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分野グループ・研究チームの紹介(食料)

食料分野グループ

植物バイオマスの高度有効利活用に関する研究

代表者について

氏名 船田 良
所属研究機関 農学研究院
部門 環境資源物質科学部門
役職 教授
URL http://kenkyu-web.tuat.ac.jp/Profiles/1/00000…

外国人研究者について

氏名 John Ralph
所属研究機関 ウィスコンシン大学(米国)
部門 Department of Biochemical Biology System Engineering
役職 教授
URL https://biochem.wisc.edu/faculty/ralph

氏名 Wout Boerjan
所属研究機関 ゲント大学(ベルギー)
部門 VIB Center for Plant Systems Biology
役職 教授
URL http://www.vib.be/en/research/scientists/Page…

氏名 Peter Kitin
所属研究機関 南洋理工大学(シンガポール)
部門 Nanyang Environment and Water Research Institute
役職 上級研究員
URL http://newri.ntu.edu.sg/aebc/Pages/Home.aspx

氏名 Hisashi Koiwa
所属研究機関 テキサスA&M 大学(米国)
部門 Department of Horticultural Sciences
役職 教授
URL https://hortsciences.tamu.edu/people/faculty-…

氏名 Edouard Pesquet
所属研究機関 ストックホルム大学 (スウェーデン)
部門 Department of Ecology, Environment and Plant Sciences
役職 准教授
URL https://www.su.se/profiles/epesq-1.251402

氏名 Hyeun-Jong Bae
所属研究機関 全南大学(韓国)
部門 Bio-Energy Research Center
役職 ディレクター
URL

研究者一覧

梶田 真也(農学研究院・教授)、福原 敏行(農学研究院・教授)、三浦 豊(農学研究院・教授)、吉田 誠(農学研究院・教授)、堀川 祥生 (テニュアトラック機構・農学研究院・准教授 )、半 智史(農学研究院・准教授)、小瀬 亮太(農学研究院・助教/テニュアトラック)

研究概要

植物バイオマスを、再生可能でカーボンニュートラルな材料およびエネルギー源として高度利活用することは、環境と調和した循環型社会の構築に重要である。植物バイオマスの本体は細胞壁であり、細胞壁の性質がバイオマスの材料特性を決定する。したがって、植物の細胞壁、特に厚い二次壁の分子構造に関して世界に先駆けて新知見を得ることは、植物バイオマスの有効利用にとり重要である。そこで本研究チームでは、植物細胞壁の構築機構の解明、菌類による細胞壁の分解機構の解明、バイオテクノロジーによるリグニンの構造改変、セルロースやヘミセルロースなど細胞壁主成分の高次構造および機能解析、セルロースナノファイバーなど新規ナノ材料の開発、植物の新規機能性の開発、を主たる目的として研究活動を行う。特任教員として4名の外国人研究者(Ralph教授、Boerjan教授、Koiwa教授、Kitin准教授)を招聘し、本学の教員との国際共同研究により、迅速な研究課題の遂行とアウトプット(国際共著論文化)を行う。

研究目的

 再生可能な材料およびエネルギー源である植物バイオマスを高度に有効利用することは、環境と調和した循環型社会の構築に重要である。植物バイオマスの本体は厚い細胞壁であり、細胞壁の性質がバイオマスの材料特性を決定する。さらに、細胞壁は、細胞の形態や植物自体の体勢を維持する物理的機能、傷害の修復や外敵からの防御に働く生物的機能、大気中のCO2を長期間固定する機能、さらには外界の環境情報を体内へと伝える生化学的機能など、植物の生存に対して重要な役割を担っている。
 細胞壁成分の中で最も豊富に存在するセルロースは、紙・パルプや繊維の構成成分として広く利用されている。また近年、化成品や液体バイオ燃料の原料としても着目されている。さらに、セルロースの結晶構造を活かしたセルロースナノファイバー(CNF)としての活用にも大きな注目が集まっており、CNFの有効利用は、日本再興戦略における重要な研究テーマの一つである。従来、CNFは細胞壁からリグニンや非晶性の多糖(ヘミセルロース等)を取り除いた化学パルプを原料として製造されてきた。しかしながら、最終的なナノセルロースの性質に対して、原料の違いや非セルロース成分の存在状態が及ぼす影響については不明な点が多く残されており、緊急に解決すべき課題である。
 そこで本研究では、細胞壁の微細構造やセルロースやリグニン等の化学成分が異なる植物試料を使い、培養・栽培条件の変更や多糖分解酵素処理などを行うことにより、多様な細胞壁原料を調製する。さらに、多様な細胞壁原料を水中カウンターコリジョン法によりナノセルロース化することで、新規微細繊維の創出をめざす。また、原料となる様々な細胞壁の構造を2次元核磁気共鳴分光法、リグニンに特異的な蛍光標識法、高分解能顕微鏡観察技術等を駆使して解析し、細胞壁がもつナノセルロースの特性の違いを産み出す要因を世界に先駆けて特定する。さらに、植物がもつ健康増進機能に関する研究を遂行し、植物バイオマスからの新たな食品素材の開発を目指した研究を実施する。

研究計画

細胞壁構造については、リグニン沈着過程を細胞レベルでより詳細に明らかにするため、培養細胞および植物体(野生型個体および組換え個体)の細胞壁形成過程におけるリグニン沈着過程を、各種顕微鏡下で解剖学的に解析する。
細胞壁成分の化学的特徴の評価に関しては、分光分析ならびに多変量解析等により培養細胞および植物体細胞壁を構成するセルロースの高次構造やマトリックス成分の多様性評価に取り組む。さらに、植物細胞壁の微生物や酵素による分解や遺伝子組換えによるリグニン構造改変が細胞壁の分子構造へ与える影響についても、同様の手法で解析する。
細胞壁の生分解性に関しては、褐色腐朽菌により腐朽させた木材のリグニン構造変化を調査する。
細胞壁芳香族化合物であるリグニンの構造改変に関しては、植物に内在するリグニン生合成酵素が欠損した変異株を利用し、そのリグニン構造や蓄積パターンを外国人研究者との協力の下に解析する。また、バクテリアに由来するリグニン改変酵素を発現する組換え植物の詳細なリグニン構造を2次元NMRおよび熱分解GC-MSを用いて実施する。
セルロース生合成に関して、小岩教授と連携しモデル植物シロイヌナズナを用いた分子遺伝学的な解析を行う。
また、ハーブ茶の健康増進機能に関する研究を遂行する。具体的には南アフリカ固有の植物であるハニーブッシュの皮膚保護作用、抗アレルギー作用、抗炎症作用について動物培養細胞、疾患モデル動物を用いて検討し、さらに有効成分を多く含有する抽出物を作成するための抽出法を検討し、新たな食品素材の開発を目指した研究を実施する。

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