叶の気孔を计测する础滨アシスト机能搭载顕微镜システムの开発 気候変动に対応した育种への応用に期待
2021.07.29
- プレスリリース
- 研究
叶の気孔を计测する础滨アシスト机能搭载顕微镜システムの开発
気候変动に対応した育种への応用に期待
横浜市立大学木原生物学研究所 爲重才覚 特任助教（新潟大学 特任助教兼任）と清水健太郎 客員教授（チューリッヒ大学 教授兼任）の研究グループ、および名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所WPI-ITbM 戸田陽介 特任助教（科学技術振興機JSTさきがけ研究者、株式会社フィトメトリクス 代表取締役社長兼任）、名古屋大学同研究所 木下俊則教授らの研究グループは、顕微鏡画像から気孔を認識するAI技術と、それを動かすための小型コンピューターを利用して、リアルタイムに画像解析する安価な新しい顕微鏡システムを開発しました。本システムは、画像品質を確認しながらデータ収集と解析を行うことができ、実際にコムギの気孔を認識?計測したところ、精度の高い結果を得ることができました。今後はこの技術を利用してコムギなど作物種の気孔の数や大きさを決める遺伝子の同定など、育種学的な成果につなげていくことを目指します。
本研究成果は、「Frontiers in Plant Science」誌に掲載されました。（日本時間2021年7月29日13時）
本研究成果は、「Frontiers in Plant Science」誌に掲載されました。（日本時間2021年7月29日13時）
研究成果のポイント
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図1：顕微镜、カメラ、画像処理用コンピューターを接続して叶のサンプルを観察している様子
研究背景
植物の叶の表面には気孔と呼ばれる小さな穴があり、気孔を通して光合成に必要な颁翱2や酸素のガス交换が起こります。そのため、気孔の数が多く大きいほど光合成効率は高くなりやすい一方、同时に水分が失われて乾燥し枯れやすいため、その植物が育つ环境に応じて最适な気孔の数と大きさは异なると考えられます。世界的な気候変动に対して、今后、各地の环境で対応した作物品种を育成していくには、环境に适応できる様々な形质を付与する必要があります。その一つとして、気孔の数や大きさは重要な形质といえます。
気孔の数や大きさの异なる品种を育成したり、気孔の数や大きさを决める遗伝子を见つけて利用したりするには、多様な品种の叶を顕微镜で観察して気孔の数や大きさのデータを多数収集する必要があります。しかし、茎、叶、穂の大きさ等の比较的容易に计测できる形质に比べ、気孔は顕微镜観察を行わなければ测れない形质であるため、データ収集の労力が大きく时间がかかります。そこで、研究グループでは、顕微镜を使った観察?计测の作业をアシストする一种の础滨（深层学习モデル）を搭载した顕微镜システムを开発することでデータ収集を効率化することを目指しました。
気孔の数や大きさの异なる品种を育成したり、気孔の数や大きさを决める遗伝子を见つけて利用したりするには、多様な品种の叶を顕微镜で観察して気孔の数や大きさのデータを多数収集する必要があります。しかし、茎、叶、穂の大きさ等の比较的容易に计测できる形质に比べ、気孔は顕微镜観察を行わなければ测れない形质であるため、データ収集の労力が大きく时间がかかります。そこで、研究グループでは、顕微镜を使った観察?计测の作业をアシストする一种の础滨（深层学习モデル）を搭载した顕微镜システムを开発することでデータ収集を効率化することを目指しました。
研究内容
本研究では、名古屋大学発ベンチャーである株式会社フィトメトリクスの协力を得て、気孔を计数?计测する画像解析システムを低予算でかつ谁でも构筑できる方法论と、顕微镜観察时にリアルタイムの画像解析を可能とするインターフェースを开発しました。撮影と同时に计测结果をエクセルなどで扱えるデータとして出力することで、大きく作业効率を向上させることができました。
実际にこのシステムを使ってコムギおよび近縁种の叶の気孔を计测したところ、叶の向轴侧（表侧）と背轴侧（里侧）で気孔の数が异なる様子や、ゲノムサイズに比例して気孔サイズが异なる様子、気孔の密度とサイズが负の相関を示すこと、といった気孔に関する计测データを効率的に収集することができました。
実际にこのシステムを使ってコムギおよび近縁种の叶の気孔を计测したところ、叶の向轴侧（表侧）と背轴侧（里侧）で気孔の数が异なる様子や、ゲノムサイズに比例して気孔サイズが异なる様子、気孔の密度とサイズが负の相関を示すこと、といった気孔に関する计测データを効率的に収集することができました。
図2：コムギの葉の表皮サンプル（表面インプリント）の顕微鏡像（右上）と それをAI（深層学習モデル）で処理して気孔を検出している様子（右下）。気孔を緑色の枠で示してある
今后の展开
今后、本システムを活用していくことで、気孔の形质に関连する遗伝子の発见や机能解析、それらを利用した新品种开発のスピードの加速化が期待されます。
また、本システムを様々な研究分野の顕微镜観察で応用できるよう、同じハードウェアを使ってさらに汎用性を拡张する计画です。
また、本システムを様々な研究分野の顕微镜観察で応用できるよう、同じハードウェアを使ってさらに汎用性を拡张する计画です。
研究费
本研究は、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業さきがけ「情報科学との協働による革新的な農産物栽培手法を実現するための技術基盤の創出」およびCREST「環境変動に対する植物の頑健性の解明と応用に向けた基盤技術の創出」、日本学術振興会科学研究费助成事業などの支援を受けて実施されました。
论文情报
タイトル： An Affordable Image-Analysis Platform to Accelerate Stomatal Phenotyping During Microscopic Observation
著者： *Yosuke Toda1,2,3, *Toshiaki Tameshige4,5, Masakazu Tomiyama2, Toshinori Kinoshita3, and Kentaro K. Shimizu4,6
1 JSTさきがけ
2 株式会社フィトメトリクス
3名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所
4横浜市立大学木原生物学研究所
5 新潟大学理学部
6 チューリッヒ大学 進化生物?環境学研究所
掲載雑誌： Frontiers in Plant Science
顿翱滨：
著者： *Yosuke Toda1,2,3, *Toshiaki Tameshige4,5, Masakazu Tomiyama2, Toshinori Kinoshita3, and Kentaro K. Shimizu4,6
1 JSTさきがけ
2 株式会社フィトメトリクス
3名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所
4横浜市立大学木原生物学研究所
5 新潟大学理学部
6 チューリッヒ大学 進化生物?環境学研究所
掲載雑誌： Frontiers in Plant Science
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