樹木の葉におけるCO2固定に対するオゾンのリスク評価モデルの構築

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K16136
• Research Institution: Tokyo University of Agriculture and Technology
• Principal Investigator: 渡辺 誠 東京農工大学, (連合)農学研究科(研究院), 特任准教授 (50612256)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: オゾン / リスク評価 / 樹木 / CO2固定

Outline of Annual Research Achievements

本研究では現在最も深刻な大気汚染物質である対流圏オゾンが樹木のCO2固定に与える影響に関するプロセスベースのモデリングを目的としている。初年度の平成２７年度は、東京農工大学フィールドミュージアム多摩丘陵(東京都八王子市)のオゾン暴露チャンバーを用いたオゾン暴露実験を行った。日本の代表的な落葉広葉樹であり、多くの研究実績があるブナの苗木をモデル植物として、ベースとなるモデルを構築するために、葉における光合成速度の測定を経時的に行った。さらに、樹冠内の着葉位置の違いに伴うオゾン感受性（オゾンの悪影響の受けやすさ）を明らかにするために、樹冠上部と下部の葉のそれぞれについて光合成速度の測定を行った。その結果、樹冠上部の葉においてオゾンによる光合成速度の低下が顕著であること、光合成速度の主な低下原因は気孔閉鎖ではなく、葉緑体における生化学的な光合成活性の低下であることが明らかになった。特に葉緑体ストロマにおいてCO2の固定反応を触媒する酵素であるRubiscoの活性を示す最大カルボキシレーション速度の低下は明確であり、モデリングにおけるキーファクターとなる事が考えられた。
実験で得られたオゾンによる光合成速度の低下応答を取り扱うモデルとして、大気－土壌－植生1次元多層モデルSOLVEGの導入を行った。本モデルは群落生産だけでなく、複雑な大気－陸面間の相互作用をシミュレートできるモデルであり、本研究課題のみならずより大きなスケールのモデリングに発展することが可能なモデルとして用いることとした。
本年度の成果の一部は国内および国際学会で発表し高い評価を得た。

Current Status of Research Progress

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

Reason

今年度に行われたブナ苗に対するオゾン暴露実験自体は大きなトラブルもなく順調に進行した。そのため、葉の光合成速度に関するデータ採取は予定通り行われ、モデリングの基礎の構築に明確な進展が見られた。一方で、光合成に関わる酵素活性や物質含量の測定に関しては一部遅れが生じた。初年度に得られた研究成果のいくつかは国内外の学会において口頭・ポスター発表も行い、国際学術誌への論文投稿も行ったことから、全体としては、「研究はおおむね順調に進展している」と評価した。

Strategy for Future Research Activity

初年度はおおむね計画通りに研究が進んだため、基本的に当初の計画通り、次のオゾン暴露実験を行う。供試樹木としてはブナに加えて、同じ落葉広葉樹のコナラと常緑広葉樹のシラカシ、スダジイおよびコジイを予定している。また、初年度に得られたオゾンに対する光合成応答を補完するために、過去の文献の再解析も行う予定である。
初年度に得られた成果に関しては、さらなる学会発表を行うと共に論文投稿についても積極的に行っていきたいと考えている。

Causes of Carryover

初年度のブナを用いた実験を学会等で報告した際に、ブナに対するオゾンのリスク評価を行う際は、日本海側や太平洋側といったブナの生息地域に伴う遺伝的な違いがオゾン感受性にどのように影響するのかについての知見が必要である事を指摘された。初年度の実験が大きなトラブルもなく順調に進行したため、次年度には樹種による違いだけでなく、ブナについては樹種内の遺伝的な違いにも着目した調査を行う事とした。その為に次年度使用額が生じた。

Expenditure Plan for Carryover Budget

日本側産のブナ苗とその栽培に必要なポットおよび土壌を購入する。また、葉の光合成応答や成長調査を行うための消耗品を購入する。

Research Products

• [Journal Article] Foliar chemical composition of two oak species grown in a free-air enrichment system with elevated O3 and CO2 (2016)
  • Author(s): Shi, C., Kitao, M., Agathokleous, E., Watanabe, M., Tobita, H., Yazaki, K., Kitaoka, S. and Koike, T.
  • Journal Title: Journal of Agricultural Meteorology Volume: 72 Pages: 50-58
  • DOI: 10.2480/agrmet.D-14-00018
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A review study on past 40 years of research on effects of tropospheric O3 on belowground structure, functioning and processes of trees: a linkage with potential ecological implications (2016)
  • Author(s): Agathokleous, E., Saitanis, CJ., Wang, X., Watanabe, M. and Koike, T.
  • Journal Title: Water, Air, & Soil Pollution Volume: 227 Pages: 1-28
  • DOI: 10.1007/s11270-015-2715-9
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ozone-induced stomatal sluggishness changes carbon and water balance of temperate deciduous forests (2015)
  • Author(s): Hoshika, Y., Katata, G., Deushi, M., Watanabe, M., Koike, T. and Paoletti, E.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 5-9871 Pages: 1-8
  • DOI: 10.1038/srep09871
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ethylene-di-urea (EDU), an effective phytoproctectant against O3 deleterious effects and a valuable research tool (2015)
  • Author(s): Agathokleous, E., Koike, T., Watanabe, M., Hoshika, Y. and Saitanis, CJ.
  • Journal Title: Journal of Agricultural Meteorology Volume: 71 Pages: 185-195
  • DOI: 10.2480/agrmet.D-14-00017
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effects of ozone-induced stomatal closure on ozone uptake and its changes due to leaf age in sun and shade leaves of Siebold's beech (2015)
  • Author(s): Hoshika, Y., Watanabe, M., Inada, N. and Koike, T.
  • Journal Title: Journal of Agricultural Meteorology Volume: 71 Pages: 218-226
  • DOI: 10.2480/agrmet.D-14-00013
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Difference in photosynthetic responses to free air ozone fumigation between upper and lower canopy leaves of Japanese oak (Quercus mongolica var. crispula) saplings (2015)
  • Author(s): Watanabe, M., Hoshika, Y., Inada, N. and Koike, T.
  • Journal Title: Journal of Agricultural Meteorology Volume: 71 Pages: 227-231
  • DOI: 10.2480/agrmet.D-14-00012
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Growth of Japanese and hybrid larch seedlings grown under free-air O3 fumigation - an initial assessment of the effects of adequate and excessive nitrogen (2015)
  • Author(s): Kam, DG., Shi, C., Watanabe, M., Kita, K., Satoh, F. and Koike, T.
  • Journal Title: Journal of Agricultural Meteorology Volume: 71 Pages: 239-244
  • DOI: 10.2480/agrmet.D-14-00029
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Ethylenediurea (EDU) as a protectant of plants against O3 (2015)
  • Author(s): Agathokleous, E., Koike, T., Saitanis, CJ., Watanabe, M., Satoh, F. and Hoshika, Y.
  • Journal Title: Eurasian Journal of Forest Research. Volume: 18 Pages: 37-50
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] ブナ苗の成長における窒素利用効率に対するオゾンの影響 (2016)
  • Author(s): 渡辺 誠, 廣島ひろか, 黄瀬佳之, 岡部成晃, 伊豆田 猛
  • Organizer: 第127回日本森林学会大会
  • Place of Presentation: 日本大学（藤沢市）
  • Year and Date: 2016-03-28 – 2016-03-28
• [Presentation] ブナ苗の上位葉と下位葉の光合成能力に対するオゾンの影響 (2016)
  • Author(s): 黄瀬佳之, 岡部成晃, 廣島ひろか, 渡辺 誠, 伊豆田 猛
  • Organizer: 第127回日本森林学会大会
  • Place of Presentation: 日本大学（藤沢市）
  • Year and Date: 2016-03-28 – 2016-03-28
• [Presentation] ブナ苗の根の成長および植栽土壌の呼吸速度に対するオゾンと土壌養分の単独及び複合影響 (2016)
  • Author(s): 岡部成晃, 黄瀬佳之, 廣島ひろか, 伊豆田 猛, 渡辺 誠
  • Organizer: 第127回日本森林学会大会
  • Place of Presentation: 日本大学（藤沢市）
  • Year and Date: 2016-03-28 – 2016-03-28
• [Presentation] 植物葉群内における葉間窒素分配のメタ解析 (2015)
  • Author(s): 彦坂幸毅, Anten, NPR., Borjigidai, A., 神山千穂, 酒井英光, 長谷川利拡, 及川真平, 飯尾淳弘, 渡辺 誠, 小池孝良, 仁科一哉, 伊藤昭彦
  • Organizer: 東北植物学会第5回大会
  • Place of Presentation: 福島大学（福島市）
  • Year and Date: 2015-12-19 – 2015-12-19
• [Presentation] Difference in photosynthetic responses of Siebold's beech (Fagus crenata) and Japanese oak (Quercus mongolica var. crispula) saplings to free air ozone fumigation (2015)
  • Author(s): Watanabe, M., Hoshika, Y. and Koike, T.
  • Organizer: The 1st Asian Air Pollution Workshop
  • Place of Presentation: 東京大学（文京区）
  • Year and Date: 2015-10-03 – 2015-10-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Toward modeling of stomatal conductance under elevated ozone in forest trees (2015)
  • Author(s): Hoshika, Y., Watanabe, M., Katata, G., De Marco, A., Deushi, M., Carriero, G., Koike, T. and Paoletti, E.
  • Organizer: 10th congress of Italian Society of Silviculture and Forest Ecology
  • Place of Presentation: Universita degli Studi di Firenze（イタリア、フィレンツェ）
  • Year and Date: 2015-09-16 – 2015-09-16
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 着葉位置の異なるミズナラ葉の光合成に対するオゾンの影響 (2015)
  • Author(s): 渡辺 誠, 星加康智, 稲田直輝, 小池孝良
  • Organizer: 第56回大気環境学会年会
  • Place of Presentation: 早稲田大学（新宿区）
  • Year and Date: 2015-09-15 – 2015-09-15
• [Presentation] ブナの光合成パラメータに対するオゾンの影響評価 (2015)
  • Author(s): 黄瀬佳之, 深町吉伸, 渡辺 誠, 伊豆田 猛
  • Organizer: 第56回大気環境学会年会
  • Place of Presentation: 早稲田大学（新宿区）
  • Year and Date: 2015-09-15 – 2015-09-15
• [Presentation] スダジイ、アラカシおよびシラカシ苗のオゾンに対する成長・光合成応答 (2015)
  • Author(s): 渡辺 誠, 黄瀬佳之, 伊豆田 猛
  • Organizer: 第56回大気環境学会年会
  • Place of Presentation: 早稲田大学（新宿区）
  • Year and Date: 2015-09-15 – 2015-09-15
• [Presentation] To develop stomatal conductance modeling under elevated ozone in forest trees (2015)
  • Author(s): Hoshika, Y., Watanabe, M., Carriero, G., Koike, T. and Paoletti, E.
  • Organizer: IUFRO 2015: Grobal Challenges of Air Pollution and Climate Change to Forests
  • Place of Presentation: Hyatt Regency Nice Palais de la Mediterranean（フランス、ニース）
  • Year and Date: 2015-06-03 – 2015-06-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Plant defense and photosynthesis of Japanese white birch saplings grown under a free-air O3 fumigation system (2015)
  • Author(s): Sakikawa, T., Nakamura, M., Watanabe, M.., Kanie, S., Satoh, F. and Koike, T.
  • Organizer: IUFRO 2015: Grobal Challenges of Air Pollution and Climate Change to Forests
  • Place of Presentation: Hyatt Regency Nice Palais de la Mediterranean（フランス、ニース）
  • Year and Date: 2015-06-03 – 2015-06-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Difference in photosynthetic responses to ozone between canopy positions in Japanese oak (2015)
  • Author(s): Watanabe, M., Hoshika, Y., Inada, N. and Koike, T.
  • Organizer: IUFRO 2015: Grobal Challenges of Air Pollution and Climate Change to Forests
  • Place of Presentation: Hyatt Regency Nice Palais de la Mediterranean（フランス、ニース）
  • Year and Date: 2015-06-03 – 2015-06-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Relationship between cumulative stomatal ozone uptake and photosynthetic parameters of Fagus crenata (2015)
  • Author(s): Kinose, Y., Fukamachi, Y., Watanabe, M. and Izuta, T.
  • Organizer: IUFRO 2015: Grobal Challenges of Air Pollution and Climate Change to Forests
  • Place of Presentation: Hyatt Regency Nice Palais de la Mediterranean（フランス、ニース）
  • Year and Date: 2015-06-03 – 2015-06-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Growth of Japanese larch and its hybrid saplings grown under different O3 levels (2015)
  • Author(s): Kam, DG., Watanabe, M., Yamaguchi, M., Watanabe, T., Satoh, F. and Koike, T.
  • Organizer: IUFRO 2015: Grobal Challenges of Air Pollution and Climate Change to Forests
  • Place of Presentation: Hyatt Regency Nice Palais de la Mediterranean（フランス、ニース）
  • Year and Date: 2015-06-03 – 2015-06-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Response of Japanese forest tree species to elevated ozone (2015)
  • Author(s): Watanabe, M., Hoshika, Y. and Koike, T.
  • Organizer: The second international forum on sustainable development of subtropical forest: forest ecology and environment protection
  • Place of Presentation: Zhejiang A&F University （中国臨安市）
  • Year and Date: 2015-04-09 – 2015-04-09
  • Int'l Joint Research / Invited