木部細胞のトポロジー解析からみた樹種特性と多様性

• Project/Area Number: 23K05333
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 40020:Wood science-related
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 杉山 淳司 京都大学, 農学研究科, 教授 (40183842)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2025: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000); Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2023: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
• Keywords: セグメンテーション / グラフ理論 / 形成層活動 / ラジアルファイル / 木質材料 / 人工知能 / 構造機能 / 自己形成 / 環境応答

Outline of Research at the Start

画像処理、数理解析、人工知能を融合し、木材の構造への理解を深めようとする学際的研究手段を開拓することによって、木材の組織構造に潜む生物のリズムを解析し、生物体としての樹木の個性や生存戦略の俯瞰的な理解を獲得することを目的とする。具体的には、系統上近縁の広葉樹材を対象とし、光学顕微鏡画像から各々の細胞ごとにセグメンテーションを行い、トポロジーに着眼したネットワーク解析に供する。得られたデータをもとに、年輪内における、通道機能や支持機能への分化、晩材化などの生理現象に伴う細胞の動態を追跡し、樹種特性や系統分類につながる新しい解剖学的な知見の発掘を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

樹木細胞の発生を司る形成層細胞の分裂は, 並層分裂および垂層分裂に分類される. 前者が2次木部および師部細胞を形成するのに対し, 後者は円周方向に沿って形成層細胞数を増加させ, 形成層そのものや樹幹部の円周拡大を可能としている. 針葉樹の垂層分裂について、板目連続切片を用いたBannanの一連の報告により, その詳細な分裂様式が明らかとなっている. 本年は, 木口断面画像に対して、最新の画像解析手法をもちいることで, 針葉樹における形成層細胞の垂層分裂履歴をより、効率的かつ定量的に追跡することを目的とした. 対象には針葉樹材のスギ (Cryptomeria japonica) を選定し, 個々の放射列や放射柔細胞を追跡することで, 材全周に渡る垂層分裂の凡その発生位置や頻度の定量評価を実施した.
蛍光顕微鏡画像約700枚を結合し,切片全領域を含む1枚の画像 (26,976×25,632 pixels) とした. 当該画像に対し細胞毎セグメンテーションを適用することで,仮道管, 軸方向柔細胞, 放射柔細胞の細胞境界予測を行った. モデルアーキテクチャには, U-Netを使用し, 予測結果の一部は手動修正を施した. 髄を除く2年輪分 を対象に, 近似最近傍探索と細胞形状類似度指標を利用した放射細胞列抽出アルゴリズムを放射状配列の細胞画像に応用することで, 枝材木部全周に渡って放射列の抽出を実施した. 上記結果をもとに, 垂層分裂のタイミングと頻度の定量を行った.

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

大断面の木口切片を用いて、画像から放射列を抽出することに成功し、解析結果の一部を木材学会大会（京都）において、発表することができた。

Strategy for Future Research Activity

１）　セグメンテーションとグラフ理論を応用した、ラジアルファイル内の全細胞抽出法のハード・ソフトウエアのブラッシュアップとGitHubへの公開を目指す。
２）　個々の細胞の形態情報に関する時系列変化を詳細に解析する。細胞列の増加率の放射方向変化や、仮道管放射列や木繊維放射列の消失と放射組織との関連などをしらべて、形成層活動の年変動について新たな視点から考察する。
３）同様の実験を、他の針葉樹、ヤナギ、ポプラなどの比較的細胞配列が乱れない広葉樹の解析に応用する。

Research Products

• [Journal Article] Quantitative morphological transformation of vascular bundles in the culm of moso bamboo (Phyllostachys pubescens) (2023)
  • Author(s): Tsuyama Taku、Hamai Kensei、Kijidani Yoshio、Sugiyama Junji
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 18 Issue: 9 Pages: e0290732-e0290732
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0290732
• [Journal Article] Simultaneous cell-by-cell recognition and microfibril angle determination in Japanese hardwoods by polarized optical microscopy combined with semantic segmentation (2023)
  • Author(s): Kita Yusuke、Setiyobudi Titis、Awano Tatsuya、Yoshinaga Arata、Sugiyama Junji
  • Journal Title: Cellulose Volume: 30 Issue: 13 Pages: 8439-8450
  • DOI: 10.1007/s10570-023-05351-0
• [Journal Article] Potential of machine learning approaches for predicting mechanical properties of spruce wood in the transverse direction (2023)
  • Author(s): Chen Shuoye、Shiina Rei、Nakai Kazushi、Awano Tatsuya、Yoshinaga Arata、Sugiyama Junji
  • Journal Title: Journal of Wood Science Volume: 69 Issue: 1
  • DOI: 10.1186/s10086-023-02096-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 引き継ぐための科学的検証 (2024)
  • Author(s): 杉山淳司
  • Organizer: 第74回日本木材学会大会（京都大会）
  • Invited
• [Presentation] 喜多祐介、粟野達也、吉永 新、杉山淳司 (2024)
  • Author(s): スギ木口断面を用いた垂層分裂履歴の追跡
  • Organizer: 第74回日本木材学会大会（京都大会）
• [Book] 木質の形成 第３版 (2024)
  • Author(s): 福島和彦・船田 良・杉山淳司・高部圭司・梅澤俊明・山本浩之 編
  • Total Pages: 728
  • Publisher: 海青社
• [Book] 木材学 基礎編 (2023)
  • Author(s): 日本木材学会 編
  • Total Pages: 268
  • Publisher: 海青社