植物生理学 第７回講義
光呼吸とC4, CAM
前回に続いて、今回は、炭酸固定の仕組みを中心に解説しました。今回の講義に寄せられた意見の中からいくつかを選び、必要に応じてそれに対するコメントを以下に示します。
Ｑ：クロロビウムの炭酸固定の方法である、呼吸反応の逆反応ではなく、葉緑体を使った光合成の反応が一般的な植物の炭酸固定の方法となっていることについて、その理由を自分なりに考えてみた。講義で話された、反応の効率がルビスコより更にひどいのではないかという事も理由として考えられるが、植物体の生命維持に大切な、光合成と呼吸反応を同じ器官で行うことを避けたということは考えられないだろうか。そのように考えた理由は２つある。1つ目は、呼吸反応と光合成は逆方向の反応なので、２つを同時に１つのミトコンドリアで行うことは出来ないということである。すると、葉緑体で光合成を行うのと同じ程度のミトコンドリアが必要になってしまうのではないだろうか。同じ程度の数のミトコンドリアが必要になるのであれば、何も２つの重要な反応を1つの器官で行う必要はないだろう。２つ目は、ミトコンドリアが何かしらのエラーを起こしたときに生じる影響を小さくするためである。もし、ミトコンドリアで呼吸反応と光合成をおこなっていたら、細胞内にあるミトコンドリアがいくつかエラーを起こしたときに、両方の反応が止まってしまう。しかし、2つの反応を2つの器官で別々に行えば、細胞の活動に対するエラーの影響が小さくてすむ。いくつかのミトコンドリアがエラーを起こしても、他のミトコンドリアがいるので細胞は死なないと思うが、それでも、エラーの影響が小さくなるように細胞は出来ているのではないかと考えた。
Ａ：このような場合、では、クロロビウムでは、なぜ、問題なく光合成ができているか、という視点も必要かも知れません。もちろんクロロビウムは原核生物ですから、反応を複数の細胞小器官に分ける、ということはできませんが、それで大丈夫だと考えるのか、それとも原始的で不完全だと考えるのか、そのあたりの考察があると、さらに質の高いレポートになります。
Ｑ：今回の講義のプリントに、ケニアのC3,C4植物の構成比の図があった。この図をみると、C4植物は海抜が低く、土壌水分係数が小さいところに多く分布し、C3植物は海抜が高く、土壌水分係数が大きいところに分布していることが分かる。C4植物は葉肉部の細胞がエネルギーを使って二酸化炭素を取り込むので、高温乾燥で気孔が閉じて二酸化炭素の濃度が下がっても、十分に生育できる。低温多湿の条件下では、二酸化炭素輸送のためのエネルギーが相対的に増して生育には不利となり、C3植物のほうが優勢になる。ケニアには海抜が低いところは乾燥した砂漠があり、湿気の多い高い山もあることを考えると、C3植物やC4植物がどうして図のような分布になっているのかが説明できる。これから地球温暖化により、高温になったり、大気中の二酸化炭素の濃度が高くなったりすることが予想される。二酸化炭素濃度が高くなると、ルビスコが酸素を間違ってくっつける反応を触媒してしまう可能性は低くなる。しかし、高温になることによって、ルビスコが酸素を間違ってくっつける反応を触媒する可能性は高くなる。また、C4植物は、光エネルギーを十分利用して高い速度で炭素固定反応を行うことができる。このことから、将来的にケニアでは、C4植物の構成比が高くなっていくと思われる。
Ａ：その意味では、ケニアだけでなく、ほとんどの地域でC4植物の構成比が上がることになるのではないかと思います。「海抜が低いところは乾燥した砂漠があり、湿気の多い高い山もある」のがケニアの特徴だとしても、それ自体は、標高と構成比の関係には影響を与えますが、気温または二酸化炭素濃度と構成比の関係には影響を与えませんよね。
Ｑ：なぜ、植物はクロロビウム炭酸固定ではなく、ルビスコによる炭酸固定を選んだのでしょうか。ルビスコによる炭酸固定が、有利だと考えられる理由としては、作らなければならない酵素の種類が挙げられると思います。反応一つにつき、一種類の酵素が必要だとすると、クロロビウム炭酸固定の場合、回路が一周するのに必要な酵素は八種類なのに対し、ルビスコを使うカルビンベンソン回路の場合、六種類で一周できることになります。なので、カルビンベンソン回路の場合、同じ量のアミノ酸で、より多くの酵素が作れることになります。しかし、ルビスコの反応速度の問題もあり、大量に作らねばならないので、結局は作らなければならない酵素の種類が少なくても、あまり関係がないようにも思えます。なので、これを調べるには、in vivtroで酵素数ではなく、アミノ酸の数を揃えて両者の二酸化炭素固定量を測ってみるしかないのではないかと思います。また、光合成の効率から離れ、別の観点から考えることもできます。それは、クロロビウム炭酸固定に必要な酵素の種類が、カルビンベンソン回路より二種類多いので、その酵素の遺伝子を細胞核に移行するときに、より多くの労力がかかったために、クロロビウム炭酸固定は選ばれなかったのではないかということです。これに関しては、理論実験も思いつきませんでした。
Ａ：確かに、代謝系の複雑さ、というのは、その代謝系の効率を考える上での一つの指標となると思います。ただ、炭酸固定反応の場合は、何しろルビスコの量がとてつもないですから、それを上回るメリットを考えるのはなかなか難しいように思います。
Ｑ：アイスプラントのCAM化やC3とC4を行き来する植物に興味が引かれ、それらについて考えてみた。どちらの場合も簡単な処理を行うだけで遷移が起こる。これはすなわちCAM、C3、C4が非常に近しい存在であり、それぞれが何か特殊な機構を持っているわけではないことを示していると思われる。このことから、これらの違いは生息環境に合わせた体の変化ではなく、体の使い方の変化によるものと推測できる。つまり、ほぼ全ての植物はCAM、C3、C4のどれにでもなりうると考えられる。とするならば、それを用いて各国の気候に農作物を合わせることによって生産を拡大することが可能となるかもしれない。しかし、CAM、C3、C4という分類が存在する時点で体の使い方を固定した植物の存在がうかがえ、実際のところそういった植物が大半であることから、もし、CAM、C3、C4の変化をそのようなことに利用しようとするならば、普遍的で確実な方法を考える必要があるだろう。
Ａ：CAM、C3、C4が非常に近い、というのは確かのようです。実際に、C3植物でも、C4回路に必要な酵素の遺伝子をある程度持っているようですし。ただ、クランツ構造に関しては、通常のC3植物は持っていませんから、そのあたりがむしろ問題かも知れません。
Ｑ：Ｃ４とＣ３を行き来する植物Eleocharis vivipavaは水中型と地上型があり、水中型ではＣ３，地上型ではＣ４の光合成器官を持つそうで、Ｃ４植物はＣ３植物に比べて、高温、乾燥、低二酸化炭素という植物には不利な状況下でも生育できるそうなので、このＣ３とＣ４の使い分けは理にかなっていると思いました。しかし生育の途中で生活の場を水中から地上で、あるいは地上から水中へと移した場合、光合成器官を切り替えることが出来るのかと思いました。これは、実際に実験すればすぐに分かると思いますが、僕の予想では、その環境の水分量によって、遺伝子発現が起こり維管束鞘細胞が発達したり、しなかったりするのではないかと思います。
Ａ：そうですね。資料の写真を見てもらうとわかるのですが、Eleocharisの場合は、C3型といっても、ある程度クランツ構造に近い構造が保たれています。維管束鞘細胞の中の葉緑体はあまり発達していませんけれども。細胞の構造から作りかえるのはなかなか大変ですが、葉緑体の発達ぐらいだったら、それこそ遺伝子発現の調節などで切り替え可能だ、ということでしょう。
Ｑ：今回の講義では、チラコイド膜の異所性に興味を持ったので、それについて考察する。チラコイド膜は、膜同士が接している部分はPSＩＩ、ストロマと面している部分はPSＩにとむという明確な違いがある。しかし、C4植物はNADPHを他の経路で得ることができるため、PＳＩＩが必要なくなり、チラコイド膜の重なりがなくなっている。すなわち、チラコイド膜が重なった構造はNADPHの合成と関わっていると考えられる。
私が思うに、グラナスタックはプロトンの貯蔵場所になっているのではないだろうか。光を浴びている間にATPを合成する一方で、NADPHを合成してプロトンをグラナスタックに貯めることも行う。夜になって光が弱まっても、b/f複合体とPSⅡ間のプロトンの取り込みが弱まることでグラナスタックがプロトンをストロマチラコイドへ開放し、ATP合成を続けさせることを可能にしていると推察される。そのため、他経路で光に関係なくNADPHを得ることができるC4植物は、プロトンを貯めておく必要がなくなり、チラコイド膜の重なりがなくなったと考えられる。
ここからはレポートではなく、講義内容についての個人的な質問です。講義で、C4植物はNADPHをPSＩＩ以外のところで得ることができるので、PSＩとb/f複合体だけでATPを合成できるとおっしゃっていましたが、NADPHを合成しているのはPSＩなのに（第三回講義・12番目、第七回講義13番目のスライドを参考）、どうしてPSＩＩが必要なくなるのでしょうか。PSＩＩはQサイクルなどでプロトンの濃度勾配に大きく関わっているので、なくなったら困ると思うのですが・・・。
Ａ：この後半の質問は、重要なところです。まず、NADPHを直接的に合成しているのは、確かにPSIですが、NADPHの合成とは、すなわちNADP+の還元反応です。その場合、還元力はどこから来るのでしょうか？これは、シトクロムb6/f複合体を経て、PSIIから来ます。ポイントは、PSIIだけが還元力を（水から）作ることができる、という点です。他の複合体は、PSIだったらプラストシアニン、シトクロムb6/f複合体だったらプラストキノンという具合に、酸化還元物質から還元力を受け取ります。しかし、PSIIだけが、水という、いわば通常酸化還元しないと思われる安定な物質から還元力を作り出すことができるのです。その意味では、PSIIこそが還元力（ひいてはNADPH）の供給源だと考えることができます。
また、プロトン濃度勾配の形成は、プラストキノンとシトクロムb6/f複合体の間で行なうことができます。通常はプラストキノンはPSIIによって還元されますが、もし、サイクリック電子伝達が働いているのならば、プラストキノンはPSIの還元側、つまりNADPHやフェレドキシンによって還元することができますから、特にPSIIは必要なくなるのです。
Ｑ：今回はルビスコの中にも二酸化炭素との反応が早いものがあるということだった。高等植物のルビスコは二酸化炭素に対する反応性が高く、活性力は小さい。一方、バクテリアのルビスコは反応性が低く、活性力が高くなる。しかし、両方とも高いルビスコというものは存在しなかった。自然の法則により、あるものがプラスになればあるものはマイナスとなり、一定を保つのである。 バクテリアのほうが高等植物よりも活性が高いのは、バクテリアが単細胞生物だからだと考えられる。単細胞であるため、多細胞生物のように体内（細胞内）に複雑な機能を持っていない。細胞内の小さな器官で反応を行わなければならない。また、バクテリアは高等植物よりももっと苛酷な環境で生きているものが多い。おそらく、その環境の中には酸素よりも二酸化炭素のほうが濃いという環境もあるのだろう。そのため、二酸化炭素に対する反応よりも、活性のほうを優先したのだろう。多くの生物は自分の周りの環境に適応して進化を遂げる。ルビスコは反応が遅いながらも、きちんと環境と生物に合わせて進化してきたということがわかった。
Ａ：もう一つ考えなくてはいけないのは、二酸化炭素濃縮機構の存在です。渡した資料にはありませんが、シアノバクテリアや単細胞の藻類が二酸化炭素の濃縮機構を持つという話をしたと思います。そのような濃縮機構があれば、C4植物と同じで、細胞内の二酸化炭素濃度を高く保てますので、酸素との反応性が多少高くても大丈夫、ということになります。
Ｑ：チラコイドで光化学系IIはグラナスタックに局在する理由を考える。光化学系IIがない葉緑体は，膜が重なっているグラナが存在しない。つまり，光化学系IIがグラナスタックに局在する理由は膜が重なっているからだ。その理由として，光化学系IIはストロマの成分と相性が悪く，ストロマにむき出しになると働きが悪くなるので，葉緑体は膜を折り畳んで光化学系IIを保護していると予想した。しかし，膜を畳んだとしてもその隙間から光化学系IIとストロマは直接接していると思われ，この理由は正しくない。
他の可能性を考える。葉緑体の発生段階で以下のようになると予測した。チラコイド膜ができるときに，まず光化学系I，b6/f複合体が配置される。この段階ではグラナは存在しない葉緑体である。次に光化学系IIが配置されるが，膜に余裕がなく，膜を増やしながら新しい膜に局所的に配置される。このとき，膜が増えるため，行き場を失った膜はたたまれてグラナになる。この仮説を確かめるために，C3植物がC4植物になる水草をもちいて，C4植物になる段階での維管束細胞の形態変化を調べる方法を考えた。
Ａ：特に２つ目の方は面白い考え方ですね。実際には、むしろ原因と結果が逆で、光化学系IIの存在がグラナスタックを引き起こすようです。光化学系IIのアンテナとして働く、LHCIIが特に重要で、このLHCII同士の引力が膜の積み重なりを引き起こす、と考えられています。ただ、メカニズムはそうだとしても、「何のために」という理由については、いまだに解明されていません。
Ｑ：今回の講義のルビスコの進化の項目において、ルビスコの「最大活性」と「酸素に対する二酸化炭素の反応性の比」は両立できないと推測できるグラフがあった。それをもとにして植物の進化に伴いルビスコも進化していったといえるかについて考察する。
このグラフでは最大活性の量が具体的な数値で表されていないので、どちらの項目がより大事であるかが判断できない。そこでたとえばグラフを参考にして、シアノバクテリアとＣ３植物の酸素に対する二酸化炭素の反応性を相対値でそれぞれ60、100とすると、最大活性に約1.7倍以上の差があればシアノバクテリアのルビスコのほうが優秀であると考えることができる。最も優れたルビスコは「最大活性」と「酸素に対する二酸化炭素の反応性の比」が両方とも高い数値のものであるが、自然界には現存していないと思われる。今現在遺伝子工学によりルビスコの改良が進められているが、その中でシアノバクテリアのルビスコをベースにつくられたもので、一定の成果を上げたものがあり、私はシアノバクテリアのルビスコが現存のルビスコの中で最も進化したものであるという言い方もできると考える。
Ａ：このように、相反する２つの能力が関わる場合は、「どちらの項目がより大事であるか」は、その生物がおかれている環境条件に依存することを頭に置いておく必要があります。例えば、太古の地球で酸素濃度がほとんど０でしたら、酸素との親和性がいくつであってもあまり重要ではなく、最大活性こそが重要であることになります。ですから、「一般論」としてどちらが優秀かを議論することはできないのです。その生物がおかれている環境条件をきちんと考えた上で、初めていろいろな定量的議論ができるようになります。
Ｑ：第7回の植物生理学の講義で私が一番興味を持ったものは、ＣＡＭ植物です。ＣＡＭ植物とは、本来光合成をするために二酸化炭素を昼に気孔から取り込むことに対して、夜間に二酸化炭素を取り込み、化学変化させて蓄えこれを使うことによって光合成を行える植物です。このＣＡＭ植物は、茎や葉に多量の水分を蓄える多 肉植物に多く見られます。ＣＡＭ植物のメリットは、通常の植物だと気孔を昼に開くことにより多量の水分が体内から出てしまうのに対して、これは、夜間に気孔を開くので水分の余分な放出を防ぐことができることです。このＣＡＭ植物は、二酸化炭素をリンゴ酸に化学変化させて蓄えていて、このリンゴ酸の量により葉のｐＨが 変化します。私がこのＣＡＭ植物で疑問に思ったのは、なぜこのような進化をしたのかということです。というのは、例え砂漠に会って水分の蒸発を防ぎたくっても、一度保存してから光合成をするのは効率が悪いような気がしたからです。やはりこの進化があったということは、効率よりも水分の蒸発が問題としては大きかったの かと考えられます。しかし、砂漠ならこの理由でわかりますがＣＡＭ植物自体はいろいろな種類の植物がこれに属していて中にはそこまで水分が蒸発する環境ではないものがいるような気がします。それに砂漠など乾燥する地域は、昔は今ほどなかったような気がしました。特にこのような進化は突然変異ですぐにできるものではないような気がします。
Ａ：確かに、CAM植物の中には、かなり冷涼な気候で生育するものもありますので、その適応的意義については疑問がなくはありません。ただし、上に書きましたように、必要な遺伝子自体はC3植物にも存在するものが多く、「すぐにできる」かどうかは別として、それほど大規模な改変ではないようです。実際にCAMの回路は、植物において複数回進化してきているようですから。
Ｑ：今回の講義で興味を持ったのは，チラコイド膜の異所性や，葉緑体内での局在の話でした。チラコイド膜がなぜ重なっているのかということについて，ATP合成酵素からではなく膜から漏れる水素の量を減らして，極力ATP合成酵素を通して効率を上げるためと考えられるというのは理解できました。しかし，なぜその重なった部分に光化学系IIが集中して多く，他の部分に少ないかがよく分かりませんでした。重なった部分だけでなく広く存在した方がよりすばやくエネルギーを集められると思うのですが。考えた結果，広くそれぞれを存在させるよりも，光化学系IIの多い場所と光化学系Iとシトクロムb6/f複合体の多い場所を作ることで大きな電子の流れを作った方が最終的には効率がいいのではと思いました。そうすればばらばらに電子が流れていくよりも早く送ることが出来るのではないでしょうか。
Ａ：なるほど、電流のような概念ですね。ただし、光合成の電子伝達の場合、実際に電子の移動をになっている可溶性の成分は、チラコイド膜に溶けているプラストキノンと、チラコイド膜内腔にあるプラストシアニンです。とすると、やはり一度に流れるというのは不効率な気がします。いろいろな専門家がいろいろな説を唱えている割にはちっともわからないこともあるということですね。
Ｑ：今回は、ルビスコについて興味を持ちました。本講義では、進化において色々な植物に用いられてきたルビスコだが、「最大活性」と「酸素に対する二酸化炭素の反応性」の２つの性質を同時に高めることができるものは存在しない、と習いました。先生が講義中に仰っていましたが、もし本当に２つの性質を持ち合わせたものがこの世に存在していたとしたら、それはどの植物にも既に適用されているはずです。しかし私には、この長い進化の過程で、そのような性質を持ったルビスコが１回も現れなかったとも思えません。個人的には、もし２つの長所を併せ持ったルビスコが生まれた場合、それはルビスコを改良して得たメリット以上のデメリットを含んだものになってしまうのではないか、と思いました。植物に関しては詳しいことは全然分かりませんが、ルビスコに関連する遺伝子の近辺に、そのルビスコの遺伝子から多少影響を受けてしまうような植物の生存に必須な遺伝子があり、改良版ルビスコ遺伝子がこの生存必須遺伝子を（途中文字化け）又は弱体化させてしまうのかもしれない・・・、など。それぞれ性質を１つずつ持つルビスコの遺伝子同士がお互いを阻害し合う、という事も考えられますが。あとは、最後の方で習った「クロロビウムの炭酸固定」の固定効率が気になりました。まさかとは思いましたが、やっぱりＴＣＡ回路を逆にしたような炭酸固定経路も存在したんですね。
Ａ：これも、いまだによくわからない点です。ただ、科学における説明では、不必要な仮定というのが一番嫌われます。もし、「ルビスコを改良して得たメリット以上のデメリット」というのがある可能性は否定できませんが、タンパク質の構造的制約から２つの長所が同時にはもてない、という方が自然な仮定なので、ちょっと苦しい説明かな、と思います。