作成： 2007/09/28 松橋 信平
データ番号 ：020278
ポジトロンイメージング装置（PETIS）の植物研究への利用（その2）
目的 ：ポジトロン放出核種トレーサを用いた植物機能の解析
放射線の種別 ：陽電子（放出）、ガンマ線（検出）
放射線源 ：ポジトロン放出核種
利用施設名 ：日本原子力研究開発機構高崎量子応用研究所TIARA
応用分野 ：植物生理学、植物栄養学、植物育種、農業、環境
概要 ：
植物ポジトロンイメージング装置（PETIS）は、生きた植物中での物質動態をその場で観察することを目的に開発された。その後の計測性能の向上、計測技術の開発、トレーサとして利用できるポジトロン放出核種とその標識化合物の開発、画像データの解析技術の開発などにより、単なるイメージング装置に止まることなく、植物の生理的な機能を定量的に解析するための研究手段へと進化しつつある。
詳細説明 ：
1．植物ポジトロンイメージング装置
植物ポジトロンイメージング装置（positron emitting tracer imaging system, PETIS）は２次元平面上に存在するポジトロン放出核種の分布を消滅γ線の検出により経時画像化できる計測装置である（図1）。PETIS開発当初は、画像化できる領域は4.8 cm x 5.0 cmと小さなものであった（参考資料1）が、検出基部をモジュール化することにより、14 cm x 21 cmの視野が得られるようになっている。また、検出器を構成する要素性能の向上により、空間分解能も当初の2.3 mmから1.6 mmに改善されている（参考資料2）。PETISを用いた植物イメージング計測は半減期が短い放射性同位元素の製造と利用が可能な日本原子力研究開発機構高崎量子応用研究所のTIARAにおいて行われている（図2）。
図1 植物ポジトロンイメージング装置（PETIS）による計測の原理と概略
図2 TIARAを利用した植物ポジトロンイメージング実験の概略
2．ポジトロン放出核種標識化合物
植物を対象としたポジトロンイメージング計測に利用できるポジトロン放出核種とその標識化合物は表1の通りである。植物に必須な栄養素である炭素、窒素の標識化合物、微量ではあるが植物の成長に必須な金属元素である鉄、マンガン、亜鉛などの標識化合物がトレーサとして利用可能である。また、環境汚染物であるカドミウムやバナジウムについてもトレーサとしての利用が可能となっている。
表1 植物研究に利用可能なポジトロン放出核種標識化合物
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核種 半減期 化合物
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11C 20 ｍ 11CO2,
11C−メチオニン
13N 10 ｍ 13NO3−, 13NH4＋
15O 2 ｍ H215O
18F 110 m
18F−, 18FDG
22Na 2.6 ｙ
22Na＋Cl−
48V 16 ｄ 48H2VO４−
52Mn 5.6 ｄ 52Mn2＋
52Fe 8.3 ｈ 52Fe3＋
62Zn 9.3 ｈ 62Zn2＋
105Cd 56 ｍ 105Cd2＋
107Cd 6.5 ｈ 107Cd2＋
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3．ポジトロンイメージング計測時の環境制御
植物は光や温度などの環境の変化に敏感に反応する。このため、ポジトロンイメージング計測では光、温度、湿度を一定に保った環境下で計測が行えるよう、RIを取り扱うためのフード内にポジトロンイメージング装置の検出器部分と植物試料を設置できる大型の植物育成庫が導入されている。また、11CO2などのガス状の標識化合物を植物の特定部位に供給するためのガス供給システムが開発されている（原論文1）。
4．ポジトロンイメージング装置を用いた植物機能の可視化
これまでに開発されているポジトロン放出核種標識化合物を用いて、植物による栄養成分や環境汚染物の吸収や輸送に関する植物機能の研究が行われている（参考資料3）。
炭酸ガスと水を基質とした植物に特徴的な炭素獲得機能である光合成について、Matsuhashiら（原論文1）は、コムギの葉から穂への光合成産物移行計測により、シンク組織の光環境が光合成産物輸送に影響を与えることを示すデータを取得している。また、Fujikakeら（参考資料4）は、硝酸によるダイズ根粒の生育阻害が窒素固定に必要な光合成産物の根粒への輸送を低下させることを明らかにしている。この他、高濃度炭酸ガス環境に対する応答の解析への応用も試みられている（原論文2）。
炭素とともに重要な栄養素である窒素代謝については、Hayashiら（参考資料5）が硝酸イオンのトレーサとして13NO3-を用いてイネ幼植物中での窒素動態を可視化し、13NO3-吸収開始後8分という短時間で葉鞘に13Nが到達することを明らかにした。また、Satoら（参考資料6）、Matsunamiら（参考資料7）、Ohtakeら（参考資料8）がマメ科植物による13NO3-の吸収後の動態を可視化している。一方、アンモニウムイオンについてはKiyomiyaら（参考資料9）がイネ幼植物に13NH4+を用いて動態の可視化を行い、2分後には葉鞘基部に13Nが到達していることを示すとともに、アンモニア同化酵素阻害剤を用いることにより、アンモニアはグルタミン等に変換されて移行することを明らかにした。Kawachiら（参考資料10）は、オオムギ幼植物における硝酸の導管輸送に対するアニオンチャネルブロッカーの効果を調べている。
植物が体内で栄養成分を輸送するための媒体となる水の植物体内の動きについては、Moriら（参考資料11）が15Oで標識した水（H215O）をトマトとイネの幼植物に投与し、世界ではじめて植物内の水の動きを連続画像として観察することに成功しており、トマトとイネにおける水の移動速度はそれぞれ19mm/分、4mm/分と見積もっている。この後、Kiyomiyaらはイネ幼植物における水や窒素栄養の動態について調べ、光に応答する気孔の開閉には約10分程度を要すること（参考資料12）、暗条件下でH215Oの動きは完全に止まるが13NH4+は明条件下での40％が維持されるという興味深い現象を見出している（参考資料9）。Tsukamotoら（参考資料13）は、生理活性物質である5-アミノレブリン酸の添加によりイネの根から茎葉部へのH215Oの移動が促進されることを明らかにし、気孔の開閉との関連を推察した。Nakanishiら（参考資料14 - 16）はダイズなどにおける水の吸収動態について、H215Oと18F-水溶液を用いて検討を加えている。
鉄などの金属元素は植物の生育に微量ではあるが生育に必要な元素である。しかし、植物体内での動態についてはまだ不明な点が多い。Nakanishiら（参考資料17）やBughioら（参考資料18）は、オオムギが土壌中から鉄を可溶化・吸収するために分泌するムギネ酸の前駆体である11C-メチオニンの動態を調べ、ムギネ酸の生合成に用いられるメチオニンが根に由来することを明らかにした。また、分子生物学的な手法とPETISを用いた個体レベルでのイメージング手法とを組み合わせることにより、植物による鉄の吸収・輸送機構を明らかにし、鉄欠乏が発生しやすいアルカリ土壌でも生育できる作物の開発に繋げる研究にも応用されている（参考資料19、20）。植物は、鉄以外の金属元素も要求し、マンガン（参考資料21）や亜鉛（参考資料22）についても、その植物体内動態の解明にポジトロンイメージング計測が利用されている。
本来植物が必要としない環境汚染物が植物に取り込まれると、食糧の安全性に影響を与えるが、これらの物質の吸収や輸送の機構に不明な点が多い。このような環境汚染物の研究においてもポジトロンイメージング計測が利用されるようになりつつある。化石燃料の使用により発生するバナジウム（V）について、48Vのトレーサ利用がThamら（参考資料23）により試みられている。また、食品の汚染が問題となるカドミウムについては、松橋ら（参考資料24）が107Cdを用いてイネの中での動態の可視化に成功している。
5．ポジトロンイメージング画像の解析技術
ポジトロンイメージングデータは、画像を構成する各画素における検出強度の経時変化を情報として蓄積していることから、定性的な画像からの判断に留まらず、定量的な解析が可能である。Matsuhashi & Fujimakiら（原論文2）は、伝達関数法によるPETISデータの解析手法を開発し、光合成産物の転流速度の算出に成功し、効能と炭酸ガス環境下における応答研究への適用が可能であることを示した。
また、Kawachi（原論文3）らは、光合成の場である葉における炭素動態をコンパートメントモデルで書き表すことにより、従来の手法では計測できなかった葉内炭素動態の解析手法の開発を試みている。
コメント ：
植物ポジトロンイメージング技術は開発が始まってから10数年が経ち、植物内での物質動態を観察する手段から、植物が持つ機能を解析するためのツールへと進化しつつある。本技術は、今後益々重要となる、植物の機能を活用した食糧生産技術や環境浄化・保全技術の開発に大きく貢献すると考えられる。また、計測技術およびデータ解析技術の一層の高度化により、植物分野における分子イメージング手法をも実現できるものと考えられる。
原論文１ Data source 1：
A new visulalizaiton technique for the study of accumulation of photoassimilates in wheat grains using [11C]-CO2
S. Matsuhashi, S. Fujimaki, H. Uchida, S. Watanabe, N. S. Ishioka, A. Osa, S. Hashimoto, T. Sekine, K. Arakawa, T. Kume
Japan Atomic Energy Agency
Appl. Radiat. Isot., 64 (2006) 435-440
原論文２ Data source 2：
Quantitative modeling of photoassimilate flow in an intact plant with the Positron Emitting Tracer Imaging System (PETIS)
S. Matsuhashi, S. Fujimaki, K. Sakamoto, N. S. Ishioka, S. Dongmei, T. Kume
Japan Atomic Energy Agency
Soil Sci. Plant Nutr., 51 (2005) 417-423
原論文３ Data source 3：
Kinetic analysis of carbon-11-labeled carbon dioxide for studying photosynthesis in a leaf using positron emitting tracer imaging system
N. Kawachi, K. Sakamoto, S. Ishii, S. Fujimaki, N. Suzui, N. S. Ishioka, S. Matsuhashi
Japan Atomic Energy Agency
IEEE Transact. Nucl. Sci., 53 (2006) 2991-2997
参考資料１ Reference 1：
Uptake and transport of positron-emitting tracer (18F) in plants
T. Kume, S. Matsuhashi, M. Shimazu, H. Ito, T. Fujimura, K. Adachi, H. Uchida, N. Shigeta, H. Matsuoka, A. Osa, T. Sekine
Japan Atomic Energy Agency
Appl. Radiat. Isot., 48 (1997) 1035-1043
参考資料２ Reference 2：
A compact planar positron imaging system
H. Uchida, T. Okamoto, T. Ohmura, K. Shimizu, N. Satoh, T. Koike, T. Yamashita
Hamamatsu Photonics K. K.
Nucl. Instr. and Meth. A, 516 (2004) 564-574
参考資料３ Reference 3：
ポジトロンイメージングによる植物機能の可視化
大山卓爾、松橋信平
新潟大学
放射線と産業, 108 (2005) 26-32
参考資料４ Reference 4：
Quick and reversible inhibition of soybean root nodule growth by nitrate involves a decrease in sucrose supply to nodules
H. Fujikake, A. Yamazaki, N. Ohtake, K. Sueyoshi, S. Matsuhashi, T. Ito, C. Mizuniwa, T. Kume, S. Hashimoto, N. S. Ishioka, S. Watanabe, A. Osa, T. Sekine, H. Uchida, A. Tsuji, T. Ohyama
Niigata University
J. Exp. Bot., 54 (2003) 1379-1388
参考資料５ Reference 5：
Detection and characterization of nitrogen circulation through the sieve tubes and xylem vessels of rice plant
H. Hayashi, Y. Okada, H. Mano, T. Kume, S. Matsuhashi, N. S. Ishioka, H. Uchida, M. Chino
The University of Tokyo
T. Ando et al. (Eds.), Plnat nutrition - for sustainable food production and environment, Kluwer Academic Publishers, (1997) 141-145
参考資料６ Reference 6：
Analysis of nitrate absorption and transport in non-nodulated and nodulated soybean plants with 13NO3- and 15NO3-
T. Sato, N. Ohtake, T. Ohyama, N. S. Ishioka, S. Watanabe, A. Osa, T. Sekine, H. Uchida, A. Tsuji, S. Matsuhashi, T. Ito, T. Kume
Niigata University
RADIOISOTOPES, 48 (1999) 450-458
参考資料７ Reference 7：
13N-Nitrate uptake sites and rhizobium-infected region in a single root of common bean and soybean
H. Matsunami, Y. Arima, K. Watanabe, N. S. Ishioka, S. Watanabe, A. Osa, T. Sekine, H. Uchida, A. Tsuji, S. Matsuhashi, T. Itoh, T. Kume
Tokyo University of Agriculture and Technology
Soil Sci. Plant Nutr., 45 (1999) 955-962
参考資料８ Reference 8：
Rapid N transport to pods and seeds in N-deficient soybean plnats
N. Ohtake, T. Sato, H. Fujikake, K. Sueyoshi, T. Ohyama, N. S. Ishioka, S. Watanabe, A. Osa, T. Sekine, S. Matsuhashi, T. Ito, C. Mizuniwa, T. Kume, S. Hashimoto, H. Uchida, A. Tsuji
Niigata University
J. Exp. Bot., 52 (2001) 277-283
参考資料９ Reference 9：
Real time visualization of 13N-translocation in rice under different environmental conditions using positron emitting tracer imaging system
S. Kiyomiya, H. Nakanishi, H. Uchida, A. Tsuji, S. Nishiyama, M. Futatsubashi, H. Tsukada, N. S. Ishioka, S. Watanabe, T. Ito, C. Mizuniwa, A. Osa, S. Matsuhashi, S. Hashimoto, T. Sekine, S. Mori
The University of Tokyo
Plant Physiol., 125 (2001) 1743-1754
参考資料10 Reference 10：
Effects of anion channel blockers on xylem nitrate transport in barley seedlings
T. Kawachi, C. Nishijo, H. Fujikake, S. A-Latif, N. Ohtake, K. Sueyoshi, T. Ohyama, N. S. Ishioka, S. Watanabe, A. Osa, T. Sekine, S. Matsuhashi, T. Ito, C. Mizuniwa, T. Kume, S. Hashimoto, H. Uchida, A. Tsuji
Niigata University
Soil Sci. Plant Nutr., 48 (2002) 271-277
参考資料11 Reference 11：
Effects of anion channel blockers on xylem nitrate transport in barley seedlings
S. Mori, S. Kiyomiya, H Nakanishi, N. S. Ishioka, S. Watanabe, A. Osa, S. Matsuhashi, S. Hashimoto, T. Sekine, H. Uchida, S. Nishiyama, H Tsukada, A. Tsuji
The University of Tokyo
Soil Sci. Plant Nutr., 46 (2000) 975-979
参考資料12 Reference 12：
Light activates H215O flow in rice: Detailed monitoring using a positron-emitting tracer imaging system (PETIS)
S. Kiyomiya, H Nakanishi, H. Uchida, H. Tsukada, N. S. Ishioka, S. Watanabe, A. Osa, C. Mizuniwa, T. Ito, S. Matsuhashi, S. Hashimoto, T. Sekine, A. Tsuji, S. Mori
The University of Tokyo
Physiol. Plant., 113 (2001) 359-367
参考資料13 Reference 13：
H215O translocation in rice was enhanced by 10um 5-amino levulinic acid as monitored by positron emitting tracer imaging system (PETIS)
T. Tsukamoto, H. Uchida, H. Nakanishi, S. Nishiyama, H. Tsukada, S. Matsuhashi, N. K. Nishizawa, S. Mori
The University of Tokyo
Soil Sci. Plant Nutr., 50 (2004) 1085-1088
参考資料14 Reference 14：
Circadian rhythm in 15O-labeled water uptake manner of soybean plant by PETIS
T. M. Nakanishi, H. Yokota, K. Tanoi, J. Furukawa, N. Ikeue, Y. Ookuni, H. Uchida, A. Tsuji
The University of Tokyo
RADIOISOTOPES, 50 (2001) 163-168
参考資料15 Reference 15：
Comparison of 15O-labeled and 18F-labeled water uptake in a soybean plant by PETIS (positron emitting tracer imaging system)
T. M. Nakanishi, H. Yokota, K. Tanoi, N. Ikeue, Y. Ookuni, J. Furukawa, N. S. Ishioka, S. Watanabe, A. Osa, T. Sekine, S. Matsuhashi, T. Ito, T. Kume, H. Uchida, A. Tsuji
The University of Tokyo
RADIOISOTOPES, 50 (2001) 265-269
参考資料16 Reference 16：
18F used as tracer to study water uptake and transport imaging of a cowpea plant
T. M. Nakanishi, K. Tanoi, H. Yokota, D. J. Kang, R. Ishii, N. S. Ishioka, S. Watanabe, A. Osa, T. Sekine, S. Matsuhashi, T. Ito, T. Kume, H. Uchida, A. Tsuji
The University of Tokyo
J. Radioanal. Nuc. Chem., 249 (2001) 503-507
参考資料17 Reference 17：
Visualizing real time [11C]methionine translocation in Fe-sufficient and Fe-deficient barley using a positron emitting tracer imaging system (PETIS)
H. Nakanishi, N. Bughio, S. Matsuhashi, N. S. Ishioka, H. Uchida, A. Tsuji, A. Osa, T. Sekine, T. Kume, S. Mori
The University of Tokyo
J. Exp. Bot., 50 (1999) 637-643
参考資料18 Reference 18：
Real time [11C]methionine translocation in barley in relation to mugineic acid phytosiderophore biosynthesis
N. Bughio, H. Nakanishi, S. Kiyomiya, S. Matsuhashi, N. S. Ishioka, S. Watanabe, H. Uchida, A. Tsuji, A. Osa, T. Kume, S. Hashimoto, T. Sekine, S. Mori
The University of Tokyo
Planta, 213 (2001) 708-715
参考資料19 Reference 19：
Rice plants take up iron as an Fe3+-phytosiderophore and as Fe2+
Y. Ishimaru, M. Suzuki, T. Tsukamoto, K. Suzuki, M. Nakazono, T. Kobayashi, Y. Wada, S. Watanabe, S. Matsuhashi, M. Takahashi, H. Nakanishi, S. Mori, N. K. Nishizawa
The University of Tokyo
Plant J, 45 (2006) 335-346
参考資料20 Reference 20：
Mutational reconstructed ferric chelate reductase confers enhanced tolerance in rice to iron deficiency in calcareous soil
Y. Ishimaru, S. Kim, T. Tsukamoto, H. Oki, T. Kobayashi, S. Watanabe, S. Matsuhashi, M. Takahashi, H. Nakanishi, S. Mori, N. K. Nishizawa
The University of Tokyo
PNAS, 104 (2007) 7373-7378
参考資料21 Reference 21：
52Mn translocation in barley monitored using a positron-emitting tracer imaging system
T. Tsukamoto, H. Nakanishi, S. Kiyomiya, S. Watanabe, S. Matsuhashi, N. K. Nishizawa, S. Mori
The University of Tokyo
Soil Sci. Plant Nutr., 52 (2006) 717-725
参考資料22 Reference 22：
Biosynthesis and secretion of mugineic acid family phytosiderophores in zinc-deficient barley
M. Suzuki, M. Takahashi, T. Tsukamoto, S. Watanabe, S. Matsuhashi, J. Yazaki, M. Kishimoto, S. Kikuchi, H. Nakanishi, S. Mori, N. K. Nishizawa
The University of Tokyo
Plant J., 48 (2006) 85-97
参考資料23 Reference 23：
Effect of radiation-degaraded chitosan on plant stressed with vanadium
L. X. Tham, N. Nagasawa, S. Matsuhashi, N. S. Ishioka, T. Ito, T. Kume
Japan Atomic Energy Agency
Radiat. Phys. Chem., 61 (2001) 171-175
参考資料24 Reference 24：
植物のカドミウム吸収・輸送 -植物ポジトロンイメージング技術による可視化-
松橋信平
Japan Atomic Energy Agency
ISOTOPE NEWS, 634 (2007) 7-9
キーワード：ポジトロン放出核種、ポジトロン、消滅γ線、植物ポジトロンイメージング装置、PETIS、栄養成分、微量金属元素、環境汚染物、吸収、同化、輸送、蓄積、可視化、その場計測、定量計測、トレーサ、非侵襲
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分類コード：020501、020101