放射線利用技術データベースのメインページへ
作成： 1999/10/31 松橋 信平
データ番号 ：040175
植物機能計測用ポジトロンイメージング装置
目的 ：植物用ポジトロンイメージング装置を用いた計測法とその応用
放射線の種別 ：陽電子
放射線源 ：ポジトロン放出核種(非密封RI)
利用施設名 ：日本原子力研究所 高崎研究所 イオン照射研究施設
応用分野 ：植物生理学、植物栄養学
概要 ：
ポジトロンイメージング装置は、生きた植物内での物質の移行や分布を非破壊でかつ経時的に計測するための新しい計測装置で、様々なポジトロン放出核種で標識した化合物を用いることにより、目的とする植物機能の変化を物質の流れの変化として捕らえるために利用され、植物生理学や植物栄養学の研究に威力を発揮している。
詳細説明 ：
植物内の物質移行を検出する方法として、放射性同位元素(RI)を用いた計測技術が開発され、利用されている。
RIの計測技術は2つに大別できる。ひとつはラジオオートグラフィーに代表されるRIの二次元分布計測技術で、もうひとつは物質の量的変化を捕らえるためのRIの経時計測技術である。二次元分布計測で画像を得るためには、試料と感光体フィルムを密着あるいは圧着させ、露光のための時間も必要となる。従って、計測後の試料を再び元の状態で用いることは不可能であり、経時的な計測は困難となる。一方、RIの経時計測は葉から葉、根、実といった大きな組織間での量的な変化は計測できるが、1枚の葉の中での分布といった細かい情報は得られない。
日本原子力研究所と浜松ホトニクス(株)が共同で開発した植物計測用ポジトロンイメージング装置は、RIの二次元分布計測と経時計測を組み合わせた全く新しいRI計測装置である。ポジトロンイメージングでは、ポジトロン放出核種標識化合物をトレーサーとして利用する。計測では、ポジトロン放出核種に由来するポジトロン(陽電子)が電子と結合して消滅する際に発生する2本の消滅ガンマ線(180°反対方向に2本同時に発生する)を対向配置した二次元入射位置検出器で検出し、それぞれの検出器上の入射地点を直線で結んだ中点がポジトロンの消滅位置、即ちポジトロン放出核種の存在位置であるとし、この情報より二次元画像を構築する。
植物計測用ポジトロンイメージング計測により得られるイメージ画像の品質は、装置に用いられているシンチレータの大きさや配置、対向する検出器間の距離などの影響を受ける。
これらの計測装置としての特性に関しては、内田らが検討を加えている。植物への投与を前提としたポジトロン標識化合物の製造は、医療用に用いられているPETの方法に準じているが、投与の方法や必要となる放射能量などが異なるため、ポジトロン標識化合物の製造について石岡らが検討を行っている。
ポジトロン標識化合物の応用例としては11C-二酸化炭素を用いた光合成機能の研究、11C-メチオニンを用いたアミノ酸の転流・代謝の研究、13N-硝酸、13N-アンモニアを用いた窒素源の吸収に関する研究、15O-H2Oや18Fを用いた蒸散に関する研究、18F-グルコースを用いた糖代謝の研究などがあり、最近では48Vのような金属元素についても研究への利用が始まっている。
11C標識化合物を用いた計測事例としては、松橋らが11C-二酸化炭素を用いてコムギでの光合成産物の移行計測を行い、コムギの穂についている一粒一粒の種子への光合成産物の流れ込み過程の画像化に成功している。松橋らは光合成産物の移行に関しては、植物全体だけではなく一部の組織の光環境もその移行に影響を与えている可能性があることを指摘している。
図1 コムギの穂の各種子への光合成産物移行計測(PETISによる11Cのイメージング（原論文1より引用）
中西らは、11C-二酸化炭素より合成して得た11C-メチオニンを鉄欠乏状態のオオムギの葉から投与し、ムギネ酸の前駆体であるメチオニンは、先ず葉と根の付け根付近にあるディスクリミネーション・センターと呼ばれる部位へ集積し、そこからの再分配によりクロロシスを呈している葉へ1時間ほどで移行するが、ムギネ酸合成の場である根へはほとんど移行しないことを明らかにしている。
図2 11C-メチオニンのディスクリミネーション・センターへの移行過程の画像化 (Time-course study of the translocation of [11C]methionine into the 'discrimination centre' from a leaf tip in Fe-deficient barley.) （原論文2より引用。 Reproducedd, with permission of the copyrighter, from H.Nakanishi et al., J. Exper. Botany, vol.50, No.334, 637 (1999), Figure 2 (Data source 2, pp.639), Copyright (1999) by Oxford University Press. ）
18F-水溶液の半減期は110分と長いため、半減期が短い15O-H2Oに代わる標識化合物として植物中の水の挙動を知るために有効な化合物である。久米らは、18F-水溶液を用いた計測について検討を加え、放射線照射したダイズでの水の吸上げ能力の低下を計測し、ダイズの葉では80Gyの照射により水の吸い上げが著しく低下する様子の画像化に成功している。また、中西は18F-水溶液を用いてササゲの耐乾性に関する研究を行い、茎に吸水活性の高い貯水組織があることがササゲの耐乾性に寄与していることを明らかにしている。
図3 乾燥処理前後でのササゲおよびインゲンにおける水分吸収動態（原論文3より引用）
これ以外にも、林らは13N-硝酸を用いてイネにおける窒素源としての硝酸の吸収機構を解明する研究で、短時間での吸収・移行機構があることを明らかにしている。
このように、植物用のポジトロンイメージング装置による計測手法はほぼ確立されたと考えられる。松橋らは、さらに定量的な計測を行うための手法についても検討を加えており、植物についての基礎的な研究はもとより、植物を食糧資源確保や環境保全に利用方法を開発するための研究など、幅広い分野での利用が予測される。
コメント ：
二次元での植物ポジトロンイメージング技術は、画医学の分野ですでに利用されているPET (positron emittion tomography)を応用したもので、ポジトロンイメージング装置(PETIS)は、これまで困難だった植物内の物質の移行を、非破壊、即ち植物を殺すことなくリアルタイムで画像化出来る点で画期的な計測装置といえる。この装置の開発により、植物の代謝機能の変化に伴って生じる物質の移行・分布が変化する様子を直接計測・解析することが可能となり、植物生理学や植物栄養学などの分野で新しい計測手法として極めて高い注目を浴びている。
原論文１ Data source 1：
ポジトロン放出核種を用いた植物生体機能解明研究 - 11CO2を用いた光合成産物移行への環境の影響 -
松橋 信平、伊藤 岳人、久米 民和、石岡 典子、渡辺 智、長 明彦、関根 俊明、内田 博*)、辻 淳憲2*)
〒370-1292 高崎市綿貫町1233 日本原子力研究所; *)〒434-8601 浜北市平口5000 浜松ホトニクス株式会社 中央研究所； 2*)〒300-2635 つくば市東光台5-9-2 浜松ホトニクス株式会社 つくば研究所
第7回TIARA研究発表会要旨集 (1998年6月16-17日、高崎), p. 122-123 (1998)
原論文２ Data source 2：
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.Ishioka2*), H.Uchida3*), A.Tsuji3*), A.Osa2*), T.Sekine2*), T.Kume*) and S.Mori
Laboratory of Plant Molecular Physiology, Department of Applied Biological Chemistry, The University of Tokyo, 1-1-1 Yayoi, Bunkyo-ku, Tokyo 113-8657
*)Takasaki Radiation Chemistry Research Establishment, Japan Atomic Energy Research Institute, 1233 Watanuki, Takasaki, Gumma 370-1292
2*)Department of Radioisotopes, Japan Atomic Energy Research Institute, 1233 Watanuki, Takasaki, Gumma 370-1292
3*)Central Research Laboratory, Hamamatsu Photonics Co., Hirakuchi 5000, Hamakita, Shizuoka 434-8601
Journal of Experimental Botany, Vol. 50, No. 334, 637-643 (1999)
原論文３ Data source 3：
18F:耐乾植物ササゲにおける水の挙動
中西 友子
東京都文京区弥生 東京大学大学院 農学生命化学研究科
放射線と産業, No. 80, p. 21-25 (1998)
参考資料１ Reference 1：
植物計測用ポジトロンイメージング装置
内田 博、大村 知秀、鈴木 寿博、辻 淳憲、山下 貴司、藤村 卓*)、松橋 信平*)、久米 民和*)
〒434-8601 浜北市平口5000 浜松ホトニクス株式会社 中央研究所
*)〒370-1292 高崎市綿貫町1233 日本原子力研究所 高崎研究所
放射線と産業, No. 80, p. 6-10 (1998)
参考資料２ Reference 2：
A new two-dimensional angular correlation of annihilation radiation apparatus using positron-sensitive photomultiplier tubes
Y.Nagai, H.Saito, T.Iwata, Y.Nagashima, T.Hydoo, H.Uchida*), T.Omura*)
Institute of Physics, College of Arts and Sciences, University of Tokyo, 3-8-1 Komaba, Meguroku, Tokyo 153
*)Central Research Laboratory, Hamamatsu Photonics Co., 5000 Hirakuchi, Hamakita, Shizuoka 434
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A 378, p. 629-632 (1996)
参考資料３ Reference 3：
AVFサイクロトロンによる植物研究用ポジトロン放出核種標識化合物の製造
石岡 典子
日本原子力研究所 東海研究所
放射線と産業, No. 80, p. 11-15 (1998)
参考資料４ Reference 4：
Production of positron emitters and application of their labeled compounds to plant studies
N.S.Ishioka, H.Matsuoka, S.Watanabe, A.Osa, M.Koizumi, T.Kume, S.Matsuhashi, T.Fujimura, A.Tsuji*), H.Uchida*), T.Sekine
Japan Atomic Energy Research Institute, Takasaki, Gumma 370-12
*)Central Research Laboratory, Hamamatsu Photonics Co., Hamakita, Shizuoka , (1999)
参考資料５ Reference 5：
Detection and characterization of nitrogen circulation through the sieve tubes and xylem vessels of rice plants
H.Hayashi, Y.Okada, H.Mano, T.Kume*), S.Matsuhashi*), N.Ishioka*), H.Uchida2*) and M.Chino
Department of Applied Biological Chemistry, Graduated School of Agricultural and Life Science, The University of Tokyo, Bunkyo-ku, Tokyo 113
*)Japan Atomic Energy Research Institute, 1233 Watanuki, Takasaki, Gumma 370-1292
2*)Central Research Laboratory, Hamamatsu Photonics Co., Hirakuchi 5000, Hamakita, Shizuoka 434-8601
T.Ando et al., (Eds.), Plant nutrition - for sustainable food production and environment. p. 141-145 (1997)
参考資料６ Reference 6：
Uptake and Transport of Positron-emitting Tracer (18F) in Plants
T.Kume, S.Matsuhashi, M.Shimazu, H.Ito, T.Fujimura, K.Adachi*), H.Uchida2*), N.Shigeta3*), H.Matsuoka3*), A.Osa3*) and T.Sekine3*)
Takasaki Radiation Chemistry Research Establishment, Japan Atomic Energy Research Institute, Watanuki 1233, Takasaki, Gunma 370-1292
*)JGC Corporation, Oarai, Ibaraki 311-13
2*)Central Research Laboratory, Hamamatsu Photonics Co., Hirakuchi 5000, Hamakita, Shizuoka 434-8603,
3*)Department of Radioisotopes, Japan Atomic Energy Research Institute, Watanuki 1233, Takasaki, Gunma 370-1292
Appl. Radiat. Isot., Vol. 48, p. 1035-1043 (1997)
参考資料７ Reference 7：
Uptake and transport of positron-emitting tracer in irradiated plants
T.Kume, S.Matsuhashi, M.Shimazu, H.Ito, H.Uchida*), A.Tsuji*), N.Shigeta2*), H.Matsuda2*), A.Osa2*) and T.Sekine2*)
Takasaki Radiation Chemistry Research Establishment, Japan Atomic Energy Research Institute, 1233 Watanuki, Takasaki, Gumma 370-1292
*)Central Research Laboratory, Hamamatsu Photonics Co., Hirakuchi 5000, Hamakita, Shizuoka 434-8601
2*)Department of Radioisotopes, Japan Atomic Energy Research Institute, 1233 Watanuki, Takasaki, Gumma 370-1292
T. Ando et al. (Eds.), Plant nutrition - for sustainable food production and environment. p. 169-170 (1997)
参考資料８ Reference 8：
Quantitative analysis method in positron emitting tracer imaging system for plants
S.Matsuhashi, T.Ito, C.Mizuniwa, T.Fujimura, S.Hashimoto, N.S.Ishioka, S.Watanabe, A.Osa, T.Sekine, H.Uchida*), A.Tsuji*)
Takasaki Radiation Chemistry Research Establishment, Japan Atomic Energy Research Institute, 1233 Watanuki, Takasaki, Gumma 370-1292,
*)Central Research Laboratory, Hamamatsu Photonics Co., 5000 Hirakuchi, Hamakita, Shizuoka 434-8601
JAERI-Review, 99-025, TIARA Annual Report, 1998, p. 62-64 (1999)
キーワード：ポジトロン放出核種、ポジトロン標識化合物、消滅ガンマ線、ポジトロンイメージング、ポジトロンイメージング装置(PETIS)、非破壊計測、二次元分布
positron emitting tracer, positron emitting tracer labeled compound, annihilation gamma ray, positron imaging, positron emitting tracer imaging system (PETIS), nondestructive measurement, two-dimensional distribution
分類コード：020501、040203、040303
放射線利用技術データベースのメインページへ