フェムト秒レーザーを駆使した植物細胞の局所操作と刺激法の開発

2014 年度 実績報告書

• 研究領域: 植物の環境感覚：刺激受容から細胞応答まで
• 研究課題/領域番号: 22120010
• 研究機関: 奈良先端科学技術大学院大学
• 研究代表者: 細川 陽一郎 奈良先端科学技術大学院大学, 物質創成科学研究科, 准教授 (20448088)
• 研究期間 (年度): 2010-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: ﾌｪﾑﾄ秒ﾚｰｻﾞｰ / 植物細胞 / ﾚｰｻﾞｰﾏｲｸﾛﾀﾞｲｾｸｼｮﾝ / ﾚｰｻﾞｰ細胞操作 / ﾚｰｻﾞｰ衝撃波

研究実績の概要

AFMとレーザーを用いた植物細胞組織の堅さの評価：これまでに、顕微鏡下でAFM探針をシロイヌナズナの根の先端に押し当て、フェムト秒レーザー衝撃力を作用させ、根の過渡的な振動応答を検出することに成功している。本年度はこの振動応答が微小植物試料の如何なる機械特性を意味しているかを明らかにすることを目的とし、ゴム製の多孔質ハニカムフィルムを用いて実験を行い、その振動挙動を検出することに成功した。
レーザー誘起衝撃力による植物個体からの抽出液の氷化誘導：シロイヌナズナやライムギからの抽出液を過冷却状態にし、そこにレーザー誘起衝撃力を作用させて氷結晶の発生を誘導し、氷結晶の成長過程を観察した。これらの抽出液からは純水中とは異なる６分岐以上の樹上結晶が発生し、その成長速度は純水中よりも遅かった。さらに低温に馴化させた試料の方がこの傾向が強く、また糖水溶液中でも同様の現象が観察された。これらの結果より、植物が低温馴化する際に糖の濃度を上昇させ、細胞間隙で氷結晶が発生した際に細胞への損傷を抑制させる機構が、凍結耐性の一つとして示唆された。本研究は、上村松生班（計画研究イ）との共同研究である。
フェムト秒レーザーによる植物細胞への遺伝子導入：昨年度、浸透圧調整した植物細胞に対してレーザーを集光照射することにより、植物細胞へGFP遺伝子を導入することに成功したと思われたが、細胞からの蛍光がGFPの発現によるものではなく、自家蛍光であることが分かった。動物細胞で実現しているレーザー遺伝子導入が植物で難しい理由として、細胞壁による遮蔽を考えられ、細胞壁を酵素処理により緩く変性させて、プラスミドと同程度の大きさ(> Mega Dalton)のDextranの導入をおこなった。その結果、導入が成功したと考えらえる結果が得られた。本研究は、長谷あきら班（計画研究ア）らとの共同研究である。

現在までの達成度 (段落)

26年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

26年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Physical interaction between peroxisomes and chloroplasts elucidated by in situ laser analysis (2015)
  • 著者名/発表者名: Kazusato Oikawa, Shigeru Matsunaga, Shoji Mano, Maki Kondo, Kenji Yamada, Makoto Hayashi, Takatoshi Kagawa, Akeo Kadota, Wataru Sakamoto, Shoichi Higashi, Masakatsu Watanabe, Toshiaki Mitsui, Akinori Shigemasa, Takanori Iino, Yoichiroh Hosokawa & Mikio Nishimura
  • 雑誌名: Nature Plants 巻: 1 ページ: 15035
  • DOI: 10.1038/nplants.2015.35
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Experimental and calculative estimation of femtosecond laser induced-impulsive force in culture medium solution with motion analysis of polymer micro-beads (2015)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Yamakawa, Akihiro Maruyama, Hirohisa Uedan, Takanori Iino, Yoichiroh Hosokawa
  • 雑誌名: Proceeding of SPIE 巻: 9350 ページ: in press
  • DOI: 10.1117/12.2077403
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Introduction of megadalton molecule into single plant cell and ice crystal formation of plant extract solution induced by femtosecond laser impulse (2015)
  • 著者名/発表者名: Daisuke Katagiri, Tatsuya Kono, Sayaka Sakaguchi, Shinya Ryutaro, Takanori Iino, Hitoshi Endo, Arata Yoneda, Taku Demura, Yu Yoshi Miki, Daisuke Takahashi, Yukio Kawamura, Akira Nagatani,ichiroh Hosokawa
  • 学会等名: The 2nd International Symposium on Plant Environmental Sensing
  • 発表場所: AIST Tokyo Waterfront Annex（東京都江東区）
  • 年月日: 2015-03-13 – 2015-03-15
• [学会発表] AFM Detection of nm Vibration of Micro-Biological Object Induced by Femtosecond Laser Impulse and Its Analysis to Elucidate Surface Stiffness of Micro-Plant Tissue (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Miyamoto, R. Fukushim1, M. Takenaka, T. Iino, M. Nakano, M. Kamiya, S. Miyashima, K. Nakajima, H. Iida, and Y. Hosokawa
  • 学会等名: The 2nd International Symposium on Plant Environmental Sensing
  • 発表場所: AIST Tokyo Waterfront Annex（東京都江東区）
  • 年月日: 2015-03-13 – 2015-03-15
• [学会発表] Elucidation of Explosive Phenomena of Water Medium Induced by Femtosecond Laser Impulse and its Action to Micro-sized Plant Object (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Yamakawa, A. Maruyama, A. Shigemasa, H. Uedan, T. Iino, K. Oikawa, S. Mano, K. Yamada, M. Nishimura, T. Murai, Y. Hosokawa
  • 学会等名: The 2nd International Symposium on Plant Environmental Sensing
  • 発表場所: AIST Tokyo Waterfront Annex（東京都江東区）
  • 年月日: 2015-03-13 – 2015-03-15
• [学会発表] Experimental and calculative estimation of femtosecond laser induced-impulsive force in culture medium solution with motion analysis of polymer micro-beads (2015)
  • 著者名/発表者名: Takeshi Yamakawa, Akihiro Maruyama, Hirohisa Uedan, Takanori Iino, Yoichiroh Hosokawa
  • 学会等名: SPIE photonics West 2015
  • 発表場所: The Moscone Center, San Francisco, USA
  • 年月日: 2015-02-07 – 2015-02-12
• [学会発表] Evaluation of trade-off between femtosecond laser manipulation and viability of plant cell (2015)
  • 著者名/発表者名: Daisuke Katagiri, Sayaka Sakaguchi, Arata Yoneda, Taku Demura, Yoichiroh Hosokawa
  • 学会等名: PSROC 2015 Annual Meeting
  • 発表場所: National Tsing Hua University, Hsinchu, Taiwan
  • 年月日: 2015-01-28 – 2015-01-30
• [学会発表] フェムト秒レーザー誘起衝撃力が微小生体試料へ及ぼす作用の解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 福嶋亮介、宮本敏男、山川健、飯野敬矩、細川陽一郎
  • 学会等名: COMSOL Conference Tokyo 2014
  • 発表場所: 秋葉原UDXカンファレンス（東京都千代田区）
  • 年月日: 2014-12-05
• [学会発表] シロイヌナズナの水分屈性に機能する細胞群の解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 小林啓恵, 平塚奏太郎, 宮沢豊, 藤井伸治, 長谷あきら, 細川陽一郎, 高橋秀幸
  • 学会等名: 日本植物学会第78回大会
  • 発表場所: 明治大学（神奈川県川崎市）
  • 年月日: 2014-09-12 – 2014-09-18