植物分子生物学と水理学の融合による河川流計測のための植物型センサロイドの開発

2021 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 20K21027
• 研究機関: 石川工業高等専門学校
• 研究代表者: 鈴木 洋之 石川工業高等専門学校, 環境都市工学科, 准教授 (70342491)
• 研究分担者: 鈴木 伸洋 上智大学, 理工学部, 准教授 (50735925) ; 志垣 俊介 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (50825289)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2023-03-31
• キーワード: 植物型センサロイド / 洪水 / 植物ストレス

研究実績の概要

本研究は外力刺激に応じたストレス応答を示すという植物の生理学・分子生物学的な特性を利用して、河道内植生の持つ生育および生理学・分子生物学的な情報から、その植物が過去に受けた洪水の水理情報を推定する技術（植物型センサロイド）の確立を目指すものである。本研究では多様な通水刺激および静水への沈水刺激を与えたシロイヌナズナの生理学・分子生物学的解析を行うと共に、この解析で得られた植物情報と刺激とした流れの水理情報の関係をモデル化することを試みている。
令和3年度には流量をパラメータとした過去の実験条件(鈴木ら：流れによるストレスで生じる植物の生育および分子生物学的答に基づく水理量推定の可能性,土木学会論文集B1(水工学)，2019.)のうち最大流量で負荷を与えたサンプルに関する遺伝子の網羅解析を実施した。この結果。流水に暴露されたサンプルと静水中に沈水させたサンプルで応答が全く異なることが示された。さらにこの最大流量を固定して負荷時間をパラメータとした昨年度の負荷実験サンプルの葉径成長量について、流れのストレスを受けたサンプルは分散値が小さくなる傾向が確認された。これらの結果は植物の生理学・分子生物学的な情報から流れの水理量を推定できる可能性を示唆するものである。これを受けて、さらに遺伝子の網羅解析の結果の参照用および植物の情報を増やす目的で、過去と同じ流量をパラメータとした負荷実験を実施してサンプルの追加を行った。ここでは、計測項目として従前の最大葉径と茎長に最小葉径および茎の成長速度を追加すると共に、流れのせん断力を定める水面勾配と流れの構造を特徴付ける鉛直流速分布の速度勾配を計測して整理をした。

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

本研究は令和3年に緊急事態宣言・まん延防止等重点措置の出された石川・東京・大阪の研究機関に所属する研究チームで構成されている．このため，出張の制限や研究活動の制限される時期が続いた。また、ストレス負荷実験を行う石川高専では一時的に原因不明のサンプル植物の生育不良が続く事態が発生した。なお、現在はほぼ通常の生育に戻っている。しかしながら、昨年までの実験で作成したサンプルの遺伝子について網羅解析を実施して得た生理学的・分子生物学的な大規模なデータとそのデータ解析が進んだ。流れによるストレスを受けたサンプルと静水中への沈水ストレスを受けたサンプルでは流れがある場合にのみタンパク質合成の場であるリボソームの機能が活性化すること、逆に静水中への沈水ストレスを受けた場合にのみ植物ホルモンに関係する遺伝子が活性化すること、および、どちらのストレスを受けた場合も酸素不足応答と病害応答に関係する遺伝子が活性化することが確認された。すなわち、注目すべき流れによって活性化する遺伝子が大枠ではあるが限定できたのは大きい成果である。また、流量を固定して時間をパラメータとした実験で得たサンプルの生育量の解析によって流れがある場合の生育量の分散が小さいことが示された。このことは流れのある洪水なのか静水または流速の小さい流れを受けた植物なのかという判断ができる可能性を示唆している。さらに逆解析的な手法を導入することで洪水継続時間という重要な水理量が推定できる可能性が示された。

今後の研究の推進方策

令和4年度は本研究の総まとめを行う。具体的には生育データとしてサンプルの表面状態を追加する。これによって本申請で想定していた植物の外見上の要素（生育量）はほぼ考慮できるようになる。また、令和3年度の実験で追加した水理量の計測項目である速度勾配と水面勾配に対する生育量の関係を明らかにすることで流れのもつせん断力と乱れ強度が生育に及ぼす影響を示す。すなわち、より詳細な流れの構造の違いが植物ストレスとしてどのように作用するのかを示すことを試みる。
さらに、令和3年度の研究で実施した網羅解析によって注目すべき遺伝子がある程度特定された。この結果をベースとして流れによるストレス応答の発現メカニズムを明らかにする。これは流れの持つ水理量の計測センサーとして植物を使用するのに理解が必要な計測原理を知ることに相当する。同時に出力の直線性を有するセンサーに相当する流れの持つ水理量の大きさに比例して発現の程度が変わる遺伝子を見出すことを試みる。また、令和3年度に見いだされた流れの負荷を受けたサンプルの成長量は分散が小さくなるという事実に基づいて、植物の成長量から通水時間を推定する逆解析手法を構築することで、洪水継続時間を推定する植物センサーを開発する。最終的にこれらの成果のとりまとめと公開を進める。

次年度使用額が生じた理由

本研究チームは令和3年に緊急事態宣言・まん延防止等重点措置の出された石川・東京・大阪の研究機関に所属している．このため，出張等を含めた研究活動の制限される時期が続いた。また、研究代表者の研究機関の異動が年度途中で決定するとともに、導入予定であった機器の納期に時間を要したしたことから、研究計画の修正と装置の未導入が生じた。これらが次年度使用額の生じた理由となっている。
令和4年度の研究計画は令和3年度の結果を踏まえた流れによる刺激を受けた植物のストレス応答の発現メカニズムの推定、および、生育情報からの洪水継続時間の推定手法の構築、植物ストレス応答を引き起こす流れ要素の解明である。これに伴う研究代表者の使用予定は令和3年度に上記の理由から導入できなかった計測装置導入のための物品費およびその他（論文投稿料）が大きくなる予定である。また、研究分担者の主な使用予定は消耗品および論文執筆等の打ち合わせ旅費が大きくなる予定となっている。