放射光蛍光X線分析と分子生物学を併用した

植物の重金属集積機構の解明

京都大学 生存圏研究所ミッション専攻研究員原田英美子

2010年3月9日（火）先端研究シンポジウム｢植物の力を引き出す2｣東京農業大学 世田谷キャンパス

１）重金属集積植物とは？

２）重金属集積植物の能力を環境浄化、有用資源回収などに応用

３）タバコの重金属ストレス応答機構解明への放射光分析の適用

４）木本植物ヤナギでの重金属集積機構の解明

重金属集積植物とは？

= Metal hyperaccumulator多くは重金属汚染地帯で発見極限環境生物の一種約450種の植物が同定されている

Zn, Mn 10000 ppm 以上Ni, Co, Cu, Se, As 1000 ppm 以上Cd 100 ppm 以上植物体の地上部に蓄積なおかつ生育阻害を受けない（通常の濃度の10－1000倍）

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MM

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M

M

植物で高集積が報告されている元素

BrSeGe AsSc Ti Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn GaCaK V Kr

ITeSn SbY Zr Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd InSrRb Nb Xe

AtPoPb BiLa Hf W Re Os Ir Pt Au Hg TlBaCs Ta Rn

Ac Rf Sg Bh Hs Mt Ds RgRaFr Db

YbTmHo ErPr Nd Pm Sm Eu Gd Tb DyCe Lu

NoMdEs FmPa U Np Pu Am Cm Bk CfTh Lr

BeLi

MgNa

FOC NB Ne

ClSSi PAl Ar

H He

La

Ac

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 14 15 16 17 18

密度が４以上の金属元素

重金属の周期表での位置

１）重金属集積植物とは？

２）重金属集積植物の能力を環境浄化、有用資源回収などに応用

３）タバコの重金属ストレス応答機構解明への放射光分析の適用

４）木本植物ヤナギでの重金属集積機構の解明

重金属集積植物や、土壌中の金属を植物に効率的に移行させる技術を応用するとどんなことができるか

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MM

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1) フゔトレメデゖエーション（Phytoremediation）2) フゔトマニング（Phytomining）

土壌中の有用金属を植物により回収する3) フゔトフォルテゖフゖケーション（Phytofortification）

食用植物のミネラル含有量の制御

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M

MM

M

M

毒性重金属

１、フゔトレメデゖエーション

フゔトレメデゖエーションとは植物に土壌中の有毒重金属を回収する環境浄化法

Cd Pb Hg

Phyto ＋ remediation

植物 改善、修復

M

M

M

MMM

M

M

MM

M M

M MM

M

M

MM

M

M

M

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M

M

M

フゔトレメデゖエーションに適した植物は?

バオマスが大きい・生長が速い植物

重金属集積植物

(hyperaccumulator)

重金属耐性植物

M

M

MM

M

M

有用重金属

フゔトマニングは植物地上部に土壌中の貴金属、レゕメタルを回収する

採掘法である

Mn Au Ni

Phyto ＋mining植物 採掘

２、フゔトマニング

必須重金属

フゔトフォルテゖフゖケーションは食用植物中の微量必須元素の含有量を

制御し、栄養価を高める手法

Fe Zn

M

M

M

MMM

M

M

３、フゔトフォルテゖフゖケーション

Phyto ＋fortification

植物 栄養強化

１）重金属集積植物とは？

２）重金属集積植物の能力を環境浄化、有用資源回収などに応用

３）タバコの重金属ストレス応答機構解明への放射光分析の適用

４）木本植物ヤナギでの重金属集積機構の解明

放射光施設（シンクロトロン）の例

SPring-8(兵庫県佐用郡）

提供：SPring-8

重金属集積植物の多くはモデル植物ではなく、遺伝子レベルのゕプローチは難しいことも。

ヤナギ

ハクサンハタザオ

ミゾソバ

タバコ

モエジマシダ

ヘビノネゴザ

グンバナズナ

ヒョウタンゴケタカノツメ

コシゕブラ

解明されている重金属集積・耐性機構

植物によってメカニズムも多岐にわたっている。分子生物学的手法による直接のゕプローチが難しい時に、物理化学的手法はに特に有効。

M

M

細胞間での輸送・解毒

細胞内での輸送・解毒

地下部から地上部への輸送根での排除・

固定化

タバコの重金属蓄積研究の意義１）フゔトレメデゖエーションの材料として

有望（重金属含有量が多い方が望ましい）バオマスが大きく、生育が早いHyperaccumulator のレベルには至らないが重金属の含有量が多い

２）喫煙によりカドミウムを摂取（重金属含有量が少ない方が望ましい）

一日20本の喫煙でカドミウム摂取量が倍になる

＋形質転換体の作成が容易

SO42-

cysteine

phytochelatin

C

E C Gglutathione

H2S

E C E C G

Cysteine synthase (CS) カドミウム耐性?

オウ代謝系を強化してカドミウム耐性植物を分子育種する

WT 形質転換体

Cysteine Synthase 過剰発現タバコのCd耐性

Phytochelatin含有量が

形質転換体で多い

予想に反し、形質転換体のCd含有量は野生型より低下していた

mg/g FW

20

10

0WT TRCS2

Cd concentration

カドミウム吸収が阻害されている？排出が促進されている？

Harada E, Choi YE, Tsuchisaka A, Obata H, Kusano T, Sano H. Transgenic tobacco plants expressing a rice cysteine synthase gene are tolerant to toxic levels of cadmium. J Plant Physiol 158, 655-661 (2001).

重金属処理後トラコーム上部に結晶状の物質が観察された

VP (variable pressure)-SEMによりタバコ葉表面および結晶を直接観察

タバコトラコームはカドミウム処理により結晶状物質を排出

大きさ：～150 µm

+ Cd

VPSEM-EDX(エネルギー分散型蛍光X線分析装置)を用いた

結晶状物質の元素メージング

Bar = 50 micro mCdが排出されている

トラコームからの金属排出と解毒が活性化しているのでは？

leaf

stemWT

Bar = 1mm

CS形質転換体ではトラコームの数が増加

形質転換体

Harada E, Choi YE. Investigation of metal exudates from tobacco glandular trichomes under heavy metal stresses using a variable pressure scanning electron microscopy system. Plant Biotechnol. 25, 407-411 (2008).

Open Questions１）重金属の排出はカドミウム処理

したときだけに起こるのか？２）排出された重金属の化学形態は？３）トラコームからの金属の排出機構

は？

Planta, 2001年

Zn処理したタバコトラコームでのZn蓄積および排出

共焦点レーザー顕微鏡およびVPSEM-EDXにより解明

+ Zn

+ Zn

control

control

Sarret G, Harada E, Choi YE, Isaure MP, Geoffroy N, Fakra S, Marcus MA, Birschwilks M, Clemens S, Manceau A. Tobacco detoxifytoxic levels of zinc by exuding Zn-substituted calcite and Zn phosphate through the trichomes. Plant Physiology 41, 1021-1034 (2006).

放射光を用いた亜鉛含有結晶の物理化学的分析

Advanced Light Source (ALS)(California, USA)

提供:ALS, Berkeley Lab

単離した結晶の放射光X線分析

µ-XRD (X線回折法) およびµ- EXAFS (X線吸収微細構造法)を用いて結晶の化学形態を分析

5mm

Zn は主にZnCO3として結晶中に存在している

µEXAFS法によるZnの化学形態の決定

Sarret G, Harada E, Choi YE, Isaure MP, Geoffroy N, Fakra S, Marcus MA, Birschwilks M, Clemens S, Manceau A. Tobacco detoxifytoxic levels of zinc by exuding Zn-substituted calcite and Zn phosphate through the trichomes. Plant Physiology 41, 1021-1034 (2006).

Open Questions１）重金属の排出はカドミウム処理

したときだけに起こるのか？２）排出された重金属の化学形態は？３）トラコームからの金属の排出機構

は？

Planta, 2001年

亜鉛でも起こる

炭酸塩

いまだ不明

１）重金属集積植物とは？

２）重金属集積植物の能力を環境浄化、有用資源回収などに応用

３）タバコの重金属ストレス応答機構解明への放射光分析の適用

４）木本植物ヤナギでの重金属集積機構の解明

・成長が早い・バオマス大・ストレスに強い

・湖畔や河原などの浸水域でもよく生育→土壌だけではなく、水辺での

フゔトレメデゖエーションにも有利・ヨーロッパ産のヤナギが重金属を蓄積

することが近年報告されている。

ヤナギ類の有用性

西日本に生育している６種のヤナギのうちカワヤナギ（Salix gilgiana）を使用

樹高 3-5 m 水耕栽培にしてSPring-8に持ち込む

Fe16

0

K Kβ+Ca Kα

373

0

Zn35

0

K43

0

Sr33

0

Cd1213

0

カワヤナギ葉の鋸歯におけるカドミウムの蓄積µXRF(マクロ蛍光X線分析）

100 µm

鋸歯にCdが蓄積。この細胞では他のオン濃度も高い

ビームサズ 1.1x0.65 µm

Fe15

0KKβ+Ca Kα

113

0

Zn26

0

K11

0Sr62

0

Cd157

0

µXRF(マクロ蛍光X線分析）を用いたカワヤナギ枝の元素メージング

Cd

Fe

K

Ca+K

Sr

Zn

樹皮にCdが蓄積しており、コルク皮層もしくはコルク形成層で特に濃度が高い

サフラニン・ゕストラブルー染色

まとめ

１）植物の金属集積機構を利用することにより、産業への応用が期待される。

２）放射光X線分析を用いた手法が、研究のブレクスルーにつながる可能性がある。

３）重金属集積植物の研究には多角的な学際研究が非常に有効

Environmental Geochemistry

LGIT,Grenoble, France

Prof. Alain Manceau

Dr. Geraldine Sarret

Dr. Marie-Pierre Isaure

Nicolas Geoffroy

ALS, Berkeley, USA

Dr. Matthew A. Marcus

Dr. Sirine Fakra

謝辞

Kangwon National University

South Korea

Prof. Yong-Eui Choi

Leibniz-Institute of Plant

Biochemistry, Germany

Prof. Stephan Clemens

Dr. Mandy Birschwilks

奈良先端科学技術大学院大学佐野 浩 教授

京都大学 生態学研究センター大串 隆之 教授

加賀田 秀樹 研究員内海 俊介 研究員

東京理科大学中井 泉 教授

保倉 明子 助教（現・東京電機大学・准教授）

京都大学 生存圏研究所吉村 剛 准教授

中山 友栄 研究員馬場 啓一 助教

矢崎 一史 教授森林圏遺伝子統御分野のみなさん

総合地球環境学研究所山村 則男 教授

小林 俊則 研究員

（財）高輝度光科学研究センター寺田 靖子 主幹研究員

ヤナギの重金属集積に関する研究は、文部科学省科学研究費補助金基盤研究 (C) 「木本植物を用いた重金属汚染土壌のフゔトレメデゖエーション法の開発」（課題番号21510085）による援助を受け、放射光実験はSPring-8 BL37XU（課題番号2008B1321）で行われました

http://www.kangwon.ac.kr/http://www.ipb-halle.de/de/http://www.chikyu.ac.jp/index.htmlhttp://www.tus.ac.jp/