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大学共同利用機関法人 自然科学研究機構

基礎生物学研究所

研究部門・施設

環境光生物学研究部門

研究教育職員

皆川 純
教授
皆川 純
MINAGAWA, Jun
高橋 俊一
准教授
高橋 俊一
TAKAHASHI, Shunichi
得津 隆太郎
助教
得津 隆太郎
TOKUTSU, Ryutaro

研究の概要

植物が光を集める仕組みを探る
 

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過剰に吸収された光エネルギーを安全に消去する機構(上)
クラミドモナスの光化学系 II に LHCSR3 が結合すると、アンテナ(LHCII)に吸収された光エネルギーが PSII 反応中心に移動する前に消去される。これは、熱放散と呼ばれ、強光下での光合成装置の保護に役立っている。

サンゴの幼ポリプ:褐虫藻を共生させる前(下左)と共生させた後(下中央)
サンゴは褐虫藻を細胞内に共生させ、その光合成産物を利用する。多くのサンゴ種は、環境から褐虫藻を取り込み共生をスタートさせる。この共生が破綻した状態が環境問題として知られる“白化”である。

褐虫藻との共生体として注目されるセイタカイソギンチャク(下右)
育てやすく、褐虫藻の出し入れが可能なセイタカイソギンチャクは、動物- 植物共生系のモデルとして注目されている。触手の内部には、共生している褐虫藻細胞を“つぶ”状に見ることができる。

植物は、環境の変化に自らを順化適応させることで生き残りをはかる。太陽光を集め、利用可能なエネルギーへの変換を行う光合成においても、さまざまなレベルの光環境適応が行われている。本部門では、単細胞緑藻クラミドモナスを中心としたモデル藻類を用いて、生化学、分子遺伝学、分光学的手法、ライブイメージングなどを駆使し、光合成に利用する光を効率よく集めるしくみや、余分に吸収された光エネルギーを安全に消去するしくみの研究を行っている。また、得られた基礎的知見をもとに、サンゴ礁生態系の主な生産者であるサンゴ共生藻(褐虫藻)が、どのように環境に適応し、それにより共生や生態系がどのように維持されているかを理解するための研究も行っている。
 

光合成装置の環境適応

植物は環境やその変化に応じて光合成装置を変化させ、光合成を最適化する。その最も顕著な変化は、光を集める“アンテナ” LHC にみられる。本研究部門では、LHC に注目し、光環境適応メカニズムの分子レベルでの解明をめざしている。単細胞緑藻であるクラミドモナスをモデルに、生化学解析、物理学解析、遺伝学解析を組み合わせ、先進的な研究を進めている。最近は、光合成にとって強すぎる光エネルギーを消去する熱放散機構“ qE クエンチング”に注目し、その分子機構の解明を進めている。私たちは、(1)qE クエンチングは、光化学系 II 超複合体に結合した LHCSR タンパク質によるエネルギー散逸に起因すること、(2)LHCSR タンパク質の発現が様々な色の光受容に起因すること、そしてその細胞内シグナル伝達経路を世界に先駆けて明らかにしてきた。近年は、クライオ電子顕微鏡を利用した光化学系 II 超複合体の高解像度構造解析を足がかりとして、qE クエンチングの仕組みを原子・分子レベルで解明しようと試みている。
 

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図 1. 光化学系 II 超複合体の立体構造
緑藻クラミドモナスから光化学系 II- 集光装置超複合体を精製し、クライオ電子顕微鏡画像取得およびコンピュータ画像処理により立体構造を解明した。超複合体は光化学系 II 二量体(通称 Core 粒子、C2)の両側に三量体集光装置 S-LHCII、M-LHCII、L-LHCII がそれぞれ1つずつ結合している分子量166万の構造であり(C2S2M2L2 構造)、解像度3.4Å で決定した。C2S2M2L2 構造には 370 分子という多数のクロロフィルが結合し集光のために働いている。
 

サンゴ礁を支える褐虫藻の光合成

サンゴ礁には、生物多様性に富んだ生態系が築かれている。この生態系の主な生産者は、 サンゴに共生する褐虫藻である。そのため、褐虫藻の光合成で生み出されるエネルギー(糖)は、サンゴ礁に生息する生物全体の生活を支えている。近年、海水温の上昇によるサンゴの白化が世界規模で頻繁に起こっており、それによるサンゴ礁の減少が懸念されている。本研究部門では、(1)単離培養された褐虫藻やイソギンチャク(サンゴと同様に褐虫藻を共生させる)をモデルに、高温ストレスによる白化機構やその感受性機構の解明、(2)共生機構の解明、(3)褐虫藻の獲得機構の解明、(4)褐虫藻の形質転換法の確立を試みている。
 

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図 2. サンゴの緑色蛍光
本研究室の研究により、サンゴの緑色蛍光が海水中を遊泳する褐虫藻の誘引に働くことが明らかとなった。サンゴの緑色蛍光が共生成立の重要な働きをしていると考えられる。

大学院生の募集

本研究部門では、微細藻類を用いて光合成に必要な太陽エネルギーを集める仕組みの研究を行っています。光合成、環境、微細藻類に関心のある方、生命の巧妙な仕組みの解明に挑戦したい方、是非ご連絡ください。基礎知識は問いません。

Webサイト

研究室関連資料

参考文献

Sheng, X., Watanabe, A., Li, A., Kim, E., Song, C., Murata, K., Song, D., Minagawa, J., and Liu, Z. (2019). Structural insight into light harvesting for photosystem II in green algae. Nat Plants 5, 1320-1330.
 
Tokutsu, R., Fujimura-Kamada, K., Matsuo, T., Yamasaki, T., and Minagawa, J. (2019). The CONSTANS flowering complex controls the protective response of photosynthesis in the green alga Chlamydomonas. Nat Commun 10, 4099.
 
Aihara, Y., Maruyama, S., Baird, A.H., Iguchi, A., Takahashi, S., and Minagawa, J. (2019). Green fluorescence from cnidarian hosts attracts symbiotic algae. Proc Natl Acad Sci U S A 116, 2118-2123.
 
Aihara, Y., Fujimura-Kamada, K., Yamasaki, T., and Minagawa, J. (2019). Algal photoprotection is regulated by the E3 ligase CUL4-DDB1DET1. Nat Plants 5, 34-40.
 
Kosuge, K., Tokutsu, R., Kim, E., Akimoto, S., Yokono, M., Ueno, Y., and Minagawa, J. (2018). LHCSR1-dependent fluorescence quenching is mediated by excitation energy transfer from LHCII to photosystem I in Chlamydomonas reinhardtii. Proc Natl Acad Sci U S A 115, 3722-3727.
 
Petroutsos, D., Tokutsu, R., Maruyama, S., Flori, S., Greiner, A., Magneschi, L., Cusant, L., Kottke, T., Mittag, M., Hegemann, P., Finazzi, G., Minagawa, J. (2016). A blue light photoreceptor mediates the feedback regulation of photosynthesis. Nature 537, 563-566.
 
Nagy, G., Ünnep, R., Zsiros, O., Tokutsu, R., Takizawa, K., Porcar, L., Moyet, L., Petroutsos, D., Garab, G., Finazzi, G., and Minagawa, J. (2014). Chloroplast remodeling during state transitions in Chlamydomonas reinhardtii as revealed by non-invasive techniques in vivo. Proc Natl Acad Sci U S A 111, 5042-5047.
 
Iwai, M., Takizawa, K., Tokutsu, R., Okamuro, A., Takahashi, Y., Minagawa, J. (2010). Isolation of the elusive supercomplex driving cyclic electron transfer in photosynthesis. Nature 464, 1210-1213.
 
Iwai, M., Yokono, M., Inada, N., and Minagawa, J. (2010). Live cell imaging of photosystem II antenna dissociation during state transitions. Proc Natl Acad Sci U S A 107, 2337-2342.
 
Takahashi, S., Whitney, S.M., and Badger, M.R. (2009). Different thermal sensitivity of the repair of photodamaged photosynthetic machinery in cultured Symbiodinium species. Proc Natl Acad Sci U S A 106, 3237-3242.

連絡先

皆川 純 教授 E-mail: minagawa@nibb.ac.jp TEL: 0564-55-7515

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写真

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