令和5年度 文部科学省 科学研究費補助金 学術変革領域研究（A）
「 針葉樹の揮発性モノテルペン放散を制御する温度応答スイッチ機構の分子基盤 」
針葉樹は揮発性モノテルペンを大気中に放散し，大気化学や気候変動に影響を及ぼします。放散は気温上昇に伴い連続的に増加する一方，閾値温度を境に開始・停止するスイッチ的挙動（放散スイッチ）も示します。しかし，この二様の温度応答を制御する分子機構は未解明です。本研究では，テルペン合成酵素活性，遺伝子発現，代謝フラックス，フィールド観測を統合的に解析し，放散スイッチの分子基盤を解明します。これにより，植物から大気への揮発性化合物放散機構の理解を深化させ，植物生化学と大気化学を結びつける新たな知見の創出を目指します。
大西 利幸
（静岡大学 グリーン科学技術研究所・教授）
「 葉圏微生物相との相互作用から探る植物BVOCの適応的意義と気候応答 」
植物はなぜ、これほどまでに多様な揮発性有機化合物（BVOC）を放出するのでしょうか。私たちは、その多様化メカニズムの鍵の一つとして、葉の表面に生息する微生物群集（葉圏微生物相）との関係に注目しています。植物の遺伝的な変異と、それによるBVOC放出組成の種内変異が葉圏微生物相の構造と機能をどう規定し、それが植物の適応にどう寄与するかを明らかにしたいと考えています。本研究では、共通圃場を用いた全国規模の産地試験を基盤に、環境制御下でのBVOC精密測定、さらにショットガンメタゲノム解析やメタトランスクリプトーム解析を統合します。微生物によるBVOC代謝まで踏み込んだ機能解析を通じて、生物間相互作用の視点から、植物の気候応答の進化的背景と動態を解明します。
甲山 哲生
（東京大学大学院 農学生命科学研究科
・助教）
「 受容の仕組みから紐解くBVOCを介した植物間相互作用 」
植物はどのような分子機構を介してVOCを受容し応答するのか？ 私たちはみどりの香り（GLV）を受容したトウモロコシ葉でMAPキナーゼリン酸化が亢進することを明らかにした。そこで本研究では、生化学的解析とトウモロコシ変異体リソースを活用した遺伝学的解析を組み合わせ、GLVで活性化されるMAPKカスケード構成因子を段階的に特定、最終的にはGLV受容体の同定を目指す。GLV受容植物は新たなVOC生成を誘導するので、植物圏大気で動的情報循環系「VOCループ」が形成される。本研究は、植物の「嗅覚環世界」の理解を深化させ、GLV受容を軸としたVOCループの実証を通じて、生態系および気候変動の理解に新たな視点を提供することを目指す。
松井 健二
（山口大学大学院 創成科学研究科・教授）
「 非貯蔵型モノテルペン放出の季節性における温度閾値とケモタイプ
－遺伝的変動の解明－ 」
BVOCsは大気化学に大きな影響を及ぼします。近年、常緑広葉樹のシイ・カシ類が、モノテルペンを合成後ただちに放出する非貯蔵型放出種であり、その放出量も非常に大きいことが明らかとなってきました。また、その放出ポテンシャルの季節性は温度履歴に大きく左右され、同じ地域内でも異なる組成（ケモタイプ）が見られることが分かっています。一方で、こうした季節変動やケモタイプが生じる仕組みには、未解明な点が多く残されています。本研究では、日本で広く優占するスダジイを中心に、樹木個体が属する遺伝的クラスターや地理的環境要因がこれらの放出特性にどのように影響するのかを、上流（合成酵素遺伝子の発現量解析）から下流（モノテルペン放出の実測）にかけて体系的に明らかにします。
増井 昇
（静岡県立大学 食品栄養科学部・助教）
「 葉圏微生物共生系インターフェースにおけるC1-BVOC生成と大気への放出機構 」
植物起源BVOCの主要成分であるメタンやメタノールなどのC1化合物(C1-BVOC)を利用するC1微生物は、植物葉圏に優占的に棲息し、C1-BVOCを代謝するだけでなくその生成にも影響を与え、地球規模での炭素循環において重要な役割を果たしています。これまで葉圏C1微生物が植物によるC1-BVOCの生成と放出に及ぼす影響や気候変動への影響については、厳密に評価されてきませんでした。本研究では、葉圏C1微生物と植物のインターフェースにおける植物によるC1-BVOCの生成、C1微生物による代謝、大気への放出について、そのメカニズムを葉圏C1微生物と植物との生物間相互作用の観点から明らかにします。
由里本 博也
（京都大学大学院 農学研究科・教授）
「 植物生態電顕イメージング：香料植物BVOCと微生物の新生態像 」
植物はBVOCを合成し大気中へ放出しますが、組織・細胞における蓄積や分泌、放出機構には未解明な点が多く残されています。本研究では、長年にわたり電子顕微鏡解析を基盤として培ってきた技術を活かし、従来法に加えて新たに開発した断面研磨SEM法（bioCP-SEM）を用い、植物組織を土壌ごと樹脂包埋して広域かつ高解像度に観察します。これにより、葉圏・根圏におけるBVOCの蓄積・放出に関わる超微形態を包括的に解明することを目指します。特に香料植物の腺鱗・油胞の構造、根圏微生物群集、シロイヌナズナ根圏に着目し、自然環境下での実態解明を進めます。
豊岡 公徳
（国立研究開発法人理化学研究所
環境資源科学研究センター・上級技師）
「 BVOCを介した植物間コミュニケーションによる根粒共生抑制機構の解明 」
マメ科植物は土壌微生物である根粒菌と共生関係を築きます。近年、損傷したセイタカアワダチソウが放出するBVOCがダイズの根粒共生を抑制することが報告されました。このことは、BVOCを介した地上部の植物間コミュニケーションが根圏における微生物との相互作用に影響を与えることを示唆しています。私たちはこれまでにダイズの地上部（葉）及び根においてBVOC抑制制御に関連すると考えられる遺伝子群を明らかにしました。第二期公募研究ではBVOC受容により引き起こされる地上部の応答、地上部から根へのシグナル、根での根粒共生抑制の実態を明らかにすることによって、BVOC感受から根粒共生抑制にいたる一連の分子制御メカニズムの解明を目指します。
西田 帆那
（国立研究開発法人 農研機構
生物機能利用研究部門 主任研究員）
「 花香成分の配糖化蓄積と輸送を介した放散調節機構の解明 」
花から放散される香り（BVOC）は送粉者を誘引し、花粉媒介に依存した被子植物の多様化と進化を支えてきた重要な情報シグナル分子です。近年、放散されるBVOCの組成や生成量は、単なる生合成活性の強弱だけでなく、配糖化による細胞内蓄積や輸送体・膜小胞を介した代謝動態など複数の階層的メカニズムの総和によって制御される可能性が考えられています。しかし、その生化学的実態は未だ明らかになっていません。本研究ではナス科のモデル植物であるペチュニアを実験材料として、花香成分の配糖化蓄積および輸送制御に着目し、関連遺伝子の同定と機能解析を行います。これにより、生合成後の代謝動態が花香の大気放散に与える影響を解明し、植物によるBVOC放散調節機構を分子レベルで明らかにすることを目指します。
肥塚 崇男
(山口大学大学院 創成科学研究科・教授）
「 植物のBVOC受容における細胞内輸送の分子基盤の解明 」
食害を受けた植物は揮発性テルペノイドを含む多様なBVOCを放出します。これらのBVOCはアラーム信号として機能し、近隣の未被害植物はそれを感知することで、害虫に対する抵抗性を高めます。この植物間コミュニケーション現象については、受容植物内に取り込まれたBVOCが標的分子と相互作用することで防御応答が誘導されるというモデルが提唱されていますが、BVOCがどのように細胞内へと到達し、どの標的分子と相互作用するのかという分子基盤は未解明です。本研究では、トマトやタバコを用いて、BVOCの細胞内取り込みに寄与する因子の単離を目指しつつ、有機化学的手法を用いて標識BVOCプローブを合成することで、BVOCの植物体内での輸送と循環の仕組みを明らかにします。
上村 卓矢
（東京理科大学 先進工学部生命
システム工学科・助教）
「 BVOC放出は樹木の光合成を光阻害から守るか？
：BVOCと強光ストレス応答の統合的解明 」
本研究では、強光下における樹木のBVOC放出が光阻害に対する防御機構として機能するメカニズムを解明し、植物個体レベルの応答が気候フィードバックにどう繋がるかを明らかにします。コナラ・ポプラ（イソプレン放出樹種）とスダジイ・シラカシ（モノテルペン放出樹種）を主な対象として、野外変動光下での光阻害とBVOC放出の関係を季節性も含めて解明し、分子・個体・生態系レベルの多階層データを統合します。さらに、イソプレン合成酵素変異株や合成イソプレン添加実験により、BVOCによる光阻害抑制効果を直接検証します。BVOC放出と光合成機構の両側面を統合することで、植物気候フィードバックの理解に貢献します。
辻 祥子
（京都大学 農学研究科・特別研究員）
「 BVOCと生体分子を含むエアロゾルのマルチフェーズ反応機構の解明」
大気中に浮遊する生物起源のバイオエアロゾルは、近年、その重要性が認識されるようになってきた。バイオエアロゾルには、アミノ酸やタンパク質、脂質などの生物由来分子が含まれる点に特徴がある。一方で、植物から放出される揮発性有機化合物(BVOC)は２次生成有機エアロゾル(SOA)となり、地球の気候変動と大気汚染に影響を与える。
本提案研究では、独自の気液界面反応測定装置を用いて、BVOCとバイオエアロゾル成分を含むエアロゾルの多相(マルチフェーズ)反応を実験的に解明する。本提案研究が完成すると、これまでの実験ではアクセスできなかったBVOCとバイオエアロゾル成分を含むエアロゾルの大気での変質過程と、その大気への影響が世界で初めて解明され、多くの成果が見込まれる。
江波 進一
（筑波大学 数理物質系化学域・教授）
「イソプレンのオゾン酸化で生成する高含酸素成分からなる新粒子の吸湿特性に関する研究 」
新粒子生成（NPF）は、大気中の粒子の量を決定するだけでなく、雲凝結核（CCN）の量を決定する点で重要である。我々の研究クループでは、植物起源揮発性有機化合物（BVOC）のうち、大気中に最も多く放出されているイソプレンのオゾン酸化反応でNPFが起こること、その成分は高含酸素成分からなることを明らかにしてきた。高含酸素成分からなる粒子は、吸湿性が高いことが予想され、CCNを増加させ、森林地域でcoolingに働く可能性が考えられる。本研究では、イソプレンのオゾン酸化反応で生成する粒子の成分のO:C比を調べるとともに吸湿性パラメター（κ）を決定し、森林域のエアロゾル－雲相互作用の数値の精緻化に貢献する。
猪俣 敏
（国立研究開発法人 国立環境研究所・室長）
「 異常高温下での植物のテルペン類放出能―リアルタイム測定系の確立― 」
近年の温暖化による夏季の気温上昇は、この40℃を超えるレベルにあるため、日本の主要な非貯蔵種について、これまで未知であった40℃を超える高温に対するテルペン類の放出応答を調べる必要がある。本研究では、日中変動する気温に対する非貯蔵種のテルペン類放出応答を測定するため、50℃まで温度を徐々に変化させながら、リアルタイムかつオンラインでテルペン類濃度を測定できるシステムを開発する。この試作装置を用いて、これまで実測データがなかった40℃を超える温度域における、日本の主要な非貯蔵種からのテルペン類放出の温度応答データを取得する。本研究成果はこれまで未知であった40℃を超える高温に対するテルペン類放出モデルを提示でき、温暖化進行時のテルペン類放出予測に貢献する。
谷 晃
（静岡県立大学 食品栄養科学部
環境生命科学科・教授）
「 次世代酵素電極法に基づくBVOCのスマート計測 」
植物由来の揮発性有機化合物（BVOC）は、植生や気候変動、大気化学反応の評価指標であり、これらを簡便・連続・高精度に計測可能な技術が求められています。そこで本研究では、電極との電子伝達が可能な「導電性酵素」を基盤とする電気化学バイオセンサを開発することで、BVOC群のリアルタイム計測を実証します。まず、電気化学と材料工学を駆使し、大気中かつ外部電源不要で自己駆動するBVOCセンサを設計します。次に、モデル植物を対象として、複数種のセンサで取得した多項目の時系列データを基に、BVOCの動態を定量的に解析します。以上の検証を経て、植生の環境応答メカニズムの解明や気候変動モニタリング手法の高度化に貢献することを目指します。
足立 大宜
（京都大学大学院 農学研究科・特定研究員）
「 「植物の垢」と葉のワックスの光増感作用によるイソプレン発生プロセスの解明 」
気候変動下で森林からのBVOCs放出は気候フィードバックを左右するが、現行モデルは観測に追随できない。BVOCs由来SOAやHULISが葉面ワックスに沈着した「植物の垢」が、光増感（¹O₂/•OH）を介してイソプレン等を二次生成する仮説を検証する。小型光チャンバー＋PTR‑ToF‑MSを自律型実験室（SDL）として構築し、照射スペクトルI(λ)と吸収Aabs(λ)を実測して光子収支と見かけ量子収率Φappを測定して、AI（ベイズ最適化＋LLM）で条件探索と文献データとの比較を行う。¹³C標識ステアリン酸で炭素起源を追跡し、室内実験から森林スケールへ展開する。
島田 幸治郎
（琉球大学 理学部・助教）
「バックグラウンド大気中におけるBVOCの動態変化と過酸化物生成への影響解明」
イソプレンやモノテルペンなどの植物由来揮発性有機化合物BVOCは，オゾンおよび二次有機エアロゾルSOAの前駆物質であることに注目されていますが，二酸化硫黄などの非常に重要な酸化剤である過酸化物（過酸化水素および有機過酸化物）を生成させることが実験的に明らかになっています。過酸化物の増加は，全球的なエアロゾル生成や雲物理への影響とそれに伴う気候変化へ大きく影響することとなります。特に，窒素酸化物濃度が低いバックグランド大気中においては，温暖化によるBVOCの増加は（オゾンとの反応を介して）過酸化物生成を促進させると考えられます。そのため，観測事例が少ない高所での計測が不可欠となります。本研究では，回転翼航空機および山岳を有効利用し，雲活動が活発な高所を中心にBVOCや過酸化物などの観測を行い，バックグラウンド大気中における（気候変動による）BVOCの動態変化が過酸化物およびエアロゾルの生成へ及ぼす影響を評価します。
渡辺 幸一
（富山県立大学 工学部・教授）
「気候変動によるBVOC排出量と都市域オゾン生成の変化の予測と抑制の方向性の検討 」
植物から排出される揮発性有機化合物（BVOC）は、都市域におけるオゾンの生成に寄与し、人の健康や植物の成長に悪影響をおよぼす。本研究では、BVOC排出量の推計に必要な高解像度データベースを構築し、将来の気候変動に伴うBVOC排出量の変化を予測する。現在年と将来年のBVOC排出量、人為排出量、気象場を領域化学輸送モデルに入力し、オゾン濃度の変化と、排出量と気象場の寄与割合を明らかにする。また、対策シナリオに基づく将来予測を行い、オゾン濃度の低減効果を評価する。これらを通して、BVOCの排出とオゾン生成を介した植物気候フィードバックの解明と、それを抑制するために必要な方向性を提示する。
茶谷 聡
（国立研究開発法人 国立環境研究所
地域環境保全領域・主幹研究員）
「 陸域生態系モデルと衛星観測SIFを用いた高精度な広域BVOCシミュレーション 」
陸域生態系モデルは、全球炭素循環の理解と将来予測に不可欠なツールであり、植生によるCO₂吸収や物質循環、気候へのフィードバックの定量化に活用されています。近年では、BVOC放出量の推定にも応用されており、大気化学や気候変動プロセスの解明に資する基盤技術としての重要性は増しています。
本研究では、BVOC計算モジュールを統合した陸域生態系モデルVISITに対し、衛星観測から得られる太陽光誘起クロロフィル蛍光（Solar-Induced chlorophyll Fluorescence: SIF）を用いたモデルパラメータ最適化手法を適用します。SIFは植物の光合成活性を反映する指標であり、これを活用することで光合成プロセスの再現性を向上させることが可能です。
本手法により、植生の生理的変化をより精緻にモデルへ反映し、BVOC放出量の全球規模での予測精度向上を目指します。
