SEARCH

Search Details

Tanaka Ryouichi

Institute of Low Temperature Science　Joint Research DivisionProfessor

Researcher basic information

■ Degree
  • Dr. Sci., Kyoto University
  • M. Sci., Kyoto University
■ URL
researchmap URLホームページURL■ Various IDs
Researcher ID
  • A-4030-2012
J-Global ID■ Research Keywords and Fields
Research Keyword
  • Arabidopsis
  • cyanobacteria
  • tetrapyrrole
  • chloroplast
  • chlorophyll
  • 植物生理学
  • 分子生物学
  • Plant Physiology
Research Field
  • Life Science, Plant molecular biology and physiology
  • Life Science, Molecular biology
■ Educational Organization

Career

■ Career
Career
  • Apr. 2021 - Present
    Hokkaido University, Institute of Low Temperature Science Environmental Biology Section, Professor, Japan
  • Apr. 2010 - Mar. 2021
    - 低温科学研究所生物環境部門 准教授
  • 2007 - 2010
    低温科学研究所低温基礎科学部門 助教
  • 1998 - 2007
    低温科学研究所低温基礎科学部門 助手
  • 1998 - 2007
    Research Associate,The Institute of Low Temperature Science
  • 1997 - 1998
    Institute fuer Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung 研究員
  • 1997 - 1998
    Researcher
Educational Background
  • 1997, Kyoto University, 理学研究科, Japan
  • 1997, Kyoto University, Graduate School, Division of Natural Science
  • 1994, Kyoto University, 理学研究科, Japan
  • 1994, Kyoto University, Graduate School, Division of Natural Science
  • 1992, Kyoto University, Faculty of Science, Japan
  • 1992, Kyoto University, Faculty of Science
Committee Memberships
  • Jan. 2018 - Mar. 2020
    日本植物生理学会, 男女共同参画委員長, Society

Research activity information

■ Awards
  • Feb. 2016, 北海道大学, 教育総長賞 奨励賞
    田中 亮一
■ Papers
■ Other Activities and Achievements
■ Lectures, oral presentations, etc.
  • 全ゲノムの比較によるラン藻のジビニルクロロフィル還元酵素の同定と解析
    伊藤寿; 横野牧生; 田中亮一; 田中歩
    日本植物生理学会年会要旨集, 15 Mar. 2008, Japanese
    15 Mar. 2008 - 15 Mar. 2008
  • Analysis of an Arabidopsis mutant that accumulates 7-hydroxymethyl chlorophyll a
    T. Nagane; R. Tanaka; A. Tanaka
    PHOTOSYNTHESIS RESEARCH, Feb. 2007, SPRINGER, English
    Feb. 2007 - Feb. 2007
  • Examination of the intra-plastid localization of chlorophyllide alpha oxygenase
    Satoshi Kanematsu; Yasuhito Sakuraba; Ryouichi Tanaka; Ayumi Tanaka
    PLANT AND CELL PHYSIOLOGY, 2007, OXFORD UNIV PRESS, English
    2007 - 2007
  • Analysis of the Arabidopsis chlorina5 mutant lacking a chloroplast metalloprotease
    Makoto Sugawara; Ryouichi Tanaka; Shinichiro Sawa; Ayumi Tanaka
    PLANT AND CELL PHYSIOLOGY, 2007, OXFORD UNIV PRESS, English
    2007 - 2007
  • Identification of a vinyl reductase gene for chlorophyll synthesis in Arabiopsis thalinana
    Nagata Nozomi; Tanaka Ryouichi; Satoh Soichirou; Tanaka Ayumi
    Plant and Cell Physiology Supplement, 2005, 日本植物生理学会
    2005 - 2005, Chlorophyll metabolism has been studied with various organisms and almost all of the chlorophyll biosynthetic genes have been identified in higher plants. However, only the gene for 3, 8-divinyl protochlorophyllide <I>a</I> 8-vinyl reductase (DVR), which is indispensable for monovinyl chlorophyll synthesis has not been identified yet. <br>In this study, we isolated an <I>Arabidopsis thaliana</I> mutant that accumulated divinyl chlorophyll instead of monovinyl chlorophyll by ethyl-methanesulfonate mutagenesis. We identified the gene by Map-based cloning of this mutant. The mutant phenotype was complemented by the transformation with the wild-type gene. A recombinant protein encoded by the identified gene was expressed in <I>E. coli</I> and found to catalyze the conversion of divinyl chlorophyllide to monovinyl chlorophyllide, thereby demonstrating that the gene encodes a functional DVR. <br>Further, identification of the <I>DVR</I> gene helped understanding the evolution of <I>Prochlorococcus marinus</I>, a marine cyanobacteria that is unique in using divinyl chlorophylls.
  • Analysis of protein levels of chlorophyllide a oxygenase regulated by its own N-terminal domain.
    A Yamasato; R Tanaka; A Tanaka
    PLANT AND CELL PHYSIOLOGY, 2005, OXFORD UNIV PRESS, English
    2005 - 2005
  • Distribution of Photosynthetic Pigments into Apoproteins and Flexibility of Pigment-protein Complexes.
    Satoh Soichirou; Hirashima Masumi; Tanaka Ryouichi; Tanaka Ayumi
    Plant and Cell Physiology Supplement, 2004, The Japanese Society of Plant Physiologists
    2004 - 2004, Photosynthetic pigments are bound to their specific proteins to form pigment-protein complexes that enable the efficient energy transfer between different pigments. Light-harvesting apparatus can be divided into the core and peripheral antenna. Core antenna is composed of chlorophyll <I>a</I>-protein complexes and their pigment composition and organization do not change under any environmental conditions. Peripheral antenna is composed of light-harvesting chlorophyll <I>a</I>/<I>b</I>-protein complexes (LHC) in green plants. However, the mechanism concerning the preferential incorporation of chlorophyll <I>b</I> into LHC have not been revealed.<br>In order to elucidate the mechanism, we introduced <I>prochlorothrix</I> CAO into <I>Arabidopsis thaliana</I> and investigated the pigment compositions of the complexes. The core antenna of chlorophyll <I>a</I>-protein complexes became chlorophyll <I>a</I>/<I>b</I>-protein complexes in the transgenic plants. We will report the photosynthetic performance of the transgenic plants and discuss the regulation of chlorophyll distribution and the photosynthetic performance of the transgenic plants.
  • TheArabidopsis-accelerated cell death gene ACD1 encodes pheophorbide a oxygenase
    Hirashima Masumi; Tanaka Ryouichi; Satoh Soichirou; Tanaka Ayumi
    Plant and Cell Physiology Supplement, 2004, The Japanese Society of Plant Physiologists
    2004 - 2004, Oxygenation of pheophorbide <I>a</I> is a key step in chlorophyll breakdown. Several biochemical studies have implicated that this step was catalyzed by an iron-containing and ferredoxin-dependent monooxygenase, pheophorbide <I>a</I> oxygenase (PaO). It has been proposed that inhibition of its activity leads to the "stay-green" phenotype. We searched the<I> Arabidopsis </I> genome for a possible PaO encoding gene and identified three such genes,<I>Tic55</I>,<I>ACD1</I> and <I>ACD1-like</I>. We produced transgenic <I>Arabidopsis</I> plants which expressed antisense RNA as a method to inhibit the expression of these genes. After they were kept under darkness for 5 days and again illuminated, the leaves of the antisense ACD1 plants (AsACD1) were bleached. The rate of decrease in chlorophyll <I>a</I> was not influenced and pheophorbide <I>a</I> was accumulated in senesced AsACD1 leaves. These results demonstrated that <I>ACD1</I> encodes PaO, and its inhibition led to photooxidative destruction of the cell instead of the "stay-green" phenotype.
  • Analysis of an Arabidopsis mutant deficient in chlorophyll b accumulation, chlorina5
    Y Kurata; R Tanaka; S Sawa; A Tanaka
    PLANT AND CELL PHYSIOLOGY, 2004, OXFORD UNIV PRESS, English
    2004 - 2004
  • Studies in the localization of chloropyllide a oxygenase using green fluorescence protein
    A Yamasato; N Nagata; R Tanaka; A Tanaka
    PLANT AND CELL PHYSIOLOGY, 2003, OXFORD UNIV PRESS, English
    2003 - 2003
  • Mechanisms for high light acclimation studied with transgenic arabidopsis plants overexpressing chlorophyllide a oxygenase
    R Tanaka; M Hirashima; A Tanaka
    PLANT AND CELL PHYSIOLOGY, 2003, OXFORD UNIV PRESS, English
    2003 - 2003
■ Syllabus
  • 環境分子生物学特論Ⅱ, 2024年, 修士課程, 環境科学院
  • 分子生物学基礎論, 2024年, 修士課程, 環境科学院
  • 分子生物学基礎論, 2024年, 修士課程, 環境科学院
  • 環境と人間, 2024年, 学士課程, 全学教育
  • 一般教育演習(ﾌﾚｯｼｭﾏﾝｾﾐﾅｰ), 2024年, 学士課程, 全学教育
■ Affiliated academic society
  • 2023 - Present
    日本森林学会
  • 2017 - Present
    International Society of Photosynthesis Research
  • 日本植物学会
  • 日本光合成学会
  • 日本植物生理学会
■ Research Themes
  • Photosynthesis ubiquity: Supramolecular complexes and their regulations to enable ph otosynthesis all around the globe
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    01 Apr. 2023 - 31 Mar. 2028
    栗栖 源嗣; 斉藤 圭亮; 山本 大輔; 白井 剛; 坂本 亘; 日原 由香子; 広瀬 侑; 丸山 真一朗; 田中 亮一; 皆川 純; 吉田 啓亮; 桶川 友季
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A), Osaka University, 23H04957
  • Environmental Acclimation of Photosystem Supercomplex Structure and Light-Harvesting Function in Green Plants
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    01 Apr. 2023 - 31 Mar. 2028
    皆川 純; 田中 亮一; 金 恩哲
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A), National Institute for Basic Biology, 23H04960
  • Shade tolerance in conifer species influences susceptibility to winter drought via photosynthetic responses
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    01 Apr. 2023 - 31 Mar. 2027
    北尾 光俊; 田中 亮一; 矢崎 健一; 原山 尚徳
    樹木の葉の形態や生理特性は芽を形成する際の光環境によって影響を受ける。そこで，全天と庇陰（相対照度約10%）の光環境に順化した芽を形成し，翌年春に展開した針葉を測定に供するため，トドマツ，エゾマツ，アカエゾマツ，カラマツの針葉樹４樹種のポット苗を作成した。トドマツ，エゾマツ，アカエゾマツの苗木は森林総合研究所北海道支所実験林で採取した種を2017年12月に播種し，苗畑で生育させたものを用いた。苗木は2023年4月のポット（4L）への植替え時には6年生であり，苗高はおよそ20cmであった。カラマツはポットで種から生育させた2年生（苗高約15cm）のものを用いた。
    土壌の凍結状態をモニターするためにペンダント型データロガーをポットの約5cmの深さに埋め込み，冬期の土壌温度の変化を10分間隔で記録した。その結果，光環境にかかわらず12月上旬より土壌温度が0℃以下となり，土壌凍結が生じていることが示唆された。一方で，土壌温度が0℃以上となるのは，全天環境のポット苗では3月上旬であるが，庇陰環境では3月下旬であり，全天環境の方が土壌凍結の解除のタイミングが早かった。さらに，シュートの水分状態への土壌凍結の影響を調べるために，9月12日，1月29日‐2月1日（厳寒期），3月30日（融雪期）および4月20日（回復期）に，全天および庇陰下で生育したトドマツ，エゾマツ，アカエゾマツの苗木を対象として，プレッシャーチャンバー法により夜明け前の水ポテンシャルを測定した。その結果，厳寒期の土壌凍結状態では，いずれの樹種・処理においても水ポテンシャルが大きく低下したが，土壌凍結が終了した直後の融雪期には水ポテンシャルの上昇が見られ，回復期では9月のレベルまで回復した。厳寒期において全天個体より庇陰個体で水ポテンシャルが低くなる傾向が見られたが，トドマツは他の2樹種に比べて高い水ポテンシャルを示した。
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Forest Research and Management Organization, 23K26955
  • Shade tolerance in conifer species influences susceptibility to winter drought via photosynthetic responses
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    01 Apr. 2023 - 31 Mar. 2027
    北尾 光俊; 田中 亮一; 矢崎 健一; 原山 尚徳
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Forest Research and Management Organization, 23H02262
  • 寒冷圏の常緑樹において冬季に特徴的な２つの光合成防御機構の種間分布
    科学研究費助成事業
    Apr. 2024 - Mar. 2027
    田中 亮一; 東 隆行; 北尾 光俊
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 24K01806
  • 温帯落葉樹林の林床草本の葉の光合成電子伝達系の制御機構の多様性の解析
    科学研究費助成事業
    01 Apr. 2022 - 31 Mar. 2026
    野口 航; 田中 亮一
    林床で同所的に生育する異なる3種類のフェノロジー（春植物、夏植物、常緑草本）の植物種を用いて、光合成電子伝達系の制御機構とその多様性を明らかにする。以下の仮説を立て、検証することを目的とした。
    仮説1) 寿命が短い春植物の葉では、低温下でもCO2吸収速度を高くするために、高い光合成電子伝達が維持されるしくみがある。仮説2) 生育期間に被陰される期間が長い夏植物は少ない光でも有効に光合成生産するために、弱光下で光合成電子伝達速度が高い。仮説3) 葉の寿命が長い常緑草本では、林床が明るい冬に低温・強光からの保護機能が変化するとともに、光合成電子伝達速度が増加する。
    2023年度は、東京薬科大学構内の落葉樹林下に同所的に自生する異なるフェノロジーを示す複数の草本種について、葉のガス交換と光合成電子伝達特性を調べ、光合成電子伝達系の制御機構を解析した。定期的に自生地から葉を採取し、光合成特定の季節変化を測定した。春植物のキクザキイチゲは葉を展開している短い期間中に高い光合成速度を維持していたが、A-Ciカーブの初期勾配は葉の展開初期から2週間後に最大値を示した。一方、他の種では葉の展開初期に高い光合成速度や初期勾配を示し、その後低下した。特に夏植物のウバユリでは低下が速かった。光合成電子伝達特性の測定温度依存性を調べた結果、キクザキイチゲは光化学系IIの電子伝達速度 (ETRII)の最大値が2月から4月に低温から高温にシフトした。同様の変化はエンレイソウにも見られた。他の種でも測定温度依存性が季節変化したが、変化の程度には種間差があった。キクザキイチゲでは季節が進むとETRIIの変化に伴い、低温下のプラストキノンの酸化度を示すqLは低下し、熱散逸を示すパラメータであるNPQが上昇した。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 東京薬科大学, 23K23967
  • 温帯落葉樹林の林床草本の葉の光合成電子伝達系の制御機構の多様性の解析
    科学研究費助成事業
    01 Apr. 2022 - 31 Mar. 2026
    野口 航; 田中 亮一
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 東京薬科大学, 22H02704
  • 常緑針葉樹の光合成調節機構の複合体プロテオミクスおよび分光学的手法よる統合的解析
    科学研究費助成事業
    01 Apr. 2020 - 31 Mar. 2024
    田中 亮一; 秋本 誠志; 北尾 光俊
    森林総研北海道支所において、イチイ、トドマツ、エゾマツ、アカエゾマツ、ヒノキアスナロの苗を栽培し、それぞれ、Sun（直射日光が当たる条件）とShade（寒冷紗によって被陰舌条件）で生育した。また、北大・低温研においては、2 mから8 mのサイズのイチイを材料に以下の研究を実施した。年間を通して、光化学系IIの量子収率(YII)と最大量子収率(Fv/Fm)を測定し、季節・気温によって、YIIが減少するタイミングを調べた。また、光合成色素の変動を調べ、RNAとタンパク質の変動を調べるため、サンプリングを行った。この結果、春から秋にかけては、葉に当たる光強度とYIIは逆相関を示したが、冬においては、すでに報告されている通り、YIIは光強度の相関はほとんど示さず、常に低い値を示した。一方、冬季はYIIは気温に強い相関を示した。自然条件における、このような気温との強い相関の報告は初めてである。春から秋にかけては、クロロフィルとカロテノイドの比率はほぼ一定であったが、冬にはxanthophyll cycleの色素であるzeaxanthinがクロロフィルあたりで数倍に上昇した。この結果は、春から秋にかけては、光化学系タンパク質にこれらのクロロフィルとカロテノイドが結合していることを示しているが、冬には、xanthophyll cycleの色素は光化学系タンパク質には結合していないことを示唆している。また、chlorophyll a/b比がSun条件下で顕著に増加した。この結果から、冬季のSun条件下においてchlorophyllおよびzeaxanthinを結合するタンパク質の増加が強く示唆された。
    日本学術振興会, 基盤研究(B), 北海道大学, 20H03017
  • Outer-canopy autumn leaves protect inner-canopy leaves from strong light, contributing to carbon gain and nitrogen remobilization
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    01 Apr. 2020 - 31 Mar. 2023
    北尾 光俊; 飛田 博順; 田中 亮一; 矢崎 健一
    昨年度に引き続き、森林総合研究所北海道支所樹木園に生育するハウチワカエデ成木を対象として、葉の糖・デンプン量、窒素量、色素量、光合成速度および光阻害の季節変化を測定した。光阻害の指標として、一晩暗順化した葉を対象にクロロフィル蛍光反応測定で得られる光化学系Ⅱの最大光化学効率（Fv/Fm）を用いた。測定は樹冠表層の葉（陽葉）と樹冠下部の葉（陰葉）を対象として行った。夏季から秋季にかけて、糖およびデンプン量は全般的に陽葉が陰葉よりも多かったが、糖とデンプン量を合計した非構造性炭水化物量（non-structural carbohydrate, NSC）に対する糖の割合の季節変化は陽葉と陰葉で違いがなく、10月初めから落葉にかけて増加する傾向を示した。昨年度の顕微鏡観察により、離層形成による維管束の分断が認められなかったこととあわせて、アントシアニン合成に必要な糖の集積は、葉での糖・デンプン代謝の変化が原因であることが示唆された。糖の集積は葉の老化のシグナルになることが知られているが、炭水化物の糖への分配増加のタイミングが陽葉と陰葉で同じだったことから、樹冠内の光環境にかかわらず、同時期に老化が始まっていたと考えられる。また、乾重当たりの光合成速度と窒素量に関しても陽葉と陰葉間の差は小さく、葉の老化にともない同じタイミングで低下していく傾向が見られた。一方で、陽葉においては、光合成の低下にともなうアントシアン含量の顕著な増加が認められた。老化のタイミングや窒素回収のタイミングが同じであること、また、光阻害の指標となるFv/Fmの低下が光合成速度や窒素含量の低下より遅れて生じていることを考慮すると、紅葉の原因となるアントシアニンの葉葉での集積は、光酸化ストレスから葉を守り、窒素回収を確実に行うための防御機能として働いていることが考えられる。
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Forest Research and Management Organization, 20H03036
  • Functional analysis of LIL proteins that have chlorophyll-binding motifs, thylakoid localized and low-temperature responsive
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    01 Apr. 2017 - 31 Mar. 2021
    Tanaka Ryouichi
    To elucidate the mechanism by which plants in the cryosphere avoid photodamages at low temperatures, we sought to understand the function of light-harvesting-like proteins (LILs) with chlorophyll-binding motifs, which are thought to function in the regulation and protection of the photosystem. Analysis of Arabidopsis LIL8 mutants and complexes, as well as time-resolved chlorophyll fluorescence measurements, suggested that LIL8 is involved in the regulation of light-harvesting system dynamics. Iso-seq analysis and immunoblotting in yew showed an inverse correlation between annual changes in photosystem II quantum yield and LIL1 accumulation, suggesting that LIL1 binds to photosystem II in winter and is involved in heat dissipation.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Hokkaido University, 17K07431
  • Feedback regulation of photosynthetic electron transfer by promo motive force
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    30 Jun. 2016 - 31 Mar. 2021
    TAKAHASHI Yuichiro
    The efficiency of photosynthetic reactions is determined by regulation between efficient light-harvesting and protection from excessive light because light intensity intensively changes under natural conditions. Thus, it is crucial to investigate the molecular mechanism by which photosynthetic reactions are stimulated and suppressed. The present project focused on the proton motive force (pmf) generated coupled with photosynthetic electron transfer reactions. We revealed that pmf regulates photosynthetic electron transfer reactions at cytochrome b6f complex as feedback regulation. We also revealed how photosynthetic proteins are damaged by strong light illumination and damaged photosynthetic proteins are repaired or replaced. The results obtained in the present project provide valuable directions to modify photosynthetic organisms under natural conditions.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area), Okayama University, 16H06554
  • Development of a new method for the quantification of isoprenoid intermediates and analysis of the localization of the isoprenoid metabolic pathways in chloroplasts
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    01 Apr. 2014 - 31 Mar. 2015
    TANAKA Ryouichi
    We aimed at the development of a method to quantify geranylgeranyl-diphosphate (GGDP) and phytyl-diphosphate (PDP) in this study. First, we have tested whether geranylgeranyl transferase can conjugate GGDP and PDP to a dansylated peptide, which can be easily detected by a liquid chromatography system according to the method of Tong et al. 2013. However, this method only detect GGDP-conjugated peptide. Then, we attempted to use chlorophyll synthase activity to detect GGDP- or PDP-conjugate to chlorophyllide. However, we failed to overexpress this enzyme by an E. coli system, cultured insect cells (Sf9), and the MembraneMax cell-free expression system.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research, Hokkaido University, 26650088
  • Towards a comprehensive understanding of the chlorophyll breakdown pathway
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    2011 - 2013
    TANAKA Ryouichi
    For better understanding of the chlorophyll breakdown pathway in plants, we investigated the function of chlorophyllase, a common plant enzyme that catalyzes the cleavage of chlorophyll to form chlorophyllide and phytol. We found that this enzyme is localized in the endoplasmic reticulum and the tonoplast. This enzyme actively catalyzes chlorophyllide formation only when cells are disrupted. Arabidopsis leaves with genetically enhanced CLH activity exhibit toxicity when fed to Spodoptera larvae, an insect herbivore. Purified chlorophyllide partially suppresses the growth of the larvae. We showed that chlorophyllase and chlorophyll form a two-component defense system against chewing herbivores.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Hokkaido University, 23570042
  • Study of chlorophyll biosynthesis
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    2009 - 2011
    TANAKA Ayumi; TANAKA Ryouichi
    We identified 7-hydroxymethyl chlorophyll a reductase (HCAR). Recombinant HCAR converted 7hydroxymethyl chlorophyll a to chlorophyll a by using ferredoxin and contains FAD and an iron-sulfur center. A phylogenetic analysis elucidated the evolution of 7-hydroxymethyl chlorophyll a reductase from divinyl chlorophyllide vinyl reductase. We examined the substrate specificity of HCAR and determined the chlorophyll b degradation pathway in which chlorophyll b is converted to chlorophyll a via 7-hydroxymethyl chlorophyll a.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Hokkaido University, 21370014
  • Analysis of the protein-turnover mechanisms in the chloroplast
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    2007 - 2009
    TANAKA Ryouichi
    We found that a specific sequence in a chloroplast protein, chlorophyllide a oxygenase, is essential in the turnover of this protein. This sequence is most likely a degron for the chloroplast Clp protease. We obtained evidence for the presence of similar degrons in the other chloroplast proteins, indicating that the protein turnover mechanism is rather general in the chloroplast.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Young Scientists (A), Hokkaido University, 19687003
  • Study on chlorophyll metabolism
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    2006 - 2008
    TANAKA Ayumi; TANAKA Ryouichi
    クロロフィルは光合成の中心的な機能を担う分子である。この分子は、アミノ酸の一種であるグルタミン酸から作られる。また、クロロフィルは危険な分子であるため、老化時には安全な分子に転換される。本研究ではこのようなクロロフィルの代謝経路と代謝調節機構の解明に取り組んだ。また、クロロフィル代謝経路は、クロロフィルを必要な時に合成し、不要な時に分解するだけでなく、細胞死など多様な生理機能を担っていることを見出した。
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Hokkaido University, 18370013
  • 葉緑体形成に関わる新規の膜内在型亜鉛プロテアーゼファミリーの機能解析
    科学研究費助成事業
    2005 - 2006
    田中 亮一
    葉緑体は植物にとって非常に重要なオルガネラであり、その正常な発達は植物の生育を左右する。申請者は、葉緑体の正常な発達に必須であると思われるCh5遺伝子を同定し、この遺伝子がコードするプロテアーゼが葉緑体形成においてどのような機能を担っているのかを明らかにしようと試みている。
    申請者が、シロイヌナズナch5変異体を生育したところ、若い葉での葉緑体はほとんど野生型と区別がつかず、古い葉では、葉緑体の構造に異常が見られることが明らかになった。主な異常は、グラナスタッキングの現象とチラコイド配向性の異常である。クロロフィルの蓄積量もch5変異体では古い葉ほど大きく減少していることが明らかになった。
    しかし、クロロフィルa/b比を調べてみると、クロロフィルa/b比は若い葉でも既に、野生型よりも上昇していることがわかった。この結果は、ch5変異の影響が既に若い葉でも見られることを示している。
    ch5変異体のタンパク質プロファイルを電気泳動、および、western blottingで調べてみると、cytochrome b/f複合体の蓄積量が野生型よりも上昇していることが明らかになった。
    また、Ch5遺伝子の発現相関解析を行った結果、Ch5はFtsHやDegPといった、他の葉緑体プロテアーゼの遺伝子と高い相関を持っていることが明らかになった。これらの結果から、Ch5プロテアーゼはチラコイド膜の不要なタンパク質の除去などの広範な機能をもっているのではないかと推測される。
    日本学術振興会, 若手研究(B), 北海道大学, 17770027
  • Identification of genes for chlorophyll biosynthesis and its roles in stay green phenotype and cell death
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    2003 - 2005
    TANAKA Ayumi; TANAKA Ryouichi
    Recently, significant progress has also been made toward elucidating the linkages between chlorophyll metabolism and other cellular processes including leaf senescence, programmed cell death, and plastid signaling. The purpose of the present research is to complete chlorophyll metabolic pathway and to identify all the genes involved in the pathway. Chlorophyll metabolism has been extensively studied with various organisms and almost all of the chlorophyll biosynthetic genes have been identified in higher plants. However, only the gene for 3, 8-divinyl protochlorophyllide a 8-vinyl reductase (DVR), which is indispensable for the photosynthetic organisms to produce monovinylchlorophyll or dinvinyl chlorophyll, has not been identified yet. In this study, we isolated an Arabidopsis mutant that accumulated divinyl chlorophyll instead of monovinyl chlorophyll by ethyl-methane sulfonate mutagenesis. Map-based cloning ofthis mutant resulted in the identification of a gene (At5g18660) that shows sequence similarity with isoflavon reductase genes. The mutant phenotype was complemented by the transformation with the wild-type gene. A recombinant protein encoded by At5g18660 was expressed in E.coli and found to catalyze the conversion of divinyl chlorophyllide to monovinyl chlorophyllide ; thereby indicating that the gene encodes a functional DVR. DVR is encoded by a single-copy gene in the Arabidopsis genome. With the identification of DVR, finally all genes required for chlorophyll biosynthesis have been identified in higher plants. Analysis of the complete genome of Arabidopsis showed that it has 15 enzymes encoded by 27 genes for chlorophyll biosynthesis from 3 glutamyl-tRNAglu to chlorophyll b.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), HOKKAIDO UNIVERSITY, 15370015
  • 高等植物のクロロフィリドaオキシナーゼ(CAO)活性調節機構の解析
    科学研究費助成事業
    2003 - 2004
    田中 亮一
    陸上植物の光化学系(光化学系Iおよび光化学系II)は、反応中心複合体と周辺アンテナタンパク質複合体と呼ばれる2種類の複合体で構成されている。このうち、周辺アンテナタンパク質複合体はLHCというファミリーに属するポリペプチド群から成り立っている。LHCの量は、植物の生育する光環境によって、変動し、光化学系が受ける光の量の調節に重要な役割を果たしていると考えてられている。
    申請者は、既に、このLHCタンパク質の蓄積にクロロフィルbの合成が重要な役割を果たしていることを示してきたが、今回、さらに、クロロフィルbの合成が増加した形質転換株、および、減少した形質転換株を用いて、LHCタンパク質のうち、Lhcb1,Lhcb3,Lhcb6タンパク質が特にクロロフィルb合成の影響を受けることを明らかにした。また、Lhcb2,Lhca1,Lhca4の蓄積もクロロフィルb合成の影響を受けることを、既に報告のあった大麦に続いて、シロイヌナズナでも明らかにした。
    また、クロロフィルb合成酵素である、クロロフィリドaオキシゲナーゼ(CAO)の活性調節に、このタンパク質のN末端ドメイン(Aドメインと呼ぶ)が重要な働きをしていることを見いだした。Aドメインはクロロフィルbの存在下でCAOの活性の抑制に働くことが明らかになった。リボソームフラクションの解析によって、この抑制効果は、少なくとも、転写、翻訳の段階以降で作用していることが、明らかになった。
    さらに、CAO過剰発現株の抑制因子のサプレッサー変異体の単離を試みたが、ジーンサイレンシングの頻度が高く、単離には到らなかった。
    日本学術振興会, 若手研究(B), 北海道大学, 15770020
  • クロロフィルb生合成による光化学系アンテナサイズ調節機構の解析
    科学研究費助成事業
    2001 - 2002
    田中 亮一
    本研究の目的は、クロロフィルb生合成による光化学系アンテナサイズの調節機構を明らかにすることである。高等植物のクロロフィルb生合成はクロロフィリドaオキシゲナーゼ(CAO)によって触媒されることが明らかになっている。
    申請者は、CAOを過剰発現する形質転換植物(シロイヌナズナ、Arabidopsis thaliana)を作出し(YK株と名付けた)、これを材料として研究をすすめてきた。また、比較対象として、野生型シロイヌナズナおよびCAO遺伝子欠損変異株(ch1-1)を用いた。野生型株は、強い光条件下(1.2 mE m-2 s-1)で生育させると、CAO遺伝子の発現の減少とアンテナサイズの減少が見られるが、YK株ではCAO遺伝子を強制的に過剰発現しており、アンテナサイズの減少は見られなかった。この結果から、CAO遺伝子の発現がアンテナサイズを調節していることが明らかとなった。電子顕微鏡でYK株のチラコイド膜のスタッキングの度合いを調べたところ、スタッキングの程度は野生株と変わらないことが明らかとなった。また、ch1-1においても明らかなスタッキングが見られた。この結果は、チラコイド膜のスタッキングにはCAOの発現、およびLHCタンパク質(LHCタンパク質の蓄積はCAOによって制御されている)以外の要因が関与していることを示している。また、HPLCによるカロチノイド含量の測定によって、YX株、ch1-1、野生株の間でカロチノイドの量には大きな違いがないことが明らかになった。
    これらの結果から、高等植物の強光への適応過程において、CAOがアンテナサイズすなわちLHCタンパク質の調節に重要な役割を果たしていること、チラコイド膜のスタッキングにはさらに別のファクターが関与していることが明らかとなった。また、カロチノイドの合成にはCAOは影響を及ぼさないことが明らかになった。
    日本学術振興会, 若手研究(B), 北海道大学, 13740449
  • Improvement of photosynthesis by modification of light harvesting systems
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    2000 - 2002
    TANAKA Ayumi; HOSAKA Hideo; TANAKA Ryouichi; HARA Toshihiko
    Photosynthetic organisms can proceed photosynthesis under various light conditions on the Earth. Plants employ two strategies to adapt light intensities, one is the dissipation of excess light energy as heat and the other mechanism is the regulation of light harvesting apparatus. Capturing light energy is the first step of photosynthesis and the regulation of the amount of harvesting light energy directly influences the rate of photosynthesis. There are many reports on the employment of genetic engineering for the improvement of agricultural production . Most typical successes were to improve the resistances to virus infection and insect attack. However, these genetic engineerings do not increase productivity itself. In order to increase the productivity of the plants, the ability of photosynthesis must be modified. The aims of this project are 1) to clarify the mechanisms of the acclimation of antenna size to light intensities, 2) modification of antenna size to improve productivities. Green plants have large antenna size under low light conditions in order to capture light energy for photosynthesis. In this case, the level of CAO mRNA was high and chlorophyll b was actively synthesized. However, in CAO over expressed lines of Arabidopsis thaliana, the level of CAO mRNA and the antenna size was almost same under wide range of light intensities. We concluded from the above experiments that CAO plays a central role in regulating the antenna size under various light intensities. We also found CAO over-expressed mutants grow well under low light intensities compared to wild type. It indicates that modifications of photosynthesis are potentially powerful tool to increase the productivities of the plants.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (A), Hokkaido University, 12354009
  • クロロフィルb合成遺伝子CAOから見た葉緑体と核との相互作用
    科学研究費助成事業
    2000 - 2000
    田中 歩; 田中 亮一
    光合成器官である葉緑体では,捕捉した光エネルギーの過不足や波長特性の異なる光によって,電子伝達系の酸化還元状態の偏りや,還元力の供給と利用速度とのアンバランスが生じる。このようなアンバランスを解消するため,光エネルギーを捕捉する集光装置の大きさが制御されなくてはならない。これらのアンバランスの認識と集光装置の制御は核によって行われているため,核と葉緑体間の何らかのクロストークが必要と考えられる。
    クロロフィルaオキシゲナーゼ(CAO)は2段階の酸素添加反応を触媒し,クロロフィルaをクロロフィルbに転換する酵素であり,クロロフィルbの合成速度と集光装置の大きさを制御している。このため,葉緑体の何らかの状態,例えば過剰な光エネルギーを捕捉したときに起こる電子伝達系の還元状態がCAOの発現を調節していることが考えられる。
    そこで,フィトクロームや青色受容体の変異株が、光強度を認識し集光装置の大きさを変化させるかを調べた。その結果,これらの変異株においても、低照度では大きな光化学系が作られ、高照度では小さな光化学系が形成された。この結果は、フィトクロームや青色色素は、光強度を認識する受容体では無いことを示唆しており、光強度の認識は葉緑体が行っていると予想される。次に、CAOの欠損株に35Sプロモータをつないたものを導入し、光環境への適応を調べた。この株は光強度を下げても,集光装置は大きくならなかった。これらのことから、CAOの発現が葉緑体からの何らかのシグナルによって制御され、これが集光装置の大きさを制御していると考えられる。
    日本学術振興会, 特定領域研究(A), 北海道大学, 12025201
  • Joint studies on the nuclear-encoded photosystem genes.
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    1999 - 2000
    OBOKATA Junichi; TANAKA Ryuichi; TANAKA Ayumi; NAKAMURA Masayuki; SUGIURA Masahiro
    This research project was planned for promoting the international joint studies by the plant physiologists of Japan (five scientists mentioned above), US (Prof. Anastasios Melis, University of California, Berkeley), and Germany (Prof.Ralf Oelmueller, Friedrich-Schiller Universitaet, Jena) on the biogenesis of photosystem complexes in higher plants and algae. During the period supported by the grant, 21 scientists in total have visited the laboratories one another and stayed there for the total days of 148, and performed the cooperative studies. The outcomes of these research are 26 papers published in the journals and books, 17 presentations in the international meetings, and 29 presentations at domestic meetings, and two patent applications. The major scientific findings are as follows ;
    1, We found that plant photosystem genes have unique promoter architecture and transcription initiation mechanisms for the first time ;
    2, We showed that the biogenesis of photosystem complexes is subjected to positive feedback regulation by photosynthetic electron flow ;
    3, The redox regulation of photosystem genes operates not only on mRNA abundance but also on poly-ribosome loading ;
    4, We developed a set of special LED light sources that excite PSI and PSII alternatively ;
    5, We revealed that the abundance of chlorophyll b is not so important for the biogenesis of light-harvesting antennas ;
    6, CAO (chlorophyll-oxygenase) plays important roles in adjusting the antennae size to environmental light strength ;
    7, We proposed a quite new hypothesis to explain the origin and evolution of chloroplats, based on the phylogenetic analyzes of CAO genes.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Nagoya University, 11694190
  • クロロフィル生合成、光合成の環境適応機構の解析
    Competitive research funding
  • Chlorophyll metabolism
    Competitive research funding
■ Industrial Property Rights
  • クロロフィル生合成に関与する新規ビニル基還元酵素およびその利用
    Patent right
    特開2006-187203