植物生理生化学特論 第９回講義
強光応答
第９回の講義では、光環境応答をテーマに据え、様々な強光ストレス回避のメカニズム研究例を紹介しました。
Ｑ：動物のように移動ができない植物では、強光ストレスに対応する手段として様々な生理機構を発達させてきた。その中でも、葉緑体光逃避運動は種子植物から藻類に至る（調べられた限り）全ての植物で確認されており、実際に強光を受けて活性酸素などの有害産物が発生する前に葉緑体を退避させることで、光阻害を回避している。葉緑体逃避行動にはフォトトロンビンなどの光受容体が非常に優位に機能することが知られているが、その絶対性には疑問の余地を残す。光合成経路において、仮に炭酸固定による細胞内のATP濃度やNADPH濃度の消費レベルを感知し、電子伝達系によるエネルギー産生が増大されるフィードバック機構が存在すれば、例えば炭酸固定能が高いルビスコを組換えることで、強光条件下で光阻害が抑えられ、葉緑体逃避行動が誘発されなくなる可能性がある。また、葉の裏側では緑色光が効率的に使用されることが示されており、例えば緑色光を過剰に照射したときに、青及び赤色に感受性が高いフォトトロンビンで葉緑体の逃避行動が誘発されるのかは、興味深い問題である（ただし、この場合には人為的な条件をつくり出しているため、光阻害が回避されない可能性が高い）。
それに加え、葉緑体は一般に細胞の周辺に配置されることで、細胞間隙に存在する二酸化炭素に触れやすくなっている。光の強度により逃避行動をとるということは、その分葉緑体が局所的に密集することになり、さらに細胞間隙における二酸化炭素の拡散は空気に比較して10000倍低いことを鑑みれば（東大寺島氏）、細胞間隙からの二酸化炭素の吸収効率が低下することは避けられないだろう。このときに光逃避行動をとったとしても、二酸化炭素供給の低下に伴い、根本的に炭酸固定回路の活性が低下すれば、結局のところ光阻害が発生することには変わらない。
今までは、光阻害を回避するために、光合成に必要なタンパク質の発現量を抑えたり、発生した活性酸素を無毒化するシステムなどが盛んに研究され、さらにフォトトロンビンや、ある種のシダにおけるPHY3といった光感受センサーの変異体を作ることで、葉緑体の光逃避行動は光受容センサーの観点からも研究されてきた（例えばT.Kagawa,et.al,:Science,2001、M.Kasahara,et
al,:Nature,2002）。それに加え、炭酸固定経路と電子伝達経路におけるエネルギー収支の観点から光阻害について注目してみる実験系を構築していかなくてはならないだろう。
Ａ：「細胞間隙における二酸化炭素の拡散は空気に比較して10000倍低いことを鑑みれば（東大寺島氏）」というのは、何か誤解しているのではないかと思います。細胞間隙自体は、基本的に空気で満たされています。問題は、細胞間隙から細胞へ取り込まれる際の抵抗と、水で満たされている細胞内での拡散抵抗です。前にも言いましたが、きちんと出典を明示する習慣をつけましょう。
Ｑ：葉緑体運動の話が面白かったので、葉緑体運動のメカニズムについて考察してみました。光の強度に関わらず葉緑体は必ず細胞膜付近に局在しており、青色光受容体フォトトロピンが光強度を感知することで葉緑体運動が引き起こされることから、フォトトロピンが光強度を感知して細胞膜に何らかの機能制御を行い、その結果葉緑体運動が生じることが考えられます。そこで、フォトトロピン1とフォトトロピン2にGFPやYFPなどの蛍光タンパク質を繋げて、光強度を変化させたときの胞内局在変化を観察することで、膜との相互作用や、葉緑体との相互作用が観察できるのではと思いました。
Ａ：フォトトロピンは細胞膜に結合しているようですから、フォトトロピン自体の局在の変化で情報を得るのは難しそうですね。フォトトロピンは、講義で紹介したようにキナーゼのドメインを持っていますから、リン酸化のシグナルを追いかける方がよさそうな気がします。
Ｑ：青色光受容体による、葉緑体集合・逃避運動の現象が興味深く、特に葉緑体移動にどんな動力源が関わっているのかが気になりました。原形質流動の流れの向きの変化や、膜電位の存在を考えてみていました。例えば青色光受容体が光を受容したという信号を受け、細胞膜と葉緑体の膜電位に変化が起こって引き合うというものです。実際にはアクチンフィラメントが関わり、当てる光色によりその構造も少し異なります。Vallisneriaではアクチンフィラメントと相互作用するカルシウムイオンに反応するモーターたんぱく質も見つかっています。微小管での物質輸送の研究方法が役立ったり、あるいはホウレンソウでは葉緑体を抽出する技術が確立されているそうなのでそのモーターたんぱく質をふりかけてみるのも面白いのではないかと思いました。
参考文献：Takagi S (2003) Actin-based photo-orientation
movement of chloroplasts in plant cells.
Ａ：レポートですから、「ふりかけてみるのも面白い」ではなく、もう少し具体的な考察がほしいところですね。
Ｑ：植物にとって、光が生育のためのエネルギー源であると同時に最大のストレス源であるとはなんとも皮肉な話である。今回は青色光受容体フォトトロピンのPHY3について調べてみた。PHY３はN末端側にフィトクロム発色団結合部位を有し、C末端側に青色光受容体フォトトロピン全長を持つ構造をしており、呼吸波長域を異とする２種３分子の発色団が光受容体Ⅰ分子内に共存するという構造をとっている。一方、同じ青色受容体フォトトロピンであるphot1、phot２はフィトクロム発色団結合部位を有していない。即ち、PHY３は青色光のみならず、赤色光にも反応する。シダではPHY３が見られるが、一般的な高等植物では見られない。進化上、何か不都合な点でもあったのだろうか？事実、シダのPHY３をシロイヌナズナに導入し、弱い光でも反応するという実験例も知られており、植物の栽培に役立つという例もあるくらいだ。不都合がなければ高等植物にも見られるはずである。
参考文献：A single chromoprotein with triple
chromophores acts as both a phytochrome and
a phototropin
Ａ：せっかく、面白い問題点に気がついたのですから、単に疑問に終わらずに、それに対する答えを考えて欲しいところです。シダと高等植物では光環境応答に関してどのような差があるか、という観点から考えると答えが見つかりそうです。
Ｑ：光と植物について、考える。そして、夜街を歩くと、ふと、一晩中街灯の光に晒されているあの街路樹達は、成長に影響が出ているのではないかという疑問が沸いてくる。夜は、気温が下がるので、葉の酵素活性も下がっているはずである。そこに、本来自然の状態ならそれに見合う光の量しか受けていないのに（つまり暗闇）、そこに過剰量の光が照射されていると、光エネルギーと吸収のバランスか崩れて、おそらく活性酸素などが生じ、酵素などを破壊してしまっているであろう。植物と街灯は離して設置するべきではないかと思う。
Ａ：観点としては面白いのですが、化学の分野のレポートとしては、もう少し定量的な考察がほしいところです。多くの化学反応は１０℃温度が変化すると、反応速度が約２倍になります。昼間から２０℃温度が下がると、夜には反応速度は１／４になる計算です。では、太陽の直射日光と街灯の光の強さはどのぐらい違うでしょうか？突き詰めて考えると色々なことが分かってくるはずです。