配 信 先：文 部 科 学 記 者 会 、科 学 記 者 会 、
熊本県内報道機関【情報解禁時間】
令 和 3 年 9 月 21 日 （ 火 ） 午 後 1 時

令和３年９月２１日

報道機関

各位
熊本大学

AI を活用した植物細胞形状の追跡計測技術の開発（ポイント）
従来、高価な顕微鏡装置が必要だった葉の表皮細胞の形状変化の追跡計測を低コストかつ高精度に実現する新技術を開発しました。
本技術は、葉の表面に金属インクを塗布し、比較的安価な金属顕微鏡で撮 影 さ れ た 画 像 を AIに よ っ て 自 動 認 識 し て 形 状 を 測 る も の で す 。
本技術の普及によって、植物細胞の形づくりの仕組みの解明や、その特徴的な形状を活かした応用研究が飛躍的に進むことが期待されます。
（概要説明）
熊本大学大学院自然科学教育部修士課程１年の菊川琴美大学院生と国際先端科学技術研究機構の檜垣匠准教授を中心とした研究グループは、葉の表面を構成する表皮細胞の形状変化を低コストかつ高精度に追跡計測する新技術を開発しました。
双子葉植物の葉の表皮細胞の多くは、成長に伴って単純なレンガ型から複雑なジグソーパズル型に変形することが知られています。この特徴的なジグゾーパズル型への細胞形状変化は基礎生物学分野のみならず、人工構造物のデザインなどの応用研究分野においても注目されています。細胞形状変化を研究するにあたり、細胞を経時的に追跡して形の変化を計測する技術は基本的かつ重要な技術です。これまで、葉の表皮細胞の形状変化を追跡計測するためには特殊な技法や高価な顕微鏡装置が必要でした。
今回、研究グループは金属インクを葉の表面に塗布することで比較的安価な金属顕微鏡でも細胞の形状を明瞭に可視化できることを見出しました。さら に 、顕 微 鏡 画 像 か ら 細 胞 を 自 動 認 識 し て 形 を 計 測 す る AIシ ス テ ム を 開 発 しました。本技術の普及により、植物細胞の形づくりの仕組みに関する理解が飛躍的に進むことが期待されます。
本研究成果は令和３年９月２１日午後１時（日本時間）にオンライン科学
雑 誌「 Frontiers in Plant Science」に 掲 載 さ れ ま す 。本 研 究 は 文 部 科 学 省 科 学 研
究費助成事業（新学術領域研究「植物構造オプト」）の支援を受けて実施したものです。

（説明）[背 景 ]
多くの双子葉植物の葉の表皮細胞は、成長に伴って単純なレンガ型から複雑なジグソーパズル型に変形することが知られています（図１）。このジグソーパズル型の細胞は植物細胞の形づくりの仕組みを理解するための格好の材料として盛んに研究されています。また近年、その特徴的な形状を人工構造物に応用する試みもなされており、学際的な研究対象として注目を浴びています（参考文献：「植物の葉表皮細胞のジグソーパターンの木造継ぎ手への 直 接 的 応 用 に 関 す る 基 礎 的 研 究 」 生 産 研 究 72: 257-259, 2020） 。
葉の表皮細胞の形状変化を観察する方法として、これまで主にふたつの方法がありました。ひとつはスンプ法と呼ばれるもので、液体絆創膏などで葉の表面のレプリカをとり、その構造を観察する方法です。もうひとつは、蛍光標識法と呼ばれるもので、細胞の輪郭を蛍光色素や蛍光タンパク質で標識し、その蛍光を検出して観察する方法です（図１）。どちらも優れた方法ですが、前者にはレプリカを取るたびに葉に接触ダメージが生じてしまうことや、後者には高価な顕微鏡装置が必要になることなどの問題がありました。
[研 究 の 内 容 と 成 果 ]今回、熊本大学大学院自然科学教育部修士課程１年の菊川琴美大学院生と国際先端科学技術研究機構の檜垣匠准教授を中心とした研究グループは、東北大学多元物質科学研究所の渡辺明准教授との共同研究により、上述の既存手法に比べて低コストで表皮細胞形状の変化を観察できる手法を開発しました。
ま ず 、 研 究 グ ル ー プ は 金 属 イ ン ク *1 を 葉 の 表 面 に 塗 布 す る こ と で 比 較 的 安
価 な 金 属 顕 微 鏡 *2 で も 細 胞 の 輪 郭 を 明 瞭 に 観 察 で き る こ と を 見 出 し ま し た（図２）。本手法は、上述のスンプ法や蛍光標識法に比べて簡便な操作のみで済むだけでなく、さまざまな植物種（本研究では、シロイヌナズナ・ダイコン・ニンジン・ペチュニア・キンギョソウなどで実証）にも適用できることが確認されました。本研究では、銀ナノ粒子を溶かした銀インクを用いており、高濃度の銀インクを塗ってしまうと葉の成長を阻害してしまいましたが、ある一定の濃度にすると葉の成長にほとんど影響を与えずに細胞を観察で き る こ と が わ か り ま し た 。 さ ら に 研 究 グ ル ー プ は 、AIを 活 用 す る こ と で 顕微鏡画像から細胞の形を高精度に認識して計測するシステムの開発に成功しました（図３）。既存手法のひとつである蛍光標識法で確立された画像認識手法と本システムの精度を比較したところ、本システムは既存の解析法に比肩する高い精度を実現できることがわかりました。また、本システムの有用性は、細胞形態に重要な役割を果たす遺伝子が欠損した植物の解析からも実証されました。
[今 後 の 展 開 ]これまで特殊な技法や高価な顕微鏡装置を必要としていた葉表皮細胞の追跡計測が、本研究によって安価かつ簡便に行えるようになりました。本手法の普及により、植物細胞のジグソーパズル型の形づくりに関する基礎研究や応用研究が加速することが期待されます。

ま た 、本 研 究 で は 、 AI技 術 の 活 用 に よ っ て 簡 便 な 可 視 化 手 法 で も 高 精 度 な細胞計測が可能であることが明らかになりました。今後も本研究グループはAIを 活 用 し た 生 物 画 像 解 析 シ ス テ ム の 開 発 を 通 し て 当 該 研 究 領 域 の 発 展 に貢献してまいります。
[用 語 解 説 ]*1 金 属 イ ン ク ： 金 属 の ナ ノ 粒 子 を 溶 か し た 溶 液 の こ と 。 主 に 工 学 分 野 で 使用され、生物学分野ではなじみの薄い材料であった。なお、本研究では銀ナノ粒子が溶かされた銀インクが用いられた。
*2 金 属 顕 微 鏡 ： 対 物 レ ン ズ 側 か ら 光 を 照 射 し 、 試 料 か ら 反 射 さ れ た 光 を 検出して観察する顕微鏡。蛍光標識法で一般的に用いられる共焦点レーザー顕微鏡に比べて安価である。

図 １．蛍 光 標 識 法 により可 視 化 された葉 表 皮 細 胞 のジグソーパズル型 形 状 ．
細 胞 の輪 郭 を蛍 光 タンパク質 により標 識 し、共 焦 点 レーザー顕 微 鏡 という高 価 な顕 微 鏡 装 置 を用いて観 察 した例 。ジグソーパズル型 の細 胞 が嚙 み合 って葉 の表 面 が構 成 されていることがわかる。

図 ２．金 属 インク塗 布 によ る葉 表 皮 細 胞 形 状 の可 視 化 ．
金 属 インクを塗 布 することで比 較 的 安 価 な金 属 顕 微 鏡 でも葉 表 皮 細 胞 の輪 郭 を明 瞭 に観 察 することができた。スケールバー：100 マイクロメートル。

図 ３．AIを活 用 した葉 表 皮 細 胞 の自 動 認 識 ・計 測 システム．
顕 微 鏡 画 像 から 自 動 的 に細 胞 を 認 識 し 、 形 状 を 計 測 する シ ステ ムを 構 築 し た 。これによ り、 金 属 インク塗 布 した 葉 の顕 微 鏡 画 像 から自 動 的 に細 胞 形 状 の変 化 を計 測 できる ようになった 。ここでは細胞 の面 積 が増 加 し（左 下 ）、円 形 度 が減 少 した（右 下 ）例 を示 す。円 形 度 は円 さを表 す指 標 で、成長 に伴 って細 胞 が単 純 な形 から複 雑 なジグソーパズル型 に変 形 したことがわかる。

（論文情報）論 文 名 ： Metal-nano-ink coating for monitoring and quantification of cotyledon
epidermal cell morphogenesis.
著 者 ： Kotomi Kikukawa, Kazuki Yoshimura, Akira Watanabe, Takumi Higaki*(*責 任 著 者 )掲 載 誌 ： Frontiers in Plant Sciencedoi： 10.3389/fpls.2021.745980
URL： https://doi.org/10.3389/fpls.2021.745980【お問い合わせ先】
熊本大学国際先端科学技術研究機構（ IROAST）
担当：准教授 檜垣匠
電 話 ： 096-342-3975
e-mail： thigaki@kumamoto-u.ac.jp