計画研究

• 高反応性活性種合成
• 種子表面への活性種高選択・局所供給
• マルチスケール時間電界制御
• ミクロ反応場制御
• ガス不純物高度制御

本課題では，①選択的に高反応性活性種合成を実現するために，シース電界を含む時空間電界の高度制御を実現し，空気中の電子へのエネルギー入力過程および分子の内部エネルギーの分配過程の学理を深化させる．②特異な密度・温度・電位（電界）勾配となるプラズマ・固相（種子・触媒）マイクロスケール界面における，励起分子の輸送過程，界面への多種・高密度輸送に伴う界面での反応機構の解明と体系化を行い，種子に担持したマイクロ触媒等での選択的高反応性活性種生成と種子胚等への局所供給を目指す．③主ガスの高純度化とppmレベルの低濃度不純物高度制御導入により，種子に供給する高反応性活性種の選択性・再現性向上を実現する．

プラズマ駆動種子記憶操作：プラズマが駆動する種子内分子動態の学理創成

• 大気圧プラズマ
• ストリーマ放電
• レーザー計測
• 活性種
• 電子

本領域研究で行う、大気圧プラズマを種子に照射するとDNA情報が改変される、という現象はすでに観測されて知られているものの、プラズマの何が作用しているのか分かっていない。そのため本研究では、大気圧プラズマの様々な活性種の密度、電子密度、電子エネルギー分布、電界強度、振動温度、回転温度をレーザー計測し、プラズマシミュレーション検証用のデータを取得するとともに、プラズマ中で活性種が生成される過程を調べることを目的とする。そして、この研究結果をもとに活性種の生成制御を実現する。

プラズマ駆動種子記憶操作：プラズマが駆動する種子内分子動態の学理創成

• プラズマシミュレーション
• 反応性物質輸送解析
• 反応ネットワーク解析

プラズマ照射による種子の発芽制御の作用機序解明、機能発現の制御には、プラズマ生成に伴う荷電粒子／化学活性種の反応・輸送過程の定量的解明が必須である。本研究は大気圧プラズマと低気圧プラズマを対象に、数値解析によってプラズマ生成、化学反応を伴う複雑な粒子輸送過程を解明し、反応制御手法の提案を行う。また、気相、生体相（種子内）の反応ネットワーク解析によって中枢となる粒子種や反応プロセスを抽出して複雑な反応システムの全体構造を明らかにする。

プラズマ駆動種子記憶操作：プラズマが駆動する種子内分子動態の学理創成

• プラズマ種子科学
• 活性種
• タンパク質
• 分子輸送
• 表面反応

プラズマは、環境負荷の少ない植物成長促進法として注目を集めている。中でも種子へのプラズマ照射は、低コストな成長促進法としてだけでなく、DNA修飾変動などを示す。種子へのプラズマ照射効果を明らかにする上で、プラズマから種子にどのような分子がどれほど輸送されたのかを明らかにすることは、必須の検討事項である。本計画研究では、５年間の研究期間において、プラズマから種子、植物細胞への分子輸送機構を明らかにして、輸送制御を実現するために基礎学理を構築する。

プラズマ駆動種子記憶操作：プラズマが駆動する種子内分子動態の学理創成

• プラズマ種子科学
• プラズマ
• 種子
• 種皮
• シミュレーション

植物種子へのプラズマ照射による成長促進・免疫力強化・収量増加など、農業分野への貢献が期待されている。一方、相対的に厚い種皮を持つことが種子の特徴であり、プラズマがどのように種皮を越えて内部へ影響を及ぼすのかについて殆ど分かっていない。本研究において、プラズマ由来の活性分子と種皮表面の化学反応過程から、μmのポーラス構造の中で起こるプラズマやガスの流体輸送現象まで、多角的な視点でシミュレーション研究を展開する。さらに微細な種皮の3次元構造データを機械学習で生成し、実構造に近いシミュレーションを実現させることで種皮内輸送の現実的な理解を得る。種皮に隔たれたプラズマ科学と種子科学の橋渡しとなる。

プラズマ駆動種子記憶操作：プラズマが駆動する種子内分子動態の学理創成

• 細胞壁
• 種子
• 種皮
• プラズマ
• 活性種

種子植物の次世代を担う胚は、親世代組織である種皮に覆われている。発芽や発芽後の成長を促進させるプラズマ照射において、プラズマによって生成された活性種が胚に伝わって作用するためには、物理的障壁である種皮を通過する必要がある。本研究では、プラズマ照射によって種皮の構造実体である細胞壁を対象に、分子から生体組織までのマルチスケールでの構造形態解析から、活性種シグナルが種子表面から内部へと移動する伝達メカニズムの解明を目指す。

プラズマ駆動種子記憶操作：プラズマが駆動する種子内分子動態の学理創成

• イオン輸送体
• プラズマ
• 植物
• 種子
• 機能発現

プラズマ照射は最も表層に存在する細胞膜とそこに存在する膜輸送体を刺激する．同様に，プラズマ照射後に脱/メチル化修飾を受けたDNAをもつ種子や発芽後の植物は膜輸送体の活性に影響を与えると考えられる．膜輸送体はプラズマなどの外界刺激やDNA修飾が起因する輸送体の状態変化によって変動した種子や植物の元素の分布の測定を行う．プラズマ照射による膜輸送体の挙動と性質を，異種発現系を用いて解析する．プラズマ照射による修飾を受けた膜タンパク質の構造モデル，膜輸送体の発現量や細胞内局在性の変化を検討して，プラズマ照射による細胞内変化を明らかにする．

プラズマ駆動種子記憶操作：プラズマが駆動する種子内分子動態の学理創成

• 低温プラズマ
• プラズマ駆動型生化学
• 電子スピン共鳴
• ラジカル

プラズマから短寿命な活性種が高フラックスに輸送供給される特異な反応場での幅広いns～sの時間領域で，複数の活性種が複数の現象を同時に発生させ複雑な複合反応は，プラズマが瞬時過渡応答を与える駆動系(トリガー)として見られる．本研究では，複数の活性種を複合定量的に計測する世界初の試みに挑戦し，種子内細胞質に生じる生化学反応の動態を解析することで新たな生化学の学理を構築する．プラズマ駆動に特徴的な，農薬では見られない，未だ発見されていない生物の環境応答現象や，それらの法則の発見を目指し，プラズマ学と生化学の発展を促す，瞬時過渡応答の活性種動態について新しい『プラズマ駆動生化学』の学理を構築する．

プラズマ駆動種子記憶操作：プラズマが駆動する種子内分子動態の学理創成

• プラズマ
• 種子
• タンパク質
• エピジェネティクス
• トランスポゾン

プラズマ照射条件に応答する植物内メカニズムについて、ゲノムワイドなエピゲノム解析（WGBS、Chip-seq、ATAC-seq）や遺伝子発現解析（RNA-seq）により網羅的な要因解明を実施する（石橋）。また、エピゲノム制御はDNAメチル基転移酵素やヒストンアセチル化酵素等の酵素反応により制御されていることから、プラズマ照射によるエピゲノム制御関連酵素の構造変化を調査する（萩原）。ゲノム中には多くの転移因子（トランスポゾン）が存在しており、イネゲノムの35％はトランポゾン様の配列である。そこで、プラズマ照射によるエピゲノム制御を介したトランスポゾンの再編成の可能性を調査する（栂根）。

プラズマ駆動種子記憶操作：プラズマが駆動する種子内分子動態の学理創成

• 表現型
• 棍系形態
• メタボローム
• プロテオーム
• 草姿制御

プラズマ照射による幼植物成長，棍系形態形成，生理機能の変化を把握する。安定して植物への変化が与えられる処理の条件を明確にした上で，メタボローム解析によって代謝産物の変動を調査するとともに，プロテオーム解析によりキータンパク質の特定，表現型の変化に関与する植物ホルモンなど，成長調節因子の同定を行う。プラズマ処理で生じる活性種により励起，誘導される植物体での機能的変化と，引き続きいて生じる器官発生と細胞発育，物質生産に通じるメカニズムを解明し，新規手法の駆使による植物の成長形質制御，環境ストレス耐性の付与，向上の可能性を検討して，プラズマ種子科学の基盤を形成するための基礎的知見の集積に貢献する。

プラズマ駆動種子記憶操作：プラズマが駆動する種子内分子動態の学理創成

• プラズマ照射
• 種子
• イネ
• 養分吸収
• 光合成

プラズマ照射処理した種子を環境調節条件下で栽培して、生育をとおしたエピゲノム変化を表現型変化ならびに生態メカニズムから解析する。イネを対象に収量性等の農業形質を調査し表現型の変化ならびに収穫した玄米の貯蔵物質蓄積構造や品質・食味特性を明らかにする。一方、表現型変化の要因について、必須元素および微量元素を元素分析計、ICP-OES、ICP-MS等で測定し、元素の影響に加えてイオノーム解析により明らかにして養分吸収特性を評価する。また、ガス交換計測でCO2同化速度を、クロロフィル蛍光計測でストレス応答性パラメーターを測定し、プラズマ照射が作物の光合成能力、ストレス耐性に与える影響を評価する。

プラズマ駆動種子記憶操作：プラズマが駆動する種子内分子動態の学理創成