CO2濃縮機構 　光合成におけるCO2の欠乏ストレスに順化するために、植物はその進化の過程で細胞内にCO2を輸送・濃縮するシステムを獲得しました。 光合成の炭酸固定に注目すると，植物はC3植物，C4植物，および多肉植物型光合成（Crassulacean Acid Metabolism: CAM）植物に分類されますが、イネ，ムギなどの農業上有用な植物を含めて、 地球上の植物の多くはC3植物に属し、カルビン・ベンソン回路で大気中のCO2を固定して炭水化物へと変換します。CO2固定酵素Rubiscoは、 CO2と反応するカルボキシラーゼ活性と競合して酸素と反応するオキシゲナーゼ活性も示すので、C3植物の光合成効率は決して高くありません。 一方、トウモロコシなどのC4植物は、維管束鞘細胞と葉肉細胞からなるクランツ構造を利用したC4回路でCO2を濃縮し、Rubiscoのオキシゲナーゼ活性を排除しています。

　水中ではCO2は水と反応して重炭酸イオン（HCO3-）の形で多く存在することが知られています。CO2と異なり、 電荷を帯びた重炭酸イオンは細胞や葉緑体を覆う生体膜を通過することができません。従って、水中の藻類はCO2を細胞内に十分に取り込むことが難しく、 光合成に不利なCO2欠乏環境にさらされます。このような環境においても光合成を維持し生存するために、藻類は細胞膜と葉緑体包膜という2つの障壁を乗り越えて積極的に重炭酸イオンを取り込み、 細胞内に濃縮することで光合成を行うと考えられています。これはシアノバクテリアや藻類が、光エネルギーを用いて細胞外から能動的に無機炭素を細胞内に輸送し、 Rubisco周辺にCO2を濃縮するシステムによることが知られており、CO2濃縮機構（CO2-concentrating mechanism: CCM）と名付けられています。 C4光合成のような維管束鞘細胞と葉肉細胞の複雑な相互作用による有機酸の脱炭酸反応を介する濃縮経路とは異なり、CCMは細胞膜や葉緑体膜に局在する輸送体を介した無機炭素の直接的な輸送によると考えられています。 藻類がこのようなCO2濃縮系(重炭酸イオン輸送系)を持つことは1980年に生理学的に発見されましたが （Badger et al. Plant Phys. 1980）、その輸送を担っている分子の詳細は長らく不明であり、 藻類の光合成の仕組みを解明するうえで非常に重要な問題として残されていました。

重炭酸イオン輸送体の発見 　私たちは、クラミドモナスをモデル生物として細胞膜と葉緑体包膜に局在する重炭酸イオン輸送体の同定を試みました。 これまでに蓄積された大規模な遺伝子発現情報（Miura et al. 2004 Plant Phys.）や 遺伝子破壊等の解析手法を通して、細胞膜にHLA3タンパク質が、葉緑体包膜にはLCIAタンパク質が局在し、互いに協調して重炭酸イオンを輸送することを明らかにしました （Yamano et al. PNAS 2015）。これら2つの輸送体の重要性は、 遺伝子破壊株と同時過剰発現株を作出して証明する事ができました。これまで海水に生息する珪藻において、細胞膜に局在する重炭酸イオン輸送体が明らかになっていますが、 淡水に生息する藻類が共通して持つ、葉緑体包膜と細胞膜の2段階からなる重炭酸イオン輸送経路を初めて解明しました。

　地球の大気に多量に含まれている酸素は、光合成により水が分解されて生じましたが、逆にCO2は光合成によって固定され続けてきました。 光合成によって長い年月蓄えられてきた石炭石油を燃やすことで、大気中のCO2濃度は400 ppmに増加し、現在の地球環境は温暖化・食糧不足・エネルギー枯渇などの様々な問題を抱えています。 これに対して、藻類が持つ遺伝子を利用・改変し、光合成の能力を極限まで高めたスーパー植物を創出することで解決しようとする新たな試みが世界的な競争のなか進められています。 本研究で明らかになった藻類の重炭酸イオン輸送システムをイネやコムギなどの主要作物に導入することでCO2の吸収量と生産量を高め、上記の問題を解決するためのブレイクスルーにつながることが期待されます。

関連する論文と総説
• Toyokawa C, Yamano T, Fukuzawa H
  Pyrenoid Starch Sheath Is Required for LCIB Localization and the CO2-Concentrating Mechanism in Green Algae. Plant Physiology 182(4):1883-1893 (2020)

• Wang L, Yamano T, Takane T, Niikawa Y, Toyokawa C, Ozawa S, Tokutsu R, Takahashi Y, Minagawa J, Kanesaki Y, Yoshikawa H, Fukuzawa H
  Chloroplast-mediated regulation of CO2-concentrating mechanism by Ca²⁺-binding protein CAS in the green alga Chlamydomonas reinhardtii. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 113(44):12586-12591 (2016)
  

• Yamano T, Sato E, Iguchi H, Fukuda Y, Fukuzawa H
  Characterization of cooperative bicarbonate uptake into chloroplast stroma in the green alga Chlamydomonas reinhardtii. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 112(23):7315-7320 (2015)
  

• 山野 隆志、福澤 秀哉
  「緑藻クラミドモナスにおける光合成ターボエンジンの駆動と制御」
  光合成研究 29(1):14-28 (2019)
  

近年の化石燃料資源の有限性や低炭素社会への転換といった社会要請に対して、藻類を用いたバイオ燃料の実用的生産が期待されています。しかしその実現には多くの乗り越えるべき課題があります。特に、藻類の脂質代謝経路ならびにその制御系に関する知見が十分ではないことが挙げられます。そこで私達は、モデル緑藻であるクラミドモナスで脂質蓄積が異常な変異株を単離し、脂質代謝における制御因子の同定を進めています。

　これまでに、脂質の染色蛍光強度を指標として、セルソーター分取システムを用いた変異体のスクリーニングを行い、窒素欠乏状態でトリアシルグリセロール（TAG）の蓄積が異常になる変異体 tag accumulation regulator1 (tar1)を取得しました(Kajikawa et al. Plant Phys. 2015)。変異体tar1 は、酢酸培地を用いた光従属栄養条件で細胞を窒素飢餓状態にすると、野生型に比べて(1) デンプンは蓄積するが TAG 蓄積レベルが10 分の1に低下し、(2) 細胞分裂が停止し細胞サイズが大きくなり、(3) クロロフィルの分解が遅れて光合成の停止が遅れる、という表現型を示しました。これらの結果から、TAR1は窒素飢餓に応答した細胞分裂・光合成・脂質蓄積の制御に係わる事が示唆されました。TAR1遺伝子がコードするタンパク質は、酵母のYak1 と相同性をもつタンパク質リン酸化酵素Dual-Specificity Tyrosine Phosphorylation-Regulated Kinase (DYRK)のサブファミリーの1つでした。さらに、細胞を光独立栄養条件で窒素欠乏にさらすと、クロロフィルを維持したまま、細胞あたりのデンプンに加えてTAGの蓄積量が野生型より増加するという非常に興味深い表現型も観察されています(論文準備中)。また、光独立栄養かつ窒素欠乏条件で野生株とtar1 変異株における遺伝子発現をRNA-seqで網羅的に解析することで、tar1 変異株と野生株との間で発現レベルの差が認められる遺伝子を選び出し、タンパク質リン酸化プロテオーム解析の結果と照らし合わせることで、TAR1が介在するTAGやデンプンの代謝制御系を理解する事を目指しています。

関連する論文等
• Kajikawa M, Sawaragi Y, Shinkawa H, Yamano T, Ando A, Kato M, Hirono M, Sato N, Fukuzawa H
  Algal dual-specificity tyrosine phosphorylation-regulated kinase, triacylglycerol accumulation regulator1, regulates accumulation of triacylglycerol in nitrogen or sulfur deficiency. Plant Physiol. 168(2):752-64 (2015)