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論文

Whole-plant imaging of $$^{107}$$Cd distribution using positron-emitting tracer imaging system

鈴井 伸郎; 尹 永根; 井倉 将人*; 石井 里美; 河地 有木; 石川 覚*; 藤巻 秀

JAEA-Review 2013-059, JAEA Takasaki Annual Report 2012, P. 101, 2014/03

We have conducted noninvasive imaging of cadmium (Cd) in intact plants using a positron-emitting tracer imaging system (PETIS) and $$^{107}$$Cd for the purpose of understanding the mechanism of Cd translocation in plants. In our typical imaging experiment, $$^{107}$$Cd tracer has been fed to the root of large plants such as rice, and obtain the serial images of $$^{107}$$Cd distribution in the underground parts (roots and culture solutions) or the aerial parts (shoots or grains). However, whole-plant images of $$^{107}$$Cd distribution in both underground and aerial parts have not been obtained because the field of view (FOV) of PETIS is limited. In this study, we fed $$^{107}$$Cd to dwarf plants, ${it Sedum plumbizincicola}$ and visualized Cd dynamics in a whole plant within the FOV of PETIS. As a result, the whole physiological process, i.e., uptake from culture solution, translocation from root to shoot and accumulation in shoot, were successfully visualized in the single imaging experiment. The time courses of Cd amounts demonstrated that the half amount of Cd fed to the solution was taken up by the root within 2 hours, and the two-thirds amount was accumulated in the shoot after 30 hours. These results imply the whole-plant imaging represents a reliable tool for the quantitative analysis of Cd dynamics.

論文

Production of $$^{13}$$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$$_{2}$$ 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 $$^{13}$$N and PETIS. Previously, we have developed a method of production of highly purified $$^{13}$$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 [$$^{13}$$N]N$$_{2}$$. In this study, we tested a new technique to turn the main by-product [$$^{13}$$N]N$$_{2}$$O into the desired product [$$^{13}$$N]N$$_{2}$$ directly.

論文

Nitrate facilitates cadmium uptake, transport and accumulation in the hyperaccumulator ${it Sedum plumbizincicola}$

Hu, P.*; 尹 永根; 石川 覚*; 鈴井 伸郎; 河地 有木; 藤巻 秀; 井倉 将人*; Yuan, C.*; Huang, J.*; Li, Z.*; et al.

Environmental Science and Pollution Research, 20(9), p.6306 - 6316, 2013/09

 被引用回数:17 パーセンタイル:39.93(Environmental Sciences)

${it Sedum plumbizincicola}$, a species in the family Crassulaceae, has been reported to be a Cd hyperaccumulator exhibiting fast growth, large biomass, asexual reproduction and perennial habit and showing remarkable potential in the phytoextraction of Cd from polluted soils. The aims of this study are to investigate whether and how the nitrogen form (nitrate (NO$$_{3}$$$$^{-}$$) versus ammonium (NH$$_{4}$$$$^{+}$$)) influences cadmium (Cd) uptake and translocation and subsequent Cd phytoextraction by the ${it S. plumbizincicola}$. This is the first report of successful visualisation and quantification of Cd uptake and root-to-shoot translocation in intact plants of the hyperaccumulator species ${it S. plumbizincicola}$ supplied with different forms of inorganic N using positron-emitting tracer imaging system (PETIS), a real-time imaging method.

論文

Real-time imaging and analysis of differences in cadmium dynamics in rice cultivars (${it Oryza sativa}$) using positron-emitting $$^{107}$$Cd tracer

石川 覚*; 鈴井 伸郎; 伊藤 小百合*; 石井 里美; 井倉 将人*; 安部 匡*; 倉俣 正人*; 河地 有木; 藤巻 秀

JAEA-Review 2012-046, JAEA Takasaki Annual Report 2011, P. 91, 2013/01

We have visualized and quantitatively analysed the real-time Cd dynamics from roots to grains in typical rice cultivars that differed in grain Cd concentrations. We used positron-emitting $$^{107}$$Cd tracer and an innovative imaging technique, PETIS. A new method for direct and real-time visualization of the Cd uptake by the roots in the culture was first realized in this work. Imaging and quantitative analyses revealed the different patterns in time-varying curves of Cd amounts in the roots of rice cultivars tested. Three low-Cd accumulating cultivars showed rapid saturation curves, whereas three high-Cd accumulating cultivars were characterized by curves with a peak within 30 min after $$^{107}$$Cd supplementation, and a subsequent steep decrease resulting in maintenance of lower Cd concentrations in their roots. This difference in Cd dynamics may be attributable to OsHMA3 transporter protein, which was recently shown to be involved in Cd storage in root vacuoles and not functional in the high-Cd accumulating cultivars. Moreover, the PETIS analyses revealed that the high-Cd accumulating cultivars were characterized by rapid and abundant Cd transfer to the shoots from the roots, a faster transport velocity of Cd to the panicles, and Cd accumulation at high levels in their panicles, passing through the nodal portions of the stems where the highest Cd intensities were observed.

論文

Ion-beam irradiation, gene identification, and marker-assisted breeding in the development of low-cadmium rice

石川 覚*; 石丸 泰寛*; 伊倉 将人*; 倉俣 正人*; 阿部 薫*; 瀬野浦 武志*; 長谷 純宏; 荒尾 知人*; 西澤 直子*; 中西 啓仁*

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 109(47), p.19166 - 19171, 2012/11

 被引用回数:141 パーセンタイル:0.56(Multidisciplinary Sciences)

コメは食品を経由するカドミウム摂取の主要経路の1つであるが、コメのカドミウム汚染を大幅に低減させる技術は開発されていない。われわれはイオンビーム照射によって、コメの粒にカドミウムをほとんど蓄積しないイネ変異体を獲得し、さらに責任遺伝子を同定した。われわれは、低カドミウム濃度を示す3つの変異体を獲得し、それぞれが同一の遺伝子(${it OsNRAMP5}$)に異なる変異を持つこと、並びに変異型${it osnramp5}$によってコードされるトランスポーターが根におけるカドミウム輸送能を欠損することを明らかにした。カドミウム汚染水田において、変異体は低カドミウム濃度の形質を示し、それ以外の農業形質には影響が認められなかった。さらに、変異型${it osnramp5}$を持つイネ新品種を開発するためのDNAマーカーを開発した。われわれの発見はコメのカドミウム汚染低減に大きく貢献するものである。

論文

Real-time imaging and analysis of differences in cadmium dynamics in rice cultivars ($$it{Oryza sativa}$$) using positron-emitting $$^{107}$$Cd tracer

石川 覚*; 鈴井 伸郎; 伊藤 小百合*; 石井 里美; 井倉 将人*; 安部 匡*; 倉俣 正人*; 河地 有木; 藤巻 秀

BMC Plant Biology, 11, p.172_1 - 172_12, 2011/11

 被引用回数:42 パーセンタイル:11.33(Plant Sciences)

In this study, we have visualized and quantitatively analysed the real-time Cd dynamics from roots to grains in typical rice cultivars that differed in grain Cd concentrations. We used positron-emitting $$^{107}$$Cd tracer and an innovative imaging technique, the positron-emitting tracer imaging system (PETIS). In particular, a new method for direct and real-time visualization of the Cd uptake by the roots in the culture was first realized in this work. Imaging and quantitative analyses revealed the different patterns in time-varying curves of Cd amounts in the roots of rice cultivars tested. Three low-Cd accumulating cultivars (japonica type) showed rapid saturation curves, whereas three high-Cd accumulating cultivars (indica type) were characterized by curves with a peak within 30 min after $$^{107}$$Cd supplementation, and a subsequent steep decrease resulting in maintenance of lower Cd concentrations in their roots. Moreover, the PETIS analyses revealed that the high-Cd accumulating cultivars were characterized by rapid and abundant Cd transfer to the shoots from the roots, a faster transport velocity of Cd to the panicles, and Cd accumulation at high levels in their panicles, passing through the nodal portions of the stems where the highest Cd intensities were observed.

口頭

Cd吸収挙動の異なるイネにおける篩管液の金属元素組成の比較

井倉 将人*; 鈴井 伸郎; 安部 匡*; 倉俣 正人*; 藤巻 秀; 石川 覚*

no journal, , 

イネの篩管は玄米へのカドミウム(Cd)輸送に深く関与すると考えられている。本研究ではCd吸収挙動の異なるイネ品種を用いて、幼植物の茎葉部及び出穂期の最上位節間における篩管液の重金属組成を分析した。コシヒカリ(KSH, Cd低集積品種)とJarjan(JRJ, Cd高集積品種)の1か月苗をCd汚染土壌で栽培し、トビイロウンカを用いたインセクトレーザー法により、茎葉部から篩管液を採取した。出穂期のKSHとBIL35(Cd高集積系統)の最上位節間からも同様の方法で採取し、各元素濃度を原子吸光光度計及びICP-MSで分析した。その結果、イネ幼植物の篩管液中のCd濃度はKSHとJRJで明確な差が見られたが、他の重金属では品種間に大きな差は見られなかった。出穂したイネの最上位節間の篩管液のCd濃度については、KSHとBIL35で明確な差が見られた。他の重金属濃度は、Fe, Znが高く、品種間ではFeでわずかに差が見られた。地上部各部位のCd濃度はKSHと比較してBIL35が高く、Cd以外にFe, Znでわずかに差が見られた。Cd吸収挙動の異なるイネの篩管液では、品種間でCd以外にFe等の元素濃度が異なり、重金属輸送において一部の元素で品種間差が認められた。

口頭

放射性セシウムの計測技術の開発; 農産物等の簡易分析法、土壌から植物への吸収・移行の画像化

尹 永根; 鈴井 伸郎; 河地 有木; 山口 充孝; 田野井 慶太朗*; 中西 友子*; 茅野 充男*; 中村 進一*; 渡部 浩司*; 山本 誠一*; et al.

no journal, , 

農作物などの放射性セシウム(Cs-134及びCs-137)による汚染、あるいはそのリスクに対して、生産者,消費者の双方から極めて強い関心が寄せられている。そのため、食品や土壌,肥料など、膨大な数の試料に対する放射性セシウムの定量分析が求められている。このことから、一般的なNaI(Tl)スペクトロメーターを用いて試料中のCs-134及びCs-137を定量解析する、簡便で追加コストのかからない手法の開発を行った。また、土壌から植物への放射性セシウムの移行性は、土壌の組成、植物の種類、施肥などの諸条件によって桁違いに変わるばかりか、鉱物への固定や有機質の分解などによって時間とともに変化することが示されている。したがって、ある特定の条件下の土壌と植物における放射性セシウムの動態を詳細に解明できる計測系が必要である。そこで、放射性セシウムの土壌-植物系における動態を画像として定量解析するRIイメージング技術の開発研究を進めてきた。本発表では開発に成功した放射性セシウムの簡易分析法と、現在開発を進めている2つの画像化技術を用いた予備的実験結果について報告を行う予定である。

口頭

カドミウム極低コシヒカリ変異体のカドミウム吸収特性; ポジトロンイメージング解析と吸収速度論解析

井倉 将人*; 安部 匡*; 倉俣 正人*; 鈴井 伸郎; 河地 有木; 石井 里美; 尹 永根; 藤巻 秀; 石川 覚*

no journal, , 

重イオンビーム処理により作製したコシヒカリ(KSH)変異体から原種のコシヒカリと生育が同等かつカドミウム集積が極めて低い個体が得られた。このカドミウム極低コシヒカリ変異体(lcd-kmt)のカドミウム(Cd)吸収特性を明らかにするため、$$^{107}$$Cdを用いたPETISによる動態解析及び安定核種を用いた根のカドミウム吸収速度論解析を実施した。ポジトロンイメージング解析において、KSHは開始20分後には根及び基部への$$^{107}$$Cdの吸収、移行を確認できたが、lcd-kmtは12時間経過後も根及び地上部への明確な吸収,移行が確認されなかった。lcd-kmtでは根のCd吸収が強く抑制され、地上部への移行も極めて少ないことが撮像により確認できた。イネ根のCd吸収速度論解析において、KSHの根Cd濃度は水耕液Cd濃度の上昇とともに増加したが、lcd-kmtの根ではCd濃度はほとんど増加せず、根のCd吸収が強く抑制されていることが確認された。KSHは導管液輸送において地上部へのCdの移行を制御しているが、lcd-kmtは根に取り込むCd量が極めて低く、さらに地上部への移行も制御していると考えられた。

口頭

Genetic and physiological characteristics of high-Cd accumulating rice cultivars

石川 覚*; 安部 匡*; 倉俣 正人*; 井倉 将人*; 鈴井 伸郎; 伊藤 小百合*; 石井 里美; 河地 有木; 藤巻 秀; 山本 敏央*; et al.

no journal, , 

We found three indica rice cultivars (Choko-koku, Jarjan, Anjana Dhan) with markedly high Cd concentrations in their grains and shoots from the world rice core collection (WRC), consisting of 69 rice accessions which covers the genetic diversity of almost 32,000 accessions of cultivated rice. To characterize the differences in Cd dynamics between the high- and low-Cd accumulating rice cultivars, we used positron-emitting 107Cd tracer and an innovative imaging technique, the positron-emitting tracer imaging system (PETIS). The apparent differences were clearly shown as Cd retention in the roots, the rates of Cd translocation from the roots to the shoots, and the long-distance Cd transport to the panicles. To identify the gene loci for Cd accumulation in rice, we conducted the QTL genetic analysis and found the major QTL gene (qCdp7) for increasing Cd accumulation. This gene derived from the high-Cd accumulating cultivars would be useful for developing practical rice cultivars for Cd-phytoextraction use.

口頭

培地-根-地上部におけるカドミウム動態のライブイメージング

鈴井 伸郎; 石川 覚*; 井倉 将人; 石井 里美; 倉俣 正人*; 安部 匡*; 牧野 知之*; 尹 永根; 河地 有木; 藤巻 秀

no journal, , 

これまでPETISは、イネの根から穂に至るカドミウムの移行・蓄積の動態を定量的に明らかにする研究などに活用されてきた。われわれは今回、カドミウムが液体培地から根を介して地上部へ移行する過程を直接的に画像化し、解析することに初めて成功した。一般に、放射性トレーサを培地に投与して吸収実験を行う場合、培地の領域を視野から外して、あるいはその領域を遮蔽して、撮像を行うのが通例である。これに対し、PETIS装置による計測の定量性が保持される放射線強度の範囲を考慮しつつ、観測用の植物容器を設計し、投与するトレーサ濃度を調節することで、明瞭な連続画像の取得に成功した。この技術を応用し、ファイトレメディエーションへの適用が期待される、カドミウム高集積イネ候補系統や重金属高集積植物のセダムの経根吸収過程を画像化し、それらの吸収能力について解析評価を行った。

口頭

根圏イメージングを用いたイネのカドミウム輸送の品種間差の解析

鈴井 伸郎; 井倉 将人*; 河地 有木; 石井 里美; 尹 永根; 藤巻 秀; 倉俣 正人*; 安部 匡*; 牧野 知之*; 石川 覚*

no journal, , 

本研究では、$$^{107}$$Cdを含む培地と根を直接撮像する「根圏イメージング」を確立し、イネの根圏におけるCd輸送の品種間差の解析を行った。まず、根圏イメージングに適した放射性トレーサー投与容器を開発した。さらに、PETISの検出器のダイナミックレンジを考慮し、$$^{107}$$Cdの最適な投与量は視野内に50MBq以下であると推定した。根圏におけるCd輸送のイネ品種間差を解析するために、Cdを地上部に高集積するインディカ型の3品種および対照としてジャポニカ型の3品種を供試植物として用い、PETISによる根圏イメージングを行った。開発した根圏イメージング法により、イネ根圏における$$^{107}$$Cdの明瞭な分布画像を得ることに成功した。得られた動画像を詳細に解析した結果、高Cd蓄積イネ品種には、対照品種と比較して、培地から根組織内へCdを吸収する能力は差が認められなかったが、吸収後に根組織内のCdを保持する能力が低いことが明らかとなった。これらの高Cd蓄積イネ品種は、液胞膜上に存在する重金属トランスポーターの機能が欠損していることから、$$^{107}$$Cdイメージングで見られた根のCdを保持する能力は、液胞内にCdを隔離する能力であることが示唆された。このことにより、遺伝子機能を視覚的かつ定量的に評価できるシステムとして、$$^{107}$$Cdイメージングが活用できることが実証された。

口頭

Direct imaging and analysis of root uptake for cadmium using $$^{107}$$Cd

鈴井 伸郎; 石川 覚*; 伊藤 小百合*; 石井 里美; 井倉 将人*; 安部 匡*; 倉俣 正人*; 河地 有木; 藤巻 秀

no journal, , 

In this study, we have developed direct imaging of $$^{107}$$Cd in underground parts using a positron-emitting tracer imaging system (PETIS), and applied the method to analyse the time-varying distribution of Cd in the high- and low-Cd accumulating rice cultivars. The hydroponic culture solution including $$^{107}$$Cd were fed to the six individual cultivars, and the serial images of the $$^{107}$$Cd distribution in the both underground and aerial parts were obtained for 24 h using PETIS and newly developed method of direct imaging of $$^{107}$$Cd root uptake. As a result, the serial images of $$^{107}$$Cd uptake by the roots of rice cultivars was successfully obtained. Time courses of Cd amounts demonstrated that decrease of Cd in the culture solution was similar but retention of Cd in the roots was drastically different between the high- and low-Cd accumulating cultivars. The low-Cd accumulating cultivars showed rapid saturation curves of Cd amount in the roots, whereas the high-Cd accumulating cultivars were characterized by curves with a peak within 30 min after $$^{107}$$Cd supplementation, and a subsequent steep decrease. These results indicate that the high-Cd accumulating cultivars have a less ability to retain Cd in the root tissue compared with the low-Cd accumulating cultivars, resulting in higher Cd accumulation in the shoots.

口頭

根圏イメージングによるカドミウム動態のイネ品種間差の解析

鈴井 伸郎; 石川 覚*; 伊藤 小百合*; 石井 里美; 井倉 将人*; 安部 匡*; 倉俣 正人*; 河地 有木; 藤巻 秀

no journal, , 

近年、我々はポジトロン放出核種とポジトロンイメージング技術を用いて、カドミウム(Cd)などの無機元素が液体培地から根を介して地上部へ移行する過程を直接的に画像化する手法(本発表では「根圏イメージング」と呼ぶ)を開発した。本手法を用いて、高Cd蓄積イネ品種(長香穀,ジャルジャン,アンジャナダン)と対照品種(ササニシキ,コシヒカリ,日本晴)の根におけるCd動態を解析した結果、高Cd蓄積品種のCd吸収能力は対照品種と変わらないが、根組織内にCdを保持する能力が低いがためにCdが地上部へ効率的に輸送され、結果的にCdが高蓄積していることを、直接的かつ定量的に明らかにした。本発表では、亜鉛(Zn)のポジトロン放出核種である$$^{65}$$Znを用いた根圏イメージングにより、高Cd蓄積品種(長香穀)と対照品種(日本晴)の根におけるZn動態を解析した結果について報告する。この高Cd蓄積品種では根の液胞膜に局在する輸送タンパク質OsHMA3の機能が失われていることが知られているため、本タンパク質の「生きた植物の根」における基質特異性についても議論する。

口頭

窒素固定イメージングを目指した新規$$^{13}$$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、$$^{13}$$N標識窒素ガス($$^{13}$$N$$_{2}$$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$$^{13}$$N$$_{2}$$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$$^{13}$$N$$_{2}$$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$$^{13}$$N$$_{2}$$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、$$^{13}$$N$$_{2}$$O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$$^{13}$$N$$_{2}$$Oが$$^{13}$$N$$_{2}$$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。

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