この研究成果は、2020年12月12日付け(現地時間)で、国際科学誌『plants』に掲載されました。

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  • 光合成には、酸化障害をもたらす活性酸素種(Reactive Oxygen Species, ROS)生成の危険性が常に伴う。
  • これまでの研究から、ROS生成抑制のための“P700酸化モデル”という制御メカニズムが明らかになってきていた。
  • イネでは、自身の内在的な生理現象によりROS生成の危険性が高くなりうることが分かったが、“P700酸化モデル”が機能し、安全に光合成反応を進行させていることを明らかにした。
  • これまでその生理的意義を疑問視されていた光呼吸が、野外環境での光合成においてP700酸化を通じた重要な機能を果たしていることを強く示唆した。

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2)を有機化合物に固定し、糖を生合成するCO2固定反応です。これら二つの反応系は、エネルギーの供給と消費の関係にあり、そのバランスは保たれる必要があります。

光合成電子伝達系は、葉緑体チラコイド膜※1+)に分解され、酸素は気孔を通じて大気へ、H+はチラコイド膜の内側に放出されます。そして、PSIIで引き抜かれた還元力は、チラコイド膜内にH+を取り込みながらPSIまで伝達されます。PSIでは、PSIIから伝達されてきた還元力を光により再度上昇させ、フェレドキシン(Fd)を介してNADP+を還元し、NADPHを合成します。また、一連の反応によりチラコイド膜の内側に蓄積したH+の濃度勾配(ΔpH:チラコイド膜内外の濃度差)を化学エネルギーとしてATP(アデノシン三リン酸)合成酵素によるATPが生合成反応を駆動します。

一方CO2固定反応は、葉緑体ストロマ※2 で進行し、酵素Rubisco(Ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase)により、葉の表面に存在する気孔から取り込まれ、葉緑体に拡散したCO2

しかし、強光や乾燥などのストレス環境では、CO2固定反応の効率が低下します。先述したように、光合成電子伝達反応とCO222 が生成することが分かっています。このROSは、蓄積するとPSIに酸化障害を与え、光合成能力を低下させます(Sejima et al. 2014)。

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本研究では、気孔開閉の周期的変動によるCO2固定反応速度の変動に対して、光呼吸反応がCO22)では、CO22固定反応の両方が抑制されるような状況では、RISEがP700酸化に寄与しうることを明らかにしました。

 

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※1 チラコイド膜
葉緑体がもつ小胞を構成する二重膜。膜内に種々のタンパク質が存在し、光合成の明反応を起こす。
※2 ストロマ
葉緑体の主要な区画。グラナ(円板の形をした緑色の膜構造体)の周囲にあり、無色の液体状をしている。Rubiscoが構成タンパク質の約半分を占める。

本研究は、以下の支援を受けて行われました。

・科学技術振興機構 (JST) 戦略的創造研究推進事業 (CREST)
研究領域「環境変動に対する植物の頑健性の解明と応用に向けた基盤技術の創出」(研究総括:田畑 哲之)
研究課題名「活性酸素生成抑制システムの非破壊評価系の確立とフィールドへの応用」(JPMJCR15O3) (研究代表者:三宅親弘)

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タイトル
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DOI:10.3390/plants9121761
著者
古谷吏侑1、 牧野周2、 鈴木雄二3、 和田慎也1、 嶋川銀河4、 三宅親弘1
1 神戸大学大学院農学研究科
2 東北大学大学院農学研究科
3 岩手大学農学部
4 大阪大学大学院工学研究科
掲載誌
plants』Volume 9, Issue 12 (December 2020)