葉の窒素含量は生育時の窒素供給量や光条件によって大きく変化する。しかし、窒素量あたりの光合成能力は条件によって異なることがあることが示されていた。そしてこの違いは葉緑体のタンパク質の組成比が異なることによることがわかっていたが、その変化による具体的なメリットが何であるかはあまり議論されていなかった。そこで、これらの変化が窒素を効率的に利用し、一日の光合成量を高めるための工夫であるという仮説を立て、モデルを作り、検証を試みた。モデルでは、光-光合成曲線を初期勾配と光合成能力の二つのパラメータで表し、さらに光合成系のタンパク質をその機能によってグループ分けをした。そして、ある一定の葉緑体の窒素を光合成能力を増すためのタンパク質(カルビン回路酵素、ATP合成酵素、電子伝達系構成要素)に投資するか、初期勾配を高めるために光化学系のタンパク質に投資するかをパラメータとして自由に変えることができるようにした。シミュレーションの結果求められた一日の光合成効率を最大にする最遍なタンパク質の分配は、光条件によって大きく異なった。予測された変化は現実に知られている変化と定性的に一致し、強光条件では光合成能力に関係したタンパク質が相対的に多く、弱光条件では光化学系が多かった。同じ窒素含量でタンパク質分配の光合成量を比べてみると、光強度6%での最適分配を実現している葉の、快晴時の一日の光合成量は、快晴時での最適分配をしている葉の光合成量より40%も低く、窒素分配の変化が物質生産の点で大きな意味を持つことが示された。

　次に、5種類の光条件で植物を育て、その光合成系におけるタンパク質組成を測定し、シミュレーションの結果と比較し、実際の植物がどれだけ最適に近づけるかを調べた。材料には、数少ない生化学的および分光学的測定の容易な野生植物である、陽生植物のシロザと陰生植物のクワズイモを選んだ。RuBPCase、チトクロムf、光化学系I、IIなどの量を測定し、光合成系のタンパク質がどのように分配されているかを調べてみると、モデルによる予測通り強光条件ほどRuBPCaseの割合が高く、弱光条件ほど光化学系タンパク質の割合が多かった。同じ光条件で比較すると5%光強度区を除き両種の窒素分配に大きな違いはなかった。各種、各光条件の光合成タンパク質分配を、モデルで予測された最適分配と比較すると、5%光強度区のシロザ以外はほぼ最適に近い分配を実現していた。

　1-2の研究も含め、葉の光順化についての多くの研究は若い葉を対象として行われてきた。一方、葉の老化の研究では、光合成タンパク質の組成比が葉齢が進むとともに変化するという報告は多くあった。しかし、一般的な草本植物の葉は、上部に新しい葉が続々と展開するため、葉齢が進むとともに光条件が悪くなる。したがって、この組成比変化が葉齢の影響によるのか弱光条件への順化なのかはわかっていなかった。そこで、つる植物セイヨウアサガオを水平に這わせ、葉の相互被陰がおきないように育てる実験系を用いて光合成系タンパク質の組成比変化の原因を調べた。栄養条件、光条件、葉齢が異なる葉の様々な光合成系タンパク質の組成比を調べてみると、これらの組成比は光条件に対して大きく変化し、窒素条件に対してもいくつかのタンパク質の組成が変化したが、葉齢に依存した組成変化は見られなかった。これらのことから、光条件の影響に比べ、葉齢の影響は小さいことが明らかになった。

　光合成の窒素利用効率、つまり窒素量あたりの光合成能力は種によって大きく異なる。特に、常緑木本植物の葉の窒素利用効率は草本植物のわずか4割程度であることが知られている。このような違いをもたらす原因としていくつか仮説が提示されてはいたが、定量的な研究が乏しく、窒素利用効率の種間差が何によってもたらされているのかについては未だ明らかではない。本研究では材料として、草本植物シロザ、エゾノギシギシ、常緑木本植物シラカシ、イズセンリョウを選び、そのRuBPCase含量とガス交換特性を調べた。窒素含量あたりのRuBPCase量は木本植物で有意に低かったものの、草本植物との量的な差は、特にシラカシで小さく、葉内、もしくは葉緑体内の窒素分配は窒素利用効率の差にはそれほど貢献していないことがわかった。一方RuBPCaseあたりの光合成能力には大きな違いが認められた。この差は基質であるCO₂の濃度が葉緑体内において低いことが原因であると推察された。CO₂は大気から気孔を通って細胞間隙に入り、細胞壁、細胞膜などを通過して葉緑体内に拡散する。この経路のいずれかで拡散抵抗が大きければ葉緑体内のCO₂濃度は低くなるはずである。まず、気孔抵抗を調べたが、種によって値は異なったものの窒素利用効率の差にはほとんど貢献していなかった。一方、葉内細胞間隙CO₂濃度(Ci)-光合成曲線の初期勾配をRuBPCase量で割った値(この値は、あるCiでの、RuBPCaseあたりの光合成速度に相当する)は木本植物で低く、細胞間隙から葉緑体までのCO2拡散抵抗が大きいことが主要因であることが示唆された。

　本実験ではさらに細胞間隙から葉緑体までのCO₂拡散抵抗の種間差の原因を明らかにすることを試みた。RuBPCaseあたりの光合成能力と葉面積あたりの乾燥重量とが負の相関を示すことから、葉内の形態学的特性が何らかの影響を持つと考えた。そこで、材料を7種に増やし、葉の光合成特性とその解剖学的特性を比較した。その結果、RuBPCaseあたりの光合成能力を葉の厚さ(正確には細胞間隙の長さ。両面に気孔がある種ではさらに2で割った)と細胞壁の厚さに対して重回帰してみると非常に高い相関を示した。厚い葉ではCO₂拡散経路が長くなるために、細胞壁が厚い葉では液相での拡散経路が長いため(液相中のCO₂拡散係数は気相中の1/10000である)に、葉内のCO₂拡散が悪いと考えられる。解剖学的な特性の違いは、葉の構造的安定性と密接な関連があると考えられ、常緑木本植物では、光合成の効率を犠牲にして葉を丈夫にしていると推察できる。