電中研ら,光合成の電子受容体量の調節機構を解明

電力中央研究所(電中研),埼玉大学,エネルギーコンサルタントのセレスは、光合成の電子受容体量を調節する仕組みを明らかにした(ニュースリリース)。

光合成において葉緑素(クロロフィル)から取り出された電子は受容体(NADP+)に受け渡されてNADPHという物質で一時的に保存される。この受容体量は光環境によって変化するが,その全体像は解明されていない。

NADP+は細胞に広く存在し,光合成以外の反応にも利用されるため,研究グループは光に応答した受容体の変動が葉緑体で起こると証明した。また,受容体の合成酵素の活性には光が必要で,アルカリ性のpHで活性が増大することを明らかにした。

光合成の電子伝達経路は,受容体がなければ電子が渋滞して動けないが,サイクリック電子伝達経路というもう一つの経路が電子を受容体に渡すことなく系内を循環し,葉緑体内のpH勾配を光がある時の状態に保ちATPを合成する。

阻害剤で全ての電子伝達を止めると光があっても受容体は合成されない一方,サイクリック電子伝達経路を阻害した時にも受容体の合成が抑制された。

また,サイクリック電子伝達経路を欠損する変異体では受容体合成が顕著に遅延し,光に応答した速やかな受容体の増加にはこの経路の駆動によるpH勾配が重要と分かった。

植物の葉に光を当てた後に遮光すると,受容体量は徐々に減少する。この時,遮光前に強光を照射してサイクリック経路を亢進すると受容体の減少は遅延した。同様に,この経路の亢進変異体では受容体の減少が遅延し,欠損変異体では減少が加速した。

また,受容体の分解活性は弱酸性から中性のpH条件で活性化し,アルカリ条件では消失していた。従って,遮光によって生じる葉緑体内部のpH変化と受容体分解酵素の活性特性が一致することが分かった。

さらに,遮光時に葉緑体内のpHを調節するイオン輸送体の欠損変異体でも同様の遅延が観察されたことから,葉緑体内部の受容体量が光環境に依存したpH変化によって調節されることがわかった。 

以上から,光によって電子伝達経路が駆動することで葉緑体ストロマのpHが受容体を合成しやすい環境に調整され,受容体量が増加して光合成出力が増大すると考えられた。

光が遮られた環境ではサイクリック電子伝達経路によってpHが維持され,数分間は次の光まで待機するが,循環可能な電子が尽きると,葉緑体ストロマのpHは受容体を分解しやすい環境に調整されて減少することが分かってきた。

研究グループはこの知見が,光合成出力の改善によるバイオマス増産のみならず有害植物の成長抑制に資する新たな農薬開発にもつながる重要な成果だとしている。

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