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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

Analysis of the effect of O$$_{2}$$ partial pressure on nitrogen fixation in soybean plant using positron-emitting tracer

Hung, 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。

論文

Quantitative analysis of the initial transport of fixed nitrogen in nodulated soybean plants using $$^{15}$$N as a tracer

Hung, 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:2 パーセンタイル:86.52(Plant Sciences)

The quantitative analysis of the initial transport of fixed $$^{15}$$N in intact nodulated soybean plants was investigated at the vegetative stage and pod-filling stage by the $$^{15}$$N pulse-chase experiment. The nodulated roots were exposed to N$$_{2}$$ gas labeled with a stable isotope $$^{15}$$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 $$^{15}$$N$$_{2}$$ exposure, respectively. In addition, about 90% of fixed $$^{15}$$N was retained in the nodules and 10% was exported to root and shoot after 1 hour of $$^{15}$$N$$_{2}$$ exposure at pod-filling stage. The percentage distribution of $$^{15}$$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 $$^{15}$$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.

論文

Effect of nitrate on nodulation and nitrogen fixation of soybean

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、$$^{13}$$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$$^{11}$$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$$^{11}$$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。$$^{13}$$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$$^{13}$$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。

論文

Regulation of root nodule formation in leguminous plants

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.

論文

八甲田カルデラ内のCO$$_{2}$$ガス穴に生育するブナの年輪中$$^{14}$$C濃度

堀内 一穂*; 千葉 拓児*; 星野 安治*; 大山 幹成*; 田中 孝幸; 天野 光*

JAEA-Conf 2010-001, p.71 - 74, 2010/03

世界有数の火山性CO$$_{2}$$ガス放出域として知られている青森県八甲田カルデラにおいて、ブナの年輪中$$^{14}$$C濃度へ及ぼす火山性CO$$_{2}$$ガスの影響を調べた。ブナ試料$$^{14}$$C濃度は、同時代の大気$$^{14}$$C濃度と調和的に、1991年から2001年に向って減少する傾向があった。カルデラ内試料の$$^{14}$$C濃度はカルデラ外の対照試料より低い値を示し、年輪の$$^{14}$$Cを利用した化石CO$$_{2}$$ガスの局地的動態解明への可能性を示す結果となった。しかしながら、対照試料との差は最大で14‰であった。これは、火山性CO$$_{2}$$ガスが最大4.4ppm混入した結果である。この低い混入は、CO$$_{2}$$を吸収する樹幹が、火山性CO$$_{2}$$の放出孔より数メートル上空に存在することによると考えられる。

論文

空気中の窒素を養分にするマメ科植物の「根粒」の機能の画像化

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。

論文

The Production of $$^{13}$$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$$_{2}$$. Until now, $$^{15}$$N, a stable isotope, has long been used for studies of N$$_{2}$$ 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$$_{2}$$ fixation and analyze the kinetics quantitatively and noninvasively by using nitrogen gas labeled with $$^{13}$$N (half life: 10 min), a positron emitting isotope, and PETIS (positron-emitting tracer imaging system). Previously, we succeeded in producing $$^{13}$$N-labeled nitrogen gas However, it was required to purify the gas because it was likely to contain physiologically active $$^{13}$$N-labeled impurities. In this paper, we report development of a new method of production of pure $$^{13}$$N$$_{2}$$ and the imaging of nitrogen fixation.

論文

Real-time imaging of nitrogen fixation in an intact soybean plant with nodules using $$^{13}$$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:7 パーセンタイル:69.71(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 $$^{13}$$N (half life: 9.97 min)-labeled radioactive nitrogen gas. $$^{13}$$N was produced from the $$^{16}$$O (p, $$alpha$$) $$^{13}$$N nuclear reaction. CO$$_{2}$$was filled in a target chamber and irradiated for 10 min with protons at energy of 18.3 MeV and electric current of 5 $$mu$$A which was delivered from a cyclotron. All CO$$_{2}$$ 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 [$$^{13}$$N]-nitrogen gas was collected by monitoring the chromatogram. The obtained gas was mixed with 10 mL of O$$_{2}$$ and 5 mL of N$$_{2}$$ 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 $$^{13}$$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 $$pm$$ 0.10 $$mu$$mol N$$_{2}$$h$$^{-1}$$ (mean $$pm$$ SD) from the PETIS image data. The decreasing rates of assimilated nitrogen were also estimated as 0.012 $$pm$$ 0.011 $$mu$$mol N$$_{2}$$h$$^{-1}$$ (mean $$pm$$ SD).

論文

The Production of $$^{13}$$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$$_{2}$$. Until now, $$^{15}$$N, a stable isotope, has long been used for kinetics of N$$_{2}$$ 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 $$^{13}$$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 $$^{13}$$N-labeled nitrogen gas ($$^{13}$$N$$_{2}$$).

論文

Operation of the electron accelerators and $$gamma$$-ray irradiation facilities

金子 広久; 花屋 博秋; 羽田 徳之; 山縣 諒平; 清藤 一; 金沢 孝夫; 小嶋 拓治; 小山 茂*; 山口 敏行*; 川島 郁男*; et al.

JAEA-Review 2007-060, JAEA Takasaki Annual Report 2006, P. 209, 2008/03

1号電子加速器は、新材料開発のためのグラフト重合,半導体の照射効果,外部ユーザーの種々の実験等に利用されている。電子加速器の年間運転時間は、597.4時間であった。コバルト60$$gamma$$線照射施設は、3つの照射棟に合計8つの照射室があり、0.04kGy/hから20kGy/hまでの、広い範囲の線量率で照射が可能である。コバルト第1照射棟,コバルト第2照射棟及び食品照射棟のそれぞれの年間運転時間は、20,844h, 6,335h, 3,150hであった。

論文

Utilization of the electron accelerator and $$gamma$$-ray irradiation facilities

小嶋 拓治; 金子 広久; 羽田 徳之; 花屋 博秋; 山縣 諒平; 清藤 一; 金沢 孝夫; 小山 茂*; 山口 敏行*; 川島 郁男*; et al.

JAEA-Review 2007-060, JAEA Takasaki Annual Report 2006, P. 208, 2008/03

1台の電子加速器及び3棟の$$gamma$$線照射施設を、年間の運転計画に基づいて照射利用に供した。18年度の利用件数は1号電子加速器が544件,コバルト第1照射棟は159件,コバルト第2照射棟は622件,食品照射棟は357件であり、研究成果の創出に寄与している。

論文

Interaction between nitrogen nutrients acquisition function and distribution of photosynthetic products

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$$_{3}$$$$^{-}$$ form inhibits all phases of nodulation and N$$_{2}$$ 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$$_{4}$$$$^{2-}$$ to the culuture medium diturbed nitrate transport to the shoot. In this report, WO$$_{4}$$$$^{2-}$$ was introduced into cut end of petiole of primary leaf and investigated that $$^{13}$$NO$$_{3}$$$$^{-}$$ transport from root to shoot was inhibited or not.

論文

植物の生理活動研究の手段としてのPET

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。

口頭

$$^{13}$$N$$_{2}$$によるダイズ根粒菌窒素固定イメージングの試み

石井 里美; 大竹 憲邦*; 石岡 典子; 鈴井 伸郎; 藤巻 秀; 松橋 信平; 大山 卓爾*

no journal, , 

根粒菌は大気中窒素を固定し、植物体に窒素栄養を供給している。本研究では$$^{13}$$N$$_{2}$$ガスを用いてダイズ植物における固定窒素の分布をイメージングすることを目的とした。供試植物として、種子接菌し水耕栽培した播種後35日のダイズ植物(Glycine max [L.] Merr.) cv. Williamsを用いた。$$^{13}$$N$$_{2}$$はCO$$_{2}$$ + 10%Heにプロトンビームを照射して製造した。根粒の着生したダイズ植物の根に$$^{13}$$N$$_{2}$$を10分間投与し、集積をBASで解析した。その結果、根粒着生部位に$$^{13}$$Nのシグナルを得ることに成功したので報告する。

口頭

窒素固定イメージングのための13N標識窒素ガスの製造

石井 里美; 鈴井 伸郎; 石岡 典子; 河地 有木; 伊藤 小百合; 大竹 憲邦*; 大山 卓爾*; 藤巻 秀

no journal, , 

ダイズの根に共生する根粒菌は根粒を形成し、空中の窒素を固定する。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。これまで根粒による窒素固定の活性はアセチレン還元活性測定法を、固定窒素の輸送については15N標識法を用いて研究されてきた。しかし、これらの方法は侵襲的であるために、例えば光や温度の変化に対する数時間内の窒素固定や固定窒素の輸送の変化といった、環境変化に対する短時間の生理的な応答を解析することは難しかった。そこで本研究では13Nにより標識した窒素ガス(13N標識窒素ガス)を用いて、窒素固定の活性及び固定窒素の輸送を非侵襲的にイメージングし、定量的に解析することを目的とした。本発表ではその窒素固定イメージングを可能にする13N標識窒素ガスの製造に成功したので報告する。

口頭

窒素固定イメージングのための$$^{13}$$N標識窒素ガスの製造

石井 里美; 鈴井 伸郎; 石岡 典子; 河地 有木; 松橋 信平; 藤巻 秀; 大竹 憲邦*; 大山 卓爾*

no journal, , 

ダイズの根に共生する根粒菌は根粒を形成し、空気中の窒素を固定する。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。これまで、窒素固定の活性や固定窒素の輸送については$$^{15}$$N標識法を用いて研究されてきた。しかし、これらの方法は侵襲的であるために、例えば光や温度の変化に対する数時間内の窒素固定や固定窒素の輸送の変化といった、環境変化に対する短時間の生理的な応答を解析することは難しかった。そこで本研究では$$^{13}$$Nにより標識した窒素ガス($$^{13}$$N標識窒素ガス)を用いて、窒素固定の活性及び固定窒素の輸送を非侵襲的にイメージングし、定量的に解析することを目的とした。本発表ではその窒素固定イメージングを可能にする$$^{13}$$N標識窒素ガスの製造について報告する。

口頭

$$^{13}$$N-標識窒素ガスを用いたダイズ根粒における窒素固定の非侵襲的イメージング

石井 里美; 鈴井 伸郎; 伊藤 小百合; 河地 有木; 石岡 典子; 大竹 憲邦*; 大山 卓爾*; 藤巻 秀

no journal, , 

ダイズの根に形成した根粒は窒素を固定し、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。これまで、高等植物における窒素固定や固定窒素の輸送といった窒素の動態に関する研究は、おもに安定同位体の$$^{15}$$Nにより窒素を標識する方法が用いられてきた。しかし、安定同位体を用いる方法は侵襲的な分析を必要とするため、例えば光や温度の変化に対する数時間内の窒素の固定や固定窒素の輸送の変化といった、環境変化に対する短時間の生理的な応答を解析することは難しかった。そこで本研究では、放射性同位体の$$^{13}$$N(半減期9.97分)により標識した窒素ガス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すること、さらに生理機能の定量的な解析を実現することを目的とした。本発表では、高純度の$$^{13}$$N標識窒素ガスの製造法を開発し、PETIS(positron-emitting tracer imaging system)を用いて根粒に固定される窒素の非侵襲的イメージングと、窒素固定速度の定量に成功したので報告する。

口頭

Real-time imaging of nitrogen fixation in an intact soybean plant

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, , 

To know kinetics of N$$_{2}$$ fixation and transport of fixed N, a stable isotope, $$^{15}$$N has been widely used. However, it has experimental limitations to analyze a quick (rapid) response to environmental changes such as temperature or light conditions with this method because it is invasive. We have developed imaging technique by using nitrogen gas labeled with a radio isotope $$^{13}$$N (half life: 9.97 min), and PETIS (positron-emitting tracer imaging system) successfully, and we analyzed kinetics of fixation and fixed N quantitatively and noninvasively. In this study, we developed a rapid method to produce and purify $$^{13}$$N-labeled nitrogen gas. The gas was mixed with 10 ml of O$$_{2}$$ and 5 ml of N$$_{2}$$ and 35 ml of helium, and the gas mixture was 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 $$^{13}$$N were acquired by PETIS. The rates of nitrogen fixation of the six test plants were estimated as 0.17$$pm$$0.10 $$mu$$mol N$$_{2}$$ h$$^{-1}$$ from the dynamic data of PETIS images. The decreasing rates of assimilated nitrogen were also estimated as 0.01$$pm$$20.011 $$mu$$mol N$$_{2}$$ h$$^{-1}$$.

口頭

A Non-invasive visualizing technique for observing the symbiotic nitrogen fixation using $$^{13}$$N

藤巻 秀; 石井 里美; 鈴井 伸郎; 伊藤 小百合; 河地 有木; 大竹 憲邦*; 大山 卓爾*; 石岡 典子

no journal, , 

ポジトロンイメージング及び窒素13標識窒素ガストレーサを用いて、生きたダイズの根粒における共生的窒素固定の画像化と定量的解析を行った。ポジトロンイメージングは総合的な技術であり、近年ではわれわれはカドミウム107トレーサの製造などの技術開発を行ってきた。ダイズにおける窒素固定の研究へのポジトロンイメージング技術の応用について、おもにトレーサ開発などの技術論的観点から総合的に考察する。

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