Stress tolerance mechanisms in trees from the viewpoints of xylem embolism and refilling

• Project/Area Number: 15H02450
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Forest science
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Fukuda Kenji 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 教授 (30208954)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 寺田 康彦 筑波大学, 数理物質系, 准教授 (20400640) ; 矢崎 健一 国立研究開発法人森林研究・整備機構, 森林総合研究所, 主任研究員 等 (30353890) ; 三木 直子 岡山大学, 環境生命科学研究科, 教授 (30379721) ; 内海 泰弘 九州大学, 農学研究院, 准教授 (50346839) ; 種子田 春彦 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (90403112) ; 伊藤 進一郎 三重大学, 生物資源学研究科, 招聘教授 (90092139)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥42,380,000 (Direct Cost: ¥32,600,000、Indirect Cost: ¥9,780,000); Fiscal Year 2019: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2018: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000); Fiscal Year 2017: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000); Fiscal Year 2016: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2015: ¥14,950,000 (Direct Cost: ¥11,500,000、Indirect Cost: ¥3,450,000)
• Keywords: MRI / クライオSEM / 乾燥ストレス / 凍結ストレス / 流速分布 / 非破壊観察 / 可視化 / 通水阻害 / 樹液流速分布 / キャビテーション / エンボリズム / 再充填 / 樹液流速 / 貯水 / マイクロX線CT / 木部 / 木部構造 / X線CT / 凍結融解 / リフィル / 木部組織 / 壁孔 / 萎凋病 / 道管 / 仮道管 / 凍結

Outline of Final Research Achievements

Dysfunction of xylem water conduction in trees under biotic (drought and freeze-thaw) and abiotic (wilt disease) stresses and recovery from it were examined by undestructive observation by MRI and anatomical studies. Artefactual embolism and refilling in sampling for hydraulic measurements were observed by MRI and new sampling methods for avoiding them was established. New methods for sap velocity mapping by MRI were established: modified QSI method was applied to a mature zelkova tree and PSI method was applied for tree seedlings. Pit aspiration caused by freezing was discovered as a new mechanism of hydraulic dysfunction in subalpine conifer xylem in winter.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ストレスによる木部通水阻害は、樹木の生育限界や森林の衰退枯死を決定する重要な生理学的プロセスであるが、従来は直接観察することが困難で、切枝を用いた通水測定によって評価されていた。MRIを用いた非破壊観察によって、従来の測定手法におけるアーティファクトの発生を抑える手法を確立したこと、実際の樹木内部の樹液流速分布をMRIにより可視化する手法を確立したことは、今後の樹木生理学的研究の基礎となる。また森林限界付近に分布する亜寒帯針葉樹の凍結ストレスによる通水阻害メカニズムとして、従来のエンボリズムとは異なる壁孔閉鎖というメカニズムが働いていることを発見した。

Research Products

• [Journal Article] Preferential freezing avoidance localized in anthers and embryo sacs in wintering Daphne kamtschatica var. jezoensis flower buds visualized by MRI (2022)
  • Author(s): Ishikawa M, Ide H, Tsujii T, Stait-Gardner T, Kubo H, Matsushita N, Fukuda K, Price W, Arata Y
  • Journal Title: Plant Cell and Environment Volume: in press Issue: 7 Pages: 2109-2125
  • DOI: 10.1111/pce.14255
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Imperforate tracheary elements and vessels alleviate xylem tension under severe dehydration: insights from water release curves for excised twigs of three tree species (2020)
  • Author(s): Yazaki K, Levia DF, Watanabe M, Kabeya D, Miki N, Taneda H, Ogasa MY, Oguro M, Saiki S, Tobita H,Fukuda K
  • Journal Title: American Journal of Botany Volume: 107 (8) Issue: 8 Pages: 1122-1135
  • DOI: 10.1002/ajb2.1518
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dynamics of xylem and phloem sap flow in an outdoor zelkova tree visualized by magnetic resonance imaging (2019)
  • Author(s): Terada Y, Horikawa Y, Nagata A, Kose K, Fukuda K
  • Journal Title: Tree Physiology Volume: 40 Issue: 3 Pages: 290-304
  • DOI: 10.1093/treephys/tpz120
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Short-time xylem tension relaxation prevents vessel refilling and alleviates cryo-fixation artifacts in diffuse-porous Carpinus tschonoskii and Cercidiphyllum japonicum (2019)
  • Author(s): Ogasa MY, Yazaki K, Utsumi Y, Miki NH, Fukuda K
  • Journal Title: Tree Physiology Volume: 39 Issue: 10 Pages: 1685-1695
  • DOI: 10.1093/treephys/tpz072
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 千葉市の東京湾岸地域における 2011 年および 2018 年の台風による都市樹木の潮風害 (2019)
  • Author(s): 福田健二
  • Journal Title: 樹木医学研究 Volume: 23 Pages: 215-224
  • NAID: 130008001802
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Suppression of growth and death of meristematic tissues in Abies sachalinensis under strong shading: comparisons between the terminal bud, the terminally lateral bud and the stem cambium (2018)
  • Author(s): Yasuda, Y., Utsumi, Y., Tan, X., Tashiro, N., Fukuda, K. and Koga, S.
  • Journal Title: Journal of Plant Research Volume: 131 Issue: 5 Pages: 817-825
  • DOI: 10.1007/s10265-018-1051-8
  • NAID: 40021652442
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Changes in quantity, morphology and nitrogen content of fine roots with stand development in a subalpine fir-wave forest (2018)
  • Author(s): Ugawa Shin、Miura Satoru、Hashimoto Shoji、Iwamoto Kojiro、Fukuda Kenji
  • Journal Title: Journal of Forest Research Volume: 23 Issue: 6 Pages: 336-345
  • DOI: 10.1080/13416979.2018.1516919
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Seasonal changes in the occurrence of embolisms among broad-leaved trees in a temperate region (2018)
  • Author(s): Umebayashi T and Fukuda K
  • Journal Title: Botany Volume: 96 Issue: 12 Pages: 873-881
  • DOI: 10.1139/cjb-2018-0145
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cessation of annual apical growth and partial death of cambium in stem of Abies sachalinensis under intensive shading (2018)
  • Author(s): Yasuda, Y., Utsumi, Y., Tashiro, N., Koga, S., Fukuda, K.
  • Journal Title: Journal of Plant Research Volume: 131 Issue: 2 Pages: 261-269
  • DOI: 10.1007/s10265-017-0984-7
  • NAID: 40021495017
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] In situ observation of pinewood nematode in wood (2017)
  • Author(s): Umebayashi, T., Yamada, T., Fukuhara, K., Endo, R., Kusumoto, D., Fukuda, K.
  • Journal Title: European Journal of Plant Pathology Volume: 147 Issue: 2 Pages: 463-467
  • DOI: 10.1007/s10658-016-1013-8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 人為低温処理による茶樹の裂傷発生機構に関する一考察 (2017)
  • Author(s): 高橋淳・中島健太・平川雅文・福田健二
  • Journal Title: 茶業研究報告 Volume: 124 Pages: 1-7
  • NAID: 130007779370
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 都市の環境と街路樹のストレス応答 (2017)
  • Author(s): 田中（小田）あゆみ・福田健二
  • Journal Title: 樹木医学研究 Volume: 21 Pages: 44-47
  • NAID: 130006327328
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] patial distribution of xylem embolisms in the stems of Pinus thunbergii at the threshold of fatal drought stress (2016)
  • Author(s): Umebayashi, T., Morita, T., Utsumi, Y., Kusumoto, D., Yasuda, Y., Haishi, T., Fukuda, K.
  • Journal Title: Tree Physiology Volume: 36 Issue: 10 Pages: 1210-1218
  • DOI: 10.1093/treephys/tpw050
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Differences in drought- and freeze-induced embolisms in deciduous ring-porous plant species in Japan (2016)
  • Author(s): Umebayashi, T., Utsumi, Y., Koga, S., Murata, I., Fukuda, K.
  • Journal Title: Planta Volume: 244 Issue: 3 Pages: 753-760
  • DOI: 10.1007/s00425-016-2564-9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cutting stems before relaxing xylem tension induces artefacts in Vitis coignetiae, as evidenced by magnetic resonance imaging (2016)
  • Author(s): Mayumi Ogasa, Yasuhiro Utsumi, Naoko Miki, Kennichi Yazaki, Kenji Fukuda
  • Journal Title: Plant, Cell and Environment Volume: 39 Issue: 2 Pages: 329-337
  • DOI: 10.1111/pce.12617
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Measurements for hydraulic conductance of a root, a stem and a leaf (2016)
  • Author(s): 種子田春彦、大條弘貴、大塚晃弘
  • Journal Title: JAPANESE JOURNAL OF ECOLOGY Volume: 66 Issue: 2 Pages: 447-464
  • DOI: 10.18960/seitai.66.2_447
  • NAID: 130005406236
  • ISSN: 0021-5007, 2424-127X
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Freezing xylem conduits with liquid nitrogen creates artifactual embolisms in water-stressed broadleaf trees (2015)
  • Author(s): Toshihiro Umebayashi, Mayumi Y. Ogasa, Naoko H. Miki, Yasuhiro Utsumi, Tomoyuki Haishi & Kenji Fukuda
  • Journal Title: Trees Volume: 30 Issue: 1 Pages: 305-316
  • DOI: 10.1007/s00468-015-1302-4
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] カツラのエンボリズム発生・回復過程における水分通導の可視化 (2020)
  • Author(s): 平川雅文・松下範久・福田健二・寺田康彦
  • Organizer: 第131回日本森林学会大会
• [Presentation] 高分解能MRIを用いた植物の凍結様式の非破壊３D可視化解析 (2020)
  • Author(s): 石川雅也・Stait-Gardner T・久保光・松下範久・福田健二・朽津和幸・Price WS
  • Organizer: 第65回低温生物工学会
• [Presentation] チシマザサにおける氷核活性物質の探索 (2020)
  • Author(s): 久保光，石川雅也， 松下範久， 福田健二
  • Organizer: 第131回日本森林学会
• [Presentation] MRIを用いた植物の凍結過程非破壊可視化法の開発 (2019)
  • Author(s): 石川雅也・Stait-Gardner T・村川裕基・山崎秀幸・朽津和幸・福田健二・Price WS
  • Organizer: 第83回植物学会大会
• [Presentation] 高分解能MRIを用いた植物の凍結過程非破壊可視化法の開発 (2019)
  • Author(s): 石川雅也・Stait-Gardner T・村川裕基・山崎秀幸・朽津和幸・福田健二・Price WS
  • Organizer: 第64回低温生物工学会
• [Presentation] 強度被陰環境におけるトドマツ茎頂分裂組織と形成層の成長抑制 (2019)
  • Author(s): 内海泰弘・安田悠子・談嫻芳・田代直明・福田健二・古賀信也
  • Organizer: 第130回日本森林学会大会
• [Presentation] コンパクトMRIを用いた樹幹内水分布の非破壊的観察手法の多樹種への適用 (2019)
  • Author(s): 小笠真由美・平川雅文・市原優・矢崎健一・飛田博順・福田健二
  • Organizer: 第130回日本森林学会大会
• [Presentation] MRIを用いたエンボリズムの発生・回復過程における水分通導の可視化 (2019)
  • Author(s): 平川雅文・松下範久・福田健二・寺田康彦
  • Organizer: 第130回日本森林学会大会
• [Presentation] MRI を用いた屋外樹木の樹液流イメージング：広葉樹と針葉樹の比較 (2018)
  • Author(s): 堀川友輔・福田 健二・寺田康彦
  • Organizer: 第22回NMRマイクロイメージング研究会
• [Presentation] ケヤキ苗における主幹の樹液流速分布と枝の関係 (2018)
  • Author(s): 平川雅文・松下範久・福田健二・寺田康彦
  • Organizer: 樹木医学会第23回大会
• [Presentation] 亜高山帯性常緑針葉樹 シラビソ Abies veitchii の越冬戦略― 枝における冬の通水阻害とその回復 ― (2018)
  • Author(s): 種子田春彦・小笠真由美・矢崎健一・宮沢良行・丸田恵美子
  • Organizer: 第82回日本植物学会大会
• [Presentation] コンパクト MRI を用いた苗木樹幹の木部樹液流速分布の日変化測定 (2018)
  • Author(s): 平川雅文・松下範久・福田健二・寺田康彦
  • Organizer: 第129回日本森林学会大会
• [Presentation] 梅林利弘・福田健二・内海泰弘・楠本 大・佐野雄三 (2018)
  • Author(s): 梅林利弘・福田健二・内海泰弘・楠本 大・佐野雄三
  • Organizer: 第129回日本森林学会大会
• [Presentation] 亜高山帯性常緑針葉樹シラビソAbies veitchii の越冬戦略― 枝における冬の通水阻害とその回復― (2018)
  • Author(s): 種子田春彦，小笠 真由美，矢崎健一，宮沢良行，丸田 恵美子
  • Organizer: 日本植物学会第82回大会
• [Presentation] Influence of temperature drift on flow measurements (2018)
  • Author(s): 堀川友輔，寺田康彦
  • Organizer: 第46回日本磁気共鳴医学会大会
• [Presentation] MRI を用いた屋外樹木の樹液流イメージング：広葉樹と針葉樹の比較 (2018)
  • Author(s): 堀川友輔，福田健二，寺田康彦
  • Organizer: 第22回NMRマイクロイメージング研究会
• [Presentation] コンパクトMRIを用いた樹幹の樹液流速分布の日変化測定 (2018)
  • Author(s): 平川雅文・市橋隆自・福田健二・寺田康彦
  • Organizer: 樹木医学会第22回大会
• [Presentation] コンパクトMRIを用いた樹幹の樹液流速分布の可視化 (2017)
  • Author(s): 平川雅文・長田晃佳・寺田康彦・福田健二
  • Organizer: 第128回日本森林学会大会
• [Presentation] マツノザイセンチュウからの簡易RNA 抽出法 (2017)
  • Author(s): 田中克・横井寿郎・神崎菜摘・福田健二
  • Organizer: 第128回森林学会大会
• [Presentation] 広葉樹の乾燥ストレスによる通水コンダクタンスの低下と回復のメカニズム (2017)
  • Author(s): 新村ゆい・矢崎健一・平川雅文・福田健二
  • Organizer: 第128回森林学会大会
• [Presentation] 亜高山帯針葉樹シラビソで冬季にみられるの枝木部の通水阻害は枝齢に依存する (2016)
  • Author(s): 大條弘貴・大塚晃弘・種子田春彦・小笠真由美・矢崎健一・丸田恵美子
  • Organizer: 第63回日本生態学会大会
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-03-21
• [Presentation] 0.2T永久磁石MRIを用いた屋外樹木中の水輸送計測 (2016)
  • Author(s): 長田晃佳， 福田健二， 巨瀬勝美， 寺田康彦
  • Organizer: 日本NMR学会大会
• [Presentation] コンパクトMRIを用いた位相法による樹幹の樹液流速分布の可視化 (2016)
  • Author(s): 平川雅文・長田晃佳・寺田康彦・福田健二
  • Organizer: 樹木医学会第21回大会
• [Presentation] 落葉環孔材樹種における乾燥および凍結ストレスにともなう通水阻害発生パターンの違い (2016)
  • Author(s): 梅林利弘， 福田健二
  • Organizer: 日本植物学会第80回大会
• [Presentation] 永久磁石MRIを用いた屋外樹木内樹液の流速測定(II) (2016)
  • Author(s): 長田晃佳， 福田健二， 巨瀬勝美， 寺田康彦
  • Organizer: NMRマイクロイメージング研究会
• [Presentation] 落葉広葉樹における木部通水機能の回復と樹体の生理活性 (2016)
  • Author(s): 粟飯原友・三木直子・小笠真由美
  • Organizer: 第63回日本生態学会大会
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県仙台市）
• [Presentation] Respiration and anatomical analysis of Moso bamboo culms (2016)
  • Author(s): Megan E. Uchida, Ayumi Katayama, Yasuhiro Utsumi, Shinya Koga, Kyoichi Otsuki,
  • Organizer: 第63回日本生態学会大会
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県仙台市）
• [Presentation] The significant difference in hydraulic vulnerability to drought-stress-induced embolisms between two widely planted Japanese conifers (2016)
  • Author(s): Toshihiro Umebayashi, Toshimitsu Morita, Kenji Fukuda, Yasuhiro Utsumi, Daisuke Kusumoto
  • Organizer: 第63回日本生態学会大会
  • Place of Presentation: 東北大学（宮城県仙台市）
• [Presentation] モウソウチク稈における組織構造と呼吸速度の年変動 (2016)
  • Author(s): 内田詠子メガン・片山歩美・古賀信也・大槻恭一・内海泰弘
  • Organizer: 第66回日本木材学会大会
  • Place of Presentation: 名古屋大学（愛知県名古屋市）
• [Presentation] 超小型X線源を用いた立木用X線CT検査装置の開発 (2016)
  • Author(s): 古賀信也・内海泰弘・鈴木良一・加藤英俊・岡野哲郎・池田武文・大澤昌巳
  • Organizer: 第66回日本木材学会大会
  • Place of Presentation: 名古屋大学（愛知県名古屋市）
• [Presentation] コンパクトMRIを用いた樹幹中の水分のADCマッピング (2016)
  • Author(s): 平川雅文・長田晃佳・小笠真由美・福田健二
  • Organizer: 第127回日本森林学会大会
  • Place of Presentation: 日本大学（神奈川県藤沢市）
• [Presentation] 森林限界のオオシラビソにおける冬季エンボリズムの発生メカニズム (2016)
  • Author(s): 丸田恵美子・矢崎健一・小笠真由美・大條弘貴・大塚晃弘・種子田春彦
  • Organizer: 第127回日本森林学会大会
  • Place of Presentation: 日本大学（神奈川県藤沢市）
• [Presentation] フラットベッドスキャナと ImageJ 画像解析システムを用いたスギ心材色の簡易評価 (2015)
  • Author(s): 永井智・内海泰弘・矢崎健一
  • Organizer: 木材加工技術協会第33回年次大会
  • Place of Presentation: 北海道大学（北海道札幌市）
• [Book] 新しい生物科学 第8章 植物の形態と機能 (2018)
  • Author(s): 弥益恭・中尾啓子・野口航編
  • Total Pages: 208
  • Publisher: 培風館
  • ISBN: 4563078247
• [Book] マツの絵本 (2016)
  • Author(s): 福田健二（編）
  • Total Pages: 40
  • Publisher: 農文協
• [Remarks] 創成27 Frotier Sciences 6 「樹木の内部をMRIで診る」
  • URL: http://www.k.u-tokyo.ac.jp/renewal/sousei/sousei_pdf/part/sousei27_12.pdf