広報活動

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2014年1月20日

独立行政法人理化学研究所
独立行政法人科学技術振興機構

葉緑体内部のダイナミックな構造変化を生きたまま観察

-光合成調節の分子メカニズムに迫る技術として期待-

ヒメツリガネゴケのチラコイド膜構造の経時的変化の図

ヒメツリガネゴケのチラコイド膜構造の経時的変化

共焦点レーザー顕微鏡という顕微鏡があります。レーザー光で試料を照射し、試料から放出される蛍光を検出します。特定の波長のレーザーと特定の光学フィルターを組み合わせると、試料中に含まれる蛍光物質を選択的に検出できます。また、レーザー光を絞ることで、焦点面以外からの光を遮断し、コントラストの高い画像を得ることが可能です。

理研の研究者を中心とした研究グループは、植物細胞内にある葉緑体の中で行われる光合成反応を生きたままの植物で観察し、そのダイナミックな挙動を明らかにするため、共焦点レーザー顕微鏡を用いました。これまでは電子顕微鏡を使って葉緑体内部の観察を行ってきましたが、生きたままで観察することができなかったからです。これまでの研究から、葉緑体の中には「チラコイド膜」という脂質二重膜があり、光合成に関わるタンパク質が多く存在していることが分かっていました。これらのタンパク質は環境の変化に応じてお互いに結合する相手を変えながら光合成反応の調節を行っているといわれていましたが、実際の動きや、その働きには不明な点が多くありました。

一般的な植物の葉緑体は直径が10μm以下と小さいため、研究グループは観察対象にコケ植物「ヒメツリガネゴケ」を選びました。コケ植物は抗生物質を投与すると葉緑体の分裂が阻害され、細胞内に通常の20倍以上という1つの巨大な葉緑体を形成します。これを利用することで、より広い視野で葉緑体内部を観察できます。また、光合成に関わるタンパク質はクロロフィル色素を含み、その強い蛍光が観察を邪魔しますが、共焦点レーザー顕微鏡で得られた蛍光画像をコンピューター解析してクロロフィル蛍光を抑えれば、葉緑体内部の構造をはっきり捉えることが可能です。

研究グループが、コケの巨大葉緑体形成、共焦点レーザー顕微鏡観察、そして画像解析を組み合わせたライブセルイメージング技術で葉緑体内部を観察した結果、チラコイド膜が形成する“グラナ”と“ストロマラメラ”という2つの異なる膜構造を識別することに成功しました。生きた細胞の葉緑体の2つの膜構造を識別したのは今回が初めてです。さらに、この構造を経時的に観察したところ、グラナは安定した膜構造を示すのに対し、ストロマラメラは非常に活発に動いている様子を観察できました。薬剤を用いてグラナのサイズを小さくしたところ、膜構造全体の動きが活発化することも観察でき、グラナが葉緑体内部の膜ネットワーク構造の安定性に重要な役割を果たしていることが分かりました。この成果は、葉緑体内部の実態を解明する重要な手だてとなります。

今後、さらに解析手法を進化させ、定量的かつ動態的な変化を追跡することを目指します。これにより、光合成調節の分子メカニズムの完全理解へとつなげていきます。

理化学研究所
光量子工学研究領域 エクストリームフォトニクス研究グループ ライブセル分子イメージング研究チーム
客員研究員 岩井 優和 (いわい まさかず)
チームリーダー 中野 明彦 (なかの あきひこ)