光阻害

光阻害とは、植物、藻類、シアノバクテリアの光合成能力が光によって低下することです。光合成系 II (PSII) は他の光合成機構よりも光に敏感で、ほとんどの研究者はこの用語を PSII への光誘導損傷と定義しています。生体では、光阻害された PSII 中心は、 PSII の光合成反応中心のD1 タンパク質の分解と合成によって継続的に修復されます。光阻害は、より広い意味で動的光阻害としても使用され、植物が光にさらされたときに光合成の効率を低下させるすべての反応を表します。

光阻害の最初の測定結果は、1956 年にベッセル コックによって発表されました。^[1]ごく初期の研究でも、植物には光阻害による損傷を継続的に修復する修復機構があることは明らかでした。1966 年にジョーンズとコックは光阻害の作用スペクトルを測定し、紫外線が高度に光阻害的であることを発見しました。^[2]作用スペクトルの可視光部分は赤色光領域にピークを持つことが判明し、クロロフィルが光阻害の光受容体として作用することを示唆しています。1980 年代には、光阻害は光合成研究で人気のトピックとなり、修復プロセスによって打ち消される損傷反応の概念が再発明されました。研究は、1984 年にカイル、オハッド、およびアーンツェンが発表した論文によって刺激され、光阻害は 32 kDa のタンパク質の選択的損失を伴うことが示され、後に PSII 反応中心タンパク質 D1 として特定されました。^[3]化学処理により酸素発生複合体が不活性化されたPSIIの光感受性は、1980年代から1990年代初頭にかけて研究されました。^{[4] [5]} 1992年のImre Vassらの論文では、光阻害の受容体側メカニズムが説明されました。^{[6]光阻害されたPSIIによる}一重項酸素の生成の測定は、受容体側タイプのメカニズムのさらなる証拠を提供しました。^[7]光阻害による損傷を継続的に修復する修復サイクルの概念は進化し、1993年にAroらによってレビューされました。^{[8]それ以来、FtsH}プロテアーゼがD1タンパク質の分解に重要な役割を果たすという発見を含む、修復サイクルの多くの詳細が発見されています。^[9] 1996年、TyystjärviとAroの論文は、光阻害の速度定数が光強度に正比例することを示しました。これは、光阻害は光合成の最大能力を超える光エネルギーの割合によって引き起こされるという以前の仮定に反する結果でした。^[10]翌年、Itzhak Ohadのグループが行ったレーザーパルス光阻害実験により、電荷再結合反応は一重項酸素の生成につながる可能性があるため、有害である可能性があるという示唆が生まれました。^[11]光阻害の分子メカニズムは常に議論されています。最新の候補は、Esa Tyystjärviのグループが2005年に提案したマンガンメカニズムです。 ^[12]同様のメカニズムが、同じく2005年に村田憲夫のグループによって提案されました。^[13]

光阻害は、維管束植物からシアノバクテリアまで、酸素発生型光合成が可能なすべての生物で発生します。^{[14] [15]}植物とシアノバクテリアの両方で、青色光は他の可視光の波長よりも効率的に光阻害を引き起こし、紫外線のすべての波長は可視光の波長よりも効率的です。^[14]光阻害は、PSIIのさまざまな活動を阻​​害する一連の反応ですが、これらのステップが何であるかについてのコンセンサスはありません。 PSIIの酸素発生複合体の活性は、反応中心の残りの部分が活性を失う前に失われることがよくあります。^{[12] [13] [16] [17]}しかし、嫌気条件下でのPSII膜の阻害は、主にPSIIの受容体側での電子伝達の阻害につながります。^[6]紫外線は、PSIIの残りの部分が阻害される前に、酸素発生複合体の阻害を引き起こします。光化学系I（PSI）はPSIIよりも光誘発性の損傷を受けにくいが、この光化学系のゆっくりとした阻害が観察されている。^[18] PSIの光阻害は低温感受性植物で起こり、反応はPSIIからPSIへの電子の流れに依存する。

光化学系 II は、光の強度に関係なく光によって損傷を受ける。^[16]可視光にさらされた高等植物の典型的な葉、および単離したチラコイド膜標本における損傷反応の量子収率は、10 ⁻⁸～ 10 ⁻⁷の範囲にあり、光の強度とは無関係である。^{[10] [19]}これは、1000万～1億個の光子が遮断されるごとに 1 つの PSII 複合体が損傷されることを意味する。したがって、光阻害はあらゆる光強度で発生し、光阻害の速度定数は光強度に正比例する。いくつかの測定では、弱い光の方が強い光よりも効率的に損傷を引き起こすことが示唆されている。^[11]

光阻害のメカニズムは議論の余地があり、いくつかのメカニズムが提案されている。^[16] 活性酸素種、特に一重項酸素は、アクセプター側、一重項酸素、低光メカニズムで役割を果たしている。マンガンメカニズムとドナー側メカニズムでは、活性酸素種は直接的な役割を果たさない。光阻害されたPSIIは一重項酸素を生成し、^{[7]活性酸素種は葉緑体での}タンパク質合成を阻害することでPSIIの修復サイクルを阻害する。^[20]

強い光はプラストキノンプールの還元を引き起こし、光化学系IIのQ _{A電子受容体のプロトン化と二重還元（および二重プロトン化）につながる。プロトン化および二重還元されたQ Aは電子伝達に機能しない。さらに、阻害された光化学系IIにおける電荷再結合反応は、活性PSIIにおける同じ反応よりも、一次供与体（P 680} ）の三重項状態につながる可能性が高いと予想される。三重項P _680は酸素と反応して有害な一重項酸素を生成する可能性がある。^[6]

酸素発生複合体が化学的に不活性化されると、PSIIの残存電子伝達活性は光に対して非常に敏感になる。^{[4] [19]}健康な葉であっても、酸素発生複合体が必ずしもすべてのPSII中心で機能するとは限らず、それらの中心は急速な不可逆的な光阻害を受けやすいことが示唆されている。^[21]

酸素発生複合体のマンガンイオンに吸収された光子は、酸素発生複合体の不活性化を引き起こす。残りの電子伝達反応のさらなる阻害は、ドナー側メカニズムと同様に起こる。このメカニズムは、光阻害の作用スペクトルによってサポートされています。^[12]

^{PSIIの阻害は、弱く結合したクロロフィル分子[22]または}シトクロムまたは鉄硫黄中心^[23]によって生成される一重項酸素によって引き起こされます。

_{PSIIの電荷再結合反応は三重項P680}の生成を引き起こし、その結果一重項酸素が生成される。電荷再結合は、高光強度下よりも薄暗い光下で起こりやすい。^[11]

リンコマイシン処理した葉、シアノバクテリアや藻類の細胞、あるいは同時修復が反応速度を乱さない単離されたチラコイド膜から測定した場合、光阻害は単純な一次反応速度論に従う。WS Chowらのデータは、ピーマン（ Capsicum annuum）の葉では、修復反応が阻害されても一次反応パターンが擬似平衡に置き換わることを示している。この逸脱は、光阻害されたPSII中心が残りの活性なPSII中心を保護すると仮定することで説明されている。^[24] 可視光と紫外線の両方が光阻害を引き起こし、紫外線波長の方がはるかに有害である。^{[12] [23] [25]}紫外線と可視光誘導性光阻害を2つの異なる反応と考える研究者もいるが^[26]、異なる波長範囲で起こる阻害反応の類似性を強調する研究者もいる。^{[12] [13]}

植物やシアノバクテリアが光にさらされると光阻害が継続的に起こり、光合成生物は損傷を継続的に修復しなければならない。^[8]葉緑体とシアノバクテリアで起こるPSII修復サイクルは、PSII反応中心のD1タンパク質の分解と合成、それに続く反応中心の活性化から構成される。修復が速いため、植物が強い光で育てられても、ほとんどのPSII反応中心は光阻害されない。しかし、極端な温度、塩分、干ばつなどの環境ストレスは、炭素固定に使用するための二酸化炭素の供給を制限し、PSIIの修復速度を低下させる。^[27]

光阻害研究では、植物やシアノバクテリアに抗生物質（リンコマイシンまたはクロラムフェニコール）を塗布して葉緑体でのタンパク質合成を阻害することで修復を止めることがよくあります。タンパク質合成は無傷のサンプルでのみ起こるため、単離した膜から光阻害を測定する場合はリンコマイシンは必要ありません。^[27] PSIIの修復サイクルでは、PSIIの他のサブユニット（D1タンパク質を除く）が阻害されたユニットから修復されたユニットに再循環します。

植物は強い光の悪影響から身を守る機構を持っています。最も研究されている生化学的防御機構は、励起エネルギーの非光化学的消光です。^[28]可視光誘導性光阻害は、非光化学的消光が欠如しているシロイヌナズナの変異体では野生型よりも約25%速くなっています。また、例えばオキザリス属植物で強い光にさらされると葉が回転したり折りたたまれたりすることが光阻害から身を守ること も明らかになっています。

電子伝達系には限られた数の光合成系があるため、光合成を行う生物は、過剰な光と戦い、光酸化ストレス、同様に光阻害を防ぐ方法を何としても見つけなければなりません。PSII の D1 サブユニットへの損傷とそれに続くROSの形成を回避するために、植物細胞は入射する太陽光から過剰な励起エネルギーを運ぶ補助タンパク質、つまり PsBs タンパク質を使用します。比較的低い管腔 pH によって引き起こされる過剰なエネルギーに対して、植物は迅速な反応を発達させ、それによって熱として放出し、損傷を軽減します。

Tibilettiら(2016)の研究では、PsBs が pH の変化を感知する主要なタンパク質であり、そのため強い光があると急速に蓄積することがわかりました。これは、SDS-PAGEおよび免疫ブロット法を実施することで判明し、緑藻類Chlamydomonas reinhardtiiに PsBs 自体が存在することが分かりました。彼らのデータでは、PsBs タンパク質は、前述のようにビオラキサンチンからゼアキサンチンへの変換を触媒するタンパク質を含む LhcSR タンパク質と呼ばれる多重遺伝子ファミリーに属すると結論付けられました。PsBs は、強い光があるときに光合成系の方向を変えて、集光複合体の消光部位の配置を促します。

さらに、Glowacka ら (2018) が実施した研究では、PsBの高濃度化が気孔開口の抑制に直接相関していることが示されています。ただし、これは CO2 摂取量には影響せず_{、植物の水利用効率を高めます。これは、}ニコチナ・タバカムにおける PsB の発現を制御するために、DNA 変換と転写に続くタンパク質発現を含む一連の遺伝子改変を植物に課し、PsB のレベルと活性をテストすることで判明しました。研究によると、気孔コンダクタンスは PsB タンパク質の存在に大きく依存しています。したがって、植物で PsB が過剰発現すると、水分吸収効率が大幅に改善され、より生産性の高い作物の収穫量を促進する新しい方法が生まれました。

これらの最近の発見は、植物生物学における最も大きなメカニズムのうちの 2 つ、すなわち、カルビン ベンソン サイクルを介して光反応が気孔開口に与える影響を結び付けています。詳しく言うと、葉緑体のストローマで起こるカルビン ベンソン サイクルは、気孔開口時に流入する大気から CO2 を取得します_。カルビン ベンソン サイクルを駆動するエネルギーは、光反応の産物です。したがって、次のような関係が発見されました。PsBs がサイレンシングされると、予想どおり PSII の励起圧が増加します。これにより、キノン Aの酸化還元状態が活性化され、葉の細胞内気腔の二酸化炭素濃度に変化はなく、最終的に気孔コンダクタンスが増加します。逆の関係も成り立ちます。PsBs が過剰発現すると、PSII の励起圧が低下します。したがって、キノン A の酸化還元状態はもはや活性ではなく、葉の細胞内気腔内の二酸化炭素濃度も変化しません。これらすべての要因が作用して、気孔コンダクタンスは最終的に減少します。

光阻害は、単離したチラコイド膜またはそのサブフラクションから、または人工電子受容体（キノンおよびジクロロフェノールインドフェノールが使用されている）の存在下で光飽和酸素発生速度を測定することによって、無傷のシアノバクテリア細胞から測定できます。

無傷の葉における光阻害の程度は、クロロフィルa蛍光の可変値と最大値の比（F _V /F _M）を測定する蛍光計を使用して測定することができます。 ^[16]この比率は光阻害の代理として使用できます。なぜなら、PSIIからの励起電子の多くが受容体に捕捉されず、基底状態に戻ると、クロロフィルaから蛍光として放出されるエネルギーが増えるからです。

F _V /F _Mを測定する場合、非光化学的消光を緩和するために、測定前に葉を少なくとも 10 分間、できればそれ以上暗所で培養する必要があります。

光阻害は、パルスレーザーまたはキセノンフラッシュランプを使用した短いフラッシュ光でも誘発できます。非常に短いフラッシュを使用する場合、フラッシュの光阻害効率はフラッシュ間の時間差に依存します。^[11]この依存性は、フラッシュが PSII で再結合反応を誘発し、続いて一重項酸素を生成することで光阻害を引き起こすことを示していると解釈されています。この解釈は、キセノンフラッシュの光阻害効率はフラッシュのエネルギーに依存し、再結合反応の基質の形成を飽和させるほど強いフラッシュが使用された場合でも、フラッシュのエネルギーに依存することを指摘して批判されています。^[12]

研究者の中には、「光阻害」という用語を、植物が光にさらされたときに光合成の量子収率を低下させるすべての反応を含むように定義することを好む人もいます。^{[29] [30]}この場合、「動的光阻害」という用語は、光の中で光合成を可逆的にダウンレギュレーションする現象を含み、「光損傷」または「不可逆光阻害」という用語は、他の研究者が使用する光阻害の概念をカバーします。動的光阻害の主なメカニズムは、PSIIによって吸収された励起エネルギーの非光化学的消光です。動的光阻害は、光誘発性損傷ではなく、強い光への順応であるため、「動的光阻害」は実際には植物を「光阻害」から保護する可能性があります。

光阻害はサンゴの白化を引き起こす可能性がある。^[27]

• アントシアニン
• クロロフィル
• カウツキー効果
• 光反応
• 光合成反応中心
• 光合成

• Tibiletti, T., Auroy, P., Peltier, G. and Caffarri, S. (2016). Chlamydomonas reinhardtii PsbS タンパク質は機能的であり、強い光の下で急速かつ一時的に蓄積します。Plant Physiology、pp.pp. 00572.2016。
• Głowacka, K., Kromdijk, J., Kucera, K., Xie, J., Cavanagh, A., Leonelli, L., Leakey, A., Ort, D., Niyogi, K. and Long, S. (2018). 光化学系IIサブユニットSの過剰発現は、圃場栽培作物の水利用効率を高める。Nature Communications、9(1)。

• Alves, PL da CA, Magalhães ACN, Barja PR (2002). 「光合成の光阻害現象と森林再生におけるその重要性」(PDF) . The Botanical Review . 68 (2): 193–208. doi :10.1663/0006-8101(2002)068[0193:TPOPOP]2.0.CO;2. S2CID 29437214. 2011-07-21 に オリジナル(PDF)からアーカイブ。{{cite journal}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)
• Vass I、Cser K (2009)。「光化学系 II の光阻害における Janus の顔を持つ電荷再結合」。植物科学の動向。14 (4): 200–205。doi : 10.1016 /j.tplants.2009.01.009。PMID 19303349  。
• Mohanty P、Allakhverdiev SI、Murata N (2007)。「光阻害中の低温の適用により、光損傷と光化学系 II の修復における個々のステップの特性評価が可能になる」。光合成研究。94 (2–3  ) : 217–224。doi : 10.1007 /s11120-007-9184-y。PMID 17554634。S2CID 12690828  。
• Telfer A (2005)。 「光が多すぎる？ベータカロチンが光化学系 II 反応中心を保護する仕組み」。光化学および光生物学科学。4 (12  ) : 950–956。doi : 10.1039 /b507888c。PMID 16307107。S2CID  22646295。
• Adir N; Zer H; Shochat S; Ohad I (2003). 「光阻害 - 歴史的観点」.光合成研究. 76 (1–3): 343–370. doi :10.1023/A:1024969518145. PMID  16228592. S2CID  2178510.
• Niyogi KK (1999). 「光保護の再考: 遺伝学的および分子的アプローチ」. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology . 50 : 333–359. CiteSeerX  10.1.1.615.2525 . doi :10.1146/annurev.arplant.50.1.333. PMID  15012213.

• 光化学系 II: タンパク質データバンクの今月の分子