次世代アグリイノベーション研究センター(AIC) 研究概要紹介／Introduction of Resarch Outline
発熱植物の温度制御に関わる研究 ： 伊藤菊一
哺乳動物は環境温度の変化に応答した体温調節機能を有し、外気温が低下した場合にはその代謝を活性化させ、恒温性を維持している。一方、ある種の植物においても、発熱し体温を調節できることが知られているが、そのメカニズムは哺乳動物とは異なるものである。例えば、恒温性を有するザゼンソウにおける呼吸調節は負の活性化エネルギーに支配され、Zazen attractorと呼ばれるユニークなアルゴリズムにより統御されている。本研究においては、発熱植物を対象にBioenergeticsの観点からその温度制御に関する研究を推進する。本研究より、植物における温度センシングや熱産生に関わる分子メカニズムの理解が進展することが期待される。
Thermoregulation in heat-producing plants ： ITO Kikukatsu
Physiological temperature regulation occurs in mammals when their level of metabolic heat-production increases as the environmental temperature decreases. However, the flowers of some plants show a similar degree of physiological thermoregulation, but by a different mechanism. The achievements of this study will lead to an understanding of the molecular mechanisms involved in thermal sensing and heat-production in plants.
高電圧・プラズマの農業・食品安全性への高度活用 ： 高木浩一，高橋克幸
高電圧・プラズマは農業や食品プロセスにとって新規で有用なツールである。繰り返し放電プラズマを用いることで、野菜や果樹の生育の促進も可能になる。また、シイタケなどのきのこの終了改善にも用いることができる。さらに、ポストハーベスト段階では、静電気の効果で農産物保管庫やコンテナの中の空中浮遊菌やカビの胞子を取り除くことができ、これは農産物の鮮度維持に寄与する。加えて、追熟を促す植物ホルモンの分解にもプラズマの酸化反応を利用することができ、これらは輸送中の野菜・果物の鮮度維持を可能にする。このように高電圧・プラズマの農業・食品利用は、持続可能な農業やフードサプライチェーンの構築に大きく貢献できる可能性を有する技術である。
High-voltage and plasma applications for agriculture and food safety ： TAKAKI Koichi , TAKAHASHI Katsuyuki
High-voltage and plasma are useful and novel tools for agriculture and food processing. The pulsed repetitive discharge can be used for promoting growth of the vegetables and fruits (Fig. 1). The yielding rate of Shiitake mushroom (L. edodes) can be improved with the high-voltage stimulation in fruit-body formation phase (Fig. 2). In postharvest phase, the electrostatic effects can contribute to remove airborne bacteria and fungi spore from the storage house and container. This removal contributes to reduce the infection risk with fungi and bacteria. Some kinds of fruit and vegetable emit the ethylene gas which accelerate a degradation of other kind fruits and vegetables. The plasma can contribute the ethylene removal via oxidization reaction. The high-voltage and plasma applications in agriculture and food processing are promising candidates to contribute for designing sustainable agriculture food supply chain.
ALSVベクターによる野菜・花き・果樹の高速開花技術を利用したスマート育種 ： 吉川信幸
リンゴ小球形潜在ウイルス（ALSV）ベクターは、リンゴ樹から分離された無害なウイルスを基に岩手大学で構築した日本独自の植物ウイルスベクターです。ALSVベクターは感染できる植物の種類（宿種域）が広く、リンゴやナシ、カンキツ、ブドウなどの果樹類、ウリ科、ナス科、マメ科などの各種野菜・穀類、さらにリンドウ科などの花卉類に無病徴で感染し、植物の全身に均一に分布するため、標的遺伝子を連結したALSVを感染させると全身で均一な遺伝子サイレンシングを誘導し、標的遺伝子の機能解析に利用できます。さらに、フロリゲンなど開花を制御する遺伝子を連結して植物に感染させることで、例えば通常６〜１０年かかるリンゴやナシ実生の開花を１〜２ヶ月に短縮し、身をならすことができます。この‘ALSVベクターを利用した高速開花技術’を利用して、果樹や野菜、花き類の新品種育成を短期間に効率的に行うスマート育種に取り組んでいます。
Smart breeding of vegetables, flowers and fruit trees using high-speed flowering technique by ALSV vector ： YOSHIKAWA Nobuyuki
Apple latent spherical virus (ALSV) is a harmless virus isolated from an apple tree in Morioka, Japan. We constructed a virus vector for expression and suppression of foreign genes in plants based on ALSV. ALSV vector can be infected with a wide range of plants, including fruit trees such as apple, pear, citrus and grape vines, cucurbits, legumes and Solanaceae plants, and flower plants such as Gentianaceae. The virus uniformly distributed throughout the plant and induced gene silencing in plants when ALSV vectors having the target gene was inoculated for functional analysis of target genes. Furthermore, using ALSV vector having florigen gene (FT), it is possible to shorten the flowering of apples and pear seedlings, which normally take 6 to 10 years, to 1 to 2months after germination. We are now working on smart breeding of new varieties of fruit trees, vegetables and flowers using high-speed flowering technique by ALSV vector.
低温ストレス抵抗性植物を生成すること ： ラーマン アビドゥール
私の主な研究テーマの一つは、細胞内のホルモンの恒常性を調節することによって低温ストレス抵抗性植物を生成することである。 以前、我々は、オーキシンがシロイヌナズナにおける温度ストレス応答の重要な調節因子として機能することを示した(Shibasaki et al., 2009, Plant Cell; Rahman 2013, Hanzawa et al., 2013 Plant Cell)。 最近、私の研究グループは、低温ストレス応答のマスターレギュレーターとしてGNOM（ARF-GEFクラスタンパク質）を同定した。 さらに、GTPase活性を含み、オーキシン流出タンパク質の細胞内タンパク質輸送に関与するGNOMのSEC7ドメインが、シロイヌナズナにおける低温ストレス応答を調節する主要な成分として機能することを明らかにした (Ashraf and Rahman, 2018, Plant Journal; Ashraf and Rahman 2018, in Cold Tolerance In Plant)。
アグリイノベーションセンターの本プロジェクトは基礎研究と現場での応用研究をつなぐことを目指している。 低温ストレス応答の中心的調節因子として同定されたGNOMは植物種の間で広く保存されている。現在のプロジェクトでは、低温ストレス時にGNOMによって輸送されるタンパク質を同定し、トマトの低温ストレス反応におけるGNOMの役割を調べたいと考えている。低温ストレスに耐えることができる新しいトマトの系統を生み出すことを期待している。
Developing crops resistant to low temperature stress ： RAHMAN Abidur
One of my major research focuses is to develop cold temperature stress resistant plants through modulating intracellular hormonal homeostasis. Earlier, we have shown that auxin functions as an important regulator for temperature stress responses in Arabidopsis (Shibasaki et al., 2009, Plant Cell; Hanzawa et al., 2013 Plant Cell). Recently, we identified GNOM, an ARF-GEF as a master regulator of cold stress response. We also further clarified that the SEC7 domain of this protein, which contains GTPase activity and participates in protein trafficking including the trafficking of auxin efflux carriers, functions as the major component to regulate the cold stress response in Arabidopsis plant (Ashraf and Rahman., 2018, Plant Journal,; Ashraf and Rahman 2018, in Cold Tolerance in Plant). By manipulating this single gene, we could produce cold temperature resistant Arabidopsis.
This project with Agri-Innovation Center is aiming at bridging the basic research to applied research in field. GNOM, which we recently identified as a central regulator of cold temperature stress response, is widely conserved among plant species. In the current project, we would like to identify the proteins that are trafficked by GNOM during cold stress and also investigate the roles of GNOM in tomato in relation to cold stress. Through this research, we expect to generate new tomato lines which will be able to withstand cold stress.
亜熱帯原産のイネが雪の下で春を待つ！？ 新技術「イネの初冬直播き栽培」 ： 下野裕之
私たちの主食であるコメの生産現場は厳しさを増しており、持続可能な農業を後押しするため、常識に捉われない技術開発が望まれます。岩手大学では、低コスト・大規模化のための革新的技術として、亜熱帯原産であるイネを、寒冷・積雪地で降雪前に播種する「初冬直播き栽培」を2008年に提案し、実用技術化に向けて全国の大学、試験研究機関と連携し急ピッチで研究を進めています。これによりイネ栽培で最も忙しい春の作業を分散することにより低コストでの規模拡大が可能となり、農家の収益向上に貢献することが期待されます。「春」でなく「初冬」に播く、まったく新しいイネ栽培体系の確立を目指します。
技術化の壁とて、積雪下の土中での種子生存率、その向上のため，種子表層コーティング、植物ホルモン等による種子の休眠性、種子の透過性の制御、病害防除による種子越冬性の誘導、ならびに播種方法や耕起方法の組み合わせによる土壌物理環境の最適化の技術開発を行います。
New technology: Winter Direct-Seeding System (WDSS) of rice (Oryza sativa L.) in cool climates in Japan ： SHIMONO Hiroyuki
To improve income of rice farmers in Japan, it is requested to reduce the cost for rice production with increase farm acreage. However, in the northern part of “Hokkaido”, “Tohoku” and “Hokuriku” regions of major rice producing areas in Japan, there is very narrow window for rice production because of limited capable growing season constraints of low temperature. It is required a challenging technology, “Out of the box” thinking.
We invented new method called “Winter Direct-Seeding System” of rice in cool climates (WDSS), that can extend the planting period without any additional inputs of machinery and operators, which result in huge cost. The WDSS system is characterized by seeding in winter and the seeds were kept under snow covered as a kind of “Natural Refrigerator”, taking advantage of direct seeding system. The system will give opportunities to farmers for increasing the farm acreage without additional costs.
マイクロ波を用いた有害鳥獣等のセンシング ： 本間尚樹，村田健太郎
マイクロ波を用いた圃場への侵入動物のセンシングについて研究をしています。センサの間に動物が侵入すると、電波伝搬特性に変化を与えます。特に、動物は体の動きや呼吸等の生体活動によって、反射する電波の周波数が僅かに変化するドップラー効果を生じます。これを利用すると、侵入の有無だけではなく、対象の侵入位置も推定することが可能です。また、マイクロ波は物陰へも回り込むという性質があります。これを利用し、少ないセンサで広範なエリアをカバー可能な侵入検出システムの実現を目指しています。
Microwave sensing for harmful animals and birds ： HONMA Naoki, MURATA Kentaro
A microwave sensing technique to detect the intrusion of the harmful animals and birds is investigated. The intruder affects the microwave propagation characteristics between the transmitting and receiving sensors. Especially, the Doppler effect is exploited to detect the animals because their activities, such as respiration cause the body movements. This is used not only for intrusion detection, but also for intruder localization. Moreover, the microwave can propagate behind obstructions, and this feature enhances the detectable range of the sensor system even when the number of the sensors is limited.
マイクロ波を用いた果実の品質評価に関する研究 ： 三浦健司
電磁波は物質への入射の際にその複素誘電率と複素透磁率の兼ね合いで物質表面での反射量、物質内への透過量、物質内での吸収量が決定される。特に水に関しては含水率や糖分等の溶質によりマイクロ波帯の複素誘電率に差異が生じることが知られているが、本プロジェクトではその特性を利用したマイクロ波帯での誘電率センシングによる果実品質評価に関する研究を行っている。この研究成果により、果実生育状況の収集や適切な収穫期判断の自動化が可能になり、超省力・高生産なスマート農業の実現に寄与することが期待される。
Quality evaluation of fruit using electromagnetic wave at microwave band ： MIURA Kenji
When an electromagnetic wave enters a substance, the amount of reflection on it, the amount of transmission into it, and the amount of absorption in it are determined by the balance between its complex permittivity and the complex permeability. Particularly for water, it is known that the complex permittivity of the microwave band is differentiated by moisture content and its solutes such as sugar. In this project, we are conducting research on fruit quality assessment via dielectric sensing at microwave band using its characteristics. This result enables automation of collection of fruit growing situation and judgment of appropriate harvest season, which is expected to contribute to the realization of super-labor-saving and high productivity smart agriculture.
