植物生理生化学特論 第７回講義
続・植物の低温感受性
第７回の講義では、前回の後半に引き続き、植物の光合成の低温感受性のメカニズムについて解説しました。
Ｑ：非常に基本的な質問ですが、光阻害は植物による差異は認められるのでしょうか。地域毎の気候や植生も異なる中で、それぞれの植物について光合成系や温度感受性に関して違うと思うのですが、光合成の経路も異なるのでしょうか。
Ａ：講義の中で、キュウリとホウレンソウでは低温感受性の仕組みが全く異なることを説明したと思います。ただし、光合成の仕組みという点では、例えばキュウリとホウレンソウではほとんど同じといってよいと思います。
Ｑ：今回の講義で、光化学系１の光阻害について興味を持ちました。光化学系２により酸素が還元されスーパーオキサイドができ、スーパーオキサイドが不均化反応によって過酸化水素水になり、それが還元型の鉄イオウセンターと反応して出来たヒドロキシラジカルが原因となっている。また、暗所では過酸化水素水での阻害を受けないと学びました。つまり、光があたることによって還元型の鉄イオウセンターが過酸化水素水と反応するという解釈が出来るとおもいます。また、MVを加えることで阻害がやわらぐとおっしゃっていましたが、MVは鉄イオウクラスタから電子を受け取りその電子をO2へ受け渡す。ということは、MVを加えることによりO2→スーパーオキサイド→過酸化水素水→ヒドロキシラジカルという光阻害促進の流れができるという解釈も可能だと思いました。
Ａ：最後の部分「光阻害促進の流れができるという解釈も可能」という部分は「MVを加えることで阻害がやわらぐ」という観察と、どのように妥協させればよいのでしょうね。流れからすると、その部分の議論が欲しいと思いました。
Ｑ：講義で扱われた実験系の中で疑問に感じた点がありましたので、それについて考察します。低温感受性植物のキュウリと、低温体制植物のホウレンソウを用いて、処理温度を低温・室温、処理部位を葉・チラコイドとして光化学系Ⅰの阻害を調べた実験についてです。チラコイドの単離の際は恐らく、氷の上で0-4℃の低温に保ちながら弱光下で行ったのではないでしょうか。その場合、直前に受けた低温・弱光の効果を受けて光化学系Ⅰが阻害された可能性があり、必ずしも光の効果のみで光化学系Ⅰが阻害されたと言い切ることができなくなります。また、室温条件でチラコイドの単離を行っていた場合では、何か別の酵素が働き、光化学系Ⅰを阻害した可能性があります。いずれにせよ、光化学系Ⅰの阻害に何らかの酵素反応が関わっているとしたら、緻密な温度条件の設定が鍵になるのかもしれません。
参考；http://eprints.lib.hokudai.ac.jp/dspace/bitstream/2115/39138/1/67-030.pdf#search='%E3%83%81%E3%83%A9%E3%82%B3%E3%82%A4%E3%83%89%E8%86%9C%E3%81%AE%E5%8D%98%E9%9B%A2'
Ａ：これはよい点に目をつけましたね。確かに、チラコイド膜の単離は、通常低温で行ないますから、その単離操作自体がストレスの原因になっていた可能性を否定できません。そのような点に目が行くようになったら研究者としての第一段階をクリアです。実際には、室温でチラコイド膜を単離する実験もなされていて、チラコイド膜単離の際のアーディファクトではないことが分かっています。
Ｑ：光合成の光阻害の根本的な原因は、「水を酸化してNADPHという還元剤を作出する」という無理のある酸化還元反応を無理矢理起こさせる為に、強力過ぎる光化学系という酵素を抱え持っているという点にあると感じた。逆に言えば、諸刃の剣ともなりうるほど強力な酵素をもっていなければ収支で電位差に逆らっている酸化還元反応は実現できなかった、とも言える。今回授業で扱ったのは、系Iが引き起こす電子の流れが下流に電子を溜めることで起こった障害であった。この障害を根本的に引き起こしているのは、系Iの電子を送り込むポンプとしての力が強過ぎる所為とも考えられる。植物は電子の動きを引き起こすポンプを系Iと系IIの二つ持っている。ここで、系Iという強過ぎるポンプの力が植物体自身を傷つける例があるのなら、それは系IIにも起こりうることなのではないかと考えた。ここでは長時間の露光による系II由来の光阻害にはどのような現象が起こりうるかを想定してみる。系Iの起こす阻害を「下流への電子の流し過ぎ」とまとめるのであれば、系IIが起こし得る阻害は「上流からの電子の奪い過ぎ」と言えると考えられる。つまり考えられる障害として、水という安定な物質からさえ電子を奪えるほどの酸化力が暴走し、水以外の物質を酸化してしまうことで結果的に植物体自身を攻撃するラジカルを生み出すという可能性がある。また植物体を構成する組織そのものを酸化しはじめる可能性も考えられる。しかし、これは保護機構ともなっているのではないかとも考えることができる。実際水を酸化する仕事をこなすのは系II中のマンガンクラスターである。このマンガンクラスターがチラコイド膜の系II中に固定されて自由に動けない部位であり、かつ過剰な酸化力が向ける矛先が自身系IIの組織となるようになっているのであれば、結果的に暴走した系IIが自身を破壊するシステムとなっている。これは不用意に自身を攻撃し得る酸化物質を作ってしまう前に自身の機能を止めるという意味では防御機構とも考えられる
Ａ：これは、ほぼ完璧な考察だと思います。講義のレポートとしては、ここまで専門的な考察は要求しません。それぞれの持っている知識に応じて、自分の考えを展開してもらえれば十分です。
Ｑ：特定の植物がもつ低温感受性という性質について、その阻害の原因が系Ⅰの鉄硫黄クラスターがハイドロキシラジカルによって破壊されることだということ、また単離されたチラコイド膜ではそれが低温感受性植物由来でも、それを持たない植物由来でも、系Ⅰの阻害が等しく起こることから、低温感受性とはチラコイド膜の違いによるものでなく系Ⅰの保護機構の違いによるものだと考えられるというお話でした。私がこの話を聞いていてまず思いついたのは、やはりこの保護機構の違いとは活性酸素除去系の働きの違いによるものなのではないかということです。活性酸素除去系のどこに違いがあるのかというと、温度依存性から考えるに活性酸素を除去する酵素そのもの、もしくはその周辺環境に違いがあるのではないかと思います。まず、酵素そのものに違いがある場合は、例えば低温感受性植物が持たない低温適応酵素をほかの植物は持っているのではないかと考えることができます。実際に極低温下に生息する細菌もいるので、夜間の低温で活性を保つ活性酸素除去系の酵素があっても不思議ではないと思います。酵素の周辺環境に違いがある場合としては、葉の構造による断熱効果の違い、もしくは局所的に発熱反応を起こして酵素周辺の温度を適温に保っているのではないかということを考えました。発熱反応を行って生存に役立てるザゼンソウのような植物が存在するので、ほかの植物でも部分的にこれに類似した反応が行われていることはあり得るかもしれません。これらに関しては低温下での葉の内部温度を測れば確かめることができると思います。
Ａ：ザゼンソウは花の時期だけの発熱ですが、光合成系の場合は、生育期間の全てのステージで温度を保つ必要がありますから、エネルギーの収支としては割が合わないかもしれませんね。
Ｑ：講義では、低温感受性植物と低温耐性植物の低温感受性の違いの原因として、膜脂質の違いが可能性として紹介された。本レポートでは、低温耐性植物、低温感受性植物の間で膜脂質に違いが生じた原因は何かを考察する。光合成の科学によると、「一般に、不飽和結合の数(不飽和度)の多い脂肪酸が結合した脂質によって構成されている生体膜の流動性は高く、相転移温度は低い。」(p.220)。そして、相転移温度を低くすることでシアノバクテリアは低温に適応するとされている。このシアノバクテリアの低温適応と同様にして、低温耐性植物の葉緑体には不飽和脂肪酸が低温感受性植物よりも多く含まれている。(以上までが「光合成の科学」に示された内容)
炭素原子間の不飽和結合は単結合よりも結合エネルギーが大きい。炭素数が同じならば不飽和脂肪酸の合成は飽和脂肪酸の合成よりも多くのエネルギーを必要とする。よって、低温耐性植物は、低温環境で生育するためにエネルギーを使って相転移温度の低い膜脂質を作っていることになる。低温環境では相転移温度の低い膜脂質を備えた植物(低温耐性植物)でなければ生存は困難である。しかし、気温の高い環境(熱帯、亜熱帯地方)では相転移温度近くまで気温が下がることは稀であるので、植物が相転移温度の低い膜脂質を備える利点はない。むしろ不飽和脂肪酸合成に余計なエネルギーを消費してしまうので、熱帯・亜熱帯地方では相転移温度の低い膜脂質は生存に不利な形質である。よって、気温の高い環境では低温感受性植物の方が生存に有利である。したがって、不飽和脂肪酸合成に飽和脂肪酸合成よりもエネルギーを消費してしまうことが、低温環境であるか否かで膜脂質の構造に違いを生じた原因であると推測される。
参考文献：東京大学光合成教育研究会編、 「光合成の科学」初版、東京大学出版会、2007
Ａ：しっかり考えていると思います。あと、エネルギーの側面だけでなく、温度が高い時に、膜の流動性が最適の状況よりも大きくなってしまうことがあるかどうか、という点も考慮に入れるべきなのかもしれません。
Ｑ：今回の講義では、In vitroでの光感受性低温ストレスにおける研究例について教わった。その中で横軸に光の強さ、縦軸にPSI活性を取ったグラフが紹介されていたが、その結果について更に考えられることをレポートで述べる。結果から言えることとして、非常に弱い光でも阻害されることが分かっている。また、講義では ①還元型の鉄イオウセンターと過酸化水素が反応してOH・が出来ること ②OH・が鉄イオウセンターを破壊すること がメカニズムとして挙げられていた。これは、OH・を作るには還元型金属が必要であるにも関わらず、生成されたOH・によりFA/FB及びFxを破壊されていることを表している。仮に阻害の対象が鉄イオウセンターだけではなかった場合、OH・をより多く生成するためには鉄イオウセンターを破壊してしまうのは非効率的であると考えられる。しかし、非常に弱い光の下でも顕著なPSI活性低下が観察されたことから、光に対して即座に、PSIから下流の電子伝達を阻害していることが分かる。よって生成されたOH・が鉄イオウセンターを破壊した理由の一つは、即座にPSI活性を低下させるためと考察される。さらにこの仮説から、PSI活性を十分に低下させるには、ある一定量のFA/FB及びFxが破壊される必要があり、その量を超えるとPSI活性の減少は緩やかになることが考えられる。
Ａ：この議論の前提となっているのは、PSI活性を低下させる必要がある、ということでしょうか。そうだとすると、なぜ、そのような必要があるのかについての議論がまず必要でしょう。講義の中で紹介したように、活性が低下した複合体は、吸収した光のエネルギーが阻害的に働かないように速やかに分解する必要がありますが、活性を低下させる生理的な意義は自明ではないように思います。