植物生理生化学特論 第１３回講義
植物と水
第１３回の講義では、前回積み残したい電気機能の傾向解析の部分を補足したのち、植物と水のかかわりについて気孔・蒸散・雨など多様な面から解説しました。
Ｑ：今回の授業で雨ストレスによりRubiscoの量が減少し、二酸化炭素によるストレスによりRubiscoの活性が減少することを学んだ。Rubiscoは光合成において二酸化炭素を固定する酵素であるため、低二酸化炭素環境下ではRubiscoの活性が下がることは納得できたが、雨ストレスで半減するメカニズムが不明であったため考察を行う。雨ストレスにより葉に含まれる水分量が増加すると考えられる。当然ルビスコが存在する基質中の水分量も増加すると考えられる。ルビスコの活性部位はマグネシウムイオンの周りに配置されているが、この活性部位はマグネシウムイオンとの静電相互作用でユニットを形成していると考えられる(1)。つまり活性部位に関して言えばマグネシウムイオンの錯体である。錯体は錯体定数が存在するため、外から基質中に水が流入してくれば錯形成しているマグネシウムイオンとしていないイオンでの平衡が崩れると考えられる。水の流入後Rubisco -マグネシウム錯体の濃度は下がるため、マグネシウムが外れるルビスコが増える。マグネシウムが外れればサブユニットが解離しRubiscoが壊れてしまうのではないか。基質濃度の変化とRubiscoの錯定数がRubiscoの減少の理由なのではないかと考えた。
(1) Protein data bank http://pdbj.org/#!mom?id=11
Ａ：面白い考え方ですが、講義で紹介したように光合成は暗いところでは低下しません。とすると、阻害のメカニズムには何らかの形で光の作用を組み込む必要があるでしょう。
Ｑ：今回の講義で挙げられていた「雨が降ると植物はどうなるか」という問に対するアプローチとして、光合成活性の変化の要因といて挙げられた「葉の濡れ」「物理的刺激」「根への水分供給」「葉の温度の低下」など様々な要因が考えられるが、私ならは「根への水分供給」が特に光合成変化の要因となると考え、実験するであろうと思った。実験条件としては講義で説明された装置とほとんど同じ手順になってしまうが、二つの全く同じ条件になるボックスを用意する。一定の湿度は必要なので両方の装置に弱い霧を与えるが、二つの条件で異なるのは、一方には常に土の中に水分を流し続けるということ。また、土からの蒸発を避けるために土はコンクイートなどで抑える。「根への水分供給」にポイントを絞った方が良いと思った理由は、単純であるが、光合成が行われているときに、つまり日光が葉にあたっているときは、葉の気孔からの水分の蒸散が行われ、失った水分と栄養を補うために根から水分、養分を吸収し、それと同時に二酸化炭素も取り入れている。つまり、光合成が起きる条件下では、水の循環が関わってくるのではないかと考えたからである。それは、「葉の濡れ」での補えると思われるが、植物が水分を茎をとうして葉まで全体に水分を通すのは、根からの導管が一番だと思われるからである。
Ａ：根への水分供給という面に絞る方向性は十分に考えられます。ただ、そのような方向性は、乾燥ストレスの影響の研究なども含めて、山のように研究例があるので、「新しい」研究にはなりにくいでしょうね。
Ｑ：今回の講義の前半で、Fluoromeについて学んだ。また、全講義を通してシアノバクテリアの光応答機構として、強光応答の他に補色順化を学んだ。補色順化応答について豊橋技術技術科学大学の広瀬氏の研究内容と合わせて考察を行う。広瀬氏は現在補色順化について、1000種以上のシアノバクテリアのde novoゲノム解析を通して研究を行おうとしている。また、補色順化にも調節を受けるフィコビリソーム遺伝子によりⅡ型・Ⅲ型などがあり、色合いに現れる場合もある。このように多くの対象の解析を目的とする時、補色順化の表現型についてもFluoromeのように定量化及び類似度検索を行えるシステムが必要とされるのではないかと考えた。波長帯は主にフィコエリトリン及びフィコシアニンの蛍光波長域である500~650nmを抽出するが、Fluoromeと異なる点としてはフィコエリトリン・フィコシアニンの2種類について観察する必要がある事が挙げられる。補色順化の時間経過を追う場合は3変数となるためFluoromeと同様の処理はできない。対処方法としてはひとつに時間経過を追わず反応前後の各量比でプロットする方法があるが、個体データが１点として現れる為特徴量が少ない可能性がある。そこで時間軸と合わせて取るパラメータとして、フィコエリトリンとフィコシアニンの変化量を1つのパラメータにまとめる方法が2つ目である。ぱっと思いつく手法としては各差分の比を取るといいかもしれない。3つ目には3次元グラフとして利用する方法だが、類似度計算の手法をもう少し工夫する必要があるかもしれない。このプロジェクトとゲノム解析、あるいは生息域等ほかのパラメータも用いる事で多種のシアノバクテリアにおける補色順化の傾向などについて言及する事ができるかもしれない。
Ａ：おそらく、最後の1文のところが大事だと思います。「解析手法」だけだと、おそらく工夫すればなんとかなると思いますが、実際に大事なのは、その手法によってどのような情報を取り出すか、でしょう。とくに、ここで提案されている研究の場合、ゲノム解析の情報とどのように統合するか、という点がポイントになると思います。
Ｑ：雨を再現するパラメータについて考察します。今回紹介された実験は、その再現性を高めるため、雨を定義するパラメータの多くに制限がかかっています。日照条件は晴れのまま、葉を濡らすことが「雨」であるとはとても思えませんでした。この実験は雨の葉に及ぼす影響を見ているというよりは、葉の濡れと光照射がルビスコの発現量に影響を与えることを説明しているに留まっているように感じられます。より自然状態の雨を再現するために、パラメータの制限を少し緩めることが必要であると考えられます。そこで、温度条件と湿度条件は特に制限をなくし、雨に応じて変化できる環境にすることを提案します。どれほどの降雨量で温度・湿度がどれほど変化するかは何度か測定することである程度決まった法則が見られる可能性があります。多少複雑な解析になることが予想されますが、これを行うことで若干は自然の降雨影響に近づくことができると考えられます。自然状態の雨にこだわるのであれば、雨が降るのを待ってすべての条件を正確に測定するという気が長い上に膨大な生データを得るような方法もありますが、それは生理学ではなく生態学の分野にお任せしたくなるテーマになりそうです。
Ａ：「多少複雑な解析」の中身が重要である気がします。情報が多くなり、条件が複雑になるに従って、そこから意味を汲み取ることは難しくなるでしょう。そのようなときに、どうやって意味を取り出すかというアイデアが、研究の成功の成否を左右するのが一般的です。そのあたりをもう少し具体的に議論できると素晴らしいと思います。
Ｑ：遺伝子機能の蛍光解析の続きと、降雨が植物に与える影響についてのお話でした。雨処理が植物の葉の光合成に与える影響としては、気孔が閉じることによる低二酸化炭素ストレスが大きく、その点では乾燥ストレスが与える影響と似ている点が興味深く感じました。植物の種類によって生息できる気候にかなり違いがありますが、降雨ストレスも乾燥ストレスも受けにくいような生きていくのにちょうど良い降雨条件の範囲がそれぞれの植物にあるのでしょう。また、葉の撥水性によって雨処理が与える影響が違うのでは。という視点からの実験でそれほど有意な差がでなかったということでしたが、もしかしたら撥水性は同程度でも、植物種によって気孔の閉鎖の程度は違うのかも知れないと思いました。雨処理後の気孔の様子をお話にあった樹脂を使って確かめてみると分かるかもしれません。
Ａ：その通りですね。素直な感想で、これはこれでよいと思いますが、レポートとしては、もう少し独自性が欲しいところです。
Ｑ：今回の講義では、天球モデルを用いて表現型の強さを無視し、なす角により計算した表現型の類似度で各変異株を分類する方法が示された。講義を聞いて、測定したkautsky kinetics(以下単に「曲線」という)を任意の時間範囲で切り出し、その範囲について野生株(WT)の曲線との類似度を求めていくことで、特定の表現型を曲線の特徴に表すことができるのではないかと考えた。以下ではその考えについて述べる。変異株のkautsky effectを測定した際、多くの場合で得られた曲線の中にはWTの曲線と(見た目に)区別のつかない部分(A)と大きく異なる部分(B)の両方が存在する。遺伝子変異(により引き起こされた表現型)の情報はこのB部分に含まれていると推測される。この情報を取り出すには、変異株の曲線においてA部分とB部分を分ける必要がある。以下では、A部分とB部分を分ける手法について述べる。A部分は野生株と区別がつかないから、WTとの類似度が極めて高くなる。上手く基準を決れば、その基準よりも高い類似度を示す部分をA部分、それ以外をB部分とする。測定で得られた曲線を任意の2点間の時間範囲で切り出し、その全て範囲についてWT曲線の同じ時間範囲と類似度を計算していく。そして、A部分に該当する時間範囲を全て取り除けば、B部分だけが残る。以上が手法である。この手法を用いて表現型が既知である複数の株から共通したB部分を取り出せれば、それは特定の表現型を曲線の特徴で表せたことになるだろう。その特徴を利用して、同様の表現型を示す変異株を探すことができるのではないだろうか。
Ａ：面白いと思います。B部分は株によって異なるわけですよね。そこから共通部分を取り出すと、当然、共通部分は各々のB部分の一部になりますから、かなり小さい部分になると思います。そのような小さい部分から十分な情報を取り出せるかどうかが重要でしょうね。
Ｑ：今回の講義では、雨の植物に対する影響をテーマに行った研究例を教わった。その中で、雨処理と未処理の個体ではPSII・PSI量に変化は無かったものの全体の複合体量が減少しており、ここから雨処理によってシトクロムb6/f複合体に異常が起こっていると考察されていた。レポートではこの結果について更に考えられることについて述べる。まずPSII量は雨処理により変化が無かったことから、雨処理下では過剰な光が植物に当たらず、光阻害によるPSIIのアンテナ減少が見られなかったことが考えられる。次にPSI量についても同様の結果であったが、これは光の強さが過剰でなく活性酸素種の産出量が少ないことから、PSI量を減少する必要性がなかった事が考えられる。そこで、何故シトクロムb6/f複合体のみ雨処理により量が減少したのか考察してみる。大きな理由は、プロトン濃度勾配を小さくする為と考えられる。シトクロムb6/f複合体では電子伝達鎖において1個の電子がQB→PQ→Qoと流れる際に、2分子のプロトンをストロマ側から内腔側へと運ぶ。ここでルビスコ活性が雨処理により減少していることから、雨処理下ではATP生成が過剰にならない様にプロトン濃度勾配は小さい方が良いと考えられる。しかし雨処理下では葉内の水分量が多いことからPSIIでの水の分解を積極的に行うと予想される。ここから、シトクロムb6/f複合体のみ量が減少したと考察される。また、シトクロムb6/f複合体が減少していることから、サイクリック電子伝達を阻害しているとも考えられる。この働きによってもプロトン濃度勾配を小さくすることが出来る。この難点としては、サイクリック電子伝達を阻害すると同時に還元力の消散も妨げてしまうので、一見効果の薄い働きにも見られることである。しかし、シトクロムb6/f複合体の量が少ないこと・光阻害が小さいという仮説から、PSIIから流れてくる電子の量は未処理下と比べて少ないので、そもそも還元力が過剰に蓄積することはないと予想される。よって、シトクロムb6/f複合体を減少させることで、効率的にプロトン濃度勾配を小さくしていると考察される。
参考文献：「光合成とはなにか」 園池公毅 著 講談社
Ａ：面白いのですが、2つ問題点があります。雨処理の応答が合理的な目的を持つものと仮定して議論していますが、そもそも、今回の雨処理は、葉が濡れるけれども日差しは強いという、非生理的条件になっていました。自然界で実現しない環境に対して生物が合理的な応答をする可能性はそれほど大きくないのではないかと思います。次に、「水分量が多いことからPSIIでの水の分解を積極的に行う」としていますが、以前の講義で触れたように、光合成の基質として必要な水の量は、蒸散によって失われる水の量の１／２５０程度でしかありません。光合成の基質としての水が反応を律速するような、あるいは反応に影響を与えるような状況はあり得ないのです。