新発見の植物内生氷核活性物質の特性と凍結開始機能の徹底解明

• Project/Area Number: 26660030
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Horticultural science
• Research Institution: National Institute of Agrobiological Sciences
• Principal Investigator: 石川 雅也 国立研究開発法人農業生物資源研究所, その他部局等, 研究専門員 (90355727)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Discontinued (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2016: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2015: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2014: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 耐寒性 / 環境耐性 / 氷 / 水 / 氷核活性 / 凍結 / 植物 / シュウ酸カルシウム

Outline of Annual Research Achievements

耐寒性植物組織が凍結温度で生存するには、細胞内の水の凍結回避と細胞外の特定部位での凍結開始が初期反応として極めて重要である。しかし、植物組織に存在する氷核活性物質（凍結開始作用がある）はこれまで全く未解明であった。担当者は、髄から凍結開始するレンギョウ枝髄から氷核活性物質を初めて単離同定し、シュウ酸カルシウム（以下CaOXと略）であることを解明した。本物質の氷核活性の報告はないため、活性特徴について詳細な解析を行った。
1. レンギョウ枝髄から本物質の大量精製法を確立（細胞壁分解酵素処理）した。定量的な氷核活性測定法（試験管法）を確立し、既知の氷核活性物質（ヨウ化銀等）と活性を比較した。物質添加量と氷核活性の関係解析から、本精製物質は微量でもヨウ化銀と同等の－2℃の活性を持つこと、熱処理や乾燥処理等にも安定なことが判明した。
2. レンギョウ枝髄から単離したCaOX結晶は、粉体X線回折による本結晶１，２，３水和物の標品との比較解析、昇温熱分析により、1水和物のみから構成されると予想された。
3. 本年度行った走査型電子顕微鏡による結晶観察とX線回折の結果もこの結果を支持した。CaOXの2及び3水和物の結晶形は電子顕微鏡観察でも全く異なった結晶形態を示し一方、氷核活性は高濃度で添加しても著しく低かった（－10℃以下）。試薬として売っているCaOX1水和物、合成品の同結晶とレンギョウより単離した同結晶の3つを比較すると、レンギョウ単離品＞合成品＞試薬の順でレンギョウ由来結晶の氷核活性が最も高かった。これは結晶サイズ等が最も均一であることも一因と考えられた。
4.世界で初めて同定された植物由来の氷核活性物質の詳細が明らかになった。このような一定形を持つCaOX結晶の生体内での合成機構や本結晶上での氷晶発生機構の解析が重要である。本物質を水等の凍結促進に有効利用する方法も探っていく必要がある。

Research Products

• [Journal Article] Ice nucleation activity in various tissues of Rhododendron flower buds: their relevance to extraorgan freezing. (2015)
  • Author(s): Ishikawa M, Ishikawa M, Toyomasu T, Aoki T, Price WS
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science- Functional Plant Ecology Volume: 6 Pages: 149-149
  • DOI: 10.3389/fpls.2015.00149
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Factors contributing to deep supercooling capability and cold survival in dwarf bamboo (Sasa senanensis) leaf blades. (2015)
  • Author(s): Ishikawa M., Oda A, Fukami R, Kuriyama A.
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science (Functional Plant Ecology) Volume: 5
  • DOI: 10.3389/fpls.2014.00791
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] High ice nucleation activity located in blueberry stem bark is linked to primary freeze initiation and adaptive freezing behavior of the bark. (2014)
  • Author(s): Kishimoto T, Yamazaki H, Saruwatari A, Murakawa H, Sekozawa Y, Kuchitsu K, Price WS, Ishikawa M.
  • Journal Title: AoB PLANTS Volume: 6 Issue: 0 Pages: plu044-plu044
  • DOI: 10.1093/aobpla/plu044
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Seasonal changes in ice nucleation activity in blueberry stems and effects of cold treatments in vitro (2014)
  • Author(s): Kishimoto T, Sekozawa Y, Yamazaki H, Murakawa H, Kuchitsu K, Ishikawa M
  • Journal Title: Environmental and Experimental Botany Volume: ? Pages: 13-23
  • DOI: 10.1016/j.envexpbot.2014.02.010
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 植物組織の氷核活性の検索 (2014)
  • Author(s): 10.石川雅也
  • Journal Title: 低温生物工学会誌 Volume: 60 Pages: 79-88
  • NAID: 110009878790
  • Peer Reviewed
• [Presentation] MRI による凍結様式可視化解析法の有効性：アメリカハナミズキ越冬花芽の再解析 (2016)
  • Author(s): 石川 雅也，井出 博之，山崎 秀幸，村川 裕基，朽津 和幸，Price William，荒田 洋治
  • Organizer: 日本植物生理学会
  • Place of Presentation: 岩手大学
  • Year and Date: 2016-03-18
• [Presentation] Preferential freezing avoidance localized in the anthers and embryo sacs in wintering flower buds of Daphne kamtschatica var. jezoensis revealed by NMR micro-imaging. (2015)
  • Author(s): Ishikawa M, Ide H, Tsujii T, Price, WS, Arata Y.
  • Organizer: Bio-imaging学会
  • Place of Presentation: 東京理科大（葛飾キャンパス）
  • Year and Date: 2015-09-27
• [Presentation] 26 年間超低温保存したワサビ種子の発芽 (2015)
  • Author(s): 本間義之、馬場富二夫、中野敬之、石川雅也
  • Organizer: 園芸学会
  • Place of Presentation: 徳島大学常三島キャンパス
  • Year and Date: 2015-09-26
• [Presentation] レンギョウ枝髄に含まれる新規氷核活性物質の活性機構 (2015)
  • Author(s): 29.灘浩樹，越後拓也，豊増孝之，山崎秀幸，村川裕基，朽津和幸，石川雅也
  • Organizer: 第60回低温生物工学会
  • Place of Presentation: 東京工科大学（八王子キャンパス）
  • Year and Date: 2015-05-30
• [Presentation] レンギョウ枝髄の氷核活性物質の単離同定 (2014)
  • Author(s): 石川雅也、村川裕基、朽津和幸、灘浩樹、越後拓也
  • Organizer: 日本植物学会第78回大会
  • Place of Presentation: 明治大学農学部生田キャンパス
  • Year and Date: 2014-09-12 – 2014-09-14
• [Presentation] シュウ酸カルシウム一水和物結晶表面における氷核生成促進メカニズム (2014)
  • Author(s): 灘浩樹，石川雅也，越後拓也
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
  • Place of Presentation: 中部大学春日井キャンパス
  • Year and Date: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [Presentation] Ice nucleation activity in plants: from the survey to isolation, identification, characterization of responsible substances. (2014)
  • Author(s): Ishikawa M
  • Organizer: 10th International Plant Cold Hardiness Seminar
  • Place of Presentation: Poznan Poland
  • Year and Date: 2014-08-17 – 2014-08-21
  • Invited
• [Presentation] Visualization of freezing behaviors in cold hardy plant tissues using high resolution MRI and Infra-red thermography. (2014)
  • Author(s): Masaya Ishikawa, Hideyuki Yamazaki, William S. Price
  • Organizer: 10th International Plant Cold Hardiness Seminar (student course)
  • Place of Presentation: Poznan Poland
  • Year and Date: 2014-08-16 – 2014-08-18
  • Invited
• [Presentation] シナレンギョウ枝髄に含まれる新規氷核活性物質と枝の凍結過程 (2014)
  • Author(s): 豊増孝之、山崎秀幸、村川裕基、朽津和幸、石川雅也
  • Organizer: 第59回低温生物工学会
  • Place of Presentation: 九州大学国際ホール(箱崎キャンパス)
  • Year and Date: 2014-06-28 – 2014-06-29
• [Presentation] シュウ酸カルシウム一水和物(100)面上での氷核生成機構：分子動力学シミュレーション研究 (2014)
  • Author(s): 灘 浩樹、石川雅也、越後 拓也
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2014大会
  • Place of Presentation: 横浜パシフィコ
  • Year and Date: 2014-04-28 – 2014-05-02