二次元イオノミクスの開発と植物栄養学への応用

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20K05762
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 渡部 敏裕 北海道大学, 農学研究院, 准教授 (60360939)
• 研究分担者: 平舘 俊太郎 九州大学, 農学研究院, 教授 (60354099)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: イオノミクス / 植物 / 土壌

研究実績の概要

昨年度はアルミニウム（Al）および鉄（Fe）処理を施した植物サンプルに含まれる元素をバッファーで抽出し、分子量で分画した後に各元素濃度を測定することを試みた。しかし元素による抽出効率の違いが大きく、分画時に吸着による損失が生じた。そこで、単一のバッファーによる抽出液を分画するのではなく、異なるバッファーで抽出される成分の元素プロファイルに対する処理の影響を調査した。+Al処理と+Fe処理をメラストーマに対して行い、処理後の各部位を中性あるいは酸性バッファーで抽出し、抽出液をICP-MSで測定した。また、サンプルを湿式分解し全濃度についても測定した。その結果、抽出バッファーの違いで傾向が異なる元素が認められた。例えば、若葉でのカルシウムは+Al処理で中性バッファーではコントロールと比べて濃度が著しく低下した一方、酸性バッファーでは大きく上昇した。この傾向は+Fe処理では認められず+Al特有の現象だった。一方、若葉のモリブデン濃度については+Al処理と+Fe処理の両方で酸性バッファーでの濃度が上昇しており、AlとFeの影響は類似した。他の元素においても特徴的な結果は複数認められ、部位間による傾向の違いも見られた。来年度はこれらについても解析を進めたい。それぞれの抽出液における分子量別元素プロファイリングについても検討する。
次に、窒素、リン、カリウムのいずれかを欠乏させた圃場および全て施肥した圃場で栽培した異なる4植物種の根圏および非根圏土壌における抽出性元素濃度の差異を水抽出と0.1 M塩酸抽出でそれぞれ調べた。その結果、水抽出と塩酸抽出では多くの元素で傾向が異なり、根圏において同様の挙動を示す元素グループが複数確認された。種間においても傾向の違いは見られ、それぞれの養分元素に対する植物側の元素集積プロファイルとの比較から植物根の元素可給化能の違いを説明できる可能性が示された。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

植物体については異なる抽出方法によるプロファイルの違いを比較することができた。それぞれの抽出法による抽出液を分画することで、より多くの情報を得ることができる見通しがたった。
土壌については、異なる抽出法間で元素プロファイルが大きく異なり、種間や処理間での違いも見られた。植物側の元素プロファイルも含めた解析から、植物種間の根の元素可給化能の違いを説明できそうである。

今後の研究の推進方策

植物については異なるバッファーによる抽出液の分子量別元素プロファイリングを試みる。また、他の植物種やAl/Fe処理以外の栽培処理におけるデータも取り、解析したい。
土壌については異なる抽出法で根圏、非根圏土壌から得られた元素データと植物体の元素データを統合した解析を行いたい。

次年度使用額が生じた理由

想定していた植物抽出試料の分画実験ができず、そのための消耗品への支出がなかった。来年度は分画実験をすすめる予定であり、それに関する支出は増える予定である。また、新型コロナウイルスの影響により、打合せや学会現地参加に必要な旅費等経費の支出がなかったことも影響した。今年度は多くの学会は対面で開催される予定であり、積極的に参加し発表や情報収集を行いたい。

研究成果

• [雑誌論文] Nitrogen deficiency-induced molybdenum accumulation in wheat (2022)
  • 著者名/発表者名: Toshihro Watanabe, Ryosuke Okada, Soyoka Tokunaga, Hayato Maruyama, Masaru Urayama, Takuro Shinano
  • 雑誌名: Journal of Plant Nutrition 巻: 45 ページ: 1413-1424
  • DOI: 10.1080/01904167.2021.2020838
  • 査読あり
• [雑誌論文] Differences in carbon and nitrogen retention and bacterial diversity in sandy soil in response to application methods of charred organic materials (2022)
  • 著者名/発表者名: Chidozie Johnson Oraegbunam, Sunday Ewele Obalum, Toshihiro Watanabe, Yvonne Madegwa, Yoshitaka Uchida
  • 雑誌名: Applied Soil Ecology 巻: 170 ページ: 104284
  • DOI: 10.1016/j.apsoil.2021.104284
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Possible solubilization of various mineral elements in the rhizosphere of Lupinus albus L. (2022)
  • 著者名/発表者名: Atsuhide Takao, Jun Wasaki, Hisae Fujimoto, Hayato Maruyama, Takuro Shinano, Toshihiro Watanabe
  • 雑誌名: Soil Science and Plant Nutrition 巻: 印刷中 ページ: -
  • DOI: 10.1080/00380768.2021.1980355
  • 査読あり
• [雑誌論文] Differences in ionomic responses to nutrient deficiencies among plant species under field conditions (2022)
  • 著者名/発表者名: Toshihro Watanabe, Ryosuke Okada, Masaru Urayama
  • 雑誌名: Journal of Plant Nutrition 巻: 45 ページ: 1493-1503
  • DOI: 10.1080/01904167.2021.2020837
  • 査読あり
• [雑誌論文] Zerovalent iron modulates the influence of arsenic-contaminated soil on growth, yield and grain quality of rice (2021)
  • 著者名/発表者名: Sanjida Akter, G K M Mustafizur Rahman, Mirza Hasanuzzaman, Zakaria Alam, Toshihiro Watanabe, Tofazzal Islam
  • 雑誌名: Stresses 巻: 1 ページ: 90-104
  • DOI: 10.3390/stresses1020008
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ionomic differences between tomato introgression line IL8-3 and its parent cultivar M82 with different trends to the incidence of blossom-end rot (2021)
  • 著者名/発表者名: Toshihiro Watanabe, Ryota Tomizaki, Ryotaro Watanabe, Hayato Maruyama, Takuro Shinano, Masaru Urayama, Yoshinori Kanayama
  • 雑誌名: Scientia Horticulturae 巻: 287 ページ: 110266
  • DOI: 10.1016/j.scienta.2021.110266
  • 査読あり
• [雑誌論文] Differences in mineral accumulation and gene expression profiles between two metal hyperaccumulators, Noccaea japonica and Noccaea caerulescens ecotype Ganges, under excess nickel condition (2021)
  • 著者名/発表者名: Takuo Enomoto, Junko Yoshida, Takafumi Mizuno, Toshihiro Watanabe, Sho Nishida
  • 雑誌名: Plant Signaling & Behavior 巻: 16 ページ: 10
  • DOI: 10.1080/15592324.2021.1945212
  • 査読あり
• [雑誌論文] Effects of different potassium nitrate concentrations and temperature conditions on the elemental composition and blossom-end rot in paprika (Capsicum annuum L.) (2021)
  • 著者名/発表者名: Ryota Arakawa, Hisae Fujimoto, Haruka Kameoka, Seiro Toriyama, Yoshihiro Yoshida, Toshihiro Watanabe, Hayato Maruyama
  • 雑誌名: The Horticulture Journal 巻: 90 ページ: 401-409
  • DOI: 10.2503/hortj.UTD-294
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Expression GWAS of PGIP1 identifies STOP1-dependent and STOP1-independent regulation of PGIP1 in aluminum stress signaling in Arabidopsis (2021)
  • 著者名/発表者名: Raj Kishan Agrahari, Takuo Enomoto, Hiroki Ito, Yuki Nakano, Emiko Yanase, Toshihiro Watanabe, Toshihiro Watanabe, Satoshi Iuchi, Masatomo Kobayashi, Sanjib KUMAR Panda, Yoshiharu Y. Yamamoto, Hiroyuki Koyama, Yuriko Kobayashi
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 12 ページ: 774687
  • DOI: 10.3389/fpls.2021.774687
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ionomic profiling of rice genotypes and identification of varieties with elemental covariation effects (2021)
  • 著者名/発表者名: Chengming Zhang, Nobuhiro Tanaka, Maria Stefanie Dwiyanti, Matt Shenton, Hayato Maruyama, Takuro Shinano, Qingnan Chu, Xie Jun, Toshihiro Watanabe
  • 雑誌名: Rice Science 巻: 29 ページ: 76-88
  • DOI: 10.1016/j.rsci.2021.12.007
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] トマト尻腐れ発症率の品種間差と果実への無機元素蓄積の関係 (2021)
  • 著者名/発表者名: 長谷川公紀・渡邊涼太郎・丸山隼人・金山喜則・信濃卓郎・渡部敏裕
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会2021年度北海道大会
• [学会発表] ハンドヘルド型蛍光X 線分析計を用いた野生植物の元素集積解析（2）石灰岩土壌植物の元素集積特性 (2021)
  • 著者名/発表者名: 水野隆文・河西皓仁・近藤大地・渡部敏裕・橋本 篤
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会2021年度北海道大会
• [学会発表] ハンドヘルド型蛍光X 線分析計を用いた野生植物の元素集積解析（3）野生植物の硫黄（S）含有量に関する調査・解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 近藤大地・河西皓仁・渡部敏裕・橋本 篤・水野隆文
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会2021年度北海道大会
• [学会発表] 火山性強酸性土壌に生育する植物の葉身元素組成の特徴 (2021)
  • 著者名/発表者名: 和崎 淳・山本晃弘・丸山隼人・中坪孝之・渡部敏裕
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会2021年度北海道大会
• [学会発表] 異なる窒素条件下におけるパプリカ果実の元素組成と尻腐れ果発症との関係 (2021)
  • 著者名/発表者名: 荒川竜太・村島和基・渡部敏裕・信濃卓郎・丸山隼人
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会2021年度北海道大会
• [学会発表] 異なる窒素条件下におけるパプリカ果実の機能性成分解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 村島和基・荒川竜太・丸山隼人・渡部敏裕・信濃卓郎
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会2021年度北海道大会
• [学会発表] 温度処理にともなう元素吸収・分配がパプリカの尻腐れ果発症に与える影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: 鳥山星呂・荒川竜太・村島和基・丸山隼人・信濃卓郎・渡部敏裕
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会2021年度北海道大会
• [学会発表] シロバナルーピンの放射性セシウム吸収特性と根圏土壌中元素動態の関係 (2021)
  • 著者名/発表者名: 浅枝諭史・丸山隼人・藤本久恵・久保堅司・藤村恵人・渡部敏裕・信濃卓郎
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会2021年度北海道大会
• [学会発表] 異なる圃場におけるダイズへの放射性セシウムの移行比較 (2021)
  • 著者名/発表者名: 鈴木政崇・藤本久恵・浅枝諭史・丸山隼人・久保堅司・藤村恵人・渡部敏裕・信濃卓郎
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会2021年度北海道大会
• [学会発表] シロバナルーピン根域における土壌中リン動態に与える影響の局所的評価 (2021)
  • 著者名/発表者名: 菅あやね・丸山隼人・和崎 淳・渡部敏裕・信濃卓郎
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会2021年度北海道大会
• [学会発表] 異なる交換性カリレベルがダイズのカリウム・セシウムの体内分配に与える影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: 鈴木政崇・藤本久恵・浅枝諭史・丸山隼人・久保堅司・藤村恵人・渡部敏裕・信濃卓郎
  • 学会等名: 日本土壌肥料学会北海道支部秋季大会
• [学会発表] Comparison of transfer of 137Cs to soybeans in different fields (2021)
  • 著者名/発表者名: Masataka Suzuki, Hisae Fujimoto, Satoshi Asaeda, Hayato Maruyama, Katashi Kubo, Shigeto Fujimura, Toshihiro Watanabe, Takuro Shinano
  • 学会等名: Fukushima 10 years: Forest, River, Ocean, and Food?Remaining issues for restoration?
• [学会発表] 植物の重金属環境適応における重金属トランスポーター遺伝子の量的・質的変化 (2021)
  • 著者名/発表者名: 榎本拓央・吉田純子・水野隆文・渡部敏裕・西田翔
  • 学会等名: 第12回 トランスポーター研究会 九州部会
• [学会発表] 蛍光 X 線分析計（XRF) による植物標本の元素測定と，野生植物の元素集積データベース構築に向けた取組み (2021)
  • 著者名/発表者名: 水野隆文・河西皓仁・近藤大地・橋本篤・渡部敏裕
  • 学会等名: 日本植物学会第85回大会
• [学会発表] The role of potassium on the remediation for the radio-cesium contaminated soil (2021)
  • 著者名/発表者名: Takuro Shinano, Hayato Maruyama, Toshihiro Watanabe, Hisae Fujimoto, Masataka Suzuki
  • 学会等名: Joint Symposium Lithuania - Japan: Biodiversity Conservation and Natural Resources Management based on a Biotechnological approach to Plant-Microbe interaction under a Changing Environment
  • 国際学会
• [学会発表] Basic understanding of aluminum accumulator plants (2021)
  • 著者名/発表者名: Toshihiro Watanabe
  • 学会等名: Joint Symposium Lithuania - Japan: Biodiversity Conservation and Natural Resources Management based on a Biotechnological approach to Plant-Microbe interaction under a Changing Environment
  • 国際学会
• [備考]
  • URL: http://lab.agr.hokudai.ac.jp/botagr/pln/nabe/index.htm