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光合成

キーワード:光阻害・光防御・熱放散・光呼吸・サイクリック電子伝達

私たちの研究成果

 光合成生物は光を利用して光合成を行います。しかし、時として、光は光合成装置に損傷をもたらします。これにより、光合成効率や光合成活性が低下することがあり、この現象を光阻害と呼びます。光阻害は様々な環境ストレス下で見られ、これが生長や生産量の低下や、枯死の原因となります。光合成生物には、光阻害を抑えるいくつもの光防御機構が備わっており、その能力の違いで環境ストレス耐性が異なります。私たちは、「光合成装置の光損傷がどう起こるのか?」、「環境ストレスがどのように光阻害を促進するのか?」、「光防御機構がどのように光阻害を抑制するのか?」といった疑問に対して生理学をメインに研究していました。

 従来、光合成装置の光損傷は光合成色素に吸収された過剰な光エネルギーが原因だと考えられていました。そのため、過剰な光エネルギーの消去に働く光呼吸回路、熱放散、サイクリック電子伝達系といった光防御機構はいずれも光損傷の抑制に働くと考えられていました。しかし、モデル光合成生物(シロイヌナズナや緑藻)を用いて研究を進め、以下のことを明らかにしました。

(1)光合成装置の光損傷は光合成色素に吸収された光エネルギーと無関係であること(論文1,2,3)。

(2)光合成色素に吸収された過剰な光エネルギーは光損傷を受けた光合成装置の修復を阻害し、光阻害を促進すること(論文4,5,6)。

(3)過剰な光エネルギーの消去に働く光防御機構はいずれも修復阻害を抑制し、光阻害を防ぐこと(論文7,8)。

 これらの結果より、新たな光阻害機構(論文9,10)と光防御機構(論文11)の提唱に至りました。

参考論文

  1. Ohnishi N, Allakhverdiev SI, Takahashi S, Higashi S, Watanabe M, Nishiyama Y, Murata N (2005) Two-step mechanism of photodamage to photosystem II: step 1 occurs at the oxygen-evolving complex and step 2 occurs at the photochemical reaction center. Biochemistry, 44: 8494-8499. 

  2. *Takahashi S, Milward SE, Yamori W, Evans JR, Hillier W, Badger MR (2010) The solar action spectrum of photosystem II damage. Plant Physiology, 153: 988-993. 

  3. Zavafer A, Cheah MH, Hillier W, Chow WS, *Takahashi S (2015) Photodamage to the oxygen evolving complex of photosystem II by visible light. Scientific Reports, 5: 16363. 

  4. Takahashi S, Murata N (2005) Interruption of the Calvin cycle inhibits the repair of photosystem II from photodamage. Biochimica Et Biophysica Acta, 1708: 352-361.

  5. Takahashi S, Murata N (2006) Glycerate-3-phospahte, produced by CO2 fixation in the Calvin cycle, is critical for the synthesis of the D1 protein of photosystem II. Biochimica Et Biophysica Acta, 1757: 198-205. 

  6. Allakhverdiev SI, Nishiyama Y, Takahashi S, Miyairi S, Suzuki I, Murata N (2005) Systematic analysis of the relation of electron transport and ATP synthesis to the photodamage and repair of photosystem II in Synechocystis. Plant Physiology, 137: 263-273.

  7. *Takahashi S, Bauwe H, Badger M (2007) Impairment of the photorespiratory pathway accelerates photoinhibition of photosystem II by suppression of repair but not acceleration of damage processes in Arabidopsis. Plant Physiology, 144: 487-494.

  8. *Takahashi S, Milward SE, Fan D-Y, Chow WS, Badger MR (2009) How does cyclic electron flow alleviate photoinhibition in Arabidopsis? Plant Physiology, 149: 1560-1567. 

  9. Murata N, Takahashi S, Nishiyama Y, Allakhverdiev SI (2007) Photoinhibition of photosystem II under environmental stress. Biochimica Et Biophysica Acta, 1767: 414-421. 

  10. Takahashi S, Murata N (2008) How do environmental stresses accelerate photoinhibition? Trends in Plant Science, 13: 178-182. 

  11. *Takahashi S, Badger MR (2011) Photoprotection in plants: a new light on photosystem II damage. Trends in Plant Science, 16: 53-60.