をもとに仮説を立ててそれををするということを後からお聞きし、「大変なこと

実験的に検証していくことで多くの興味深い成果を挙を引き受けてしまった。」と発表直前まで思い続けげられていました。一方で、限られた予算内でいかにることになります。

実験装置を工夫するかを大切にされており、自分も是若手の会1日目は、毎回恒例の参加者全員による自非とも見習わなければと思わされました。

己紹介でした。研究の話はもちろん、自身の趣味の昼食を挟んだ3人目の講演では、東京工業大学の堀話など個性的な紹介が数多くありました。特に、研孝一先生が車軸藻植物門クレブソルミディウムのゲノ究の話になると必ず参加者から数多くの質問や提案

ム解析の結果と植物の陸上化に関するお話をしていたが飛んでくるあたり、非常に若手の会らしいなと思だきました。現存する陸上植物は車軸藻植物門からわされます。

進化してきたことが支持されており、特に水中および夜の長い長い宴の翌日は、国立極地研究所・小杉

陸上の乾燥・貧栄養環境でも生育が可能なクレブソ

真貴子先生によるセミナーで始まりました。南極大ルミディウムは藻類から陸上植物への進化を解き明か陸という極限環境に生育する光合成生物の環境適応す上で重要な生物と言われています。ゲノム解析の結戦略を明らかにするべく、自ら南極観測船「しら果、クラミドモナスなどの他の藻類には存在せず、陸せ」で南極へと赴き、しらせでの船内生活や1ヶ月半上植物に特有な遺伝子を既に多く獲得していることが南極で野外調査を行った際の様子をたくさんの写真

明らかとなったということに驚かされました。陸上で紹介していただきました。南極といえば氷や雪に閉植物において循環的電子伝達に関わっていると言われざされた白い大地をまず思い浮かべますが、意外に169

光合成研究 23 (3) 2013

ナズナのNPQ変異体に関する表現型解析結果について報告しました。質疑応答では、同じような研究をしている方や、逆に異なる分野の方からも多くの質問をしていただき大変有難かったです。この若手の会では「光合成」というキーワードの下に様々なバックグ
ラウンドの方が集まっているため、質問の内容は多岐にわたりながらも非常に的を射るものが多く、とても有意義なディスカッションをさせてもらいました。結果的には予定の時間を大幅に超過して質疑応答をさせてもらいましたが、このようなフレキシブルなところも若手の会の良さだと感じました。M 2というこの時期に1時間も発表するということで準備は大変ているNDH複合体関連遺伝子もその1つであり、クレでしたが、多くの方から助言を頂き、非常に有益な

ブソルミディウムは陸上植物と同じようなN D H活性経験をさせていただきました。また、子供のようなを持っている、などの機能解析例も紹介していただけ

感想ではありますが、人生の中で一番「楽しい」とました。植物の陸上化は私も非常に興味を持ってい感じた発表でもありました。来年以降もぜひこのよる研究課題であり、是非ともデータベースが公開されうな企画を継続していただければと思います。

た際には自分が解析している遺伝子について調べてみ

今回ここには書けませんでしたが、多くの知り合いたいと思いました。

との交流やディスカッションも非常に有意義なもので最後は学生招待講演という形で、私がシロイヌナズ

した。来年以降も定期的に若手の会に参加できればとナおけるN P Q（非光化学消光）の研究を紹介させて思います。最後になりましたが、今回のセミナーを運もらいました。NPQとは吸収してしまった過剰な光エ営してくださり、また私をセミナーに招待してくだ

ネルギーを光化学系Ⅱから熱として安全に捨てる反応

さった立命館大学・浅井先生を始めとする若手の会幹です。発表では、近年研究されてきた陸上植物のNPQ事の皆様にこの場をお借りして感謝申し上げます。

誘導機構を紹介しつつ、私が新規に同定したシロイヌ

170光合成研究23 (3) 2013

報告記事
サイエンスアゴラ2013—サイエンスカフェ

地球を支える緑の不思議 — 光合成博士にきいてみよう！— 出展報告
1東京大学 大学院理学系研究科
2立命館大学 生命科学部
3自然科学研究機構 基礎生物学研究所
4大阪府立大学 大学院理学系研究科
5大阪市立大学 複合先端研究機構
6筑波大学 生命環境系
7東京大学 大学院総合文化研究科

1溝上 祐介2浅井 智広

3大西 紀和4岡島 公司サイエンスアゴラ出展の概要

5川上 恵典

6辻 敬典

7成川 礼

7渡辺 麻衣

さて、今回のサイエンスアゴラで実施したことにつ

今年のサイエンスアゴラは、東京・お台場の日本科

いて、いくつか具体的に報告する。

学未来館を中心とした6施設で2013年11月9日、10日の二日間開催された。「科学と社会をつなぐ科学コ

実験と新しい試み

ミュニケーション実践のための広場“アゴラ”」として展示した実験や活動は、昨年のものを基礎とし8回目の開催となり、光合成学会若手の会としては3回た。詳しくは、2012年光合成研究65号の196-198ペー

目の出展となった。サイエンスアゴラは「伝える」か

ジを参照していただきたい。新たに試みた実験や活動

ら「つくる」へというテーマで、人と人とが交わるは以下である。

ことで、思いもよらないアイディアが生まれるような場を作ろうというものである。今回は昨年よりも

1) パネル展示
昨年は小冊子「光合成ってなんだろう？〜光と植物

1,800人も多い、5,800人の入場者があった。
光合成学会若手の会では、「地球を支える緑の不の不思議〜」をポスターで展示したが、小冊子は持ち

思議〜光合成博士にきいてみよう！〜」という企画

帰っていただくこととし、今年はより簡略化したポスで出展した。昨年度は、出展を評価していただき、サ

ターを掲示した。このポスターはトピックスとして、

イエンスアゴラ賞を受賞した。そんなこともあった
ためか、光合成学会若手の会の前会長である成川礼さんは、オープニングセッションにも招待され、「つくるコミュニケーション『最上の問い』」というトークテーマで登壇された。残念ながら、筆者はセッションに赴く時間はなかったが、予約制である
このセッションが数日前から予約締め切りであった
ことからも、盛況であったことが伺える。また、サイエンスアゴラのH P上では成川さんのインタビュー記
事がしおりとして掲載されている。（ h t t p : / /www.jst.go.jp/csc/scienceagora/pdf/29oct2013/shiori.pdf）
このように、昨年の実績から光合成学会若手の会として、光合成についてより知ってもらうためのアピー
ルもできた。

171

光合成研究 23 (3) 2013

参加者の方々の興味を引きそうなこと、例えば、光がションツールとなった。さらに、当日は 1 4 個の質問

植物を傷つけてしまう「光阻害」、酸素を出さない光が集まったため、今後、SNSで回答する予定である。

合成をする「光合成細菌」などについても解説した。

サイエンスアゴラ終了後に、光合成若手の会のSNSア

これらの参加者の意外性をつくトピックスは、参加者

カウントへメッセージなどをいただいており、新たからの積極的な質問を生み出し、参加者と私たちがコな繋がりを作ることができた。今後は、このような

ミュニケーションする上で、よい話題となった。私た

新たな繋がりを発展させていきたいと思っている。

ち出展者と参加者、相互の光合成に対する理解を深め
るには、まず参加者に積極的に質問してもらえる環境

アンケート結果から見えてくることづくりが大切であることを認識した。

昨年に引き続き、今年もアンケート調査を行い、6 6 名の方々にご協力いただいた。アンケート結果

2) 分光器による光吸収実験

は、昨年のものと同様の傾向であったが、いくつか

ミニ分光器を用いて、三原色LEDのスペクトルとクについて言及したい。まず、光合成のイメージが、イ

ロロフィル溶液を通った光のスペクトルを測定するこ

ベント前後でどのように変化したかについての回答結とで、植物の利用する光を感じてもらった。教科書な果を紹介する。イベント前は教科書に書いてあるよう

どで知っている知識であっても、目の前で見てもらいな、「植物」「酸素」「光」「二酸化炭素」などの感動を追体験していただけたと感じている。

キーワードや、近年のトピックである「人工光合成」というイメージが多かった。しかし、イベント後のイメージは光合成の複雑さや、光合成の解明に対する期待が多かった。これは、光合成により深く触れていただいた結果だととらえることができる。光合成は「分かっている」現象で、どのように応用できるのかといった質問が多かったが、基礎研究の重要性を理解していただく上で、「分かっている」ことと同時に「分かっていない」ことを知っていただき、解明することの重要性を伝えることがとても大切であると実感した。研究者たちが直接参加者の方々とふれあい、意見交換する事で、一方的な情報発信でなく、双方向のやりとりを実践する「場」は、人々の光合成に対するイメージをより具体的なものへと変えたといえる。
次に、良かったこと、悪かったことをあげていた
だいた。良かったこととして、スタッフの分かりやす
い説明や研究に対する熱意、また、普段見られない

3) 何でも質問コーナー

ようなものを見られたといった点で評価していただいサイエンスアゴラのテーマである、人と人とのつなた。悪かった点は、ブースのレイアウトであり、「混がりをつくるという目的に基づき、光合成若手の会

み合っていてブースの中へ入りにくい」や「ポスターのSNS（FacebookやTwitter）を利用した光合成に関すが見にくい」などであった。来年以降、改善する予る質問コーナーを事前に設けた。事前に受け付けた定である。他のアンケート結果は以下に記載する。

質問には、 S N S と当日の会場で回答を公開した。また、サイエンスアゴラ当日にはその場で質問を募集

これからのアウトリーチ活動

し、後日SNSで回答するという企画にした。こうする

アウトリーチ活動といっても様々な様式がある

ことで、SNSで多くの方と繋がりをもてると考えた。

が、研究者からの一方的な情報発信だけでは一般の「何でも質問コーナー」では事前に 1 0 個の質問が集

人々が何を知りたいかも分からない。今回の新たなまり、当日発表した回答を見た参加者の方々から試みである、「なんでも質問コーナー」では、相互は、質問も回答もユニークで分かりやすいとの感想

理解を深めるとても良い機会になった。また、サイエをいただいた。これも、当日の１つのコミュニケー

172光合成研究

ンスアゴラは研究者とそれ以外の人々が直接対話できる場である。このような場では、
テンポ良くコミュニケーショ
ンをとることができ、双方の距離を短時間で縮めることが可能である。このようにテン
ポ良くコミュニケーションをとれる手段として、SNSが有効であると感じている。SNSでの繋がりから、新しいことが生み出されると期待できる。今後もSNSを通じて持続的に、コ
ミュニケーションをとり続けていきたいと思う。
地道ではあるが、こうした「場」を持ち続け、双方向のテ
ンポ良いコミュニケーションをとることで、一般社会との相互理解、ひいては光合成研究が発展することを信じている。

謝辞
今回の出展にあたり、多くの方々に支援していただきました。この場を借りて、厚く御礼申し上げます。
国立環境研究所

志村遥平博士（展示用の株および珪藻アー
トプレパラートの提供）
筑波大学

伊藤史紘（当日の運営）
東京大学

榎本元、前田海成、吉野宏明、藤田貴志、宮田一範（事前準備事前準備、当日の運営）
以上、敬称略173

23 (3) 2013

光合成研究 23 (3) 2013

事務局からのお知らせ
2013年6月1日総会において報告しました会員数の動向および承認を受けました2012年度決算と2013年度予算です。
1. 会員数動向
2012年12月末日の会員数	

個人会員

	

入退会者数

	

358	
 (364)

賛助会員

7	
 (7)

計

365	
 (371)

入会( )内は2011年12月末の会員数

退会

個人会員
賛助会委員
計
個人会員
賛助会委員
計

2. 2012年度決算報告
収入の部
会費収入
年会黒字分
計

予算
900,0000
900,000決算
862,200
32,376
894,576差異-37,800
32,376-5,424予算
900,000
80,00030,00010,00010,00050,0000120,000
23,0001,223,000

決算
875,427
89,6400
10,0005,880
10,500
4,995
118,230
0
1,114,672

差異
24,573-9,64030,000
0
4,120
39,500-4,995
1,770
23,000108,323

予算
23,000100,0000
123,000
45,00018,00060,00000
0123,000
0

決算

差異-23,000
50,000236,050
263,050-1,200
2,265
5,752
0
-32,376-237,491-263,050
0

支出の部
会報印刷費
通信運搬費
若手の会補助金
学協会費
振り込み手数料
その他印刷費
雑費
学会賞副賞
年会シンポジウム準備金
計
第3回年会シンポジウム収支決算
年会シンポジウム準備金
シンポジウム出展料
懇親会会費
収入合計
シンポジウム要旨集
ポスター賞副賞
会場使用料
ポスターパネル使用料
一般会計への戻入
懇親会支出
支出合計
収支
2012年日本光合成学会収支決算
収入の部 合計
支出の部 合計差額（次年度繰り越し金）

894,576
1,114,672-220,0961740
150,000
236,050
386,050
46,20015,73554,248032,376
237,491
386,050
0

36
0
36
42
0
42

光合成研究23 (3) 2013

3. 2013年度収支予算
収入の部
会費収入
シンポジウム出展料
年会参加費
懇親会会費
収入合計

本年度予算 前年度決算
900,000
862,200
200,000
150,000
170,0000
240,000
236,050
1,510,000
1,248,250

差異
37,80050,000170,000
3,950
261,750

本年度予算 前年度決算
600,000
875,427
110,000
89,64030,0000
10,00010,00010,0005,880
30,00010,500046,2000118,230
15,00015,735
256,020
54,24800240,000
237,491
5,000
4,995
1,306,020
1,468,346

差異-275,427
20,36030,0000
4,120
19,500-46,200-118,230-735
201,772
02,509
5-162,326

支出の部
会報印刷費
通信運搬費
若手の会補助金
学協会費
振り込み手数料
その他印刷費シンポジウム要旨集
学会賞副賞
ポスター賞副賞
会場使用料
ポスターパネル使用料
懇親会支出
雑費
支出合計
2013年日本光合成学会予算収支
収入の部 合計
支出の部 合計差額（次年度繰り越し金）

1,510,000
1,306,020
203,980★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175光合成研究 23 (3) 2013日本光合成学会会員入会申込書

平成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

月

日

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〒060-0819

札幌市北区北19条西8丁目

北海道大学

低温科学研究所

生物適応機構学（田中歩）研究室内
日本光合成学会
TEL:011-706-5493 / FAX:011-706-5493
ホームページ: http://photosyn.jp

郵便振替口座銀行振込の場合

加入者名：日本光合成学会

口座番号：00140-3-730290

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

176光合成研究23 (3) 2013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。

177

光合成研究 23 (3) 2013

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。

178

光合成研究23 (3) 2013

編集後記
今号は、5月末に名古屋で開かれた光合成学会の公開シンポジウム「30年後の光合成研究」の特集です。シンポジウムで講演された若手研究者4名とベテラン研究者5名の方に、30年後の光合成研究を見据えた記事を書いていただきました。現在の光合成研究の各分野を代表する方や若手のホープの方の記事で、大変ボリュームのある特集になったと思っております。お忙しい中、原稿を書いていただ
いた著者の方々、序論を書いていただいた佐藤直樹さん、とりまとめをしていただいた鹿内利治さん、田中歩会長に厚くお礼申し上げます。私は、今回記事を書いていただいた若手研究者とベテラン
研究者の中間に位置する中堅（中年？）研究者です。特集の記事を拝見いたしますと、日々、雑多なことに追われ、無為な時間を過ごさないようにすべきだと思いました。今号に対するご意見や本誌に対するご要望がございましたら、knoguchi@biol.s.u-tokyo.ac.jpまで是非お知らせください。
＜東京大学

野口 航＞

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、野口（knoguchi@biol.s.u-tokyo.ac.jp) までご連絡く
ださい。

191

光合成研究 23 (1) 2013

「光合成研究」編集委員会
編集長!

野口 航（東京大学）

編集委員 !

西山 佳孝（埼玉大学）

編集委員 !

園池 公毅（早稲田大学）

編集委員 !

田中 亮一（北海道大学）

日本光合成学会 2013-2014年役員
会長!

!

田中 歩（北海道大学）

事務局長!!

鹿内 利治（京都大学）

常任幹事!!

池内 昌彦（東京大学）!

!

前会長

常任幹事!!

野口 航（東京大学）!

!

編集長

常任幹事!!

西山 佳孝（埼玉大学）!

!

編集委員

常任幹事!!

園池 公毅（早稲田大学）!

!

編集委員

常任幹事!!

久堀 徹（東京工業大学）!

!

渉外

常任幹事!!

太田 啓之（東京工業大学）! !

渉外

常任幹事!!

皆川 純（基礎生物学研究所）!

光生物協会

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

会計監査!!

大岡 宏造（大阪大学）

編集委員!!

田中 亮一（北海道大学）

ホームページ!

高林 厚史（北海道大学）

第23巻

第3号

（通巻68号）

光合成研究

日

本

光

合

成

学

2013年12月31日発行

会〒060-0819 札幌市北区北19条西8丁目
北海道大学低温科学研究所
生物適応研究室内
TEL & FAX : 011-706-5493
e-mail : jspr@photosyn.jp
ホームページ : http://photosyn.jp/

郵便振替口座銀行振込の場合

加入者名：日本光合成学会

口座番号：00140-3-730290

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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