京大ら,藻類のCO2濃縮機構を解明

京都大学の研究グループは,基礎生物学研究所,岡山大学,東京農業大学との共同研究により,光合成改良の要となる「CO2濃縮機構」が,植物特異なカルシウム結合タンパク質によって葉緑体を介して制御されることを明らかにした(ニュースリリース)。

植物は太陽光のエネルギーを利用して水と二酸化炭素(CO2)から有機物と酸素を作る光合成を行ない,地球上の全ての生命活動を根底から支えている。特に,光合成に必要なCO2を効率よく細胞内に取り込み固定することは,光合成を調節するうえで重要なステップのひとつとなっている。

藻類が生息する水中では,しばしば光合成に不利なCO2欠乏環境にさらされるが,このような環境においても光合成を維持するために,藻類はCO2を重炭酸イオン(HCO3)の形で積極的に取り込み,葉緑体の中に濃縮する仕組み(CO2濃縮機構)を持つ。

CO2濃縮機構を実際に駆動するのに必要な重炭酸イオン輸送体は同研究グループにより発見されたが,それを制御する仕組みの詳細については分かっていなかった。

研究グループらは単細胞緑藻クラミドモナスを水中で光合成を行なう生物のモデルとして研究材料に使い,生育に高濃度のCO2を必要とする変異株を選抜した。

重炭酸イオン輸送体の蓄積量が顕著に減少し,光合成の効率が低下した変異株を単離したところ,カルシウムイオン(Ca2+)を結合するタンパク質CASをコードする遺伝子が壊れていた。

Ca2+は光合成の酸素発生複合体の構成因子であり,光合成の調節にも関わることは知られていたが,Ca2+がCO2濃縮機構の制御にも関わることが初めて明らかになった。また,CASは光とCO2の濃度変化に依存して葉緑体の中で局在を変化させる性質を持ち,葉緑体から核へのレトログレード(逆行)シグナルを介して,重炭酸イオン輸送体の発現を制御することが明らかになった。

これまで葉緑体の中を動いて光合成の特性を変化させるような因子は全く報告されておらず,光合成を調節する全く新しいメカニズムの解明につながることが期待される成果だとしている。

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