新開発極低温顕微鏡による植物の光エネルギー利用効率の調節機構の解明

使用新开发的冷冻显微镜阐明植物光能利用效率的调节机制

基本信息

批准号：
20J13833
负责人：
藤田祐輝
金额：
$ 1.09万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

光合成光捕集タンパク質（LHCII）は外界の光環境の変化に伴って二つの光化学系（PSII、PSI）へのエネルギー供給バランスを変化させる。この機能は光合成の効率に大きく影響しており、作物生産量を向上させる鍵として注目されている。その第一歩として、タンパク質の移動に伴うタンパク質超複合体の再構築による励起エネルギー移動経路のダイナミックな変化を、生きた細胞を対象としてより包括的に検証する新たな光学系システムの構築を目指した。具体的には、既存の極低温光学顕微鏡の検出器として時間分解蛍光分光を行えるストリークカメラを新たに導入した。また低温葉緑体イメージングの制御およびPSII、PSIの葉緑体内強度分布図作成を同時に行える新たなアルゴリズムを自作した。これらの改良点を導入した極低温―ストリークカメラ光学顕微鏡システムにより、PSII、PSIを空間的に識別しLHCIIから各光化学系へのエネルギー伝達速度論を強調することに成功した。主な研究成果として、青色の光を照射した際にPSIの近くで長波長シフトしたfree-LHCII凝集体の存在を示すデータが得られた。さらに、より高分解能で細胞イメージングを目指し、超解像蛍光顕微鏡技術の一つであるSTED法を開発した極低温―ストリークカメラ光学顕微鏡システムに導入する試みも行った。空間分解能の向上には至らなかったが、低温により引き起こされる色素分子の電子状態の占有率の逆転により効果的な誘導放出の観測に成功した。これは低温とSTED法を組み合わせることでさらなる空間分解能向上の実現を示唆する。

随着外部光线环境的变化，光合照相蛋白（LHCII）将能源供应的平衡更改为两个光系统（PSII，PSI）。该功能对光合作用效率有重大影响，并引起人们的关注，这是改善作物生产的关键。第一步是建立一个新的光学系统，该系统更全面地研究了通过重建蛋白质超复合物引起的激发能量传递途径的动态变化，因为蛋白质转移发生，靶向活细胞。具体而言，已经引入了能够执行时间分辨荧光光谱的新条纹摄像头作为现有低温光学显微镜的检测器。我们还创建了一种新算法，该算法可以同时控制低温叶绿体成像，并在叶绿体强度中创建PSII和PSI的分布图。使用引入这些改进的极低潮流摄像机光学显微镜系统，我们成功区分了PSII和PSI，并强调了从LHCII到每个光系统的能量传递动力学。获得了主要的研究结果，该结果表明，当用蓝光照射时，存在长波长在PSI附近移动的自由LHCII聚集体。此外，以更高分辨率的细胞成像为目的，我们还试图将其引入一个低温摄像机光学显微镜系统，该系统开发了STED方法，这是超分辨率荧光显微镜技术之一。尽管没有改善空间分辨率，但通过逆转低温引起的染料分子的电子状态来观察到有效诱导的发射。这表明，通过结合低温和Sted方法，可以进一步改善空间分辨率。