Variations in the Calvin-Benson cycle: selection pressure and optimization?

カルビン-ベンソンサイクルはすべての光合成生物において炭素固定を行う基礎である． しかし、その動作が種間でどの程度異なるかについては比較的知られていない。 代謝物プロファイリングの手法を用い、C3種とC4種の間でカルビンベンソンサイクルの主要な中間体のレベルに違いがあることを発見した。 このような代謝物プールの違いは、C3種間だけでなく、C3植物とC4植物の間でも観察された。 1954年、Melvin Calvin、Andrew Benson、James Basshamは、大気中のCO2を固定するための代謝経路であるカルビン-ベンソンサイクルについて発表した（Bassham et al.） 彼らの基本的な発見は、藻類クロレラに14Cで標識したCO2を与え、代謝物の標識化を経時的に追跡したことに基づいている（Basshamら、1954；Sharkey 2018）。 彼らは、このサイクルが3つの相からなることを発見した。まず、酵素であるリブロース-1,5-ビスリン酸カルボキシラーゼ／オキシゲナーゼ（ルビスコ）がリブロース-1,5-ビスリン酸（RuBP）を受容体としてCO2を固定し、3-リン酸グリセロール（3-PGA）という2つの炭素分子を生成する。 次に、光合成電子伝達系（光合成の光依存反応）で生成されたATPとNADPHを用いて、3-PGAをリン酸化し、その後トリオースリン酸（triose-P）に還元する。 第三に、CO2受容体であるRuBPが一連の反応によって再生される（Box 1）。 このサイクルに関与する酵素の大部分は、それ以前あるいはその直後に発見された（Horeckerら, 1951; Rackerら, 1953; Mayoudanら, 1957）。 それ以来、カルビン-ベンソンサイクルの動作は植物種間で高度に保存されていると一般に考えられている。

カルビン-ベンソンサイクルは3相からなる。 (1) 炭素固定、(2) 還元、(3) CO2アクセプターの再生。

カルボキシル化はリブロース1,5-ビスリン酸カルボキシラーゼ/オキシゲナーゼ (Rubisco) を通じて行われ、RuBP (リブロース 1,5 ビスリン酸) をアクセプターとしてCO2を固定し、その際に3-PGA (3-posphoglycerate) の炭素分子2つを生産する。 3-PGAはその後ホスホグリセレートキナーゼ（PGK）によりリン酸化され、還元期にはグリセルアルデヒド-3-リン酸デヒドロゲナーゼ（GAPDH）によりトリオースリン酸（triose-P）へと還元される。 このサイクルでは、固定されたCO2 1分子あたり3 ATPと2 NADPHが使用される。 トリオースPは葉緑体から輸送され、細胞質でスクロースを生産することができる。 フルクトース1,6-ビスリン酸アルドラーゼ（FBP ald）はトリオースPをフルクトース6-リン酸（F6P）に変換し、デンプンの生成に用いられる中間体とすることができる。 また、トリオースPは、より多くのCO2分子を固定するための一連の再生反応において、RuBPに変換されることができる。

略語。 fructose-1,6-bisphosphate (FBP), fructose-1,6-bisphosphatase (FBPase), erythrose-4-phosphate (E4P), sedoheptulose 1,7-bisphosphate aldolase (SBP ald), sedoheptulose-1,7-bisphosphate (SBP), sedoheptulose-1,7-bisphosphatase (SBPase), セドヘプツロース-7-リン酸（S7P）、トランスケトラーゼ（TK）、リボース-5-リン酸（R5P）、キシルロース-5-リン酸（Xu5P）、リボース-5-リン酸アイソメラーゼ（RPI）、リブロース5-リン酸エピメラーゼ（RPE）、リブロース5-リン酸（Ru5P）、ホスホリブロキナーゼ（PRK）などがある。 9525>

大部分の陸上植物では、光合成の光依存反応とともに、カルビン-ベンソンサイクルが主に葉の中葉細胞で行われている。 しかし、ルビスコはCO2とO2の識別能力が低く（Bowes et al., 1971）、CO2の代わりにO2分子を固定すると、光呼吸-RuBPを回収するエネルギー的に高価なサルベージ経路-が発生することになる。 23億年前に大気中のCO2濃度が急激に低下した後（Bekker et al.、2004）、2つの炭素濃縮機構が進化し、光呼吸の量が制限されるようになった。 これらの基本的な光合成プロセスの改良、C4光合成とCAM（Crassulacean Acid Metabolism）は、それぞれ複数回発生した（Sage et al.、2011）。 C4光合成では、光に依存する反応とカルビン-ベンソンサイクルの両方の構成要素が、中葉と束鞘の細胞で起こるように、光合成が空間的に分離されている（Box 2）。 炭素固定が行われる解剖学的位置の違いにもかかわらず、カルビン-ベンソンサイクルの動作がC4植物とC3植物で、またC3植物間でどのように異なるかについては、これまでほとんど知られていませんでした。 彼らは14C標識法を用いて、サトウキビの葉に含まれるCO2が、C3植物のように3-ホスホグリセリド（3-PGA）ではなく、まず4-炭素酸に固定されることを証明したのである。 C4植物は、メソフィル細胞で最初の炭素固定酵素としてホスホエノールピルビン酸カルボキシラーゼ（PEPC）を使用する。 中葉細胞で生成された炭素数4の酸（C4光合成の種類によってリンゴ酸またはアスパラギン酸）は、束鞘細胞に入り、そこで脱炭酸されCO2が遊離される。 この炭素濃縮機構により、束鞘細胞内のカルビン-ベンソンサイクルにおいて、ルビスコはほぼカルボキシラーゼとしてのみ働くことができるようになった。 C4経路では、既存の代謝酵素の再構成に加えて、葉脈の間隔や束鞘細胞の大きさを大きくするなどの特殊な葉の構造（Kranz anatomy）の発達が必要である。 C4光合成には3つのタイプがあり、束鞘細胞で脱炭酸反応を担う主要な酵素の名前にちなんで命名された。 NAD-ME型、NADP-ME型、PEPCK型の3種類である。 略号：炭酸脱水酵素（CA）、オキサロ酢酸（OA）、NADP依存性リンゴ酸脱水素酵素（NADP-MDH）、リンゴ酸（M）、NADP依存性リンゴ酵素（NADP-ME）、ピルビン酸（Pyr）、ピルビン酸・オルソリン酸ジキナーゼ（PPD）、ホスフェノールピルビン酸（PEP）。

Variation in Calvin-Benson cycle metabolites between species

The Calvin-Benson cycle is undoubtedly one of the most critical biochemical pathways on earth, as the pathway of carbon assimilation in plants, which is the heart of photosynthesis. しかし、すべての植物種が同じようにこの経路を実行しているのだろうか？ Arrivaultら（2019）は、5種類のC3植物（シロイヌナズナやイネ、小麦、キャッサバなどの重要作物を含む）と4種類のC4植物（トウモロコシなど）からカルビンベンソンサイクル代謝物の存在量をプロファイリングしました。 成熟葉から全代謝物を抽出し、逆相液体クロマトグラフィー/タンデム質量分析計（LC-MS/MS）を用いて測定した。 信頼性の高い定量を行うため、サンプルには同位体標識した内部代謝物標準物質を添加し、3-PGAは酵素で定量した。 異なる植物種の代謝物プロファイルを主成分分析を用いて比較した。

驚くべきことに、Arrivaultら（2019）は、研究した5つのC3種間でカルビン-ベンソンサイクル中間体の代謝物プロファイルにかなりの違いを発見した。 最も変動が大きかった中間体は、3-PGA、トリオース-P、リブロース-5-リン酸（Ru5P）、キシルロース-5-リン酸（Xu5P）の絶対量であった。 RuBPの相対的なレベルとRuBPの再生に関与する中間体のレベルは、種によって異なっていた。 さらに、FBPaseの不可逆的な反応によって結合するフルクトース-1,6-ビスホスフェート（FBP）とフルクトース-6-リン酸（F6P）、SBPaseによって不可逆的に相互変換するセドヘプタロース-1,7-ビスホスフェート（SBP）とセドヘプタロース-7-リン酸（S7P）などの代謝物対についても、変動することが明らかにされた。 主成分分析では、ほとんどの場合、5つのC3種は互いに明確に分離していた。 分離の程度は、データを新鮮重、クロロフィル量、タンパク質量のどれで規格化するかによって異なった。 5つのC3生物種におけるこれらの中間体の違いは、同じ炭素固定経路を植物がどのように実行しているかの違いを示している。 この情報は、光合成を改善するための戦略にも影響を与える。 例えば、SBPaseは光合成の速度を制限し（Zhu et al., 2007）、過剰発現は光合成効率を高めることができる（Lefebvre et al., 2005; Feng et al., 2007; Ding et al., 2016; Driever et al., 2017）。 したがって、カルビン・ベンソンサイクルの単一の酵素の活性を変更することで、光合成の速度、ひいてはバイオマスや収量に影響を与えることができます。 しかし、このアプローチの有効性は、種によって異なることが知られています。 Arrivaultら（2019）が報告したC3種間のSBPおよびS7P代謝物のレベルの既存の変動は、したがって重要であり、SBPaseの量を増やすことによる光合成の可変応答に関する洞察を提供することができる。

C4植物の炭素濃縮機構は光呼吸を制限するので、光呼吸の最初の製品である2-phosphoglycolate（2-PG）がC4種ではC3種よりも豊富ではなかったことはおそらくそれほど驚くべきことではないだろう。 さらに、C4植物はC3植物よりもRuBPの量が少なく、Rubiscoへの投資量が少ないことと矛盾しない。 しかし、2-PGとRuBPのレベルをデータセットから除外しても、主成分分析ではC3とC4の代謝物レベルはほぼ分離した。 これらの違いは、データを新鮮重、クロロフィル量、タンパク質量のいずれで正規化しても一貫しており、この変化は、代謝物を生成する酵素が、種によって異なる速度で触媒反応を起こしていることを示している。 著者らは、この違いを説明するために、カルビン・ベンソンサイクルの「オペレーションモード」という言葉を作った。つまり、同じ酵素が関与しているにもかかわらず、種によってサイクルの動作が異なり、中間体の相対レベルが変化していることが観察されたのである。 その結果、C3植物とC4植物のカルビン-ベンソンサイクルの違いは、後者の束鞘細胞への単純な空間的移動よりも広く、サイクルの動作モードへの適応が関わっていることを提案しました。 しかし、このサイクルが初めて出現して以来、数百万年の間に、大気中の酸素と二酸化炭素の比率は劇的に変化している。 この変化は、一部の植物種が炭素濃縮機構を進化させるのに貢献したと考えられている。 今回、著者らは、低CO2レベルと特定の環境条件の組み合わせにより、異なるカルビン-ベンソンサイクルの動作モードが開発された可能性を提案した。 したがって、観測された代謝物プロファイルのバリエーションは、植物系統ごとに異なるカルビン-ベンソンサイクルの制御方法に対する異なる選択圧を反映しているのかもしれない。 著者らがカルビンベンソンサイクル中間体の分析に用いた手法は、今後、より多くの生物種に適用できる可能性があり、多様な環境にあるより幅広い植物科を網羅することができれば、特に興味深いものになるだろう。 また、Arrivaultらの研究で分析されたC4植物は、すべてNADP-ME型のC4光合成を行うものであった。 したがって、カルビン-ベンソンサイクル中間体における同様の変化が、3つのタイプのC4代謝すべてで観察されるのか、それともNADP-MEタイプに特有のものなのかを探ることが、さらなる研究の有望なラインとなろう。

この研究は、これらの異なるカルビン-ベンソンサイクルモードが分子レベルでいかに制御されているかを発見する優れた出発点となる。 代謝物プロファイリングは、異なる種間の中間体レベルの変動を評価する偏りのないアプローチを可能にする一方で、これらの違いの根本的な原因はまだ解明されていない。 生物種間の差異は、遺伝子発現とそれに続くタンパク質活性の違い、動力学に影響を与えるアミノ酸配列の違い、あるいは酵素の翻訳後制御の違いから生じる可能性がある。 注目すべきは、ほとんど全てのカルビン-ベンソンサイクル酵素が、少なくとも何らかの形で酸化還元制御を受けていることで、そのほとんどがチオレドキシン（TRX）/フェルドキシン（Fd）系を介している（Buchanan and Palmer, 2005; Michelet et al.） これらの転写産物、タンパク質量、酵素活性のデータを代謝物レベルに統合することで、変動の分子基盤が明らかになる可能性がある。 さらに、観測された代謝物プールの変動は、特定の中間体、特にカルビン-ベンソンサイクルから取り出される中間体の需要にも関連している可能性がある。 例えば、サイクルを通るフラックスは、デンプン（F6P経由）、スクロースとイソプレノイド（トリオースP経由）、シキミ酸経路（E4P経由）、およびチアミンとヌクレオチド（R5P経由）の合成を可能にする出口経路によって影響を受けることがある（Raines、2011）

Arrivault et al（2019）には、異なる植物種でカルビンベンソンサイクルのコンポーネントがどう動作するかに興味深い変化があるとの報告があります。 これはきっと、植物がこの基本的で古くからある炭素固定経路をどのように異なる環境に適応させたかに関するさらなる研究の触媒となることでしょう。

カルビン・ベンソンサイクルの発見.

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