2019 Fiscal Year Annual Research Report
Novel function control of plant and marine products by pulsed power and its scientifically deepening
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19H05611
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| Research Institution | Iwate University |
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Principal Investigator |
高木 浩一 岩手大学, 理工学部, 教授 (00216615)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大嶋 孝之 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (30251119)
林 信哉 九州大学, 総合理工学研究院, 教授 (40295019)
王 斗艶 熊本大学, パルスパワー科学研究所, 准教授 (30508651)
袁 春紅 岩手大学, 農学部, 准教授 (80431336)
高橋 克幸 岩手大学, 理工学部, 准教授 (00763153)
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| Project Period (FY) |
2019-06-26 – 2024-03-31
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| Keywords | パルスパワー / プラズマ / 生長促進 / 植物 / 食品機能性 / 鮮度保持 / たんぱく質立体構造 / ストレス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
電界・プラズマ作用場の創出およびその時空間制御では、パルスパワー電源として、操作性に優れた磁気圧縮型や、SiC パワー半導体スイッチング素子を用いた小型パルスパワー電源の開発を行った。仕様は出力電圧が10 kV、パルス幅が数十 ns、繰り返しが数百pps（pulses-per-seconds）と、植物の活性制御や農産物および水産物の鮮度保持・食品機能性向上に適した制御が可能となるように設定した。電界・プラズマによる植物の活性制御とその機序解明では、プラズマ照射後の植物発芽・生長促進について、種子や植物体のレドックス変移やエピジェネティクス、遺伝子発現解析を行い、ジベレリン、ブラシノステロイドのシグナル伝達経路の活性化、Karrikin受容を律速する反応を触媒する酵素をコードする遺伝子の発現などを確認した。また植物（レタス）の葉へのパルス電界の印加により、炭素固定速度が10％程度増加すること、特に暗順応レタスに有意な差が出ることを見出した。食品へのプラズマ・パルス電界の作用として、卵白アルブミンへの電界印加により、たんぱく質立体構造変化に伴って抗体結合能が減少すること、α-アミラーゼ残存活性の電界印加による減少はトリプトファンを含む構造に影響したためであること、酵母へのプラズマ照射を通した酸化ストレス応答により、グルタチオン代謝が活発になることなどを明らかにした。農産物の鮮度維持について、交流電場中で保存することで保存・輸送中の呼吸量が減少すること、一部の植物ホルモンの活性が減少することなどが明らかとなった。魚介類の鮮度評価法について、凍結や解凍速度でAPTの時間に対する減少速度が変わることや、電場中の凍結では頻度因子が増加することで過冷却が生じにくいこと、それに伴って氷核成長速度や氷結サイズが変わることなども明らかになった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、パルス電界・プラズマ複合反応場による植物・水産物の革新的機能制御の実現と作用機序を礎とした学術深化を目的として、①パルスパワー技術を基礎としたナノ秒、マイクロスケール反応場創出といった高精度の時空間制御を実現、その反応場を活用して、②パルス電場やプラズマ照射後の種子や植物体のレドックス変移やエピジェネティクス、遺伝子発現などを通した活性化の機序解明（植物の活性制御）、③パルス電界・プラズマ複合反応場での農産物や水産物のタンパク構造変化、機能性向上、酵素や発酵微生物の活性制御（鮮度保持・食品機能性向上）を計画していた。研究実績概要に記載のように、実施項目①では、SiC パワー半導体スイッチング素子を用いた小型パルスパワー電源の開発を進め、コンパクトな電源、またそれを用いたプラズマ生成が実現している。そのほか、項目②でも植物のジベレリン、ブラシノステロイドのシグナル伝達経路の活性化、Karrikin受容を律速する遺伝子の発現、炭素固定速度が10％増加、特に暗順応レタスに有意な差が出ることの機序解明に至っている。項目③についても、卵白アルブミンの抗体結合能の減少、α-アミラーゼ残存活性減少はトリプトファンを含む構造変化に起因すること、酵母のグルタチオン代謝の活性化、農産物の呼吸量の減少、植物ホルモンの活性の減少、電場中の凍結で頻度因子が変わり、氷核成長速度や氷結サイズが変わることなど、おおむね計画に記載した内容で、多くの知見を得ている。本分野での学術深化・世界先導の実現についても、IOPの学会誌でのレビュー論文の掲載、Science Impact社の雑誌で研究が紹介されるなど、世界的な注目も高められている。このようにおおよそ計画通りに研究を進めており、目的に即した知見が得られていることから、「（２）おおむね順調に進展している」の区分と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度は、研究代表および研究分担者が、それぞれ分担している研究テーマの実施に必要な研究環境の整備、またこれまでの研究資産を活用して、本研究テーマの進捗に資する実験を行っている。加えて、研究プラットフォーム構築に必要となるパルス電源の開発や
、それらの制御手法の確立を行た。ここまでは、おおよそ計画通りに進められている。次年度は、研究代表が中心となり、研究分担者との情報共有を密にして、お互いの成果や得られている知見を共有しつつ、本分野を日本・世界で牽引するように展開していくことを意識しつつ、学理深化とプラットフォーム形成、成果の発信などを推し進める。お互いの成果の共有のための推進会議を、岩手大学で10月くらいで行い、論文の特集号や、研究会でのテーマ付きセッションなどの提案も行っていき、本研究に携わっている研究者を核にしつつ、本分野の研究者の裾野拡大をさらに推し進めていく。また、バイオ研究者、植物生理学を専門とする研究者との情報交換や連携も積極的に展開し、本分野の学理深化を目指すことを計画している。
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