光合成研究

29 (1) 2019

光合成研究第 29 巻 第 1 号（通巻 84 号）2019 年 4 月
NEWS LETTER Vol. 29 NO. 1 April 2019
THE JAPANESE SOCIETY OF PHOTOSYNTHESIS RESEARCH
新会長のご挨拶
集会案内

鹿内 利治（京都大）

3

第 10 回日本光合成学会年会およびシンポジウム開催のお知らせ

解説

シアノバクテリアとその分子生物学

解説

緑藻クラミドモナスにおける光合成ターボエンジンの駆動と制御

池内 昌彦（東京大）山野 隆志 他（京都大）

トピックス

2
5
14

南極の陸生光合成生物における光化学系 II の光不活性化波長依存性と生育環境における光阻害の潜在的リスク
小杉 真貴子 他（中央大 他）
解説特集

39

「光合成と窒素と作物生産」

序文
解説

牧野 周 他（東北大）

40

作物の光合成速度の改良を目的とする自然変異アリルの特定と利用
安達 俊輔 他（東京農工大）解説

29

窒素利用の改変を目指す葉緑体オートファジー研究の進展

41

泉 正範（東北大）

54

相原 悠介（名古屋大）

68

表紙の紹介

サンゴの蛍光タンパク質は共生藻類の誘引に働く

特別企画

第 6 回「海外での研究経験、フランスとアメリカ」

報告記事

生命科学系フロンティアミーティング 2018（第 17 回若手の会セミナー）開催報告

高橋拓子(埼玉大)69

清水 隆之（東京大）73

菅波 眞央（東北大）

74

原田 二朗 他（久留米大 他）

76

報告記事

生命科学系フロンティアミーティング 2018 参加報告

報告記事

第 4 回光合成細菌ワークショップ開催記録

集会案内

第 27 回「光合成セミナー2019：反応中心と色素系の多様性」の開催案内

集会案内

第 10 回 International Meeting «Photosynthesis and Hydrogen Energy Research for Sustainability –78

2019»の開催案内

79

集会案内

80

第 27 回「光合成セミナー2019：反応中心と色素系の多様性」の開催案内

事務局からのお知らせ

81

日本光合成学会会員入会申込書

82

日本光合成学会会則83「光合成研究」投稿規定

85

幹事会名簿

86

編集後記・記事募集

87「光合成研究」編集委員・日本光合成学会 2019 年度役員

88

賛助法人会員広告光合成研究29 (1) 2019

新会長のご挨拶日本光合成学会会長
鹿内利治（京都大学

理学研究科）

2019 年より 2 年間、高橋裕一郎会長の後任として、日本光合成学会の会長をお引き受けすることになりました。力不足の会長ですが、どうぞ宜しくお願い致します。
我々の日本光合成学会は、2009 年に日本光合成研究会から生まれたものです。私は事務局長として、学会への移行にご尽力された伊藤会長、初代の池内会長、それから田中会長、高橋会長の陰で、学会の発展を見てきました。ポスターセッションは池内会長が始められ、最初は演題数も少なかったので
すが、ずいぶん充実しました。若手の方から、大きな学会より良いディスカッションができるとの評判を伺い、年会の形を整えて良かったなと思っています。年会を企画くださった方々のご協力で、立派な会議ができるようになりました。また web 版の光合成事典も良く利用されているようですし、ホームページも充実しました。何よりも頼もしいのは、若手の会が活発に活動していることです。このような発展をみると、そろそろ何もしない会長が出ても良いのかなとさえ思います。と言うのも、皆様
ご存知の様に、我々の学会は年会費 1500 円で運営されております。この手作り感は学会の一つの特徴であり、余計なことはやらないというのも、大事なことかと思います。
日本光合成学会の更なる発展を願われている方々からは、お叱りを受けるかもしれません。私の考えていることを最後に少しだけ述べたいと思います。一つは、学会に移行してから、比較的研究分野の近い方々が会長を務められてきました。研究会の時代より、学会の守備範囲が狭くなっている気がします。光合成研究は、原子から地球のレベルまで、幅広い領域をカバーするのが特徴であり、これまでのように、年会に参加すると様々なことが勉強できるようにしたいと考えています。もう一つ私が考えていることは、国際化の問題です。日本は、欧米諸国から地理的に離れており、国境を超えて研究をするのに敷居が高かったと思います。最近は、中国や韓国の研究のレベルが上がっており、東アジアでも質の高い会議が開催できるようになりました。この流れは加速されるでしょうから、我々も東アジアでの光合成研究の交流の活性化を考える必要があるでしょう。しかし、せっかく良い議論ができている年会をすぐ国際化するのは、考えのものですね。先日、ワトソンの書いた double helix をめくっていたら、イタリアの国際学会は観光が目玉で、多くのイタリア人は早口の英語が理解できな
いと辛辣なことが書いてありました。ヨーロッパでも学会の国際化に時間がかかったのでしょうね。
我々も焦る必要はないはずです。
幸い事務局長の園池さんはとても頼りになりますので、協力して、学会員の方々が、少しでも活動しやすい環境を整備したいと考えております。皆様のご理解とご協力を宜しくお願い致します。

2

光合成研究29 (1) 2019

集会案内

第 10 回日本光合成学会年会およびシンポジウム
2019年5月25日（土）13:00〜26日（日）12:00
京都産業大学 むすびわざ館
https://www.kyoto-su.ac.jp/facilities/musubiwaza/access.html
参加費： 一般（会員）2,000円 一般（非会員）3,000円 学生1,000円＊参加費、懇親会費は当日現金支払いになります
懇親会費：一般3,000円 学生2,000円
参加申込：学会HPより参加申し込み（締め切り2019年5月2日（木））発表形式：ポスターおよび口頭（シンポジウムのみ）＊むすびわざ館は、阪急大宮駅（阪急京都線）、JR丹波口駅（JR嵯峨野線）が最寄り駅です。
阪急の方が、本数が多く便利かもしれません。京都駅、四条烏丸から共に３km程度なのでタクシー利用もできます。
＊京都市内のホテル予約は取りにくくなっています。早めの予約をお願いします。
日時：
会場：

5 月 25 日（土）13:00〜15:00
シンポジウム１ 光合成研究最近の話題（むすびわざホール）
本シンポジウムは、特定のトッピックスに限定せず、シンポジウム２とのバランスを考えて４名の方に講演をお願いしました。光合成学会年会に様々な分野の方にご参加いただく為の試みです。
「シアノバクテリアの物質生産と光合成」
池内昌彦（東大・総合文化）「光合成型複合体Ｉがフェレドキシン依存性を示す構造基盤」
栗栖源嗣（阪大・蛋白研）「光合成は葉緑体の細胞内共生説を支持するのか—−最近の知見から」
佐藤直樹（東大・総合文化）「Tree of life の構築と光合成の進化」
田中歩（北大・低温研）
オルガナイザー：鹿内利治（京大・理）15:20〜17:00
ポスター紹介（むすびわざホール）
17:00〜18:00
奇数番号ポスターセッション
18:00〜19:00
偶数番号ポスターセッション

3

光合成研究29 (1) 201919:00〜
懇親会（むすびわざ館１階食堂）
5 月 26 日（日）9:00〜11:00
シンポジウム２ 藻類と環境との対話（むすびわざホール）
生物は、常に環境との間の相互作用、つまり対話を通して生命活動を営んでいる。藻類はもとより、光合成生物の場合、光や温度といった物理的環境因子は、生命活動を支えるエネル
ギー獲得活動に直結し、種類ごとの生息地を限定する。そして、それらの物理学環境因子の変動を受けて、光合成生物は代謝機能の調節を行うなどの対処を行い、一方、そのような生物の存在そのものが環境の変化をもたらすといった側面もある。また、生物とウィルスとの関わりや、共生生物とそのホスト生物との関わりといった他種生物との関わりは、物理的環
境因子と同じく、生物の生命活動を強く規定することになる。本シンポジウムでは、藻類と環境との対話の複数のモードの話題を通し、藻類そのものへの理解を深めるきっかけとしたい。
「珪藻の光環境変化応答の多様性」
菓子野康浩（兵庫県立大・生命理学）「極域光合成生物の光獲得と防御をめぐる適応戦略とその多様性」
小杉真貴子（中央大・理工）「珪藻とウィルスの対話〜珪藻はウィルスと共存しているのか？」
木村圭（佐賀大・農）「サンゴ共生藻と環境との対話、宿主との対話」
丸山真一朗（東北大・生命科学）
オルガナイザー：菓子野康浩（兵庫県立大・生命理学）、伊福健太郎（京大・生命）
11:00〜12:00
総会・ポスター賞授賞式
12:00
閉会
13:00〜
若手の会セミナーhttps://sites.google.com/site/photosynwakate/home世話人
本橋 健（京都産業大学）：年会準備委員長
鹿内利治（京都大学）：年会企画委員長

4光合成研究29 (1) 2019

解説
シアノバクテリアとその分子生物学

東京大学大学院

総合文化研究科 生命環境科学系
池内昌彦*

唯一の酸素発生型光合成原核生物であるシアノバクテリアは、細菌としても植物への橋渡しとしてもユニークな生物群であり、光合成や光応答現象にかかわる重要なしくみを多くもつ。また、ゲノム研究の草創期から重点的に取り上げられてきたため、その分子生物学的理解は大いに進んでいる。さらに近年の多様なシアノバクテリアの爆発的なゲノム決定を受け、多彩な生命現象と膨大な機能未知遺伝子の関連にますます注目が集まってきている。本稿では、光合成調節にかかわる多様な遺伝子や、代表的な光応答現象である光合成の補色順化や走光性、細胞凝集にかかわる光受容体やシグナル伝達の研究を主観的に紹介し、今後の光合成生物とその機能の進化の解明の一助となることを期待する。
1. 歴史

変異導入である。光合成研究の材料としては、単シアノバクテリアは植物の葉緑体（プラスチド）

細胞性シアノバクテリア Synechocystis sp. PCCの起源となった酸素発生型光合成原核生物であ6803（以下 Synechocystis 6803）、Synechococcus

り、細菌としても植物への橋渡しとしてもユニー

elongatus sp. PCC 7942、Synechococcus sp. PCC

クな生物群である。シアノバクテリアには遺伝子7002 などがよく知られており、それぞれによく操作やタンパク質の構造解析に適したモデル生

使われていた。なかでも、Synechocystis 6803 はヘ

物種が多数知られている。そのため、1982 年にテロ増殖が可能でリソースの整備で先行してい初めて光合成の光化学系Ⅱ複合体の反応中心 D1

た。そのため、かずさ DNA 研究所の田畑らはこ

タンパク質の遺伝子 psbA が植物からクローニンの株をゲノムプロジェクトの対象として選び、イ

グされ、そのホモログ遺伝子が形質転換可能なシンフルエンザ菌やマイコプラズマに続いて、1996

アノバクテリアでクローニングされたとき、シア

年に光合成生物としては初めてゲノムを決定しノバクテリアの分子生物学研究は激しくブースた 1)。また、同時にゲノムアノテーションデータ

トされた。もちろん、ルビスコや CO（無機炭素）2ベースの CyanoBase が公開された 2)。これを受け取り込み機構など他の重要な光合成機能や複製てすぐに遺伝子破壊プロジェクト（1996〜2000

転写翻訳などの分子生物学研究もおのずとシア年）が開始され、筆者は小川晃男さん（名大）やノバクテリアを中心に活発になっていた。タンパ

福澤秀哉さん（京大）らとこれに参画した。実は、ク質の機能解析には、生化学的アプローチが欠か

筆者は 1996 年の完全ゲノム論文の前に発表されせないが、反応中心タンパク質のような疎水性タ

た 1995 年論文 3)をみて、すでにいくつか遺伝子

ンパク質の扱いは非常に難しい。SDS-PAGE でも破壊を始めていた。

シャープな単一バンドとならず、ウェスタンブ

なお、ゲノムプロジェクトにおいて最初にどのロッティングによる膜へのトランスファーや抗種を選択するかはとても重要である。当時、筆者体作製も容易ではない。このような難点を相補的は Synechocystis 6803 を強く推していたので、あに克服するのは分子生物学による遺伝子破壊やとになって他の株を研究対象としている高名な先生方から苦言をいただいたこともある。
Synechocystis 6803 は光合成増殖が速いわけでも*連絡先 E-mail: mikeuchi@bio.c.u-tokyo.ac.jp5光合成研究29 (1) 2019

生化学研究に適したものでもないが、リソースへ（OCP）がカロテノイドのキサントフィル回路なのアクセスが格段に優れていた。これは、同株のどに置換された。OCP はフィコビリソームと相リソースを開発した J.G.K. Williams 博士（デュポ

互作用して、過剰な光エネルギーを可逆的な散逸ン）のオープンマインドな思想とゲノムリソースにかかわる。しかし、細胞内共生直後の灰色藻やのオープンアクセスを推進した田畑哲之博士（か紅藻はフィコビリソームをもつにもかかわらず、ずさ DNA 研究所）の尽力に負うところが大きい。

なぜか OCP を失った。一方、キサントフィル回

筆者も新規遺伝子のクローニングには Williams

路が進化で獲得されたのは珪藻や緑藻の段階で氏のライブラリーを使わせてもらい、網羅的破壊ある。

の プ ラ ッ ト フ ォ ー ム と し て か ず さ DNA 研 のcosmid ライブラリーを使わせていただいた。ま2. シアノバクテリアの多様性

た、ゲノム決定を受けて、すぐに遺伝子破壊プロ

原核生物の遺伝子の多様性は真核生物の比でジェクト（1996〜2000 年）や DNA マイクロアレ

はなく、シアノバクテリアの多様性は藻類や植物

イプロジェクト（1998〜2002 年）などが立ち上をはるかに凌駕している。たとえば、光合成機能

がり、ますます Synechocystis 6803 に世界の研究の核心はシアノバクテリアと植物でよく保存さが集中することになった。

れている。とくに光化学系や電子伝達の成分のいSynechocystis 6803 の研究はこのように活況をくつかの遺伝子は葉緑体 DNA にコードされてお呈したが、2000 年以降、他のシアノバクテリア

り、保存性が特に高い。しかし、そのような遺伝のゲノム決定とともに窒素固定や生物時計、タン子であっても、シアノバクテリアでは独自の多様パク質の結晶化などで他のシアノバクテリアも性が見られる。たとえば、光化学系Ⅱ反応中心の使われるようになり、それらのゲノムも順次決定

遺伝子 psbA はシアノバクテリアでは独自の多重されていった。また、2000 年のアラビドプシス化によって 2−8 コピーに増巾しており、さらにそから始まり、植物や藻類のゲノムも次々と決定さのうちの 1 コピーは他と大きく離れている。これれた。こうして、シアノバクテリアの遺伝子が細は低酸素や紫外線による誘導など特殊な環境応

胞内共生による葉緑体の成立を介して植物の核答を示す 4)というが、そのかけ離れた配列の多様ゲノムへ継承された貢献度も評価できるように性と機能との関係はいまだはっきりしない。一方、なってきた。遺伝子の系統解析は現生の植物や藻

藻類や植物の葉緑体は高度に保存された psbA 遺類を生んだシアノバクテリアの細胞内共生を 1

伝子だけをもち、種間の差異はほとんどない。ま回だけとしているが、その葉緑体の起源となった

た、一群の微生物マット形成型シアノバクテリア

シアノバクテリアはまだ特定されていない。シアは、クロロフィル a よりも長波長を吸収するクロノバクテリアのゲノムには約 1.8 Mb から 15 Mb

ロフィル f を合成するとともに光化学系Ⅰや光化

ま で 広 い 多 様 性 が あ る が 、 約 3.5 Mb の学系Ⅱの反応中心の遺伝子の独自のパラログを

Synechocystis 6803 よりははるかに大きなゲノムもつ。これらはクロロフィル f 合成やクロロフィ

サイズの種が葉緑体の起源となったという。ともル f による遠赤色光による光捕集を可能にするもかく細胞内共生したシアノバクテリアがもってのと考えられている 5)。これらのクロロフィル f

いた遺伝子のうち、単独生活に必要な遺伝子の大関 連 遺 伝 子 は モ デ ル 生 物 で あ る Synechocystis

半は失われた。また、オルガネラ化した葉緑体で6803 などには存在せず、シアノバクテリアの多はシアノバクテリアで独自に発達していた光合様性を際立たせている。また多様な好熱性シアノ

成機能や調節にかかわる遺伝子の多くも失われ、バクテリアが知られており、反応中心複合体タン

代わりに真核生物の新たな遺伝子に置き換えら

パク質の結晶解析や生化学解析によく使われてれていったと考えられる。たとえば、過剰な光エいる。好熱性生物はシゾンなど一部の藻類にもみ

ネルギーを散逸する非光化学消光として、シアノ

られるが、高い好熱性はシアノバクテリアにだけバクテリアのオレンジカロテノイドタンパク質

みられる特性である。

6

光合成研究29 (1) 2019

シアノバクテリア固有の光合成機能やその調増やした 8)。なお、ゲノム決定には生物種も株も節機構においても、シアノバクテリア内でも大き重要であるため、Synechocystis 6803 には複数の株な多様性があることが多い。たとえば、細胞内共が含まれている。しかも、シアノバクテリアでは、

生とともに失われた OCP は、シアノバクテリア

PCC # （ 株 保 存 施 設 、 本 来 は Pasteur Culture

では広く分布するだけでなく、その機能分化が著Collection number）などの株名すら本来の命名規

しい。モデル生物の Synechocystis 6803 は非光化則から逸脱していることもあるので、詳細は専門

学消光型の OCP 遺伝子を 1 コピーだけもつが、家に問い合わせてほしい。ともかく現在では

好熱性 Thermosynechococcus elongatus では異なる

1000 種（株）を超える膨大な数のシアノバクテ

タイプの遺伝子だけをもち、窒素固定型

リアのゲノム情報が入手できるので、その品質のAnabaena sp. PCC 7120 は非光化学消光型を含め評価や系統樹、遺伝子分布などの基礎情報の整備

6)て 5 種もの OCP 関連遺伝子をもつ 。これらのが望まれる。

OCP 関連遺伝子の機能と多様化の意義は、まだ
3. フィコビリソームの多様性

研究途上であるが様々な環境での生存戦略を反映している可能性がある。

フィコビリソームはシアノバクテリアや紅藻、

昨今の次世代シーケンス技術の進歩とコスト

灰色藻の主要な光捕集装置であり、開環テトラピ低下のおかげで、ゲノム決定される生物の種（もロールを共有結合するフィコビリタンパク質のしくは株）の数は急増している。2013 年に Shih

オリゴマーが形成するディスクをリンカータン

らは、シアノバクテリアのすべての系統を網羅す

パク質が串刺しにすることで円筒状のコアシリ

るように新たに 54 種（株）のゲノムを決定し、ンダーや周辺ロッドを形成する。典型的なフィコ

7)各遺伝子の系統樹を作成した 。これによって細ビリソームでは、コアシリンダーが 3〜5 本の束

胞内共生を介して真核光合成生物に継承されたを形成し、その上に 6〜10 本以上の周辺ロッドが遺伝子のカバー率を上げるとともに、光合成関連

結合し、扇形を形成している。またコアシリン

遺伝子の興味深いバリアントを報告している。こダーの束の底面でチラコイド膜に結合し、膜内のれによれば、シアノバクテリア固有のクロロフィ

光化学系複合体にエネルギーを渡している。このル a 結合タンパク質の複数のバリアントがシアため、高エネルギー（短波長）の光を吸収する周ノバクテリアの系統をまたぐように分布してい辺ロッドから、より低エネルギー（長波長）の光る。そのなかには光化学系Ⅰ複合体の三量体化にを吸収するコアシリンダーへの段階的なエネル

関わるサブユニットと融合したものもある。これ

ギー準位の勾配を形成し、光化学系複合体のクロらの遺伝子が普遍的とはいえなくても多くのゲ

ロフィル a への効率的なエネルギー転移を実現

ノムに存在することは、光合成装置の多様性を示している。このようなフィコビリソームの構造としている。

機能は、発色団を結合しないリンカータンパク質

急増するシアノバクテリアのゲノムデータはの連携によって構築されている。しかし、リン

GenBank などのデータベースをサーチするとよ

カータンパク質単独の構造を決定することは難くわかる。しかし、昨今、サーチ対象として「シ

しく、近年のフィコビリソーム超複合体の高分解

アノバクテリア」を指定しても他のバクテリアの能単粒子解析による詳細な構造決定で初めて構遺伝子がヒットしたり、「シアノバクテリア以外」

築機構の理解が可能になった 9,10)。

を指定してもシアノバクテリアの遺伝子がヒッ

このような高度に秩序だったフィコビリソー

トすることがある。これは GenBank 内のデータ

ムの多様性は、光化学系との相互作用に関わる部の整理が十分でないことを意味している。そのた位（ここでは近位という）と周辺ロッドの先端（遠め、CyanoBase のように特化したデータベースが位という）にみられる。つまり、近位側ではアン有用である。2016 年の藤澤らによる CyanoBase

カータンパク質（ApcE）が光化学系Ⅱに結合すの登録種（株）を、それまでの 39 から 376 までるのに対し、リンカータンパク質の CpcL は光化

7光合成研究29 (1) 2019

学系Ⅰに結合する 11,12)。他方、遠位側では赤吸収深い。また、青緑色光によるフィコウロビリンの型のフィコシアニンディスクを終端とするもの

誘導現象についても、研究は進んでいるが、光受から、緑〜橙色光吸収型のフィコエリスリンや容体はまだ同定されていない。

フィコエリスロシアニンを終端に付加するもの
5. 細胞運動と走光性や、青緑光吸収型のフィコウロビリンを一部結合するフィコエリスリンも知られている。一般には、

シアノバクテリアは鞭毛をもたないが、種にこのようなフィコビリソームの多様で精巧な超よって滑走運動、twitching 運動、遊泳運動などを複合体の構築のしくみは解決済みと思われてい示す。とくに、糸状性シアノバクテリアの滑走運

るかもしれないが、これほど研究され尽くしてい動は昔からよく知られているが、その運動機構のるにもかかわらずゲノム上にはまだ機能不明の遺伝子は今でもほとんどわかっていない。一方、フィコビリソーム関連遺伝子がいくつも存在す

単 細 胞 性 Synechocystis 6803 な ど は 断 続 的 なることは驚くべきことである。

twitching 運動による走光性を示すため、遺伝子破壊プロジェクトなどで運動や走光性に必要な遺伝子が多数同定されている 16)。このとき、柔ら

4. フィコビリソームの光質調節（補色順化）
上述のフィコビリソームの多様性には、シアノ

かいⅣ型線毛で周囲に付着し、必要に応じて線毛バクテリアの種ごとに固定されているもの（適応を細胞内へ引き込むことで、細胞運動の推進力と種）と光環境によって調節されるもの（順化種）

している。このしくみは病原性細菌などの線毛運がある。後者の有名な例として、糸状性シアノバ

動と似ているが、走光性には特殊な光受容体が必クテリア Fremyella diplosiphon で、赤色光で培養要である。Synechocystis 6803 では、PixJ1, PixA

すると細胞はフィコシアニンを多く蓄積して青（UirS）というシアノバクテリオクロムと PixD

緑色を呈し、緑色光で培養すると細胞はフィコエという BLUF 型光受容体が正の走光性を示すのリスリンを蓄積して赤色を呈する。これは補色順に必要である 17-19)。また、Cph2 というフィトク化という現象で、100 年以上前からよく知られてロムとシアノバクテリオクロムの融合タンパク

いた。この補色順化を示す種が網羅的に調べられ質もかかわるようである 20)。制御のしくみとしているが、近年の遺伝子の解析をもとに大きく見ては、PixJ はタンパク質リン酸化を介した線毛駆直された。具体的には、補色順化の光応答は、シ動装置の活性調節、PixA は線毛装置の発現調節、

アノバクテリオクロムという光受容体による転PixD はタンパク質相互作用を介する駆動装置の写調節因子の活性調節によるものである

13,14)。

活性調節、Cph2 は二次メッセンジャー分子のサ

RcaE という赤色光活性型のシアノバクテリオク

イクリックジグアニル酸（c-di-GMP）による駆動

ロムがフィコエリスリンとフィコシアニンを鏡装置の活性調節と考えられるが、その詳細はどれ

像的に誘導する。一方、CcaS という緑色光活性も未解明である。このように複数の制御系が走光型シアノバクテリオクロムは、フィコエリスリン性調節にかかわることは、多数のシグナル伝達とまたはフィコエリスロシアニンの蓄積、またリン

クロストークする複雑なネットワークの存在をカータンパク質 CpcL を誘導する

15)。とくに広瀬示唆している。

らは GenBank に登録された約 1300 種（株）のシ6. 細胞外多糖と細胞凝集の調節

アノバクテリアゲノムの網羅的解析を行い、補色順化には上記の組合せで少なくとも 7 つの遺伝型があることが明らかにした

15)

多くのシアノバクテリアはさまざまな細胞外。さらに、種（株）

多糖を分泌し、バイオフィルムや群体、凝集体をの系統と遺伝子型を比較することで、補色順化能形成することが知られている。ただ、“ラボストが水平移動によって多くのシアノバクテリアにレイン”ともいわれる多くの培養株では、このよ伝播したことがわかる。これは多様な光合成の調うな性質は液体培養において不都合なので、失わ節の進化のシナリオの解析例として非常に興味れているものが選抜されている。しかし、細胞外8

光合成研究29 (1) 2019

図１．代表的なシアノバクテリアの光受容体と光応答現象
2009 年当時の概略図（池内、成川原図）で、その後も多くの光受容体の関与が明らかになっている。
略称:Sy, Synechocystis sp. PCC 6803; An, Anabaena sp. PCC 7120; Fd, Fremyella diplosiphon, Tlr0924（SasA）はThermosynechococcus の光受容体

多糖はしばしば光合成生産の主要産物であり、細環境応答や光合成物質生産のブレイクスルーと胞凝集体の形成などにかかわっていることはまなるかもしれない。

ちがいない。このような細胞外多糖の生産とその調節の研究には、その性質を保持した株の利用が

7. シアノバクテリアの光受容体と光応答現象の重要である。筆者らは、偶然に好熱性シアノバク

多様性と分子機構

テリア Thermosynechococcus vulcanus RKN 株が低

すでに述べたように、シアノバクテリアは光合温光条件で顕著な細胞凝集を示すことに気づき、成や光応答の多様な遺伝子の宝庫であり、図１とその原因物質がセルロースであり、その合成酵素

表１にそれらの一例を示す。これらは現象と遺伝を破壊すると凝集もセルロース生産も失われる子（光受容体および標的装置）の関係が明らかにことを見いだした21)。しかし、そもそもは、かなっている希なケースといえる。今、多様なシア

ずさ DNA 研究所のゲノム決定に参画して、好熱

ノバクテリアのゲノムデータベースをひもとけ性シアノバクテリアにセルロース合成酵素の遺ば、そこには数万を超える光合成や光応答にかか伝子があることに気づいたことがきっかけでわる未同定遺伝子がみつかる。また、シアノバクあった。このセルロース生産と細胞凝集を手がか

テリアには光合成だけでなく窒素固定能や複雑りとして、合成酵素複合体をコードする遺伝子群

な細胞体制をもつもの、藻類や菌類、植物と共生や低温による誘導のしくみが明らかになった

22)。

するものなど、きわめて多様性が高く、それぞれ

また、光による酵素の活性化には、上述のに固有の調節機構があるはずである。しかし、多c-di-GMP 合成と分解にかかわるシアノバクテリ

くのシアノバクテリアでは形質転換法が確立さオクロム型光受容体 SesA B C の協調的制御が関れていないため遺伝子の機能解析が容易でない。

わっていた23,24)。細胞外多糖は多様性が甚だしく、今後は、個別の形質転換法の開発や評価可能なモ

他の生物にそのまま外挿できるわけではないが、デル系への遺伝子セットの導入などのクロスエ

9光合成研究29 (1) 2019

表 1. 代表的なシアノバクテリアの光応答現象と光受容体
光応答現象

作用光

光受容体

光受容体の出力

標的装置

生理作用

補色順化

緑色光

CcaS

His キナーゼフィコビリソーム

集光装置の光順化

同上

赤色光

RcaE

His キナーゼフィコビリソーム

集光装置の光順化

同上

遠赤色光

RfpA

His キナーゼ

クロロフィル f

集光装置の光順化

走光性

青色光

PixJ, PixD

タンパク質相互作用

Ⅳ型線毛

Twitching 細胞運動の光制御

同上

紫外光

PixA

タンパク質リン酸化？

Ⅳ型線毛

Twitching 細胞運動の光制御

細胞凝集

青色光

SesA(Tlr0924)他

c-di-GMP 合成分解

セルロース合成酵素

バイオフィルム形成の光制御

ンジニアリングを駆使することで、その多様性のある。そのため、これまでは光応答性の多様性の全貌が明らかになることを期待している。

研究が主にされてきたが、今後はその生理的機能の解明が待たれる。しかし、光応答現象は、多く

8. 光受容体の基礎と応用の場合シアノバクテリアの生存に必須ではない

これまでシアノバクテリアの環境応答についため、遺伝子の確認だけでは不十分である。たとて述べたが、他の生物と比べて圧倒的に光応答がえば、上述の ccaS という補色順化にかかわる遺複雑で多様化している。なかでもシアノバクテリ

伝子は、最初にゲノム決定された Synechocystis

オクロム類は筆者らが発見･命名した一群の光受

6803 ではすでに破壊されていたため、その研究容体である。これは開環テトラピロールを発色団は容易ではなかった。このような教訓を糧に、シとして結合する GAF ドメイン単独で光化学反応

アノバクテリアの多様な光応答の生物学が今後が完結するシンプルな光受容体であるが、その感花開くことを期待している。

知する光は紫外光から赤色光まで非常に幅広い

シアノバクテリオクロムは応用研究でも注目ことが特徴の一つである。その主な理由は、発色されている。これと近縁なフィトクロムは、上記

団の種類とともにその多様な反応性にある。光化の GAF ドメインだけでなく前後のドメインも必

学反応は開環テトラピロールの末端のピロール

要とする大型の光受容体で、シアノバクテリアだ環をつなぐ二重結合の回転異性化というすべて

けでなく、植物や菌類、バクテリアに広く分布し、に共通しているが、その後に引き起こされる Cys

よく研究されてきた。またフィトクロムにはヒト

残基の脱着やプロトンの付加脱離、アポタンパクの皮膚を貫通しやすい遠赤色光に応答するもの

質との相互作用などさまざまな発色にかかわるがあり、光遺伝学（オプトジェネティクス）にも機構がタンパク質ごとに異なっている

25-27)。この応用されている。一方、構造がシンプルなシアノ

ような発色（つまり、光質感知）の多様性は、多バクテリオクロムには遠赤色光型がこれまで知様な光捕集色素が発達しているシアノバクテリ

られていなかった。近年、成川らはシアノバクテ

アならではの進化的帰結といえる。

リオクロムの人工的な改変の研究も精力的に進シアノバクテリオクロムにはヒスチジンキ

めており、長波長吸収型の開発にも成功している

ナーゼドメインや c-di-GMP 合成分解ドメイン、

28)

タンパク質相互作用ドメインなど多様な出力機

テリオクロムには、今後もさまざまな応用研究が構がある。シアノバクテリアの膨大なゲノムデー期待される。

。シンプルで多様な光受容体であるシアノバク

タには、数百のシアノバクテリオクロム遺伝子が9. 光合成による物質生産

含まれているが、その大半の生理的機能は未知で10

光合成研究29 (1) 2019

光合成による物質生産は光合成科学の応用研

M., Sugiura, M., Sasamoto, S., Kimura, T., Hosouchi,

究のひとつであり、光合成の能力を最大限に生かT., Matsuno, A., Muraki, A., Nakazaki, N., Naruo, K.,
Okumura, S., Shimpo, S., Takeuchi, C., Wada, T.,

すには単に目的物質を合成する酵素を大量発現

Watanabe, A., Yamada, M., Yasuda, M. and Tabata,

するだけでは十分ではない。その観点では、遺伝

S. (1996) Sequence analysis of the genome of the

子の多重改変が容易で、細胞構造が単純なシアノ

unicellular cyanobacterium Synechocystis sp. strain

バクテリアが初期のブレイクスルーに貢献する

PCC6803. II. Sequence determination of the entire

可能性は高い。筆者らは、リモネンなどの油性物

genome and assignment of potential protein-coding

質の生産の最適化をあれこれ試みたが、生産量にregions. DNA Res. 3, 109-136.

は厳しい限界があった

29)

2.

。生産酵素の回転速度

Nakamura, Y., Kaneko, T., Hirosawa, M., Miyajima,
N. and Tabata, S. (1998) CyanoBase, a www（活性）だけでなく基質供給や産物の排出などさ

database containing the complete nucleotide sequence

まざまな律速が想定される。これらを詳しく検討of the genome of Synechocystis sp. strain PCC6803.

した陳らの研究では、ソルビトール 2.4 g/L の光

Nucleic Acid. Res. 26, 63-67.

合成生産（培地への排出）を実現している 30,31)。

3.

Kaneko, T., Tanaka, A., Sato, S., Kotani, H., Sazuka,

一方、シアノバクテリア本来の環境応答である塩T., Miyajima, N., Sugiura, M. and Tabata, S. (1995)

ストレスによるスクロース誘導を利用した例でSequence analysis of the genome of the unicellular

は、スクロース排出輸送体の導入だけで 2 g/L 以

cyanobacterium Synechocystis sp. strain PCC6803. I.

上の光合成生産に成功している

32)

Sequence features in the 1 Mb region from map。どちらの場

positions 64% to 92% of the genome. DNA Res. 2,

合も、物質生産と排出は長時間持続しており、光153-166, 191-158.

合成の主要なシンクとなっている。今後は、細胞

4.

Summerfield, T.C., Toepel, J. and Sherman, L.A.

増殖や老化を抑制し、生産だけに集中する光バイ(2008) Low-oxygen induction of normally cryptic

オリアクターの構築が重要になってくるだろう。

psbA genes in cyanobacteria. Biochemistry 47,

また最近のスクリーニングで光合成生産に適し

12939-12941.
5.

た株の開発も加速している。これらの株とモデル

Gan, F., Zhang, S., Rockwell, N.C., Martin, S.S.,
Lagarias, J.C. and Bryant, D.A. (2014) Extensive

生物での分子生物学的改変を組み合わせること

remodelingで、さらに生産性のよいシステムの構築が可能にofacyanobacterial

photosynthetic

apparatus in far-red light. Science 345, 1312-1317.

なれば、実用化へのハードルはかなり下がると期

6.

待される。

Bao, H., Melnicki, M.R., Pawlowski, E.G., Sutter, M.,
Agostoni,

M.,

Montgomery,

Lechno-Yossef,

B.L.

and

S.,

Kerfeld,

Cai,

C.A.

F.,

(2017)

Additional families of orange carotenoid proteins in

10. おわりに

the photoprotective system of cyanobacteria. Nat.

本記事は、筆者のシアノバクテリアの研究を中心に、独断と思い込みでまとめたものであります。
そのため、多くの引用すべき研究や貢献を言及しPlants 3, 17089.
7.

Shih, P.M., Wu, D., Latifi, A., Axen, S.D., Fewer,
D.P., Talla, E., Calteau, A., Cai, F., Tandeau deていません。このような不備に関して、関係者のMarsac, N., Rippka, R., Herdman, M., Sivonen, K.,

方々には陳謝します。最後に本記事を書く機会を

Coursin, T., Laurent, T., Goodwin, L., Nolan, M.,

いただいた成川礼氏には深く感謝いたします。

Davenport, K.W., Han, C.S., Rubin, E.M., Eisen, J.A.,
Woyke, T., Gugger, M. and Kerfeld, C.A. (2013)
Improving the coverage of the cyanobacterial phylum

Received Mar 14, 2019; Accepted Apr 6, 2019; Publishedusing diversity-driven genome sequencing. Proc.

Apr 30, 2019.

Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110, 1053-1058.
8.

Fujisawa, T., Narikawa, R., Maeda, S.I., Watanabe,S., Kanesaki, Y., Kobayashi, K., Nomata, J., Hanaoka,

参考文献

M., Watanabe, M., Ehira, S., Suzuki, E., Awai, K.

1.

and Nakamura, Y. (2017) CyanoBase: a large-scale

Kaneko, T., Sato, S., Kotani, H., Tanaka, A.,
Asamizu, E., Nakamura, Y., Miyajima, N., Hirosawa,11

光合成研究29 (1) 2019

update on its 20th anniversary. Nucleic Acid. Res. 45,

Synechocystis sp. PCC 6803. Plant Cell Physiol. 52,

D551-D554.
9.

10.

2214-2224.

Watanabe, M. and Ikeuchi, M. (2013) Phycobilisome:

19. Okajima, K., Yoshihara, S., Fukushima, Y., Geng, X.,

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Katayama, M., Higashi, S., Watanabe, M., Sato, S.,

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11.

of cyanobacteria. J. Biochem. (Tokyo) 137, 741-750.

Kondo, K., Ochiai, Y., Katayama, M. and Ikeuchi, M.
(2007)

The

20.

membrane-associatedcyanobacterial phytochrome Cph2 inhibits phototaxis

CpcG2-phycobilisome in Synechocystis: a new
photosystem
12.

Iantenna.

144,

21.

Watanabe, M., Semchonok, D.A., Webber-Birungi,

accumulation and a cellulose synthase gene are

M.T., Ehira, S., Kondo, K., Narikawa, R., Ohmori,

responsible

M.,

cyanobacterium

Boekema,

E.J.
of

and

Ikeuchi,M.

phycobilisomesI(2014)

inansupercomplex

of

22.

Thermosynechococcus

in

the

vulcanus

Maeda, K., Tamura, J., Okuda, Y., Narikawa, R.,

2512-2517.

identification of factors for extracellular cellulose

Kehoe, D.M. and Grossman, A.R. (1996) Similarity

accumulation in the thermophilic cyanobacteriumof a chromatic adaptation sensor to phytochrome andThermosynechococcus vulcanus: proposal of a novel

ethylene receptors. Science 273, 1409-1412.

tripartite secretion system. Mol. Microbiol. 109,

Hirose, Y., Shimada, T., Narikawa, R., Katayama, M.

121-134.
23.

Enomoto, G., Nomura, R., Shimada, T., Ni-Ni-Win,the green light receptor that induces the expression of

Narikawa,

phycobilisome linker protein. Proc. Natl. Acad. Sci.

Cyanobacteriochrome SesA is a diguanylate cyclase

U.S.A. 105, 9528-9533.

that

Hirose, Y., Chihong, S., Watanabe, M., Yonekawa,

Thermosynechococcus.

chromatic

acclimation

R.

and

induces

Ikeuchi,

cell
J.

M.

(2014)

aggregation
Biol.

in

Chem.

289,

24801-24809.

regulating

24.

Enomoto, G., Ni-Ni-Win, Narikawa, R. and Ikeuchi,

phycoerythrocyanin and rod-shaped phycobilisome inM.

cyanobacteria. Mol. Plant. in press.

together to form a light color-sensitive input system

Yoshihara, S., Geng, X., Okamoto, S., Yura, K.,

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Murata, T., Go, M., Ohmori, M. and Ikeuchi, M.

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(2001) Mutational analysis of genes involved in pilus

18.

aggregation

Midorikawa, T. and Ikeuchi, M. (2018) Genetic

C., Murata, K., Ikeuchi, M. and Eki, T. (2019)

17.

cell

cyanobacteria. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 111,

Diverse

16.

forRKN. Plant Cell Physiol. 52, 957-966.

and Ikeuchi, M. (2008) Cyanobacteriochrome CcaS is

15.

Kawano, Y., Saotome, T., Ochiai, Y., Katayama, M.,
Narikawa, R. and Ikeuchi, M. (2011) Cellulose

antenna-photosystem

14.

Physiol.

towards blue light. Mol. Microbiol. 44, 981-988.

1200-1210.

Attachment

13.

Plant

Wilde, A., Fiedler, B. and Borner, T. (2002) The

25.

(2015)

Ikeuchi,

Three

M.

cyanobacteriochromes

andIshizuka,
a

new

T.

work

(2008)

structure, motility and transformation competency in

Cyanobacteriochromes:

superfamilyofthe unicellular motile cyanobacterium Synechocystis

tetrapyrrole-binding photoreceptors in cyanobacteria.

sp. PCC 6803. Plant Cell Physiol. 42, 63-73.

Photochem. Photobiol. Sci. 7, 1159-1167.

Yoshihara, S., Katayama, M., Geng, X. and Ikeuchi,

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R., Ukaji, Y., Inomata, K., Lagarias, J.C. and Ikeuchi,

holoprotein shows novel reversible photoconversion

M. (2013) Green/red cyanobacteriochromes regulate

between blue- and green-absorbing forms. Plant Cell

complementary

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Watanabe, M. and Ikeuchi, M. (2011) Novel
photosensory

two-component

27.

Fushimi,K.

chromaticandacclimation

Narikawa,

R.

via

a

(2019)

systemCyanobacteriochromes: photoreceptors covering the(PixA-NixB-NixC) involved in the regulation ofentire UV-to-visible spectrum. Curr. Opin. Struct.

positive and negative phototaxis of cyanobacterium

Biol. 57, 39-46.

12光合成研究28.

Fushimi, K., Miyazaki, T., Kuwasaki, Y., Yamamoto,in the cyanobacterium Synechocystis PCC 6803. J.

T., Miyake, K., Takeda, Y., Nakajima, T., Park, E.Y.,

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29.

29 (1) 2019

promiscuous

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photosynthetic

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production and optimization of photosynthetic supply

Cyanobacteria and molecular biology
Masahiko Ikeuchi
Department of Life Sciences (Biology), Graduate School of Arts and Science, University of Tokyo

13

Environ.

光合成研究29 (1) 2019

解説
緑藻クラミドモナスにおける光合成ターボエンジンの駆動と制御

京都大学 大学院生命科学研究科
山野 隆志、福澤 秀哉*
多くの藻類は、二酸化炭素（CO2）欠乏ストレス環境においても光合成を維持するために、膜輸送体–

やチャネルを用いて積極的に細胞外から葉緑体に無機炭素（Ci: CO2 と HCO3 ）を取り込み、固定酵素
周辺に CO2 を濃縮する仕組み「無機炭素濃縮機構」を持つ。「光合成のターボエンジン」にも例えられるこの仕組みは、シアノバクテリア、緑藻、珪藻を用いた研究でその共通性と多様性が明らかになってきた。本稿では、無機炭素濃縮機構の駆動とその制御について、クラミドモナスを中心に最新の知見を紹介する。
輸送に関わるアクアポリンが同定されている 1)。

1. はじめに
人類は、温暖化・食糧不足・エネルギー枯渇なC4 植物では、維管束鞘細胞と葉肉細胞の複雑など様々な問題を抱えている。これに対して、藻類相互作用による有機酸の脱炭酸反応を介する濃が持つ無機炭素濃縮機構（Carbon-concentrating

縮経路が存在するが、CO2 や HCO3 を能動的に葉mechanism: CCM）を利用し、光合成の能力を極緑体に運ぶ輸送体は見つかっていない。

–

限まで高めた植物を創出することで解決しよう

微細藻類の光合成による一次生産は、地球上のとするプロジェクトが世界的規模で進められて光合成全体の約 50 %を占めることから、水圏環いる。その研究の土台となる CCM の基礎的な知境における光合成を理解することは重要である

見が相次いで報告されるなど、CCM 研究はホッ2,3)

トトピックスのひとつになりつつある。本稿では、に存在するが、以下の i) – vi) に述べる理由から

その発見から約 40 年に渡る CCM の分子機構の光合成の基質である CO2 が欠乏し、Rubisco によ

解明の歴史について、最新の知見を踏まえながらる CO2 の固定能は理論値の約 25%に制限される

振り返り、緑藻の CCM の分子機構の理解がどこ

4)。微細藻類にとって電子供与体である水は豊富。

まで進んだのかをクラミドモナスを中心に紹介
i) 現在の大気と平衡状態にある淡水を模した系する。

において、水圏環境の CO2 濃度は通常 15 µM 以
2. 水圏における光合成の CO2 欠乏ストレス

下 で あ り 、CO2 固 定 酵 素 Ribulose 1,

植物は太陽光のエネルギーを利用して水と5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (Rubisco) のCO2 から有機物と O2 を作る光合成を行い、地球最大反応速度の半分を与える CO2 濃度「Km(CO2)

上の全ての生命活動を根底から支えている。特に、値」よりも低い。Jordan and Ogren（1981）の試

光合成に必要な CO2 を効率よく細胞内に取り込算によると、シアノバクテリアと緑藻の Km(CO2)

む過程は、光合成の律速となる要因の一つである。

値はそれぞれ 105–320 µM および 25–38 µM であ

陸上植物では、葉の表皮にある気孔が開閉してり、9–19 µM を示す高等植物の Km(CO2) 値に比CO2 を取り込む量を調節し、また受動的な CO2

べて高く、そのため CO2 に対する親和性が低い
5)*連絡先 E-mail: fukuzawa@lif.kyoto-u.ac.jp14。

光合成研究29 (1) 2019ii) Rubisco は、Ribulose 1, 5-bisphosphate (RuBP)

して，低 CO2 条件では親和性が上昇し、約 35–40に CO2 を結合して 3-Phosphoglycerate (3-PGA)をµM を示す 9)。

生成することでカルビン・ベンソン回路に入るカC4 型光合成における有機酸の脱炭酸反応を介

ルボキシラーゼ反応だけでなく、RuBP に O2 をする濃縮経路（Biochemical な CCM）とは異なり、結合して 3-PGA と 2-Phosphoglycolate (2-PG)を生藻類の CCM は細胞膜や葉緑体包膜に局在する成するオキシゲナーゼ反応も触媒する。CO2 の供

Ci 輸送体やチャネルを介した Ci の直接的な輸送給が限られる水圏環境においては、Rubisco の触（Biophysical な CCM）による。これは、「細胞媒反応はカルボキシラーゼ反応よりもオキシゲ

外から葉緑体内への Ci の輸送」→「HCO3 からナーゼ反応に傾きやすくなる。

CO2 への変換・濃縮」→「CO2 の固定」→「漏れiii) 光合成生物の細胞密度の増加に依存して、溶た CO2 のリサイクル」からなる 4 つの過程と、存 CO2 の 50–80 %が光合成によって消費される

それを制御する仕組みとして捉えられる。これは、6)自動車などのターボ（チャージャー）エンジンが–。

iv) 水中における CO2 の拡散速度は大気中の場合

燃料を燃やすために使う酸素を圧縮し、より多く

7)に比べて 10,000 分の 1 と低い 。

のパワーを作り出す仕組み「酸素の吸入」→「圧v) CO2 は中性以上の pH 条件では水と反応して重縮」→「燃焼・膨張」→「排出」に似ていること–

炭酸イオン（HCO3 ）の形で多く存在する。例えから、CCM は「光合成のターボエンジン」にも–例えられる 10)。

ば、pH 7.8 では HCO3 は CO2 の約 30 倍、pH 9.0
では 400 倍以上になる。
–

vi) 電荷を帯びた HCO3 は細胞や葉緑体を覆う生4. CCM の起源と多様性
シアノバクテリアが地球史に出現した約 30 億

体膜を通過することができない。

年前の地球の大気の CO2 濃度は、現在の数百倍
3. 藻類の無機炭素濃縮機構であったと考えられている。従って地球史初期の藻類はこのような CO2 欠乏環境においても光シアノバクテリアは CO2 欠乏ストレスにさらさ合成能を維持するために、無機炭素（Ci: CO2 とれることなく、CCM をもつ必要はなかった。そ–HCO3 ）を積極的に細胞内に取り込み、CO2 をれ以降の時代における CCM の起源について実際

Rubisco の周囲に濃縮する仕組み「無機炭素濃縮に特定することは難しいが、微細藻類の CCM に機構（Carbon-concentrating mechanism: CCM）」

多様性が生じたのは、大気中の CO2 濃度が急激を持つ。

に減少した環境変化に起因すると考えられる。大

光合成が律速されない 3–5%程度の高い濃度の気中の O2 と CO2 の濃度に関しては、少なくともCO2 を含む空気を通気する「高 CO2 条件」で生育

6 億年前には O2 濃度は現在とあまり変わらないさせた細胞は、C3 植物型の光合成特性を示す。

レベルにあり、CO2 濃度は現在の 15–20 倍（0.6–

これに対して、大気レベルの 0.04 %の濃度の CO2

1.0%）含まれていたとするモデルが報告されていを含む空気を通気する「低 CO2 条件」で生育さる 11)。従って、光強度の高い環境では相対的にせた細胞は、CO2 が欠乏しているにも関わらず細光合成の基質となる CO2 濃度が減少し、CO2 の欠胞は Ci に対して高い親和性を示し、効率的な光乏ストレスにさらされる可能性が考えられ、藻類

8, 9)。藻類細胞の Ci に対はこの時点ですでに CCM を持っていた可能性がする親和性の指標の一つとして、光合成におけるある。さらに、約 4.5 億年前に始まった陸上植物

酸素発生の最大反応速度の半分の値を与える Ciの出現と活発な光合成により、大気中の CO2 濃濃度「K0.5(Ci)値」を用いることが多い。例えば、度が急激に減少し、逆に O2 の濃度が 30 %以上に緑藻クラミドモナスでは高 CO2 条件におけるまで上昇した。この急激な大気組成の変化は、水K0.5(Ci)は pH 7.8 において約 300 µM であるのに対圏環境の微細藻類に極端な CO2 欠乏ストレスを合成を行うことができる生じさせたと考えられ、その結果として微細藻類

15

光合成研究29 (1) 2019

は多様な CCM を進化的に獲得したのではないかと考えられている

12)なるこの問題は、分子遺伝学の力により解決され。つまり、現在の藻類が持ていくことになる。

つ多様な CCM は、地球史初期のシアノバクテリ
アに由来する単系統ではなく、約 4 億年前に存在

6. CCM 研究の分子遺伝学的解析していた微細藻類がそれぞれ独立に獲得した多微細藻類の CCM の分子遺伝学的研究は、主に系統のシステムであることが示唆される。シアノ

単 細 胞 緑 藻 ク ラ ミ ド モ ナ ス Chlamydomonas

バクテリアが持つ CCM に関与する膜輸送体やカ

reinhardtii を用いて進められてきた。クラミドモ

ルボキシゾームの構成因子などの遺伝子群が緑

ナスは、ゲノム情報が解読されていること 21)、藻や珪藻には保存されていないことからも、

エレクトロポレーションによる迅速かつ容易な

CCM の起源が多系統であることが示唆される

11)。

形質転換系が開発されていること 22,23)、大規模挿

シアノバクテリアの CCM は、Synechocystis sp.

入変異株ライブラリーやゲノム編集を始めとしPCC6803 や Synechococcus elongatus PCC7942 なた分子遺伝学的ツールが整備されていること

どをモデルとして精力的に研究されているが24-26)

13,14)

が可能であること 27)などの理由から、光合成、、本稿では緑藻の CCM を中心に紹介する。

、四分子解析を用いた遺伝解析（分子育種）

脂質蓄積、鞭毛運動などの生命機能を遺伝子レベ
5. CCM 研究の幕開け

ルで明らかにすることができるモデル生物である 28)。

宝月と宮地らは、4%と 0.04%の CO2 を含む空気をそれぞれ通気して生育させたクロレラの光

これまでに、高 CO2 条件では正常に生育でき合成特性を調べ、細胞に与える Ci 濃度と CO2 固

るが、CCM の駆動が必要な低 CO2 条件では生育定量をプロットした。すると、0.04%の CO2 を通できない、あるいは生育速度が遅延する変異株が気した細胞は Ci への親和性が上昇することを見複数単離され、その変異原因遺伝子を同定するこ

8)

出し 、その低 CO2 条件で誘導される炭酸脱水酵とで、CCM の駆動や制御に必要な因子が遺伝子

素（Carbonic anhydrase: CA）が細胞の Ci への親レベルで同定されてきた（表 1）。これらの因子

和性を変化させる重要な因子であることを示しの詳細な機能ついては後述する。

た15)。さらに、CA を利用した間接的な Ci 輸送
16)

また以前は、培養中の CO2 濃度について高 CO2。時を同じく条件と低 CO2 条件の二条件に分けて議論されてして、アナベナやクラミドモナスでも CO2 を濃きたが、少なくともクラミドモナスは溶存 CO2を伴う濃縮機構の存在を示した

9,17)、CCM 研究

濃度に応じて少なくとも三段階の順化機構を持は世界的に広まっていった。初期の CCM 研究につことが分かってきた 6)。すなわち、溶存 CO2

おいては、阻害剤を用いた実験や様々な環境条件

濃度が 70 µM 以上の高 CO2 条件（high-CO2: HC）、における CCM の生理学について精力的な研究が6–70 µM の低 CO2 条件（low-CO2: LC）、6 µM 未

行われていたが、微細藻類における Ci の輸送・

満の超低 CO2 条件（very low-CO2: VLC）にそれ

濃縮に関わる CA については生化学的な解析がぞれ順化することができる 29)。例えば、後述す

進んだ 18)。さらに、CA の遺伝子構造が解かれ、る LCIB の変異株は、HC と VLC 条件では生育で一次配列の類似性から、緑藻の酵素がヒト赤血球

きるが、LC 条件では生育できない表現型を示すの酵素と同じグループに含まれる真核型α-CA

30,31)

縮する仕組みがあることが示されに属しており19)。

、陸上植物の葉緑体やシアノバ
7. クラミドモナスの葉緑体内構造

クテリアの酵素が属するβ-CA とは別のグループに属することが示された

20)。しかし、CCM を多くの藻類において、Rubisco は葉緑体ストロ

実際に駆動する膜輸送体やその制御にどのよう

マのピレノイドと呼ばれる構造に集積している。

な遺伝子群が関わるのかは長らく不明であった。

従って、藻類は少なくとも細胞膜と葉緑体包膜の藻類の光合成の仕組みを解明するうえで重要と障壁を乗り越えて Ci を輸送し、Rubisco 近傍に

16

光合成研究表1.

29 (1) 2019

クラミドモナスにおける無機炭素濃縮機構の変異株と原因遺伝子

変異株名

遺伝子

コードされるタンパク質

ca1-3, cia3CAH3α-type carbonic anhydrase

pmp1, ad1

LCIB

Putative carbonic anhydrase

細胞内局在

参考文献

炭酸脱水酵素チラコイド膜ルーメン
葉緑体ストロマ61, 62, 63, 64
29, 30, 31, 79, 90, 91

輸送体・チャネルCemA-like proton extrusion

葉緑体包膜

92

Anion channel

葉緑体包膜

29, 51, 52, 79, 93

HLA3

ABC-type transporter

細胞膜50, 51, 52, 71

CIA8

Sodium:bile acid symporter subfamily

N.D.

94

ccm1, cia5

CCM1, CIA5

Zn2+-binding regulatory factor

核49, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 95

lcr1

LCR1

MYB-transcription factor

N.D.

81

ycf10

Ycf10

Ain-1, lcia

LCIA

Hin-1
cia8

protein-like protein

制御因子

2+

H82

CAS

Ca -binding protein withrhodanase-like domain

チラコイド膜82, 83, 85

光呼吸酵素
pgp1

PGP1

Phosphoglycolate phosphatase

N.D.

67, 68, 96

hcr89

GDH1

Glycolate dehydrogenase

N.D.

69

EPYC1/LCI5

Rubisco interacting protein

ピレノイド

39, 41, 42

その他
lci5
rca1

RCA1

Rubisco activase

ピレノイド

97

had1

HAD1

Putative dehydrogenase

N.D.

98

cia6

CIA6

SET domain methyltransferase

N.D.

99

cia7

CIA7

Putative protein

N.D.

100

N.D., not determined.

CO2 を濃縮する必要がある。クラミドモナスの特複合体のアセンブリと修復が葉緑体内で区画化

徴的な葉緑体内構造（図 1）を利用して、巧みにされていることに関係する可能性がある 32)。

CO2 濃縮を行う仕組みが見えてきた。

藻類の多くは、葉緑体の中に鮮明な顆粒としてクラミドモナスは細胞内に 1 つのカップ状の観察されるピレノイド（pyrenoid: ギリシア語で葉緑体を持つ。細胞の鞭毛がある方向を apical、

pyren：果実の核、eidos：形）と呼ばれる細胞内

反対側を basal とした時、葉緑体の basal 側にピ微細構造を持つ。ピレノイドの有無、位置、形状、レノイドを持つ。また左右に lobe と呼ばれる尖っ数は同一種内で安定しているため、ピレノイドのた構造を持つ。この特徴的な構造の生理学的な意

形態や個数は微細藻の種同定に用いられる。ツノ義については不明であるが、光化学系（PS）II

ゴケ類の例外を除いて、植物が陸上化するに伴ってピレノイドは消失したため、ピレノイドは水圏

17光合成研究29 (1) 2019

環境における光合成の機能に密接に関連するこ腔は葉緑体ストロマと通じており、ストロマとピとが示唆される。

レノイドマトリックスの間で炭素固定代謝におクラミドモナスのピレノイドはデンプン鞘にける低分子を拡散させるための管として働く説、多方向からチラコイド膜が陥入してが提唱されている 35)。実際に、CCM が駆動されおり、このチラコイド膜は特に「ピレノイド

る時に、RuBP と 3-PGA の代謝フラックスがピレチューブ」と呼ばれる。この構造は少なくともノイドとストロマの間で高くなることが示され

囲まれ

33)

60 年以上前の電子顕微鏡像で記述されており34)、ている 36)。また、このミニチューブの構造につ後述するようにピレノイドチューブを介していても、50 年以上前の電子顕微鏡観察によりす

CO2 を濃縮するモデルが提唱されている。さらに、

でに指摘されていたことは特筆すべきことであ

クライオ電子顕微鏡を用いて構築された葉緑体

る 37)。

とピレノイドの三次元構造像から、ピレノイド

これまで、クラミドモナスのピレノイドの実体

チューブ（直径が約 100 nm）の中に複数のミニは Rubisco の集積による静的な結晶構造体であるチューブ（長軸の直径が約 20 nm）が通っていると考えられてきたが、その分裂と合成をリアルタ様子が鮮明に観察された35)。ミニチューブの内イムで観察した結果から、ピレノイドは「液-液図1.
（A）単細胞緑藻クラミドモナスの細胞内構造。（B, C, D）ピレノイド領域の微細構造。ピレノイドはデンプ
ン鞘に囲まれ、チラコイド膜の一部はピレノイドに貫入したピレノイドチューブを形成している（B）。ピレ
ノイドチューブの中にさらにミニチューブ構造が観察される。（C）はピレノイドチューブの断面のクライオ
電子顕微鏡像、（D）はクライオ電子顕微鏡像から構築したピレノイドチューブとミニチューブの三次元構造を示す。（A）はマックス・プランク研究所の Benjamin Engel 博士から提供された図を改変した。（B, C, D）
は文献 35 の図を改変した。

18

光合成研究相分離（liquid-liquid phase separation: LLPS）」さ

29 (1) 2019i) 細胞外から葉緑体ストロマへの Ci 輸送–

れた非膜系のオルガネラである可能性が示唆さ

VLC 条件では、Ci は主に HCO3 の形で輸送されている 38)。LLPS とは、よく振ったドレッシンれると考えられている。HCO3 の輸送には細胞膜グの中で振る舞う油滴のように、分散していた小に局在する ATP-binding cassette (ABC)型輸送体

滴が素早く融合して、より大きい液滴を形成する

high-light activated 3 (HLA3)と葉緑体包膜に局在性質を示す。また、単離したピレノイドのプロテするアニオンチャネル low-CO2 inducible protein

オーム解析から、ピレノイドには Rubisco の他にA (LCIA)が協調して働く 50-52)。ATPase の阻害剤

デンプン・カロテノイド・アミノ酸の代謝、RNAであるバナジン酸を添加すると CCM 駆動時にお代謝・翻訳、テトラピロール・クロロフィルの合ける HCO3 依存的な光合成が阻害され 53)、VLC

成に関わる因子や多くの機能未知タンパク質が条件ではミトコンドリアが細胞膜近傍へ移動す

約 200 種類も含まれていることが分かってきたることから 54)、HLA3 はミトコンドリアから供給

39,40)。

される ATP のエネルギーを利用して HCO3 を輸

Essential pyrenoid component 1 (EPYC1)はピレ

送することが示唆される。また、細胞膜に局在す

ノイドに局在するタンパク質の 1 つである。

る膜タンパク質 low-CO2 inducible protein 1 (LCI1)

EPYC1 は、低 CO2 条件で発現誘導を受ける遺伝

も Ci 輸送に関わり 55)、HLA3 とタンパク質間相子として同定され 41)、コードされるタンパク質互作用することが報告されているが 44)、LCI1 がが低 CO2 条件でリン酸化されることが報告されHCO3–と CO2 のどちらの輸送に関わるのかは明ていた low-CO2 inducible protein 5 (LCI5)と同一のらかでない。

–

–

–

42)

。EPYC1/LCI5 は Rubisco 小

LC 条件では、Ci は主に CO2 の形で輸送される

サブユニットと相互作用し、ピレノイド内部へのと考えられている。CO2 輸送体はまだ明らかでな

Rubisco のアセンブリに必須であることが示され

い が 、 ス ト ロ マ に 流 入 し た CO2 は 後 述 す る

タンパク質である

39)–、リン酸化との関係はまだ分かっていな

LCIB/LCIC 複合体によって HCO3 へ変換される

い。また、細胞から抽出した Rubisco と大腸菌でと考えられている。LC 条件と VLC 条件で発現誘合成した EPYC1/LCI5 を in vitro で混合すると相導される遺伝子群に違いが認められないことか分離された小滴を形成することも示されている

ら 49)、LC 条件では HLA3 と LCIA の HCO3 輸送

43)

活性が翻訳後調節やアロステリック調節によったが–。オミクス解析からは、分子量が約 80 kDa をて不活性化される可能性がある 56)。

超えるタンパク質はピレノイドから排除されていることが分かり 44)、LLPS によって生じる表面

HC 条件では、ヒト赤血球膜に存在する Rhesus

張力がピレノイドへ移行するタンパク質の選抜(Rh)の相同タンパク質 Rh-1 が細胞膜に局在し、。さらに、CO2 の受動的な取り込みを担う 57)。Rh-1 の発現

ピレノイド欠損株の解析から、ピレノイドは炭酸

は HC 条件で誘導され、VLC 条件では抑制され固定の場としてだけでなく、CCM 関連タンパクる。HC 条件における発現を RNAi によって抑制質の蓄積や代謝の制御に影響を与えることも分させた株では、HC 条件で生育が遅延し、VLC 条に関わる可能性が示唆されている

かってきた

46)

45)

件では違いが見られないことから、Rh-1 は VLC。

条件で誘導される CCM の Ci 輸送には直接関わ
8. クラミドモナスの Ci 輸送・濃縮モデル

らないと考えられる。
ii) Ci プールの形成

上記の変異株の表現型解析、変異原因遺伝子の光照射条件における葉緑体ストロマの pH は約

同定、葉緑体内構造、CCM の誘導に伴って発現47-49)、クラミドモナスの

8.0 の弱アルカリ性に保たれているため、輸送さ

Ci 輸送・濃縮経路に関して、以下のような分子れた Ci は主に HCO3 の分子種で存在し、葉緑体メカニズムが推定されている。

包膜に囲まれた Ci プールを形成する。CO2 は生する遺伝子群の情報から–体膜を容易に透過するため、細胞外への漏出を避19

光合成研究29 (1) 2019–

けるには CO2 が迅速に HCO3 へ変換されること

光照射下で、チラコイド膜ルーメン内はプロト–ンの流入により約 pH 5 の酸性に傾いている。そへの変換反応には、β-CA である CAH6 が関与すのため、HCO3 と CO2 の平衡は CO2 側に偏ってると考えられてきたが 58)、CAH6 は鞭毛に局在す

おり、輸送された HCO3 はルーメンに局在するることが報告され 44)、モデルの修正が必要になっα-CA である CAH3 によって容易に CO2 へ変換

た。最近になって、low-CO2 inducible protein B

される 61)。CAH3 が CCM の機能に必須であるこ(LCIB)の相同タンパク質かつ相互作用因子であとは、その変異株の解析により示された。

る LCIC が、亜鉛を配位したβ-CA 型の反応中心

ca1-3/cia3 株は HC 条件では正常に生育できるが、が重要である。ストロマにおける CO2 から HCO3

59)

–

–

、LCIB/LCICLC あるいは VLC 条件において生育が停止する。

複合体がストロマにおける Ci プールの維持に関また、ca1-3/cia3 株は HCO3 の輸送は正常だが、わると推定されている。しかし、大腸菌でタンパ

Rubisco へ供給するための HCO3 から CO2 への変ク質合成した LCIB、LCIC、LCIB/LCIC 複合体の換が損なわれているため、細胞内に大きな Ci

in vitro における CA 活性は検出されなかったた

プールが形成される 61-64)。

構造を持つことが明らかになり

–

–

–

め 59)、in vivo では葉緑体ストロマの HCO3 / CO2v) ピレノイドへの CO2 の拡散と Rubisco による比に応じて CA 活性のオン・オフを調節するよう

固定な制御機構がある可能性が示唆されている。

上述したように、チラコイド膜の一部はピレノ

iii) ス ト ロ マ か ら チ ラ コ イ ド 膜 ル ー メ ン へ の

イドチューブとしてピレノイドに貫入している。

–

HCO3 輸送

また、CAH3 は HC 条件ではストロマのチラコイ–

葉緑体ストロマにある HCO3 は、チラコイド

ド膜ルーメンで PSII と相互作用しているが、–膜に局在する HCO3 輸送体あるいはチャネルを

CCM 駆 動 時 に は ピ レ ノ イ ド 内 （ ピ レ ノ イ ド

介して、ストロマからチラコイド膜ルーメンへとチューブのルーメン）に局在を変化させ、この移輸送されると考えられている。この輸送体あるい動には CAH3 のリン酸化が関わることが示唆さはチャネルはまだ明らかでないが、その候補としれている 65)。従って、CAH3 によって変換されたて LCIB と相互作用する因子でチラコイド膜に局CO2 はピレノイドチューブを介して容易にピレ在が予測されるベストロフィンの相同タンパク

ノイド内部に拡散し、Rubisco によって固定され質が報告されている

44)。卵黄状黄斑ジストロ

る。
vi) ピレノイドから漏れ出た CO2 の再利用

フィー（ベスト病）の原因遺伝子として同定されたベストロフィンは、その相同タンパク質がほぼ

Rubisco によって固定されなかった CO2 は葉緑

すべての生物群で保存されているアニオンチャ

体から細胞質側へ漏出する可能性がある。これをネルである。シロイヌナズナのベストロフィン相防ぐために、ピレノイドの周囲で CO2 をトラッ

同タンパク質は、チラコイド膜に局在する Cl––

プし HCO3 に再変換する機構が推定されている。

チャネルとして H+濃度勾配形成により生じる膜

興味深いことに、LCIB と LCIC は LC 条件では葉電位を打ち消し、プロトン駆動力の調節に関わる

緑体ストロマに分散しているが、VLC 条件では

60)

。クラミドモナスでは、LC/VLC 条件で発現がその局在を変化させ、ピレノイドの周りに集合す誘導されるベストロフィン相同遺伝子が複数見る 31,66)。従って、β-CA 型の反応中心構造を持つ

出されている 47)。遺伝子重複により変異株の表

LCIB/LCIC 複 合 体 が ピ レ ノ イ ド か ら 漏 れ 出 た

現型は解析が難しいが、今後はゲノム編集を用い

CO2 を HCO3 に変換することで、CO2 を再利用す

た多重遺伝子破壊株の作出による機能解析が期るモデルが提唱されている 31)。

–

待される。
–

iv) チラコイド膜ルーメンにおける HCO3 から

9. CCM を誘導するシグナル

CO2 への変換

真核生物において、CCM を誘導するシグナルの実体はいまだに明らかでない。単純に細胞内あ20

光合成研究29 (1) 2019

るいは細胞外の Ci 濃度の低下がシグナルである

cia5 株ではこの走化性が失われたという興味深とする以外にも諸説ある。例えば、光呼吸酵素をい結果も報告されている 80)。

コードする Phosphoglycolate phosphatase 1 (PGP1)

ペリプラズム層に局在する CA をコードすると Glycolate dehydrogenase 1 (GDH1)の欠損変異株

CAH1 のプロモーター配列を用いたレポーター

は CCM が駆動できずに生育が停止し67-69)、これ

アッセイから、CAH1 と LCI1 の発現制御を担うらの遺伝子の発現は CO2 欠乏条件で一過的に誘MYB 転写因子 low-CO2 stress response 1 (LCR1)が、光呼吸経路の活性やその同定された 81)。LCR1 はそれ自身が CCM1/CIA5

代謝産物が CCM の誘導に必要であることが示唆によって発現制御を受けることから、LCR1 はされている。また、DCMU の添加によりペリプ

CO2 シグナルを増幅し、下流の遺伝子に伝える

ラズム炭酸脱水酵素をコードする CAH1 と LCI1

transmitter として機能すると考えられている。

導されることから

47,49)の発現誘導が抑制され

19,70,71)、細胞内への Ci 濃9)縮が阻害されることから 、電子伝達鎖における11. 葉緑体から核へのレトログレードシグナル

レドックス状態の変化が CCM を誘導するシグナによる CCM 遺伝子の転写制御

ルの出発点である可能性も考えられる。また概日

CO2 欠乏条件下で生育できない表現型を指標

リズムが CCM の誘導に関わることも示唆されてとしたクラミドモナス変異株のスクリーニング

72)。近年、分子遺伝学的なアプローチによにより、HLA3 と LCIA の蓄積量が低下した変異

り、CCM の制御に関わる因子が以下のように複株 H82 が単離された 82)。H82 株の原因遺伝子は、数同定されてきた。

植物に特有な Ca2+結合タンパク質 calcium sensing

いる

receptor (CAS)のオルソログをコードしていた 83)。
10. CCM1/CIA5 と LCR1 による CO2 シグナル伝

CAS は疎水領域を挟んで N 末端側に Ca2+結合領

達カスケード域、C 末端側に機能未知の rhodanase-like ドメイ
ンを持つ 84)。

生育に高 CO2 が必要な CO2 要求性変異株 cia5株 73)と C16 株 74)は最初に単離された CCM 調節

H82 株における HLA3 と LCIA の蓄積量の低下

2+

は、HLA3 と LCIA が転写レベルで抑制されてい結合タンパク質をコードする CCM1/CIA5 が同定ることによる 83)。興味深いことに、VLC 条件にされた 75, 76)。CCM1/CIA5 は、mRNA ならびに移して 20 分後では、H82 株でも野生株と同様にタンパク質レベルで CO2 濃度条件に関わらず恒2 つの遺伝子の転写は誘導されるが、2 時間後に常的に発現しており、in vivo で約 280–500 kDa のはその発現量が維持されない。従って、CAS は変異株であり、その変異原因遺伝子として Zn

77)。また、CCM1/CIA5

CCM1/CIA5 に よ っ て 初 期 に 転 写 誘 導 さ れ たは CO2 濃度条件に関わらず核に局在することか

HLA3 と LCIA の発現維持に関わると考えられる。

ら、CCM1/CIA5 が核内で転写因子複合体としてCAS の細胞内局在は、HC 条件では葉緑体全体

高分子複合体を形成する

機能することが示唆されている

78)。CCM1/CIA5に分散するが、VLC 条件ではピレノイドチューの変異株では、LC/VLC 条件で誘導される多くのブに沿ってピレノイド内部へと集合する 83,85)。こ遺伝子群（LCIA、LCIB、LCIC、HLA3、CAH1、の時、ピレノイド内部の Ca2+濃度も上昇している

LCI1 など）の発現誘導が損なわれていることかことから、CAS はピレノイド内で Ca2+と結合しら、CCM1/CIA5 が CO2 のシグナル伝達の最上流て、何らかのシグナルを発信していると考えられに位置するマスターレギュレーターであると推る。すなわち、CAS を介したピレノイドから核49,78,79)、実際に CCM1/CIA5 が CO2へのレトログレードシグナルが、HLA3 と LCIA

あるいは HCO3 と結合してセンサーとして機能の転写の維持に関わり、CCM の制御に関わるとしているかどうかは不明である。マイクロ流体デいうモデルが考えられる（図 2）。藻類の CCM

バイスを用いた実験から、クラミドモナスは約

は主に CO2 の濃度変化により制御されると多く定されているが––30 mM の HCO3 に対して正の走化性を示すが、の研究者が考えてきたが、CAS が CCM を制御す21

光合成研究29 (1) 2019

図2.
（A）緑藻クラミドモナスにおける CCM の駆動と制御のモデル。黒丸で示したチラコイド膜に局在する重炭酸イオン輸送体/チャネル、黄丸で示したレトログレードシグナル、紫丸で示したカルシウムチャネルに関しては未解明である。（B）CCM の駆動に重要な LCIB の葉緑体内局在変化。Clover は改変型 GFP。スケール
バーは 5 µm。（C）CCM の制御に重要な CAS の葉緑体内局在変化。スケールバーは 5 µm。文献 85 の図を改変した。

る発見は 「Ca2+による光合成の制御」という古CO2 のシグナル伝達のクロストークを調べるこ

くて新しい問題を改めて提起するものとなった。

とで、緑色植物が持つ光合成の調節機構の進化と陸上植物の CAS もチラコイド膜に局在し、CO2多様性が解明できると期待される。

ガス交換を行う気孔の閉鎖や、葉緑体から核への
12. おわりにレトログレードシグナルにより植物の免疫応答に関わる遺伝子発現を制御することが報告され86,87)

これまでに述べた数多くの研究によって、緑藻。つまり、CAS による葉緑体を介しの CCM における駆動と制御の全体像が少しずつたレトログレーシグナルは、緑色植物の進化の途明らかになってきた。とはいえ、まだ未解明な点

上で共生により緑藻が出現した早い段階ですでが多く残されている。例えば、チラコイド膜に局に獲得されていたことが示唆される。また、藻類在することが予測される HCO3 輸送体/チャネルの CO2 濃縮と陸上植物の CO2 ガス交換といった、や、ピレノイドから核へのレトログレードシグナ

光合成維持のための CO2 の獲得が、CAS というルの実態は不明である。環境中の CO2 濃度に応共通の因子で制御され、植物進化の過程で保存さ答してピレノイドの内部や周囲へと局在を変化

ている

–

2+

させる LCIB や CAS の局在変化の制御機構につれていることも分かってきた。今後は、Ca と22

光合成研究5.

いても不明である。また、ピレノイドそのもののJordan, D.B., Ogren, W.L. (1981) Species variation
in

機能や、その構築に関わる因子についても明らかでない点が多い。ピレノイドの分裂様式の解明や、藻類におけるピレノイドの多様性と陸上植物に

29 (1) 2019thespecificity

ofribulose-bisphosphatecarboxylase-oxygenase. Nature 291, 513–515.
6.

Vance,P.,

Spalding,

M.H.

(2005)

andgene

expression

photosynthesis,

おけるその消失の謎は、相分離されたオルガネラ

Growth,inChlamydomonas over a range of CO2 concentrationsの性質が植物の進化の過程でどのように変遷しandていったのかを明らかにする上でも重要な課題

CO2/O2

ratios:CO2

regulates

multiple

acclimation states. Can. J. Bot. 83, 796–809.

である 88)。

7.

このような現象を理解するためには、明確な表現型を持つ変異株を用いた順遺伝学的解析は依Jones, H.G. (1992) Plants and microclimate: A
quantitative

approachtophysiology.

Secondedition,environmental
Cambridge,

plant
UK:

Cambridge University Press.

然として重要である。しかし、細胞内のタンパク

8.

質の局在やオルガネラの形態などの観察によっ

Hogetsu, D., Miyachi, S. (1977) Effects of CO2
concentrationて表現型を記述する必要がある場合は、顕微鏡に

duringgrowthonsubsequence

photosynthetic CO2 fixation in Chlorella. Plant Cell

よる変異株スクリーニングに非常に時間がかかPhysiol. 18, 347–352.
9.

るという問題がある。最近筆者らは、蛍光顕微

Badger, M.R., Kaplan, A., Berry, J.A. (1980) Internal
inorganic carbon pool of Chlamydomonas reinhardtii.

鏡・計算機による機械学習・セルソーターの三者

Evidenceを統合した「インテリジェント画像活性細胞選抜

foracarbondioxideconcentrating

mechanism. Plant Physiol. 66, 407–413.

法」によって、機械ベースのクラミドモナス高速

10.

変異株スクリーニングが可能であることを示し

Price, G.D., Howitt, S.M. (2014) Plant science:
Towards turbocharged photosynthesis. Nature 513,

た 89)。今後は、このような先端技術を取り入れ497–498.

ることで、光合成分野における CCM 研究がさら11.

Badger, M.R., Price, G.D. (2003) CO2 concentrating
mechanisms in cyanobacteria: molecular components,に加速することが期待される。

their diversity and evolution. J. Exp. Bot. 54, 609–
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光合成研究29 (1) 2019

トピックス
南極の陸生光合成生物における光化学系 II の光不活性化波長依存性と生育環境における光阻害の潜在的リスク

1
2

自然科学研究機構

中央大学

理工学部生命科学科

アストロバイオロジーセンター
小杉真貴子

1,2

*、小池裕幸1

氷河の後退によって形成された南極露岩域の陸上環境は、低温や凍結、乾燥といったストレスに晒されており、生物にとって極限環境のひとつである。そこには地衣や気生藻など、水分可変型の乾燥耐性を有する光合成生物が優占して生育している。これまでに、その優れたストレス耐性に着目した生理生態学的な研究が行われてきたが、南極における観測の難しさや生物の扱い難さが障壁となり、生物ごとの断片的な情報に留まることが多かった。そこで私達は、微気象観測データと生理学特性デー
タを併せて解析し、生育地での生理活性や生態を再現する手法の確立を目指している。特に光合成効率の大きな低下を引き起こす光阻害に関して、定量的かつ定性的にその影響を明らかにすることが重要である。本稿では、光合成分野で発展を遂げた光阻害に関する研究手法を応用することで明らかになってきた南極光合成生物の光ストレスに対する生理学特性とその多様性について解説する。
1. はじめにされていると考えられる。そのためエネルギー収

南極の陸上環境には、乾燥耐性を有する藻類や支の面から環境への適応を捉えることが重要で

蘚類、地衣類の中の限られた種が生育し、一次生ある。

産者として重要な役割を担っている。そこは、低2. 光化学系における光不活性化の過程

温、乾燥、凍結といったストレスに加え、夏の活動期間には強い紫外線を含んだ日射に晒される

光は光合成生物にとって生育に必須の環境条ため光阻害を起こしやすく、光合成生物にとって件であるが、過剰な光エネルギーは光化学系に損非常に過酷な環境である。光合成生物は南極の厳傷を与え、しばしば光合成効率の大きな低下を招しい環境に如何に適応しているのか。その生理生く。光エネルギーによって引き起こされる光合成

態学的な戦略を明らかにすることは、生命現象の活性の低下を光阻害という 1)。一方で、損傷した

成り立つ絶対条件や柔軟性を明らかにする上で光化学系タンパク質は修復系により再活性化さ重要である。しかし一方で、南極の厳しい自然環

れるが、修復系は光合成電子伝達系で生成する

境は人の活動にも多くの制約を与え、極域研究のATP に依存しているため光が必要である。その発展を拒んできた。長期の現地調査が難しいこと

ため、光阻害による光合成活性の低下は損傷と回や、試料が希少で代謝活性が低いことにより、生復の速度のバランスで決定される 2,3)。光損傷と物の生理生態学的特性に関してこれまで断片的回復は別々の環境要因によって左右されるため、な情報しか得られてこなかった。南極の厳しい環

光阻害について研究する際は２つの過程を分け

境下では資源をめぐる他生物との競争は希薄でて考えることが重要である。本稿では、光によるあり、コストの多くが環境ストレスに対して費や損 傷 が 起 き る 過 程 を 「 光 不 活 性 化（photoinactivation）」、光不活性化の結果生じた
光化学系へのダメージを「光損傷（photodamage）」*連絡先 E-mail: kosugi@bio.chuo-u.ac.jp29

光合成研究29 (1) 2019と定義し、「光阻害（photoinhibition）」の用語

28-30)と区別して用いた。

時の残存（系 II）活性（y）は次の式で表される。

。一次反応なので、ある程度の光を照射した

光不活性化の過程に関してはこれまでに多くの研究がなされてきたが、未だに議論の余地が残さ れ て い る 4-7) 。 光 不 活 性 化 は 大 き く 分 け て

𝑦 = 𝑎×𝑒 &'()×*

Two-step モデルと Excess energy モデルの２つの経路が提唱されている。Two-step モデルは、光化学系 II（系 II）の酸素発生系（Oxygen evolving

この反応係数 kpi はすなわち速度定数である。acomplex: OEC）が光により直接的に破壊され、そは初期値の定数、t は照射時間である。kpi は光子の後に系 II が励起されることで D1 タンパク質のの波長あるいは光量子束密度（photon flux density）

損傷が引き起こされる経路である 8,9)。この時、（n）に依存する。つまり、単色光による照射を反応中心の破壊はマンガンクラスターの吸収ス

行う場合、kpi は光量子束密度あるいはエネルギー

ペクトルに依存することが知られており、UVA

束密度（energy flux density）（I）に対する反応係（315～400 nm）で最も起こりやすく青色光でも数（Npi と Epi）に置き換えることが可能である。

影響が見られる 10-12)。一方 Excess energy モデル
では、光化学系の励起によって生じた酸化力や還𝑦 = 𝑎×𝑒 &+()×,×*

元力が活性酸素を生じるなどして障害を引き起
𝑦 = 𝑎×𝑒 &-()×. ×*

こす経路が論じられている 13-25)。系 II では反応
中心のアクセプター側で行き場を失った電子が酸素へ渡り活性酸素種（ROS）の生成が生じる危

ここで険がある。一重項酸素（1O2）は P680+と Pheo－と𝑁12 ×𝑛 = 𝑘56の電荷の再結合によって生じる 13,14)。また、スー2－パーオキシド（·O ）、過酸化水素（H2O2）、ヒ𝐸12 ×𝐼 = 𝑘56

ドロキシラジカル（·OH）は光化学系から酸素へ電子が渡ることで発生し、タンパク質合成系を阻害することが知られている 15-17)。これにより光損

n×t は、単位面積辺りの総光子数（N）、I×t は傷の回復が遅れ、光阻害が加速する 18-20)。系 I の総エネルギー量（ｘ、kJm-2）となる。

光損傷は系 II からの過剰な電子伝達により引き𝑦 = 𝑎×𝑒 &+()×+

起こされ、ROS が関与していることが知られている 21-25)。系 I の回復は系 II に比べて遅いため光𝑦 = 𝑎×𝑒 &-()×9阻害のリスクを増大させるが、自然環境下での系
I の光阻害は系 II に比べると影響が少ないと考えられている 26,27)。

Npi と Epi は波長ごとに、各生物固有の定数となる。
我々の研究では、エネルギー量に対する反応係数（Epi）を用いた 31)。太陽光下における光損傷の3. 自然環境での光不活性化の反応係数を算出す

速度定数は各波長の速度定数（kpi）を積算したもるにはのとなるので以下の式で求められる。

本稿では系 II の光不活性化に関して言及する。
::;<=
>?;<=

光損傷による系 II 最大量子収率（Fv/Fm）の低下

𝑘56 =はタンパク質合成阻害剤の存在下で照射時間に（320 nm から 660 nm までの照射エネルギーに対対して 1 次反応で起こることが知られている

する速度定数）

30

𝐸12

λ

×𝐼λ

光合成研究29 (1) 2019

図１．観測点の地図および写真
観測点は東南極地域の宗谷海岸に面するラングホブデのユキドリ沢中流部に位置する（南極全体図の赤点、およびその拡大図の星印）。元の地図画像は国土地理院から 1968 年と 1978 年に発表されたもの。下図は観測点に設置した定点カメラで撮影された画像と生育する光合成生物の写真である。Site１にナンキョクカワノ
リ、Site２にネナシイワタケ、Site３にヤノウエノアカゴケが生育している。

4. 南極光合成生物における光不活性化の波長依サンプルを吸水回復させ、1.0 mg/ml のストレプ

存性の比較

トマイシンにより回復系を阻害した状態で吸水

昭和基地周辺のラングホブデにあるユキドリ

時における光不活性化の波長依存性を測定した。

沢は、その名の通り夏期間に多くのユキドリが営

光照射は基礎生物学研究所の大型スペクトログ

巣しており、貴重な栄養塩が光合成生物に提供さラフを用いて行い、PAM クロロフィル蛍光測定れるため植生が豊かで南極特別保護地区（ASPA器により照射前後の系 II の最大量子収率（Fv/Fm）

No. 141）に指定されている（図１）。私達が観を測定した。乾燥時における光損傷の測定は、照測地点とした場所はユキドリが毎年営巣に利用

射処理後にタンパク質合成阻害剤を含むバッしている岩の周りに拡がった植生で、氷河の融解

ファーで吸水回復し、Fv/Fm を測定した。照射エ

水ではなくスノードリフトから水が供給される。

ネルギー（kJ m-2）に対して Fv/Fm の残存率をプ

研究対象とした、緑藻類ナンキョクカワノリ

ロットし、算出した反応係数 Epi を波長に対しプ（ Prasiola crispa ） 、 地 衣 類 ネ ナ シ イ ワ タ ケ

ロットしたものが図２である。これは照射エネル（Umbilicaria decussata）、蘚類ヤノウエノアカゴ

ギーに対する光不活性化の波長依存性を表して

ケ（Ceratodon purpureus）は、南極の露岩域に広いる。3 種の生物の中で最も光感受性が高かった

く分布する種で水分可変型の乾燥耐性を有してのはナンキョクカワノリで、特に短波長光による

おり、吸水と共に代謝活性を速やかに回復させる

影響が大きかった。スペクトルから類推して能力がある。南極から乾燥状態で日本に輸送した

OEC が直接破壊される光不活性化が起きている31

光合成研究29 (1) 2019
傷と防御機構に関しては後に詳しく記述する。
5. 太陽光に対する光不活性化の有効放射スペク
トル

各波長で測定した Epi と太陽光放射スペクトル
データを用いて、自然環境下での光不活性化の速度定数を理論的に算出することができる。図３は2013 年 1 月の快晴の日に南極の観測点で測定した太陽光放射スペクトルである。左は直射日光の当たる開けた場所、右はナンキョクカワノリの生育場所付近で 2 時間おきに測定を行った。生育環
境は昼頃まで岩陰で日陰になり、14 時ごろから直射日光に晒される。光不活性化の速度定数は

図2．光不活性化の反応係数Epiの波長依存性
照射光エネルギーに対する光不活性化の反応係数
を吸水状態のナンキョクカワノリ（〇）、ネナシ
イワタケ（△）、ヤノウエノアカゴケ（□）、乾燥状態のナンキョクカワノリ（●）で測定した。
文献 31 より改変。

Epi×I＝kpi で表されるが、これは光不活性化の有効放射（effective photoinactivation dose）として定義することができる。正午の太陽光から計算した
光不活性化の速度定数の波長依存性を図４に示した。吸水状態のナンキョクカワノリにおいて、ことが示唆された。一方、地衣類はどの波長域にEpi は 320 nm が最も高い値であったが、地表に到おいても光損傷がほぼ起こらず、蘚類では 320達する太陽光に含まれる 320 nm 成分の割合は非nm でのみ光不活性化の反応係数が高かったが、常に少ないため、光不活性化の有効放射としては

それでも緑藻の 7 分の１程度であった。興味深い

360 nm がピーク波長となった。もうひとつ着目

ことに、乾燥状態のナンキョクカワノリでは短波すべき点は、660 nm における光不活性化の有効

長光での Epi が吸水時の 10 分の１程に低下した。

放射が青色光と同程度に大きいことである。赤色

これは、乾燥状態では光による OEC の破壊が著光の光損傷に対する影響は盛んに議論がなされしく抑制されたことを示している。乾燥時の光損てきた。最初に赤色光による系 II の光損傷を報

図3．南極の生育地における、ある1日の光放射スペクトルの変化
2013 年 1 月 2 日の 8 時から 18 時まで 2 時間おきに太陽光放射スペクトルを測定した。1 日中快晴であった。
文献 31 より改変。

32

光合成研究29 (1) 2019

図4．南極の生育環境における光不活性化の速度定数kpiの波長依存性
図 3 に示した 12 時の太陽光スペクトルに対する光不活性化の速度定数 kpi を、ナンキョクカワノリ（〇）、ネ
ナシイワタケ（△）、ヤノウエノアカゴケ（□）、乾燥状態のナンキョクカワノリ（●）において算出した。
文献 31 より改変。

告したのは Kok であった 32)。しかし、光損傷の致するのかを確かめるため、ソーラーシミュレー

大きな原因と考えられている Two-step モデルにタ―（HAL-C100、朝日分光）を用いて照射実験

よる OEC の破壊は、短波長光によって引き起こを行った（図６）。ストレプトマイシンで処理しされ、赤色ほどの長波長光では起こらないとされたナンキョクカワノリに対して 260、580、1750

ている

9,33)

µmol photons m−2 s−1 の３つの光強度（スペクトル。一方 Excess energy モデルでは、赤色光による光損傷はクロロフィルに吸収された光エネルギーが過剰となり、ROS を発生させることで引き起こされると考えられるが、系 II の損
傷にはほとんど関与しないとされていた 6,19)。しかし近年、ROS による直接的な系 II の損傷が高等植物や珪藻で報告されている 34-36)。緑藻のナン
キョクカワノリにおいても赤色光による系 II の光損傷が起きており、太陽光下では青色光と同程度に光損傷を引き起こす原因となっていることが示唆された。
6. 光不活性化の速度定数の検証と回復速度定数
図5．南極における、ある1日の系II光不活性化の速度定数の時間変化
直射日光の当たる開けた場所（直線）、生育地周辺（点線）での系 II の光不活性化の速度定数 kpi を、
ナンキョクカワノリ（〇）、ネナシイワタケ（△）、ヤノウエノアカゴケ（□）、乾燥状態のナンキョ
クカワノリ（●）において算出した。文献 31 より
改変。

の算出

白色光下での光不活性化の速度定数 kpi は、照射光の各波長における光不活性化の有効放射の
積算値（

::;<=
>?;<=

𝐸12

@

×𝐼@ ）として求められる。

図３の太陽放射スペクトルと各生物の Epi から算出した自然環境下での kpi の 1 日の変化を図５に示した。この kpi の理論値と実測値がどの程度一33

光合成研究29 (1) 2019

図6．疑似太陽光による系IIの量子収率低下の影響
260、580、1750 の光強度で吸水状態のナンキョクカワノリに 30 分間の光照射を行った際の Fv /Fm の変化を
10 分おきに測定した。計算値の値は照射光スペクトルから算出した kpi （∑??@AB
CD@AB 67𝐸9: ; ×𝐼< }） を用いて計<算した。文献 31 より改変。

の形は同じ）で照射し、Fv/Fm の値を測定した。

でなく回復系にまで及んだ可能性がある。損傷の放射光スペクトルから各波長域の放射エネル

速度が回復速度を上回ったため 30 分の照射で光ギーを求め、ナンキョクカワノリの Epi を用いて阻害が大きく進行した。1750 µmol photons m−2 s−1

kpi を算出し、Fv/Fm の値をシミュレーションしたは南極の夏期間の最も光強度が強い環境に相当のが×印、実際の測定値が●印である（図６）。

する。こうした光に吸水状態のナンキョクカワノ

実測値と計算値のずれは５％以内に収まったこ

リが晒された場合、光阻害が進行し、光合成効率とから、光放射スペクトルと Epi により光損傷のは低下することが予測できる。光―光合成曲線を

速度定数を見積もることができることが示され測定すると 500 µmol photons m−2 s−1 辺りで電子伝た。光不活性化の速度定数が明らかになると、回達速度が飽和に達することから 37)、このくらい

復の速度定数を見積もることが可能となる。図６の光量が最も光合成効率の良い光強度であるとの○印はタンパク質合成阻害剤未処理の条件で考えられる。

光照射したもので、回復系が働くため●印よりFv/Fm の値が高く維持された。回復系が働く状態
での Fv/Fm は以下の式で定義される
𝑦 = 𝑘$%& + 𝑘() ×𝑒,-. /,012 ×3

28)

7. 乾燥状態での光阻害と防御機構。

水分可変型の乾燥耐性種は細胞内の水分の90％を失った状態で長期の乾燥に耐え、再吸水で/ 𝑘$%& + 𝑘()

数分のうちに活性を回復させる能力を持つ。こうした生物は砂漠や極域などのストレス環境に優

260、580、1750 µmol photons m−2 s−1 の光強度での占して生育するが、乾燥時の光阻害に関する研究

回復速度はそれぞれ 0.026, 0.062, 0.033 min−1 と算はほとんど行われておらず、乾燥状態における光出された。回復速度はある光強度までは光損傷速阻害の波長依存性についても未報告であった。吸度に比例して増加し、回復の最大速度に達すると水条件では光損傷の速度定数と回復の速度定数一定になることが知られている 20, 28)。カワノリのが光阻害に影響するが、乾燥状態では代謝が止場合、580 µmol photons m−2 s−1 では回復速度が 260まっているため回復系が動かず光損傷は蓄積さµmol photons m−2 s−1 に比べて上がり Fv/Fm が高い

れていくのみである。つまり、乾燥時の光阻害は値で維持された。しかし 1750 µmol photons m−2 s−
1

光損傷と同義である。ナンキョクカワノリの生育では 580 µmol photons m−2 s−1 より回復速度が低環境での光損傷の蓄積を、乾燥時における光不活

下していることから、光による障害が系 II だけ

34

光合成研究29 (1) 2019

図7．ナンキョクカワノリにおける乾燥時の系IIの光阻害防御機構
吸水時（左図）は反応中心の直接的な破壊と系 II の励起が共に起こるが、乾燥時（右図）は乾燥誘導性の NPQにより反応中心の励起が抑えられることに加えて、OEC の光による損傷が抑えられることで系 II の損傷が軽減する。図中の緑色の分子は集光性色素を示し、濃緑色の分子は乾燥時のクエンチャ―分子を示している。

性化の速度定数からシミュレーションすると、生育することが多い。一方で、南極の中でも比較

Epi が非常に低いにも関わらず、吸水回復後の的温暖な南極半島では、開けた場所一面にコロ

Fv/Fm が 1 日で 4 割程度低くなる計算結果となっニーを形成している。南極半島は東南極地域に比た

31)。一方で、乾燥時も吸水時と同じ光感受性

べて降水量が多く夏期間の日射量も少ないことを持っていた場合を計算すると、１日で Fv/Fm はから、光不活性化の有効放射が少なく回復にかかほぼゼロになると推定された

31)。このことから、るコストも抑えられるため、生産エネルギーの多乾燥時の光損傷の抑制はナンキョクカワノリにくを成長や増殖に費やせるのだろう。また、同じとって非常に重要であるが、乾燥状態が長期間に観測点に生育しているにも関わらず、ナンキョク

及ぶ環境で直射日光に晒され続けるのは危険でカワノリと蘚類、地衣類とは光不活性化の速度定あることが分かる。こうした生理学的特性は、ナ数が大きく異なっていた。ナンキョクカワノリがンキョクカワノリの生態に影響を与えていると回復系に大きなコストを払っているのに対し、地考えられる。

衣や蘚類は光損傷そのものを防ぐ機構を備えて乾燥耐性を有する光合成生物が持つ乾燥時のおり、そこにコストを費やしていると考えられる。

光 阻 害 防 御 機 構 と し て 、 乾 燥 誘 導 性 の NPQ（d-NPQ）が知られている 38,39)。これは、乾燥時

8. おわりにに吸収された光エネルギーがクエンチャ―に渡光合成生物がある環境へ適応する際の絶対条され熱として散逸されることで、系 II 反応中心件のひとつとして、生育に必要なコストが生産エの励起を防ぐ機構である。最近の論文

31)

で新た

ネルギーを超過しないことが挙げられる。南極にに指摘したのは、短波長光による OEC の光損傷

おいては、優れたストレス耐性能力を持つことだが乾燥時に大きく抑制されている点で、d-NPQ

けでなく、限られた利用可能なエネルギーをどことは異なる光防御機構の存在を示唆している（図に費やすかといった戦略が重要であり、特に光に７）。

対する生理学的特性の違いがその戦略に多様性

ナンキョクカワノリは南極の露岩域に広く分を生んでいる。近年、盛んに議論されている「環布するが、本観測点のある東南極地域では開けた

境変動が極域生態系に与える影響」についても、環境に生育することは稀で、日陰の湿った環境にエネルギー収支をめぐる生存戦略の違いが生育35

光合成研究29 (1) 2019
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541–54828.

involvement

annuum L. plants. Plant Cell Physiol. 50, 1815–1825.

damage to photosystem I by chilling in the light:

27.

Oguchi, R., Terashima, I. and Chow, W.S. (2009)39.

Komura, M., Yamagishi, A., Shibata, Y., Iwasaki, I.

Tyystjärvi, E. and Aro, E.M. (1996) The rate constantand Itoh, S. (2010) Mechanism of strong quenchingof photoinhibition, measured in lincomycin-treatedof photosystem II chlorophyll fluorescence underleaves, is directly proportional to light intensity. Proc.

drought stress in a lichen, Physciella melanchla,

Natl. Acad. Sci. U.S.A. 93, 2213–2218.

studied by subpicosecond fluorescence spectroscopy.
Biochim. Biophys. Acta 1797, 331–338

Wavelength dependency of photoinactivation in photosystem II of photosynthetic organisms
in Antarctica and the potential risks of photoinhibition in the habitat37

光合成研究29 (1) 2019

Makiko Kosugi1,2
1
2

Faculty of Science and Engineering, Chuo University,

National Institute of Natural Sciences, Astrobiology Center38

光合成研究29 (1) 2019

解説特集

光合成と窒素と作物生産

Editor:

牧野周、宮尾光恵（東北大学大学院農学研究科）

周（東北大）

40

安達 俊輔、寺崎 千鶴（東京農工大）

41

序文

牧野

解説

作物の光合成速度の改良を目的とする自然変異アリルの特定と利用

解説

窒素利用の改変を目指す葉緑体オートファジー研究の進展

39

泉 正範（東北大）

54

光合成研究29 (1) 2019

解説特集
序文

‡

1

牧野

周 1、宮尾光恵（東北大学大学院農学研究科）

緑の革命と呼ばれたイネとコムギの短稈育種は、人類の食糧の半分を占める穀類作物の飛躍的な増収をもたらした。短稈育種の成功は、多量の窒素施肥に依存したソース能強化とシンク拡大の両者によってもたされたものである。窒素施肥は葉の窒素含量の増加によって光合成を増大させ、同時に穂数や籾数をも増加させた。ハーバーボッシュ法の実用化普及により安価な窒素肥料が大量生産されるようになり、窒素の多量施肥に依存した増収が今日の人口増を支えてきた。しかし、この戦略の延長上での穀類増産では、今後爆発的に増加する人類の食糧を確保することはできない。ポイントは、
いかに少ない施肥で高い光合成能を維持あるいは実現し、穀粒数を確保し、稔実させるかである。前者（ソース）に関しては、種間の多様性と変異に留まらず、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、それを活用していくかであろう。単に個葉レベルでの光合成機能の向上に留まらず、個体としてあるいは群落としての最大光合成をどのように発揮させるかも重要なポイントとなる。後者（シンク）に関しては、多くの有用形質がすでに多数
明らかにされている。それらの有用遺伝子をいかに有効に積み重ね、シンクの拡大を計るかであろう。
そして、拡大したシンクを支えるソース能の向上が実現できた時、飛躍的な増収が期待される。
このような背景に下、昨年 5 月、東北大学青葉山新キャンパスで第 9 回日本光合成学会のシンポ
ジウム「光合成と窒素と作物生産」を開催した。本シンポジウムでは作物生産の窒素利用の最適化とさらなる増産の方向性について 3 人の研究者に話題提供頂いた。
まずは、東京農工大グローバルイノベーション研究院の安達俊輔氏から「自然変異を利用した光合成速度・窒素利用効率向上の展望と課題」というタイトルで、イネの光合成速度の DNA マーカー育種の可能性について議論頂いた。とくに、光合成関連の QTL の利用と展望について紹介頂いた。続けて、東北大学学際フロンティア研究院の泉正範氏より、「体内窒素利用と光合成活性のバランスは改変し得るか？」というタイトルで、オートファジーによる葉緑体分解と光合成活性の衰退のメカニズムについて話題提供頂いた。登熟期の葉の光合成機能を如何に長い期間維持させるかが、収量確保のためにはきわめて重要な課題である。そして、最後に東北大学生命科学研究科の彦坂幸毅氏に、「植物葉群における葉間窒素分配の最適性」というタイトルで、葉群内での光合成を最大限発揮させる窒素の最適化理論と実証データを紹介頂いた。本解説特集では、それらの中から安達氏と泉氏に解説記事を寄稿頂いた。
日本の高いレベルの光合成研究が単に光合成機能のメカニズムの解明に留まるのではなく、人類の食糧増産につながる実用化研究へと応用発展することを期待したい。

‡
1

解説特集「光合成と窒素と作物生産」

連絡先 E-mail: amanemakino@tohoku.ac.jp40

光合成研究29 (1) 2019

解説
作物の光合成速度の改良を目的とする自然変異アリルの特定と利用‡

東京農工大学大学院グローバルイノベーション研究院
安達俊輔*、寺崎千鶴
作物の生産性を高めるためには葉の光合成速度の改良が必要とされる。その方法として光合成システ
ムの制御に関わる遺伝子の改変だけでなく、作物間の自然変異をもたらす遺伝要因の特定と利用が挙げられる。遺伝解析によって見出された有用アリルは DNA マーカー選抜育種に用いられるとともに、遺伝子操作の対象としても期待される。近年の分子生物学の発達に伴いゲノム情報の取得が容易になったことに加え、蛍光解析、スペクトル解析などの表現型評価手法も大きく進歩し、光合成自然変
異をもたらす遺伝要因の解明が進みつつある。本稿では主に圃場における光合成評価手法について解説し、さらに近年の遺伝解析の進展ならびにその課題を紹介する。
1. はじめにY = 0.473 • St •εi •εc •εp

作物の収量は未だ十分とは言えない。現在
75 億人の世界の人口は 2050 年には 95 億人を超と表される。ここで St (GJ m-2) は栽培期間に照射えることから、主食用作物に対する需要は今後される単位面積あたり日射量である。全日射量の1)

いっそう高まると予想される 。また食習慣の変

うち光合成有効放射 (波長 300〜700 nm) の割合化に伴って肉や乳製品の消費の増加が見込まれが 47.3%と見積もられている 8)。εi は作物個体群るため、家畜の餌となる飼料用作物の需要もさらの受光率、εc は吸収した光のバイオマス変換効率、

2)に高まる 。代替エネルギーや工業繊維としてのεp は収穫指数 (植物体全体のバイオマス当たり

作物の利用も主食用作物の需給の逼迫要因の一

収穫部位割合) である。εi には個体群の葉面積の3)つとなる 。懸念される食糧不足を回避するため拡大や葉による光の反射、老化に伴う葉面積の減には、世界の作物の生産量を 2050 年までに現在

少、個体群の構造などが関わる。εc には吸光係数のおよそ倍に高める必要があると考えられていに加えて葉面積あたり光合成速度が影響する。そ4)

る 。一方耕地面積の拡大はほぼ望めないことかして εp にはシンクサイズやソースからシンクへ

ら、求められる作物生産量増加のためには単位土の転流能力が影響する。St は栽培を行う場所や環地面積あたり収量をさらに高めることが必要で境に大きく依存するため、作物の生育期間の延長

5)

ある 。

を除けば人為的にその値を高めることは難しい。
したがって作物収量の増加のためには εi、εc、εp

対応策の一つとして挙げられるのは作物の収量ポテンシャル (作物が最適に管理されたときのいずれかの効率を高める必要がある。

の最大収量) の向上である。作物の収量 (Y) は、

ただし全ての効率を高めるのは難しいかもし

太陽エネルギーの変換効率に着目した Monthiethれない。イネやコムギなどの主食作物の収量は過

の式により

6,7)

去 60 年の間にすでに 2 倍以上に高められた 9,10)。

、

この主な理由は、半矮性遺伝子 sd1 や Rht1 などの利用によって倒伏を防ぎ、さらにシンクサイズ
を拡大して εp を高めたことにあるとされる 9,10)。

‡

解説特集「光合成と窒素と作物生産」*連絡先 E-mail: sadachi@cc.tuat.ac.jp

半矮性品種の倒伏しにくい性質は、生育後半まで

41

光合成研究29 (1) 2019

個々の葉の受光を高く維持 (εi の維持) することへ導入することが可能である。これは特に遺伝子7)にも貢献している 。また現代の作物栽培では εi組み換えによる作物育種が困難な場面で威力をが最大になるように栽植密度を調整するので、品発揮する。第 3 に見出された自然変異アリルは、

種改良によって εi を一層高めてもバイオマス向遺伝子組換えやゲノム編集などのターゲット遺7)

上への貢献は小さい 。一方、現代の作物の εc

伝子としても利用することが可能である。このよは理論的には最大値に達してはおらず、改良の余

うに自然変異アリルの特定と利用は光合成シス

7,11)。特に εc の重要な決定要

テムの遺伝子改変とは異なる特徴を持ち、育種へ因である葉面積あたり光合成速度は、これまでのの応用が容易であることから期待される方法でイネやコムギの近代育種の過程においてほとんある。

地が大きいとされる

ど改良されていないことが示されている

12,13)。

光合成速度の自然変異を育種に利用する可能

2050 年までに収量を倍増するためには εc を少な

性は Austin et al. (1980) 24)や Flood et al. (2011) 22)

くとも 50%高める必要があると考えられており、などの総説で幾度も指摘されてきたが、技術的課

光合成速度の改良は今後の重要な育種戦略の一

題によって研究は停滞してきた。しかしその状況

7)

は過去 10 年ほどの間に大きく変わりつつある。

つとなりうる 。
作物の葉の光合成速度を遺伝的に高める方法

その理由には分子生物学の著しい発展によっては大きく 2 つに分類される。一つは遺伝子組換え作物のゲノムデータを大量に取得可能になったによる光合成関連タンパク質量の上昇・下方制御

こと、そして光合成に関わる表現型の評価手法がや酵素特性の改変である。これについてはこれま

進歩したことが挙げられる。実際に光合成に関わで多くの試みがなされてきている

14-16)。たとえばる遺伝解析が広く行われるようになり、その遺伝

SBPase 含量増加によるカルビンサイクルの代謝要因に関する知見が蓄積し始めている。本記事で

促進

17)

、複数遺伝子の同時導入による非光化学的消光 の光応答促進

18)は圃場環境における光合成評価の方法について、光呼吸バイパス経路の筆者らの工夫を交えて紹介し、さらに遺伝解析の19)などは作物生産向上に

実際と得られた知見についてイネを中心に紹介直結するものとして有望視されている。もう一つする。またこれらの研究による作物生産向上の見は植物間にみられる自然変異を利用した方法で通しとその課題について述べる。

導入による光呼吸抑制ある。葉の光合成速度には幅広い種間差、品種間
2. 圃場における光合成評価差があり、適切に測定すれば異なる環境においても再現性が得られる、すなわち遺伝形質として取り扱うことができる

13,20,21)

遺伝解析を実施するには一度に数千から場合。そして自然変異を用によっては数万の作物個体を取り扱う必要があいる利点として以下の 3 点が挙げられる。第 1

る。そのため多くの場合、栽培面積に余裕のあるに光合成速度の自然変異の生理的要因や遺伝的圃場にて実験が行われる。しかし実験室内の安定要因を解明することで、未知の光合成制御因子をした環境とは対照的に、圃場は光、気温、湿度、特定することが可能となる。特に植物の光合成シ風速などが絶えず変化し、水分や養分の供給にム

ステムそのものは植物間でかなり保存されていラがある、病害虫や雑草の影響を受けるなど、非る

22)。また栽培イネの品種間には Rubisco のキネ

ティクスにあまり違いがない

23)

常に不安定な環境である。光合成速度は他の農業。一方で品種間形質に比べてもとりわけ環境の影響を受けやすに大きな光合成速度の変異があることから考えい形質であることに加え、生育に伴って変化する

ると、これを決定する遺伝要因は光合成システム

ことや、測定する葉位、葉内の場所によっても差自体の質的な変化ではなく、それを量的に制御す異がある。そのため光合成形質に対して精度の高る因子である可能性が高い。第 2 に見出された自い遺伝解析を実施するためには、障害の多い実験

然変異アリルは、人工交配に基づく DNA マー

環境のなかでその影響を極力排除し、品種や系統

カー選抜育種を通じてただちに育種プログラム

42

光合成研究29 (1) 2019

間の差異を浮かび上がらせるための工夫が重要測定に供する。植物側の条件にも気を使う。測定となる。

対象とする葉は主茎の最上位展開完了葉に限定

Flood et al. (2011) は遺伝解析を目的とする光合成評価の条件として以下の 3 つを挙げた22)している。晴天日には昼以降光合成速度が低下す。

るため、一日の間で最も高い値を示す 9 時から

すなわち 1) 再現性：環境による影響を排除し、12 時の間に集中的に測定を行う。当然雨などの光合成速度の遺伝変異を精度良く検出できるこ

荒天日は測定ができず、日射量が十分ある天候のと、2) 迅速性：多数の個体の形質評価を行うた

良い日に限って測定を行うことになる。測定にはめに１個体あたりの測定時間を短縮できること、

LI-6400 携帯用光合成測定装置 (LI-COR 社) を

3) 非破壊性：同じ個体を繰り返し測定して再現使用し、同化箱内環境は大気 CO2、光飽和の条件性の確認や時間変化を捉えるため、測定の際に植としている。この条件は葉の光合成能力を表すの

物体を破壊しないこと。これらを満たす光合成評に適しており、他の自然変異解析の研究において価方法が現在までに複数提案されている。

もしばしば用いられる。予め日光のよく当たって

ここで筆者らが普段行っている光合成測定のいる葉ならば同化箱に挟み込んで数分後に光合手法について紹介したい (図 1)。筆者らは主に圃成速度が安定するので、定常に達したときの値を場で生育したイネを対象に葉のガス交換速度の記録する。このような測定によって品種や系統の測定を行っている。実験圃場として周囲をコンク

光合成速度の差異を高精度に検出することが可リートに囲われた面積約 1 a の水田を用い、土の能となる。

高低や肥料ムラを無くすよう念入りに整備する。

それでもなお圃場におけるガス交換速度の測ここに各系統数個体ずつのイネを列植えし、根が定には課題がある。それは測定には多くの人員と活着したのち圃場にビールケースを埋め込んで労力を要し、一日に測定できる枚数にも限りがあ

その上にアルミ製の足場板を渡す。後の測定実施る点である。したがって１回のシーズンに実施でがスムーズになるよう、足場板上には系統の名称

きる実験規模に限界が生じる。この課題を克服すを書き込んだラベルシールを貼り付けておく。足るためには葉のガス交換速度の代替指標を含む

場板付近は光や養分環境が個体群内とは異なる

よりスループットの高い光合成評価法を用いる

上、人間による接触刺激の影響があるため、足場ことが役立つ。たとえば特定の波長域の吸収率か板から数個体分個体群側に生育した植物個体をら計算される SPAD 値はクロロフィル含量と密図1. 水田に栽培したイネのガス交換測定の様子
左) LI-6400 (LI-COR 社) を用いた測定。右) MIC-100 (マサインタナショナル社) を用いた測定。どちらの場合
も 2 名１組となり、１名が同化箱を支え、もう１名が測定装置を操作する。予め対象とする植物体には印を付けておく。1 時間あたり約 20 枚 (左)、約 100 枚 (右) のサンプルを測定できる。

43

光合成研究29 (1) 2019

接な相関があり、1 サンプル数秒で測定が可能で切除による水分動態の変化やシグナル物質の影ある。SPAD と同様の測定メカニズムで葉の窒素響があることを考慮する必要がある。

含量を測定する装置も市販されている。パルス変

植物体の運搬から表現型調査までをすべて自調クロロフィル蛍光装置であれば、太陽光が照射動化したフェノタイピングプラットフォームのされている野外環境下においても PSII 量子収率開発が盛んに行われている 28)。可視画像に加えを精度良く評価できる。ハンディ型の mini-PAM

クロロフィル蛍光測定システムを設置すること(Walz 社) や FluorPen 110 series (PSI 社) によってによって、多数の個体の成長特性や光合成特性を

多数のサンプル測定が可能なことに加え、長期間に渡って計測できる。これまで主にシロイ

PAM-2500 や monitoring-PAM (いずれも Walz 社)

ヌナズナのような小型の植物が対象であったがは圃場に固定できるので、葉の蛍光強度の日変化

29)を捉えることも可能である

25)、最近では 1.8 m までのサイズの植物体であれ。葉面温度は気孔

ばクロロフィル蛍光測定が可能である計測装置

伝導度を反映すると考えられており、その測定値も開発されている 30)。ただしこれらのプラットを用いて気孔伝導度を予測するモデルが複数作

フォームはコストがかかることや屋外での運用成されている26)。最近ではハイパースペクトルは難しいなどのデメリットがある。

を利用した波長解析によって、炭酸固定速度以上のように最近ではハイスループットな光(Vcmax) や電子伝達速度 (Jmax) を推定できるモデ

合成評価を可能にする手法が数多く開発されてルが開発されている

27)。将来的には測定装置をいる。ただしこれらの手法にはそれぞれ利点と欠

無人航空機 (UAV) に搭載して、リモートセンシ

点があるため、対象とする植物、測定個体数、測

ングによる評価が可能になるであろう。2017 年

定時期、測定環境、研究目的、予算などに応じてには安価で操作性のよいクロロフィル蛍光測定

評価手法を適切に選択することが遺伝解析成功

装置 MultispeQ (PhotosynQ 社) が発売され話題との鍵を握る。また予備試験によって各手法におけなった。また最近ではガス交換速度の迅速測定をる測定誤差を把握しておくことで、実験に必要と可能にした装置 MIC-100 (マサインタナショナル

なる測定個体数を見積もることが可能になる。適社) が市販されている。このような代替手法に切な実験系の確立は、最終目的とする遺伝子単離

よって非常に多くのサンプルの測定が可能になを確実に行うためにも非常に重要である。

る一方、データの信頼性を担保するためには、得られた値を LI-6400 などの高精度なガス交換測定

3. 光合成に関わる遺伝解析

装置による測定値と比較することも必要である。

光合成は数多くの過程が関わる複雑なシステ

圃場での測定の不安定性を取り除くために、実ムである。植物の光合成では、1) 太陽光エネル

験室内に植物体を持ち込んで測定する方法もあギーが光化学系 II および I の光合成色素によってる。最も一般的なものはポットや水耕栽培の植物吸収される、2) 吸収した光エネルギーによってを用いる方法である。これらの利点は植物体の移

チラコイド膜電子伝達が駆動され、電子供与体で動と土壌養水分の制御が容易である点である。一あるフェレドキシン、NADPH、ATP が生成され方根域が制限される、植物体が孤立個体になるな

る、3) これらの物質によってカルビン回路が駆ど、圃場環境とは異なる点があることには注意が動され、Rubisco のカルボキシレーション反応と必要である。圃場に生育する植物体を切り取ってそれに続く代謝系で最終的に糖リン酸が生成さ

実験室内で測定する方法もしばしば使われる。例れる。光合成速度である CO2 同化速度はすなわ

えば Driever et al. (2014) は圃場に育てた多数の

ち Rubisco の活性や、電子伝達によって駆動されコムギ品種に対し、地上部を夜明け前に切り取っる RuBP 再生速度によって律速されることにな。

る 31)。光呼吸速度や過剰な光エネルギーを除去

この方法だと多数の植物に対し実験室環境におする光化学消光 (NPQ) もまた CO2 同化速度に影いて光合成測定を行うことが可能であるが、根の響する。さらに気孔コンダクタンス、葉肉コンダて暗室に静置し、その後光合成測定を行った

13)

44

光合成研究29 (1) 2019

クタンス、クチクラコンダクタンスといった CO2が可能であることから遺伝率の小さい形質に関拡散に関わる過程も重要な律速要因となる。シロ

わる QTL 解析に威力を発揮する。一方で実験系

イヌナズナにおいては全遺伝子のうち 10~15%に統群の育成に時間がかかることや、遺伝子間相互当たるおよそ 3000 の核コード遺伝子が光合成に作用を検出できないなどの欠点がある。

関与しているとされる

32,33)。これは葉緑体へ移行

上記の実験材料を用いてイネのガス交換速度

するタンパク質数のみを示しており、そのタンパに関わる QTL が複数報告されている。例えば

ク質の制御に関与する遺伝子数はさらに多いとZhao et al. (2008) は水ストレス条件下において予想される。光合成速度に関わる遺伝解析の実施

イネの CO2 同化速度を高める QTL を特定し、同は、それら膨大な生化学的ネットワークの中からじ領域に気孔コンダクタンス、蒸散速度、葉内光合成特性の差を決定する遺伝要素を見つけ出CO2 濃度に関わる QTL を検出した 38)。Gu et al.

す、いわば宝探しのような試みといえる。

(2012) はイネ Shennong265/Shennong94 に由来す

量的形質遺伝子座 (QTL) 解析は、品種間の形

る Introgression line (=CSSLs と同様の系統群) を

質値の差をもたらすゲノム上の遺伝領域を特定用いて、湛水条件と水ストレス条件におけるガスする手法として広く用いられる。QTL 解析を実交換速度に関わる QTL を探索し、両水分環境に施する流れとして、まず形質値の異なる 2 品種をおいて共通して高い効果を示す光合成 QTL を見選び、交配と自殖を繰り返すことによって表現型

出した 39)。この領域には CO2 同化速度に加え、が分離する F2、BC1F1, RIL、BILs 集団などの実験

気孔コンダクタンス、蒸散速度、葉内 CO2 濃度、系統群を育成する。そしてそれらの個体ごとある

光合成量子収率に関わる QTL がクラスターにいは系統ごとの表現型データを取得する。さらになって存在していた。筆者らはイネ品種コシヒカ

Indel、SNP などの品種間のゲノム変異を解析しリ/ハバタキの CSSLs を用いて、圃場で育てたイて連鎖地図を作成し、遺伝子型と表現型との連関

ネの止葉のガス交換速度に関わる QTL 解析を行

34)

。Indel マーカーを用いて遺伝子型

い、第 4 および第 8 染色体上の 2 箇所に QTL を解析を行うには個々のマーカーに対して PCR と見出した 40)。これら QTL はいずれも葉身窒素含

電気泳動を実施するため手間がかかるが、SNP

量、気孔コンダクタンスの上昇効果を有していた。

タイピングアレイの利用や、次世代シーケンシン

さらに筆者らはより網羅的な光合成 QTL の検出

グに基づいた RAD-seq や genotype by sequence なを目的とし、コシヒカリ/タカナリに由来する複どの方法を利用することで、ゲノム網羅的な遺伝数の実験系統群 (正逆 BILs ならびに正逆 CSSLs)

を解析する

子型情報をより迅速に取得できる

35-37)

を用いて、合計 4 年間に渡って QTL 解析を行っ。

前述のように光合成速度には多数の遺伝子がた (図 2)。そして、コシヒカリ/ハバタキで見出関与するため、個々の遺伝子変異が光合成速度にされた第 4 染色体 QTL が本実験においても最も与える影響はあまり大きくないことが予想され効果が大きいこと、他にも複数年次に渡って安定る。また光合成速度は非常に環境に影響されやすして検出される QTL があることを示した。一方い形質であるため、注意深く表現型調査を行った用いた実験系統群ごとに検出される QTL は異としても遺伝子作用が隠れてしまうことがしばなっており、光合成 QTL は遺伝背景に存在する

しばある。そのような不安定な形質の場合には、アリルの影響を強く受けることが示唆された。

高い QTL 検出精度を持つ実験系統群の利用が望QTL の原因遺伝子も複数特定されている。マッ

まれる。染色体断片置換系統 (CSSLs) は、一方

プベースクローニングによって原因遺伝子を単の親品種を遺伝背景として各系統がドナー親に離するには、sub-CSSLs とよばれる実験系統群の由来する染色体断片を 1 つのみ有する実験系統

育成と表現型調査によって QTL 存在領域を絞り

群である

34)

込む。その結果上述の第 4 染色体の領域に存在す。系統間の開花時期の変異が小さく抑えられることに加え、QTL を同定するには遺る遺伝子は Green for Photosynthesis (GPS) であり、伝背景親との形質値を比較すればよく、反復実験

以前 mutant 解析で特定されていた Narrow Leaf 1

45

光合成研究29 (1) 2019

図2. 穂揃期イネ止葉のCO2同化速度に関わるQTL
染色体断片置換系統群 (CSSLs) および戻し交雑自殖系統群 (BILs) それぞれ各 2 年、合計 4 年間に渡って測定を実施。複数回検出された QTL には名称を付けた。測定には LI-6400 を用いた。

と同じ遺伝子であることが明らかとなった 41)。

同定し、さらに一部の QTL が気孔コンダクタン

GPS は葉のサイズを縮小させる一方で葉の厚さ

ス を 高 め る こ と を 報 告 し た 45) 。 Fukuda et al.

と葉肉細胞数を増し、葉面積あたりの CO2 同化(2018) は個体群上部の温度をサーモカメラを用

速度を上昇させていた。なお GPS はオーキシン

いて評価し、気孔コンダクタンスと CO2 同化速の極性輸送に関与する PIN タンパク量に影響す

度を高める QTL を特定した 46)。Kasajima et al.

42,43)。一方コシヒカリ/ハバ(2011) は多数のイネ品種の NPQ を蛍光イメージ

タキで見出された第 8 染色体上の遺伝子はング解析によって比較し、品種間差に関わる原因

Carbon Assimilation Rate 8 (CAR8) として同定さ遺伝子 OsPsbS1 を同定した 47) 。そして多くのれ、これは開花期遺伝子として知られる

indica 品種は japonica 品種に比較して OsPsbS1 遺ると考えられている

DTH8/Ghd8/LHD1 と 同 じ 遺 伝 子 で あ っ た

44)。

伝子の上流 0.4 kb 付近に大きな欠損領域を有し、CAR8 は葉身窒素含量、気孔コンダクタンスや根このことが indica 品種群の低い NPQ 活性に関の通水コンダクティビティに関係していた。以上わっていたことを考察した。以上のように作物ののようなマップベースクローニング実験から示

光合成速度の遺伝要因が少しずつ明らかにされ、唆されることは、QTL の原因遺伝子が必ずしも情報が蓄積してきている。参考までにイネに限定

光合成システムに直接作用するような因子ではして過去に報告された光合成関連 QTL のリスト

なく、一見すると関係の薄そうな遺伝子が多面的を表 1 に示した。他の植物種に関わる報告は総説

な作用を通じて光合成速度に影響しているとい等をご参照いただきたい 22,33,48,49)。
ゲノムワイドアソシエーション解析 (GWAS)

うことである。
ガス交換速度の直接測定のみならず、代替手法

は光合成速度に関わる遺伝子単離をより加速さによって見出された QTL もこれまで多数報告させると期待される。GWAS は多数の品種パネルれている。Takai et al. (2009) は葉内 CO2 濃度の指のゲノムシークエンスデータから数十万から数13標となる安定同位体分別 (⊿ C) の QTL を複数

百万の SNP 多型を検出し、表現型との連関を調46

光合成研究29 (1) 2019

表1. イネの葉の光合成関連形質の遺伝解析報告の一覧

TraitsGas exchange rate

Methods
QTL

Growth conditions
Field

References

Stomatal conductanceNitrogen content
Rubisco content⊿13C
Canopy temperature
Stomatal density
Chlorophyll content (leaf extracts)
Chlorophyll content (SPAD)
Chlorophyll content (SPAD)
Chlorophyll fluorescence
NPQ (Closed FluorCam)
Chlorophyll content(SPAD and leaf extracts)
Chlorophyll content (SPAD)
NPQ (PAM derived)

QTL
QTL
QTL
QTL

Field
Field
Field
Field

62)

QTL
QTL
QTL
QTL
QTL
QTL
QTL
GWAS

Field
Field
Field
pot
Field
Field
Greenhouse
Field

46)

GWAS
GWAS

Climate chamber
Field

75)

21,38-41,44,60,61)

63,64)
63,65,66)
45,66-69)

70)
60,66)
71)
61,72,73)
39)
47)
74)

50)

査する手法である。QTL 解析は GWAS に比べる

ど複数の作物種において認められている 51)。まと QTL の検出感度が高いものの、2 品種の交配た大規模な品種パネルを用いた網羅解析によっに由来する実験系統群の育成が必要であることて、葉の光合成速度とバイオマス量や子実収量とに加え、検出される QTL 信頼区間が広いため遺の正の相関関係がしばしば認められている 52,53)。

伝子単離にはさらなる領域の絞り込み (ファイ

さ ら に Yin and Struik (2017) は 作 物 モ デ ル

ンマッピング) が要求される。一方 GWAS は多GECROS を用いて、複数の光合成過程の改変が様な品種パネルの表現型データを直接連関解析

バイオマス生産を上昇させること 54)、Gu et al.

に用いるため、実験系統群の育成が不要である。

(2014) は同モデルをイネ品種間差に適用して、また GWAS は連鎖不平衡ブロックと言われるア

光合成速度を計 25%上昇させる複数アリルの活

リル頻度に偏りのある領域を連関解析に用いる

用によりバイオマス生産を 22-29%高められるこことで、候補となるゲノム領域を数百 kbp 以下にとを示した 55)。これらの研究結果は、葉の光合

絞り込むことができる。その絞り込み精度は通常

成速度改良によるバイオマス生産向上の可能性の QTL 解析 (通常数Ｍb) に比較して著しく高い。

を裏付けるものである。

Wang et al. (2017) は 529 のイネ品種パネルを用見出された光合成関連 QTL の個々の効果は小いて NPQ に関わる GWAS を実施し、OsPsbS1 のさいことがしばしば認められるが、複数の QTL同定に成功している

50)。現在のところ光合成関の集積によって大きな上昇効果を得ることが期

連形質に関わる GWAS の報告は少ないが、今後待される。筆者らは DNA マーカー選抜によって飛躍的に増えていくものと思われる。

コシヒカリにハバタキの光合成 QTL (GPS 領域
および CAR8 領域) を集積した 56)。その結果集積

4. 作物の多収化に向けた展望と課題

系統の光合成速度は単一 QTL 系統に比較して大葉の光合成速度の向上は、吸収した光エネル

きく、光合成速度の高い親であるハバタキとほぼ

ギーのバイオマスへの変換効率 (εc) の上昇を通等しい値となった (図 3)。さらにハバタキ同様高じて作物生産性を向上させると期待される。開放い光合成速度を有するタカナリの光合成速度の系大気 CO2 増加上昇 (FACE) 実験では、光合成

さらなる向上を期して、コシヒカリに由来する 1

速度上昇とともにバイオマス量および収量が増〜5 の QTL セットを順次積み上げた集積系統を加することがイネ、ダイズ、コムギ、オオムギな育成した。この場合にも QTL 集積数が増えるに

47

光合成研究29 (1) 2019

図3. CO2同化速度に関わるQTLの集積効果(a) インド型品種ハバタキがコシヒカリに対して光合成速度を高める QTL 領域。(b) QTL の集積効果。DNA
マーカー選抜により、コシヒカリにハバタキ型アリルを複数集積させた。NIL は準同質遺伝子系統の略。CO2
同化速度は穂揃期の止葉を対象として測定した。N = 4. Adachi et al. J. Exp. Bot. 65, 2049-2056 (2014) より転載。

つれ光合成速度は上昇し、最大でタカナリより約

積あたり光合成速度に基づく QTL 解析が葉面積20%高い光合成速度を示した。以上の結果は光合の縮小をもたらす因子を検出する可能性が高い

成速度の QTL は相加的に作用し、集積によってこと、光合成速度とバイオマス生産の両方を高め

いっそうの向上が可能であることを示している。

るためには、形質間のトレードオフを打破する育

一方、光合成 QTL の集積には課題も認められ

種システムの検討が必要であることを示唆してた。それは光合成速度と葉のサイズとの間に強いいる。

トレードオフが存在したことである。すなわちタ
5. 今後の展望

カナリにコシヒカリアリルを集積した系統において、QTL 集積数が増えるほど葉のサイズの縮遺伝子型調査ならびに表現型評価手法の進歩小がみられた (図 4a)。そして QTL 集積系統は成により作物光合成速度に関わる遺伝解析が実施

熟期バイオマス生産が増加しなかった (図 4b)。

可能となり、多くの QTL が特定されてきた。現またコシヒカリにハバタキ型 GPS、CAR8 を挿入

在でも様々な表現型評価手法が新たに開発されした集積系統においても、コシヒカリに比較してており、これらを用いることで光合成 QTL の特葉面積の減少と地上部バイオマス生産の減少が定はさらに進展すると期待される。一方原因遺伝認められた (未発表)。このことは、葉面積の減子の特定のためにはなお多大な時間と労力を要

少による εi の減少が、光合成速度の上昇による εcすることも事実である。この課題には、GWASの上昇効果を打ち消したと解釈される。光合成速によるマッピングやゲノム編集技術の利用、さら度の高い葉ほどサイズが縮小し厚みが増すことにトランスクリプトーム、メタボロームなどのオは以前より様々な植物種の比較から指摘されてミクス解析の利用が役立つと期待される。たとえ

いる

57)

。一方上述した GECROS モデルではこの点を考慮していない

54,55)ば de Oliveira Silva et al. (2018) はトマトの大規模なガス交換測定を実施し、さらに QTL 解析とト。筆者らの結果は、葉面

48

光合成研究29 (1) 2019

図4. QTL集積系統におけるCO2同化速度と葉幅 (a) ならびに地上部バイオマス (b) との関係
インド型品種タカナリにコシヒカリ型アリルを複数集積させた系統群を用いた。CO2 同化速度と葉幅には負の関係が見られる。また CO2 同化速度と地上部バイオマスの関係にも負の傾向が認められる。N = 3. r は pearsonの相関係数を示す。
3.

ランスクリプトームデータを融合して複数の原
因候補遺伝子を抽出した

58)

Cole, M.B., Augustin, M.A., Robertson, M.J. andManners, J.M. (2018) The science of food security.

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合成 QTL を利用して作物生産性の向上につなげ

5.

Long, S.P., Marshall-Colon, A. and Zhu, X.G. (2015)

るためには、実態に即した作物モデルの作成が威Meeting the global food demand of the future by

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of

total

chlorophyll content and photosynthetic rate of ricesativa. Plant Physiol. Biochem. 39, 173–177.

52

光合成研究71.

Abdelkhalik, A.F., Shishido, R., Nomura, K. andchlorophyll content in rice (Oryza sativa L.) cv.

Ikehashi, H. (2005) QTL-based analysis of leaf

PA64s. Plant Growth Regul. 81, 81–90.

senescence in an indica/japonica hybrid in rice

72.

74.

Wang, Q., Xie, W., Xing, H., Yan, J., Meng, X., Li,(Oryza sativa L.). Theor. Appl. Genet. 110, 1226–

X., Fu, X., Xu, J., Lian, X., Yu, S., Xing, Y. and1235.

Wang, G. (2015) Genetic architecture of natural

Yamamoto, T., Suzuki, T., Suzuki, K., Adachi, S.,variation in rice chlorophyll content revealed by aSun, J., Yano, M., Ookawa, T. and Hirasawa, T.

genome-wide association study. Mol. Plant 8, 946–

(2017) Characterization of a genomic region that957.

maintains chlorophyll and nitrogen contents during73.

29 (1) 201975.

Lin, P.-C., Tsai, Y.-C., Hsu, S.-K., Ou, J.H., Liao,ripening in a high-yielding stay-green rice cultivar.

C.T. and Tung, C.W. (2018) Identification of natural

Field Crops Res. 206, 54–64.

variants affecting chlorophyll content dynamics

Ye, W.J., Hu, S.K., Wu, L.W., Ge, C.W., Cui, Y.T.,

during rice seedling development. Plant Breed. 137,

Chen, P., Xu, J., Dong, G.J., Guo, L.B. and Qian, Q.

355–363.

(2017) Fine mapping a major QTL qFCC7L for

Natural genetic resources for improving leaf photosynthetic capacity in crops
Shunsuke Adachi, Chizuru Terasaki
Institute of Global Innovation Research, Tokyo University of Agriculture and Technology

53

光合成研究29 (1) 2019解説
窒素利用の改変を目指す葉緑体オートファジー研究の進展‡

1

東北大学
2

学際科学フロンティア研究所

東北大学

大学院生命科学研究科
3

JST

さきがけ

泉正範

1,2,3

*

第 9 回日本光合成学会のシンポジウム 1「光合成と窒素と作物生産」においては、「体内窒素利用と光合成活性のバランスは改変し得るか？」と題して、葉の光合成活性の時間推移と植物個体の窒素転流、の両者に強く作用する機構である葉緑体タンパク質の分解機構についての研究成果を示すと共に、その改変から作物の生産性を向上させるための方策について講演した。後者については大部分が未発
表のデータによる議論だったため、本記事においては、出芽酵母を中心に解明された細胞内分解シス
テム・オートファジーの基礎的メカニズムと、植物オートファジーによる葉緑体分解機構の理解の進展を中心に解説したい。
1. はじめに

素利用戦略は、光が当たりにくくなった下位の古葉緑体は、植物や藻類といった光独立栄養生物に特い葉の窒素成分を回収して、上位の新葉に転流・徴的な細胞内小器官（オルガネラ）である。その代表再利用し、その光合成活性を発揮させるために重的な役割は、光エネルギーを利用して、二酸化炭素と要な役割を果たしている。イネにおいては、新た

水から炭水化物と酸素を生成する光合成反応であり、に展開する葉を構成する窒素の約半分が転流窒

植物の成長効率は光合成反応の効率に直接規定され素でまかなわれることが知られている 4)。葉の窒ていると言える。

素の大部分は、光合成に必要なタンパク質を作る

植物の最大光合成活性と密接にかかわる現象

ために葉緑体に分配されている。例えば、C3 植の一つが、植物が最も多量に必要とする無機栄養

物の葉では葉の全窒素の約 7–8 割もが葉緑体に素である窒素（N）の吸収と体内利用である。例

存在する 5,6)。ゆえに植物の体内窒素転流の初発

えば、現大気 CO2、光飽和条件においては CO2反応として葉緑体タンパク質分解は最も重要な固定酵素 Rubisco が最大光合成速度の律速段階と機構であると言える。

なっていると考えられているが、Rubisco 合成量以上のように、植物の光合成活性と体内窒素利1)は葉の窒素含量の増加に応じて上昇する 。ゆえ用における高い重要性から、複数の研究グループに葉における正味の光合成活性と窒素含量は高が葉緑体分解機構に着目した研究を推進してき2)た。私は、幸運にもその発展期に研究者としてのい正の相関関係を示す 。
植物は、新たな葉を繰り返し展開して成長する

キャリアを開始することができ、真核生物に進化

拡大再生産の過程で、古くなった葉を老化させ、的に保存される細胞内分解系である「オートファ

その構成成分を分解し、派生する窒素成分を新器ジー」が葉緑体分解に関わることを明らかにする

3)

官形成のために再利用する 。このような体内窒研究に多く関わることができた。本解説記事では、
オートファジーによる葉緑体分解経路の概要を‡

解説特集「光合成と窒素と作物生産」*連絡先 E-mail: masanori.izumi@riken.jp
現所属: 理化学研究所 環境資源科学研究センター

紹介するとともに、その人為制御から植物の体内54

光合成研究29 (1) 2019

窒素利用の改変を目指す今後の研究の発展性にに輸送され、オートファゴソーム外膜が液胞膜について議論したい。

融合することで、内膜に囲まれた一重膜小胞（オートファジックボディ）が液胞内に放出、消2. オートファジーの概要化される。植物では、多くの細胞で巨大な中心液

オートファジーという現象は、極めてシンプル

胞が大部分を占めているが、動物細胞の場合、通には「細胞質成分の一部を隔離し、酸性オルガネ

常リソソームはオートファゴソームより小さい。

ラ（液胞、あるいはリソソーム）に運び消化する

よって複数のリソソームがオートファゴソーム

過程」と説明することができる。2016 年の大隅に融合することで内膜構造が消化されると考え良典教授のノーベル医学・生理学賞受賞により、られている 9)。

オートファジーという現象は広く知られるもの

ミクロオートファジーでは、液胞膜、あるいはとなり、現在も様々な生物種でその詳細な分子機

リソソーム膜が直接分解対象の隔離に関わる 10)。

構の解明が盛んに進められている。その主な機能

その詳細は後述する。シャペロン介在型オートは、飢餓に応じてオルガネラを含む細胞質成分をファジーは、シャペロンの関与により特定のタン

非選択的に分解し、派生する栄養成分（アミノ酸

パク質がリソソーム膜を透過し分解される経路など）の再利用を促進し、飢餓への適応をサポーである 11)。この経路は主に哺乳類細胞で研究さトすることである。また、近年では、特異的な分れている機構であるため、本解説記事ではその詳解ターゲットを取り除く「選択的オートファジー」

細は割愛する。

の存在が広く知られるようになった。選択的オー

オートファジー研究発展の契機の一つとして、

トファジーは、タンパク質の凝集体や、あるオル

大隅教授らのグループが 1992 年、1993 年に報告

ガネラの中でも機能を失ったオルガネラだけをした成果を挙げることができる 12,13)。本成果では、除去するなど高度な基質認識機構を有しており、ある種の液胞内プロテアーゼを欠損させた出芽不要な細胞内成分を除去することで細胞内品質

酵母（Saccharomyces cerevisiae）を栄養飢餓にさ7)管理に寄与していると考えられる 。非選択的な

らすと、液胞内に多数のオートファジー小胞、すオートファジーがバルクオートファジーなどとなわちオートファジックボディが蓄積すること呼ばれるのに対し、選択的オートファジーは分解を発見した 12)。この観察系を利用し、液胞内に対象に応じた名前で呼ばれることが多い。例えば、

オートファジックボディが蓄積しない変異株をミトコンドリアを選択的に分解する経路はマイ順遺伝学スクリーニングで単離し、その変異株がトファジー、ペルオキシソームを分解する経路は

栄養飢餓時の生存率が低下する表現型を示すこ

ペキソファジー、などと言われている。

とを明らかにした 10)。この飢餓感受性の表現型

また膜動態の違いに応じた分類として、オーを指標とし遺伝学スクリーニングをさらに拡充

トファジー経路は、マクロオートファジー、ミクすることで、計 15 種の独立したオートファジー

ロオートファジー、シャペロン介在型オートファ

変異株の単離に成功、それら原因遺伝子の同定かジーに分けられる。最も主要なオートファジー経

ら多くのオートファジー関連遺伝子群

8)

、一般的に

（Autophagy-related genes; ATGs）が同定された。

「オートファジー」と言った場合にはマクロオー

酵母では、オートファジー関連遺伝子は報告されトファジーのことを指す場合が多い。出芽酵母にた順に ATG1、ATG2 と名前が付けられており、おけるその経路の概要は図 1A に示した通りであ

現在 ATG41 までが同定されている 14)。

路はマクロオートファジーでありる。飢餓等のシグナルに応答して、新生の隔離膜
3. コア ATG 遺伝子の機能が細胞質に形成され始め、それが伸長、最終的には両端が融合することで直径 1 µm 程度の二重膜

出芽酵母 ATGs のうち、オートファゴソームの小胞オートファゴソームが形成される。オート

形成過程に必須な 15 遺伝子（ATG1–10、ATG12–

ファゴソーム内に隔離された細胞質成分は、液胞

14、ATG16、ATG18）は、コア ATGs とも呼ばれ

55

光合成研究29 (1) 2019

図1. 出芽酵母におけるマクロオートファジーのモデル図と、コアATG遺伝子群(A) マクロオートファジーの簡易なモデル図。飢餓等のシグナルに応じて、オートファゴソームの前駆構造（酵
母では Pre-autophagosomal structure; PAS と呼ばれる）が形成され、そこから隔離膜が伸長し、細胞質の一部、あるいは特異的な分解ターゲットを隔離する二重膜小胞オートファゴソームが形成される。その外膜が液胞膜と融合することで、内膜構造オートファジックボディが液胞内部に放出され、分解される。
(B) 出芽酵母で同定されたコア ATG 遺伝子群の分類と特徴、およびシロイヌナズナで同定されているオーソログ遺伝子群。シロイヌナズナを含む複数の植物種において、いくつかのコア ATGs（ATG1、ATG4、ATG8、
ATG12、ATG13 など）が遺伝子ファミリーを形成することが知られている。

ている 15)。その簡単な機能分けを図 1B に示した。

成分の小胞体からの供給に関わることが近年示

まず ATG1、ATG13 は、オートファジー誘導のされている 16)。ATG6、ATG14 は、オートファゴ

上流因子である ATG1 キナーゼ複合体の構成因

ソーム形成に必要なリン脂質の一種、フォスファ子である。富栄養時には、ATG13 は Target of

チジルイノシトール 3 リン酸（PI3）を産生する

rapamycin（TOR）キナーゼによるリン酸化を受III 型 PI3 キナーゼの構成因子である。

けているが、栄養飢餓時にその脱リン酸化が起こ

その他のコア ATGs（ATG3–5, ATG7–8, ATG10,ることで ATG1 のキナーゼ活性が上昇し、オートATG12, ATG16）は、二つのユビキチン様タンパ

ファゴソーム形成が活性化する。ATG2、ATG9、

ク質 ATG8、ATG12 の活性化反応系に関わる 17,18)。

ATG18 の機能は酵母においても未だはっきりし

ATG8 はオートファゴソーム膜を構成するタンない点だが、オートファゴソームを構成する脂質パク質であり、まずプロテアーゼ ATG4 によるプ

56

光合成研究29 (1) 2019

ロセシングを受け、露出した C 末端のグリシン

チン・プロテアソーム系におけるユビキチン活性残基に ATG7 が結合することで活性化し、その後化反応に似ている。ユビキチンは、活性化酵素

ATG3 への受け渡しを経てリン脂質フォスファ

E1、結合酵素 E2 を経て、転移酵素 E3 によってチ ジ ル エ タ ノ ー ル ア ミ ン （ PE ） と の 結 合 体

ターゲットタンパク質に共有結合する 19)。ユビ（ATG8-PE）となりオートファゴソームに局在すキチン化（多くの場合ポリユビキチン化）された

る。もう一つのユビキチン様タンパク質 ATG12タンパク質は、細胞質に存在するプロテアソーム

は、ATG7 による活性化を受けた後、ATG10 と複合体により分解される。ATG8、ATG12 結合反の結合を経由して、ATG5-ATG12 共有結合体を応系においては、ATG7 が E1 様、ATG3 及び形成する。ATG5-ATG12 は ATG16 と大きなタン

ATG10

パク質複合体を形成し、ATG8-PE 結合系の活性

ATG5-ATG12-ATG16 複合体は、あたかも E3 の化に寄与する。

様に ATG8-PE 結合系を活性化し、オートファゴ

がE2

様 の 働 き を す る 。

興味深いことにこれらの反応系は、オートファ

ソーム膜の形成を促進する。ATG8 はオートファ

ジーとは別の主要な細胞内分解系であるユビキ

ゴソーム膜の構成因子となるため、その一部はそ

図2. イネ葉において可視化されたオートファジー構造(A) マクロオートファジーの過程では、ATG8-PE 結合体はオートファゴソーム膜の構成因子となるため、そのまま液胞内部へ運ばれ分解される。そのため ATG8 はマクロオートファジーのマーカーとして広く受け入れられている。
(B) イネの葉で可視化されたオートファジックボディ。イネは少なくとも 4 種の ATG8 遺伝子（ATG8a–d)を持ち、その一つ ATG8d に RFP を融合させたコンストラクトを 35S プロモーター制御下で発現するイネの幼植物、第一葉の観察画像。緑が RFP-ATG8d シグナル、マゼンタが葉緑体クロロフィル蛍光、DIC は明視野画像を示す。通常 RFP-ATG8d のシグナルの大部分は細胞質および核に検出されるが（control）、液胞分解活性の阻害剤 concanamycin A（ConA）存在下、暗所で葉をインキュベートすると、多数のオートファ
ジックボディが液胞内部に蓄積する。実験に用いた植物は、蒸留水を含ませた濾紙上で給水させ、24 時間
明期、光強度 40 µmol m-2 s-1 の条件で栽培した。スケールバー＝10 µm。

57

光合成研究29 (1) 2019のまま液胞内部まで運ばれ内容物とともに分解（図 2B 上）、液胞内分解活性の阻害剤であるされる（図 2A）。ゆえに、蛍光タンパク質と ATG8

concanamycin A を添加しインキュベートすると、の融合タンパク質は様々な生物種におけるマク

直径 1 µm 程度の小胞オートファジックボディがロオートファジーのマーカーとして広く使用さ

液胞内に多数蓄積する様子を見ることができるれている。

（図 2B 下）。

これら酵母コア ATGs のオーソログ遺伝子は植マクロオートファジーの膜動態と区別される物や動物においても広く保存されていることがオートファジー経路としてミクロオートファ

20)。モデル植物シロイヌナズナにジーがある（図 3）。この経路の特徴は、オート

おいても、コア ATGs オーソログの大部分が同定

ファゴソームによる分解基質の隔離を介さず、液され（図 1B）、さらにそれら遺伝子の欠損変異

胞膜そのものが陥入、あるいは伸長し分解基質の株を用いた解析から、ATG8、ATG12 結合反応系

隔離に関わることである 10)。最もよく研究が進を中心に、出芽酵母と同様のオートファゴソーム

められてきたミクロオートファジー経路は、メタ形成機構が機能していることが示されている

ノール資化性酵母（Komagataella phaffii）におい

21,22)。図 2B は実際にイネの葉の細胞において可てペルオキシソーム分解を担うミクロペキソ

視化されたオートファジックボディを示していファジーである。その名の通りメタノール資化性る。緑が赤色蛍光タンパク質 RFP と ATG8 の一酵母はメタノールを単一エネルギー源として成遺伝子（ATG8d）の融合タンパク質のシグナルで、長することができ、その代謝に必要なペルオキシ

マゼンタが葉緑体のクロロフィル蛍光である。カ

ソームを多量に細胞内に発達させる。生育炭素源

リフラワーモザイクウイルス 35S プロモーター

をメタノールからグルコースなどに変換すると、により過剰発現した RFP-ATG8d のシグナルは、要求性が低下したペルオキシソームを分解する

通常その大部分が細胞質や核に局在しているがためにペキソファジーが誘導される。このミクロ知られている図3. ミクロオートファジーのモデル図(A) ミクロオートファジーでは、液胞（あるいはリソソーム）の膜が直接基質の取り込みに関わる。その経路としては、液胞膜が伸長し突出構造を形成する過程と、液胞膜が陥入して基質を取り込む過程があることが、形態観察により示唆されている。
(B) ミクロペキソファジーのモデル図。メタノール資化性酵母 Komagataella phaffii の生育炭素源を、メタノー
ルからグルコースなどに変換すると、オートファジーによるペルオキシソーム分解、ペキソファジーが誘導される。液胞膜の一部が突出し複数のペルオキシソームを取り囲み、最終的にはコア ATGs の機能により形成される ATG8 含有膜構造 MIPA（Micropexophagy-specific membrane apparatus）により液胞膜同士がつなぎ合わされることで分解基質が隔離され、液胞内部に取り込まれる。

58

光合成研究29 (1) 2019ペキソファジーの過程では、伸長した液胞膜が複このようなオートファジー経路の存在を実証す

数のペルオキシソームを隔離するが、その最終過るために、コア ATGs 遺伝子の T-DNA 挿入欠損

程で液胞膜同士をつなぎ合わせ蓋をするために株の整備が進んでいたシロイヌナズナを用いて、ATG8 を 含 む 新 生 膜 Micropexophagy-specificin vivo での RCB 可視化が試みられた 29)。葉緑体

membrane apparatus（MIPA）が形成され、MIPA

ストロマに移行するトランジットペプチドを付形成過程に多くのコア ATGs が必要とされる（図与した緑色蛍光タンパク質（GFP）を発現するシ3B）23,24)

ロイヌナズナ形質転換体、あるいは Rubisco その。

特に植物科学の研究者にとっては、マクロオー

ものを GFP でラベルした形質転換体の葉を、暗トファジーとミクロオートファジーという表現

所、液胞分解活性の阻害剤である concanamycin A

は混乱を生みやすいようである。ミクロオート

存在下でインキュベートしたところ、GFP 蛍光を

ファジーでは巨大な液胞が直接分解基質を取り含む小胞、すなわち RCB が液胞内に多数蓄積す囲むのだから、こちらに「マクロ」の語が当てらる様子が観察された。葉緑体ストロマ移行 RFP

れていたほうが直感的には理解しやすい、と私自で可視化された RCB は、オートファゴソームの身感じることがあり、そのような指摘を受けるこ

マーカーである GFP-ATG8 と液胞内で共局在しともある。ただし前述のように動物細胞の場合、た。RCB の形成は、ATG4 や ATG5 といったコア

リソソームはオートファゴソームより小さいた

ATG を欠損したシロイヌナズナ（atg4ab、atg5）

め、リソソームがミクロオートファジーにより直では見られなかった 29,30)。以上の事実から、RCB

接分解物を取り込む場合、分解物は、オートファ

が一種のオートファジー小胞であり、葉緑体スト

ゴソームを介するマクロオートファジーに比べロマ成分を分解していることが直接証明された。

必然的に微小になる。事実、ミクロオートファ観察される RCB のサイズは直径 1 µm 程度と典ジーという現象が初めて定義されたのは動物細型的なオートファゴソームと同等であること、胞においてである

25)

RCB がオートファゴソームマーカーと共局在す。

ること、電子顕微鏡観察において RCB が隔離二4. 葉 緑 体 を 部 分 分 解 す る オ ー ト フ ァ ジ ー ：重膜に囲まれているように観察されていること

Rubisco-containing body 経路

28,29)、等の知見から、RCB 経路はマクロオート

ファジーであると考えられている（図 4A）。

話を植物、葉緑体に戻したい。複数の植物種において、葉の老化時には、葉緑体の数の減少に先RCB が形成されない atg5 などの変異株では、立って Rubisco に代表されるストロマタンパク質

葉緑体の一部がチューブ状に伸長する構造体「ス

量が減少することが知られており

26,27)、老化中にトロミュール」が多く形成される様子が観察され葉緑体を丸ごと分解せずに中身だけを特異的にている 29)。このような観察結果から、RCB 経路

分解する経路が存在することが示唆されていた。

には図 4A のようなモデルが受け入れられている。

そして、抗 Rubisco 抗体を用いたコムギ葉の免疫

まず、飢餓や老化等のシグナルに応じて、葉緑体

電子顕微鏡観察から、チラコイド構造を含まず、が伸長構造を形成する。その構造がオートファゴ

ストロマ成分だけを含む直径 1 µm 程度の小胞がソーム膜と相互作用し、何らかの機構で葉緑体本

老化葉の細胞質に頻繁に観察されることが見い

体から切り離されることで RCB を含有するオー

出 さ れ た （ Rubisco

トファゴソームとなる。これは液胞に運ばれた後、を 含 む 小 胞 ‐28)

Rubisco-containing body; RCB と命名） 。RCB は、

RCB を含むオートファジックボディが液胞内部

オートファゴソームに類似した二重膜に取り囲に放出され、分解される。図 4B はカリフラワー

まれているように観察されたことから、RCB が

モザイクウイルス 35S プロモ－ター制御下でス

一種のオートファジー小胞として、葉緑体ストロ

トロマ移行 GFP を発現するシロイヌナズナ 31)、

マ成分を部分的に液胞に輸送、分解している可能において実際に RCB を可視化した画像である。

性がこのとき初めて提唱された。

葉を、concanamycin A 存在下、暗所でインキュ59

光合成研究29 (1) 2019

図4. RCB経路のモデル図と実際の観察画像(A) 飢餓や老化のシグナルに応じて葉緑体がストロミュール様の突出構造を形成する。その一部がオートファ
ゴソーム膜と相互作用し、切り離されオートファゴソームとなり、液胞内部へ運ばれ分解される。RCB はストロマ、および包膜成分のみを液胞に運び、チラコイド膜成分は含有しない。
(B) RCB 経路の観察画像。葉緑体ストロマに移行するトランジットペプチドだけを付与した GFP を 35S プロ
モーターの制御下で発現するシロイヌナズナの葉（播種後 21 日の第 2 ロゼット葉）を暗処理し、共焦点レーザー顕微鏡で観察した画像。通常の無処理区（control）ではストロマ GFP（緑）はクロロフィル蛍光（マゼンタ）と共局在するが、切離葉を、暗所、concanamycin A（ConA）存在下で約 20 時間インキュベー
トすると、ストロマ GFP のみを持つ小胞 RCB が液胞内部に蓄積する。コア ATGs の一つ ATG5 欠損株（atg5）
ではその形成は見られない。実験に用いた植物は、明期 12 時間、暗期 12 時間、光強度 140 µmol m-2 s-1 の条件で栽培した。DIC は明視野画像を示す。スケールバー＝10 µm。

ベートすることで RCB が液胞内に蓄積するが輸送過程を直接、詳細に観察した解析はほとんど（図 4B 中段）、これは atg5 変異株では起こらなない。ゆえにその明確な輸送モデル確立のためにい（図 4C 下段）。

は更なるイメージング解析が必要と考えられる。

ただし現状では、RCB 観察の大部分が図 4 のよRCB 経路が、主要な葉緑体タンパク質の分解系

うに液胞に輸送された後の構造体や蛍光タンパの一つであり、タンパク質分解により生じるアミク質を検出する観察によって行われており、その60

光合成研究ノ酸のリサイクルに大きく貢献していることは複数の研究によって支持されている

32–35)

29 (1) 2019は、クロロファジーが高頻度に誘導されることを発見した 38)。自然界の太陽光は、強い可視光と。

なお、葉肉細胞の大部分は液胞なのだから、有害な紫外線成分の両者を含んでおり、クロロ「オートファゴソームが液胞に運ばれる」必要はファジー様の現象は、グロースチャンバーの人工ないのでは（形成されればすぐそこに液胞があ

光下で栽培した野生型シロイヌナズナを自然太る）、という指摘を頂戴することがしばしばある。

陽光にさらした際にも誘導された 38)。よって少しかしながら、エンドソーム膜のリモデリングななくとも、自然光はクロロファジーを誘導しうる

ど多様な機能を持つ ESCRT（Endosomal Sorting

障害を引き起こすようである。光障害でクロロ

Complex Required for Transport）タンパク質複合

ファジーが誘導される際には、RCB 経路の活性体の一種、ESCRT-III の植物ホモログ CHARGED化、葉緑体サイズの縮小は必要ない 38)。ゆえに

MULTIVESICULARPROTEIN1a

クロロファジーは、小さくなった葉緑体を分解す（CHMP1a）、CHMP1b 二重変異株の幼植物の観るというよりは、光阻害や老化の過程で不要に

察では、RCB 構造が液胞に運ばれず細胞質に蓄なった葉緑体を積極的に取り除くための機構でBODY積することが報告されている36)。ゆえに、たとあると考えられる。

え細胞の大部分が液胞であったとしても、オート

さらに我々は、強い光阻害を引き起こした際のファゴソームは制御された仕組みによって液胞

葉肉細胞の様子を詳細に観察し、強光照射直後ににソーティングされている可能性が高い。

は、膨張した異常形態を示す葉緑体が生じること、その数はクロロファジーの進行に伴い減少する

5. 葉緑体を丸ごと分解するクロロファジー

こと、atg5 や atg7 変異株では膨張葉緑体が細胞

RCB 経路は、ストロマと包膜成分は包含する質に留まること、を見出した

39)

。さらに

が、クロロフィルや集光タンパク質などのチラコ

GFP-ATG8 で可視化されるオートファジー構造

28)。しかし特に葉の老化が、膨張葉緑体の一部に特異的に蓄積する様子をの後期には、クロロフィル蛍光を有する葉緑体丸

捉えた。これらの成果から、クロロファジーは、ごとも液胞内に運ばれている様子が観察されて異常葉緑体（強い光阻害の場合、膨張葉緑体）だ

いた。このような現象も atg4ab 変異株では観察けを選び取って除去する選択的オートファジー

されなかったことから、葉緑体を丸ごと液胞に運経路であると考えられる。図 5 にクロロファジー

ぶ「クロロファジー」経路もコア ATGs に依存しのモデル図と実際の観察画像を示した。ストロマ

たオートファジー経路であることが明らかにさ

移行 GFP 発現シロイヌナズナに強い光阻害（キイド膜成分は含まない。時間軸を追って現象を考察すると、葉

セノン光源による 2,000 µmol m-2 s-1 の強光照射をの老化の初期には RCB 経路が活性化し、クロロ

2 時間）を付与すると、1 から 2 日後にはクロロ

ファジーが起こる老化後期には葉緑体のサイズ

フィル蛍光を呈する葉緑体が液胞内部に移行しが縮小していたため、活発な RCB 形成により小ている様子が観察される（図 5B 中段）。この現さくなった葉緑体がクロロファジーの分解ター

象は atg5 変異株では起こらない（図 5B 下段）。

れた

30)

ゲットとなるモデルが提唱された

37)。

この時液胞内の葉緑体がクロロフィル蛍光のみ

前述したように、オートファジー、特に選択的を示すのは、葉緑体包膜が速やかに分解されるこ

オートファジーは障害オルガネラの除去によるとでストロマ成分が拡散するのに対し、チラコイ

細胞内品質管理に寄与する。ゆえに我々の研究グ

ド膜は液胞内部でも一定程度その構造を保つた

ループは、葉緑体が光による障害を受ける条件でめであることが、電子顕微鏡観察から示唆されてオートファジーが機能するかに着目した解析をいる 38,39)。

行った。そして、紫外線照射により強い酸化障害

クロロファジーの過程で、GFP-ATG8 で可視化

-2-1される構造体は膨張葉緑体上に局在するが、膨張程度の可視光により強い光阻害が生じる条件で葉緑体を完全に取り囲むというよりはその一部が生じる条件、あるいは 1,200–2,000 µmol m s

61

光合成研究29 (1) 2019

図5. 光障害時のクロロファジーのモデル図と実際の観察画像(A) 強い光阻害時には、一部の葉緑体が膨張した形態を示す。そのような葉緑体は ATG8 を含む構造体により認識され、ミクロオートファジーにより液胞内部へ運ばれ、分解される。ATG8 を含む構造体が、オー
トファゴソーム膜と同様の隔離二重膜なのか、あるいは別の構造体なのかは不明である。
(B) クロロファジーの観察画像。葉緑体ストロマに移行するトランジットペプチドだけを付与した GFP を 35S
プロモーターの制御下で発現するシロイヌナズナの葉（播種後 14 日の第 2 ロゼット葉）に強光処理を施し、その後共焦点レーザー顕微鏡で観察した画像。通常の無処理区（control）では、ストロマ GFP（緑）はクロロフィル蛍光（マゼンタ）と共局在するが、キセノン光源による強光処理（2,000 µmol m-2 s-1 の光を 2 時間照射）後 2 日目には、クロロフィル蛍光を呈する葉緑体が液胞内部に蓄積する（矢じり）。コア
ATGs の一つ ATG5 欠損株（atg5）ではこの現象は起きない。実験に用いた植物は、明期 12 時間、暗期 12時間、光強度 140 µmol m -2 s-1 の条件で栽培した。DIC は明視野画像を示す。スケールバー＝10 µm。

にコンタクトするように観察された 39)。ゆえにミクロペキソファジーでは、ATG8 を含む構造体

クロロファジーはマクロオートファジーとは異MIPA が液胞膜同士をつなぎ合わせる役割を担なる膜動態を示す可能性が考えられ、液胞膜を蛍うが、クロロファジーにおける ATG8 含有構造体

光タンパク質で可視化した系統で観察を行ったの正確な構造や役割は不明である。

結果、膨張葉緑体が液胞膜に取り囲まれている様子が観察された39)

選択的オートファジー経路、特にその過程で分。つまりクロロファジーは一解ターゲットを認識する仕組みは、現在様々な生種のミクロオートファジー経路であると考えら物種で盛んに解析が行われている隆盛な研究分れる。前述したように、メタノール資化性酵母の野である。特に有名なのは、哺乳類細胞において62

光合成研究29 (1) 2019

脱分極したミトコンドリアを除去するマイト

マーカーRubisco-GFP を発現するイネを作出し、40)。その認識機構は、

生きたイネの細胞でオートファジックボディとPTEN-induced kinase 1（PINK1）というタンパク

RCB を可視化することに成功した 48)。これらは質と、ミトコンドリアのユビキチン化によって制

osatg7 変異株では見られなかったことから、RCB御されている。PINK1 は恒常的に発現しているが、経路がイネ葉緑体の分解を担うことが証明され健常なミトコンドリアにおいては膜電位依存的た。そこで osatg7 変異株の栄養成長期の成長をにミトコンドリアマトリックスに取り込まれ、ミ詳細に評価したところ、オートファジー欠損によトコンドリア内部のプロテアーゼにより切断、分り老化葉でのストロマタンパク質分解が抑えら

ファジー経路である

解される

41)

。一方、脱分極した（膜電位を失っれ、上位葉への窒素転流が抑えられること、そした）ミトコンドリアではタンパク質移行が阻害さてバイオマスが野生株に比べ約 3 割減少するこ。このとが明らかとなった 49)。以上の研究から、オーPINK1 は、細胞質に存在する E3 である Parkin、

トファジー、及びそれによる葉緑体分解がイネのおよびユビキチンそのものをリン酸化すること

窒素転流に実質的に貢献していることが証明さで、Parkin によるミトコンドリア外膜タンパク質れたと言える。葉緑体分解を抑えることで窒素転れるため、PINK1 が外膜に蓄積するのユビキチン化を促進する

45)

42–44)。ユビキチンが蓄流が抑えられた、ということは、言い換えれば、積したミトコンドリアは、ユビキチン鎖と ATG8

葉緑体分解の活性を人為的に変動（活性化あるい（哺乳類細胞では LC3、GABARAP と呼ばれる）は抑制）させることができれば、作物の窒素利用の懸け橋となる複数のオートファジーレセプを狙ったように改変できる可能性があることをターの介在を受け、オートファゴソームの分解基意味している。

質となる46)。ゆえにクロロファジーにおいても
7. 今後の研究展開

膨張葉緑体を識別・認識する仕組みが存在するはずであり、我々は現在その解明に取り組んでいる。

では具体的にどのような戦略が考えられるか。
例えば老化葉特異的に葉緑体オートファジーを

6. 作物の窒素利用におけるオートファジーの役活性化できれば、新葉への窒素転流を効率化でき、割

作物全体の窒素利用効率を向上させられるかも前述したとおり、葉緑体分解は作物の窒素利用しれない。一方で、葉緑体分解は光合成活性を低を強く規定し得る、農業生産に深く関わる重要な下させるため、光合成産物をより稼ぎたい葉位や現象である。オートファジー研究の進展、様々な時期においては、葉緑体オートファジーを抑制す

植物種におけるゲノム情報の整備から、近年は作ることで、光合成活性の低下を抑え炭水化物獲得物を用いたオートファジー研究も盛んになりつ

効率を上昇させる戦略も想定できる。例えば、葉つある。

の老化の初期に機能する RCB 経路を抑制するこ2014 年に、初めてイネのコア ATG 欠損変異株とで一時的に光合成活性を高く推移させ、老化後としてレトロトランスポゾン Tos17 挿入により期に機能するクロロファジーの活性は高めるこ

ATG7 が欠損したイネ osatg7–1 が単離された

47)。

とで窒素の転流は阻害しない、といった戦略も成

この変異株は、シロイヌナズナ atg7 変異株とはり立つかもしれない。あるいはイネの場合、もみ異なり、種子が全く実らない雄性不稔の表現型をに詰まる炭水化物は、登熟期間中の葉の光合成に示した。その正確な原因はまだ解明されていない

よってまかなわれることが知られている。よってが、花粉形成時の脂質代謝やタペート層の崩壊に登熟期の葉緑体分解を遅らせ光合成を高く推移異常が生じていることが示されている

47)。

させることができれば、中身がよりよく詰まった

我々はイネにおいてもオートファジーが葉緑

高品質なコメを増やせる可能性がある。イネでは体分解を担うことを実証するため、オートファゴ

玄米窒素含量の増加は食味の低下につながるた

ソームマーカーRFP-ATG8 や、葉緑体ストロマ

63

光合成研究29 (1) 2019

め、コメへの窒素転流が抑制されることで食味向一つの有効な戦略になりうるのでは、と考えてい上の効果も期待できる。

る。もちろん自身の今後の研究や、関連する研究

このような戦略を具体化するためにはまだま

分野がより発展していく中で、その実効性をよりだ明らかにしなければならない課題が多いのが深く、正確に検証していく必要がある。

現実である。まず、コア ATGs 以外に葉緑体オー
トファジーに必須となる遺伝子が分かっていな

謝辞い。前述のようにコア ATG が欠損したイネは雄本記事に関連する研究の一部は、JSPS 科学研

性不稔などの強いマイナスの表現型を示すため、究費補助金（17H05050，18H04852），JST さき

作物の機能改変の方策としては不適である。ゲノがけ（課題番号：JPMJPR16Q1）の支援を得て行ム編集などの技術でオートファジー活性を抑制

われた。また葉緑体オートファジーに関する研究するためには、葉緑体オートファジーだけに必要は、東北大学大学院農学研究科・石田宏幸博士のな遺伝子を同定し、その遺伝子を欠損させた場合多大な貢献により発展してきている。この場を借の影響を正確に評価する必要がある。また植物にりて厚く御礼申し上げます。

おいてオートファジーを活性化するためのター
ゲット遺伝子も未だはっきりしていない。近年、Received Feb 27, 2019; Accepted Mar 11, 2019; Publishedシロイヌナズナにおいて ATG8 を過剰発現させ

Apr 30, 2019.

ると他のコア ATGs 遺伝子の発現も上昇し、結果的に種子への窒素転流効率が上昇することが示された 50)。ただし、この解析ではカリフラワー

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leaves to leaf nitrogen and their relationships to

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ゆえに私は「植物が持っている性質を、農業生産

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に着目したい。例えば、ジベレリン感受性を低下

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光合成研究29 (1) 2019

表紙の紹介

サンゴの蛍光タンパク質は共生藻類の誘引に働く
1

名古屋大学（現所属）2
基礎生物学研究所
相原悠介 1,2

表紙は日本の造礁サンゴとして広く分布するコユビミドリイシ（Acropora digitifera）である。
撮影は青色光源とカラーフィルターを組み合わせ、サンゴの緑色蛍光を浮かび上がらせている。
このような鮮やかな体色はサンゴが緑色蛍光タンパク質（GFP）やその類縁の蛍光タンパク質を大量に産生していることに由来する。これらの蛍光タンパク質は生体内タンパク質を可視化する技術に応用され、その影響は今や生命科学全般に及ぶ。
では、蛍光タンパク質はそもそもサンゴにとってどのような役割を持つのだろうか？これまで「サンゴ体内に共生する褐虫藻の“日除け”として働く 1)」とする説が研究者たちに広く受け入れられてきたが、この説では薄暗い深場（50 m）のサンゴであっても強い蛍光を発する 2)という事実を説明できない。そこで我々は、「サンゴの緑色蛍光は共生藻類（褐虫藻）の誘引する」のではないかと仮説を立て、これを検証した。大型スペクトログラフを用いて自由遊泳状態の褐虫藻の走光性作用スペクトルを詳細に解析したところ、褐虫藻は強い青色光から逃避する一方、弱い緑色光に集合するという性質を示すということが明らかとなった。さらに、褐虫藻が青色光環境下で、緑色蛍光性サンゴおよび人工の緑色蛍光ペイントに誘引される現象を確かめた。最後に、沖縄のサンゴ礁海域において、緑色蛍光ペイントを塗布したトラップが白色の対照トラップより多くの褐虫藻を誘引することを確かめた。以上により、宿主（サンゴ）が共生相手（褐虫藻）を呼び寄せる生物間シグナルとしての「緑色蛍光」の働きが初めて明らかとなった 3)。
この詳細について、2019 年 8 月号の解説記事にて紹介する予定である。

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68光合成研究29 (1) 2019

特別企画：若手研究者の海外留学レポート！

第６回「海外での研究経験、フランスとアメリカ」
埼玉大学大学院

理工学研究科

生命科学部門高橋 拓子

私 は 岡 山 大 学 で 学 位 取 得 後 、 フ ラ ン ス ・ パ リ に あ る CNRS 研 究 機 関 の 一 つ Institut de Biologie
Physico-Chimique （IBPC）でポスドクとして 2010 年から 2014 年まで勤務したのち、京都大学でのポスドクを経て、現在は埼玉大学で勤務している。2018 年度には、埼玉大学が採択された日本学術振興会「頭脳循環を加速する戦略的国際研究ネットワーク推進プログラム」（頭脳循環プログラム）の一環で、アメリカ・バークレーにて一年間の研究活動をさせてもらった。フランスとアメリカでの研究
経験を単純に比較することはできないが、一つの情報として私の経験談が若い方の役に立てばと思い本件をお受けした次第である。私がパリのラボとバークレーのラボに滞在して感じた印象的な事柄とポスドク後の職探しについて記述した。
フランスへ行くことになった経緯と行先
私は岡山大学自然科学研究科の高橋裕一郎研で研究を行い、博士の学位を取得した。裕一郎研で英語文献の輪読、英語での発表、海外の研究者とのディスカッション、国際学会でのポスター発表などを経験し、海外で研究活動をしてみたいと思ったことが海外でのポスドクを志した動機だった。学位取得を控え進路を考えている時期に、フランス・パリにある CNRS 研究所の Institut de Biologie
Physico-Chimique (IBPC) 内にある Francis-André Wollman 博士の研究室（UMC7141）における公募があり、これまでにクラミドモナス会議で公募先の研究者のことは知っていたこと、当時の研究内容と関連があったことから応募した。CV 等の送付後、上司となる Olivier Vallon 博士との電話面接を経て着任となった。UMC7141 の前任ディレクターである Pierre Joliot は光合成における「酸素発生の 4 周期振動」を発見した一人であり、現在 87 歳であるが現役で研究を続けている。このように、 UMC7141
は光合成研究のラボとして古い歴史を持っており、主にクラミドモナスを用い、分光学法による光合
成活性の解析、葉緑体遺伝子発現制御、チラコイド膜タンパク質複合体の分子集合について様々な解析方法を用いて研究を行っているラボである。

アメリカへ行くことになった経緯と行先
アメリカ行きは、日本学術振興会の頭脳循環プログラムにより可能となった。本プログラムは、埼玉大学の分子生物学科の教授陣が中心となって申請し採択されたプログラムで、プログラムには世界各国の研究者との共同研究を行う一貫として若手研究者の海外派遣も含まれる。このプログラムの海外派遣者として私を指名してもらうという幸運な機会を得てアメリカへ行くことができた。派遣先は、光合成の光環境順化の一種である Non photochemical quenching (NPQ) 研究で有名な Krishna Niyogi 教授（University of California, Berkeley）の研究室であった。Niyogi 研は 2017 年で 20 周年を迎えたラボで、UMR7141 に比べれば若いラボであるが、植物、藻類における NPQ 研究を始め、主にクラミドモナス
でのシグナルトランスダクション、藻類を用いた有用物質生産、作物植物における NPQ 改変と扱う材
料、研究内容共にこちらも多岐にわたる。また、Niyogi 研のある Department of Plant and Microbial
Biology （PMB)は、光リン酸化の発見者である Arnon 教授をはじめとして光合成研究では古い歴史を誇る。このような機関で研究を行えたことは大変貴重な経験となった。

UMC7141 ラボ
UMC7141 に在籍する複数の PI クラスの研究員や数名の技官は任期の定めがないためか、のんびりとした雰囲気のラボだった。テニュアの彼らに加えてポスドク数名、博士課程の学生数名、ときどき69光合成研究29 (1) 2019

修士課程や学部生レベルの学生がインターンシップにやってくる、という構成であった。テニュアの研究員はカフェを飲みながら議論（研究だけでなく政治の話なども）しゆっくり昼食を取り帰宅も早い一方、博士課程の学生やポスドク（特に外国人）は皆朝から晩まで実験していたのが印象的である。
夏のバカンスもフランス人のテニュア研究者はひと月近く休む一方、外国人留学生やポスドクは短かった。当時同時期にラボに在籍していた小澤博士（現・岡山大学）は休みを取らなかったため、Wollman
氏から休むように命じられたほどである。
固定メンバーが多いため、ラボ内の役割分担が明確であり、クラミドモナスの株の管理、試薬の管理、機器の管理が明確である一方、解析技術が 70-90 年代で止まっているような印象もあった。こちらでは、クラシックな方法を学びつつ、自分の持っていた解析技術を併用して研究を遂行することができた。
ラボの大多数はフランス人であるため、基本的にはフランス語で会話し、外国人と研究の話をするときは英語で行うという環境であった。このような環境であるため、着任直後はフランス語学校に行かせてもらいフランス語を学習した。生活するうえでフランス語は必須だったため、学習の機会を与えてくれたことは大変ありがたかった。
議論好きの国民性なのか、UMC7141 の研究者は何事においても熱い議論になった。彼らの自己主張は強いものの、自己の正当性を主張するというよりは議論そのものを楽しむという印象を受けた。またラボ内でのフランス人
vs 外国人という構図は多少なりともあり、普段はフランス語でのアナウンスなのに問題が起きたときは英語でアナウンスされ、外国人ポスドク同士で愚痴を言ったことが懐かしい。このようなことはあったものの、PI 研究者らが私をラボメンバーとして尊重してくれたことはありがた
Olivier Vallon 博士と（2014 年 5 月）
かった。加えて雇われポスドクとして、「職務を果たさねば」という責任感を感じながら仕事したことが、上司との信頼関係構築につながったと思う。

Niyogi ラボ
Niyogi 研のメンバーは、一人の PI（Niyogi
教授）とラボマネージャー、ポスドク（ボスに雇われるポスドクと「国立研究所の研究員（給与はボスのグラントから）」の両方が存在）、大学院生がおよそ半々で、テクニシャンが数名と私のような訪問研究者
が 1,2 名いるという構成である。こちらのラボは、皆アクティブに実験を行っておりバカンスもさほど長くは休まない（最大で2 週間ほど）。日本よりはリラックスした雰囲気だが常に皆が実験などに取り組んでいるという印象を受けた。
研究内容が多岐にわたり、大学院生や2018 年 Niyogi ラボの集合写真ランニングバージョン
ポスドクなど人の出入りが多いため、バクテリアのストックやクラミドモナスの株、試薬、機器の管理はラボマネージャー担っており、彼女なしではラボは運営できないと感じた。人の出入りが多いため、最新の解析方法などの情報が入る点は Niyogi 研の長所の一つである。加えて Niyogi
教授は、研究の遂行に際し研究者の裁量に任せる姿勢であること、研究資金が充実していることから、新たな解析方法をすぐに試せるという環境であった。実際に最新のクローニング技術を習得できた点は今回の滞在の大きな収穫であったと思う。
渡米直後ネイティブスピーカーの英語に慣れず苦労したが、発音のクラスを受講したり、人が話すフレーズを真似することで段々とコミュニケーション能力を培うことができた。また英語に慣れる

70

光合成研究29 (1) 2019

ことで発言等しやすくなり会話も上達するというポジティブフィードバックがあるため、英語に自信がなくてもどんどん話すことが大切であると改めて感じた。
アメリカ（特にカリフォルニア）では、個人を尊重するという姿勢が幼少期からの教育で徹底しているのか、どのような意見を述べても受け入れられ、フランスでのように議論が白熱するというシチュ
エーションはあまり見かけなかった。またフランスで体験したような自国民 vs 外国人という構図もな
く、私にとって居心地は大変良かった。また、Niyogi 教授は研究の遂行について各研究者の裁量に任せてくれるため自分のアイディアを試せるという環境に身を置けたことは大変ありがたかった。
バークレー校で印象的だったのが、Assistant professor 候補者の選抜過程であるセミナーを見る機会を得たことである。プレゼンテーションはもちろん、その後のチョークトーク（今後の研究方針についての議論を黒板とチョークを用いて行う）も公開で行われており、オープンな選抜が行われていた。
PMB でのテニュア獲得率は 90％ということで、最初の段階でハイレベルな選抜が行われていると感じた一方、着任後の Assistant professor はリラックスして自身の研究に取り組んでいるのが印象的だった。

パリでポスドク後のポスト探し
私がパリでポスドクしていた時期には、フランスでも日本での雇用 5 年ルール（無期転換ルール）
同様の法律が施行されており、同じ所属機関に 5 年以上はいられない状況であった。私は、2 年間勤務した後も同じラボに在籍し別の研究課題にも取り組みたかったが、上述したように法律上の問題から契約更新 3 年目には、CNRS から契約更新をしぶられた。しかし雇い元のグラントが変わったため更新が可能となり、これ以上の更新はなしということで 2014 年の 4 月いっぱい雇ってもらえることになった。
このような状況下だったため、フェローシップ獲得により研究続行を試みた。まずは、同じ研究機
関で研究を続行するために、ヨーロッパのフェローシップと学振海外特別研究員へ申請、受け入れ先研究者を変えて研究続行も視野に入れてドイツのフェローシップに申請したもののいずれも不採択であった。学術振興会の海外特別研究員への申請は面接に呼ばれ、自費で渡航し面接を受けたが結果は補欠。不採択ならまだ諦めもついたものの、「補欠」である。繰り上がるタイミングをいつまで待つべきかなどの情報はなく、ただ途方に暮れていたことを覚えている（結局繰り上がらなかった）。もちろん途方に暮れている訳にはいかなかったので、ポスドクを雇える可能性のある 5 人の PI（1 名日
本人、他は海外）に、雇用の可能性を問うメール＋CV を送った。2 名からは「今は雇えるグラントがないので、あなた自身でグラントを持っていればぜひ」という返信、一名からは返信もなし、一件目のポジティブな返事をくれたのが京都大の鹿内先生であった。鹿内研への着任が決まった後、問い合わせをした別の PI から「1 年であれば来てもらって構わない」という連絡ももらった。また、Wollman
氏に「どうしても見つからなければ知り合いのラボでポスドクできるように頼むことは可能である（その場合絶対断れない）」と言ってもらったことが、自力で行先を探すモチベーションになった一方、万が一のときのセーフティラインがあるという安心感があった。
このポスト探しの際に、推薦者となってくれた海外の研究者はいずれも研究上でのつながりがあった。共同研究で一緒に解析を行ったり、彼らのラボでプレゼンテーションをさせてもらった経験があった。また、鹿内先生に自身の研究を紹介する機会を得たのも鹿内研でさせてもらったプレゼンテーショ
ンがきっかけであった。これらの経験から感じたことは、言わずもがなではあるが、研究者は自分を売り込むことがとにかく重要であるので、機会を見つけてディスカッション、プレゼンテーションさせてもらうべきである。国際学会のポスター発表などは自分を知ってもらう恰好のチャンスであるし、旅行ついでにラボのセミナーにお邪魔する感覚で自分の話を聞いてもらえるといいと思う。また PI は
忙しくてメールを見落としていることがあるため、ポストについて問い合わせる際に、返信がないか
らとあきらめず何度かメールを出すことが重要であると思う。

海外での研究メリット・デメリット
海外で研究することのメリットは、多様な考え方、物事へのアプローチを学べることと、多くの研究者と知り合いになり自身の研究について議論してもらえることだと思う。特に同世代の研究者と知り合え、現在も交流が続いている点は研究を行ううえでの大きな刺激になっている。一方でデメリッ
トは、海外学振研究員でない限り科研費の申請資格がないことである。一昨年度の応募から科研費の制度が変更になり、若手研究の応募資格は学位取得後 8 年未満の研究者にしか与えられなくなった。

71

光合成研究29 (1) 2019

この制度は年齢で応募資格を区切る制度よりは平等性が高いと思うが、海外で研究した期間（科研費
応募資格がない期間）に対する考慮がない点は、改善されることを願っている。

おわりに2018 年度カリフォルニア大学での研究活動を可能にしてくださった埼玉大学の先生方、学術振興会にこの場を借りてお礼申し上げます。また、本稿を書く機会を与えてくださった光合成学会・若手の会の皆様にも併せてお礼申し上げます。

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光合成研究29 (1) 2019報告記事
生命科学系フロンティアミーティング 2018
（第 17 回若手の会セミナー）
開催報告
東京大学

大学院総合文化研究科
清水 隆之「生命科学の新たな地平を切り拓こうとする若手研究者の議論と交流の推進」を目指し、生命情報科学若手の会の世話人である慶応大の河野暢明さんが発起人となって、生命情報科学若手の会、日本ゲノム微生物学会若手の会、日本光合成学会若手の会が合同で開催したのが今回のミーティングです。なるべく参加者全員と交流するために定員制をとり、参加者数は 80 数名に制限されました。光合成学会関係者として参加した菅波さんが臨場感あふれる報告をまとめてくれたので、本会の様子については、是非そちらをご覧ください。
今回のミーティングは、2017 年 8 月に立教大学で開催された第 0 回生命科学系フロンティアセミナーに、光合成学会若手の会をお誘いいただいたのがきっかけとなり、共同開催させていただくことになりました。第 0 回
セミナーでは、各若手の会の関係者による研究紹介に加えて、今回のミーティングの共同開催に向けての意
見交換が行われました。非常に魅力的な企画だったので、共同開催に迷いがなかったことを記憶しています。
本会では、菅波さんが紹介してくれているワールドポスターを含めて、いくつかのユニークな企画が行われました。そのうちの 1 つが、パネルディスカッションです。各若手の会の代表 3 名と招待講演者 3 名が壇上で「面白い研究はどうやって考えつくか」「若手研究者にどのように研究の面白さを伝えるか」という 2 つのテーマについて意見を交わしました。
こうした企画はもちろん会を盛り上げていましたが、それ抜きにしても、全体を通して非常に活発な議論が行
われていました。ワールドポスターで使用したポスターは、両面印刷の A3 用紙がラミネート加工されたもので、常に持ち歩いて議論することが出来ました。実際、懇親会中やバスでの会場移動中にも、ポスターを用いて議論している姿が確認されました。
私を含め参加者全員が非常に満足した会だったと思います。様々な理由から、今後の開催は未定ですが、機会があれば絶対に開催いたします。本当に刺激的な会でしたので、今回参加されなかった方々は（参加した方々も）、次の機会があれば参加すべきだと思います！
さて、次回の光合成学会若手の会セミナーですが、
5 月 26 日の光合成学会年会終了後に光合成学会
若手の会 10th Anniversary セミナーとして開催いたします。歴代の若手の会会長に、ご自身の研究内
容や若手の会への思いなどの話をして頂く予定です。本会終わりに気軽に参加頂けたらと思います。
パネルディスカッションの様子

73光合成研究29 (1) 2019報告記事
生命科学系フロンティアミーティング 2018 参加報告
東北大学大学院農学研究科

植物栄養生理学分野
菅波 眞央

平成 30 年 10 月 5 日から 7 日にかけて、静岡県三島市国立遺伝学研究所で生命科学系フロンティ
アミーティング 2018 が開催されました。本大会は、生命情報科学若手の会、日本ゲノム微生物学会
若手の会、日本光合成学会若手の会の三会が学際的な融合を目的に合同で開催する初めてのミーティングでした。私は所属する東北大学で学際高等研究教育院という研究科の枠を越えた異分
野融合研究を推進するプログラムに参加しており、異分野交流のための勉強会の企画、運営に携わっています。今回は、異分野交流のノウハウを学びたいと考え、参加しました。
会議では、一般的な口頭発表に加えて、ワールドポスターという極めてユニークな形式でのポス
ター発表が行われました。これは、参加者全員が A3 のポスターを持ち、自分の研究内容を少人数のグループの中で発表し、グループを交換しながら何度も繰り返し発表する方式です。異分野の研究発表にもまんべんなく触れ、わからない部分はその場ですぐに質問できるこの方式は、異分野交流にとても効果的だと感じました。話が盛り上がると、食事の間や移動中にも、ポスターを持ちながら議論をする姿があちこちで見られました。

全体集合写真74

光合成研究29 (1) 2019

また、革新的な研究を最前線で進められている 3 名の先生の招待講演も行われました。ゲノム編
集技術の開発、さらに開発した技術の応用を目指したベンチャー企業を設立された神戸大学西田敬二先生、生命現象を明らかにする新規技術の開発を進める東京大学谷内江望先生、変化し続ける自然環境での光合成に着目し、作物の光合成改良を目指す京都大学田中佑先生、どの講演も斬
新なアイディアが満載でとても刺激になりました。
私は、遺伝子組換えによって光合成機能を改良したイネの遺伝子組換え作物専用隔
離ほ場での栽培試験について発表しました。光合成学会若手の会の方だけではなく、様々な方に興味を持っていただき、普段の学会とは別角度からの質問も多く受け、大変 勉 強 に な りま し た 。ま た 、光 栄 な こ と にジェンスクリプトジャパン特別賞をいただきました。
最後になりますが、清水隆之先生を始め

ジェンスクリプトジャパン特別賞受賞の様子とする本大会の企画、運営をしてくださった
方々に厚く御礼申し上げます。

75

光合成研究29 (1) 2019

報告記事
第 4 回光合成細菌ワークショップ開催報告
1

久留米大学

医学部、2 立命館大学

生命科学部

生命情報科学科、3 海洋研究開発機構
1
原田二朗、2 浅井智広、3 塚谷祐介

今年 3 月に名古屋大学で開催された第 60 回日本植物生理学会年会の関連集会として、光合成細菌ワークショップを開催した。今回で 4 回目と順調に回を重ねることができ、年会組織委員会の方、および、ご参加いただいた多くの方に感謝する。今年のプログラムでは、光合成細菌ならではの幅広い内容となり、例年通り本会では聞けない発表を演者の方々にして頂いた。最初の演者の山本治
樹先生 (名古屋大学) には、研究留学先のインディアナ大学での紅色光合成細菌の遺伝子制御についての研究を発表して頂いた。コバラミンを補因子とする青色光受容体 AerR の 2 つのアイソフォームが、異なる生育段階でそれぞれ光合成遺伝子発現の活性化と抑制に働いてことを明らかとした内容であった。次演者の蘆田弘樹先生 (神戸大学) には、RuBisCO の機能進化について講演して頂いた。RuBisCO が有するカルボキシラーゼ/オキシゲナーゼの反応性が生物間で異なることや、光合成を行わないアーキアや細菌の RuBisCO 様タンパク質の機能解明まで、この酵素の幅広い多様性について議論されていた。本ワークショップでは毎年 1 名以上の学生の方に講演をお願いしており、今回は田中謙也さん (大阪大学) にお話いただいた。シアノバクテリアにおいて概日時計と細胞内レドックスの関連を研究対象とし、光合成への影響や自律振動子の介入機構について議論した。
後半では、最初に小澄大輔先生 (熊本大学) に光合成細菌のカロテノイドの光捕集および光保護について講演いただいた。紅色光合成細菌のアンテナ系 LH2 のフェムト秒からサブミリ秒をカバーするレーザー分光解析から、カロテノイドの三重項状態の超高速生成過程について議論した。
次には、高部由季先生 (首都大学東京) に、好気性光合成細菌の研究についてお話いただいた。
これらの細菌は、好気条件下で光合成を行うといった、酸素発生光合成では当たり前だが、光合成細菌ではめずらしい特徴を持ち、その際生じる光酸化障害を防止するカロテノイドの分布についての内容であった。その次には、佐賀佳央先生 (近畿大学) に紅色光合成細菌の LH2 の B800 バク
テリオクロロフィル a を脱離させ、別の色素を再構成させる研究について発表していただいた。タン
パク質構造は安定させたまま自在に色素を変えられることから、光合成の進化や人工光合成への応用についてお話いただいた。そして最後は、野地智康先生 (東京大学) に、人工光合成へのアプローチとして、紅色光合成細菌の光アンテナ-反応中心複合体を固定させた電極基板の性能についての研究発表をしていただいた。
本ワークショップをオーガナズするにあたって、そのモチベーションについて述べたいと思う。1 つは我々が行っている光合成細菌の研究を盛り上げたいという気持ちである。ワークショップ開催前の頃は、近い分野の研究者人口が減り、学会でも議論できる機会が少なくなりつつあった。そこで、世76

光合成研究29 (1) 2019

話人の専門から離れた光合成細菌の研究へと視野を広げ、多くの分野の研究者が１か所に集まれるワークショップを開催した。その結果、光合成細菌を使うことで様々な応用研究へ発展できる可能性を感じることができた。そして、光合成の進化については、まだ何も解決してないことも再確認した。
もう 1 つのモチベーションは、光合成細菌の日本語での教科書となる本を作りたいという願望である。
代表的な教科書として北村博先生らが編集した「光合成細菌」 (学会出版センター) があるが、1984
年出版と古く、既に絶版となっている。これに代わる新しい内容の教科書を手掛けたいと考えていた
ところ、幸いにも本ワークショップを開催している関係で声を掛けていただき、世話人の 3 人とも新教科書の執筆に加わっている。今回ワークショップの総合討論の場で、早ければ本年中にも「光合成細菌」 (裳華房) が出版される予定であることが報告された。
今後も光合成細菌ワークショップの開催を続けていきたいと思う。形態は、例年通りの関連集会での開催の他に、シンポジウムに応募することも検討したい。また、他学会でも開催企画することで、光合成細菌の研究を今以上に発展させていきたいと考えている。

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集会案内

第 27 回「光合成セミナー2019：反応中心と色素系の多様性」の開催案内
期日：2019 年 7 月 13 日（土）午後 2 時から 14 日（日）午後 4 時まで

場所：大阪大学理学研究科南部陽一郎ホール（https://www.sci.osaka-u.ac.jp/ja/nambu-hall/）（交通）阪急電車「石橋」駅から徒歩約 25 分、大阪モノレール「柴原」駅から徒歩約 7 分
開催の目的：光合成に関して、物理学、化学、生物学を融合した討論を行う。光合成の進化、物
質変換、人工光合成などについても討論する。第一線の研究者に専門分野の解説をしていただくとともに、参加者の口頭・ポスター発表を行う。
協賛：日本光合成学会
内容：１．講演会
近藤徹（東北大学、JST さきがけ）「単一タンパク質分光で観る光合成光反応の動的制御機構」
長尾遼（岡山大学）「光化学系膜タンパク質複合体のクライオ電顕構造解析」
２．口頭発表（討論を含めて、一人 10 分から 15 分を予定）
３．ポスター発表 （2 分程度のポスタープレビューも併せて行う）
申込：発表申し込み締め切り
参加申し込み締め切り

2019 年 7 月 1 日（月）2019 年 7 月 1 日（月）参加費：（7 月 13 日の懇親会費、7 月 14 日の昼食代を含む）
一般 5,000 円（予定）
学生 3,000 円（予定）
世話人：秋本誠志（神戸大学）、大岡宏造（大阪大学）、大友征宇（茨城大学）、
出羽毅久（名古屋工業大学）、永島賢治（神奈川大学）、宮武智弘（龍谷大学）
申し込み・問い合わせ先：大阪大学大学院 理学研究科 大岡宏造
(E-mail: ohoka@bio.sci.osaka-u.ac.jp, Tel: 06-6850-5424)
プログラムおよび今後の案内は下記ホームページにて、更新情報を随時、掲載いたします。
http://www.bio.sci.osaka-u.ac.jp/~ohoka/photosyn_seminar/index.html
宿泊：セミナー期間は三連休と重なります。早めにホテルを予約してください。
その他：光合成生物の進化も含めた光反応・色素系の基礎から応用までを幅広く議論し、異分野の学生・研究者が楽しく交流できる場を提供していきたいと考えています。また新しい研究テーマや方向性のヒントが得られることも期待しています。今後の運営・内容等に関してご意見等がありましたら、遠慮無くメール（上記メールアドレス宛）をいただけ
れば幸いです。

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集会案内

第 10 回 International Meeting «Photosynthesis and Hydrogen Energy Research
for Sustainability – 2019»の開催案内
期日:場所：

2019 年 6 月 23 日～6 月 28 日
サンクトペテルブルグ（ロシア）
Website: https://prs.science/

本年 6 月 23 日～28 日に第 10 回 International Meeting «Photosynthesis and Hydrogen Energy
Research for Sustainability – 2019»が光合成研究に多大な貢献をされた佐藤公行先生（岡山大学名誉教授）の栄誉を記念（他 3 名を含む）してロシアのサンクトペテルブルグで行われます。
本国際会議は今回が 10 回目の開催になります。サンクトペテルブルグはロシアの北の首都ともよばれ、会議中は白夜の期間でもあります。また、エルミタージュ美術館があることでも有名です。本会議の第 1 回目は 2004 年にカナダ、ケベック州 Trois-Rivières で“In honor of Norio
Murata(村田先生の名誉を讃える記念)”として行われたのを原点とし、これまでに日本からの参加者が Talent 賞・Poster 賞等を多く受賞しています。
今回も多くの方々に参加、御発表（口頭及びポスター発表）頂き、活発なディスカッションができますようにお願い申し上げます。学生・ポスドクの参加者も大歓迎しています。
口頭発表の申し込み締め切りは 4 月 30 日、ポスター発表の締め切りは 5 月 30 日です。Early bird
registration の締め切りは 5 月 10 日で最終登録締め切りは 5 月 30 日です。
なお、ロシアへの渡航は Visa が必要になるので御留意ください。大会事務局からの VISA サ
ポートのヘルプは 5 月 20 日迄となっています。
本会の発表者は Photosynthesis Research (Springer)、 International Journal of Hydrogen Energy(Elsevier) 、Functional Plant Biology(CSIRO Publishing)の特集号に投稿可能です。
討論のセクションは大きく二つに分かれており
1． 光合成（基礎から応用まで人工光合成を含む光合成科学全ての領域）
2． 水素エネルギー（ヒドロゲナーゼ等による水素生産やバイオフュエル等）となっています。 詳しくはウエブサイトを御覧ください。
御不明な点がございましたら、御遠慮なくお問いあわせください。
東京理科大学鞆

達也

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光合成研究29 (1) 2019

集会案内

Walz 社 PAM を用いて、光合成電子伝達反応解析をはじめよう～どのように始める？ どのように解釈する？ そこが知りたい～
期日:場所：

2019 年 5 月 23 日(木)神戸大学・農学部 (B403 教室)

10：00

PAM を使いこなすための、クロロフィル蛍光解析の基本
京都大学・伊福健太郎

10：30

PAM を使いこなすための、PSI-P700 解析の基本と実践
東京大学・河野 優(30 分)(60 分)

11：30 PAM を用いた光呼吸解析 (30 分)(C3 作物の C4 化検証に最適なアッセイ・システム)(CO2 補償点でのエレクトロン・シンク能の最適評価システム)
神戸大学・三宅親弘
12：00～13：30

昼食(90 分)

13：30

DUAL/KLAS-NIR の紹介(60 分)
Christof Klughammer 博士

14：30

DUAL/KLAS-NIR を用いた、生葉でのフェレドキシン解析の実際
神戸大学・和田慎也

15：00～17：00(30 分)

DUAL-PAM, DUAL/KLAS-NIR, Junior-PAM を触ってみよう
講師「敬称略」
Christof Klughammer
伊福健太郎
河野優
和田慎也
三宅親弘

(120 分)◆注意事項：本セミナーに参加される方は事前申し込みが必要です。つきましては、神戸大学農学部植物栄養学研究室・三宅親弘(cmiyake@hawk.kobe-u.ac.jp)まで、下記の内容を記したメールを
5 月 10 までにお送りください。
（１）氏名、（２）所属、（３）メールアドレス、（４）PAM 解析の経験の有無（初心者、これから始めたい方大歓迎です）

80

光合成研究29 (1) 2019

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

81

光合成研究29 (1) 2019日本光合成学会会員入会申込書

平成

年

月

日

日本光合成学会御中
私は日本光合成学会の趣旨に賛同し、平成年より会員として入会を申し込みます。

[]内に会員名簿上での公開承諾項目に◯印をつけてください[]

氏名（漢字）（必須）

氏名（ひらがな）
氏名（ローマ字）
[

]

所属

[

]

住所 1

]

住所 2（自宅の方または会誌送付先が所属と異なる場合にのみ記入）

[

]

TEL1

[

]

TEL2（必要な方のみ記入）

[

]

FAX

[

]

E-mail〒[〒個人会員年会費

1,500 円 （会誌、研究会、ワークショップなどの案内を含む）

賛助法人会員年会費

50,000 円 （上記と会誌への広告料を含む）（振込予定日：平成年月日）（会員資格は１月１日～１２月３１日を単位とします）＊ 複数年分の会費を先払いで振り込むことも可能です。その場合、通信欄に（何年度～何年度分）とお書き下さい。

連絡先〒606-8502 京都府京都市左京区北白川追分町
京都大学 理学部研究科 鹿内利治 研究室内
日本光合成学会
TEL : 075-753-4247
FAX : 075-753-4257
ホームページ: http://photosyn.jp/

郵便振替口座銀行振込の場合

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

82光合成研究29 (1) 2019日本光合成学会会則
第１条

名称

本会は日本光合成学会（The Japanese Society of Photosynthesis Research）と称する。
第２条

目的

本会は光合成の基礎および応用分野の研究発展を促進し、研究者相互の交流を深めることを目的とす
る。
第３条

事業

本会は前条の目的を達成するために、シンポジウム開催などの事業を行う。
第４条

会員

１．定義
本会の目的に賛同する個人は、登録手続を経て会員になることができる。また、団体、機関は、賛助会員になることができる。
２．権利会員および賛助会員は、本会の通信および刊行物の配布を受けること、本会の主催する行事に参加することができる。会員は、会長を選挙すること、役員に選出されることができる。
３．会費
会員および賛助会員は本会の定めた年会費を納めなければならない。
第５条

組織および運営

１．役員
本会の運営のため、役員として会長 1 名、事務局長 1 名、会計監査 1 名、常任幹事若干名をおく。役
員の任期は２年とする。会長、常任幹事は連続して二期を越えて再任されない。事務局長は五期を越えて再任されない。会計監査は再任されない。
２．幹事
幹事数名をおく。幹事の任期は 4 年とする。幹事の再任は妨げない。
３．常任幹事会
常任幹事会は会長と常任幹事から構成され、会長がこれを招集し議長となる。常任幹事会は本会の運営に係わる事項を審議し、これを幹事会に提案する。事務局長と会計監査は、オブザーバーとして常任幹事会に出席することができる。
４．幹事会
幹事会は役員と幹事から構成され、会長がこれを招集し議長となる。幹事会は、常任幹事会が提案した本会の運営に係わる事項等を審議し、これを決定する。
５．事務局
事務局をおき、事務局長がこれを運営する。事務局は、本会の会計事務および名簿管理を行う。
６．役員および幹事の選出
会長は会員の直接選挙により会員から選出される。事務局長、会計監査、常任幹事は会長が幹事の中から指名し、委嘱する。幹事は常任幹事会によって推薦され、幹事会で決定される。会員は幹事を常任幹事会に推薦することができる。
第６条

総会

１．総会は会長が招集し、出席会員をもって構成する。議長は出席会員から選出される。
２．幹事会は総会において次の事項を報告する。
１）前回の総会以後に幹事会で議決した事項
２）前年度の事業経過
３）当年度および来年度の事業計画
３．幹事会は総会において次の事項を報告あるいは提案し、承認を受ける。

83光合成研究29 (1) 2019１）会計に係わる事項
２）会則の変更
３）その他の重要事項
第７条

会計

本会の会計年度は 1 月 1 日から 12 月 31 日までとする。当該年度の経理状況は、総会に報告され、その承認を受ける。経理は、会計監査によって監査される。本会の経費は、会費および寄付金による。
付則第１

年会費は個人会員 1,500 円、賛助会員一口 50,000 円とする。

第２

本会則は、平成 14 年 6 月 1 日から施行する。

第３

本会則施行後第一期の会長、事務局長、常任幹事にはそれぞれ、第５条に定める規定にかかわらず、平成 14 年 5 月 31 日現在の会長、事務局担当幹事、幹事が再任する。本会則施行後第一期の役
員および幹事の任期は、平成 14 年 12 月 31 日までとする。
第４

本会則の改正を平成 21 年 6 月 1 日から施行する。

日本光合成学会の役員選出に関する申し合わせ

平成 27 年 5 月 27 日

幹事会

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

日本光合成学会の運営に関する申し合わせ

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

84

光合成研究「光合成研究」

29 (1) 2019

投稿規定
(6) 本文中に図の大体の位置を指示する。
（図を貼り付けてもよい。）

総則
1. 「光合成研究」（本報）は光合成に関連する諸分野における記事を掲載する。
2. 1 年に 3 回（4 月、8 月、12 月号）冊子体として発行し、電子版を光合成学会のホーム
ページ上に公開する。
3. 原稿が E-mail において受付処理をされた日を以て受付日とし、編集委員が掲載可と判断した日を採択日とする。ただし原稿が本規定に合わない場合受け付けないことがある。
4. 編集委員は、原稿の審査に際し、原則的に適切な査読者を選んで査読を依頼し、掲載の可否を判断する。
5. 掲載論文の著作権（冊子体および電子版）は日本光合成学会に属する。
6. 図やそこで使われる写真が過去論文として発表したものもしくは発表されたものであった場合は、それらの著作権問題を著者ら自身でクリアする必要がある。
7. 投稿に当たっては、全ての著者が投稿に同意し、かつ原稿の内容について責任を持たなければならない。また、全ての著者は代表
著者が全著者を代表して原稿の掲載に関する事項を執り行うことに同意するものとする。

参考文献(1) 参考文献は、本文中の該当箇所に、右上付きで、1)、1,2)、1–3) のように示す。
(2) 参考文献の表記は下記のとおりとする。
雑誌例
1. Berthold, D.A., Babcock, G.T. andYocum, C.F. (1981) A highly resolved,
oxygen-evolving
photosystemIIpreparation from spinach thylakoid
membranes. EPR and electron-transport
properties. FEBS Lett. 134, 231–234.
2. Nanba, O. and Satoh, K. (1987) Isolationof a photosystem II reaction center
consisting of D-1 and D-2 polypeptides
and cytochrome b-559. Proc. Natl. Acad.
Sci. U.S.A. 84, 109–112.

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

一般的事項(1) Microsoft Word ファイルを基本とする。字数制限は設けないが、「解説」は A4 サイ
ズ 6〜8 ページ、「トピックス」、「研究紹介」は 4 ページ程度を目安にする。1 ペー
ジ当りの文字数は、図表を含めて 1800 字程度。日本語は MS 明朝、英数字は Times
New Roman とする。
(2) 本文の最初に、日本語および英語での論
文題名、著者所属機関名、氏名を記載する。
(3) 句読点は「 、 」「 。 」に統一する。
(4) 300 字程度の日本語要旨を作成すること。
(5) 参考文献、表、図のキャプションは、本文の後ろにつける。

日本光合成学会「光合成研究」編集委員会
2017 年 12 月 23 日改訂85光合成研究29 (1) 2019

幹事会名簿
秋本誠志

神戸大学大学院理学研究科

高市真一

東京農業大学生命科学部

粟井光一郎

静岡大学学術院理学領域

高橋裕一郎

岡山大学異分野基礎科学研究所

池内昌彦

東京大学大学院総合文化研究科

田中歩

北海道大学低温科学研究所

石北央

東京大学大学院工学研究科

田中寛

東京工業大学資源化学研究所

泉井桂

近畿大学生物理工学部生物工学科

田中亮一

北海道大学低温科学研究所

伊藤

繁

名古屋大学

民秋

均

立命館大学総合理工学院

井上和仁

神奈川大学理学部

都筑幹夫

東京薬科大学生命科学部

伊福健太郎

京都大学大学院生命科学研究科

出羽毅久

名古屋工業大学大学院工学研究科

榎並

東京理科大学寺島一郎

東京大学大学院理学系研究科

得平茂樹

首都大学東京大学院理工学研究科

鞆達也

東京理科大学理学部

遠藤

準

勲

京都大学大学院生命科学研究科

仲本

大岡宏造

剛

大阪大学大学院理学研究科

永島賢治

神奈川大学

太田啓之

東京工業大学

成川礼

静岡大学学術院理学領域

バイオ研究基盤支援総合センター

南後

守大阪市立大学大学院理学研究科

大友征宇

茨城大学理学部

西田生郎

埼玉大学大学院理工学研究科

大政謙次

東京大学大学院農学生命科学研究科

西山佳孝

埼玉大学大学院理工学研究科

小川健一

岡山県農林水産総合センター

野口航

東京薬科大学生命科学部

生物科学研究所野口巧

名古屋大学理学研究科

小俣達男

名古屋大学大学院生命農学研究科

長谷俊治

大阪大学蛋白質研究所

垣谷俊昭

名古屋大学

林

愛媛大学プロテオサイエンスセンター

菓子野康浩

兵庫県立大学理工学部

原登志彦

北海道大学低温科学研究所

柏山祐一郎

福井工業大学環境情報学部

彦坂幸毅

東北大学大学院生命科学研究科

金井龍二

埼玉大学

久堀

東京工業大学研究院化学生命科学研究所

神谷信夫

大阪市立大学複合先端研究機構

日原由香子

埼玉大学大学院理工学研究科

熊崎茂一

京都大学大学院理学研究科

福澤秀哉

京都大学大学院生命科学研究科

栗栖源嗣

大阪大学蛋白質研究所

藤田祐一

名古屋大学大学院生命農学研究科

小池裕幸

中央大学理工学部

古本

強

龍谷大学農学部

小林正美

筑波大学大学院数理物質科学研究科

前

忠彦

坂本

岡山大学資源生物科学研究所

牧野

周

佐賀佳央

近畿大学理工学理学科

増田真二

櫻井英博

早稲田大学

佐藤公行

岡山大学

増田

佐藤直樹

東京大学大学院総合文化研究科

松浦克美

首都大学東京都市教養学部

鹿内利治

京都大学大学院理学研究科

松田祐介

関西学院大学理工学部

重岡

亘

成

秀則

徹

埼玉大学大学院理工学研究科

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

建東京大学大学院総合文化研究科

近畿大学農学部

真野純一

山口大学農学部

篠崎一雄

理化学研究所植物科学研究センター

皆川

基礎生物学研究所

嶋田敬三

首都大学東京

宮尾光恵

東北大学大学院農学研究科

白岩義博

筑波大学生物科学系

宮下英明

京都大学大学院地球環境学堂

沈

岡山大学異分野基礎科学研究所

宗景（中島）ゆり 関西学院大学理工学部

建仁

純

杉浦昌弘

名古屋大学

村田紀夫

基礎生物学研究所

杉浦美羽

愛媛大学プロテオサイエンスセンター

本橋健

京都産業大学総合生命科学部

杉田名古屋大学遺伝子実験施設

矢守航

東京大学大学院理学系研究科

杉山達夫

名古屋大学

横田明穂

奈良先端科学技術大学院大学

鈴木祥弘

神奈川大学理学部

園池公毅

早稲田大学教育学部

護

バイオサイエンス研究科
和田

86

元

東京大学大学院総合文化研究科

光合成研究29 (1) 2019

編集後記
前任者の伊福健太郎さんから引き継ぎ、今号から編集長を務めることになりました。どうぞよろし
くお願いいたします。私は 2009 年に日本光合成学会の若手の会を当時、代表として立ち上げました。
その活動は今もなお若手に引き継がれ、活発な研究交流が展開されています。光合成は、その素過程を詳細に解析するには、生物物理学、有機化学、生化学などの知識・技術が必要となる一方、光合成をマクロな視点で捉えようとすると、生化学、生理学、細胞生物学、生態学などの知識・技術が必要です。しかしながら、1 人の研究者がこれらの研究領域を全て把握することは非常に困難です。そのような状況では、学会や若手の会での積極的な研究交流が有効な手段となりますし、日本語で執筆された専門誌である「光合成研究」もまた、大きな一助となると考えています。その役割を果たすべく、この雑誌をさらに素晴らしいものにするため努力する所存でおります。
さて、今号は、2018 年 5 月 26 日〜27 日に東北大学で開催された第 9 回日本光合成学会・シンポジウム「光合成と窒素と作物生産」でご講演していただいた方々、池内さん、山野さん、小杉さんに執筆していただきました。多様なラインナップであり、正に上記の役割を果たす内容と思いました
が、いかがでしたでしょうか。今号に関するご意見や本誌に対するご要望がございましたら、ぜひ私までご連絡ください。
また、研究紹介や解説を随時受け付けておりますので、奮ってご投稿ください。表紙に適した写真もよろしくお願いします。
編集長・成川 礼（静岡大学）

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

87光合成研究29 (1) 2019

「光合成研究」編集委員会
編集長

成川 礼（静岡大学）

編集委員

高林 厚史（北海道大学）

編集委員

宗景 ゆり（関西学院大学）

編集委員

矢守 航（東京大学）

日本光合成学会

2019年度役員

会長

鹿内 利治（京都大学）

事務局長

園池 公毅（早稲田大学）

常任幹事

杉浦 美羽（愛媛大学）

年会 2017年

常任幹事

古本 強（龍谷大学）

年会 2017年

常任幹事

石北 央（東京大学）

常任幹事

伊福 健太郎（京都大学）

前編集長

常任幹事

牧野 周（東北大学）

年会 2018年

常任幹事

宮尾 光恵（東北大学）

年会 2018年

常任幹事

本橋 健（京都産業大学）

年会 2019年

常任幹事

菓子野 康浩（兵庫県立大学）

常任幹事

熊崎 茂一（京都大学）

光生物学協会

常任幹事

成川 礼（静岡大学）

編集長

常任幹事

矢守 航（東京大学）

ホームページ

会計監査高橋 裕一郎（岡山大学）

選挙管理委員

西山 佳孝（埼玉大学）・日原 由香子（埼玉大学）

光合成研究

日

本

第 29 巻光〒606-8502

合

第1号

成

学

（通巻 84 号）

2019 年 4 月 30 日発行

会

京都府京都市左京区北白川追分町

京都大学 理学研究科

鹿内利治 研究室内

TEL : 075-753-4247
FAX : 075-753-4257
e-mail : jspr@photosyn.jp
ホームページ : http://photosyn.jp/
郵便振替口座銀行振込の場合

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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