1. 光合成電子伝達の調節に関する研究
(1) PGR5依存光化学系Iサイクリック電子伝達経路に関する研究
光化学系Iサイクリック電子伝達は半世紀以上前に発見されたが、その生理機能は不明であった。シロイヌナズナの変異株の解析から、高等植物では、PGR5という機能未知のタンパク質に依存する経路とNDH複合体に依存する経路が存在し、特にPGR5依存経路は、光合成と葉緑体を過剰な光から守る反応に重要な役割を果たすことが明らかになった(図1)。我々は、遺伝学、生化学、生理学の手法を駆使し、電子伝達経路の全貌解明を目指している。また、イネ、ヒメツリガネゴケ、ゼニゴケを用いて、植物が陸上での進化の過程で光合成装置をいかに作り変えてきたのか、その進化的戦略を解き明かそうとしている。
(2) NDH複合体の構造、機能、アッセンブリーの解析
NDH複合体はシアノバクテリアに由来し、葉緑体で光化学系Iサイクリック電子伝達を触媒する。我々は、2010年度にNDH複合体の構造、機能、アッセンブリーに関する重要な知見を発表し、複合体の関わる電子伝達の全貌解析を目指して研究を行っている。
図1 光化学系Iサイクリック電子伝達を完全に欠く二重突然変異体は正常に生育できない
野生型(WT)とPGR5経路変異株(pgr5)、NDH経路変異株(crr2-2, crr3, crr4-2)、PGR5経路とNDH経路両方を欠く二重突然変異体(crr2-2 pgr5, crr3 pgr5, crr4-2 pgr5)。
2. 葉緑体遺伝子発現調節機構の解明
葉緑体は独自のゲノムを持つオルガネラであるが、その遺伝子発現調節は、核コード遺伝子が行なっている。我々はクロロフィル蛍光イメージングの手法で、葉緑体遺伝子発現調節が異常な変異株を多数単離、解析してきた(図2)。RNA編集は植物では葉緑体およびミトコンドリアで見られ、多数のシチジン残基がRNA上でウリジンに変換される。このRNA編集のサイト認識に、PPRタンパク質がRNA結合タンパク質として機能することを明らかにした。RNA編集とその他の葉緑体RNA成熟化の分子機構の全貌解明を目指して研究を続けている。
トウモロコシなどのC4植物は、細胞によって異なる葉緑体を作ることで、効率の良い光合成を実現している。そのためには、葉緑体遺伝子の組織特異的発現の必要がある。我々は、その分子機構の解明を目指している。
図2 クロロフィル蛍光イメージングによる光化学系Iサイクリック電子伝達活性の可視化
シロイヌナズナcrr2変異株は、葉緑体ndhB遺伝子の発現が異常なためNDH活性が検出されない。
3. 植物の銅イオン恒常性維持の分子機構解明
銅は光合成電子伝達を含む多くの生体反応に必須であるが、過剰な銅は毒性を持つ。植物は生体内の銅イオンの恒常性維持のため様々な戦略を持っている。シロイヌナズナの転写因子SPL7はこの銅イオン恒常性維持に中心的な役割を果たし、microRNAの機能を介して銅亜鉛と鉄の二つのSODの使い分けを制御したり、銅トランスポーターの発現を制御したりしている。SPL7の破壊株は、銅欠乏下で、深刻な生育障害を示す。