| 研究課題/領域番号 |
24K09514
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分44040:形態および構造関連
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| 研究機関 | 富山大学 |
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研究代表者 |
唐原 一郎 富山大学, 学術研究部理学系, 教授 (60283058)
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| 研究分担者 |
蒲池 浩之 富山大学, 学術研究部理学系, 准教授 (40262498)
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| 研究期間 (年度) |
2024-04-01 – 2027-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2026年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2025年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2024年度: 2,860千円 (直接経費: 2,200千円、間接経費: 660千円)
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| キーワード | 微小重力 / 過重力 / 植物 / 仮根系 / 根系 / バイオマス分配 / 宇宙 / 月面 / 植物形態 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
植物は地下器官を発達させることで，陸上に進出しその環境に適応してきた．最初の陸上植物はコケであり，その地下部・仮根は地球のレゴリスを土壌化することに貢献してきた．地下器官の重力応答を個根ではなくシステムとして捉え，特にまだよく分かっていないコケ仮根系の重力応答を明らかにし，維管束植物の根系のそれと比較することで，植物根圏3D構造の重力応答の進化の洞察を得る．
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| 研究実績の概要 |
植物は養水分を吸収し植物体を地面にアンカーする地下器官を発達させることで，陸上に進出しその環境に適応してきた．植物地下器官の成長を制御する最も強い環境要因は重力だが，個根の総体としての根系の重力応答や，バイオマス分配における重力の役割はよく分かっていない．最初の陸上植物でありミニチュアな仮根系をもつコケをモデル系として，これらの解明を目指し，当該年度は具体的に以下のテーマに取り組んだ．仮根系ボリュームデータ事前処理及び仮根系自動セグメンテーションの精度向上については，前処理として，上下に分けて撮影したボリュームデータの背景輝度値を基準化した上で，機械学習による仮根の自動セグメンテーションを行い，後処理として3DMeanフィルタを追加した．その結果，上下ボリュームの結合部および仮根系先端部側におけるノイズ由来の過剰なラベルは低減され，F1値は，試料にもよるが概ね0.7以上程度まで向上させることができた．さらに，植物地下部構造（根系・仮根系）の発達は地上部器官にも影響することから，重力がバイオマス分配に与える影響も調べるため，ヒメツリガネゴケ茎葉体の形態解析に着手し，F1値を指標として効果的なセグメンテーション法を検討した．また，月面相当の1/6 G低重力下でヒメツリガネゴケを栽培する宇宙実験実施に向けて，栽培条件，栽培容器および栽培装置に搭載するマルチスペクトルカメラ等の仕様を検討した．月面植物栽培への洞察を得るため，植物体地下部発達の観点から模擬月レゴリス等を用いてシロイヌナズナの栽培条件検討を開始し，レゴリス粒径の調節が功を奏する感触を掴んだ．
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
2: おおむね順調に進展している
理由
＜仮根系ボリュームデータ事前処理及び仮根系自動セグメンテーションの精度向上＞ 宇宙実験Space Mossにおいて得られパラフィンに包埋したヒメツリガネゴケの仮根系試料を用いて，SPring-8において屈折コントラストX線マイクロCT撮影を行った．前処理として，上下に分けて撮影したボリュームデータの背景輝度値を基準化した上で，機械学習による仮根の自動セグメンテーションを行い，後処理として3DMeanフィルタを追加した．セグメンテーション精度はF1値を指標として，訓練サイクル数などの条件を検討した．その結果，上下ボリュームの結合部および仮根系先端部側におけるノイズ由来の過剰なラベルは低減されていた．F1値は，試料にもよるが概ね0.7以上程度まで向上させることができた．現在は3Dレベルでのセグメンテーション精度評価と，仮根形態の定量解析のために，Vesselness指標による形状選抜の条件検討も行った．
＜地上部器官とのバイオマス分配＞ 植物地下部構造（根系・仮根系）の発達は地上部器官にも影響する．重力がバイオマス分配に与える影響も調べるため，ヒメツリガネゴケ茎葉体の形態解析に着手し，F1値を指標として，前処理，機械学習，後処理の観点から，効果的なセグメンテーション法を検討した．
＜宇宙実験による1/6 G低重力下でのヒメツリガネゴケの栽培と仮根系への影響＞ 月面相当の1/6 G低重力下でヒメツリガネゴケを栽培する宇宙実験（Space Moss II）実施に向けて，栽培条件，栽培容器および栽培装置に搭載するマルチスペクトルカメラ等の仕様を検討した．
＜月面植物栽培への洞察＞ 月面植物栽培への洞察を得るため，植物体地下部発達の観点から模擬月レゴリス等を用いてシロイヌナズナの栽培条件検討を開始した．まだ有意な効果は見られていないが，レゴリス粒径の調節が功を奏する感触を掴んだ．
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| 今後の研究の推進方策 |
＜仮根系ボリュームデータ事前処理及び仮根系自動セグメンテーションの精度向上＞ 機械学習での最適化した手法を用いて，3Dレベルでのセグメンテーション精度評価と，仮根形態の定量解析をまず進める．次に深層学習を用いてのセグメンテーション手法を探索する．
＜微小及び過重力環境が仮根系3D分布に与える影響の定量的解析＞ Space Moss実験のマイクロG試料，および地上での過重力実験で得たヒメツリガネゴケ試料で仮根系3D形態を可視化し定量的解析を行い，仮根系形態に与える重力影響を明らかにする．引き続き樹脂等を用い試料包埋法の改良を検討する．
＜地上部器官とのバイオマス分配＞ ヒメツリガネゴケ茎葉体の形態解析にについて，最適化したセグメンテーション法をを用いて，3次元での形態解析を行う．また，植物地下部構造の発達は，培地からの養分吸収にも影響する．重力が植物地下部からの養分吸収に与える影響も調査する．
＜宇宙実験による1/6 G低重力下でのヒメツリガネゴケの栽培と仮根系への影響＞ 引き続き宇宙実験実施に向けて，栽培条件，栽培容器および栽培装置に搭載するマルチスペクトルカメラ等の仕様を検討する．
＜月面植物栽培への洞察＞ 模擬月レゴリスを用いてシロイヌナズナの栽培において，レゴリス粒径調節の効果の調査を引き続き進める．
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