[論文レビュー] Biogenic magnetic nanoparticles in plants

Svitlana Gorobets, Oksana Gorobets+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2019

Magnetic and Electromagnetic Effects参考文献 42被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、走査プローブ顕微鏡を用いて、タバコ、ジャガイモ、サヤインゲンの植物に生じる生物由来磁性ナノ粒子（BMNs）を同定し、その粒子が、細胞壁に鎖状に配列した構造として、伴胞管壁に局在していることを明らかにした。著者らは、これらのBMNsが、約数千オェルステッド（Oe）の漏れ磁界を生成し、細胞膜周辺の物質移動を促進すると提案している。人工のマグネタイトを添加することで、この効果がさらに増強されることが示唆されており、植物の徴収系において、保存的な代謝的役割を果たしている可能性がある。

ABSTRACT

The genetic programming of biosynthesis of biogenic magnetic nanoparticles (BMNs) in plants was revealed by methods of comparative genomics. The samples of leaves and the root of Nicotiana tabacum, the stems and tubers of Solanum tuberosum and the stems of pea Pisum sativum were examined by scanning probe microscopy (in atomic force and magnetic power modes), and it was found that the BMNs are located in the form of chains in the wall of the phloem sieve tubes (ie, the vascular tissue of plants). Such a localization of BMNs supports the idea that the chains of BMNs in different organs of plants have common metabolic functions. Stray gradient magnetic fields about several thousand Oe, which are created by chains of BMNs, can significantly affect the processes of mass transfer near the membrane of vesicles, granules, organelles, structural elements of the membrane, and others. This process is enhanced in plants when artificial magnetite is added to the soil.

研究の動機と目的

• さまざまな植物種における生物由来磁性ナノ粒子（BMNs）の存在と構造的特徴を調査すること。
• 高度な顕微鏡技術を用いて、植物の徴収組織におけるBMNsの細胞小器官内局在を特定すること。
• 特に、植物細胞内の物質移動プロセスに関連して、BMNsの潜在的な代謝的機能を検討すること。
• 土壌に添加された外部由来のマグネタイトが、植物の細胞輸送機構に与える影響を評価すること。
• 比較ゲノム解析を用いて、植物におけるBMN生合成の遺伝的基盤を確立すること。

提案手法

• 原子間力および磁気力モードの走査プローブ顕微鏡を用いて、植物組織内のBMNsを像として得た。
• 比較ゲノム解析を用いて、植物におけるBMN生合成を担う遺伝的プログラムを同定した。
• ニコチアナ・タバキュム、ソラナム・トゥバロサム、ピーソム・サティウムのサンプルを対象に、BMNsの存在と分布を分析した。
• 観察された構造的配置に基づき、BMN鎖が生成する磁界強度を推定した。
• 土壌に人工マグネタイトを添加した実験を実施し、物質移動プロセスへの影響を評価した。
• 複数の植物臓器にわたるBMN分布および磁界効果に関するデータを収集・分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 植物の徴収組織内において、生物由来磁性ナノ粒子（BMNs）はどこに局在しているか？
• RQ2 植物細胞内におけるBMNsの鎖状配列の機能的役割は何か？
• RQ3 BMN鎖が生成する磁界は、細胞膜周辺の物質移動にどのように影響を与えるか？
• RQ4 外部由来のマグネタイトは、植物の物質移動プロセスを向上させることができるか？もしそうならば、そのメカニズムは何か？
• RQ5 植物におけるBMN生合成の背後にある遺伝的メカニズムは何か？

主な発見

• 生物由来磁性ナノ粒子（BMNs）は、ニコチアナ・タバキュム、ソラナム・トゥバロサム、ピーソム・サティウムの伴胞管細胞壁に検出された。
• BMNsは、伴胞管徴収組織の細胞壁内で鎖状構造を形成していることが分かった。
• BMNの鎖は、約数千オェルステッド（Oe）の漏れ磁界を生成している。
• これらの磁界は、小胞、オルガネラ、膜構造周辺の物質移動プロセスを促進すると予測されている。
• 土壌に人工マグネタイトを添加した結果、植物における物質移動がさらに促進された。
• 比較ゲノム解析により、植物におけるBMN生合成を規定する遺伝的プログラムが同定された。