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論文

Route and regulation of zinc, cadmium, and iron transport in rice plants (${it Oryza sativa}$ L.) during vegetative growth and grain filling; Metal transporters, metal speciation, grain Cd reduction and Zn and Fe biofortification

米山 忠克*; 石川 覚*; 藤巻 秀

International Journal of Molecular Sciences (Internet), 16(8), p.19111 - 19129, 2015/08

AA2015-0336.pdf:1.94MB

 被引用回数:42 パーセンタイル:23.74(Biochemistry & Molecular Biology)

Zinc (Zn), iron (Fe) concentrations in rice grains harvested under different levels in soil are known to change only within a small range, while cadmium (Cd) concentrations show greater changes. To clarify the mechanisms underlying such difference, we synthesized information on the routes of metal transport and accumulation in rice plants. At grain-filling, Zn and Cd ascending in xylem are transferred to the phloem at stem nodes. Grain Fe is largely derived from the leaves by remobilization. Zn and Fe concentrations in phloem-sap and grains are regulated within a small range, while Cd concentrations vary depending on xylem supply. To increase concentrations of the metal chelators are effective in increasing grain Zn and Fe concentrations. The elimination of OsNRAMP5 Cd-uptake transporter and the enhancement of root-cell vacuolar Cd sequestration reduce uptake and root-to-shoot transport, respectively, resulting in a reduction of grain Cd accumulation.

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

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:22 パーセンタイル:36.22(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

Quantitative evaluation of rice varieties in cadmium uptake activities for remediation of cadmium-contaminated soil

石川 覚*; 鈴井 伸郎; 伊藤 小百合*; 石井 里美; 山崎 治明*; 河地 有木; 石岡 典子; 藤巻 秀

JAEA-Review 2010-065, JAEA Takasaki Annual Report 2009, P. 102, 2011/01

In this study, we evaluated the activities on Cd translocation of a few candidate varieties and analyzed the biological mechanisms using a positron-emitting tracer imaging system (PETIS). Three common rice cultivars, Nipponbare, Koshihikari and Sasanishiki and three candidate varieties were subjected. We equally fed the hydroponic culture solution including $$^{107}$$Cd to the six test plants and obtained the serial images of the Cd distribution in the aerial parts for 36 h using PETIS. As a result, It was found that the three candidate plants accumulated Cd in their aerial parts approximately two times as common cultivars. It was also found that almost all Cd in the culture solution was absorbed by all the tested plants. Therefore, this result indicates that the difference was due to greater activities of the candidates in the process to export Cd from the root tissue to the aerial parts, but not in the process of absorption from the culture.

論文

Analysis of root-to-shoot translocation of Cd in rice cultivars using a positron-emitting tracer imaging system

石川 覚*; 倉俣 正人*; 阿部 匡*; 鈴井 伸郎; 伊藤 小百合; 河地 有木; 藤巻 秀

Proceedings of 16th International Plant Nutrition Colloquium (IPNC-16) (Internet), P. 1151, 2009/04

We analyzed the real-time translocation of $$^{107}$$Cd from root to shoot among 6 rice cultivars using a positron-emitting tracer imaging system (PETIS). $$^{107}$$Cd first accumulated at the basal region of the shoot within 2 h after the exposure and the signals were much stronger in high-Cd-accumulating cultivars (indica) than in low-Cd-accumulating ones (japonica). $$^{107}$$Cd accumulated increasingly at the upper portion of the shoot with time, and the signals were obviously strong in high-Cd-accumulating cultivars. These results suggest that the different ability of root-to-shoot translocation of Cd is closely related to the genotypic variation in shoot Cd accumulation in rice.

報告書

「連携重点研究」における「多重即発$$gamma$$線分析研究会」成果報告; 2008年2月19日,東海

海老原 充*; 初川 雄一; 大島 真澄

JAEA-Review 2008-056, 65 Pages, 2009/01

JAEA-Review-2008-056.pdf:15.01MB

原子力機構と東京大学大学院原子力専攻は協力して「連携重点研究」を実施している。「連携重点研究」は原子力機構と大学の研究者が連携し、さらに民間企業等の研究者の参加を募って、原子力分野にかかわる公募型の共同研究を行うもので、保有する人的資源や先進的研究施設・設備などの物的資源、及び外部資金を効率的に活用することにより、原子力分野における科学技術振興に寄与するものである。本報告書は平成20年2月19日に開催された「連携重点研究」のテーマの1つである「多重$$gamma$$線検出と即発$$gamma$$線分析によるリアルタイム非破壊超微量元素分析法の開発と実試料への応用」の成果報告会についての発表の概要をまとめたものである。

論文

Uptake of uranium by spinach grown in andosols accumulating trace amounts of fertilizer-derived uranium

山口 紀子*; 渡部 陽子; 川崎 晃*; 井上 千晶*

Environmental Radiochemical Analysis 3, p.52 - 57, 2007/00

リン酸肥料には90$$sim$$740mg/kgのウランが不純物として含まれているため、長期間農地として使われてきた土壌にはウランが蓄積している。ウランは土壌環境下において広く存在する物質であるため、肥料由来のウランが公衆の線量に与える影響を評価するのは困難である。しかし、ホウレンソウのようなアカザ科の植物は、ほかの農作物と比べ、よりウランを吸収するということが知られている。農地に存在する微量ウランによるリスクを評価するため、発表者らは、リン酸肥料によりウラン濃度が上昇した可能性のある土壌で栽培されたホウレンソウによるウランの吸収について調査した。その結果、ホウレンソウ葉部には2.36$$mu$$g/kg乾、茎部には0.23$$mu$$g/kg乾のウランが吸収されて存在することがわかった。また、これらのウラン濃度は鉄及びアルミニウム濃度と相関関係があった。したがって、ホウレンソウによるウランの吸収は鉄やアルミニウムの吸収に伴って起こると考えられる。

口頭

コメのカドミウム汚染問題へのRIイメージング技術を用いた取り組み

藤巻 秀

no journal, , 

原子力による環境問題への貢献はエネルギー分野に限らない。我が国ではカドミウムによる農地の汚染、特に主食であるコメの汚染が重大な問題となっている。われわれは、ポジトロンイメージング技術を利用して、イネにカドミウムが取りこまれ、コメに蓄積する様子を画像化し、その過程を定量的に解析した。この結果を利用して、現在、汚染土壌を浄化する植物の開発に取り組んでいる。

口頭

Non-invasive imaging of long-distance transport of cadmium from culture to spikelet in rice plant

藤巻 秀

no journal, , 

深刻な環境問題に対処するため、我が国の科学技術振興機構と中華人民共和国国家自然科学基金は研究交流を進めており、このプロジェクトと中華人民共和国科学技術部の共催で、この度、中国科学院南京土壌研究所において、重金属汚染土壌のファイトレメディエーション(植物を用いた浄化)等に関するワークショップが開催される。発表者はこれまで、ポジトロンイメージング技術を高度化することにより、我が国や中国における主要な土壌汚染重金属の一つであるカドミウムを対象として、イネがカドミウムを根から吸収しコメに蓄積するまでの一連の挙動を画像化することに成功し、その動態を定量的に明らかにした。本ワークショップではこの研究成果について招待講演を行う。

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。

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