Direct molecular mapping of the intermediates in lignin biosynthesis by stable isotope tracer method

• Project/Area Number: 18208016
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: 林産科学・木質工学
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: FUKUSHIMA Kazuhiko Nagoya University, 大学院・生命農学研究科, 教授 (80222256)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): IMAI Takanori 名古屋大学, 大学院・生命農学研究科, 准教授 (20252281) ; MATSUSHITA Yasuyuki 名古屋大学, 大学院・生命農学研究科, 准教授 (60335015)
• Project Period (FY): 2006 – 2008
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2008)
• Budget Amount: ¥44,200,000 (Direct Cost: ¥34,000,000、Indirect Cost: ¥10,200,000); Fiscal Year 2008: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000); Fiscal Year 2007: ¥14,170,000 (Direct Cost: ¥10,900,000、Indirect Cost: ¥3,270,000); Fiscal Year 2006: ¥23,400,000 (Direct Cost: ¥18,000,000、Indirect Cost: ¥5,400,000)
• Keywords: 樹木 / 細胞壁 / リグニン / 同位体 / 質量分析 / 二次代謝物

Research Abstract

リグニン形成の制御機構を前駆物質の貯蔵と輸送という動的な観点から捉え、モノリグノールの貯蔵と供給機構に着目し、細胞レベルで解明することを目的とした。安定同位体トレーサー法によるリグニン生合成中間物質の選択的な標識と飛行時間型二次イオン顕微質量分析(ToF-SIMS)による分子マッピングを組み合わせて、分子レベルの情報と組織レベルの情報を同時に入手することができるのが本研究の特徴である。
(ToF-SIMS)による分子マッピングを組み合わせて、分子レベルの情報と組織レベルの情報を同時に入手することができるのが本研究の特徴である
まず、細胞レベルでの細胞壁成分の顕微レベルでの分子マッピングを可能にするための技術開発を行った。樹木木部細胞壁におけるシリンギル、グアイアシルリグニンのマッピング手法を確立するため、カエデを用いて、飛行時間型二次イオン質量分析を行った。その結果、シリンギルリグニンとグアイアシルリグニンの細胞壁中での分布を正確に可視化する手法を開発した。化学分解法や組織化学的手法とデータを比較検討することにより、本法の妥当性を証明するとともに、顕微領域における定量分析も可能とした。心材成分の樹幹内での分布も細胞レベルで可視化することに成功した。このことは、リグニン生合成中間体である低分子フェノール性化合物の選択的なマッピングにも適用できることを示した。
次に、リグニン生合成代謝中間物質の細胞内分布を明らかにするため、モノリグノールグルコシドのToF-SIMS を用いた解析法を確立した。LC-MS とToF-SIMS 分析を組み合わせることにより、配糖体の定性・定量分析を行った。また、特定の位置を13C で標識した前駆物質(コニフェリン)を合成し、イチョウ切り枝に投与した。一定期間代謝させた後、新生木部を採取し、標識前駆物質からリグニンへの取り込みを解析した。

Research Products

• [Journal Article] 法隆寺の古材はいつ伐採されたか-TOF-SIMS の古材伐採年推定への適用- (2008)
  • Author(s): 齋藤香織, 光谷拓実, 福島和彦
  • Journal Title: 表面科学 29(12) Pages: 777-781
  • NAID: 10024407889
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] TOF-SIMS の植物細胞壁化学への応用 (2008)
  • Author(s): 齋藤香織, 福島和彦
  • Journal Title: 植物化学調節学会誌「植物の生長調節」 43(2) Pages: 156-163
  • NAID: 110007007939
• [Journal Article] Discriminating the indistinguishable sapwood from heartwood in discoloured ancient wood by direct molecular mapping of specific extractives using ToF-SIMS (2008)
  • Author(s): Takanori Imai, Yasuyuki Matsushita, Kazuhiko Fukushima
  • Journal Title: Analytical Chemistry 80 Pages: 1552-1557
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] sapwood and heartwood of Chamaecyparis obtusa detected by ToF-SIMS (2008)
  • Author(s): Kaori Saito, Takumi Mitsutani, Takanori Imai, Yasuyuki Matsushita, Akira Yamamoto, and Kazuhiko Fukushima
  • Journal Title: Applied Surface Science 255 Pages: 1088-1097
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Application of ToF-SIMS to the study on herartwood formation in Cryptomeria japonica tree (2008)
  • Author(s): Katsushi Kuroda, Takanori Imai, Kaori Saito, Toshiyuki Kato, and Kazuhiko Fukushima
  • Journal Title: Applied Surface Science 255 Pages: 1143-1147
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mapping of the cationic starch adsorbed on pulp fibers by ToF-SIMS (2008)
  • Author(s): Yasuyuki Matsushita, Ayumi Suzuki, Takuya Sekiguchi, Kaori Saito, Takanori Imai, and Kazuhiko Fukushima
  • Journal Title: Applied Surface Science 255 Pages: 1022-1024
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Simulation of SIMS for monomer and dimer of lignin under the assumption of thermal decomposition using QMD method (2008)
  • Author(s): Kenichi Kato, Kazunaka Endo, Daisuke Matsumoto, Tomonori Ida, Kaori Saito, Kazuhiko Fukushima, and Nobuhiko Kato
  • Journal Title: Applied Surface Science 255 Pages: 1040-1043
  • NAID: 120001019944
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fragment distribution of thermal decomposition for lignin monomer by QMD calculations using the excited and charged model molecules (2008)
  • Author(s): Kazunaka Endo, Daisuke Matsumoto, Kenichi Kato, Yusuke Takagi, Tomonori Ida, Motohiro Mizuno, Kaori Saito, Kazuhiko Fukushima, and Nobuhiko Kato
  • Journal Title: Applied Surface Science 255 Pages: 1048-1051
  • NAID: 120001019943
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] TOF-SIMS imaging of lignin after the removal of polysaccharides by periodate oxidation followed by hydrolysis in xylem of Pinus thunbergii (2008)
  • Author(s): Kaori Saito, Noritsugu Terashima, Takanori Imai, Yasuyuki Matsushita and Kazuhiko Fukushima
  • Journal Title: Cellulose Chemistry and Technology Pages: 583-589
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] TOF-SIMSの植物細胞壁化学への応用 (2008)
  • Author(s): 斎藤香織, 福島和彦
  • Journal Title: 植物の生長調節 43 Pages: 156-163
  • NAID: 110007007939
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Chemical differences between sapwood and heartwood of Chamaecyparis obtusa detected by ToF-SIMS (2008)
  • Author(s): K. Saito, 他
  • Journal Title: Applied Surface Science 255 Pages: 1088-1091
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 法隆寺の古材はいつ伐採されたか-TOF-SIMSの古材伐採年推定への適用- (2008)
  • Author(s): 斎藤香織, 他
  • Journal Title: 表面科学 29 Pages: 777-781
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Discriminating the indistinguishable sapwood from heartwood in discoloured ancient wood by direct molecular mapping of specific extractives using ToF-SIMS (2008)
  • Author(s): K. saito, T. Mitsutani, T. Imai, Y. Matsushita, K Fukushima
  • Journal Title: Analytical Chemistry 80 Pages: 1552-1557
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] ToF-SIMS(飛行時間型二次イオン質量分析)による木材化学研究 (2007)
  • Author(s): 福島和彦, 齋藤香織
  • Journal Title: 木材学会誌 53(6) Pages: 291-297
  • NAID: 10029786447
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The characteristic fragment ions and visualization of cationic starches on pulp fiber using ToF-SIMS (2007)
  • Author(s): Yasuyuki Matsusita, Takuya Sekiguchi, Kaori Saito, Takanori Imai and Kazuhiko Fukushima
  • Journal Title: Surface and Interface Analysis 39(6) Pages: 501-505
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The characteristic fragment ions and visualization of cationic starches on pulp fiber using ToF-SIMS (2007)
  • Author(s): Y. Matsushita, T. Sekiguchi, K. Saito, T. Kato, T. Imai, K. Fukushima
  • Journal Title: Surface and Interface Analysis 39 Pages: 501-505
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The characteristic fragment ions and visualization of cationic starches on pulp fiber using ToF-SIMS (2007)
  • Author(s): Y.Matsushita, T.Sekiguchi, K.Saito, T.Kato, T.Imai, K.Fukushima
  • Journal Title: Surface and Interface Analysis 39 Pages: 501-505
• [Journal Article] リグニン生合成機構を利用した材料開発 (2007)
  • Author(s): 福島和彦
  • Journal Title: 未来材料 7・4 Pages: 24-32
  • NAID: 40015443580
• [Journal Article] A new analysis of the depolymerized fragments of lignin polymer in the plant cell walls using ToF-SIMS (2006)
  • Author(s): Kaori Saito, Toshiyuki Kato, Hitomi Takamori, Takao Kishimoto, Akira Yamamoto and Kazuhiko Fukushima
  • Journal Title: Applied Surface Science 252 Pages: 6734-6737
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Enzymatic Polymerization of Coniferyl alcohol in the Presence of Cyclodextrins (2006)
  • Author(s): Rikiya Nakamura, Yasuyuki Matsushita, Kazuhiko Umemoto, Arimitsu Usuki, Kazuhiko Fukushima
  • Journal Title: Biomacromolecules 7(6) Pages: 1929-1934
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A new analysis of the depolymerized fragments of lignin polymer in the plant cell walls using ToF-SIMS (2006)
  • Author(s): Saito, K., Kato, T., Takamori, H., Kishimoto, T., Yamamoto, A., Fukushima, K.
  • Journal Title: Applied Surface Science 252 Pages: 6734-6737
• [Journal Article] Enzymatic polymerization of coniferyl alcohol in the presence of cyclodextrins (2006)
  • Author(s): R.Nakamura, Y.matsushita, k.Umemoto, A.Usuki, K.Fukushima
  • Journal Title: Biomacromolecules 7 Pages: 1929-1934
• [Journal Article] Hinokiresinol is not a precursor of agatharesinol in the norlignan biosynthesis pathway in Japanese ceder (2006)
  • Author(s): T.Imai, M.Nomura, K.Fukushima
  • Journal Title: Journal of Plant Physiology 163 Pages: 1221-1228
• [Journal Article] Evidence for involvement of the phenylpropanoid pathway in the biosynthesis of the norlignan agatharesinol (2006)
  • Author(s): T.Imai, M.Nomura, K.Fukushima
  • Journal Title: Journal of Plant Physiology 163 Pages: 483-487
• [Presentation] TOF-SIMSによるヒノキ心材抽出成分の分子マッピング (2009)
  • Author(s): 齋藤香織、吉田正人、今井貴規、松下泰幸、福島和彦
  • Organizer: 第59回日本木材学会大会
  • Place of Presentation: 松本大学
  • Year and Date: 2009-03-15
• [Presentation] ToF-SIMSによるTOF-SIMSによるリグニンS/G比顕微分析法の開発 (2008)
  • Author(s): 齋藤香織、渡邊陽子、岸本崇生、家田真理子、勝山さやか、松下泰幸、今井貴規、船田良、小池孝良、深澤和三、福島和彦
  • Organizer: 第53回リグニン討論会
  • Place of Presentation: 東京大学(東京)
  • Year and Date: 2008-10-31
• [Presentation] TOF-SIMSによるリグニンS/G比顕微分析法の開発 (2008)
  • Author(s): 斎藤香織, 他
  • Organizer: 第53回リグニン討論会
  • Place of Presentation: 東京大学
  • Year and Date: 2008-10-31
• [Presentation] Discriminating the indistinguishable sapwood from heartwood in discoloured ancient wood by direct molecular mapping of specific extractives using TOF-SIMS (2008)
  • Author(s): K. Saito, T. Mitsutani, T. Imai, Y. Matsushita, K. Fukushima
  • Organizer: IAWPS2008(International Symposium on Wood Science and Technology)
  • Place of Presentation: Harbin, China
• [Presentation] Direct molecular imaging of heartwood compounds in Hinoki cypress using TOF-SIMS (2008)
  • Author(s): K. Saito, T. Imai, Y. Matsushita, K. Fukushima
  • Organizer: ICP2008 (XXIVth International Conference on Polyphenols)
  • Place of Presentation: Salamanca, Spain
• [Presentation] The chemical analysis of plant cell wall using ToF-SIMS (2008)
  • Author(s): K. Fukushima and K. Saito
  • Organizer: 8th International Symposium on Biomimetic Materials
  • Place of Presentation: Nagoya, Japan
• [Presentation] ToF-SIMS による広葉樹木部におけるリグニン分布の解析 (2007)
  • Author(s): 齋藤香織、渡邊陽子、勝山さやか、松下泰幸、今井貴規、船田良、小池孝良、深澤和三、福島和彦
  • Organizer: 第52回リグニン討論会
  • Place of Presentation: 宇都宮大学
  • Year and Date: 2007-11-14
• [Presentation] ToF-SIMSによる広葉樹木部におけるリグニン分布の解析 (2007)
  • Author(s): 斉藤香織、渡邊陽子、勝山さやか、松下泰幸、今井貴規、船田良、小池孝良、深澤和三、福島和彦
  • Organizer: 第52回リグニン討論会
  • Place of Presentation: 宇都宮大学
  • Year and Date: 2007-11-14
• [Presentation] ToF-SIMS によるヒノキ心材抽出成分のケミカルマッピング (2007)
  • Author(s): 齋藤香織、今井貴規、松下泰幸、福島和彦
  • Organizer: 第57回日本木材学会大会
  • Place of Presentation: 安田女子大学(広島)
  • Year and Date: 2007-08-08
• [Presentation] コニフェリンの炭素安定同位体比に関する研究 (2007)
  • Author(s): 波濤千尋、松下泰幸、今井貴規、福島和彦
  • Place of Presentation: 広島
  • Year and Date: 2007-08-08
• [Presentation] ヒノキ古材におけるToF-SIMSを用いた辺材と心材の識別 (2007)
  • Author(s): 齋藤香織、光谷拓実、松下泰幸、今井貴規、福島和彦
  • Organizer: 第74回紙パルプ研究発表会
  • Place of Presentation: 船堀(東京)
  • Year and Date: 2007-06-12
• [Presentation] Visualization of heartwood extractives using ToF-SIMS (2007)
  • Author(s): K. Saito, T. Imai, Y. Matsushita, T. Mitsutani, and K. Fukushima
  • Organizer: Fiber and Pulping Chemistry
  • Place of Presentation: Durban, South Africa
• [Presentation] ToF-SIMSによるヒノキ心材と辺材の識別およびその古材への適用 (2006)
  • Author(s): 齋藤香織、今井貴規、松下泰幸、福島和彦、光谷拓実
  • Place of Presentation: 秋田
  • Year and Date: 2006-08-09
• [Presentation] ToF-SIMS法によるモノリグノールグルコシドの分析 (2006)
  • Author(s): 波濤千尋、齋藤香織、辻幸子、松下泰幸、今井貴規、福島和彦
  • Place of Presentation: 秋田
  • Year and Date: 2006-08-09
• [Remarks] ・新聞掲載 : 福島和彦・齋藤香織ら、ToF-SIMSを用いて、古代の木造建築に使われた建材の伐採年代を測定する技術を開発、2008年3月15日掲載、読売新聞、中日新聞、毎日新聞各朝刊(論文(1)Analytical Chemistry, 80, 1552(2008)の発表に伴う。)
• [Remarks]
  • URL: http://www.agr.nagoya-u.ac.jp/~lignin/