Kinetic analysis of carbon-11-labeled carbon dioxide for studying photosynthesis in a leaf using positron emitting tracer imaging system

PETISを用いた光合成機能定量のための葉内二酸化炭素動態解析

河地 有木; 阪本 浩一*; 石井 里美; 藤巻 秀; 鈴井 伸郎; 石岡 典子; 松橋 信平

Kawachi, Naoki; Sakamoto, Koichi*; Ishii, Satomi; Fujimaki, Shu; Suzui, Nobuo; Ishioka, Noriko; Matsuhashi, Shimpei

植物の光合成機能の環境応答を生体組織・器官レベルで解明することは、農学的に重要であるだけでなく、植物生理学における栄養素収支の理解のためにも重要である。本研究では光合成産物の輸送元である葉に注目し、葉における炭素の動態を解析することで、光合成における主要プロセスである二酸化炭素固定及び光合成産物送り出しの定量を可能にする解析法を開発した。解析モデルには2コンパートメントモデルを適用し、Cで標識した二酸化炭素をPETISで撮像する実験を行った。測定データと解析モデルが推定した炭素濃度時間変化に一致が見られたため解析法の妥当性が示され、二酸化炭素固定速度及び光合成産物送り出し率の定量を可能にした。その結果、光強度を増加させると葉の炭素固定速度は単調に増加するが、光合成産物の送り出しへの影響は少ないことがわかった。

The positron emitting tracer imaging system (PETIS) and carbon-11-labeled carbon dioxide (CO) can be used for imaging the photosynthesis process in plant leaves. Further, C kinetics facilitate the estimation of the physiological function parameters of photosynthesis. PETIS measurements were performed under four light conditions for each exposure of a single leaf to CO gas. In order to estimate the rate constants of the photosynthesis parameters, the time-activity curves of the input CO gas and the leaf response were fitted to an appropriate compartmental tracer kinetic model that considers photoassimilation and sucrose export rate constants as influx and efflux, respectively. The data obtained by this method show a reasonable response with respect to the photoenvironment of the leaf, and they are important for discussing photosynthesis with regard to plant physiology and agriculture.