理化学研究所（理研）環境資源科学研究センター 分子生命制御研究チームの泉 正範 上級研究員、中村 咲耶 研究員、萩原 伸也 チームディレクター、質量分析・顕微鏡解析ユニットの豊岡 公徳 上級技師らの共同研究グループは、細胞内分解システムであるオートファジー^[1]による葉緑体の分解経路「クロロファジー^[2]」の生理的役割を解明しました。

太陽光はしばしば葉緑体にとって過剰であり、利用しきれないエネルギーが損傷を引き起こすことが知られています。本研究成果は、こうした植物の光ストレスへの応答機構の理解を拡張する成果です。また、環境ストレスに強い作物の開発に向けた基礎的知見となることが期待されます。

今回、共同研究グループは、複数の細胞内イメージング技術を組み合わせることで、葉の同一細胞内に存在する葉緑体一つ一つの機能を評価する手法を構築しました。そして、クロロファジーが、機能不全に陥った葉緑体を除去することで、植物の光ストレス応答を支えていることを明らかにしました。一部の葉緑体がまるで"盾"のように強い光障害を引き受け、その後クロロファジーによって除去されることで、葉緑体集団全体の健全性が保たれている可能性があります。

本研究は、科学雑誌『New Phytologist』オンライン版（11月9日付：日本時間11月9日）に掲載されました。

背景

植物は、光エネルギーを利用して大気中の二酸化炭素（CO₂）を有機物へと変換する光合成を行うことで成長します。この反応は、葉などの細胞内に多数存在する細胞小器官である葉緑体が担っています。しかし、太陽光がもたらすエネルギーはしばしば葉緑体にとって過剰であり、利用しきれないエネルギーが葉緑体内に損傷を引き起こすことが知られています。植物は、このような光ストレスに日常的にさらされており、それに適応するための光ストレス応答機構は、植物の重要な生存戦略の一つです。また、その仕組みを詳細に理解することは、環境ストレスに強い作物の開発にもつながると期待されています。

故にこれまで多くの研究者が植物の光ストレス応答に注目してきました。そして、植物が光ストレスから葉緑体を守るための複数の防御機構を備えていることが明らかになってきました。泉上級研究員らは、強い光ストレス後に、細胞内で葉緑体が分解される現象を発見し、この現象が、真核生物の細胞内自己分解システムであるオートファジーによる葉緑体分解経路「クロロファジー」であることを突き止めていました^注1、2）。

しかしながら、クロロファジーによって葉緑体を分解することが植物にどのような利益をもたらすのか、という生理的役割については、十分な実験的証拠がなく、未解明の課題として残されていました。また、これまで明らかにされた葉緑体を「守る」防御機構と、クロロファジーによって葉緑体を「除去する」分解経路が、光ストレス応答の中でどのように連携して機能しているのか、その詳細は不明でした。

• 注1）M. Izumi, H. Ishida, S. Nakamura, J. Hidema（2017）Entire photodamaged chloroplasts are transported to the central vacuole by autophagy. The Plant Cell 29: 377-394（doi: 10.1105/tpc.16.00637）
• 注2）S. Nakamura, J. Hidema, W. Sakamoto, H. Ishida, M. Izumi（2018）Selective elimination of membrane-damaged chloroplasts via microautophagy. Plant Physiology 177: 1007-1026（doi: 10.1104/pp.18.00444）

研究手法と成果

光ストレス後にクロロファジーで分解されるのは、細胞内に存在する葉緑体集団の一部であることが分かっていました。共同研究グループは、分解される葉緑体と他の葉緑体の違いを明らかにすることが、クロロファジーの役割を解明する鍵になると考えました。そこで、蛍光プローブ（特定の物質などと反応して蛍光を発する分子）観察、蛍光寿命顕微鏡（FLIM）^[3]観察、電子顕微鏡観察、といった複数の細胞内イメージング技術を組み合わせ、同一細胞内の葉緑体一つ一つの構造・形態・機能の違いを評価する手法を構築しました。

そして、この手法を使って、モデル植物シロイヌナズナの葉緑体を解析しました。その結果、クロロファジーの分解対象となるのは、光合成能力を失い、活性酸素種を産生しやすい状態に陥った葉緑体であることが明らかとなりました（図1、2）。クロロファジーが行えないオートファジー関連遺伝子欠損植物では、そのような機能不全葉緑体が分解されずに細胞内に蓄積しました。これらの結果から、クロロファジーが、光ストレスで生じた機能不全葉緑体を除去、分解することで、活性酸素を伴う葉緑体の蓄積を防ぐ役割を担っていることが明らかとなりました。

では、細胞内の一部の葉緑体は機能不全となる一方、大部分の葉緑体は光ストレス下でも健全な状態をなぜ維持できるのか、共同研究グループは、ここに葉緑体を守る防御機構が関係していると考えました。主要な光防御機構の一つに葉緑体の光逃避反応^[4]があります。これは、強い光が葉に当たった際に、細胞内の葉緑体が光から逃げるように細胞の側壁側に移動して集まる現象で、これによって多くの葉緑体が強い光を直接浴びることを防ぎます。この逃避反応が行えないphot2という変異植物では、光ストレス後に多くの葉緑体が機能不全となり細胞死につながりました。また、葉緑体の内部で働く別の防御機構として、光エネルギーを熱として放散する仕組みがありますが、この仕組みが十分に働かない変異体でも、光ストレス後の機能不全葉緑体の数は増加し、クロロファジーの活性も上昇しました。

これらの結果は、植物がまず光逃避応答を含む複数の防御機構を働かせることで、機能不全葉緑体が生じることをできる限り防いでいることを示しています。しかし防御機構をもってしても重篤な損傷を免れなかった葉緑体は、クロロファジーによって除去されます。このような「防御」と「除去」の仕組みが連携して働く光ストレス応答機構が、本研究によって明らかになったといえます（図3）。

光逃避反応で葉緑体が側壁に移動した後も、葉の表面側に位置する葉緑体は強い光を直接浴び続ける可能性があります。一方、そのような葉緑体によって下側の葉緑体への光が弱められ、多くの葉緑体は強い障害を免れていると考えられます。このように、植物は、一部の葉緑体がまるで"盾"のように重大な光障害を引き受け、その後クロロファジーによって除去されることで健全な葉緑体集団を維持する、というストレス応答戦略を取っているのかもしれません。

今後の期待

本研究により、クロロファジーの生理的役割が明らかになるとともに、葉緑体を守る仕組みと除去する仕組みが連携して機能する植物の光ストレス応答機構が示されました。この成果は、植物の光ストレス応答に関する従来の理解を発展させるものであり、新たな視点からの研究展開につながることが期待されます。

また本研究が構築した個々の葉緑体の機能を評価するイメージング技術は、機能不全葉緑体を見分ける仕組みなど、クロロファジーの仕組みを分子レベルで理解するための有用な研究基盤となります。今後の研究で、それら分子機構の解明を進め、その知見が作物のストレス耐性向上につながるかを検証していくことを目指します。

本研究成果は、国際連合が定めた17項目の「持続可能な開発目標（SDGs）^[5]」のうち、「2.飢餓をゼロに」や「13.気候変動に具体的な対策を」などへの貢献につながるものです。

補足説明

• 1.オートファジー
  真核生物に広く保存される細胞内の主要な分解機能であり、細胞質成分の一部を隔離し、細胞内の分解場として機能する細胞小器官である液胞（植物や酵母）あるいは、リソソーム（動物）へ運び込むことで分解する仕組みの総称。液胞・リソソームはさまざまな消化酵素類を内包しているため、内部に運び込まれた細胞質成分はそれら酵素群の働きで分解を受ける。細胞内における不要成分の除去、栄養成分のリサイクルなどを担うことで多様な生命現象を支える普遍的な機構として、活発に研究が進められている。
• 2.クロロファジー
  植物の葉で起こるオートファジー経路の一種で、葉緑体を丸ごと液胞へ運んで分解する経路のこと。葉緑体の英語名chloroplast（クロロプラスト）とオートファジーを組み合わせた用語。
• 3.蛍光寿命顕微鏡（FLIM）
  蛍光タンパク質や蛍光色素が発する蛍光の寿命（励起されてから発光が消失するまでの時間）を測定できる顕微鏡技術。葉緑体では、光合成色素クロロフィルの蛍光寿命が光合成機能の状態を反映することが示されているため、本研究では、個々の葉緑体のクロロフィル蛍光寿命を測定することで、その機能を評価した。FLIMはFluorescence Lifetime Imaging Microscopyの略。
• 4.葉緑体の光逃避反応
  植物の代表的な光防御機構の一つで、葉緑体が強い光を避けるように細胞内で配置を変える現象。葉緑体は細胞の側壁側へ移動・集積することで、強い光の照射を受けにくくなる。青色光受容体 phototropin 2（phot2）によって誘導されるため、その遺伝子の変異株（phot2）では、正常な光逃避反応が起こらず、光ストレスに弱くなって、葉が枯れやすくなる。
• 5.持続可能な開発目標（SDGs）
  2015年9月の国連サミットで採択された「持続可能な開発のための2030アジェンダ」にて記載された2016年から2030年までの国際目標。持続可能な世界を実現するための17の目標、169のターゲットから構成され、発展途上国のみならず、先進国自身が取り組むユニバーサル（普遍的）なものであり、日本としても積極的に取り組んでいる（外務省のホームページから一部改変して転載）。

共同研究グループ

理化学研究所 環境資源科学研究センター
分子生命制御研究チーム
研究員 中村 咲耶（ナカムラ・サクヤ）
上級研究員 泉 正範（イズミ・マサノリ）
上級研究員 草野 修平（クサノ・シュウヘイ）
チームディレクター 萩原 伸也（ハギハラ・シンヤ）
質量分析・顕微鏡解析ユニット
上級技師 豊岡 公徳（トヨオカ・キミノリ）
技師 佐藤 繭子（サトウ・マユコ）
テクニカルスタッフⅡ 若崎 眞由美（ワカザキ・マユミ）

摂南大学 農学部
講師（研究当時）高木 大輔（タカギ・ダイスケ）
（現 福島大学 食農学類 准教授）

京都大学 大学院理学研究科
化学専攻
大学院生（研究当時）児玉 和矢（コダマ・カズヤ）
准教授 熊崎 茂一（クマザキ・シゲイチ）

生物科学専攻
教授（研究当時）鹿内 利治（シカナイ・トシハル）

東北大学 大学院農学研究科
教授 石田 宏幸（イシダ・ヒロユキ）

研究支援

本研究は、RIKEN Incentive Research Project（研究代表者：泉正範）により実施し、日本学術振興会（JSPS）科学研究費助成事業新学術領域研究（研究領域提案型）「プロトン駆動力の破綻シグナルと光合成調節におけるその役割の解明（研究代表者：泉正範）」「損傷葉緑体を除去するミクロオートファジーの作動機構（研究代表者：中村咲耶）」「ミクロクロロファジーにおける基質認識・輸送の分子機構（研究代表者：中村咲耶）」、同基盤研究（C）「膜交通因子が担う損傷葉緑体輸送機構の解明（研究代表者：中村咲耶）」、同学術変革領域研究（A）「クロロファジー・マイトファジーによる植物細胞質ゲノム制御機構の解明（研究代表者：泉正範）」「損傷葉緑体をミクロオートファジーに導く葉緑体膜界面の分子協奏（研究代表者：中村咲耶）」、同学術変革領域研究（学術研究支援基盤形成）「先端バイオイメージング支援プラットフォーム（支援対象者：中村咲耶）」、科学技術振興機構（JST）革新的GX技術創出事業GteX「先端的植物バイオものづくり基盤の構築（研究代表者：平井優美）」による助成を受けて行われました。

原論文情報

• Sakuya Nakamura, Daisuke Takagi, Shuhei Kusano, Kazuya Kodama, Mayumi Wakazaki, Mayuko Sato, Kiminori Toyooka, Shigeichi Kumazaki, Toshiharu Shikanai, Hiroyuki Ishida, Shinya Hagihara, Masanori Izumi, "Chlorophagy targets chloroplasts irreversibly damaged by photoinhibition", New Phytologist, 10.1111/nph.71688

発表者

理化学研究所
環境資源科学研究センター 分子生命制御研究チーム
上級研究員 泉 正範（イズミ・マサノリ）
研究員 中村 咲耶（ナカムラ・サクヤ）
チームディレクター 萩原 伸也（ハギハラ・シンヤ）
質量分析・顕微鏡解析ユニット
上級技師 豊岡 公徳（トヨオカ・キミノリ）

発表者のコメント

光は、朝、昼、夜と1日の中でも大きく変動する環境要因です。植物は一見すると静的な生物に見えますが、その細胞内では葉緑体を移動させたり、損傷した葉緑体を除去したりすることで、刻々と変化する光環境に応答していると考えられます。今回、その応答機構の理解をオートファジーの視点から深めることができました。本研究を支えてくださった共同研究者の皆さまならびに関係者の皆さまに心より感謝いたします。（中村 咲耶）

今回、細胞内の葉緑体集団を観察する中で、一部の葉緑体だけが重篤な損傷を受け、選択的に分解される様子が見えてきました。その姿は、まるで一部の葉緑体が"盾"となって犠牲になることで、葉緑体集団全体の健全性を守っているかのようです。さらに、分解された葉緑体の構成成分は回収し再利用できます。このような巧妙な生存戦略を植物が備えているのかもしれません。こうした戦略がどのような仕組みによって支えられているのか、今後の研究で明らかにしていきたいと考えています。（泉 正範）

報道担当

理化学研究所 広報部 報道担当
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