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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

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

 被引用回数:16 パーセンタイル:65.64(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。

論文

Common reed accumulates starch in its stem by metabolic adaptation under Cd stress conditions

樋口 恭子*; 金井 雅武*; 土屋 将久*; 石井 春香*; 渋谷 尚史*; 藤田 直子*; 中村 保典*; 鈴井 伸郎; 藤巻 秀; 三輪 睿太郎*

Frontiers in Plant Science (Internet), 6, p.138_1 - 138_6, 2015/03

 被引用回数:13 パーセンタイル:57.96(Plant Sciences)

In a previous study, we reported that the common reed accumulates water-soluble Cd complexed with an $$alpha$$-glucan-like molecule, and that the synthesis of this molecule is induced in the stem of the common reed under Cd stress. We studied the metabolic background to ensure $$alpha$$-glucan accumulation under the Cd stress conditions that generally inhibit photosynthesis. We found that the common reed maintained an adequate CO$$_{2}$$ assimilation rate, tended to allocate more assimilated $$^{11}$$C to the stem, and accumulated starch granules in its stem under Cd stress conditions. AGPase activity, which is the rate-limiting enzyme for starch synthesis, increased in the stem of common reed grown in the presence of Cd. Starch accumulation in the stem of common reed was not obvious under other excess metal conditions. Common reed may preferentially allocate assimilated carbon as the carbon source for the formation of Cd and $$alpha$$-glucan complexes in its stem followed by prevention of Cd transfer to leaves acting as the photosynthetic organ. These responses may allow the common reed to grow even under severe Cd stress conditions.

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

ヨシ茎における炭水化物を主成分とする10-50kDaカドミウム結合物質の解明

土屋 将久*; 府川 さやか*; 鈴井 伸郎; 石井 里美; 河地 有木; 藤巻 秀; 三輪 睿太郎*; 樋口 恭子*

no journal, , 

重金属耐性能力を持つヨシは、高濃度のカドミウム(Cd)を含む水耕条件でも十分に生育することができる。これまでの研究において、ヨシはCdを茎全体に集積し、その半分は可溶性で存在し、さらにその60%が分子量10-50kDaの糖を主成分とする物質と結合していることを明らかにした。本研究では、Cdストレス条件下における炭素の蓄積過程を、ポジトロンイメージング技術(PETIS)を用いて可視化し、解析することを試みた。供試植物として、栄養生殖期のヨシを用いた。まず、無処理のヨシの葉身に100MBqの$$^{11}$$CO$$_{2}$$を投与し、茎及び根における炭素動態をPETISにより撮像した。その後、ヨシをCdを含む水耕液に移植し、3日間栽培した後、同様のイメージングを行い、Cd処理前・処理後の炭素の蓄積部位を、同一個体において比較した。その結果、Cd処理により一部の個体で主幹への光合成産物の転流量が増加していたが、各個体間でのばらつきが大きく、対照区と比較して統計的に有意な差は確認できなかった。

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

ヨシの炭酸同化産物分配に対するCdの影響とヨシ茎に蓄積する新規Cd結合物質

樋口 恭子*; 土屋 将久*; 鈴井 伸郎; 三輪 睿太郎*; 藤巻 秀

no journal, , 

ヨシはCd耐性植物の中でも地上部Cd濃度が比較的高い。地上部のCdは茎に高濃度に蓄積され葉身のCd濃度は低く保たれているが、茎のCdの約1/3は分子量10kDa以上のグルカンを主成分とする可溶性物質と結合している。本物質と結合したCdはpH5.8では10kDaの限外ろ過膜を通過しないが、pH2以下にすると通過する。限外ろ過膜を通過した画分にさらにCdを添加してからpHを5.8に戻すと再びCdは10kDaの限外ろ過膜を通過しなくなったが、pHを5.8に戻してからCdを添加するとCdは限外ろ過膜を通過した。以上の結果から本物質をpH2以下にすると適切な立体構造が失われCdを結合できなくなると考えられた。Cdにさらされたヨシ茎にはデンプン顆粒が蓄積することから、グルカンを主成分とする本物質の生合成がデンプン蓄積・分解と関連していることが推察される。しかしCdは葉緑体の機能を大きく阻害することが知られており、光合成能力が低下する中で炭酸同化産物を茎に蓄積することができるのかどうか興味が持たれた。そこで、C-11を用いたポジトロンイメージング技術により、Cd処理開始前と3日間Cd処理後の同化産物分配パターンを比較した。有意差はないがCd処理により茎への転流量が増加することがわかった。この変化はNa処理の場合は見られず、ヨシがCdに応答した結果、同化産物はより多く茎に分配されCd結合物質の合成に寄与していると考えられる。

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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