植物や藻類は光と二酸化炭素を利用して光合成を行います。光は光合成に不可欠な要素ですが、強い光は過剰な活性酸素を発生させ細胞にダメージを与えます。このため植物は強光に対する適応戦略を発達させており、一般に陸上植物では葉緑体定位運動（注５）による強光回避現象が知られています。また鞭毛で遊泳する単細胞藻類は、強い光から逃避する負の光走性を示すグループが知られています。今回の研究対象であるヘマトコッカス藻は、生活環のほとんどを自力で動くことができない球状細胞として生息しています。ヘマトコッカス藻は陸上植物のように細胞内で葉緑体が自由に動き回るスペースがなく、葉緑体定位運動による強光回避もできません。このような藻類はどのように強い光から身を守るのでしょうか。
　本研究では、強光曝露したヘマトコッカス細胞を生細胞タイムラプスイメージング（注６）により観察しました。観察の結果、強光曝露した細胞内で赤色素が５?１０分という短い時間に中心部から外側に向かって移動することがわかりました（図1上）。細胞がすでに蓄積しているアスタキサンチンを日焼け止めのシェードのように使って強光から身を守っているようです。細胞を弱光条件に戻すと、外側にあったアスタキサンチンは細胞中心部に戻ることが観察されました（図１下）。アスタキサンチンの日よけ効果が強すぎるため、弱光のときはシェードを撤収しているようです。
　ヘマトコッカス藻には、アスタキサンチンのほかにも色々なカロテノイドやクロロフィルなどの光合成色素が含まれています。ハイパースペクトルカメラを用いて、アスタキサンチン、βカロテンやルテインなどカロテノイド色素ごとに細胞内での移動の有無を調べました。その結果、細胞質を移動して細胞膜直下に集まるのはアスタキサンチンのみで、βカロテンやルテインはクロロフィルと同様、強光によって分布を変えることはありませんでした。アスタキサンチンは水には溶けないので、油滴に溶けた状態で細胞質中を浮遊していると考えられます。アスタキサンチンが移動するというのは、アスタキサンチンが溶け込んだ油滴が細胞の内側から葉緑体の中を潜り抜けて、葉緑体を覆うように細胞膜直下に集まることを意味しています。細胞を適度に押しつぶして、葉緑体を細胞の外へ飛び出させて観察すると、葉緑体を覆うようにアスタキサンチンを溶け込ませた赤い大小の油滴とともに、葉緑体内部にはたくさんの間隙があってそこを赤い油滴が流れているように見えます（図2）。
　油滴は細胞の構造の中でも電顕では見えにくいものの一つです。電顕観察用の試料は普通プラスチック樹脂に埋め込んでそれを薄く切り出して観察します。プラスチック樹脂に埋め込むときに有機溶媒を使うので油類はなかなか固定できないのです。そこで、細胞を急速に凍らせ、凍った細胞を真空中で割断し、割断された表面に金属を吹き付けてその型を取り、割断面の表面にある油滴を電顕観察しました。油滴は細胞を取り囲む葉緑体の複雑に折りたたまれたひだの間隙を潜り抜けて中心部から細胞膜直下に流れ出ているように見えました（図3）。小さな油滴が融合して大きくなっているようにも見えます。光が弱い条件ではこの油滴はこの葉緑体の間隙を通り細胞の中心部へ戻ることもわかりました。
　光学顕微鏡による観察はもとより、ハイパースペクトルカメラとフリーズフラクチャーによる電顕観察から、ヘマトコッカス藻はアスタキサンチンを用いて光の強弱に対する巧妙な適応戦略を発達させ、強光回避をしていることが明らかになりました。今後は、光の強弱で反応する油滴の運動の力の源とその制御メカニズムを明らかにする必要があります。そうすることで強光を避けて暮らす小さな細胞の生きざま（強光回避戦略）を明らかにできます。
謝辞
本研究は、国立研究開発法人科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業 チーム型研究（CREST）および大学発新産業創出プログラム（START）の一環として実施されました。

雑誌名: Scientific Reports （オンライン版2018年4月4日掲載）
論文タイトル: Carotenoid dynamics and lipid droplet containing astaxanthin in response to light in the green alga Haematococcus pluvialis
著者: Shuhei Ota¹,*, Aya Morita¹, Shinsuke Ohnuki¹, Aiko Hirata^1,2, Satoko Sekida³, Kazuo Okuda³, Yoshikazu Ohya¹, Shigeyuki Kawano^1,4* (*Corresponding authors: S. Ota and S. Kawano)
¹東京大学大学院新領域創成科学研究科先端生命科学専攻、 ²東京大学大学院新領域創成科学研究科バイオイメージングセンター、³高知大学大学院黒潮圏総合科学専攻、 ⁴東京大学フューチャーセンター推進機構
DOI番号：10.1038/s41598-018-23854-w
URL：www.nature.com/articles/s41598-018-23854-w

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（注1）アスタキサンチン
カロテノイドの一種で抗酸化活性をもつ赤色の色素。本研究で対象としたヘマトコッカス藻は、βカロテンを前駆体としてアスタキサンチンを産生する。植物・藻類の中で、アスタキサンチンはヘマトコッカスを含む一部の緑藻類のみしか作ることにできない色素で、光保護作用や強い抗酸化活性があり、商業的にも広範に利用されている。

（注2）カロテノイドハイパースペクトルカメラ 紫外線?可視光?近赤外域の波長毎のバンド情報を分光イメージングできるカメラ。本研究では波長420?720 nmの間を２nm毎に取得した分光情報を用いた。従来のRGBを基本とするカメラでは識別できない対象も可視化することができる。本研究では液晶チューナブルフィルターを光電子増倍管CCDに組み合わせることで光学顕微鏡によるハイパースペクトルイメージングを可能にしている。一般に、顕微鏡観察で目的物質等を可視化する場合は、蛍光タンパク質ラベルをつけるが、ラベルの色は多くても３種類が限度であった。ハイパースペクトルでは対象物質の分光情報をピクセル毎に取得できる。このため複数の色素（本研究では５種類の色素）の動態を同時に、かつ高分解能でイメージングすることが可能になる。 生物に見られる水不溶性色素の一群で、天然カロテノイドには400種類程度が知られている。前述のアスタキサンチンのほか、よく知られているカロテノイドには緑黄色野菜に含まれるβカロテンやルテインなどがある。カロテノイド自体に光を吸収する光保護作用や活性酸素を除去する能力があり、植物はこれを利用して光ダメージを回避する。

（注3）ハイパースペクトルカメラ
紫外線?可視光?近赤外域の波長毎のバンド情報を分光イメージングできるカメラ。本研究では波長420?720 nmの間を２nm毎に取得した分光情報を用いた。従来のRGBを基本とするカメラでは識別できない対象も可視化することができる。本研究では液晶チューナブルフィルターを光電子増倍管CCDに組み合わせることで光学顕微鏡によるハイパースペクトルイメージングを可能にしている。一般に、顕微鏡観察で目的物質等を可視化する場合は、蛍光タンパク質ラベルをつけるが、ラベルの色は多くても３種類が限度であった。ハイパースペクトルでは対象物質の分光情報をピクセル毎に取得できる。このため複数の色素（本研究では５種類の色素）の動態を同時に、かつ高分解能でイメージングすることが可能になる。

（注4）フリーズフラクチャー
急速凍結した細胞や組織を真空中で割断する方法。割断した試料は電子顕微鏡で観察する。超薄切片法でよく用いられる化学的固定では見えない油滴も、フリーズフラクチャー法では生細胞に近い状態で立体的に観察できる。

（注5）葉緑体定位運動
光の強さや波長などによって葉緑体が細胞内での配置や存在場所を変える現象。強光曝露下では、細胞内の葉緑体は光を避けて光と平行な細胞壁面に逃避する強光回避現象が知られる。

（注6）生細胞タイムラプスイメージング
顕微鏡下で細胞を生かしたまま微速度撮影して細胞内の動態をイメージングする手法
　

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