RIを利用した植物の元素動態の ライブイメージング - J-Stage

【解説】

RIを利用した植物の元素動態の ライブイメージング

藤巻 秀

RI（ラジオアイソトープ）は決して昔の実験手段ではない．

近 年，植 物 研 究 分 野 に お け るRIの「イ メ ー ジ ン グ 技 術」 が 大きく成長を遂げ，多様化している．関心対象の元素の動き を ビ デ オ カ メ ラ の よ う に 非 破 壊 的 に 捉 え る こ と が 可 能 と な り，植物が土壌や大気から栄養元素や有害元素を吸収し，輸 送し，蓄積する機能を解明する新しい方法論として，注目を 集 め 始 め て い る．本 稿 で は，最 新 の 研 究 例 と と も に，植 物

RIイメージング技術の現在の課題と未来像を概説する．

はじめに

読者の皆様の中には，かつて学生実験で，植物の根か らリン32などの放射性同位元素（ラジオアイソトープ；

RI）を吸収させ，X線フィルムにより可視化するオート ラジオグラフィーを行った憶えのある方がいらっしゃる だろう．ただ，ここ20年ほどの間に，蛍光色素を用い た手法の発展などにより，生物実験でRIが利用される 場面が大きく減ったため，特に現役の学生の方々にとっ

て，RIは馴染みの薄い存在かもしれない．しかし，生 物関連分野においてRIにしかできないことは依然とし て多くある．その代表が，RIの放出するガンマ線が生 体組織を容易に透過することを活かして，関心をもった 物質の生体内での分布や動きを体外から追跡（トレー ス）する，「トレーサ利用」である．

RIのトレーサ利用の身近な例として，医療分野の

「PET診断」が挙げられる．これは，がんに集積する性 質をもつ［¹⁸F］FDGなどの放射性薬剤を注射し，ポジ トロン断層撮像（positron emission tomography ; PET）

という技術でその薬剤の体内分布を画像化することによ り，初期の小さながんをも発見できるというものであ る．そして，冒頭のオートラジオグラフィーの例も，植 物体内でのリン栄養の移行を観察したものであり，ト レーサ利用である．植物は，土壌や大気から栄養元素を

―ときには有害元素をも―吸収・固定し，葉・幹・果 実・種子などに輸送し，蓄積する機能をもっており，こ れこそがわれわれ人間の生存の物質的基盤となってい る．つまり，農業や環境と表裏一体の植物研究分野にお いては元素そのものに深い関心があり，その動く様子，

すなわち「元素動態」が重要なテーマとなっている．こ Live Imaging of Nutritional Transport in Plants by Using Radio-

isotopes

Shu FUJIMAKI, 日本原子力研究開発機構

うした理由のため，植物研究とRIは昔から相性が良い のだと思われる．

「百聞は一見にしかず」

：植物 RI

イメージングとは 何か

オートラジオグラフィーからは美しい像が得られる が，ある瞬間のRI分布を静止画像として捉えることし かできない．しかも多くの場合，試料を切片化したり，

アイロンで平らにしたりしてから，X線フィルムやイ メージングプレートに押し付けて露光させるので，生体 を「殺してしまう」必要がある．しかし，ある元素に対 する植物の吸収・固定・輸送・蓄積といった機能を論じ るためには，植物を生かしたままの状態で，その元素が じわじわと動いていく過程を「ライブで」観察すること が望ましい．言い換えれば，微分的な解析をしたい，と いうのが必然的に求められるコンセプトである．そのた めには，植物体内のRI分布をビデオカメラのように撮 影できる計測技術が必要となる．その要件は以下の3つ である．

（1）画像に定量性があること

画像上のシグナル強度を元に，実際のRI分布の絶対 量または大小が議論できる．

（2）経時変化を追跡できること

連続画像，すなわちアニメーションが撮れる．

（3）非侵襲的であること

被写体の植物を傷つけず，なるべく負荷をかけない．

これらを満たすものとして，PETIS （positron-emitting  tracer imaging system ;「植物ポジトロンイメージング 技術」とも）を嚆矢として，RRIS （real-time radioisotope  imaging system）

，ガンマカメラ，コンプトンカメラと

いった計測技術が開発されてきている．これらの放射線 計測・画像化の原理はそれぞれ全く異なるのだが，上述 の共通のコンセプトに則って植物研究へと応用されてい る．そこで最近，こうした研究手法全体を指して「植物 RIイメージング」と呼ぶことが多くなっている．

以下本稿では，最も歴史の長いPETISを例に挙げて，

その技術的側面と代表的応用研究を解説し，植物RIイ メージングの将来展望について述べる．

計測装置の技術

PETISは1990年代に日本原子力研究所（当時）と浜 松ホトニクス株式会社により，植物研究用に開発された ものであり，医療用PETと同じ計測原理に基づいてい る（図

1

_）

．ポジトロン（陽電子）放出核種と呼ばれる種

類のRIは，植物体内で陽電子を放出する．陽電子は電 子の反物質であり，プラスの電荷をもつ．陽電子は近傍 の電子と出会うと両者は完全に消滅し（対消滅と言う）

，

その位置からは質量に相当するエネルギーをもつガンマ 線（消滅ガンマ線と言う）が2本，ほぼ180°方向に放出 される．このガンマ線は，植物体を挟んで約10センチ の等距離で対向する2台のガンマ線検出器に同時刻に入 射する．この性質を利用して，PETISは，2台の検出器 に同時刻にガンマ線が入射した場合に限り，その入射位 置を結んだ中点の位置に発生源（RI）が存在するもの と推定する．この「同時計数」と呼ばれる計測を極めて 高速で繰り返し積算していくと，やがて植物体内のRI の分布が1枚の画像として浮かび上がってくる．たとえ ば，10秒間の積算で十分な画質の画像が得られるとす れば，1時間の撮像実験の間に360枚の連続画像（360フ レームのアニメーション）を得ることができる．

以上の計測原理が医療用PETと共通であるため，PETIS は「植物版PET」と呼ばれることもあったが，そのほ かの部分では植物研究に非常に特化したものとなってい る．最大の違いは，得られるデータが3次元の断層像で はなく，2次元の平面画像である点である（医療用PET の T は tomography

，すなわち立体の「輪切り」

断面の画像化を意味するのに対し，PETISの T は tracer である）

．これによって，小型の検出器を左右

に向かい合わせに配置しただけの非常にコンパクトな装 置構成を実現し，温度，湿度，照明，空気組成を調整し た人工気象器内に検出器一式を設置して，植物実験を行 うことが可能となった（図

2

_）

．医療用PETでは，被験

者は涼しく乾燥した部屋の中でドーナツ型の装置内に入 る．しかし，植物の生理状態は温度や光条件などに鋭敏 図1^■PETISの計測原理

ここではポジトロン放出核種として炭素11を例に挙げている．

に応答するため，このような装置デザインが必須であ る．

RI

は自分で作る

イメージング研究に必要なのは計測技術だけではな い．RIを製造する技術，水耕液やガスの形で植物体に 投与する技術も必要である．特にポジトロン放出核種の 場合，半減期が短く，市販されていないものが多いた め，こうしたRIは実験者自身が製造することになる．

これにはサイクロトロン施設で生成されるイオンビーム による原子核反応を利用する（図

3

_）

_{．光合成の研究に}

用いる炭素11の場合を例に挙げると，炭素11の半減期 は僅か20分であり，当然ながら市販されていない．サ イクロトロンで極めて高速に加速された陽子の流れ（イ オンビーム）を窒素ガスに照射すると，窒素の原子核と 陽子が反応を起こし，炭素11が生成される．これまで にPETISに利用されたことのあるRIを表

1

_{に示す．こ} のうち，ナトリウム22と亜鉛65だけが市販のRIであ り，ほかのRIのイオンビームを利用した製造法は，植 物研究者の求めに核化学者が応える形で，次々に編み出 されてきた．

生成したRIは化学的精製などを経て，植物に投与さ れる．たとえば前述の照射後の窒素ガスには極微量の

11CO2が含まれ，これを液体窒素で冷やしたステンレス 管の内部に通すことにより，¹¹CO2のみが昇華してト ラップされる．その後，トラップ管内で通常空気と混合 し，植物体の特定の葉に一定の流量で投与し，PETIS で撮像を行う．すると，光合成による炭素固定と，糖な どの光合成産物の体内輸送の様子がアニメーションとし て画像化できるというわけである．

動画像データを解析する

上に「百聞は一見にしかず」と書いたとおり，アニ メーションは研究者にとっても一般市民にとっても印象 的であり，説得力がある．しかし，たとえば「ナスの果 実のどの部分に光合成産物が流入するのか」といった定 図2^■PETIS検出器部分の外観

人工気象器内部にPETISの対向型の検出器部分が設置されてい る．

（a）

（b）

図3^■イオンビーム照射によるRI製造

a：原子核反応の模式図．炭素11の生成を例に挙げている．b：照 射室（日本原子力研究開発機構高崎量子応用研究所イオン照射研 究施設（TIARA））の様子．イオンビーム照射時には（もちろん）

人員は室外に退出する．

表1■PETISに利用されたことのある核種

核 種 半減期 化学形

11C 20.4分 ¹¹CO2, ［¹¹C］メチオニン

13N 9.97分 ¹³NO3−, ¹³NH4＋, ［¹³N］N2

15O 122秒 H215O

18F 110分 ¹⁸F⁻, ［¹⁸F］FDG

22Na 2.60年 ²²Na^＋

48V 16.0日 H248VO4− 52Mn 5.59日 ⁵²Mn^2＋

52Fe 8.28時間 ⁵²Fe^2＋, ⁵²Fe^3＋

64Cu 12.7時間 ⁶⁴Cu^2＋

62Zn 9.19時間 ⁶²Zn^2＋

65Zn 244日 ⁶⁵Zn^2＋

107Cd 6.50時間 ¹⁰⁷Cd^2＋

市販されているナトリウム22と亜鉛65を除き，サイクロトロン施 設で製造する．

（a）

（b）

性的な疑問に対してはアニメーションで答えることがで きるが，「塩ストレスによって茎中の光合成産物の輸送 速度がどの程度低下するのか」といった定量的な疑問に 対しては，得られた動画像データに対する数理的解析が 必要である．PETIS画像には定量性があるので，ある 特定の領域内のシグナル強度が時間とともに変化してい くグラフ「time‒activity curve」を抽出したならば，そ れはその領域内に存在する関心物質の増減を表すグラフ となる．たとえば，植物が水耕液から関心物質を吸収す る様子を撮像したとすると，動画像上では，まず水耕液 の領域のシグナルが弱まると同時に根の領域のシグナル が強まっていき，追いかけるように茎や葉の領域のシグ ナルが強まっていく．これらのグラフを適切な関係式で 表すことにより，関心物質の移動速度などを算出するこ とができる^（1） （図

4

_）

_．

代表的応用例：植物におけるカドミウムの動態 登場から十数年の間に，PETISは，RIトレーサの製造 法と植物への投与法，撮像環境の制御法，放射線計測装 置本体，動画像データの解析法，といったすべての要素 技術について新規開発と改良が重ねられ，多くの研究成 果を上げてきた．その代表例に，植物におけるカドミウ ム動態を詳細に解析した研究が挙げられる．カドミウム による農地汚染は，かつて「4大公害病」の一つに挙げ られたイタイイタイ病を引き起こしたことで有名であ る．高濃度の汚染地域のほとんどですでに土木的な除染 事業が実施されているものの，低濃度の汚染地域は現在 もなお全国的に広く存在しており，わが国農業の重大な 問題の一つであり続けている（近年では中国で農地汚染 問題が深刻化していると聞いている）

．カドミウムの慢

性的摂取は，イタイイタイ病の発症に至るほどの量でな い場合でも，腎臓病を引き起こすことが知られている．

日本人にとっての主なカドミウム摂取源はコメであるた め，イネが根からカドミウムを吸収し，植物体内を移行 し，最終的にコメに蓄積するまでの道筋とメカニズムに ついての理解，さらにその制御法の確立が求められてき た．

土からコメまで，どのような経路で，どのくらいの時間 をかけて，カドミウムは輸送されているのか？ PETIS を用いてこの疑問に答えるため，はじめに，陽子ビーム の銀箔への照射と化学的精製によるカドミウム107ト レーサの製造方法が開発された．さらに，計測データを 元に経根吸収速度の推定を行うための数理的解析技術の 開発，トレーサを含む水耕培地とそこに浸っている植物 根系，そして植物体地上部を一括して直接撮像する「経 根吸収イメージング」の系の開発などが続いた．これら により，カドミウムがイネの根に吸収され，コメに移行 し蓄積するまでの動態を詳細に解明することに初めて成 功した^（2, 3） （図

5

_）

．ここでは以下のような全体像が描か

れた．出穂から10日ほど経ったイネの場合，土壌中の カドミウムは，根に吸収されると一部は根組織内の液胞 内に隔離され，ほかはわずか10分以内に導管を通じて 地上部へ移行を開始する．導管内部の蒸散流は葉身へと 向かう流れであるが，カドミウムは葉身にほとんど達す ることなく，その前に稈の「節」で篩管に乗り換え，最 終目的地であるコメへと向かう．地上部では時速数セン チメートル程度の速度で上昇していき，半日（たとえば 8時間程度）後には穂に到達する．なお，その後（2010 年代）

，カドミウムの膜輸送を担うトランスポーターの

同定が相次ぎ，こうしたカドミウムの動態が分子遺伝学

（a）

（b）

図4^■動画像データの解析

a：ダイズ地上部に炭素11標識二酸化炭素を投与した後の光合成 産物の動態画像．b：Time‒Activity Curve解析の概念図．

（a）

（b）

的手法により大きく変化した植物が得られている^（4）

．

PETISを利用して，このほかにも，カドミウム汚染 土壌の浄化を目指したカドミウム高集積イネ系統の解 析^（3）

，グルタチオンの投与によるカドミウム移行抑制作

用の発見と機構解析^（5）などの研究が行われた．技術論と しては，ただ関心物質の動きをアニメーションとして画 像化するだけにとどまらず，根がもつ「重金属を保持す る」という機能や，経根吸収速度・地上部への移行速度 といった定量的パラメータを論じることが可能となった 点が重要である．

PETIS

の課題

発展を遂げてきたPETISの利用を希望する植物研究 者は多いが，2014年3月現在，国内で利用可能な拠点は 日本原子力研究開発機構・高崎量子応用研究所に限られ ており（ただし，海外にはドイツ・ユーリッヒ研究所な どに類似の植物RIイメージング技術が存在する）

，ニー

ズに対応できていないのが現実である．拠点数が増加し ない大きな理由の一つとして，PETISを実施するため にはサイクロトロン施設が必要であるという点が挙げら れる．通常，サイクロトロン施設で照射実験を行うため には「マシンタイム」（あるいはビームタイム）と呼ば れる割り当て時間を研究者が獲得する必要があるが，む ろんそのためにはさまざまな手続きを要し，イオンビー ムは半導体開発などの工学分野でも盛んに利用されるた

め，限られたパイをめぐる競争もある．

今後，PETISを利用した植物研究の一層の拡大のた めには，大学病院などにあるPET用サイクロトロン施 設の「空き時間」を活用することや，あるいは農業・環 境・バイオ分野に重心を置いた加速器・RIセンターの 新設といった発展的プロジェクトにも期待したい．特に 後者について，サイクロトロン施設で生成されるイオン ビームは，イメージング用RIの製造だけでなく，新た な遺伝子資源の効率的な創成（詳しくは次号（予定）

，

長谷純宏氏による「イオンビーム育種」についての解説 記事をご覧いただきたい）や，生物に対する放射線の細 胞レベルでの影響とそのメカニズムの解明などにも役 立っており，サイクロトロン施設の農業・環境・バイオ 分野への貢献に対する期待は，昨今，非常に大きなもの となっている^（6）

．

新しい学術分野

近年，PETIS以外にも植物RIイメージング技術に応 用可能な計測技術の開発が進んでいる．東京大学のグ ループにより，ベータ線放出核種にも適用が可能な「リ アルタイムRIイメージングシステム（RRIS）」が植物 研究用に開発されており^（7）

，マグネシウム，鉄，セシウ

ムといった元素動態の解析が報告されている．筆者らの グループでは，セシウム137などのガンマ線放出核種を 対象とした「植物用ガンマカメラ」の開発に成功してお り，目下，作物中のセシウム動態の解析を進めていると ころである．また，エネルギーの異なるガンマ線を同時 に弁別して計測できる「コンプトンカメラ」の開発も進 めている^（8）

．これにより，植物体における複数の元素の

動きを同時に追跡することが可能になり，養分間の相互 作用などの解明につながることが期待できる．以上の新 しい計測技術には，これまでにPETISのために開発さ れてきたRIトレーサの投与や動画像データの解析の手 法とノウハウがそのまま活用できる点も強調しておきた い．今後，RIと計測技術の選択肢が広がり，植物RIイ メージング技術の裾野が広がることにより，農業・環 境・バイオ分野への貢献が加速していくことが望まれ る．

また，本稿で述べてきたように，植物RIイメージン グという研究手法は，植物栄養学，放射線計測学，核化 学，加速器工学など，幅広い学術分野の学際的協力のう えに成立している．筆者自身は植物栄養学の出身である が，「門前の小僧習わぬ経を読む」の諺のとおり，いつ の間にか「ガンマ線のコンプトン散乱が…」などと言う 図5^■イネにおけるカドミウム動態

穂への集積（上段），節に集積しながらの上昇（中段），水耕液か ら根への吸収とさらに地上部への移行（下段）．連続画像（数分／

フレーム）を積算したものを示している．

ようになった．さまざまなご専門をお持ちの読者諸氏に も，この新しい分野に興味・関心をもっていただければ たいへん幸いである．

文献

  1） N.  Kawachi,  N.  Suzui,  S.  Ishii,  S.  Ito,  N.  S.  Ishioka,  H. 

Yamazaki, A. H. Iwasaki, K. Ogawa & S. Fujimaki : , , 648, 317 （2011）.

  2） S. Fujimaki, N. Suzui, N. S. Ishioka, N. Kawachi, S. Ito, M. 

Chino & S. Nakamura : , 152, 1796 （2010）.

  3） S. Ishikawa, N. Suzui, S. Ito-Tanabata, S. Ishii, M. Igura,  T. Abe, M. Kuramata, N. Kawachi & S. Fujimaki :  

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  4） 石川 覚：化学と生物，51 203 （2013）.

  5） S.  Nakamura,  N.  Suzui,  T.  Nagasaka,  F.  Komatsu,  N.  S. 

Ishioka, S. Ito-Tanabata, N. Kawachi, H. Rai, H. Hattori,  M. Chino  : , 64, 1073 （2013）.

  6） 田中 淳：放射線と産業，132, 30 （2012）.

  7） M. Yamawaki, S. Kanno, H. Ishibashi, A. Noda, A. Hirose, 

K. Tanoi & T. M. Nakanishi : , 

282, 275 （2009）.

  8） M.  Yamaguchi,  N.  Kawachi,  N.  Suzui,  S.  Fujimaki,  T. 

Kami ya,  H.  Odaka,  S.  Ishikawa,  M.  Kokubun,  S.  Wata- nabe, T. Takahashi  :

, , 648, S2 （2011）.

プロフィル

藤 巻  秀（Shu FUJIMAKI）   

＜略歴＞1994年東京大学農学部農芸化学 科卒業／2000年同大学大学院農学生命科 学研究科応用生命化学専攻博士課程修了

（博士（農学））／2002年日本原子力研究所 

（現 日本原子力研究開発機構）入所／2012 年日本原子力研究開発機構RIイメージン グ研究グループリーダー，現在に至る＜研 究テーマと抱負＞植物の器官・個体・群落 の構造を「物質輸送」の視点から理解した いと思っています