植物生理生化学特論 第13回講義
植物の光受容体
第13回の講義では、植物の持つさまざまな光受容体とその働きについて解説しました。以下に寄せられたレポートとそれに対するコメントを載せておきます。
Ｑ：葉緑体が赤色光や青色光に対して集合する性質があるのに対し、強い光には逃避反応を示すことが講義で紹介されていた。この逃避反応を調べたところ、光に対する逃避反応に加えて寒冷逃避反応も起こすことが分かった。強光からの逃避反応が光受容体によって引き起こされることから、寒冷逃避反応も光受容体による温度感知から引き起こされると考えられている①。強光下では葉緑体が強光にさらされないよう逃避反応を起こすが、低温に対する逃避反応はなぜ起きているのだろうか。考えられるのは、受容体の分解を抑制する働きである。低温条件では受容体の分解により系Ⅰの阻害が起こるため、外気温にさらされやすい葉の表面を避けるように葉緑体が移動することで受容体の分解による光合成の阻害を抑制していると考えられる。また、寒冷条件に対して反応するならば乾燥条件に対しても葉緑体の配置を変える反応が起こるのではないかと考えた。
①児玉豊, 葉緑体の寒冷逃避反応, Jstage, https://www.jstage.jst.go.jp/article/jscrp/54/1/54_44/_pdf
Ａ：参考文献として挙げられた論文には、寒冷シグナルの意味についていろいろ議論が載っています。それを無視して「考えた」というのは、やや問題かな、と。やはり、サイエンスは過去の知見を踏まえて発展させるべきものでしょう。
Ｑ：植物は光合成を受けるように、光の照射に伴う光屈性があることが講義で挙げられていた。1方向から光を受けて、その方向に屈することは講義内で確認できた。一方で、様々な方向から異なる強度の光を照射することにより、望む形に植物を変形することができるのではないかという点について興味を持った。光屈性には光合成が大きく影響し、必要な光合成が行われるように変形していると考えられる。そのため、強度を高くすると、変形が緩やかになるのではないかと考えられる。また、多くの方向から光を照射することで、様々な方向に変形させることを実現できると考える。そのためには、予め、光を照射する方向や光の強度を明確にする必要がある。そこで、植物の光屈性による変形のメカニズムを明らかにし、シミュレーションで解析できるようなシステムを構築するべきであると考える。変形メカニズムを明らかにするために、異なる方向からカメラで変形の様子を記録し、植物を微小部位に分割し、その変形量を定量化する。これを様々なパターンの異なる方向や異なる強度で光を照射することで変形メカニズムを明らかにすることができると考える。解析で照射する方向と光強度を明確にした上で、光を照射することで望む形に植物を変形させることができると考えられる。
Ａ：レポートを書く方針はよいと思うのですが、このような場合、明らかにしたい「変形メカニズム」について、何らかの仮説がないと、実験方法に説得力が生まれません。「植物を微小部位に分割し、その変形量を定量化」したら、なぜメカニズムが明らかになるのかが論理的につなげる必要があると思います。
Ｑ：葉緑体の移動について、フォトトロピンが関係して弱光や強光を感知し、集合や忌避を示すことを学んだ。フォトトロピンが光を受容していることは理解できたが、どのようにして移動しているかに興味を持った。これについて光受容後、何らかのメカニズムで葉緑体自身がエネルギーを消費して移動するのではないかと考えた。こうした動きを確認する方法として、講義内で紹介されたものは葉緑体そのものの動きを観察していたが、ミオシンなどのモータータンパク質に蛍光タンパク質を導入したものを発現させ、光照射時のミオシン運動を確認することで葉緑体移動との相関を確かめ、葉緑体が原形質流動などの受動的な流れを利用しているのか、自身でエネルギーを消費して動く機構を有するのかを確認する。また、光受容の情報がどのように移動という行動に結びつけられているのか、そのシグナル機構も同時に調べることで、機構の解明に寄与すると考える。
Ａ：葉緑体の祖先がシアノバクテリアであり、シアノバクテリアは単純な移動能力を持つことを考えると、葉緑体自身が移動することを想像しますが、実際には、細胞骨格を使っているようですね。ただ、原形質流動では、光照射部位への集合もしくは照射部位からの逃避といった、目的の場所が特定される移動は実現が困難ですから、葉緑体の定位運動には使えません。
Ｑ：葉緑体が光感受性に応答して移動することが講義後半では示されていた。一方で講義冒頭で紹介されたもやしは暗条件で栽培することで光を求め、茎を伸ばしていくことが示されていた。このもやしにおいても葉緑体の移動を考慮することができるはずであり、講義内容と同様に「葉緑体の密度が高い葉」が伸びた茎の先にいるはずであるが、実際には明条件で栽培時の双葉のような大きな葉は見られず、また緑色の度合いも薄い芽があるのみである。もやしにあるはずの葉緑体がどこに移動しているのかを考察したい。これを確かめる実験系として、暗条件と明条件で栽培したもやし1個体分の葉緑体を全て抽出し、全葉緑体質量またはもやし1gあたりの葉緑体質量を測定する。その上で葉または芽に含まれる葉緑体質量の割合を測定することで判断することができる。ただし暗条件で栽培したもやしは葉を広げずに芽を残したまま茎を伸ばすため、葉緑体の移動が観測できるわけではなく葉緑体の全体量が減少していることが予想される。
Ａ：レポートとして悪いというわけではないのですが、やや前提知識が足りませんね。もやしを見たことがあればわかると思うのですが、もやしの葉に相当する部分は、「緑色の度合いも薄い」というよりも黄色です。そもそも、もやしは葉緑体もクロロフィルも持ちません。この講義へのレポートは、本来知識を要求はしませんが、この場合は、わずかでも調べてからレポートを書いてくれるとよかったと思います。
Ｑ：葉緑体の光に対する集合や逃避行動はシアノバクテリアに見られる走光性に似ている。植物細胞のオルガネラは細胞質中のアクチンフィラメント上をモータータンパクであるミオシンを用いて移動する原形質流動をしている。対して、葉緑体は細胞質中の長いアクチンフィラメントに沿って動いてはおらず、葉緑体表面の短いフィラメントによって動くことがシロイヌナズナにおいて明らかになった。シロイヌナズナの葉緑体は、弱光に向かって集合し強光に対して逃避するが、その際葉緑体表面の運動方向側にフィラメントが集中して形成され、運動方向の逆側の表面はフィラメントが消失する。この様子はSynechocystisの走光性に似ているように見える。Synechocystisは自身をレンズのようにして光を屈折させて光の方向を検知し、運動方向にType 4 piliを伸長させて運動と逆方向のT4Pを分解する。シロイヌナズナの葉緑体アクチンフィラメントが葉緑体を伸長させていることからフィラメントが葉緑体を引っ張っていることが分かり、それはT4Pによる運動機構に似ている。
参考文献：門田明雄, 葉緑体の運動メカニズム, バイオメカニズム学会誌，Vol. 35, No. 4（2011）
Annik Jakob, Hiroshi Nakamura, Atsuko Kobayashi, Yuki Sugimoto, Annegret Wilde, Shinji Masuda, The (PATAN)-CheY-Like Response Regulator PixE Interacts with the Motor ATPase PilB1 to Control Negative Phototaxis in the Cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 Plant and Cell Physiology, Volume 61, Issue 2, February 2020, Pages 296-307,
Ａ：このレポートは調べものレポートとしてはよいのだと思いますが、自分なりの論理という、この講義で必要とされる部分がどこにあるのかがわかりませんでした。
Ｑ：今回の講義を視聴して、酸素発生型の光合成生物の光受容体が、光合成に必要な波長成分を含んだ光が外環境にあるかを感知するために使われているのならば、クロロフィルを発色団として用いる光受容体があっても良いのではないかと考えた。主たる光合成色素であるクロロフィルを発色団とする光受容体は、光合成に利用できる光が外環境に存在するかを感知するために、有用であると考えたからである。この考えが生じた背景には、シアノバクテリアの光受容体に、フィコビリンの発色団を用いるシアノバクテリオクロムがあることも挙げられる。このレポートでは、クロロフィルを発色団として用いる光受容体がない理由について考察する。
1つ目に、クロロフィルを発色団として用いる光受容体が構造上の制約から存在し得ないという仮説が挙げられる。ただしこの仮説はクロロフィルがタンパク質と複合体を形成できること、フィトクロムの発色団であるフィトクロモビリンがクロロフィルとよく似た構造をしていることから、蓋然性が低いと考えられる。2つ目に、クロロフィルを光受容体の発色団として用いることで適応度が下がるという仮説である。光受容体の吸収スペクトルを見ると、そのピークがクロロフィルのピークとわずかにずれている。この吸収のピークのずれが、何らかの理由で適応度を上げる場合、クロロフィルを発色団として用いる光受容体がないことを適応度の観点から説明できる。吸収のピークの重複が適応度を下げる理由を考えると、光合成で利用できる光が光受容体で吸収されることで、光合成の効率が低下することが考えられる。光合成の効率は光合成生物の適応度に直結すると考えられる。このため、例えば弱光下での光合成の効率を少しでも上げるために、光受容体ではクロロフィルと吸収のピークがずれた発色団を用いている可能性がある。
ここで提示した2つの仮説はタンパク質工学と合成生物学の手法を用いて検証可能であると考えられる。具体的には、まず酸素発生型の光合成生物が元から備えている光受容体を、クロロフィルを発色団とするように改変する。次に改変した光受容体を、既存の光受容体を欠損した光合成生物に導入する。そして光受容体を改変した光合成生物と、野生型の光合成生物の生長を比較する。なお、用いる光合成生物はゲノムサイズと遺伝子組換えの簡便さ、生長の比較のしやすさから、シアノバクテリアが妥当であると考えられる。仮にクロロフィルを発色団として用いる光受容体を創ることができなければ（悪魔の証明にはなってしまうのだが）、1つ目の仮説の蓋然性があがる。また改変した光合成生物の適応度が、野生型の光合成生物よりも低ければ、2つ目の仮説が正しいことが証明できると考えられる。
Ａ：これは素晴らしいと思います。仮説の立て方からその検証の方法まで文句ありません。強いて言うと、僕ならばもう一つの仮説を考えます。光合成系自体を一種の光受容体として考えて、光合成の状態変化をシグナルとして取り出せるなら、受容体をわざわざ作らなくてもよいのではないかと思いますが、どうでしょうね。
Ｑ：シアノバクテリアの光受容に関係していると考えられるフィコビリンは抗酸化作用やニュートラシューティカルズとして産業応用が期待されているタンパク質であり、主要な光合成色素となっている。そのため工業利用がうまくできるような株を探索することを考えた。高ストレス条件下においてフィコビリンタンパク質の収量が増えたという研究報告（shahid et al.,2021）から、工業廃水などの流れる河川に生息しているシアノバクテリアはフィコビリンタンパク質の収量が他種のシアノバクテリアよりも多い可能性があるのではないか、またそれと同じような条件設定を解析した場合、通常のシアノバクテリアでも同じようにフィコビリンの収量を上げることができるのではないかと考えた。また、工業廃水が栽培に利用できるならばSDGsにも貢献でき産業応用しやすいだろう。
Ａ：これは、もう少し論理のつながりを丁寧にするとよいと思います。例えば、「高ストレス条件」と「工業廃水」の間の関係が、これだけでは読み取れません。ストレスになるかどうかは「工業廃水」の種類によって全く異なると思います。
Ｑ：今回の講義では葉緑体の位置が移動することによって光合成効率を向上させているという内容が触れられていた。ここで葉緑体が位置を移動するだけではなく、自身が回転することで光合成効率を高めているという仮説を考えた。葉緑体が光源に対して同じ方向を向いていては、一方の光受容体ばかりが反応し飽和することで光合成の律速要因になる可能性がある。ここで葉緑体が回転することでこの律速要因を取り除き、効率的に光合成できると考える。この仮説を確かめるために、葉緑体の膜表面の一部にGFPなどのラベルを導入することを考えた。光環境を変え、葉緑体のラベルの動態を観察する。上記の仮説通りであれば、光量が多くなるほど葉緑体は回転しラベルの観測値もよく変動するようになると期待される。またラベルの観測値が一定のパターンを形成する場合、その周期から回転速度を推測することも可能と考える。
Ａ：これは大胆な仮説で面白いと思います。検証実験もしっかりしていますが、最後の観測値については、もし蛍光顕微鏡などの観察で直接見えるのであれば、必要ない可能性がありますよね？空間分解能が低い場合を想定しているのでしょうかね。
Ｑ：赤外線を吸収する光受容体であるクロロフィルdが、なぜ植物に存在しないのかについて疑問を抱いたため記述する。葉を通した太陽光のエネルギー相対値より、葉では赤外線がほとんど吸収されておらず、利用されていないことがわかる。となると、背の低い植物は豊富に存在する赤外線を利用するために進化の過程でクロロフィルdを獲得していてもおかしくないはずである。そこで実際にクロロフィルdを持つ植物を調べたところ、存在は確認できず、シアノバクテリアのみで発現する光受容体であることが分かった。自分はなぜ植物がクロロフィルdを持たないのかについて、生態系でのバランスが関係していると考えている。背の低い植物がクロロフィルdを持ち赤外線を利用できるようになった場合、成長が促進して周りの植物と干渉してしまう。その場合、背は低いまま保たれることになるが、栄養過多となるためクロロフィルdは不要になる。このように生態系でのバランスが植物がクロロフィルdを持たない理由であると考える。
Ａ：アイデアは面白いと思います。ただ、ロジックが今ひとつわかりませんでした。「周りの植物と干渉」とあるのは、より背の高い植物と干渉という意味なのでしょうか。「栄養過多となるためクロロフィルdは不要」という部分も、その余分な栄養を種子につぎ込んで子孫を多く残せば、クロロフィルdを持つ生物がどんどん広まる気もします。
Ｑ：植物の光屈性について、光を受容した時に頂端部が光源に向かって倒れたのは、実際に倒れる、例えば関節があってそこから曲がるのではなくて、左右の不均等な成長によって生じているという話があった。植物において茎の伸長は頂端分裂組織における活発な細胞分裂によって生じることが知られているが、加川先生によるシロイヌナズナの光屈性の実験は茎の先端から伸びている、といよりも茎の中心のあたりがそのまま引き伸ばされたように見えた。ここから頂端分裂組織以外の箇所で不均一な細胞分裂が生じたのではないかと考えた。ここで受精後間も無く多能性幹細胞が消滅する動物とは違って、植物の幹細胞の中には多能性を失わないものや、リプログラミングによって多能性幹細胞を新生する能力を備えている[i]ことを思いだした。例えば光屈性の場合には光受容によって生じたシグナルによって、茎の特定の部位（陰側）の多能性幹細胞が細胞分裂を開始した、もしくはリプリグラミングによってこの部位に多能性幹細胞が生じた可能性があるのではないかと考えた。このように特定の箇所に限定されない幹細胞維持能力を有しているからこそ、即時的な対応が受精後から死ぬまで維持できるのではないかと考えた。
[i] 新学術領域研究「植物多能性幹細胞」、https://www.plant-stem-cells.jp/、7/10/2022閲覧
Ａ：なるほど。目の付け所はよいと思います。他方、植物体が大きくなる場合、細胞が分裂する場合の他に、１つの細胞が伸長するという場合もあると思います。後者の場合であれば、多能性幹細胞は必要なくなりますから、仮説としてはより単純なのではないかと思います。
Ｑ：フィトクロムの遺伝子発現調節について考える。他の植物による遮光を原因に赤色光よりも近赤外光が割合が高い環境に置かれた植物は、単なる暗所に置かれたの植物がもやしのように形態を細長く伸ばす場合とは異なり、細胞内のフィトクロムが不活性型となることで光応答遺伝子の発現が抑制され、植物が他の植物と植物体の高さでの競争をしないよう成長が抑制されるといった反応を示すことが考えられている。しかしながらもし不活性型のフィトクロムの影響が単に成長を抑制するものであった場合、太陽光の奪い合いを主な原因とした植生遷移、特にある程度の高さと葉の密度を持つ低木林から陽樹林へ、また陽樹林から陰樹林への遷移が起こり得なくなってしまう。このことから樹木においては、フィトクロムやそれに類する赤色光と近赤外光の判別を行う光受容体の機能が弱い、あるいは存在しないこと、またはその影響を全く受けずに高く成長する別の機構を有していることが考えられる。また、その検証をする場合、まずは第一に自然光下、近赤外光の割合の高い弱光下、赤色光の割合の高い弱光下における樹木の成長の比較が必要であると考えられる。
Ａ：いいですね。これもアイデアが面白いと思います。ただし、ひとまとめに「樹木においては」と議論していますが、そもそも「陽樹林から陰樹林への遷移」についても考えているわけですから、当然陽樹と陰樹では生理学的な性質が違うことが議論の前提なのだと思います。そうであれば、例えば陽樹と陰樹の比較をするといった方向性も十分に考えられるでしょう。
Ｑ：本講義では植物の持つ光受容体について学んだ。その中で、青色光受容体であるフォトトロピン、クリプトクロム、赤色光受容体のフィトクロムに加え、青色光と赤色光の双方を受容可能なキメラ光受容体であるネオクロムがあった。このネオクロムはホウライシダから発見され、その起源は白亜紀にシダ植物が爆発的に多様化した際に獲得した可能性が示唆されている。またこれは白亜紀に非常に巨大な森林が構築されたため、その森林の下にある弱光環境下のニッチに進出したためとされている（1）。これはネオクロムにより光感度が上がり、弱光環境下に適応的である点もそれを支持している（2）。ここで複数個の単一の光受容体を持つのではなく、キメラ受容体を獲得したと理由について考察する。単純に一つの光受容体が複数の色を受容できることにより、何種類もの光受容体を作る必要はなくなり、また別の光受容体を作ることが可能と考えられる。空を大型の植物が覆ってしまうため、弱光であるに加え、様々な種類の植物が覆うため、地表に届く光の波長はわずかに異なる。獲得できる光の波長が異なる可能性があるため、先述した考察の、さらに別の受容体を作ることが可能なことにより、幅広い光の波長に対応することが可能ではないかと考える。
（1）Responses of ferns to red light are mediated by an unconventional photoreceptor Kawai, H; Kanegae, T; Christensen, S; Kiyosue, T; Sato, Y; Imaizumi, T; Kadota, A; Wada, M; Kawai, Hiroko; Kanegae, Takeshi; Christensen, Steen; Kiyosue, Tomohiro; Sato, Yoshikatsu; Imaizumi, Takato; Kadota, Akeo; Wada, Masamitsu Nature. , 2003, Vol.421(6920), p.287-290
（2）A single chromoprotein with triple chromophores acts as both a phytochrome and a phototropin Kanegae, Takeshi; Hayashida, Emi; Kuramoto, Chihiro; Wada, Masamitsu Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. , 2006, Vol.103(47), p.17997-18001
Ａ：面白いトピックだと思うのですが、ロジックが今ひとつわかりませんでした。主題は、単一の受容体を複数もつよりもキメラ受容体にすることの適応的意義ですよね。そうであれば、どちらの場合も、複数の波長に対応することは可能なはずです。「別の光受容体を作ることが可能」という部分がみそなのかもしれませんが、その部分の明確な意味が理解できませんでした。