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樋口 恭子*; 栗田 圭輔; 酒井 卓郎; 鈴井 伸郎*; 佐々木 実莉*; 香取 摩耶*; 若林 優奈*; 間嶋 勇太*; 齋藤 彰宏*; 大山 卓爾*; et al.
Plants (Internet), 11(6), p.817_1 - 817_11, 2022/03
被引用回数：3 パーセンタイル：27.04(Plant Sciences)植物は様々な鉄獲得機構を発達させてきたが、植物による鉄獲得速度の遺伝的多様性については植物種や遺伝子型間で広く調査されていない。我々は、
Feを用いたライブオートラジオグラフィー技術を用いて、オオムギ品種における極低濃度のFe溶液からのFe吸収速度を直接評価した。この結果、オオムギの品種間において、低濃度Fe溶液からFeを獲得する能力が、必ずしもFe欠乏に対する耐性を決定する唯一の要因ではないことが明らかとなった。
N-labeled nitrogen gas tracer for the imaging of nitrogen fixation in soybean nodules石井 里美; 井倉 将人*; 尹 永根; Hung, N. V. P.*; 鈴井 伸郎; 河地 有木; 小柳 淳*; 大山 卓爾*; 藤巻 秀
JAEA-Review 2013-059, JAEA Takasaki Annual Report 2012, P. 98, 2014/03
Nitrogen is the most important nutrient for the plants. Soybean can utilize nitrogen from atmospheric N
fixed by nodules which are symbiotic organs of leguminous plants with rhizobia. In the beginning of this research project, we set our methodological goal to visualize and analyze the nitrogen fixation in the nodules and subsequent nitrogen transport to the aerial part in a plant using N and PETIS. Previously, we have developed a method of production of highly purified N-labelled nitrogen gas tracer using gas chromatography and successfully visualized nitrogen fixation in intact nodules. However, the yields of the tracer were only a few ten megabecquerels and too low to visualize the transport of fixed nitrogen to the aerial part. Therefore, we have been trying to improve the production method to gain much higher radioactivity with consideration of the very short half-life of [N]N. In this study, we tested a new technique to turn the main by-product [N]NO into the desired product [N]N directly.
partial pressure on nitrogen fixation in soybean plant using positron-emitting tracerHung, N. V. P.; 石井 里美; 鈴井 伸郎; 河地 有木; 尹 永根; 小柳 淳; 大山 卓爾*; 藤巻 秀
JAEA-Review 2013-059, JAEA Takasaki Annual Report 2012, P. 99, 2014/03
ダイズの根粒における共生的窒素固定に対する周辺空気の組成、とくに酸素分圧の及ぼす影響について解析するために、ポジトロンイメージング(PETIS)による画像化と解析を行った。窒素13ガスを製造、精製し、所定の酸素分圧となるようにトレーサガスを調製した。これをダイズ根粒に10分間投与し、PETISによりイメージングを行った。減衰を待ち、同一個体を対象に、酸素分圧を変えて(0%, 10%, 20%)実験を繰り返し、合計3回の実験を行った。各実験回において根粒が窒素を固定する動画像が得られ、これらのデータを解析したところ、酸素分圧が通常の20%から10%に低下した場合、窒素固定活性も顕著に低下するが、その程度は0%の場合とさほど変わりないことが明らかになった。
N as a tracerHung, N. V. P.*; 渡部 詩織*; 石川 伸二*; 大竹 憲邦*; 末吉 邦*; 佐藤 孝*; 石井 里美; 藤巻 秀; 大山 卓爾*
Soil Science and Plant Nutrition, 59(6), p.888 - 895, 2013/12
被引用回数：5 パーセンタイル：16.06(Plant Sciences)The quantitative analysis of the initial transport of fixed N in intact nodulated soybean plants was investigated at the vegetative stage and pod-filling stage by the N pulse-chase experiment. The nodulated roots were exposed to N gas labeled with a stable isotope N for 1 hour. Plant roots and shoots were separated into three sections with the same length of the main stem or primary root. Approximately 80% and 92% of fixed N was distributed in the basal part of the nodulated roots at vegetative and pod-filling stage the end of 1 hour of N exposure, respectively. In addition, about 90% of fixed N was retained in the nodules and 10% was exported to root and shoot after 1 hour of N exposure at pod-filling stage. The percentage distribution of N in the nodules at pod-filling stage decreased from 90% to 7% during the 7 hours of the chase-period, and increased in the roots (14%), stems (54%) leaves (12%), pods (10%), and seeds (4%). The N distribution was negligible in the distal root segment, suggesting that nitrogen fixation activity was negligible and recycling fixed N from the shoot to the roots was very low in the initially short time of the experiment.
大山 卓爾; 藤掛 浩行*; 八島 裕幸*; 七夕 小百合*; 石川 伸二*; 佐藤 孝*; 西脇 俊和*; 大竹 憲邦*; 末吉 邦*; 石井 里美; et al.
Soybean Physiology and Biochemistry, p.333 - 364, 2011/11
Soybean Physiology and Biochemistryの中の、ダイズ植物の根粒形成及び窒素固定に対する硝酸の影響という章で研究成果をまとめている。窒素固定について、N標識窒素ガスを製造し、非侵襲的にイメージングし、定量することができた。硝酸処理下で
C標識二酸化炭素を投与して光合成産物の根への分配をPETISにより観察し、さらに根粒の成長との関連を調べた。ひとつの植物の根を、硝酸処理区と無処理区に分けてC標識光合成産物の根への移行を観察したところ、硝酸処理区の根への移行が早いことがわかった。N標識硝酸を根粒着生株と非着生株の根に与え、硝酸処理区,無処理区で吸収,移行の様子を観察したところN標識硝酸の吸収,移行に差はなかった。このことから、根粒の着生は硝酸の吸収,移行に影響を与えないことがわかった。根粒の窒素固定や硝酸の影響に関してPETISを用いたデータが大きく貢献している。
伊藤 小百合; 藤巻 秀; 加藤 太一*; 大竹 憲邦*; 末吉 邦*; 大山 卓爾*
Nitrogen assimilation in plants, p.205 - 214, 2010/07
Leguminous plants can form root nodules as symbiotic organs with soil bacterium rhizobia. The rhizobia fix atmospheric nitrogen in nodules, and the host plants can use this fixed nitrogen in exchange for providing photosynthate as an energy source. The nodule formation is regulated systemically in the host plants to prevent excess nodulation. This process is referred to as autoregulation of nodulation (AON), which includes communication between shoot and root. Hypernodulation mutants, a part of the AON is impaired, can form large number of nodules than the wild type. Using the hypernodulation mutants is thought to be an effective approach to clarify the mechanism of the AON. Recently, we found that the AON is related to the control system of leaf cell proliferation by analysis of the growth of the mutants. In this report, the AON mechanism is reviewed especially in relations to physiological features of the hypernodulation mutants.
藤巻 秀; 石井 里美; 大山 卓爾*
放射線と産業, (124), p.32 - 35, 2009/12
根粒は、マメ科植物などの根が土壌細菌の一種である「根粒菌」に感染することにより着生する特殊な器官であり、根粒菌が空気中の窒素ガスをアンモニアに変換する働きにより、植物は窒素栄養を獲得することができる。この「共生的窒素固定」と呼ばれる機能は世界の食糧生産にとって非常に重要な役割を果たしている。最近、筆者らのグループは、この「共生的窒素固定」の様子をポジトロンイメージング技術と窒素13標識窒素ガストレーサを用いて非侵襲的にイメージングすることに成功し、論文発表を行った。本論文はこの内容を紹介するとともに、その学術的・社会的背景についても述べるものである。
N-labeled nitrogen gas tracer and the imaging of nitrogen fixation in soybean nodules石井 里美; 鈴井 伸郎; 伊藤 小百合; 石岡 典子; 河地 有木; 松橋 信平; 大竹 憲邦*; 大山 卓爾*; 藤巻 秀
JAEA-Review 2009-041, JAEA Takasaki Annual Report 2008, P. 106, 2009/12
The nodule is a symbiotic organ of leguminous plants with rhizobium. Soybean plants utilize nitrogen (N) fixed by nodules from atmospheric N. Until now, N, a stable isotope, has long been used for studies of N fixation. However, because this method is invasive, it has been difficult to analyze an instant response to an environmental (ex. temperature, light) changes. The purpose of our study is to image the N fixation and analyze the kinetics quantitatively and noninvasively by using nitrogen gas labeled with N (half life: 10 min), a positron emitting isotope, and PETIS (positron-emitting tracer imaging system). Previously, we succeeded in producing N-labeled nitrogen gas However, it was required to purify the gas because it was likely to contain physiologically active N-labeled impurities. In this paper, we report development of a new method of production of pure N and the imaging of nitrogen fixation.
N-labeled nitrogen gas石井 里美; 鈴井 伸郎; 伊藤 小百合; 石岡 典子; 河地 有木; 大竹 憲邦*; 大山 卓爾*; 藤巻 秀
Soil Science and Plant Nutrition, 55(5), p.660 - 666, 2009/10
被引用回数：16 パーセンタイル：41.09(Plant Sciences)Real-time images of nitrogen fixation in an intact nodule of hydroponically cultured soybean (Glycine max [L] Merr.) were obtained. In this study, we developed a rapid method to produce and purify N (half life: 9.97 min)-labeled radioactive nitrogen gas. N was produced from the 
O (p, 
) N nuclear reaction. COwas filled in a target chamber and irradiated for 10 min with protons at energy of 18.3 MeV and electric current of 5 
A which was delivered from a cyclotron. All CO in the collected gas was absorbed and removed with powdered soda-lime in a syringe, and replaced by helium gas. The resulting gas was injected into GC and separated, and 35 mL of fraction including the peak of [N]-nitrogen gas was collected by monitoring the chromatogram. The obtained gas was mixed with 10 mL of O and 5 mL of N and used in the tracer experiment. The tracer gas was fed to the underground part of intact nodulated soybean plants and serial images of distribution of N were obtained noninvasively using PETIS (positron-emitting tracer imaging system). The rates of nitrogen fixation of the six test plants were estimated as 0.17 
0.10 mol Nh
(mean SD) from the PETIS image data. The decreasing rates of assimilated nitrogen were also estimated as 0.012 0.011 mol Nh (mean SD).
N-labeled nitrogen gas for imaging of nitrogen fixation by soybean nodule石井 里美; 鈴井 伸郎; 石岡 典子; 河地 有木; 松橋 信平; 大竹 憲邦*; 大山 卓爾*; 藤巻 秀
JAEA-Review 2008-055, JAEA Takasaki Annual Report 2007, P. 111, 2008/11
The nodule is a symbiotic organ of leguminous plants with rhizobium. Soybean plants utilize nitrogen (N) fixed by nodules from atmospheric N. Until now, N, a stable isotope, has long been used for kinetics of N fixation and dynamics of transport of fixed N. However, because this method is invasive, it has been difficult to analyze an instant response to an environmental (ex. temperature, light conditions) change with these methods because they are invasive. We are planning to image and analyze such kinetics and dynamics quantitatively and noninvasively by using nitrogen gas labeled with N (half life: 10 min), a positron emitting isotope, and PETIS (positron imaging tracer imaging system). In this paper, we report the synthesis and purification of N-labeled nitrogen gas (N).
大山 卓爾*; 末吉 邦*; 大竹 憲邦*; 伊藤 小百合*; 石橋 弘規*; Hara, T.*; Kimura, T.*; 松橋 信平; 藤巻 秀; 鈴井 伸郎; et al.
JAEA-Review 2006-042, JAEA Takasaki Annual Report 2005, P. 122, 2007/02
As nodulated leguminous crops grow, they assimilate both gaseous nitrogen and combined nitrogen. Combined N especially the NO
form inhibits all phases of nodulation and N fixation process, although the mechanism have not been fully elucidated. Tungstate is a non-essential element for plant growth, which exerts harmaful effects on plants. When tungstate is applied to the plant medium, it competes with molybdate and inhibits some enzymes, which have a Mo cofactor in the active site such as nitrate reductase and nitrogenase. Application WO
to the culuture medium diturbed nitrate transport to the shoot. In this report, WO was introduced into cut end of petiole of primary leaf and investigated that NO transport from root to shoot was inhibited or not.
森 敏*; 中西 友子*; 林 浩昭*; 大山 卓爾*; 内田 博*; 松橋 信平; 関根 俊明
Radioisotopes, 50(9), p.408 - 418, 2001/09
原研が中心となり開発を進めてきた植物研究用ポジトロンイメージング装置(PETIS)とこれを用いて研究を行うためにこれまでに開発してきたポジトロン標識化合物について、開発経緯と現状を解説した。また、PETISを用いた原研・大学プロジェクト共同研究で得られた知見として、植物体を構成する主要元素である炭,窒素などの化合物,植物内での物質輸送に重要な役割を果たすと考えられる水,ミネラルとして重要な金属元素等の動態に関して、植物生理学的な立場から、これまでの研究手法ではえられなかった知見の新規性,重要性について解説した。
Znを用いた植物体内における亜鉛のリアルタイムイメージング鈴井 伸郎; 山崎 治明; 河地 有木; 石井 里美; 石岡 典子; 大山 卓爾; 藤巻 秀
no journal, ,
植物体内における亜鉛の動態をポジトロンイメージング技術により可視化する際に、これまでは
Znを自ら製造して用いてきたが、娘核種のCuがポジトロン放出核種である問題があった。本発表では購入可能なRIであるZn(娘核種Cuは安定同位体)にトレーサーに用いることで、亜鉛のポジトロンイメージングが可能であるかを検証した。400kBqのZnを含むトレーサー溶液をイネに投与し、PETISで撮像したところ、Znが根から吸収され、地上部へ輸送され、蓄積される動画像を得ることができた。さらに、異なるキャリア濃度(基質濃度)のトレーサー溶液を投与した際の動画像から、Znの吸収速度を算出し、ミカエリス・メンテン式を用いることで、イネにおける亜鉛の吸収特性(Km, Vmax)を評価することに成功した。
partial pressure on nitrogen fixation in soybean using nitrogen isotopesHung, N. V. P.; 渡部 詩織*; 石川 伸二*; 大竹 憲邦*; 末吉 邦*; 佐藤 孝*; 石井 里美; 鈴井 伸郎; 河地 有木; 尹 永根; et al.
no journal, ,
The quantitative analysis of initial transport of fixed nitrogen in intact nodulated soybean plants was conducted by the N pulse-chase experiment. Approximately 90% of fixed N was retained in the nodules and the N distribution in the basal nodules (78%) was higher than that of in the middle (12%) and distal nodules (0.1%) after 1 hour of stable isotope N exposure. The distribution of fixed N in the nodules decreased from 90% to 7% and increased in the other part during the initial 7 hours of the chase-period. The impacts of oxygen in rhizosphere on the symbiotic nitrogen fixation in real-time was evaluated under various O partial pressure. Soybean nodules were treated with mixed gas containing N labeled with a radioisotope N and various concentrations of O, and the nitrogen fixation activity in the nodules was visualized by the positron-emitting tracer imaging system (PETIS). The results showed that under normal condition the nitrogen fixation ability of soybean plant was higher compared to that of under the other conditions (0% O and 10% O). There was no significant difference in the nitrogen fixation activity between 0% O and 10% O.
N and N isotope methods for the estimation of fixation and early distribution of nitrogen in soybean石井 里美; Nguyen Van Phi, H.*; 鈴井 伸郎; 河地 有木; 尹 永根; 大山 卓爾*; 藤巻 秀
no journal, ,
Various methods are used in the field of biological nitrogen fixation. In this study, we analyzed early dynamics of nitrogen fixation and subsequent transport in soybean by using radioactive and stable isotopes, N and N. N has an advantage for the analysis of kinetics and visualization, while N is beneficial for the analysis of distribution. N is the only practical radioisotope of nitrogen which has a very short half-life of only 9.97 min. In this study, we improved a rapid method to produce N with higher radioactivity and sufficient purity. We fed the tracer gas to the underground part of soybean plants for 10 min and collected the serial images for one hour by PETIS. As a result, we finally obtained the image of transport to the aerial part successfully. The stable isotope N has been widely used for the analysis of fixation and export. In this study, we fed N to the underground part of soybean plants for one hour and analyzed the time course of the distribution in the whole body. As a result, we found that about 10% of fixed nitrogen was exported from the root nodules in the initial one hour. From a methodological aspect, we concluded that the combination of N and N isotope is a strong tool for quantitative analysis of fixation and transport of nitrogen.
N標識窒素ガス製造法の開発石井 里美; 井倉 将人*; 鈴井 伸郎; 尹 永根; 河地 有木; 小柳 淳*; Nguyen Van Phi, H.*; 大山 卓爾*; 藤巻 秀
no journal, ,
植物にとって、窒素は最も重要な養分である。窒素栄養を効率よく獲得するために、ダイズ等のマメ科植物は根に根粒を形成し、根粒菌と共生することで、大気中の窒素を固定する機能を持つ。われわれはダイズの窒素栄養の獲得機構を解明することを目的として、N標識窒素ガス(Nガス)を精製し、ポジトロンイメージング技術を用いて、根粒が窒素を固定する様子を可視化することに成功している。しかしながら、固定された窒素化合物がダイズの葉や実へ移動する様子は観察できていない。移動を観察するためには、100MBq以上のNガスが必要であると考えられるが、これまでの精製方法では十分量の回収が困難であった。そこで本研究では、高純度のNガスを100MBq以上の収量で回収し、窒素栄養動態のイメージングを可能にする、新しい製造方法を開発することを目的とした。新しい精製方法により約100MBqのNガスを含むトレーサガスを25mLで回収することができた。また、ガスクロマトグラフィーの分析結果には、NOのピークは認められなかった。すなわち本精製方法によりNOがNに完全に還元されていることがわかった。また、ダイズ植物の根に投与し、ポジトロンイメージングを行った結果、根粒及び茎にシグナルが認められ、窒素固定及び固定された窒素化合物の移行を観察することができた。
石井 里美; 尹 永根; Hung, N. V. P.*; 鈴井 伸郎; 河地 有木; 大竹 憲邦*; 大山 卓爾*; 藤巻 秀
no journal, ,
われわれは、ポジトロンイメージング技術を用いて、非侵襲的にダイズの窒素栄養の獲得機構を解明することを目的としている。窒素固定、および固定窒素の移動の画像化を、ポジトロンイメージングにより実現するために、窒素13標識窒素ガスを高純度, 高収量で製造する方法を開発したので報告する。
石井 里美; 尹 永根; Hung, N. V. P.*; 鈴井 伸郎; 河地 有木; 大竹 憲邦*; 大山 卓爾*; 藤巻 秀
no journal, ,
ダイズ等のマメ科植物は、根に根粒を形成し、根粒菌と共生することで、気体の窒素を固定するという、特有の窒素栄養の獲得機能をもつ。われわれは、窒素の唯一利用可能な放射性同位体であるNと、生きた植物中の元素の動きを非破壊的に可視化できるポジトロンイメージング装置を用いて、ダイズの窒素固定機能と固定した窒素化合物の輸送機能を解明することを目指している。Nの半減期は約10分であり非常に減衰が速いが、これまでに、イメージングに必要な高放射能のN標識窒素ガス([ N]N)を短時間で製造・精製し植物体に投与する技術を開発し、ポジトロンイメージング装置によってダイズの窒素固定の様子と固定窒素の移動を画像化することに成功している。また、画像データより、窒素が固定されてから1時間以内という初期の段階における、固定窒素の移動速度と分配パターンを明らかにした。
石井 里美; 鈴井 伸郎; 伊藤 小百合; 石岡 典子; 河地 有木; 大竹 憲邦*; 大山 卓爾*; 藤巻 秀
no journal, ,
ダイズは根粒菌と共生して根粒を形成し、根粒菌が固定した空中の窒素を利用している。根粒は固定した窒素(固定窒素)を他の部位に輸送することで植物体に窒素栄養を供給する役割を持つ。ダイズ植物の成長や、ダイズ子実の生産量を増やすためには窒素固定や固定窒素の輸送といった窒素の動態を定量的に解析し、制御することは重要である。窒素固定や固定窒素の輸送は光や温度といった環境の変化に対して短時間の間に生理的な応答を示し、数時間内に変化する。したがって、環境の変化に対する窒素固定や固定窒素の動態の数時間内における変化を解析するためには非侵襲的な方法が必要となる。本研究では、放射性同位体のN(半減期9.97分)により標識した窒素ガス(N)とPETIS(positron-emitting tracer imaging system)を用いることにより、窒素の固定及び固定窒素の輸送の非侵襲的なイメージングを実現した。
横山 正*; 安藤 象太郎*; 鳴海 一成; 大山 卓爾*
no journal, ,
Food supply for rapidly growing population in Asian countries is today's the most important challenge. We would fly a flag that biofertilizer is an alternative way as plant nutrition suppliers to replace expensive chemical nitrogen fertilizers. However, many people including researchers have an indecisive attitude on the effects of the biofertilizers, and they always point out that the effect of biofertilizers is sometimes unstable compared with chemical fertilizers. So, what are the factors of instability of biofertilizers? How do we control those constrains? In near future, for applying the biofertilizers into Asian farmers' lands, we have to answer against the uncertainty.
