理研、コケ植物の光化学系I複合体の集光アンテナ調節機構を解明

コケ植物の光化学系I複合体の集光アンテナ調節機構を解明
−植物の進化と光合成調節との関連を示唆−


＜要旨＞
　理化学研究所（理研）光量子工学研究領域ライブセル分子イメージング研究チームの岩井優和客員研究員（科学技術振興機構（JST）さきがけ研究者）、中野明彦チームリーダーらの共同研究グループ（※）は、コケ植物の光合成反応を担う光化学系タンパク質［１］の解析を行い、コケ植物特有の「集光アンテナ調節機構」を解明しました。

　光合成反応は、植物の葉緑体で行われる化学反応で、自然環境の維持と物質生産という重要な役割を担っています。光合成反応に関わる光化学系Iと光化学系II［２］は、葉緑体のチラコイド膜［３］に存在するタンパク質複合体で、集光アンテナタンパク質［４］から運ばれた光エネルギーを消費して光合成電子伝達系を駆動させ、エネルギー生産を行います。それぞれの光化学系の反応効率を高めるため、集光アンテナタンパク質が光エネルギーの供給量を調節しています。これを「集光アンテナ調節機構」と呼びます。これまで、緑藻と陸上植物の集光アンテナタンパク質について盛んに研究が進められてきましたが、進化的に陸上植物と緑藻の中間に位置するコケ植物の集光アンテナタンパク質については研究が進んでいませんでした。

　共同研究グループは、進化的に緑藻と陸上植物の間に位置するコケ植物「ヒメツリガネゴケ［５］」のチコライド膜を分離精製し、解析を行いました。その結果、ヒメツリガネゴケのチラコイド膜には、陸上植物型と緑藻型の２種類の光化学系I複合体が存在することが分かりました。また、ヒメツリガネゴケにのみ存在が確認されているLhcb９と呼ばれる集光アンテナタンパク質が、緑藻型光化学系I複合体の形成に重要であることも分かりました。ゲノム情報が公開されている全ての光合成真核生物［６］の集光アンテナタンパク質との進化的な関係を調べたところ、ヒメツリガネゴケが持つLhcb９は、その元となる遺伝子を自らの祖先ではなく、緑藻の祖先から水平伝播［７］によって獲得していたことが示唆されました。そのため、ヒメツリガネゴケは緑藻型光化学系I複合体を持っていると考えられます。陸上植物型と緑藻型の２つの光化学系I複合体を持つことの進化的な意義は不明ですが、植物が水中から陸上に進出する際の環境変化の中で、２つの光化学系I複合体を持つことで電子伝達系によるエネルギー生産を助けていた可能性があります。今回の研究成果から、進化の過程で獲得した新規の集光アンテナタンパク質が光合成反応の活性に影響を及ぼすことが分かりました。

　本研究は、科学研究費補助金（若手研究（A）：課題番号２３６８７００８）の支援を受けて行われ、JST戦略的創造研究推進事業　個別型研究（さきがけ）研究領域「二酸化炭素資源化を目指した植物の物質生産力強化と生産物活用のための基盤技術の創出」研究課題名「ライブセルイメージングによる光環境適応機構の実態解明」（代表：岩井　優和）の一環として行われました。成果は、英国の科学雑誌『Nature　Plants』のオンライン版（１月１９日付け：日本時間１月２０日）に掲載されます。

　※共同研究グループ
　理化学研究所　光量子工学研究領域　ライブセル分子イメージング研究チーム
　客員研究員　岩井　優和（いわい　まさかず）（JSTさきがけ研究者）
　チームリーダー　中野　明彦（なかの　あきひこ）
　北海道大学　低温科学研究所
　研究員　横野　牧生（よこの　まきお）

　神戸大学　分子フォトサイエンス研究センター
　准教授　秋本　誠志（あきもと　せいじ）

　東京大学大学院　理学系研究科　生物科学専攻　植物生態学研究室
　研究員　河野　優（こうの　まさる）
　准教授　野口　航（のぐち　こう）


＜背景＞
　約３０億年という長い年月の間、植物などの光合成生物は地球規模で起こるさまざまな環境変化を耐え抜き、あらゆる自然環境下で生存し続けてきました。光合成生物がどのように環境の変化に適応してきたのかを調べることで、今後、予測される環境変化にも耐えうる植物の開発を進めることができます。多くの植物は、さまざまな形態形成によって環境への適応を図ってきましたが、光合成反応を司る葉緑体タンパク質も環境に合わせて、その機能を調節していたことが知られています。これまで研究されてきたほとんど全ての光合成生物では、光合成反応を司る根幹部分はよく似ているのですが、光エネルギーを吸収した後の処理の仕方が異なっていることが、近年明らかになっています。

　光エネルギーを吸収するためのクロロフィル（葉緑素）を多く含み、吸収した光エネルギーを、葉緑体のチラコイド膜に存在する「光化学系」へと運ぶ重要な役割を担うのが「集光アンテナ（LHC）タンパク質」です。光化学系は、集光アンテナタンパク質から運ばれた光エネルギーを消費して光合成電子伝達系を駆動させ、エネルギー生産を行います（図１）。しかし、集光アンテナタンパク質から必要以上に光エネルギーが供給されると光化学系は活性酸素によって壊れてしまいます。それを防ぐため、集光アンテナタンパク質は過剰な光エネルギーの行き先をコントロールして光化学系の機能を維持しています。これを「集光アンテナ調節機構」と呼びます。

　光化学系には、光化学系Iと光化学系IIの２種類があり、それぞれに光エネルギーを供給する集光アンテナタンパク質をLHCI、LHCII［８］と呼んでいます（図１）。LHCIIは、地球上で最も多い膜タンパク質として知られ、光エネルギーの制御に重要な役割を持っていることがこれまでの研究で分かっています。また、LHCIIの基本骨格を持つ集光アンテナタンパク質はほとんどの光合成真核生物に保存されていますが、進化の過程で多様化しています。この集光アンテナタンパク質の多様性が、さまざまな環境への適応を可能としているのではないかとも考えられています。

　これまで緑藻や陸上植物の集光アンテナタンパク質について盛んに研究されてきましたが、進化的に緑藻と陸上植物の中間に位置するコケ植物の同タンパク質についてはほとんど研究が進んでいません。そこで共同研究グループは、コケ植物特有の環境適応機構の解明を目的に、ヒメツリガネゴケの集光アンテナタンパク質の解析を行いました。


＜研究手法と成果＞
　光合成反応の光エネルギー伝達に関わるタンパク質のほとんどは葉緑体のチラコイド膜に存在しています。共同研究グル−プはまず、ヒメツリガネゴケのチラコイド膜の光合成関連タンパク質をショ糖密度勾配超遠心法［９］によって分離精製しました。その結果、ヒメツリガネゴケには分子量の大きさが異なる２つの光化学系I複合体が存在していることが分かりました。

　この２つの光化学系I複合体に含まれる集光アンテナタンパク質を調べたところ、分子量の大きい光化学系I複合体には、光化学系Iひとつに対して多くのLHCIが含まれていることが分かりました。これは、緑藻の光化学系I複合体の特徴と一致しています。また、多くのLHCIが含まれるだけでなく、ヒメツリガネゴケ特有のLHCIIであるLhcb９も含まれていることが分かりました。そこで、Lhcb９を欠損させた変異株を作成し、同様に解析した結果、Lhcb９欠損株では分子量の大きい光化学系I複合体がなくなり、分子量の小さい光化学系I複合体しか存在していませんでした。このことから、分子量の大きい光化学系I複合体の形成には、Lhcb９が重要であることが分かりました。

　次に、Lhcb９と分子量の大きい光化学系I複合体が物理的に結合しているかを調べるため、Lhcb９に目的のタンパク質を分離できるヒスチジンタグ［１０］を付けた変異株を作成しました。ヒスチジンとの親和性の高いニッケルが吸着した樹脂を用いて、Lhcb９を単離精製したところ、光化学系I複合体も一緒に単離されたことから、Lhcb９と光化学系I複合体は物理的に結合していることが分かりました。また、Lhcb９が吸収した光エネルギーが光化学系I複合体へ伝達されているかを調べるため、分光学的解析を行いました。その結果、Lhcb９が吸収した光エネルギーは効率良く光化学系I複合体へ伝達されていることが分かりました。また、過剰な光エネルギーを吸収した際に、Lhcb９は分子量の大きい光化学系I複合体から他の集光アンテナタンパク質を分離している役割をもっていることも分かりました。これらのことから、Lhcb９は光化学系I複合体の光エネルギー吸収量を高めるだけでなく、光エネルギーの伝達量の調節も行っていることが分かりました（図２）。

　さらに、ゲノム情報が公開されている全ての光合成真核生物の集光アンテナタンパク質とLhcb９の進化的な関係を系統樹解析［１１］によって調べました。その結果、Lhcb９以外のヒメツリガネゴケが持つすべての集光アンテナタンパク質は、陸上植物のシロイヌナズナと最も近い構造をしていることが分かりました。しかし、Lhcb９だけは緑藻のクラミドモナスが持つLhcbm５と呼ばれるLHCIIと最も近い構造でした。さらに、ヒメツリガネゴケはLhcb９の元となる遺伝子を、コケ植物の祖先からではなく緑藻の祖先から水平伝播によって獲得したことも示唆されました。

　これまでの研究によって、緑藻型の光化学系I複合体は、陸上植物型の光化学系I複合体と比較して、LHCIが多数結合していることが分かっています。今回、ヒメツリガネゴケで単離に成功した分子量の大きい光化学系I複合体にもLHCIが多数結合していました。詳細に解析した結果、ヒメツリガネゴケが持つ分子量の大きい光化学系I複合体と、緑藻の光化学系I複合体の分子量は同じで、分子量の小さい光化学系I複合体と陸上植物の光化学系I複合体の分子量が同じであることが分かりました（図３）。

　緑藻が持つLhcbm５と最も相同性が高いLhcb９を欠損させると分子量の大きい光化学系I複合体が形成できなくなるため、ヒメツリガネゴケが持つ分子量の異なる２つの光化学系I複合体は、陸上植物型と緑藻型の光化学系I複合体であることが示唆されました。

　陸上植物型と緑藻型の２つの光化学系I複合体を持つことが、ヒメツリガネゴケにとってどのような意義があるかは分かっていません。コケ植物の祖先から引き継がれず、水平伝播によって緑藻の祖先から獲得したLhcb９が緑藻型光化学系I複合体を形成することから、コケ植物にとって緑藻と近い環境に適した光合成能力の獲得につながっている可能性があります。コケ植物が最初に水中から陸上に進出したと考えられていますが、大気と水中との２つ環境の狭間で生息していたことも想像できます。このことから、陸上植物型と緑藻型の２つの光化学系I複合体を持つことで、激変する環境にその都度対応する必要がなかったのかもしれません。これまでの研究では、水平伝播による外来遺伝子の獲得がヒメツリガネゴケにとって陸上進出のきっかけになっている例が複数報告されていますが、集光アンテナタンパク質の遺伝子の水平伝播による獲得についての報告はこれが初めてです（図４）。また、２つの光化学系I複合体を持つことは、ヒメツリガネゴケの集光アンテナ機構が陸上植物と緑藻とは異なることも示唆しています。従って、さまざまな環境に適応した光合成生物の集光アンテナ機構をより多く調べることで、まだ明らかになっていない光エネルギー制御機構が発見されるかもしれません。


＜今後の期待＞
　光合成反応の根幹である光化学系の基本構造は、全ての光合成生物で保存されています。しかし光エネルギーを吸収し、光化学系に伝達する重要な役割を担う集光アンテナタンパク質の種類は多岐に富んでいます。これまでの研究で、陸上植物と緑藻の集光アンテナ調節については異なる機構が存在していることが知られていました。今回、ヒメツリガネゴケの集光アンテナ調節機構もコケ植物特有のものであることが分かりました。今後、さまざまな環境変化に耐え得る植物の作製を模索していく上で、多様な光合成生物の集光アンテナ調節機構を研究する必要があります。モデルにはまらない調節機構を持つ光合成生物が自然界にはまだ多く存在していることも十分に考えられます。今回のタンパク質解析はそれらを解明するための重要なアプローチの１つであり、これによって得られる情報が、生きた細胞内での光合成機能の実態解明の大きな手がかりとなります。


＜原論文情報＞
　・Iwai，M．，Yokono，M．，Kono，M．，Noguchi，K．，Akimoto，S．，Nakano，A．，“Light−harvesting　complex　Lhcb９　confers　a　green−alga　type　photosystem　I　supercomplex　in　the　moss　Physcomitrella　patens”，　Nature　Plants，　１０．１０３８／nplants．２０１４．８


＜発表者＞
　独立行政法人理化学研究所
光量子工学研究領域　エクストリームフォトニクス研究グループ　ライブセル分子イメージング研究チーム
客員研究員　岩井　優和（いわい　まさかず）
チームリーダー　中野　明彦（なかの　あきひこ）


　＊補足説明などは添付の関連資料を参照