基生研,強すぎる光を植物逃がす新たな仕組みを発見

基礎生物学研究所,神戸大学,北海道大学の共同研究グループは,植物が強い光を浴びたときに,そのエネルギーをわざと逃がすqEクエンチングと呼ばれる仕組みを研究してきたが,今回,紫外線の多い環境で育った緑藻に,全く新しい仕組みを発見した(ニュースリリース)。

植物細胞の光合成を行なう光合成装置は,強すぎる光を当てると壊れるため,強い光を浴びたときには,そのエネルギーを熱に変換して逃がす,光合成のブレーキ機構がある。その代表的なものにqEクエンチングと呼ばれる仕組みがある。これはほとんどの植物に備わっていることがわかっており,環境に適応するために必要な機能だと考えられている。

研究グループは,緑藻クラミドモナスの葉緑体の中に生産されるLHCSR1タンパク質に注目。細胞に強い光を当てた時にLHCSR3タンパク質が合成されqEクエンチングを引き起こすことは知られていたが,これとよく似たLHCSR1については,存在こそ知られていたものの,機能についてはよくわかっていなかった。

そこで,まず通常の人工照明ではなく紫外線を含む照明でクラミドモナスを培養した結果,葉緑体に大量にLHCSR1が蓄積され,qEクエンチングが起こることがわかった。

これまで,qEクエンチングは光化学系IIを取り巻くように存在する集光アンテナ部で起こることが明らかになっている。今回の研究により,「光化学系IIの集光アンテナ部に一度集められた光エネルギーが,LHCSR1によってさらに光化学系Iへと移され,そこで“安全に”使われるという仕組みでもqEクエンチングは起こる」ことがわかった。

紫外線をあてると生産されるタンパク質であるLHCSR1は,光化学系IIから光化学系Iへとエネルギーを橋渡しするタンパク質であるの可能性がある。

弱光条件時,チラコイド膜内腔は中性条件にある。このとき,集光アンテナがとらえた光エネルギーは光化学系IIに渡され,光化学系IIで電気化学エネルギーに変換される。強光条件時はチラコイド膜上に大量の電子が流れ,チラコイド膜内腔は酸性条件になる。これによりLHCSR1は活性化され,以後集光アンテナがとらえた光エネルギーは光化学系Iへと渡されることになる。

光化学系Iは,そのエネルギーを蛍光を発さず効率よく電気化学エネルギーに変換する。ただし,もともと育った光の成分の中に紫外線成分がない場合にはLHCSR1は発現しないため,このようなことは起こらない。

どちらかと言えば脆弱な光化学系IIに強すぎる光が当たる状況においても,もしLHCSR1さえあれば,その過剰な光エネルギーは光化学系Iへと受け渡され,光化学系Iの反応中心で電気化学エネルギーへと安全に変換される。光化学系IIよりも光化学系Iの方が変換効率の良い光化学系であることは昔からわかっており,今回発見されたしくみは理にかなった仕組みだとしている。

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