微細藻類の光合成の高温耐性を向上させることに成功―高温に耐える有用物質・食料生産に向けて―(大学院理工学研究科 西山 佳孝教授)

2026/11/11

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ポイント

・光合成の熱失活に活性酸素が直接関与することを解明
高温下では光合成⁽¹⁾の電子伝達系から活性酸素⁽²⁾が大量発生し、光化学系II(PSII)⁽³⁾を直接破壊するとともに、そのタンパク質合成⁽⁴⁾を阻害することを突き止めました。
・抗酸化力とタンパク質合成能の二重強化で相乗効果を発揮
活性酸素消去系酵素(SOD、カタラーゼ)⁽⁵⁾と、酸化に強い改変型翻訳伸長因子(EF-Tu)⁽⁶⁾を同時に過剰発現させることで、高温下でもPSIIの構造破壊を防ぎつつ、PSIIの修復⁽⁷⁾で主要な役割を果たすD1タンパク質⁽⁸⁾の合成を高く維持することに成功しました。
・過酷環境下でのバイオものづくりや農作物増産への道
高温環境下での光合成活性と生存能力が飛躍的に向上することを実証。夏季の培養プールの水温上昇に伴う微細藻類の生育阻害を克服し、バイオ燃料や有用物質の安定生産、さらには農作物の耐熱性向上への応用が期待されます。

概要

埼玉大学大学院理工学研究科の西山佳孝教授らの研究グループは、モデル微細藻類シアノバクテリア⁽⁹⁾を用いて、光合成における光化学系II(PSII)の高温耐性を大幅に向上させる手法を開発しました。
光合成は熱に極めて弱く、高温ストレスを受けるとPSIIが速やかに失活します。本研究では、細胞内の活性酸素(ROS)を消去する酵素系と、熱で壊れたPSIIを修復するためのタンパク質合成系(翻訳因子EF-Tu)を同時に強化することで、PSII自体の物理的な熱安定化と、迅速な修復サイクルの維持という「二重の保護」を実現しました。これにより、高温下での光合成活性低下を顕著に抑制し、細胞全体の生育・生存能を引き上げることに成功しました。
本成果は、2026年11月11日付で植物科学関連の国際学術誌『Plant and Cell Physiology』のオンライン版で公開されました。
URL: https://academic.oup.com/pcp/article-lookup/doi/10.1093/pcp/pcag148

論文情報

用語解説

(1) 光合成
光エネルギーを使って二酸化炭素と水から糖を生産する一連の反応。植物や藻類、シアノバクテリアなどの光合成生物にとって生存上欠かすことのできない重要な生命活動です。また、光合成によって作られた糖は、地球上のすべての生命の炭素源となっています。
光合成反応で生み出される酸素は、地球大気の約21％を占め、人類を含む地球上の好気生物の呼吸を支えています。
(2) 活性酸素
反応性の高い酸素分子の一種。ROS(Reactive Oxygen Species)と略称されます。化学的に安定な酸素分子が電子や励起エネルギーを受け取ると、一部の電子の不対性を持つ不安定な状態に変化することがあります。これを活性酸素といい、タンパク質や核酸、脂質など様々な生体物質に酸化傷害を及ぼします。スーパーオキシド(･O2-)、過酸化水素(H2O2)、ヒドロキシルラジカル(･OH)、一重項酸素(1O2)が代表的な活性酸素です。光合成が働くときには活性酸素が不可避的に発生します。捕集した光エネルギーを反応中心に移動する際や電子伝達反応の過程で発生します。
(3) 光化学系II (PSII)
光合成の中で、光エネルギーを化学エネルギーに変換する最も重要な装置。チラコイド膜に存在しており、タンパク質20種類以上、クロロフィル約40分子、他にカロテノイドや脂質を含む巨大な分子複合体です。ここで太陽の光エネルギーが電子伝達の化学エネルギーへと変換されます。このエネルギー変換過程で酸素が発生します。
(4) タンパク質合成
翻訳とも言われます。タンパク質を合成する巨大な分子装置で起こります。タンパク質合成系(翻訳系)はリボソームやRNA分子から構成されており、ここでmRNAの配列情報をもとにタンパク質が合成されます。
(5) 活性酸素消去系酵素
活性酸素を消去して無毒化する酵素。その代表的なものに、スーパーオキシドを過酸化水素に変換するスーパーオキシドディスムターゼ(SOD)や、過酸化水素を水に変換するカタラーゼ、ペルオキシダーゼがあります。
(6) EF-Tu
タンパク質合成系(翻訳系)を構成するペプチド伸長因子の一つ。アミノアシル-tRNAをリボソームのAサイトに運搬する役割を担っています。EF-Gとともに、アミノ酸を一つずつ繋げてペプチドを形成するペプチド伸長反応を支えています。西山教授らの研究によって、EF-Gとともに活性酸素の標的となって失活することが解明されました。
(7) PSIIの修復
PSIIは光阻害を受けやすく、強光下では容易に失活します。この現象は光阻害と呼ばれます。一方、生体内では失活したPSIIは、速やかに修復されます。損傷を受けた反応中心のD1タンパク質が分解され、転写・翻訳を経て新たに合成されたD1タンパク質がPSIIに挿入されて、PSIIが再活性化します。ただし、損傷と修復のバランスがとれているときは、光阻害は顕著には現れませんが、損傷の速度が修復の速度を上回ったとき、光阻害が起こります。光阻害に限らず、生物のからだの中では常に分解と合成が起こっています。
(8) D1タンパク質
PSIIの反応中心を構成する主要タンパク質。PSIIの光エネルギー変換(電荷分離)はD1タンパク質にあるクロロフィル分子で起こります。PSIIが光で損傷を受けると、その初期に損傷を受け分解されます。しかし、修復サイクルが働き、D1タンパク質は転写・翻訳を経て速やかにPSII複合体に挿入されます。
(9) シアノバクテリア
植物葉緑体の祖先と考えられている原核性の光合成微生物。約32億年前に地球上に誕生し、酸素を発生する光合成を初めて行なったと考えられています。現在もほぼ昔の姿をとどめ、湖沼や海洋に生息しています。シアノバクテリアの一種Synechocystis sp. PCC 6803は、日本の研究グループ(かずさDNA研究所)によってゲノムが1996年に解読され、形質転換(遺伝子操作)も容易なことから、モデル生物として光合成研究などに世界中で利用されています。

西山 佳孝(理工学研究科 生命科学部門)｜埼玉大学 研究者総覧