常に緑色を保つ針葉樹

ウメオ大学の研究者を含む国際的研究チームが、針葉樹が光合成を調節し、常に緑色を保つ事を可能性を示しました。

研究は、針葉樹の種類のいくつかが住居用の貴重な資材であるなどの用途を鑑みて、メカニズムが解明されれば資材についての計画的生産が期待されます。

In winter, light energy is absorbed by the green chlorophyll molecules but cannot be utilized by the downstream reactions in the photosynthetic machinery as freezing temperatures stop most biochemical reactions. This is especially a problem in the early spring when temperatures can still be very low, but sunlight is already strong, and the excess light energy can damage the proteins of the photosynthetic machinery. The researchers showed that the photosynthetic apparatus is wired in a special way which allows pine needles to stay green all year long.

参照元：https://www.umu.se/en/news/conifer-trees-evergreen-due-to-photosynthetic-short-circuit_9909334/
– ウメオ大学 Umea University. 21 Dec, 2020 –

たとえばクリスマスツリーとして使用される針葉樹は、ほとんどの木が葉を落とす北半球の冬の間、どのようにして緑の針を保つことができますか？

科学はこの質問に対する良い答えを提供していませんが、現在、ウメオ大学の研究者を含む国際的な科学者チームは、光合成機械のショートカットが松の木の針を緑色に保つことを可能にすることを解読しました。

この研究は、ジャーナルNatureCommunicationsに掲載されました。

冬には、光エネルギーは緑色のクロロフィル分子に吸収されますが、凍結温度によってほとんどの生化学反応が停止するため、光合成機構の下流の反応では利用できません。

これは、気温がまだ非常に低い可能性があるが、太陽光はすでに強く、過剰な光エネルギーが光合成機構のタンパク質に損傷を与える可能性がある春先に特に問題になります。

研究者たちは、光合成装置が特別な方法で配線されていることを示しました。

これにより、松葉は一年中緑色を保つことができます。

通常の状態では、光エネルギーが吸収されて化学エネルギーに変換される2つの機能ユニットである2つの光システムは、ショートカットを防ぎ、効率的な光合成を可能にするために、互いに離れています。

冬には、2つの光システムが配置されているチラコイド膜の構造が再編成され、2つの光システムが物理的に接触します。

研究者たちは、光化学系IIが光化学系Iに直接エネルギーを提供し、このショートカットモードが条件が厳しくなったときに緑色のクロロフィルと針を保護することを示しました。

年間を通じてサンプルを収集し、多くの分析を行ったウメオ大学の博士課程の学生であるプーシャンバッグ氏は話します。

「私たちは、スウェーデン北部のウメオで成長しているいくつかの松の木を3シーズンにわたって追跡しました。チラコイド膜の構造を視覚化するために使用した電子顕微鏡などで針を分析する前に、実験室環境で針が高温に適応するのを防ぐために、「屋外からまっすぐに」針に取り組むことが不可欠でした。」

すべてのプラントには、熱または蛍光として放散される過剰な光エネルギーに対処するための安全弁があります。

しかし、針葉樹だけが、極端な寒帯の冬の間、光合成装置を無傷に保つことができるほど強力なバルブを持っているようです。

研究チームは、生化学と超高速蛍光分析を組み合わせました。

これは、クロロフィル蛍光光をピコ秒の時間スケールで分解できる非常に洗練された方法です。

このように、彼らは松葉がどのように過剰な光エネルギーを処理して、敏感な光合成装置を損傷から保護するかを示すことができました。

超高速蛍光分析の多くを実行したVrije UniversiteitAmsterdamのVolhaChukhutsina氏は説明します。

「独自のメカニズムをトラップするために、低温で松葉を研究するために機器を調整する必要がありました。トウヒの針も試しましたが、機器にうまくはまりませんでした。」

時間分解蛍光測定を開発したAlfredHolzwarth氏は補足します。

「研究は松の木で行われましたが、研究者たちは、光合成装置が似ているため、他の針葉樹種（典型的なクリスマスツリーのトウヒやモミなど）でもメカニズムはおそらく似ていると考えています。」

ウメオ大学のステファン・ヤンソン教授は話します。

「この驚くべき適応は、クリスマスの時期に私たちを楽しませてくれるだけでなく、実際、人類にとって非常に重要です。針葉樹は極度の厳しい冬の気候で生き残ることができませんでした。針葉樹が薪、住居、その他の必需品を提供したため、北半球の広大な地域は植民地化されなかったかもしれません。」