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。

光合光捕获蛋白（LHCII）随着外部光环境的变化改变两个光系统（PSII、PSI）的能量供应平衡。该功能极大地影响光合作用的效率，并作为提高作物产量的关键而受到关注。第一步，我们的目标是构建一个新的光学系统，以更全面地检查活细胞中由于与蛋白质运动相关的蛋白质超复合物的重组而引起的激发能量传递路径的动态变化。具体来说，我们新推出了一款条纹相机，它可以作为现有冷冻光学显微镜的探测器进行时间分辨荧光光谱分析。我们还创建了一种新算法，可以同时控制低温叶绿体成像并创建 PSII 和 PSI 叶绿体内强度分布图。使用结合这些改进的低温条纹相机光学显微镜系统，我们成功地在空间上区分 PSII 和 PSI，并强调从 LHCII 到每个光系统的能量转移动力学。主要研究结果是数据显示游离 LHCII 聚集体的存在，当蓝光照射时，游离 LHCII 聚集体会转移到 PSI 附近的较长波长。此外，为了获得更高分辨率的细胞成像，我们还尝试将STED方法（一种超分辨率荧光显微镜技术）融入低温条纹相机光学显微镜系统中。尽管空间分辨率没有提高，但由于低温引起染料分子电子态占据的反转，我们成功地观察到了有效的受激发射。这表明将低温与 STED 方法相结合将进一步提高空间分辨率。