KAKENHI (Grants-in-Aid for Scientific Research) -
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Grant number：24H00056 2024.4 - 2029.3
Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (S)
Authorship：Principal investigator
Grant amount：\212290000 （ Direct Cost: \163300000 、 Indirect Cost：\48990000 ）
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Grant number：23H02275 2023.4 - 2027.3
Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Authorship：Coinvestigator(s)
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Grant number：23K26968 2023.4 - 2027.3
Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Authorship：Coinvestigator(s)
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Intercellular network for transportation and storage mechanisms of lignin precursors
Grant number：18H03959 2018.4 - 2023.3
Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
Fukushima Kazuhiko
Authorship：Principal investigator Grant type：Competitive
Grant amount：\43290000 （ Direct Cost: \33300000 、 Indirect Cost：\9990000 ）
For lignin precursor (monolignol) glucosides, which have not been clearly related to lignification, we have shown that the timing of their storage and consumption is correlated with the stages of cell wall formation and lignification.
We synthesized various lignin precursors and artificial lignins of dehydrogenative polymers (DHP), and analyzed the structures of lignins obtained from plants. We also analyzed the lignin samples labelled by isotopes at the specific positions, which is obtained by site-specific isotope-labelled lignin precursor administration experiments. These results provided many insights into the formation process and structure of lignin. In addition, the development of new imaging techniques has provided new insights into lignans, hydrangea blue complexes, alkaloids, root exudates, and neutral lipids, wood preserving agents, etc. -
Conversion of lignin into functional materials by using poly-ion complex procedure
Grant number：17H03842 2017.4 - 2020.3
Matsushita Yasuyuki
Authorship：Coinvestigator(s)
Cationic and anionic groups were introduced into lignin and their conversion into functional materials was attempted. Acid-hydrolyzed lignin (SAL) was selected as the least reactive lignin, as it seems to be the most reactive. It was found that the SALs were soluble in water when subjected to alkaline hydrothermal treatment, and the chemical structure of the SALs was analyzed, and it was found that phenolic hydroxyl groups and carboxyl groups were introduced.
The water-soluble HSL was cationized, and it could be applied to the flocculation treatment of the dye waste solution. The carboxyl group was introduced into the water-soluble HSL and the product was applicable to the dispersant of gypsum.
The bioactivity of water-solubilized HSAL was investigated, and it was confirmed that it promoted the growth of plant roots. -
Study on plant cell wall lignin by 13CO2 administration
Grant number：15K07510 2015.4 - 2018.3
Aoki Dan
Authorship：Collaborating Investigator(s) (not designated on Grant-in-Aid)
In this study, the cultivation of plant samples under 13CO2 atmosphere was examined for supersensitive structural analyses. At first, the environmentally controlled growth chamber was designed and built up. Plant samples were cultivated under N2+O2+CO2 (in chamber), N2+O2+13CO2 (in chamber), or air for 2 months. The resultant plant samples had high 13C ratio and supersensitive analyses was achieved successfully.
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クライオ顕微二次イオン質量分析が拓く木質科学の新展開
2013.4 - 2018.3
科学研究費補助金 基盤研究(A)
Authorship：Principal investigator
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Development of wood science by cryo-TOF-SIMS
Grant number：25252032 2013.4 - 2018.3
Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
Fukushima Kazuhiko
Authorship：Principal investigator
Grant amount：\45890000 （ Direct Cost: \35300000 、 Indirect Cost：\10590000 ）
Versatile analytical method was developed based on the synergistic utilization of time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS) and quantitative chemical analysis, laser microdissection to collect microscopic samples, and/or multivariate analysis. The developed method was applied to various samples including frozen-hydrated biomaterials. Low-molecular and water-soluble compounds and inorganic metal ions are effectively visualized by the developed method using (cryo-)TOF-SIMS. Obtained remarkable results should provide new insights beyond the field of wood sciences.
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放射性セシウムの樹幹内における分布と存在形態の動的解析
2013.4 - 2015.3
科学研究費補助金 新学術領域研究(研究領域提案型)
Authorship：Principal investigator
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クライオ顕微質量分析によるリグニン生合成前駆物質の輸送と貯蔵の可視化
2013.4 - 2015.3
科学研究費補助金 新学術領域研究(研究領域提案型)
Authorship：Principal investigator
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二次イオン質量分析法による植物細胞における生体分子三次元分布の可視化
2009.4 - 2012.3
科学研究費補助金 基盤研究(S)
Authorship：Principal investigator
本研究の目的は、生きたままの植物細胞を急速凍結した試料において、飛行時間型二次イオン質量分析(TOF-SIMS)を用いることによって、細胞や細胞壁内にあるがままに存在するあらゆる構成成分(細胞質物質、オルガネラ構成成分、細胞壁中の多糖ならびにリグニン、抽出成分)の分布を、選択的に分子レベルで可視化することである。植物の細胞の構造を、視覚的に、また化学的に理解することは、あらゆる代謝物の生合成を理解する上で非常に重要である。しかしながら、細胞内に存在する分子は、水可溶性であったり、極めて不安定であったり、異質の物質と複合体を形成して存在していたりして、従来の方法では解析困難であった。
これらの課題を克服するために、前年度までに、窒素雰囲気下で急速凍結した生体試料をスライディングミクロトームを用いて平滑な面を作成する前処理室を設計・構築し、さらに、凍結した状態で試料をTOF-SIMSおよび走査電子顕微鏡(Cryo-SEM)に移動させることのできる搬送装置を備えた世界初の前処理システムを開発した。今年度は、前処理システムに改良をかさね、実際に、生きた植物(針葉樹、広葉樹)の急速凍結試料を用いて、グローブボックス内の凍結スライディングミクロトームを用いた試料切削、TOF-SIMS分析、Cryo-SEM観察を同一系内で連続的に行った。SEM試料室で氷を昇華することにより細胞形状、細胞内小器官レベルの位置情報を入手することが可能となり、スクロースなどの水可溶分子でも組織内マッピングを高解像度で行うことに成功した。
また、TOF-SIMS分析において欠かすことのできない、二次イオンの同定と定量法についても基盤的な研究を展開し、新規な分析法(リグニンのケミカルマッピング)を開発した。 -
安定同位体トレーサー法によるリグニン生合成代謝中間物質の細胞内分子マッピング
2006.4 - 2008.3
科学研究費補助金 基盤研究(A)
福島和彦
Authorship：Principal investigator
リグニン形成の制御機構を前駆物質の貯蔵と輸送という動的な観点から捉え、モノリグノールの貯蔵と供給機構に着目し、細胞レベルで解明することを目的とした。安定同位体トレーサー法によるリグニン生合成中間物質の選択的な標識と飛行時間型二次イオン顕微質量分析(ToF-SIMS)による分子マッピングを組み合わせて、分子レベルの情報と組織レベルの情報を同時に入手することができるのが本研究の特徴である。
(ToF-SIMS)による分子マッピングを組み合わせて、分子レベルの情報と組織レベルの情報を同時に入手することができるのが本研究の特徴である
まず、細胞レベルでの細胞壁成分の顕微レベルでの分子マッピングを可能にするための技術開発を行った。樹木木部細胞壁におけるシリンギル、グアイアシルリグニンのマッピング手法を確立するため、カエデを用いて、飛行時間型二次イオン質量分析を行った。その結果、シリンギルリグニンとグアイアシルリグニンの細胞壁中での分布を正確に可視化する手法を開発した。化学分解法や組織化学的手法とデータを比較検討することにより、本法の妥当性を証明するとともに、顕微領域における定量分析も可能とした。心材成分の樹幹内での分布も細胞レベルで可視化することに成功した。このことは、リグニン生合成中間体である低分子フェノール性化合物の選択的なマッピングにも適用できることを示した。
次に、リグニン生合成代謝中間物質の細胞内分布を明らかにするため、モノリグノールグルコシドのToF-SIMS を用いた解析法を確立した。LC-MS とToF-SIMS 分析を組み合わせることにより、配糖体の定性・定量分析を行った。また、特定の位置を13C で標識した前駆物質(コニフェリン)を合成し、イチョウ切り枝に投与した。一定期間代謝させた後、新生木部を採取し、標識前駆物質からリグニンへの取り込みを解析した。 -
アマゾン川流域およびギニア高地における木本植物の進化と木部形態形成
2003.4 - 2005.3
科学研究費補助金 基盤研究（Ａ），課題番号：15255016
福島 和彦
Authorship：Principal investigator
遺伝子資源の宝庫であるアマゾン川流域および植物が独自の進化を遂げてきたギニア高地における本植物(おもに被子植物)の木部形態形成に関し、材利用の観点から材質を左右する因子に焦点をあて、環境適応と遺伝学的分類の両面から知見を得ることを目的とした。平成15年9月には、ブラジルアマゾン州の熱帯林、パラナ州の亜熱帯林を、平成16年3月には、ベネズエラギアナ高地において固有樹種の調査を行った。同年9月にマトグロッソ州北部のコトリグアス周辺の熱帯雨林をマトグロッソ連邦大学と共同で調査し、ブラジル環境省(IBAMA)より正式な輸出許可を受け、貴重な原生林より伐採直後の数種の熱帯産材を日本に持ち出すことに成功した。平成17年4月にはマトグロッソ連邦大学において約30名の日伯研究が参加したワークショップを開催した。同年7月には、マトグロッソ州熱帯林において熱帯産樹種のサンプリングを再度おこなった。また、マトグロッソ州クイアバ市近郊、サンパウロ州イタペバ市近郊からも熱帯産樹木および亜熱帯産数種を数種採取した。当初の目的では、遺伝子解析を通して、植物の進化と木部形態形成の関連を探ることを項目のひとつに加えていたが、遺伝子資源の保護の観点から、IBAMA(ブラジル環境省)より木部以外の試料の海外持ち出しの許可が得られず、計画の一部変更を余儀なくされた。しかしながら、樹木の分類に有用な微量成分(抽出成分)を解析項目に加え、アマゾン産材の特徴付けを行った。
採取した試料は、これまでに、材比重、抽出成分量、シリンギル・グアイアシルリグニンの比率等について解析をおこない、多種多様な種を分類・序列化するための基礎データとした。また、樹木の特徴的な性質を示す抽出成分の解析をおこない、未利用アマゾン産樹種の利用価値を高めるデータを提供した。 -
安定同位体トレーサー法によるリグニン生合成の動的解析
2002.7 - 2005.3
科学研究費補助金 基盤研究(B)
Authorship：Principal investigator
安定同位体元素でラベルしたコニフェリルアルコール、コニフェリルアルデヒドおよびコニフェリンをイチョウ、広葉樹にそれぞれ投与して、生成したリグニンを化学分析した結果、コニフェリンからコニフェリルアルデヒドグルコシド、さらにコニフェリルアルデヒドという経路でリグニン生合成に合流することが示された。オートラジオグラフィーによって、コニフェリン、コニフェリルアルデヒドグルコシドのアグリコン由来のラベルは、コブシ(配糖体貯蔵広葉樹)においては木部細胞壁に取り込みが認められた。またシリンギンアグリコン由来のラベルは少なく、放射柔細胞および道管壁に取り込みが見られた。シナップアルデヒドグルコシドアグリコン由来のラベルも木部で認められるものの、非常に弱く、コニフェリルアルデヒドグルコシドの活発な取り込みとは対照的だった。キョウチクトウ(非糖体非貯蔵広葉樹)においてもコニフェリン、コニフェリルアルデヒドグルコシドのアグリコン由来のラベルは木部細胞壁に取り込みが認められた。コブシとキョウチクトウにコニフェリンおよびコニフェリルアルデヒドグルコシドを投与した結果、グアイアシルリグニン、シリンギルリグニンどちらにもアグリコンの取り込みが見られた。しかしシリンギルリグニンへの取り込みはグアイアシルリグニンへの取り込みに比べて少なかった。またシリンギルリグニンへの取り込みは、コニフェリルアルデヒドグルコシドを投与した場合のみ取り込みが見られた。したがって、コニフェリンよりもコニフェリルアルデヒドグルコシドのほうがリグニン前駆物質として優勢であること、さらにグアイアシルユニットからシリンギルリグニンユニットへの転換にはアルデヒド構造が大きく関与していることが示された。
また、数種の被子植物のモノリグノール生合成経路をトレーサー法により調べた結果、シナピン酸を経由する種とそうでない種とに分類することができ、リグニン生合成の多様性が示唆された。 -
木質細胞壁の構築
2001.4 - 2002.3
科学研究費補助金 基盤研究(C)(1)(企画)
Authorship：Principal investigator
科研費
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2次イオン顕微質量分析法によるリグニン高次構造の可視化
1999.7 - 2002.1
科学研究費補助金 基盤研究(C)(2)(一般)
Authorship：Principal investigator
科研費
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酸可溶性リグニンの生成機構・特性の解明とリグニンの機能性物質変換への応用
1999.4 - 2002.3
科学研究費補助金 基盤研究(B)(2)(一般)
Authorship：Coinvestigator(s)
科研費
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ユーカリ木部細胞壁リグニンの不均一形成に関する研究
1997.7 - 1999.1
科学研究費補助金 外国人特別研究員奨励費
Authorship：Principal investigator
科研費
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ミクロオートラジオグラフ法による木質化細胞壁構築の可視化
1996.4 - 1998.3
科学研究費補助金 基盤研究(C)(2)(一般)
Authorship：Coinvestigator(s)
科研費
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森林植物と菌類の2次代謝物生合成と機能に関する生化学的研究
1996.4 - 1998.3
科学研究費補助金 基盤研究(A)(1)
Authorship：Coinvestigator(s)
科研費
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リグニン生合成におけるモノリグノールグルコシドの挙動
1995.7 - 1997.1
科学研究費補助金 特別研究員奨励費
Authorship：Principal investigator
科研費
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ラジオトレーサー法によるリグニン前駆物質プール機構の解析
1995.4 - 1996.3
科学研究費補助金 奨励研究(A)
Authorship：Principal investigator
科研費
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高度の縮合構造を有するリグニンの機能性物質への化学的変換に関する研究
1995.4 - 1996.3
科学研究費補助金 基盤研究(C)(2)(一般)
Authorship：Coinvestigator(s)
科研費