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論文

Non-invasive imaging of sodium dynamics in common reed using positron-emitting tracer imaging system

鈴井 伸郎; 丸山 哲平*; 河地 有木; 三輪 睿太郎*; 樋口 恭子*; 藤巻 秀

JAEA-Review 2015-022, JAEA Takasaki Annual Report 2014, P. 95, 2016/02

https://doi.org/10.11484/jaea-review-2015-022

Common reed, which is classified to the same family as rice, is a salt-tolerant plant. In this study, we conducted non-invasive imaging of Na$$^{+}$$ dynamics in intact common reed plants by using $$^{22}$$Na tracer and a positron-emitting tracer imaging system (PETIS) in order to understand the salt-tolerant mechanism in common reed. Common reeds and rice plants were cultivated in a nutrient solution containing 50 mM NaCl. After $$^{22}$$Na was fed into the solution, we observed the $$^{22}$$Na movement from the solution to the shoot for 24 h using PETIS. As a result, $$^{22}$$Na was strongly accumulated in the shoot base but not transported to the upper shoot in common reed, whereas $$^{22}$$Na was continuously transported to the upper shoot in rice plant. Furthermore, we replaced the original solution with a fresh nutrient solution without $$^{22}$$Na and traced the $$^{22}$$Na movement inside the plants for 18 h. Detailed quantitative analysis of the image data revealed that $$^{22}$$Na migrated downward from the shoot base to the root tip in common reed. These results indicate that common reed has constitutive ability of Na$$^{+}$$ exclusion only in the direction of root tips, and consequently keeps low Na$$^{+}$$ concentration in the upper shoot.

論文

Base to tip and long-distance transport of sodium in the root of common reed [${it Phragmites australis}$ (Cav.) Trin. ex Steud.] at steady state under constant high-salt conditions

藤巻 秀; 丸山 哲平*; 鈴井 伸郎; 河地 有木; 三輪 睿太郎*; 樋口 恭子*

Plant & Cell Physiology, 56(5), p.943 - 950, 2015/05

https://doi.org/10.1093/pcp/pcv021
 被引用回数：24 パーセンタイル：66.27(Plant Sciences)

耐塩性植物であるヨシおよび塩感受性植物であるイネにおけるナトリウムイオンの輸送の方向と割合を、放射性の$$^{22}$$Naトレーサとポジトロンイメージング技術を用いて解析した。まず、供試植物に50mMのNaClと微量の$$^{22}$$Naを含む水耕溶液を投与し、24時間栽培した。その後、$$^{22}$$Naを含まない水耕液に交換し、48時間栽培した。これらの栽培期間における$$^{22}$$Naの分布画像をポジトロンイメージング装置を用いて非破壊的かつ連続的に撮像したところ、ヨシでは根から吸収された$$^{22}$$Naは茎基部よりも上部に輸送されないことが確認された。さらに、$$^{22}$$Naを含まない水耕液に交換した後、$$^{22}$$Naが根元から根端に向けて0.5cm h$$^{-1}$$の速度で移動していることが確認された。一方、イネでは根から吸収された$$^{22}$$Naは連続的に地上部全体へと輸送されていた。これらの結果から、高塩濃度条件に晒されたヨシは、根元と茎基部においてナトリウムイオンを根端方向へと送り返していることが明らかとなった。このナトリウム排除機構により、ヨシは地上部のナトリウムイオン濃度を低く保ち、高い耐塩性を有していることが示唆された。

口頭

継続的塩ストレス条件下におけるヨシのNa$$^{+}$$動態

丸山 哲平*; 鈴井 伸郎; 藤巻 秀; 河地 有木; 石井 里美; 松橋 信平; 吉羽 雅昭*; 但野 利秋*; 樋口 恭子*

no journal, , 

ヨシは強い耐塩性を示すイネ科の多年生草本であり、塩ストレス条件下でも地上部のNa$$^{+}$$含有率を低く維持できる。このヨシにおけるNa$$^{+}$$の挙動を解析するために、放射性同位体である$$^{22}$$Naによるトレーサー実験を行ったところ、ヨシが塩ストレス条件下で地上部の低Na$$^{+}$$含有率を維持できるのは地上部からのNa$$^{+}$$排出よりも根部から地上部へのNa$$^{+}$$移行を強く抑制していることに起因することを示唆する結果が得られた。

口頭

Common reed has efficient Na$$^{+}$$ retrieving mechanisms at the shoot base to maintain low Na$$^{+}$$concentration in the shoot

丸山 哲平*; 鈴井 伸郎; 河地 有木; 藤巻 秀; 吉羽 雅昭*; 三輪 睿太郎*; 樋口 恭子*

no journal, , 

The Na$$^{+}$$ concentration in common reed roots is similar to that in rice roots, while common reed shoots have lower Na$$^{+}$$ concentration than rice shoots. It has been suggested that in common reed, Na$$^{+}$$ translocation to the shoot is inhibited at the shoot base (SB). To evaluate the SB contribution to the inhibition of Na$$^{+}$$ translocation to the shoots and determine the Na$$^{+}$$ translocation pathway in the SB, we analyzed the kinetics of $$^{22}$$Na$$^{+}$$ in common reed and in rice under the 50mM NaCl stress condition by performing a non-invasive tracer experiment with the positron-emitting tracer imaging system (PETIS). The PETIS experiments showed that $$^{22}$$Na$$^{+}$$ accumulation is slower in the SB and the shoots of common reed than in those of rice. The $$^{22}$$Na$$^{+}$$ accumulated in the shoots of both species was not actively excluded under the continuous mild saline condition. Modeling of the Na$$^{+}$$ fluxes within the SB revealed that common reed strongly retrieved Na$$^{+}$$ from the xylem at the SB.

口頭

ヨシのShoot BaseにおけるNa$$^{+}$$地上部移行抑制機構の速度論的解析

丸山 哲平*; 鈴井 伸郎; 河地 有木; 藤巻 秀; 但野 利秋*; 三輪 睿太郎*; 樋口 恭子*

no journal, , 

ヨシは高い耐塩性を有している。ヨシの耐塩性機構には、地上部基部(SB)におけるNa$$^{+}$$の根への送り返し機構が重要であると考えられているが、そのメカニズムはほとんどわかっていない。そこで、放射性同位体を用いたトレーサー実験により、ヨシSBにおけるNa$$^{+}$$回収能力をイネと比較した。生きた植物体内の$$^{22}$$Na$$^{+}$$動態を経時的に観察できるPETIS(Positron Emitting Tracer Imaging System)を用いて、NaCl 50mM条件下におけるヨシ地上部へのNa$$^{+}$$蓄積量をイネと比較した。その結果、ヨシがSBより上の地上部へのNa$$^{+}$$の蓄積を極端に抑制していることを確認した。また塩ストレス条件下において体内に蓄積したNa$$^{+}$$の動態を、PETISを用いたチェイス実験により観察したところ、地上部組織中に隔離されたNa$$^{+}$$はイネとヨシのどちらにおいても積極的に排出されないと考えられた。

口頭

ヨシはナトリウムを根内で回収し篩管を通じて排出する; Na-22とポジトロンイメージング技術を用いた解析

藤巻 秀; 丸山 哲平*; 鈴井 伸郎; 三輪 睿太郎*; 樋口 恭子*

no journal, , 

ヨシは耐塩性のイネ科植物であるが、塩感受性のイネに比べて根のNa含量は低くないにもかかわらず地上部のNa含量は極めて低い。この現象のメカニズムとして、導管からのNaの回収と篩管によるNaの根への送り返しが示唆されているが、直接的に証明した報告はない。そこで本研究では、ポジトロンイメージング技術を用いてNa-22の動態を非破壊的に撮像し、動画像データを数理的に解析することにより、植物体からのNaの回収・排除の経路の推定を試みた。供試植物とし50mM NaClを含む水耕液で3日間前栽培したヨシとイネを用いた。水耕液にNa-22を添加し、24時間撮像した後、Na-22を含まない水耕液に移植して48時間撮像するパルス-チェイス実験を行った。チェイス期間中に各微小部位におけるNa-22の増減をスロープ解析により評価したところ、ヨシの根から吸収されたNaは地上部にはほとんど輸送されず、根の先端から根の基部に至るどの部位においても連続的に導管から篩管へと移行し、根の先端へと移動していた。一方でイネではこのようなNaの移動は明瞭には見られず、むしろ地上部に輸送されていた。

口頭

Sodium transport and ion transporter gene expressions in the root of common reed (${it Phragmites australis}$)

樋口 恭子*; 佐藤 毅治*; 鈴井 伸郎; 丸山 哲平*; 藤巻 秀; 三輪 睿太郎*

no journal, , 

Among the plants that grow on highly salinized soils, the Na content in the aerial parts of the reed (${it Phragmites australis}$) is extremely low. Previously we showed that the amounts of Na$$^{+}$$ ascending via the xylem was reduced to approximately 5% and 50%, respectively, in common reed and rice (${it Oryza sativa}$), because of the presence of shoot bases. In the current study, we analyzed the direction and rate of Na$$^{+}$$ translocation within the tissues of common reed and rice under constant high salt condition by using radioactive $$^{22}$$Na and a positron-emitting tracer-imaging system (PETIS). Our analysis suggested that the roots and shoot bases of common reed have constitutive mechanisms for efficient retrieval of Na$$^{+}$$ from the xylem vessel and effective transportation of Na$$^{+}$$ solely to the root tips via the phloem, which is against the high Na$$^{+}$$ concentration gradient in nutrient solutions. Further, these mechanisms contribute to maintaining low Na$$^{+}$$ concentration in the shoots of common reed. In addition, we detected transcripts of putative Na$$^{+}$$ and K$$^{+}$$ transporters and channels from cells collected using laser micro dissection (LMD) in order to identify the molecules contributing to Na$$^{+}$$ allocation.

口頭

ヨシはなぜ塩水でも育つのか; 根の中でナトリウムを送り返す動きのポジトロンイメージング解析

藤巻 秀; 丸山 哲平*; 鈴井 伸郎; 河地 有木; 三輪 睿太郎*; 樋口 恭子*

no journal, , 

同じイネ科でありながら、耐塩性の低いイネとは対照的に、耐塩性の高いヨシ(${it Phragmites australis}$ (Cav.) Trin. ex Steud.)のメカニズムを明らかにするため、$$^{22}$$NaトレーサとPositron-emitting Tracer Imaging System (PETIS)を用いた研究を行った。塩濃度の高い水耕液をイネとヨシに与え、これに$$^{22}$$Naを投与し、PETISで植物体を24時間撮像した。続いて、体内に取り込まれた$$^{22}$$Naの動きを追跡するために、根を洗浄し、$$^{22}$$Naを除いた水耕液に交換し、PETISで18時間以上撮像した。得られた動画像データ上で、植物体長軸方向の$$^{22}$$Naの移動を解析した。その結果、イネではナトリウムが常に根から上方の葉に移行し続けるのに対し、ヨシでは茎のつけねより上方にはほとんど移行せず、常に根の中を下方に送り戻されていることが明らかになった。今後はこのヨシの根に特有のナトリウム排出機構を担う輸送体の同定を進め、将来的にはこの能力をイネに付与することを目指す。

口頭

高い耐塩性を持つヨシの根における根端方向へのナトリウム排出のポジトロンイメージングによる画像解析

藤巻 秀; 丸山 哲平*; 鈴井 伸郎; 河地 有木; 三輪 睿太郎*; 樋口 恭子*

no journal, , 

同じイネ科でありながら、耐塩性の低いイネとは対照的に、耐塩性の高いヨシ(${it Phragmites australis}$ (Cav.) Trin. ex Steud.)のメカニズムを明らかにするため、$$^{22}$$NaトレーサとPositron-emitting Tracer Imaging System (PETIS)を用いた研究を行った。塩濃度の高い水耕液をイネとヨシに与え、これに$$^{22}$$Naを投与し、PETISで植物体を24時間撮像した。続いて、体内に取り込まれた$$^{22}$$Naの動きを追跡するために、根を洗浄し、$$^{22}$$Naを除いた水耕液に交換し、PETISで18時間以上撮像した。得られた動画像データ上で、植物体長軸方向の$$^{22}$$Naの移動を解析した。その結果、イネではナトリウムが常に根から上方の葉に移行し続けるのに対し、ヨシでは茎のつけねより上方にはほとんど移行せず、常に根の中を下方に送り戻されていることが明らかになった。今後はこのヨシの根に特有のナトリウム排出機構を担う輸送体の同定を進め、将来的にはこの能力をイネに付与することを目指す。

口頭

ポジトロンイメージング技術を用いたヨシのナトリウム動態の解析

鈴井 伸郎; 丸山 哲平*; 河地 有木; 三輪 睿太郎*; 樋口 恭子*; 藤巻 秀

no journal, , 

高等植物にとってナトリウムイオン(Na$$^{+}$$)は有害元素である。我が国の主要な穀物であるイネはNa$$^{+}$$による塩ストレスに弱いのに対し、同じイネ科に属する野生植物ヨシは高い耐塩性を持つ。本研究では、ヨシの耐塩性機構を明らかにすべく、ナトリウムの放射性トレーサである$$^{22}$$Naとポジトロンイメージング技術を用いて、ヨシとイネにおけるNa$$^{+}$$の動態を直接可視化することを試みた。生きたヨシとイネの根に500$$sim$$700kBqの$$^{22}$$Naと50mMの非放射性のNaClを含む水耕液を投与し、$$^{22}$$Naが植物の地上部へ移行する過程を撮影したところ、ヨシでは$$^{22}$$Naが茎のつけねに集まり、それより上の茎や葉にはほとんど移行しないのに対し、イネでは$$^{22}$$Naが留まることなく上方の葉に移行していた。その後、水耕液中から$$^{22}$$Naだけを抜き、植物体内の$$^{22}$$Naが他の部位に移行する過程を追跡したところ、イネでは根の中の$$^{22}$$Naが上方の葉に移行し続けていたのに対し、ヨシでは$$^{22}$$Naが根の先端方向に向かって約0.5cm/hの速度で移行していた。これらの結果から、「根から吸収したNa$$^{+}$$を茎のつけねから下方に送り返すことにより、地上部のNa$$^{+}$$濃度を低く保つ」というヨシの耐塩性機構が明らかとなった。今後はヨシ特有の耐塩性機構に関わる遺伝子を同定し、それをイネに導入することにより、Na$$^{+}$$を地上部に移行させない、耐塩性の高いイネ品種の作出を目指す。

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