2015 Fiscal Year Annual Research Report
物理的ストレス耐性の生理機構に基づいた沈水植物管理のための分布予測モデルの開発
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15H04045
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| Research Institution | Saitama University |
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Principal Investigator |
浅枝 隆 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (40134332)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
ラシッド エムディハルノオル 埼玉大学, 理工学研究科, 助教 (80643262)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 沈水植物 / 流動ストレス / 貧酸素ストレス / 活性酸素 / 抗酸化酵素 / 水域生態系 / 水質管理 / 生物多様性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
いくつかのストレスに対する沈水植物種の耐性を測定した。
流動擾乱に対する耐性測定実験では、平均流から受けるストレスと乱流から受けるストレスを分けて測定した。平均流に対する耐性測定実験では、水槽内に縮流させることで乱流成分を極力抑制した管路を設置した実験系を、乱流に対する耐性測定実験では、振動格子によって乱流を発生させる実験系を作成、性質の異なる代表種として、コカナダモ、エビモ、セキショウモを対象種とし実験した。実験では、一定期間培養の後、生長量の他に、光合成色素量、インドール酢酸（IAA）、ストレス強度の指標として活性酸素（ROS）の代表量として過酸化水素濃度（H2O2）、抗酸化酵素活性（APX）、（CAT）等、セルロース、リグニン濃度を測定、電子顕微鏡をを用い、細胞中に生じる変化も観察した。その結果、平均流負荷に対しては、コカナダモ、エビモについては、H2O2濃度が増加、ストレスが高まるのに対し、セキショウモではストレスが減少した。他方、乱流負荷に対しては、いずれも乱流強度に伴ってストレス強度は増加した。さらに、H2O2濃度と抗酸化酵素とは、負荷の形態や植物種に関わらず一定の正の相関が得られ、IAA濃度との間には負の相関が示された。さらに、セルロースやリグニン濃度については、H2O2濃度との間に正の相関が得られた。以上の結果より、他の形態の植物と異なり、流れに沿う植物の場合、平均流に対してはストレスはむしろ減少すること。それを含む、平均流、乱流と形態の異なるストレスに対し、ストレス強度は一義的にH2O2濃度（ROS）で表現できること、また、ストレスの増加に対し、生長に対しては負の効果が働き、それを緩和させるために抗酸化酵素の発生が促されること、また機械的擾乱に対しては、強度を増加させる仕組みが働くこと等、今後の研究を進める上での基礎的な性質が得られた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
研究では、当初、様々な形態のストレス強度の相対的な関係を十分表現できない可能性を孕んでいた。しかし、実験による検証を行ううち、H2O2濃度を計測することで、ストレスの形態にかかわらずストレス強度を一義的に表し得る可能性が得られた。これによって、モデル作成の際に、異なるストレス間による相互関係を表現する方法が得られた。
流動は平均流成分と乱流成分から構成される。その中で、乱流成分に対するストレスの影響を把握するための実験系は当初から考えられていたものの、平均流と乱流を分離できないことから、平均流によるストレスのみが負荷される実験系を考え出す必要に迫られていた。しかし、縮流管を用いることで、乱流の発生を十分なレベルで抑えることができ、植物に対し、ほぼ平均流によるストレスのみ負荷する実験系を作成することができた。平均流による影響と乱流成分による影響を分離できたことは、科学的に高い成果といえる。
貧酸素ストレスに対しては、貧酸素状態の作成法に大きな問題を抱えていた。しかし、グルコースを利用することで、極めて高いレベルの貧酸素状態が作成でき、十分な貧酸素のレベルでの実験が可能になった。他方、貧酸素状態の作成のために用いたグルコースによる影響について明らかにする必要がある。これについて、酸素のある状態で、グルコースのみを加えた実験を行うことで、今回の実験においては、その影響は無視できることを明らかにした。
こうした結果を、9月にエジンバラで開催された国際会議で発表したところ、高い反響を得ることができ、当初の予想以上の結果と言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
H28年度以降は、流動ストレスに対する耐性、貧酸素耐性に対する研究において残された課題、及び、当初よりH28年度の課題として設定されていた野外における沈水植物の分布特性についての解明を行い、それらを用いたモデル化を行う。貧酸素ストレス耐性の研究では残された課題として、高度の貧酸素状態を作成する必要から、グルコースを用いて貧酸素状態を作成していたが、グルコース自体が植物の生長に対して正の影響を及ぼす。そのため、窒素ガスを用いた曝気による方法を採用、昨年度に続き、更なるグルコースの影響の有無の把握を行う。次に、貧酸素状態下では、土壌中に硫化窒素が発生、これが植物の生長を阻害している可能性が考えられる。そのため、まず、H27年度で行ったものと同様な実験で、実験に用いた硫化水素を含んだ水で植物の生長実験を行うことで、実験中に発生していた硫化水素の影響を把握する。次に、異なる濃度の硫化水素を加えた実験系で生長実験を行い、硫化水素そのものが生長に与える影響を把握、比較検討する。流動ストレスに対する耐性の研究では、流速が速くなると、乱流が発生してしまうことから、高速の平均流のみで生ずるストレスの解明が十分でなかった。そのため、平均流の及ぼす影響で最も重要なものである引っ張り応力を独自に課すことによって植物の耐性を評価する。次に、そうした室内実験に合わせ、野外の沈水植物の分布域と環境ストレスとの関係の把握を行う。野外で様々な沈水植物が繁茂する水域を探しだし、そこでの流動、酸素濃度等の環境ストレス量を測定、また、植物をサンプリング、H27年度の研究で明らかになった、H2O2や抗酸化酵素等のストレス強度を示す物質の濃度を測定する。これらを比較検討することによって、環境中のストレスと実際のストレス強度との関係を求める。以上の結果をもとに経験的な関係を得ることでモデル化に繋げる。
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