2026年度前期　第8回　細胞生物学セミナー

日時　6月9日(火)　16:30~ 場所：teams

Local mapping of root orientation traits by X-ray micro-CT and 3d image analysis: A study case on carrot seedlings grown in simulated vs real weightlessness

Plant Methods, 20:150

Gargiulo, L., Mele, G., Izzo, L. G., Romano, L. E., Aronne, G. (2024)

X線マイクロCTおよび3D画像解析による根の配向形質の局所マッピング： 疑似微小重力環境と微小重力環境下で生育したニンジンの苗における研究事例

　根は、植物の固定、光合成産物の貯蔵、土壌からの水やミネラルの吸収および輸送を行うために特化した構造であり、 植物生理学上、重力への反応研究において極めて重要な役割を果たしている。特に根の角度は、土壌中の水平・垂直方向への伸長を規定する主要な形質であり、作物育種や宇宙空間での植物栽培において重要視されている。これまで重力条件の変化が根の形態、ひいては根の向きに及ぼす影響に関する研究においては、手法として2次元画像解析がよく用いられてきた。2次元画像解析は非破壊的で連続的な観察を可能にし、根の配向を角度として定量化することや根端の移動軌跡、成長方向の時間的変化、ベクトル場の可視化できるため、重力ベクトルとの関係を直接評価することを可能にしている。しかし2次元ベースでの測定は自然な状態での根系構造を反映していないという問題がある。他の研究においても3次元画像解析の方が2次元画像解析に比べて、得られる形態的特徴では遺伝的要因の寄与が大きく、環境ノイズの影響が小さくなることが示唆されている。そこで本研究ではX線マイクロCT画像を用いて根のイメージングを行い、ブルカー社のCTAnソフトウェアに実装された、構造テンソル概念に基づく3次元画像解析手法(Straumit法)を利用して、従来の角度測定では得られなかった微細な方向変化を抽出した。

　ニンジン(Daucus carota L. 'Chantenay')の種子を基質であるフェノール樹脂製の発泡体オアシスフォームに播種し暗所で175時間栽培し、固定液を注入し固定した。ブルカーSkyscan1272を用いて17μm/pixの3Dデータを取得し、大津の閾値法で二値化し、8voxel未満の粒子は除去することで、基質を除去した。本研究では異なる3つの環境下である微小重力環境(ISS)、1軸クリノスタットを用いた疑似微小重力環境(CL)、地上1G(GRE)、におけるニンジンの幼根の成長を比較することを目的とした。球面座標系の天頂角(θ)と方位角(φ)を取得し播種面に対する根の角度(RASP(θの補角))を解析したところ、GREでは根が播種面に対して明確に垂直方向に伸長し、RASPが70に集中した。一方ISSおよびCLの微小重力・疑似微小重力環境では、根は播種面に対して平行方向に伸長し、0°～30°の角度帯が優占した。RASPの平均値・最頻値はGREで有意に高く、標準偏差・歪度はISSとCLで大きかった。根の方向転換回数(ROC)を評価したところISSとCLではGREの2倍以上の数値を示した。このことは微小重力環境が根の伸長方向を不安定化させることを示唆していた。局所的な根の太さ(RT)を解析した結果、3条件間で全体の体積の平均値の有意差はなかった。しかしISSとCLでは238～306μmの細い根の体積の比率が高く、GREでは442～510μmの太い領域の占める体積の割合が高かった。CLではISSと比較してやや太い領域の体積が占める割合が高く、方向転換部位で局所的な肥厚が生じていた。これは方向転換時にかかる機械的負荷の局在化を反映している可能性がある。以上によりISSとCLの根配向特性が極めて類似していることから、クリノスタットが微小重力条件下の根成長を再現し得る有効なアナログであることが示された。本研究は微小重力環境における根系の局所的成長挙動を定量化する新たな枠組みを提供するものである。

興味を持たれた方は唐原先生または玉置先生にご連絡ください。TeamsのURLをお伝えします。平井大貴