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Dendrophysiological study on tree-ring oxygen and hydrogen isotopes using pulse-labeling with heavy water

Research Project

Project/Area Number 19K06179
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 40020:Wood science-related
Research InstitutionForest Research and Management Organization

Principal Investigator

Kagawa Akira  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 (40353635)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 内海 泰弘  九州大学, 農学研究院, 准教授 (50346839)
Project Period (FY) 2019-04-01 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2022: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2020: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Keywords同位体 / パルスラベリング / 葉面水分吸収 / 重水 / 酸素 / 水素 / 光合成 / Foliar water uptake / 葉面吸収 / 酸素同位体 / 水素同位体 / 年輪 / 古気候復元
Outline of Research at the Start

樹木は、二酸化炭素と水を原料として、光合成によりセルロース(C6H10O5)nを主成分とするバイオマスを生産する。人工的に同位体濃縮された二酸化炭素を葉から光合成により吸収させる方法により、樹木の炭素アロケーションが長年研究されてきた。一方、樹木がどのように雨水を樹体内に吸収し、その水の酸素・水素を光合成により固定し、年輪を含むバイオマスを生産するかという点は明らかにされていない。そこで、本研究では、人工的に同位体濃縮された水を用い、年輪を含む樹体への酸素・水素アロケーションのプロセスを解明する。

Outline of Final Research Achievements

In biology textbooks, conventional photosynthetic illustrations mention only root uptake water, and it has been assumed that oxygen and hydrogen in cellulose originates from this water. However, recent studies show that plants also absorbs liquid water from leaves, and this is called "foliar water uptake". In our study, I pulse-labelled Japanese cedar saplings with heavy water during rainy season, when active earlywood formation happens. Therefore, radial growths during rainy seasons account for a significant contributions to tree-ring oxygen and hydrogen isotope ratios. I studied how foliar-absorbed water is then incorporated into the biomass of needles, roots and branches in the form of oxygen and hydrogen in cellulose etc. The results suggested that not only root-absorbed water, but also significant percentage of foliar-absorbed water is incorporated into biomass, in the form of oxygen and hydrogen in cellulose etc.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究により、根から吸収した水だけではなく、葉から吸収した水も植物バイオマスの形成に用いられているという知見が得られた。この知見は、例えば苗木や農作物の栽培において潅水方法を最適化することにより(または水分と肥料を混ぜて与える葉面施肥方法を最適化することにより)、植物の成長量を最大化することに役立つ可能性がある。

Report

(4 results)
  • 2021 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2020 Research-status Report
  • 2019 Research-status Report
  • Research Products

    (14 results)

All 2022 2021 2020 Other

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 2 results) Presentation (6 results) (of which Invited: 2 results) Book (1 results) Remarks (5 results)

  • [Journal Article] Foliar water uptake as a source of hydrogen and oxygen in plant biomass.2022

    • Author(s)
      Akira Kagawa
    • Journal Title

      Tree Physiology

      Volume: - Pages: 2153-2173

    • DOI

      10.1093/treephys/tpac055

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Foliar water uptake as a source of hydrogen and oxygen in plant biomass2020

    • Author(s)
      Akira Kagawa
    • Journal Title

      bioRxiv

      Volume: 無し

    • DOI

      10.1101/2020.08.20.260372

    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Open Access
  • [Presentation] 植物バイオマスを構成する水素・酸素の起源としての葉面水分吸収2022

    • Author(s)
      香川聡、内海泰弘
    • Organizer
      日本生態学会第69回全国大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 木材は葉面から吸収した水でできている?-木材バイオマスを構成する酸素・水素の起源としての葉面吸収水-2022

    • Author(s)
      香川聡、内海泰弘
    • Organizer
      第72回日本木材学会大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 森林総合研究所研究者による高被引用論文の研究分野の動向(第2報)2022

    • Author(s)
      香川聡
    • Organizer
      第72回日本木材学会大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 樹木の水分吸収についての根も葉もある話-二重重水標識法による評価-2020

    • Author(s)
      香川聡、内海泰弘
    • Organizer
      日本森林学会 企画シンポジウム S7-3
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] スギ苗木における葉面吸収水のバイオマス形成への利用2020

    • Author(s)
      香川聡
    • Organizer
      日本木材学会大会研究発表要旨集、70
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Presentation] スギ苗木における梅雨期降水の葉面吸収2020

    • Author(s)
      香川聡
    • Organizer
      日本森林学会大会学術講演集、131
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Book] Chapter 15: Post-photosynthetic carbon, oxygen and hydrogen isotope signal transfer to tree rings; how timing of cell formations and turnover of stored carbohydrates affect intra-annual isotope variations. In Brooks, J.R. (eds.) “Stable Isotopes in Tree Rings: Inferring Physiological, Climatic and Environmental Responses (Springer Tree Physiology Series, in press).2021

    • Author(s)
      Kagawa A., Battipaglia G.
    • Publisher
      Springer
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Remarks] 植物バイオマスを構成する水素・酸素の起源としての葉面水分吸収

    • URL

      https://youtu.be/sA4BHhoAL9Q

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Remarks] A16-01-1100 木材は葉から吸った水でできている? 香川聡(森林総研)

    • URL

      https://youtu.be/XAIrrdBoCKM

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Remarks] 樹木の水分吸収についての根も葉もある話-二重重水標識法による評価ー

    • URL

      https://youtu.be/6hShteLf6r4

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Remarks] 樹木の水分吸収についての根も葉もある話(日本森林学会での招待講演の動画)

    • URL

      https://youtu.be/6hShteLf6r4

    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Remarks] 年輪の安定同位体比からわかること-木材は葉面から吸収した水からできている?-(一般向け講演)

    • URL

      http://www.bs.s.u-tokyo.ac.jp/event/583.html

    • Related Report
      2020 Research-status Report

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Published: 2019-04-18   Modified: 2023-01-30  

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