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論文

Live-imaging evaluation of the efficacy of elevated CO$$_{2}$$ concentration in a closed cultivation system for the improvement of bioproduction in tomato fruits

山崎 治明*; 鈴井 伸郎; 尹 永根; 河地 有木; 石井 里美; 島田 浩章*; 藤巻 秀

Plant Biotechnology, 32(1), p.31 - 37, 2015/04

 被引用回数:10 パーセンタイル:45.03(Biotechnology & Applied Microbiology)

To maximize fruit yield of tomatoes cultivated in a controlled, closed system such as a greenhouse or a plant factory at a limited cost, it is important to raise the translocation rate of fixed carbon to fruits by tuning the cultivation conditions. Elevation of atmospheric $$^{11}$$CO$$_{2}$$ concentration is a good candidate. In this study, we employed a positron-emitting tracer imaging system (PETIS), which is a live-imaging technology for plant studies, and a short-lived radioisotope $$^{11}$$C to quantitatively analyze immediate responses of carbon fixation and translocation in tomatoes in elevated CO$$_{2}$$ conditions. We also developed a closed cultivation system to feed a test plant with CO$$_{2}$$ at concentrations of 400, 1500 and 3000 ppm and a pulse of $$^{11}$$CO$$_{2}$$. As a result, we obtained serial images of $$^{11}$$C fixation by leaves and subsequent translocation into fruits. Carbon fixation was enhanced steadily by increasing the CO$$_{2}$$ concentration, but the amount translocated into fruits saturated at 1500 ppm on average. The translocation rate had larger inter-individual variation and showed less consistent responses to external CO$$_{2}$$ conditions compared with carbon fixation.

論文

Development of an efficient mutagenesis technique using ion beams; Toward more controlled mutation breeding

長谷 純宏; 秋田 祐介; 北村 智; 鳴海 一成; 田中 淳

Plant Biotechnology, 29(3), p.193 - 200, 2012/06

 被引用回数:20 パーセンタイル:28.88(Biotechnology & Applied Microbiology)

イオンビームは変異原として植物の突然変異育種の効率化に貢献しているが、突然変異育種は偶然性に依存する技術であるとも認識されている。本総説では、イオンビーム照射と前処理又は再照射との組合せにより、さらに効率的な変異誘発技術の開発に関するわれわれの最近の研究成果について述べる。また、シクラメン新品種開発に要する期間を短縮するため、アントシアニン生合成遺伝子を同定し、照射によって生じる欠失変異体候補のPCRによる選抜効率について検討した。これらの研究成果は、より効率的で制御されたイオンビームによる突然変異育種に向けた礎となるものである。

論文

Target mutation breeding of flower color by taking advantage of ion-beam irradiation and genomic information

田中 淳

Plant Biotechnology, 29(3), p.191 - 192, 2012/06

 被引用回数:3 パーセンタイル:67.11(Biotechnology & Applied Microbiology)

2007年度から5研究機関によるコンソーシアムとして5年間研究を行ってきた、生物系特定産業技術研究支援センターの異分野融合研究支援事業課題「イオンビームとゲノム情報を活用した効率的な花き突然変異育種法の開発」の成果を特集としてまとめるにあたり、著者がコーディネーターとして「Preface」を記載した。コンソーシアムでは、突然変異形質として最も研究が進んでいる花色をとりあげ、"夢の育種目標"として、ゴールドなどの輝く色調のカーネーションや匍匐性でありながら赤色のペチュニア、また、芳香シクラメンにはない赤色や青紫色の品種開発を設定した。これらの目標を達成するために、(1)ゲノムの情報をしっかりと収集して潜在的にもっている変異花色のバリエーションを推測することによって新花色開発のための候補品種を選定し、(2)その候補品種に、段階的照射(繰り返し照射)などの工夫を重ねたイオンビーム照射を行い、さらには、(3)遺伝子・色素マーカーを開発して、数ある突然変異体の中から、目的の変異を選抜して最適の品種を開発するという方針で進め、見事に目標を達成した。

論文

Optimization of ion-beam irradiation for mutagenesis in soybean; Effects on plant growth and production of visibly altered mutants

荒瀬 幸子*; 長谷 純宏; 阿部 純*; 河西 めぐみ*; 山田 哲也*; 喜多村 啓介*; 鳴海 一成; 田中 淳; 金澤 章*

Plant Biotechnology, 28(3), p.323 - 329, 2011/06

 被引用回数:17 パーセンタイル:54.04(Biotechnology & Applied Microbiology)

We describe for the first time the dose response and mutagenic effects of ion-beam irradiation in soybean. We irradiated the hilum side of dried mature soybean seeds with 320 MeV carbon ions. The number of plants that survived until seed-set decreased with the increase of the irradiation dose and was very low in plants irradiated at doses higher than 5.0 Gy, whereas the frequency distribution of the number of seeds produced by each seed-setting plant was not affected by lower doses of irradiation. We produced plant populations irradiated at 2.5 Gy and 5.0 Gy on a large scale to obtain M$$_{2}$$ seeds. Despite the duplicate composition of the soybean genome, chlorophyll-deficient mutants were detected with a frequency of 0.47% in the M$$_{2}$$ generation of plants irradiated at 5.0 Gy. These results demonstrate that irradiation of the hilum side of dried soybean seeds with carbon ion beams at a dose range around 2.5-5.0 Gy induces genetic changes while also allowing the production of a considerable number of seed-setting plants.

論文

Isolation and characterization of suppressors of the ${it early flowering 3}$ in ${it Arabidopsis thaliana}$

夏井 悠*; Nefissi, R.*; 宮田 佳奈*; 小田 篤*; 長谷 純宏; 中川 繭*; 溝口 剛*

Plant Biotechnology, 27(5), p.463 - 468, 2010/12

 被引用回数:3 パーセンタイル:13.53(Biotechnology & Applied Microbiology)

EARLY FLOWERING 3(ELF3)は植物のサーカディアンリズムの維持に重要な役割を担うタンパクである。本研究では、EFL3によって制御される花成の分子機構を理解するため、${it elf3-101}$変異体の抑圧変異の単離を試みた。${it sel106}$及び${it sel105}$の2つの抑圧変異について詳しく調査した。遺伝子マッピング,発現解析及び塩基配列から${it sel106}$及び${it sel105}$はそれぞれ${it gi}$${it fca}$の新しいアリルであることがわかった。花成因子${it FLOWERING LOCUS T}$の制御に関して、${it elf3}$${it gi}$並びに${it elf3}$${it fca}$間の遺伝的関係についても調査した。単離した6つの${it elf3}$の抑圧変異は、花成因子の発現並びに開花時期に基づいて少なくとも4つのサブグループに分けられた。この分類方法は、未同定の抑圧変異の解析に有用である。

論文

Efficient induction of flower-color mutants by ion beam irradiation in petunia seedlings treated with high sucrose concentration

長谷 純宏; 岡村 正愛*; 竹下 大学*; 鳴海 一成; 田中 淳

Plant Biotechnology, 27(1), p.99 - 103, 2010/03

 被引用回数:19 パーセンタイル:55.29(Biotechnology & Applied Microbiology)

We examined the effect of pretreatment on the frequency of flower-color mutants induced by ion beams. We found that petunia seedlings treated with 3% sucrose from 8 days after sowing accumulated significant amount of pigments within 4 days compared to non-treated control seedlings. The petunia seedlings treated with sucrose were exposed to 320-MeV carbon ions. The sucrose treatment did not affect the survival rate and seed fertility of the M1 plants. In the M$$_{2}$$ lines obtained by self-pollination of individual M1 plants, chlorophyll mutants were obtained in both treated and non-treated groups with a similar frequency. Flower-color mutants that included magenta, purple, light pink and white were obtained from the original violet color. The frequency of flower-color mutants was significantly higher in the sucrose-treated group than in the non-treated group. These results suggest that sucrose pretreatment specifically increases the frequency of flower-color mutation following ion beam irradiation.

論文

Red-purple flower due to delphinidin 3,5-diglucosides, a novel pigment for ${it Cyclamen}$ spp., generated by ion-beam irradiation

近藤 恵美子*; 中山 真義*; 亀有 直子*; 谷川 奈津*; 森田 裕将*; 秋田 祐介; 長谷 純宏; 田中 淳; 石坂 宏*

Plant Biotechnology, 26(5), p.565 - 569, 2009/01

 被引用回数:27 パーセンタイル:65.26(Biotechnology & Applied Microbiology)

香りシクラメンシリーズのバリエーションの増加のために、紫の花が咲き、主要アントシアニンとしてマルビジン3,5-ジグルコサイドを含む香りシクラメン品種(${it C. persicum}$ $$times$$ ${it C. purpurascens}$)「香りの舞」の黄化葉柄に320MeVの炭素イオンビームを0$$sim$$16Gyの強さで照射した。M1植物の自家受粉により得られたM2植物から変異体が選抜された。そのうち、2Gyを照射して得られたM2植物68個体中9個体は、これまでの紫の花と葉は異なる赤紫の花が咲いた。その花の色素を抽出し液体クロマトグラフィー(HPLC)で解析したところ、その主要アントシアニンは、デルフィニジン3,5-ジグルコサイドであった。花の形態や香り成分等、花の色以外の要素はこれまでのシクラメン品種とは大差がなかったことから、この変異体は花の色素合成にかかわる遺伝子にのみ変異が生じたと考えられる。デルフィニジン3,5-ジグルコサイドを主な色素として持つシクラメンはこれまで報告されておらず、この変異個体は商業的な価値があるだけでなく、シクラメンの貴重な遺伝子資源としても有用である。

論文

Isolation of novel gain- and loss-of-function alleles of the circadian clock gene ${it LATE ELONGATED HYPOCOTYL}$ (${it LHY}$) in ${it Arabidopsis}$

小田 篤*; Reeves, P. H.*; 田島 武臣*; 中川 繭; 鎌田 博*; Coupland, G.*; 溝口 剛*

Plant Biotechnology, 24(5), p.457 - 465, 2007/12

 被引用回数:1 パーセンタイル:5.09(Biotechnology & Applied Microbiology)

シロイヌナズナでは、二つのmyb関連タンパク質LATE ELONGATED HYPOCOTYL (LHY)とCIRCADIAN CLOCK ASSOCIATED 1 (CCA1)が概日リズムの調節において、重要な役割をしている。シロイヌナズナにおいて、日長依存的な花成と胚軸の伸長は概日時計によって制御されている。われわれは、長日条件下での胚軸と花成遅延の表現型を指標に、シロイヌナズナの概日時計因子LHYの機能欠損型アリル(lhy-14)と機能獲得型アリル(lhy-2)を新規に単離した。lhy-2は機能欠損型LHYアリルであるlhy-12の形質を抑圧する変異体として単離された。lhy-12とlhy-2におけるLHYの機能喪失と獲得はLHY mRNAの異常なスプライシングによって引き起こされることがわかった。

論文

Alteration of resistance to black Sigatoka (${it Mycosphaerella fijiensis}$ Morelet) in banana by ${it in vitro}$ irradiation using carbon ion-beam

Reyes-Borja, W. O.*; Sotomayor, I.*; Garz$'o$n, I.*; Vera, D.*; Cede$~n$o, M.*; Castillo, B.*; 田中 淳; 長谷 純宏; 瀬古澤 由彦*; 菅谷 純子*; et al.

Plant Biotechnology, 24(3), p.349 - 353, 2007/06

 被引用回数:12 パーセンタイル:32.9(Biotechnology & Applied Microbiology)

Carbon-ion beam was applied to explants of banana "Cavendish Enano" and "Williams" cultivars, in order to study the critical doses, genetic variability and response to black Sigatoka disease; doses employed were: 0, 0.5, 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 and 128 Gy. Biological effect of each dose on height (cm), weight (g), survival rate (%) was recorded. For black Sigatoka assessment on regenerated plants, the disease development period (DDP-days), infection index (II-%) and leaf disc necrotic area (LDNA-%) by juglone toxin were measured. As results, the mortality was increased in explants exposed to higher doses. Weight and height were reduced by doses of 16-128 Gy. Six plants of "Williams" (code number: "W16II74", "W128I67", "W1II148", "W8II13", "W1II19" and "W1II31") and two plants of "Cavendish Enano" (code numbers: "CE4II30" and "CE64I5") were selected as candidates by virtue of being less affected by the disease and by the toxin.

論文

Dance of plants with circadian clock

新沼 協*; 中川 繭; Calvino, M.*; 溝口 剛*

Plant Biotechnology, 24(1), p.87 - 97, 2007/03

 被引用回数:11 パーセンタイル:14.13(Biotechnology & Applied Microbiology)

概日リズムは生物が持つ約24時間周期の内因性のリズムである。シロイヌナズナの分子遺伝学的研究により、概日リズムの制御を受ける光周期依存型花成経路で主要な役割を果たす因子が、多数同定されている。しかし、花成以外で概日時計の制御下にある生理応答の分子機構に関する知見はあまり多くない。本論文では、これまでに考えられてきた概日リズム機構のモデルをまとめ、さらに概日時計による植物器官運動に関する研究の最近の進展について概説した。具体的には、(1)シロイヌナズナにおける概日時計モデルの確立の歴史,(2)シロイヌナズナの概日時計システムの修正モデル,(3)概日時計によって制御される器官運動における分子メカニズムの最近の知見,(4)トマトを用いた最新の時計生物学のモデル系と全体的な考察を示した。

論文

Natural variation of polyglutamine repeats of a circadian clock gene ${it ELF3}$ in ${it Arabidopsis}$

田島 武臣*; 小田 篤*; 中川 繭; 鎌田 博*; 溝口 剛*

Plant Biotechnology, 24(2), p.237 - 240, 2007/03

 被引用回数:16 パーセンタイル:43.38(Biotechnology & Applied Microbiology)

シロイヌナズナのEARLY FLOWERING 3(ELF3)は、概日リズム制御系,日長依存的な花成,胚軸の長さ,光反応において重要な機能を果たしている因子である。その機能欠損変異体は、恒明条件下においてリズム性を消失する。しかし、ELF3タンパク質は、既知のモチーフやドメインを持たず、生化学的な機能については、あまりわかっていない。今回われわれは、地球上のさまざまな地域に生息する60種類の野生型シロイヌナズナにおいて、ELF3遺伝子内のグルタミン反復配列数にNatural variationが存在することを見いだし、グルタミンの反復配列と、概日リズムの二つのパラメーターである長さと幅が有為な相関を示すことを見いだした。このことから、ELF3のグルタミンの反復配列が、概日リズム制御におけるELF3の機能に影響するかもしれないことが示唆された。

論文

Advances of mutagenesis in flowers and their industrialization

岡村 正愛*; 田中 淳; 百瀬 眞幸*; 梅本 直行*; Silva, J.*; 戸栗 敏博*

Floriculture, Ornamental and Plant Biotechnology; Advances and Topical Issues, Vol.1, p.619 - 628, 2006/00

初のバイオ・材料専用施設であるイオン照射研究施設(TIARA)が原子力機構(旧日本原子力研究所)に設置されたのに伴い、世界に先駆けて植物へのイオンビーム照射による突然変異誘発の特徴解析が進められた。その結果、モデル材料であるシロイヌナズナに炭素イオンビームを照射した場合、誘発突然変異率は$$gamma$$線などに比べて平均17倍誘発率が高く、誘発される変異は逆位や転座などの大きな構造変化が生じやすいという特徴を見いだした。また、キクやカーネーションなどへの照射では、$$gamma$$線などでは得られなかったような新しい花色や花型の変異が高頻度で誘発され、イオンビームは誘発する変異スペクトルも広いことがわかった。特に、キリンビール植物開発研究所の岡村らは、「ビタル」の葉片培養系に炭素イオンビームを照射したのち、その再分化したカーネーションの花色を調査した。対照実験として、変異原として最もよく用いられるエチルメタンスルフォン酸(EMS)や$$gamma$$線などが用いられた。チェリー色から異なった単一色への変異では、EMSや$$gamma$$線では、薄桃, 桃や赤色への変異を誘発するのに対して、炭素イオンではサーモンや黄, クリームなど、さまざまの花色変異が誘発された。一方、花形については、$$gamma$$線で花弁が剣弁から丸弁状になったものがわずかに得られたが、多くは炭素イオンで丸弁やナデシコ形花弁などの変異が誘発された。またその変異も、例えば、剣弁, やや剣弁, やや丸弁, 丸弁、などと連続した変異が得られた。さらに、非常に珍しい「バラ咲き」様の花形などの作出にも成功し、文字通り、色とりどり、形とりどりのカーネーション品種が育成された。その他、トランスポゾンによる花の育種に関する研究事例も紹介する。

論文

Effects of ion beam irradiation on the regeneration and morphology of ${it Ficus thunbergii}$ Maxim

高橋 美佐*; Kohama, S.*; 近藤 功明*; 羽方 誠*; 長谷 純宏; 鹿園 直哉; 田中 淳; 森川 弘道*

Plant Biotechnology, 22(1), p.63 - 67, 2005/03

低木性のつる性植物であるヒメイタビの品種改良を行い、大気中の汚染物質を吸収,浄化することを最終目標として、イオンビームによる生物効果を調べた。茎頂切片の無菌培養体に炭素イオン,ヘリウムイオンを10Gyから200Gy照射した。照射後、培養体を再分化させたところ、形態変異が15-20%観察された。そのうち、炭素イオン20Gy照射したものでは、葉のふちなどに斑入りの変異が観察された。斑入りの変異は、生理異常や遺伝的なものなど、さまざまな原因から起こるため、斑入り部分を再度培養し、再分化させたところ、同様の斑入りが見られたことから、イオンビームによって遺伝的な斑入り突然変異体が誘発されることが初めて明らかになった。

論文

${it Potato virus Y}$-resistance in the progeny of haploid mutants obtained by the culture of ${it Nicotiana Tabacum}$ L. Anthers exposed to ion beams

浜田 健太郎*; 井上 雅好*; 田中 淳; 渡辺 宏

Plant Biotechnology, 18(4), p.251 - 257, 2001/04

イオンビーム照射とタバコ花粉の培養系利用によって得られたポテトウィルスYの耐病性半数体の染色体倍化を行うため、髄組織の培養を試みた。その結果、35個体の植物を得ることができ、順化を行った。それらの染色体数は22から96本まで変化していたが、16個体では、正常な48本の染色体を保持していた。また、これらの植物体は自家受粉により稔性種子を作り出せることができた。さらに、後代でポテトウィルスYの接種試験を行ったところ、耐性と感受性の植物体が混在していたものの、半数体で耐病性であった約50%が倍化植物体でも耐性であることがわかった。

論文

Ion beam as a noble tool to induce apoptosis-like cell death in roots of maie (zea. mays L.)

川合 真紀; 小林 泰彦; 平田 愛子*; 大野 豊; 渡辺 宏; 内宮 博文

Plant Biotechnology, 17(4), p.305 - 308, 2000/12

細胞が自ら死ぬ能力(プログラム細胞死)は多細胞生物が有する基本的な生命活動の一つである。植物においてもプログラムされた細胞死は形態形成、耐病性、環境ストレス抵抗性の獲得等に重要な役割を担っているが、詳細は知られていない。植物における研究の立ち遅れの原因としては、細胞死誘導システムの確立が未完成な点があげられる。本研究では、イオンビームが植物細胞に壊死(ネクローシス)とは異なった細胞死を誘引することを見いだし、これが動物のアポトーシスと類似であることを明らかにした。実験では滅菌したトウモロコシ種子を寒天培地上に播種し、3日目に20Ne8+(350MeV)を照射した。アポトーシスのマーカーとされる核DNAの断片化を検出するため、照射2日目の植物の根から全DNAを抽出した。すると、非照射サンプルから抽出したDNAは高分子量体として検出されるが、照射体では約180塩基対を単位とする梯子状の泳動像が得られた。また、電子顕微鏡を用いた観察により、照射細胞では著しいクロマチン凝縮に加え、細胞質構造の崩壊、細胞の収縮などのアポトーシスの指標とされる形態変化が観察された。本研究によって開発された細胞死誘発システムを利用することにより、植物のアポトーシスの機構解明が大きく前進することが期待できる。

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