第３章 植物の元素集積性に関する調査研究
Research on Element-accumulating Capacity of Plants
山上 睦, 箭内 真寿美, 久松 俊一
環境動態研究部

Mutsumi YAMAGAMI, Masumi YANAI, Shun’ichi HISAMATSU
Department of Radioecology
Abstract
Phytoremediation is a possible countermeasure against soil contamination with radionuclides.
Identifying and establishing hyperaccumulators is the key to developing practical phytoremediation methods.
This study aims to select or develop hyperaccumulators usable for radionuclides that could potentially bereleased in Aomori Prefecture due to the location of a nuclear fuel reprocessing facility there. For that
purpose, we focused on the following two approaches: to search for hyperaccumulators for Cs, Sr and I fromcrops and wild plants, and to employ a genetic approach to develop transgenic plants using genes controllingCs resistance in Arabidopsis mutants.
Several crops were selected as candidate accumulators of each element according to their ability toremove the element when the plants were cultivated in an experimental field by conventional practice. The
selected candidate Cs accumulators were Portulaca oleracea, Amaranthus hypochondriacus, Helianthusannuus and Lactuca sativa var. angustana. The candidate Sr and I accumulators were Amaranthus
hypochondriacus and Helianthus annuus. Those candidates will be examined further for removal of theelements under different cultivation conditions in the experimental field. The best accumulator for eachelement will then be selected based on the removal results.
Eight wild plants were selected by analysis results with ICP-MS after screening of 282 species by X-ray
fluorescence analysis. Those plants will be cultivated in the experimental field and their removal of the targetelements from soil will be checked.
For a genetic approach, thirteen lines of Cs-resistant Arabidopsis mutants have already been established.
The causative genes of two lines of the mutants were identified. The causative genes of the CsR33 andCsR80 lines were a chloroplast signal recognition particle subunit (cpSRP54) gene and glutamyl-tRNA
reductase (HEMA1) gene, respectively. Since the causative genes are related to chlorophyll synthesis andmost of the mutants showed yellowish leaves, Cs-resistance was considered to be linked to chlorophyllmetabolism. Arabidopsis knockout mutants of chlorophyll synthesizing enzyme genes were examined for
Cs resistance, and six knock-out lines were found to have it.
1. 目的
本調査では、青森県の環境条件に適した植物によの Cs、Sr 及び I の移行率を調査し、環境浄化用元素集積植物を選定する。更に、平成 17 年度までに得らる環境浄化手法開発に資することを目的として、Cs、 れているシロイヌナズナの Cs 耐性変異株を使って、Sr 及び微量元素集積植物の探索を行うとともに、得耐性及び元素挙動に関与する遺伝子を単離し、機能られた集積植物の集積特性を明らかにする。このた解析を行うとともに、この遺伝子を組み込んだ形質め、青森県内で栽培可能な作物・花卉及び野生植物転換（遺伝子導入）植物を作製する。このため、平成 20 年度においては以下の項目についての調査をが高かった。I 濃度は、イグサ科のマルイ、アカザ行った。

科のオカヒジキ、キク科のタカサブロウが高かった。

1. Cs、Sr 及び微量元素集積植物の探索・選定及び今後、これらの植物を圃場で栽培し、各元素の収奪元素存在形態の調査

率を調査して、環境浄化用植物の候補とし、次に最2. セシウム耐性関連遺伝子の単離・機能解析及び適な栽培法を検討して、その結果を基に環境浄化用形質転換(遺伝子導入)植物の作製植物を選定する。
2)

植物による畑地土壌からの収奪率を基に、Cs を

2. 方法

土壌から効率良く除去できる栽培植物として、スベ2.1. Cs、Sr 及び微量元素集積植物の探索及び集積

リヒユ、アマランサス、ヒマワリ、カキチシャを環部位・輸送形態の調査

境浄化用植物の候補とし(Fig. 1)、Sr についてはヒマCs、Sr 及び I を土壌から効率良く除去できる集積ワリ、アマランサスを選択した(Fig. 2)。同様に、I を植物を野生植物から探索するため、六ケ所村周辺の土壌から効率良く除去できる栽培植物として、ヒマ野生植物（68 科 282 種）を採取し、簡易 X 線分析法

ワリ、アマランサスを候補とした（Fig.

にて濃度の高いものを一次選抜し、上位 15 種についこれらの植物の最適な栽培法を検討して、環境浄化ては ICP-MS でも分析した。また、栽培植物につい用植物を選定する。ては、過去 2 年間の結果を元に、環境浄化用候補植

3)物の選定を行った。得られた環境浄化用候補植物の態をサイズ排除クロマトグラフィーにより分子量別サイトゾル中の Cs、Sr 及び I の存在形態を明らかにに分析する手法を確立した。

するため、元素が有機物と結びついた有機態をサイ3.2. Cs 耐性関連遺伝子の同定・機能解析及び形質ズ排除クロマトグラフィーにより分子量別に分析す転換(遺伝子導入)植物の作製る手法を試験した。

1) Cs 耐性株 CsR33 の原因遺伝子は、葉緑体の光応

2.2. Cs 耐性関連遺伝子の同定・機能解析及び形質答または光合成調節機構への関与が示唆されている転換(遺伝子導入)植物の作製chloroplast signal recognition particle subunit (cpSRP54)

Cs 耐性関連遺伝子位置の絞込みが効率よく進ん3）。今後、サイトゾル中の元素が有機物と結びついた有機であった。

だ変異株の 2 系統に対してダイレクト PCR シークエ2) CsR80 の原因遺伝子は、クロロフィル代謝系の上ンス法により遺伝子の変異箇所を調査した。逆遺伝流に位置し、クロロフィル合成を調節している学的手法による Cs 耐性関連遺伝子の探索方法とし

glutamyl-tRNA reductase （HEMA1）であった。て、クロロフィル合成系の代表的な遺伝子をノック

3) 既知の遺伝子破壊系統を使って Cs 耐性との関連アウトした系統を使って Cs 耐性を調べた。また、を調べる逆遺伝学的方法により、ABC transporter、原因遺伝子が座乗すると想定される部位付近に存在

Prolin transporter 2、CaATPase 2 (ACA 2) 輸送体遺伝する輸送体遺伝子に関してもノックアウトした系統

子 及 び ク ロ ロ フ ィ ル 合 成 系 の protoporphyrinogenを使って Cs 耐性を調べた。更に、Cs 耐性または輸oxidase（PPOX）、chlorophyllide a oxygenase (CAO) 、送関連遺伝子導入に向けての予備試験を行った。

magnesium chelatase 、 light-harvestinga/b-binding

protein(CAB-4)

chlorophyll、8-divinyl

3. 成果の概要

protochlorophyllide a 8-vinyl reductase

3.1. Cs、Sr 及び微量元素集積植物の探索及び集積

chlorophyll synthetase 遺伝子が Cs 耐性に関与するこ部位・輸送形態の調査とが明らかになった。

1)

野生植物の一次選抜の結果、Cs 濃度は、タデ科

4)(DVR) 、遺伝子導入に向けての予備試験を行い、アグロのオオイタドリとミゾソバ、イラクサ科のアカソがバクテリアによる形質転換法が最適であり、導入組高かった。Sr 濃度は、センリョウ科のヒトリシズカ、織はシロイヌナズナでは胚軸を、タバコではリーフイラクサ科のアカソ、ユキノシタ科のヤグルマソウディスクを用いることとした。

Removal of Cs per unit landarea （μg m-2)

60

Cs
40

200

A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T

A : Portulaca oleracea var. sativa 'Suberihiyu'
B : Amaranthus hypochondriacus 'Amaransasu. taiwan'
C : Helianthus annuus 'Himawari'
D : Amaranthus hypochondriacus 'Amaransasu. nagano'
E : Amaranthus hypochondriacus 'Amaransasu. ichinohe'
F : Amaranthus tricolor 'Amaransasu.'
G : Lactuca sativa var. angustana 'Kakichisha. red'
H : Brassica rapa var.amplexicaulis 'Santousai'
I : Kochia scoparia 'Houkigusa'
J : Celosia argentead 'Keitou. kurume'

Removal of Cs per unit land area in an experimental field by 20 crops.

Removal of Sr per unit landarea （mg m-2)

Fig. 1

K : Lactuca sativa var. angustana 'Kakichisha.green'
L : Thymus vulgaris 'Taimu'
M : Amaranthus hypochondriacus 'Amaransasu. summer red'N : Brassica rapa 'Kabu. tsugarubeni'O : Brassica rapa 'Kabu. atsumi-kabu'
P : Celosia argentead 'Keitou. candle'
Q : Brassica oleracea var. gongylodes 'Kôrurabi. purple bird'
R : Perilla frutescens var.crispa 'Siso. ao-chirimen'
S : Cucubita maxima 'Kabocha'
T : Brassica napus var.napobrassica 'Kabu. rutabaka'

150

Sr
100

500

A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T

A : Helianthus annuus 'Himawari'
K : Brassica oleracea var.gongylodes ' Kôrurabi. gland duke'
B : Amaranthus tricolor 'Amaransasu.'
L : Celosia argentead 'Keittou. kurume'
C : Amaranthus hypochondriacus 'Amaransasu. taiwan'
M : Perilla frutescens var.crispa 'Siso. ao-chirimen'
D : Amaranthus hypochondriacus 'Amaransasu. nagano'
N : Brassica rapa ' Kabu. ayameyuki'
E : Brassica rapa var. amplexicaulis ' Santousai'
O : Celosia argentead 'Keitou. candle'
P : Raphanoth sativus 'Daikon. milano-daikon'
F : Brassica napus var.napobrassica 'Kabu. rutabaka'G : Brassica oleracea var. gongylodes 'Kôrurabi. purple bird' Q : Brassica rapa 'Kabu. tsugarubeni'
H : Amaranthus hypochondriacus 'Amaransasu. summer red' R : Raphanoth sativus ' Daikon. aokubi-daikon'
I : Brassica napus ' Kabu. turnip'
S : Portulaca oleracea var. sativa 'Suberihiyu'
T : Hyssopus officinalis 'Hisoppu'
J : Amaranthus hypochondriacus 'Amaransasu. ichinohe'Fig. 2

Removal of Sr per unit land area in an experimental field by 20 crops.
Removal of I per unit landarea （mg m-2)

600I
4002000

A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S TA : Helianthus annuus 'Himawari'
B : Amaranthus hypochondriacus 'Amaransasu. summer red'C : Amaranthus hypochondriacus 'Amaransasu. taiwan'
D : Thymus vulgaris 'Taimu'
E : Amaranthus tricolor 'Amaransasu.'
F : Agastache urticifolia ' Agasutâshe. butterfly blue'
G : Amaranthus hypochondriacus 'Amaransasu. nagano'
H : Echinochloa esculenta ' Hie. yariko-hie'
I : Amaranthus hypochondriacus 'Amaransasu. ichinohe'
J : Ocimum basilicum ' Suîto bagiru'Fig. 3

K : Cucubita maxima 'Kabocha'
L : Perilla frutescens ' Egoma. siro-egoma'
M : Portulaca oleracea var. sativa 'Suberihiyu'
N : Hyssopus officinalis 'Hisoppu'
O : Agastache rugosa 'Agasutâshe. golden jubilee'
P : Brassica rapa var. amplexicaulis ' Santousai'
Q : Sorghum bicolor 'Morokosi'
R : Stipa tenuissima ' Sutipa. pony tail'S : Raphanoth sativus 'Daikon. milano-daikon'
T : Brassica rapa ' Kabu. ayameyuki'

Removal of I per unit land area in an experimental field by 20 crops.