JP7084639B2 - Plant stress detection method and photoprotein detection method in plants - Google Patents

Plant stress detection method and photoprotein detection method in plants Download PDF

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Description

本発明は、植物のストレスを検出する方法、及び植物における発光タンパク質を検出する方法に関する。 The present invention relates to a method for detecting stress in a plant and a method for detecting a photoprotein in a plant.

植物は、脊椎動物に見られるような抗体反応・食作用などの免疫システムによる生体防御機構を有していないが、それとは異なる仕組みにより病原菌などの攻撃から身を守っている。植物は、一部の組織で病原菌の感染を受けるとシグナルを全身に発信し、未感染組織に防御態勢を誘導させることができる。感染シグナルを全身に伝える伝達経路は、複数あることが知られており、代表的なものとしては、全身獲得抵抗性シグナル伝達経路、誘導抵抗性シグナル伝達経路、及び誘導全身抵抗性シグナル伝達経路などが存在する。このようなシグナル伝達経路においては、植物の一部の組織が、病原菌による感染ストレスなどを受けた場合、その感染部位から何らかのシグナル物質が放出され、それが植物体内を通ってまだ感染を受けていない部位まで到達し、そこで抵抗性発現に関与する遺伝子の発現を誘導する。この抵抗性に関与する物質としては、それ自身が抗菌活性を有するPRタンパク質、細胞壁を溶解するグルカナーゼ及びキチナーゼ、病原菌に対して毒性を示すファイトアレキシンなどが挙げられる。これまで、このような抵抗性の誘導は、同一植物個体内に限定して起こるものと考えられていた。しかしながら、ジャスモン酸メチル、短鎖アルデヒド及びイソプレノイドなどの植物由来の揮発性成分には、植物の抵抗性を誘導する風媒性シグナルとしての機能が存在することが発見され、物理的に離れた同種又は異種の植物がそれを認識することによって、生体防御機構を活性化させること(立ち聞き効果)が知られるようになった。
このような植物の立ち聞き効果を利用した技術として、植物由来揮発性物質を植物抵抗性誘導剤として利用することが報告されている(特許文献1)。
また、植物はストレスに応答して微弱生体を発光することが知られており、植物に病原体攻撃等のストレスを与えた場合に特定波長の発光を観測する方法(特許文献2)や、免疫安定資材(アブシジン酸)と誘導物質(サリチル酸、ジャスモン酸)により発生するバイオフォトンを測定することにより、植物の病害抵抗性反応の抑制を阻害する植物免疫安定化資材の効果を評価する方法(特許文献3)が報告されている。
Plants do not have the biological defense mechanism of the immune system such as antibody reaction and phagocytosis as seen in vertebrates, but they protect themselves from attacks by pathogens by a different mechanism. When a plant is infected with a pathogen in some tissues, it can send a signal to the whole body to induce an uninfected tissue to be defensive. It is known that there are multiple transmission pathways that transmit infection signals throughout the body, and typical ones include systemic acquired resistance signal transduction pathways, induced resistance signal transduction pathways, and induced systemic resistance signal transduction pathways. Exists. In such a signal transduction pathway, when some tissues of a plant are subjected to infection stress due to a pathogenic bacterium, some signal substance is released from the infected site, and it is still infected through the inside of the plant. It reaches a non-existent site, where it induces the expression of genes involved in resistance expression. Examples of the substance involved in this resistance include PR proteins having antibacterial activity by themselves, glucanase and chitinase that lyse the cell wall, and phytoalexin that is toxic to pathogens. Until now, it has been considered that such induction of resistance occurs only within the same plant individual. However, it was discovered that plant-derived volatile components such as methyl jasmonate, short-chain aldehydes, and isoprenoids have a function as an airborne signal that induces plant resistance, and are physically separated from each other. Alternatively, it has become known that different kinds of plants activate the biological defense mechanism (hearing effect) by recognizing it.
As a technique utilizing such an eavesdropping effect of a plant, it has been reported that a plant-derived volatile substance is used as a plant resistance inducer (Patent Document 1).
In addition, it is known that plants emit weak biological light in response to stress, and a method of observing light emission of a specific wavelength when a plant is subjected to stress such as pathogen attack (Patent Document 2) and immunostable. A method for evaluating the effect of a plant immunostabilizing material that inhibits the suppression of disease resistance reaction of plants by measuring biophotones generated by a material (absidic acid) and an inducer (salicylic acid, jasmonic acid) (Patent Documents). 3) has been reported.

特開2005-41782号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-41782 特開2001-99830号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2001-99830 特開2009-131187号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2009-131187

Zarate et al., 2007 Plant Physiol. Vol. 143, 866-875Zarate et al., 2007 Plant Physiol. Vol. 143, 866-875 Reymond et al., 2004 Plant Cell 16: 2132-3147Reymond et al., 2004 Plant Cell 16: 2132-3147 Kishimoto et al., 2006 Phytochemistry 67: 1520-1529Kishimoto et al., 2006 Phytochemistry 67: 1520-1529 Betsuyaku et al., Plant Cell Physiol. 59(1): 8-16 (2018)Betsuyaku et al., Plant Cell Physiol. 59 (1): 8-16 (2018) Plant Biotechnology 35, 1-6 (2018)Plant Biotechnology 35, 1-6 (2018) Takai et al., 2015 PNAS 112: 4352Takai et al., 2015 PNAS 112: 4352 Saito et al., 2012 Nature Communications 3:1262Saito et al., 2012 Nature Communications 3: 1262

本発明が解決しようとする課題は、農作物などの対象植物に対する病害虫による被害を早期発見することにある。 An object to be solved by the present invention is to detect damage caused by pests to a target plant such as a crop at an early stage.

本願発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討し、実験を重ねた結果、農作物などの対象植物の近傍に、ストレス応答性プロモーター及び該ストレス応答性プロモーターの下流に作動可能に連結された発光タンパク質遺伝子を含むモニター植物を配置することにより、対象植物の被害が微少な段階で、モニター植物内の発光タンパク質が発現し発光するという驚くべき知見を見出した。かかる知見に基づき、植物などの動く生体サンプルに対応して自動で蛍光シグナルの定量を行うことが可能な画像処理装置、画像処理システム及び画像処理プログラムの開発に成功し、本発明を完成するに至った。 As a result of diligent studies and experiments to solve the above problems, the inventors of the present application were operably linked to a stress-responsive promoter and downstream of the stress-responsive promoter in the vicinity of a target plant such as an agricultural crop. By arranging a monitor plant containing a photoprotein gene, we found a surprising finding that the photoprotein in the monitor plant is expressed and emits light at a stage where the damage to the target plant is slight. Based on this finding, we have succeeded in developing an image processing device, an image processing system, and an image processing program capable of automatically quantifying fluorescent signals in response to moving biological samples such as plants, and completed the present invention. I arrived.

本発明は、以下の通りである。
[1] 対象植物のストレスを検出する方法であって、
前記対象植物の近傍に、ストレス応答性プロモーター及び該ストレス応答性プロモーターの下流に作動可能に連結された発光タンパク質遺伝子を含むモニター植物を配置する工程、
前記対象植物のストレスを可視化する工程、
を含み、ここで、前記対象植物のストレスの可視化が、前記対象植物がストレスに応答して放出する揮発性物質を前記モニター植物が受容すると、前記モニター植物において、ストレス応答性プロモーターが応答し、これにより、前記発光タンパク質が発現することによって行われることを特徴とする、方法。
[2] 前記ストレス応答性プロモーターが、PR1プロモーター、PR2プロモーター、PR3プロモーター、PR4プロモーター、PR5プロモーター、AOSプロモーター、VSP1プロモーター、VSP2プロモーター、HPLプロモーター、AtMYC2プロモーター、CYP83B1プロモーター、At2g24850プロモーター、LOX2プロモーター、IAR3プロモーター、GST5プロモーター、OPR3プロモーター、ERFプロモーター、THI2.1プロモーター、JAZ遺伝子群プロモーター、PDF1.2プロモーター、WRKYプロモーター、PAD4プロモーター、EDS1プロモーター、SID1プロモーター、EDS5プロモーター、BGL2プロモーター、又はこれらの組み合わせであることを特徴とする、1に記載の方法。
[3] 前記発光タンパク質が、緑色蛍光タンパク質、黄色蛍光タンパク質、赤色蛍光タンパク質、シアン蛍光タンパク質、青色蛍光タンパク質などの蛍光タンパク質、生物発光タンパク質、化学発光タンパク質、ナノランタンなどのFRET技術を利用したタンパク質、又はこれらの組み合わせであることを特徴とする、1又は2に記載の方法。
[4] 前記揮発性物質が、ジャスモン酸メチル、サリチル酸メチル、青葉アルコール、アロオシメン、テルペン類、ミルセン、(E,E)-4,8,12-トリメチルトリデカ-1,3,7,11-テトラエン(TMTT)、エステル類、アルデヒド類、芳香族化合物、2-ペンタノール、又はこれらの組み合わせから選択されることを特徴とする、1に記載の方法。
[5] 前記モニター植物が、シロイヌナズナ、コケ、ネコジャラシ、又はブラキポディウムであることを特徴とする、1に記載の方法。
[6] 植物における発光タンパク質を検出する方法であって、
発光タンパク質遺伝子を含む植物の撮像画像から、前記発光タンパク質の発光波長の波長帯及び該植物の自家発光の波長帯を含む画像領域を特定する工程、及び
前記特定された画像領域内に存在する発光タンパク質の発光波長信号のみを検出する工程、
を含むことを特徴とする、方法。
[7] 前記植物における発光タンパク質が、
撮像される対象の生物が発する光の波長を含む波長帯の光の撮像画像から、前記生物が発する光の画像領域を検出する検出部と、
前記検出された画像領域に基づいて前記撮像画像から前記生物の画像処理対象領域を抽出する画像処理対象領域抽出部と、
前記撮像画像から特異的シグナルの画像領域を抽出する特異的シグナル抽出部と、
前記抽出された特異的シグナルの画像領域の中から、前記抽出された画像処理対象領域に含まれる特異的シグナルの画像領域を抽出する特異的シグナル選択部と、
を備える画像処理装置、
によって検出される、6に記載の方法。
[8] 前記植物における発光タンパク質が、
非サンプル生物とサンプル生物とが混在して配置され、
前記サンプル生物が発する光の波長を含む波長帯の光を撮像する撮像部と、
前記撮像部が前記サンプル生物を撮像した撮像画像から、前記サンプル生物が発する光の画像領域を検出する検出部と、
前記検出された画像領域に基づいて前記撮像画像から前記サンプル生物の画像処理対象領域を抽出する画像処理対象領域抽出部と、
前記撮像画像から特異的シグナルの画像領域を抽出する特異的シグナル抽出部と、
前記抽出された特異的シグナルの画像領域の中から、前記抽出された画像処理対象領域に含まれる特異的シグナルの画像領域を抽出する特異的シグナル選択部と、
を備える画像処理システム、
によって検出される、6に記載の方法。
[9] 前記画像処理装置又は画像処理システムが、
コンピュータに、
撮像される対象の生物が発する光の波長を含む波長帯の光の撮像画像から、前記生物が発する光の画像領域を検出する検出機能と、
前記検出された画像領域に基づいて前記撮像画像から前記生物の画像処理対象領域を抽出する画像処理対象領域抽出機能と、
前記撮像画像から特異的シグナルの画像領域を抽出する特異的シグナル抽出機能と、
前記抽出された特異的シグナルの画像領域の中から、前記抽出された画像処理対象領域に含まれる特異的シグナルの画像領域を抽出する特異的シグナル選択機能と、
を実現させるための画像処理プログラム、
を備えることを特徴とする、7又は8に記載の方法。
[10] 前記モニター植物における発光タンパク質が、6~9のいずれかに記載の方法によって検出されることを特徴とする、1~5のいずれかに記載の対象植物のストレスを検出する方法。
[11] 撮像される対象の生物が発する光の波長を含む波長帯の光の撮像画像から、前記生物が発する光の画像領域を検出する検出部と、
前記検出された画像領域に基づいて前記撮像画像から前記生物の画像処理対象領域を抽出する画像処理対象領域抽出部と、
前記撮像画像から特異的シグナルの画像領域を抽出する特異的シグナル抽出部と、
前記抽出された特異的シグナルの画像領域の中から、前記抽出された画像処理対象領域に含まれる特異的シグナルの画像領域を抽出する特異的シグナル選択部と、
を備える画像処理装置。
[12] 非サンプル生物とサンプル生物とが混在して配置され、
前記サンプル生物が発する光の波長を含む波長帯の光を撮像する撮像部と、
前記撮像部が前記サンプル生物を撮像した撮像画像から、前記サンプル生物が発する光の画像領域を検出する検出部と、
前記検出された画像領域に基づいて前記撮像画像から前記サンプル生物の画像処理対象領域を抽出する画像処理対象領域抽出部と、
前記撮像画像から特異的シグナルの画像領域を抽出する特異的シグナル抽出部と、
前記抽出された特異的シグナルの画像領域の中から、前記抽出された画像処理対象領域に含まれる特異的シグナルの画像領域を抽出する特異的シグナル選択部と、
を備える画像処理システム。
[13] コンピュータに、
撮像される対象の生物が発する光の波長を含む波長帯の光の撮像画像から、前記生物が発する光の画像領域を検出する検出機能と、
前記検出された画像領域に基づいて前記撮像画像から前記生物の画像処理対象領域を抽出する画像処理対象領域抽出機能と、
前記撮像画像から特異的シグナルの画像領域を抽出する特異的シグナル抽出機能と、
前記抽出された特異的シグナルの画像領域の中から、前記抽出された画像処理対象領域に含まれる特異的シグナルの画像領域を抽出する特異的シグナル選択機能と、
を実現させるための画像処理プログラム。
The present invention is as follows.
[1] A method for detecting stress in a target plant.
A step of placing a stress-responsive promoter and a monitor plant containing a photoprotein gene operably linked downstream of the stress-responsive promoter in the vicinity of the target plant.
The process of visualizing the stress of the target plant,
Here, in the visualization of the stress of the target plant, when the monitor plant receives a volatile substance released by the target plant in response to stress, the stress-responsive promoter responds in the monitor plant. A method characterized by this being carried out by the expression of the photoprotein.
[2] The stress-responsive promoters are PR1 promoter, PR2 promoter, PR3 promoter, PR4 promoter, PR5 promoter, AOS promoter, VSP1 promoter, VSP2 promoter, HPL promoter, AtMYC2 promoter, CYP83B1 promoter, At2g24850 promoter, LOX2 promoter, IAR3. Promoter, GST5 promoter, OPR3 promoter, ERF promoter, THI2.1 promoter, JAZ gene group promoter, PDF1.2 promoter, WRKY promoter, PAD4 promoter, EDS1 promoter, SID1 promoter, EDS5 promoter, BGL2 promoter, or a combination thereof. 1. The method according to 1.
[3] The luminescent protein is a protein using FRET technology such as green fluorescent protein, yellow fluorescent protein, red fluorescent protein, cyanide fluorescent protein, blue fluorescent protein and other fluorescent proteins, bioluminescent protein, chemical luminescent protein and nanolantern. , Or the method according to 1 or 2, characterized in that it is a combination thereof.
[4] The volatile substances are methyl jasmonate, methyl salicylate, green leaf alcohol, aromatics, terpenes, myrcene, (E, E) -4,8,12-trimethyltrideca-1,3,7,11- The method according to 1, wherein the method is selected from tetraene (TMTT), esters, aldehydes, aromatic compounds, 2-pentanol, or a combination thereof.
[5] The method according to 1, wherein the monitor plant is Arabidopsis thaliana, moss, cat jarashi, or brachypodium.
[6] A method for detecting photoproteins in plants.
A step of specifying an image region including a wavelength band of the emission wavelength of the photoprotein and a wavelength band of self-emission of the plant from an image of a plant containing a photoprotein gene, and light emission existing in the specified image region. The process of detecting only the emission wavelength signal of a protein,
A method characterized by including.
[7] The photoprotein in the plant is
A detection unit that detects an image region of light emitted by the organism from an image of light in a wavelength band including the wavelength of light emitted by the organism to be imaged.
An image processing target area extraction unit that extracts an image processing target area of the organism from the captured image based on the detected image area, and an image processing target area extraction unit.
A specific signal extraction unit that extracts an image region of a specific signal from the captured image,
A specific signal selection unit that extracts an image region of a specific signal included in the extracted image processing target region from the extracted image region of the specific signal, and a specific signal selection unit.
Image processing device, equipped with
6. The method according to 6.
[8] The photoprotein in the plant is
Non-sampled organisms and sample organisms are mixed and arranged,
An imaging unit that captures light in a wavelength band including the wavelength of light emitted by the sample organism, and
A detection unit that detects an image region of light emitted by the sample organism from an image captured by the imaging unit.
An image processing target area extraction unit that extracts an image processing target area of the sample organism from the captured image based on the detected image area, and an image processing target area extraction unit.
A specific signal extraction unit that extracts an image region of a specific signal from the captured image,
A specific signal selection unit that extracts an image region of a specific signal included in the extracted image processing target region from the extracted image region of the specific signal, and a specific signal selection unit.
Image processing system,
6. The method according to 6.
[9] The image processing apparatus or image processing system
On the computer
A detection function that detects the image region of the light emitted by the organism from the captured image of the light in the wavelength band including the wavelength of the light emitted by the organism to be imaged.
An image processing target area extraction function that extracts an image processing target area of the organism from the captured image based on the detected image area, and an image processing target area extraction function.
A specific signal extraction function that extracts an image region of a specific signal from the captured image, and
A specific signal selection function that extracts an image region of a specific signal included in the extracted image processing target region from the extracted image region of the specific signal, and a specific signal selection function.
Image processing program to realize
7. The method according to 7 or 8, wherein the method comprises.
[10] The method for detecting stress in a target plant according to any one of 1 to 5, wherein the photoprotein in the monitor plant is detected by the method according to any one of 6 to 9.
[11] A detection unit that detects an image region of light emitted by the organism from an image of light in a wavelength band including the wavelength of light emitted by the organism to be imaged.
An image processing target area extraction unit that extracts an image processing target area of the organism from the captured image based on the detected image area, and an image processing target area extraction unit.
A specific signal extraction unit that extracts an image region of a specific signal from the captured image,
A specific signal selection unit that extracts an image region of a specific signal included in the extracted image processing target region from the extracted image region of the specific signal, and a specific signal selection unit.
An image processing device comprising.
[12] Non-sampled organisms and sampled organisms are mixed and arranged.
An imaging unit that captures light in a wavelength band including the wavelength of light emitted by the sample organism, and
A detection unit that detects an image region of light emitted by the sample organism from an image captured by the imaging unit.
An image processing target area extraction unit that extracts an image processing target area of the sample organism from the captured image based on the detected image area, and an image processing target area extraction unit.
A specific signal extraction unit that extracts an image region of a specific signal from the captured image,
A specific signal selection unit that extracts an image region of a specific signal included in the extracted image processing target region from the extracted image region of the specific signal, and a specific signal selection unit.
Image processing system with.
[13] On the computer
A detection function that detects the image region of the light emitted by the organism from the captured image of the light in the wavelength band including the wavelength of the light emitted by the organism to be imaged.
An image processing target area extraction function that extracts an image processing target area of the organism from the captured image based on the detected image area, and an image processing target area extraction function.
A specific signal extraction function that extracts an image region of a specific signal from the captured image, and
A specific signal selection function that extracts an image region of a specific signal included in the extracted image processing target region from the extracted image region of the specific signal, and a specific signal selection function.
Image processing program to realize.

本発明によれば、農作物自体の遺伝子操作を行うことなく、農作物の病害虫被害を初期段階で検出することが可能となり、ひいては、食の安全性確保や害虫の耐性強化軽減に寄与する。 According to the present invention, it is possible to detect pest damage of a crop at an initial stage without performing genetic manipulation of the crop itself, which in turn contributes to ensuring food safety and enhancing and reducing resistance to pests.

被害植物-立ち聞き者間における情報連絡の状況を示す図である。It is a figure which shows the situation of information communication between a damaged plant and an eavesdropper. シロイヌナズナ形質転換体の模式図である。It is a schematic diagram of the Arabidopsis thaliana transformant. 自家蛍光によるタイムラプス中に動く植物の画像を示す図である。It is a figure which shows the image of the plant which moves in a time lapse by autofluorescence. 蛍光シグナルの検知の状況を示す図である。It is a figure which shows the state of the detection of a fluorescent signal. シロイヌナズナ植物群における免疫系の活性化状態を蛍光シグナルで検知する状況を示す図である。It is a figure which shows the situation which detects the activated state of the immune system by a fluorescent signal in Arabidopsis plant group. 個体別シグナル強度の経時的変化を示すグラフ図である。It is a graph which shows the time-dependent change of the signal intensity for each individual. 一実施形態に係る未来型農業の構想図である。It is a concept diagram of futuristic agriculture pertaining to one embodiment. 一実施形態に係る画像処理方法の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the image processing method which concerns on one Embodiment. モニター植物生育装置の写真である。左:モニター植物生育装置を上から見た写真であり、中央にディバイダーが埋めてある。左側に野生型の実生が5個体生育中である。右:モニター植物生育装置を横からみた写真であり、ディバイダーの培地の上に突き出る部分は、揮発性物質は拡散するが、害虫は通過できないように0.5mmの穴が開けてある。モニター植物2個体の実生が生育中である。It is a photograph of a monitor plant growing device. Left: A photograph of the monitor plant growing device seen from above, with a divider buried in the center. Five wild-type seedlings are growing on the left side. Right: A side view of the monitor plant growth device, with a 0.5 mm hole in the part protruding above the divider's medium to allow volatiles to diffuse but pests to pass through. Seedlings of two monitor plants are growing. ジャスモン酸メチル(MeJA)、サリチル酸メチル(MeSA)、及び溶媒(ジクロロメタン)への暴露から24時間後のモニター植物の蛍光写真である。FIG. 3 is a fluorescence photograph of a monitor plant 24 hours after exposure to methyl jasmonate (MeJA), methyl salicylate (MeSA), and solvent (dichloromethane). 上段:野生型シロイヌナズナとコナガの区画の写真(白色光)である。下段:モニター植物の区画の写真(蛍光シグナル)である。Upper row: Photograph (white light) of the wild-type Arabidopsis thaliana and diamondback moth. Bottom: A photograph (fluorescent signal) of a plot of monitor plants. 上段:アワヨトウとシロイヌナズナの区画の写真(白色光)である。下段:モニター植物の区画の写真(蛍光シグナル)である。Upper row: Photograph (white light) of the plot of Mythimna separati and Arabidopsis thaliana. Bottom: A photograph (fluorescent signal) of a plot of monitor plants. ジャスモン酸メチルの濃度勾配における蛍光シグナルを示す写真である。It is a photograph which shows the fluorescence signal in the concentration gradient of methyl jasmonate. 傷害ストレスによる蛍光シグナルを示す写真である。It is a photograph which shows the fluorescent signal by injury stress. 開始直後(左)と3時間後(右)における、イヌガラシ(Rorippa indica)抽出液(粉砕液)由来の揮発性物質に応答した蛍光シグナルを示す写真である。It is a photograph showing a fluorescence signal in response to a volatile substance derived from a yellowcresses (Rorippa indica) extract (ground solution) immediately after the start (left) and 3 hours later (right). オシメン、ジャスモン酸メチル(MeJA)、及び溶媒(ジクロロメタン)への暴露後のモニター植物の蛍光シグナル示す写真である。It is a photograph showing the fluorescence signal of a monitor plant after exposure to ocimene, methyl jasmonate (MeJA), and solvent (dichloromethane).

[1.諸言]
植物は、一部の組織で病原菌の感染を受けるとシグナルを全身に発信し、未感染組織に防御態勢を誘導させることができる。感染シグナルを全身に伝える伝達経路は、複数あることが知られており、代表的なものとしては、全身獲得抵抗性シグナル伝達経路、誘導抵抗性シグナル伝達経路、及び誘導全身抵抗性シグナル伝達経路などが存在する。
全身獲得抵抗性シグナル伝達経路では、過敏感反応をひきおこすような病原菌が感染すると、感染の局所で生じたシグナル物質が篩管組織を経由して全身に移動し、結果として植物がさまざまな病原菌に対して全身で抵抗性になる。このシグナル伝達経路では、植物ホルモン的な成分であるサリチル酸が重要な役割を果たす。サリチル酸は、感染部位で蓄積するほかシグナルが伝えられた先の細胞でも蓄積し、サリチル酸が蓄積すると、NPR1(PR蛋白質産生制御因子)、WRKY(転写制御因子)、PR-1、PR-2、PR-5などの遺伝子が順次誘導され、抵抗性が発現すると考えられている。一方、誘導抵抗性シグナル伝達経路においては、病害虫による被害を受けると、ジャスモン酸及びエチレンが蓄積し、PDF1.2などの遺伝子が蓄積する。また、誘導全身抵抗性シグナル伝達経路においても、ジャスモン酸及びエチレンが関与し、根における感染刺激が全身に伝えられる。
具体的には、病原菌感染によって起こるサリチル酸シグナル経路の活性化の際に顕著に発現量が上昇する遺伝子として、PAD4、EDS1、SID1、EDS5、PR1、PR5、BGL2などが知れている(非特許文献1)。ジャスモン酸メチルと虫害で共通に発現する遺伝子としては、PR2、AtMYC2、CYP83B1、At2g24850、LOX2、VSP2、IAR3、GST5、OPR3、AOS、HPL、PR4、PDF1.2などが知れている(非特許文献2)。また、ジャスモン酸メチル、サリチル酸メチル、又は青葉アルコールによって発現が上昇する遺伝子としては、PR1、PR2、AOS、VSP1、HPL、PR3など(非特許文献3)が知られている。
[1. Various words]
When a plant is infected with a pathogen in some tissues, it can send a signal to the whole body to induce an uninfected tissue to be defensive. It is known that there are multiple transmission pathways that transmit infection signals throughout the body, and typical ones include systemic acquired resistance signal transduction pathways, induced resistance signal transduction pathways, and induced systemic resistance signal transduction pathways. Exists.
In the systemic acquired resistance signaling pathway, when infected with a pathogen that causes a hypersensitive response, the signal substance generated locally in the infection moves to the whole body via the sieve duct tissue, and as a result, the plant becomes various pathogens. On the other hand, it becomes resistant to the whole body. Salicylic acid, a phytohormonal component, plays an important role in this signaling pathway. Salicylic acid accumulates not only at the site of infection but also in the cells to which the signal is transmitted, and when salicylic acid accumulates, NPR1 (PR protein production regulator), WRKY (transcription factor), PR-1, PR-2, It is believed that genes such as PR-5 are sequentially induced and resistance is expressed. On the other hand, in the induced resistance signal transduction pathway, when damaged by pests, jasmonic acid and ethylene are accumulated, and genes such as PDF1.2 are accumulated. In addition, jasmonic acid and ethylene are involved in the induced systemic resistance signal transduction pathway, and the infection stimulus in the root is transmitted to the whole body.
Specifically, PAD4, EDS1, SID1, EDS5, PR1, PR5, BGL2 and the like are known as genes whose expression levels are significantly increased when the salicylic acid signaling pathway is activated by pathogen infection (Non-Patent Documents). 1). Known genes commonly expressed in insect pests with methyl jasmonate include PR2, AtMYC2, CYP83B1, At2g24850, LOX2, VSP2, IAR3, GST5, OPR3, AOS, HPL, PR4, PDF1.2 and the like (non-patent documents). 2). Further, as genes whose expression is increased by methyl jasmonate, methyl salicylate, or green leaf alcohol, PR1, PR2, AOS, VSS1, HPL, PR3 and the like are known (Non-Patent Document 3).

これまで、このような抵抗性の誘導は、同一植物個体内に限定して起こるものと考えられていた。しかしながら、ジャスモン酸メチル、短鎖アルデヒド及びイソプレノイドなどの植物由来の揮発性成分には、植物の抵抗性を誘導する風媒性シグナルとしての機能が存在することが発見され、物理的に離れた同種又は異種の植物がそれを認識することによって、生体防御機構を活性化させること(立ち聞き効果)が知られるようになった。すなわち、植物が病害虫による被害を受けると揮発性免疫活性物質(香り)を放ち、周辺植物(立ち聞き者)の免疫系を活性化すると考えられる(図1参照)。 Until now, it has been considered that such induction of resistance occurs only within the same plant individual. However, it was discovered that plant-derived volatile components such as methyl jasmonate, short-chain aldehydes, and isoprenoids have a function as an airborne signal that induces plant resistance, and are physically separated from each other. Alternatively, it has become known that different kinds of plants activate the biological defense mechanism (hearing effect) by recognizing it. That is, it is considered that when a plant is damaged by a pest, it emits a volatile immunoactive substance (scent) and activates the immune system of surrounding plants (eaves) (see FIG. 1).

本発明は、このような揮発性免疫活性物質を介した植物個体間のコミュニケーションを利用して、対象植物の近傍に、ストレス応答性プロモーター及び該ストレス応答性プロモーターと作動可能に連結された発光タンパク質遺伝子を含むモニター植物を配置することにより、農作物が病害虫による被害に応答して放出する揮発性物質をモニター植物が受信すると、前記モニター植物において、免疫経路の遺伝子マーカーであるストレス応答性プロモーターが応答し、これにより、前記発光タンパク質が発現することによって、対象植物の食害又は病害ストレスを可視化することに基づく(図2参照)。 The present invention utilizes such communication between individual plants via volatile immunoactive substances to provide a stress-responsive promoter and a photoprotein operably linked to the stress-responsive promoter in the vicinity of the target plant. By placing a monitor plant containing a gene, when the monitor plant receives a volatile substance released by the crop in response to damage caused by pests, the stress-responsive promoter, which is a gene marker of the immune pathway, responds in the monitor plant. However, it is based on visualizing the feeding damage or disease stress of the target plant by expressing the photoprotein (see FIG. 2).

本発明において、「ストレス応答性プロモーター」は、植物が病害虫による被害などのストレスに応答して放出する揮発性物質を受容したときに、その下流に作動可能に連結された発光タンパク質遺伝子を転写させる機能を有する。 In the present invention, the "stress responsive promoter" transcribes an operably linked photoprotein gene downstream of a volatile substance released by a plant in response to stress such as damage from a pest. Has a function.

[2.対象植物のストレスを検出する方法]
本発明の第1の観点によれば、対象植物のストレスを検出する方法であって、前記対象植物の近傍に、ストレス応答性プロモーター及び該ストレス応答性プロモーターの下流に作動可能に連結された発光タンパク質遺伝子を含むモニター植物を配置する工程、前記対象植物のストレスを可視化する工程、を含み、ここで、前記対象植物のストレスの可視化が、前記対象植物がストレスに応答して放出する揮発性物質を前記モニター植物が受容すると、前記モニター植物において、ストレス応答性プロモーターが応答し、これにより、前記発光タンパク質が発現することによって行われることを特徴とする、方法が提供される。本発明において検出される対象植物のストレスには、虫等による食害、カビや細菌等による病害、植物体の折損や破損などが含まれる。
[2. How to detect stress in target plants]
According to the first aspect of the present invention, it is a method for detecting stress of a target plant, and is a method of operably linked to a stress-responsive promoter in the vicinity of the target plant and downstream of the stress-responsive promoter. It includes a step of arranging a monitor plant containing a protein gene and a step of visualizing the stress of the target plant, wherein the visualization of the stress of the target plant is a volatile substance released by the target plant in response to the stress. Is accepted by the monitor plant, a stress-responsive promoter responds in the monitor plant, thereby providing a method characterized by the expression of the photoprotein. The stress of the target plant detected in the present invention includes feeding damage caused by insects and the like, diseases caused by molds and bacteria, and breakage or damage of the plant body.

本発明で用いられるストレス応答性プロモーターは、周辺植物が病害虫による被害などのストレスに応答して放出する揮発性物質を受容したときに下流に位置する発光タンパク質遺伝子を転写させる機能を有する限り特に制限されないが、典型的には、植物のストレスにより発現が上昇する遺伝子のプロモーター、すなわち、PR1プロモーター、PR2プロモーター、PR3プロモーター、PR4プロモーター、PR5プロモーター、AOSプロモーター、VSP1プロモーター、VSP2プロモーター、HPLプロモーター、AtMYC2プロモーター、CYP83B1プロモーター、At2g24850プロモーター、LOX2プロモーター、IAR3プロモーター、GST5プロモーター、OPR3プロモーター、ERFプロモーター、THI2.1プロモーター、JAZ遺伝子群プロモーター、PDF1.2プロモーター、WRKYプロモーター、PAD4プロモーター、EDS1プロモーター、SID1プロモーター、EDS5プロモーター、又はBGL2プロモーターであり、好ましくは、PR1プロモーター、PR2プロモーター、AOSプロモーター、VSP1プロモーター、HPLプロモーター、ERFプロモーター、THI2.1プロモーター、JAZ遺伝子群プロモーター、PDF1.2プロモーター、WRKYプロモーター、又はPR3プロモーターであり、最も好ましくはVSP1プロモーター、PDF1.2プロモーター、又はPR1プロモーターである。 The stress-responsive promoter used in the present invention is particularly limited as long as it has the function of transcribing a luminescent protein gene located downstream when a peripheral plant receives a volatile substance released in response to stress such as damage caused by a pest. However, typically, promoters of genes whose expression is increased by plant stress, namely PR1 promoter, PR2 promoter, PR3 promoter, PR4 promoter, PR5 promoter, AOS promoter, VSP1 promoter, VSP2 promoter, HPL promoter, AtMYC2. Promoter, CYP83B1 promoter, At2g24850 promoter, LOX2 promoter, IAR3 promoter, GST5 promoter, OPR3 promoter, ERF promoter, THI2.1 promoter, JAZ gene group promoter, PDF1.2 promoter, WRKY promoter, PAD4 promoter, EDS1 promoter, SID1 promoter, EDS5 promoter or BGL2 promoter, preferably PR1 promoter, PR2 promoter, AOS promoter, VSP1 promoter, HPL promoter, ERF promoter, THI2.1 promoter, JAZ gene group promoter, PDF1.2 promoter, WRKY promoter, or PR3. It is a promoter, most preferably a VSP1 promoter, a PDF1.2 promoter, or a PR1 promoter.

本発明で用いられる発光タンパク質は、モニター植物内で発現し、可視化できる程度に発光する限り特に制限されないが、典型的には、緑色蛍光タンパク質、黄色蛍光タンパク質、赤色蛍光タンパク質、シアン蛍光タンパク質、青色蛍光タンパク質などの蛍光タンパク質、生物発光タンパク質(例えば、ルシフェラーゼ)、化学発光タンパク質、又はナノランタンなどのFRET技術を用いたタンパク質である。 The luminescent protein used in the present invention is not particularly limited as long as it is expressed in a monitor plant and emits light to the extent that it can be visualized, but is typically green fluorescent protein, yellow fluorescent protein, red fluorescent protein, cyanide fluorescent protein, and blue. Fluorescent proteins such as fluorescent proteins, bioluminescent proteins (eg, luciferase), chemically luminescent proteins, or proteins using FRET technology such as nanolanterns.

本発明で用いられるモニター植物は、上記ストレス応答性プロモーター及び該ストレス応答性プロモーターの下流に作動可能に連結された発光タンパク質遺伝子を含むベクターを、通常の形質転換方法、例えば、アグロインフィルトレーション法、又はパーティクル・ガン法を用いて、宿主植物に組み込むことにより作成することができる。 The monitor plant used in the present invention is a vector containing a stress-responsive promoter and a photoprotein gene operably linked downstream of the stress-responsive promoter, using a conventional transformation method, for example, an agroinfiltration method. , Or by incorporating into a host plant using the particle gun method.

アグロインフィルトレーション法は、目的遺伝子を挿入したT-DNAベクターで形質転換したアグロバクテリウムの培養液を、物理的手法(シリンジ等による注入や減圧等による浸透などの手法)で植物組織内に導入し、植物に感染させることにより、目的遺伝子を植物のゲノムへ挿入して発現させる手法である。フローラルディップ法で植物の生殖細胞のゲノムへ挿入することで、安定的な形質転換系統を作出することができる。アグロバクテリウム(Agrobacterium)は、グラム陰性菌に属する土壌細菌であるリゾビウム属(Rhizobium)のうち、植物に対する病原性を有するものの総称であり、アグロバクテリウムの例としては、根頭癌腫病に関連するアグロバクテリウム・ツメファシエンス(Agrobacterium tumefaciens)が挙げられる。アグロバクテリウム由来のベクターを利用して植物に外来遺伝子を恒常的に全ての細胞のゲノムに挿入する場合、通常はベクターを物理的手法(シリンジ等による注入や減圧等による浸透などの手法)で植物生殖細胞内に導入し、植物に感染させる。一旦生殖細胞のゲノムへ挿入された目的遺伝子は、安定的に継代される。植物の全細胞のゲノムで外来遺伝子が挿入される。 In the agroinfiltration method, a culture solution of Agrobacterium transformed with a T-DNA vector into which a target gene is inserted is placed in a plant tissue by a physical method (method such as injection with a syringe or permeation by decompression). It is a method of inserting a gene of interest into the genome of a plant and expressing it by introducing it and infecting the plant. By inserting into the genome of plant germ cells by the floral dip method, a stable transformation line can be created. Agrobacterium is a general term for Rhizobium, which is a soil bacterium belonging to Gram-negative bacteria, and has pathogenicity to plants. As an example of Agrobacterium, it is related to root cancer disease. Agrobacterium tumefaciens can be mentioned. When a foreign gene is constantly inserted into the genome of all cells using a vector derived from agrobacterium, the vector is usually inserted by a physical method (injection with a syringe or permeation by decompression). It is introduced into plant germ cells and infects plants. Once inserted into the germ cell genome, the target gene is stably passaged. Foreign genes are inserted into the genome of all plant cells.

パーティクル・ガン(パーティクル・ボンバードメント)法は、DNA又はベクターをコーティングした金やタングステンなどの金属の微粒子を高速で射出することにより、目的DNAを細胞内に導入する手法である。 The particle gun (particle bombardment) method is a method for introducing a target DNA into a cell by injecting fine particles of a metal such as gold or tungsten coated with DNA or a vector at high speed.

本願明細書において、揮発性物質は、植物由来の揮発性免疫活性物質を意味し、周辺植物の立ち聞き効果を惹起して、その免疫系を活性化できる限り特に制限されないが、典型的には、ジャスモン酸メチル、サリチル酸メチル、エチレン、青葉アルコール、青葉アルデヒド、テルペン類、エステル類、アルデヒド類、芳香族化合物などがある。具体的には、ミルセン、(E,E)-4,8,12-トリメチルトリデカ-1,3,7,11-テトラエン(TMTT)、2-ペンタノール、1-オクテン-1-オール、アセトフェノン、フェランドレン、トランス-2-ヘキセナール、(1R,2S,5R)-ピナン、テルピネロール、ファルネセン、ベータ アコラディエン、ビサボレン、ネロリドール、(E)-4,8-ディメチル-1,3,7-ノナトリエン(DMNT)、2-ペンタナール、カレン、4-メチル-3-ペンテン-2-オン、ベンズアルデヒド、サリチル酸エチル、オシメン、2,4-ヘキサジエナール、ベータ セスキフェランドレン、テルピネオール、ゲラニルアセトン、ヘキサノール、リモネン、リナロール、ネロール、インドール、エレメン、ベルベノン、2-ペンテン-1-オール、(Z)-3-ヘキセン-1-オール、デカナール、カプロン酸、シス-3-ヘキセナール、酢酸3-ヘキセニル、(Z)-2-ヘキサナール、(Z)-2-ヘキサノール、(Z)-2-ヘキサニルアセテート、(E)-2-ヘキサナール、(E)-2-ヘキサノール、(E)-2-ヘキサニルアセテート、(n)-2-ヘキサナール、(n)-2-ヘキサノール、(n)-2-ヘキサニルアセテート、又はこれらの組み合わせから選択される。 In the present specification, the volatile substance means a volatile immunoactive substance derived from a plant, and is not particularly limited as long as it can induce the eavesdropping effect of surrounding plants and activate the immune system, but is typically not limited. There are methyl jasmonate, methyl salicylate, ethylene, green leaf alcohol, green leaf aldehyde, terpenes, esters, aldehydes, aromatic compounds and the like. Specifically, Milsen, (E, E) -4,8,12-trimethyltrideca-1,3,7,11-tetraene (TMTT), 2-pentanol, 1-octen-1-ol, acetophenone. , Ferrandren, Trans-2-hexenal, (1R, 2S, 5R) -Pinan, Terpinerol, Farnesen, Beta Accoradian, Visabolen, Nerolidol, (E) -4,8-Dimethyl-1,3,7-Nonatrien (E) -4,8-Dimethyl-1,3,7-Nonatrien DMNT), 2-pentanal, kalen, 4-methyl-3-penten-2-one, benzaldehyde, ethyl salicylate, ossimen, 2,4-hexadienal, beta sesquiferrandrene, terpineol, geranylacetone, hexanol, limonene, Linarol, nerol, indol, elemente, velvenon, 2-pentene-1-ol, (Z) -3-hexen-1-ol, decanal, caproic acid, cis-3-hexenal, 3-hexenyl acetate, (Z)- 2-Hexanal, (Z) -2-hexanol, (Z) -2-hexanyl acetate, (E) -2-hexanal, (E) -2-hexanol, (E) -2-hexanyl acetate, (n) ) -2-Hexanal, (n) -2-hexanol, (n) -2-hexanyl acetate, or a combination thereof.

前記モニター植物の作製において、宿主植物として形質転換される植物は、発光タンパク質を発現できるものであれば特に限定されないが、典型的にはシロイヌナズナ、コケ、ネコジャラシ、又はブラキポディウムである。モニター植物は、対象植物と同種であっても良い。 In the preparation of the monitor plant, the plant transformed as a host plant is not particularly limited as long as it can express a photoprotein, but is typically Arabidopsis thaliana, moss, cat jarashi, or brachypodium. The monitor plant may be the same species as the target plant.

対象植物の種は特に制限されないが、典型的には、農作物であり、イネ科、マメ科、アブラナ科、キク科、ナス科、バラ科、ウリ科、ヒルガオ科などの植物が挙げられる。好ましい植物としては、例えば、アルファルファ、オオムギ、インゲンマメ、カノーラ、ササゲ、綿、トウモロコシ、クローバー、ハス、レンズマメ、ルピナス、キビ、オートムギ、エンドウマメ、落花生、イネ、ライムギ、スイートクローバー、ヒマワリ、スイートピー、ダイズ、モロコシ、ライコムギ、クズイモ、ハッショウマメ、ソラマメ、コムギ、フジ、堅果植物等、シロイヌナズナ、コヌカグサ、ネギ、キンギョソウ、オランダミツバ、ナンキンマメ、アスパラガス、ロウトウ、カラスムギ、ホウライチク、アブラナ、ブロムグラス、ルリマガリバナ、ツバキ、アサ、トウガラシ、ヒヨコマメ、ケノポジ、キクニガナ、カンキツ、コーヒーノキ、ジュズダマ、キュウリ、カボチャ、ギョウギシバ、カモガヤ、チョウセンアサガオ、ジギタリス、ヤマノイモ、アブラヤシ、オオシバ、フェスキュ、イチゴ、フクロウソウ、ダイズ、ヒマワリ、キスゲ、パラゴムノキ、オオムギ、ヒヨス、サツマイモ、レタス、ヒラマメ、ユリ、アマ、ライグラス、ハス、トマト、マヨラナ、リンゴ、マンゴー、イモノキ、ウマゴヤシ、アフリカウンラン、タバコ、イガマメ、キビ、テンジクアオイ、チカラシバ、ツクバネアサガオ、インゲン、アワガエリ、イチゴツナギ、サクラ、キンポウゲ、ラディッシュ、スグリ、トウゴマ、キイチゴ、サトウキビ、サルメンバナ、ライムギ、セネシオ、セタリア、シロガラシ、ナス、ソルガム、イヌシバ、カカオ、ジャジクソウ、レイリョウコウ、ブドウ等が挙げられる。 The species of the target plant is not particularly limited, but is typically an agricultural product, and examples thereof include grasses, legumes, abranas, kikus, eggplants, roses, uris, and morning glories. Preferred plants include, for example, alfalfa, barley, common bean, canola, sage, cotton, corn, clover, hass, lens bean, lupine, millet, oat, pea, peanut, rice, lime, sweet clover, sunflower, sweet pea, soybean. , Morokoshi, Raikomugi, Kuzuimo, Hasshomame, Soybean, Wheat, Fuji, Fruit plant, etc. Asa, Togarashi, Hiyokome, Kenoposi, Kikunigana, Kankitsu, Coffee tree, Juzudama, Cucumber, Pumpkin, Gyogishiba, Camogaya, Chosen Asagao, Digitalis, Yamanoimo, Abra palm, Oshiba, Fescue, Strawberry, Owl soybean Wheat, sunflower, sweet potato, lettuce, sunflower, lily, flax, ryegrass, hass, tomato, mayorana, apple, mango, corn, horsego palm, African unlan, tobacco, corn, millet, tenjikuaoi, bean, tsukubane asagao, green bean, awagaeri , Strawberry tuna, cherry, kinpouge, radish, sugi, corn, strawberry, sugar cane, salmendana, limegi, senesio, setaria, white pearl oyster, eggplant, sorghum, bean, cacao, jajiso, reiryoko, grape and the like.

[3.植物における発光タンパク質を検出する方法]
本発明の第2の観点によれば、植物における発光タンパク質を検出する方法であって、発光タンパク質遺伝子を含む植物の撮像画像から、前記発光タンパク質の発光波長の波長帯及び該植物の自家発光の波長帯を含む画像領域を特定する工程、及び前記特定された画像領域内に存在する発光タンパク質の発光波長信号のみを検出する工程、を含むことを特徴とする、方法が提供される。
[3. How to detect photoproteins in plants]
According to the second aspect of the present invention, it is a method for detecting a photoprotein in a plant, and the wavelength band of the photoprotein emission wavelength and the self-emission of the plant are obtained from an image of a plant containing a photoprotein gene. Provided is a method comprising the steps of identifying an image region including a wavelength band and detecting only the emission wavelength signal of a photoprotein present in the identified image region.

前記植物における発光タンパク質の検出は、具体的には、以下の画像処理装置、画像処理システム、及び画像処理プログラムを用いることにより達成できる。 The detection of a photoprotein in the plant can be specifically achieved by using the following image processing apparatus, image processing system, and image processing program.

通常、植物などの生体サンプルはマクロスケールで大きく動くため、ミクロスケールで頻用されているROI(Region of Interest:関心領域)では定量ができない(図3参照)。図3には、自家蛍光によるタイムラプス中に動く植物の画像が示される。この例では、12時間で大きく移動していることがわかる。 Normally, biological samples such as plants move significantly on the macro scale, so they cannot be quantified by the ROI (Region of Interest), which is frequently used on the micro scale (see FIG. 3). FIG. 3 shows an image of a plant moving during a time-lapse due to autofluorescence. In this example, it can be seen that the movement is large in 12 hours.

動くサンプルに対応し、自動で時空間的に定量する技術が未だない。そこで、自家(恒常的)又は組織特異的な蛍光シグナルをバックグラウンドとして、その領域における特異的遺伝子の発現ダイナミクスを自動的に定量できるソフトウェアを構築する。マクロスケールでの定量ツールが開発されると、数理モデル化が直接可能になる。このため、個体・集団と言う高次なレベルでの特異的な遺伝子発現の精密な解析ができる。これが可能になることで、例えば、集団における病害虫応答や、病害虫被害が集団内でどのように広まるのか、予測することも可能になる。 There is still no technology for automatic spatiotemporal quantification for moving samples. Therefore, we will construct software that can automatically quantify the expression dynamics of specific genes in the region against the background of autologous (constant) or tissue-specific fluorescence signals. When macro-scale quantitative tools are developed, mathematical modeling becomes possible directly. Therefore, it is possible to perform precise analysis of specific gene expression at a higher level of individual / population. By making this possible, for example, it becomes possible to predict the pest response in the population and how the pest damage spreads in the population.

応用面では、被害植物から放たれる香りを検知して発光を放つ植物を利用することで、害虫被害を早期に検出することが可能になる。定量データによる数理モデリングを用いことで、作物集団内での被害の移動を予測することができる。このような画像・映像解析を基盤とした「害虫ストレス早期発見型の予防的ナノ農業」への応用には、定量技術が欠かせない。 In terms of application, it is possible to detect pest damage at an early stage by using a plant that emits light by detecting the scent emitted from the damaged plant. Mathematical modeling with quantitative data can be used to predict the movement of damage within crop populations. Quantitative techniques are indispensable for the application to "preventive nano-agriculture of pest stress early detection type" based on such image / video analysis.

そこで、ストレス検出システムの構築に向けた技術基盤として、時空間で精度の高い個体レベルの蛍光シグナルの定量を自動的に解析するソフトウェアの提供をさらなる目的とした。 Therefore, as a technical basis for the construction of a stress detection system, we further aimed to provide software that automatically analyzes the quantification of fluorescent signals at the individual level with high accuracy in space-time.

本実施形態について、いくつかの特長を以下に示す。
・香りを使用した植物間のコミュニケーションをリアルタイムで可視化する点である。
・個体間のみならず集団内における香りの情報拡散を解析する点である。
・従来の技術では、生きた細胞・個体をサンプルとして使用しているにも関わらず、固定することによるストレスという副作用が避けられなかった。本実施形態では、動くサンプルの定量化を行うことで、副作用がより少ない状態での精度が高い定量が可能である。
・自家蛍光など、シグナルを測定したい部分特異的なシグナルの抽出である。そのため、特異的シグナルに関する植物以外のバックグラウンドは自動的に排除される。バックグラウンドノイズが極めて低い定量方法である(後述の図8(C)、図8(D)参照)。
・従来の技術(Velasques、他(2015年))では、蛍光タンパク質ではなく、ホタル由来の発光タンパク質を利用して根の成長をモニターしている。この定量法では、根の成長具合は定量できるものの、単色でのモニタリングなので、特異的な遺伝子発現を観察することは困難である。また、発光シグナルは蛍光よりも弱いため、露光時間が長い。このために行う実験が制限される。当該従来の技術では5分の露光時間であるが、本実施形態のシステムでは、5秒で十分である。
Some features of this embodiment are shown below.
-The point is to visualize the communication between plants using scents in real time.
-The point is to analyze the information diffusion of scents not only between individuals but also within the population.
-In the conventional technique, although living cells / individuals are used as samples, the side effect of stress due to immobilization cannot be avoided. In this embodiment, by quantifying a moving sample, it is possible to perform highly accurate quantification with fewer side effects.
-Extraction of partially specific signals for which you want to measure signals, such as autofluorescence. Therefore, non-plant backgrounds related to specific signals are automatically excluded. This is a quantitative method with extremely low background noise (see FIGS. 8 (C) and 8 (D) described later).
-Conventional techniques (Velasques, et al. (2015)) use firefly-derived photoproteins instead of fluorescent proteins to monitor root growth. Although the root growth can be quantified by this quantification method, it is difficult to observe specific gene expression because it is monitored in a single color. Moreover, since the emission signal is weaker than fluorescence, the exposure time is long. This limits the experiments performed. In the conventional technique, the exposure time is 5 minutes, but in the system of the present embodiment, 5 seconds is sufficient.

ここで、電動ステージ・全自動実体顕微鏡を用いたタイムラプス・イメージングを説明する。
1.被害植物からの香りに応答した蛍光シグナルを個体レベルで検知(図4参照)。
2.植物の集団における免疫系の活性化応答を時空間的に検知(図5参照)。
これにより、広範囲(個体レベル・集団レベル)における蛍光シグナルを経時的に検知することができる。図4には、害虫による被害植物からの香り物質に反応して放たれた蛍光シグナルの検知の状況が示される。図5には、シロイヌナズナ植物群における免疫系の活性化状態を蛍光シグナルで検知する状況が示される。
Here, time-lapse imaging using an electric stage and a fully automated stereomicroscope will be described.
1. 1. Fluorescent signals in response to scents from damaged plants were detected at the individual level (see Fig. 4).
2. 2. Spatio-temporal detection of immune system activation responses in plant populations (see Figure 5).
This makes it possible to detect fluorescent signals over a wide range (individual level / population level) over time. FIG. 4 shows the status of detection of a fluorescent signal emitted in response to a fragrant substance from a plant damaged by a pest. FIG. 5 shows a situation in which the activated state of the immune system in the Arabidopsis thaliana plant group is detected by a fluorescent signal.

次いで、植物集団におけるストレスシグナルを、一般の画像処理ソフトウェア(例えばImageJ)を用いてマニュアルでフレーム毎に定量する。フレーム内で植物の形態を選択し、その領域での輝度をマニュアルで測定する。図6には、図5における蛍光シグナルの変化を個体毎にマニュアルで定量した結果のグラフ図が示される。
本実施形態では、このような定量解析を各フレームを対象に自動的に行う、精度が高い定量化ソフトウェアの提供を一つの目的とする。
The stress signal in the plant population is then manually quantified frame by frame using general image processing software (eg ImageJ). Select the morphology of the plant within the frame and manually measure the brightness in that area. FIG. 6 shows a graph of the results of manual quantification of changes in the fluorescence signal in FIG. 5 for each individual.
One object of the present embodiment is to provide highly accurate quantification software that automatically performs such quantitative analysis for each frame.

また、本実施形態では、病害虫の被害に曝された植物から放出される香り物質を、ナノセンサーで可視化することから、次の基礎生物学的(a,b)、又は農業現場での応用(c,d)において、(a)植物個体間コミュニケーション、(b)集団内における(a)の効果、(c)圃場で使用すると病害虫被害を早期に発見できる、(d)定量結果と数理モデリングを組み合わせることにより、病害虫の被害が集団内でどのように広がって行くのか予測できる。農業現場での香りを使ったモニタリングを利用した「予防型」農業の試みは、未だ報告されていない。これは、今までの「抵抗性病害虫」の出現を誘発する化学農薬や遺伝子組換え作物による病害虫対策とは原理的に異なる。自家蛍光(又は恒常的に発現している)や組織特異的に発現している蛍光を用いて、経時的に「動く」サンプルの形態を認識することである。発生段階など、時間・時期特異的に特異的な組織・器官・細胞などを蛍光色素でマークし、これをバックグラウンドとすることも可能である。さらに認識した領域に存在する遺伝子特異的蛍光シグナルを抽出することである。このため、遺伝子特異的蛍光シグナルにバックグラウンドシグナルがあった場合も、スムーズに自動的に解析をすることが可能である。サンプルが動くことによって、解析前には検出できなかったノイズが出てきた際にもこれを自動的に除去することができる。 Further, in the present embodiment, since the fragrance substance released from the plant exposed to the damage of the pest is visualized by the nanosensor, the following basic biological (a, b) or agricultural field application ( In c and d), (a) communication between individual plants, (b) effect of (a) in a population, (c) early detection of pest damage when used in the field, (d) quantitative results and mathematical modeling. By combining them, it is possible to predict how the damage of pests will spread within the population. Attempts at "preventive" farming using scent-based monitoring at farm sites have not yet been reported. This is in principle different from the conventional pest control by chemical pesticides and genetically modified crops that induce the emergence of "resistant pests". To recognize the morphology of a sample that "moves" over time using autofluorescence (or constitutively expressed) or tissue-specifically expressed fluorescence. It is also possible to mark tissues, organs, cells, etc. that are specific to time and time, such as the developmental stage, with a fluorescent dye and use this as the background. Furthermore, it is to extract the gene-specific fluorescent signal existing in the recognized region. Therefore, even if there is a background signal in the gene-specific fluorescence signal, it is possible to perform smooth and automatic analysis. By moving the sample, noise that could not be detected before the analysis can be automatically removed.

図7には、植物からの蛍光シグナルによるストレスマーカー(免疫活性)で圃場における病害虫被害の早期発見と予防対策による未来型農業の構想図が示される。図7において、白抜きの植物が蛍光シグナルを放つ被害植物である。矢印は害虫を表す。被害は香り成分としてコミュニケートされることから、作物とストレスマーカーを混植することで、遺伝子組替え植物はマーカーのみでよく、作物は遺伝子組替えである必要はない。蛍光は昆虫型ロボットで、他のデータと合わせた数理モデリングから被害拡散の予測が行われる。 FIG. 7 shows a conceptual diagram of futuristic agriculture by early detection of pest damage in the field and preventive measures by stress markers (immune activity) by fluorescent signals from plants. In FIG. 7, the white plant is a damaged plant that emits a fluorescent signal. Arrows represent pests. Since the damage is communicated as a scent component, by co-planting crops and stress markers, the genetically modified plants need only be markers, and the crops do not need to be genetically modified. Fluorescence is an insect-type robot, and damage spread is predicted from mathematical modeling combined with other data.

本実施形態のいくつかの特長を以下に示す。
・植物のみでなく、動物や昆虫などでもすぐに使用できる汎用性が高いメソッドである。
・オープンソースである一般の画像処理ソフトウェア(例えばImageJ又はFiji)へのアドオン・マクロを作成することにより、それを元にさらに高次的なソフトウェアの開発にも貢献することができる。
・省農薬は、持続可能な農業という側面のみならず、消費者・生産従事者に安全な食糧生産方式である。省労力であることから、高齢化社会におけるフードセキュリティの確保に貢献できる。データ処理によって、地球温暖化・異常気象など予測困難な状況にも対応できる技術である。経験のみでなく、データを用いAIで解析する、次世代型の一次産業の創出が可能である。
・将来的には気象条件、土壌成分、投入肥料、成育状態までもモニタリングした農業生態系のデジタル化がある。画像データ処理から早期に被害症状を検知する事が可能になり、被害の拡大を防止できる。この技術により省労力・省農薬・被害拡大防止が可能になり持続可能なプレシジョン農業が達成できる。消費者・生産従事者に安全な予防型精密農業である。
Some features of this embodiment are shown below.
-It is a highly versatile method that can be used immediately not only for plants but also for animals and insects.
-By creating an add-on macro to general image processing software that is open source (for example, ImageJ or Fiji), it is possible to contribute to the development of higher-level software based on it.
-Pesticide saving is not only a sustainable agriculture aspect, but also a safe food production method for consumers and producers. Since it is labor-saving, it can contribute to ensuring food security in an aging society. It is a technology that can respond to difficult-to-predict situations such as global warming and abnormal weather by processing data. It is possible to create a next-generation primary industry that uses AI to analyze not only experience but also data.
-In the future, there will be digitization of agricultural ecosystems that monitor weather conditions, soil components, fertilizer input, and even growth conditions. It is possible to detect damage symptoms at an early stage from image data processing, and it is possible to prevent the spread of damage. This technology enables labor saving, pesticide saving, and prevention of damage spread, and sustainable precision agriculture can be achieved. Preventive precision agriculture that is safe for consumers and production workers.

次に、図8を参照して、本発明で用いられる画像処理方法の一例を説明する。図8には、マクロタイムラプス映像用自動定量ソフトウェアの各ステップに対応する画像が示される。
ステップA:自家蛍光の認識(図8(A))。
ステップB:定量ステージに抽出(図8(B))。
ステップA,Bにおいては、自家蛍光を抽出し、植物の形の認識に利用する。これを経時的に追跡することで測定対象領域を設定する。
Next, an example of the image processing method used in the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 shows an image corresponding to each step of the automatic quantification software for macro time-lapse video.
Step A: Recognition of autofluorescence (FIG. 8 (A)).
Step B: Extraction to the quantitative stage (FIG. 8 (B)).
In steps A and B, autofluorescence is extracted and used for recognizing the shape of the plant. The measurement target area is set by tracking this over time.

ステップC:特異的シグナルの抽出(図8(C))。ステップCでは、目的遺伝子特異的シグナルを抽出する。 Step C: Extraction of specific signals (FIG. 8 (C)). In step C, the target gene-specific signal is extracted.

ステップD:特異的シグナルをオーバーレイする(図8(D))。ステップDでは、ステップBの測定対象領域とステップDの特異的シグナルとを重ね合わせることにより、個体レベルでの特異的なシグナルを抽出して定量することができる。 Step D: Overlay the specific signal (FIG. 8 (D)). In step D, the specific signal at the individual level can be extracted and quantified by superimposing the measurement target region of step B and the specific signal of step D.

図8に示される本発明で用いられる画像処理方法によれば、自家蛍光と特異的シグナルを重ねるオーバーレイにより、自家蛍光Fがある部分のみの特異的シグナルSを特異的に測定することができる。また、バックグラウンドシグナル(ノイズ)の除去が自動的にできる(図8(C)、図8(D)参照)。 According to the image processing method used in the present invention shown in FIG. 8, the specific signal S of only the portion having the autofluorescence F can be specifically measured by the overlay in which the autofluorescence and the specific signal are superimposed. In addition, the background signal (noise) can be automatically removed (see FIGS. 8 (C) and 8 (D)).

なお、本発明で用いられる画像処理は、オープンソースである一般の画像処理ソフトウェア(例えばImageJ又はFiji)のアドイン、マクロでプログラミングを行ってもよい。 The image processing used in the present invention may be programmed by an add-in or macro of general image processing software (for example, ImageJ or Fiji) which is an open source.

本発明で用いられる画像処理装置は、
撮像される対象の生物が発する光の波長を含む波長帯の光の撮像画像から、前記生物が発する光の画像領域を検出する検出部と、
前記検出された画像領域に基づいて前記撮像画像から前記生物の画像処理対象領域を抽出する画像処理対象領域抽出部と、
前記撮像画像から特異的シグナルの画像領域を抽出する特異的シグナル抽出部と、
前記抽出された特異的シグナルの画像領域の中から、前記抽出された画像処理対象領域に含まれる特異的シグナルの画像領域を抽出する特異的シグナル選択部と、
を備える画像処理装置であってもよい。
The image processing apparatus used in the present invention is
A detection unit that detects an image region of light emitted by the organism from an image of light in a wavelength band including the wavelength of light emitted by the organism to be imaged.
An image processing target area extraction unit that extracts an image processing target area of the organism from the captured image based on the detected image area, and an image processing target area extraction unit.
A specific signal extraction unit that extracts an image region of a specific signal from the captured image,
A specific signal selection unit that extracts an image region of a specific signal included in the extracted image processing target region from the extracted image region of the specific signal, and a specific signal selection unit.
It may be an image processing apparatus provided with.

なお、本発明で用いられる画像処理装置は、専用のハードウェアにより実現されるものであってもよく、あるいはパーソナルコンピュータ等のコンピュータシステムにより構成され、本発明で用いられる画像処理装置の各部の機能を実現するためのプログラムを実行することによりその機能を実現させるものであってもよい。 The image processing device used in the present invention may be realized by dedicated hardware, or may be configured by a computer system such as a personal computer, and functions of each part of the image processing device used in the present invention. The function may be realized by executing a program for realizing the above.

また、その画像処理装置には、周辺機器として入力装置、表示装置等が接続されてもよい。ここで、入力装置とはキーボード、マウス等の入力デバイスのことをいう。表示装置とはCRT(Cathode Ray Tube)や液晶表示装置等のことをいう。
また、上記周辺機器については、画像処理装置に直接接続するものであってもよく、あるいは通信回線を介して接続するようにしてもよい。
Further, an input device, a display device, or the like may be connected to the image processing device as peripheral devices. Here, the input device means an input device such as a keyboard and a mouse. The display device refers to a CRT (Cathode Ray Tube), a liquid crystal display device, or the like.
Further, the peripheral device may be directly connected to the image processing device, or may be connected via a communication line.

本発明で用いられる画像処理システムは、
非サンプル生物とサンプル生物とが混在して配置され、
前記サンプル生物が発する光の波長を含む波長帯の光を撮像する撮像部と、
前記撮像部が前記サンプル生物を撮像した撮像画像から、前記サンプル生物が発する光の画像領域を検出する検出部と、
前記検出された画像領域に基づいて前記撮像画像から前記サンプル生物の画像処理対象領域を抽出する画像処理対象領域抽出部と、
前記撮像画像から特異的シグナルの画像領域を抽出する特異的シグナル抽出部と、
前記抽出された特異的シグナルの画像領域の中から、前記抽出された画像処理対象領域に含まれる特異的シグナルの画像領域を抽出する特異的シグナル選択部と、
を備える画像処理システムであってもよい。
The image processing system used in the present invention is
Non-sampled organisms and sample organisms are mixed and arranged,
An imaging unit that captures light in a wavelength band including the wavelength of light emitted by the sample organism, and
A detection unit that detects an image region of light emitted by the sample organism from an image captured by the imaging unit.
An image processing target area extraction unit that extracts an image processing target area of the sample organism from the captured image based on the detected image area, and an image processing target area extraction unit.
A specific signal extraction unit that extracts an image region of a specific signal from the captured image,
A specific signal selection unit that extracts an image region of a specific signal included in the extracted image processing target region from the extracted image region of the specific signal, and a specific signal selection unit.
It may be an image processing system including.

本発明で用いられる画像処理プログラムは、
コンピュータに、
撮像される対象の生物が発する光の波長を含む波長帯の光の撮像画像から、前記生物が発する光の画像領域を検出する検出機能と、
前記検出された画像領域に基づいて前記撮像画像から前記生物の画像処理対象領域を抽出する画像処理対象領域抽出機能と、
前記撮像画像から特異的シグナルの画像領域を抽出する特異的シグナル抽出機能と、
前記抽出された特異的シグナルの画像領域の中から、前記抽出された画像処理対象領域に含まれる特異的シグナルの画像領域を抽出する特異的シグナル選択機能と、
を実現させるための画像処理プログラムであってもよい。
The image processing program used in the present invention is
On the computer
A detection function that detects the image region of the light emitted by the organism from the captured image of the light in the wavelength band including the wavelength of the light emitted by the organism to be imaged.
An image processing target area extraction function that extracts an image processing target area of the organism from the captured image based on the detected image area, and an image processing target area extraction function.
A specific signal extraction function that extracts an image region of a specific signal from the captured image, and
A specific signal selection function that extracts an image region of a specific signal included in the extracted image processing target region from the extracted image region of the specific signal, and a specific signal selection function.
It may be an image processing program for realizing the above.

以上、本発明で用いられる画像処理装置、画像処理システム、又は画像処理プログラムに関する実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。 Although the embodiments relating to the image processing apparatus, the image processing system, or the image processing program used in the present invention have been described in detail with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to this embodiment. It also includes design changes within the scope of the gist of the invention.

また、上述した装置の機能を実現するためのコンピュータプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行するようにしてもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものであってもよい。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、フラッシュメモリ等の書き込み可能な不揮発性メモリ、DVD(Digital Versatile Disc)等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。
Further, a computer program for realizing the functions of the above-mentioned device may be recorded on a computer-readable recording medium, and the program recorded on the recording medium may be read by the computer system and executed. The "computer system" here may include hardware such as an OS and peripheral devices.
The "computer-readable recording medium" is a flexible disk, a magneto-optical disk, a ROM, a writable non-volatile memory such as a flash memory, a portable medium such as a DVD (Digital Versatile Disc), and a built-in computer system. A storage device such as a hard disk.

さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ(例えばDRAM(Dynamic Random Access Memory))のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク(通信網)や電話回線等の通信回線(通信線)のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であっても良い。
Furthermore, the "computer-readable recording medium" is a volatile memory inside a computer system that serves as a server or client when a program is transmitted via a network such as the Internet or a communication line such as a telephone line (for example, DRAM (Dynamic)). It also includes those that hold the program for a certain period of time, such as Random Access Memory)).
Further, the program may be transmitted from a computer system in which this program is stored in a storage device or the like to another computer system via a transmission medium or by a transmission wave in the transmission medium. Here, the "transmission medium" for transmitting a program refers to a medium having a function of transmitting information, such as a network (communication network) such as the Internet or a communication line (communication line) such as a telephone line.
Further, the above program may be for realizing a part of the above-mentioned functions. Further, a so-called difference file (difference program) may be used, which can realize the above-mentioned function in combination with a program already recorded in the computer system.

上述のとおり植物における発光タンパク質を検出する対象植物のストレスを検出ことにより、農作物などの対象植物のストレスを検出することが可能となる。 As described above, by detecting the stress of the target plant that detects the photoprotein in the plant, it becomes possible to detect the stress of the target plant such as an agricultural product.

以下の実施例により、本発明を更に具体的に説明する。なお、本発明はこれに限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. The present invention is not limited to this.

[例1.黄色蛍光タンパク質遺伝子が導入された形質転換シロイヌナズナ]
1.材料
ジャスモン酸メチル応答性の黄色蛍光タンパク質が導入されたシロイヌナズナ系統をモニター植物(VSP1プロモーター+黄色蛍光タンパク質遺伝子)として使用した。このモニター植物は、Betsuyaku et al., Plant Cell Physiol. 59(1): 8-16 (2018)に記載のものと同一であり、該論文の著者である別役博士から分与いただいたものである。
作物側は野生型シロイヌナズナ(Arabidopsis thaliana)を使用した。
[Example 1. Transformed Arabidopsis thaliana into which the yellow fluorescent protein gene has been introduced]
1. 1. Material A white fluorescent protein-responsive yellow fluorescent protein-responsive yellow fluorescent protein-introduced strain was used as a monitor plant (VSP1 promoter + yellow fluorescent protein gene). This monitor plant is the same as that described in Betsuyaku et al., Plant Cell Physiol. 59 (1): 8-16 (2018), and was provided by Dr. Betsuyaku, the author of this paper. ..
On the crop side, wild-type Arabidopsis thaliana was used.

2.生育
種子滅菌処理後、シロイヌナズナ形質転換系統と野生型(作物側)を、9cmのシャーレに播種した。シャーレ内の培地は、1/2×ムラシゲスクーグ培地、1%スクロース、0.3%フィタゲル(登録商標)である。
培地は添付の仕切りをあらかじめ設置したシャーレに調製した。仕切りの片方に5個体の野生型を播種し、もう片方に2個体の形質転換体を播種した(図9)。
栽培は22℃、明期16時間/暗期8時間で行った。植物体は播種後3週間のものを用いた。シャーレは、根が接触せず、形質転換植物と作物側植物が物理的に隔離されているが、揮発性物質が通過する様に、地上部には細かな穴を開けた。培地に埋まっている部分はその様な通気口を設けていない。
コナガ(Plutella xylostella)の生育は、25±10℃,60±10% RH、明期16時間/暗期8時間で行った。3-4齢幼虫を用い、実験前日から絶食させた。アワヨトウの生育も同様に行った。絶食後は、シャーレの野生型区画に害虫を放虫した。コナガは3-4頭、アワヨトウは2頭使用した。
2. 2. Growth After sterilization of seeds, Arabidopsis transformants and wild type (crop side) were sown in a 9 cm petri dish. The medium in the petri dish is 1/2 × Murashige and Skoog medium, 1% sucrose, 0.3% Fitagel®.
The medium was prepared in a petri dish with the attached partition installed in advance. Five wild-type plants were sown on one of the partitions, and two transformants were sown on the other (Fig. 9).
Cultivation was carried out at 22 ° C., 16 hours in the light period / 8 hours in the dark period. The plant was used 3 weeks after sowing. The petri dish had no root contact and the transformed plant and the crop-side plant were physically separated, but a small hole was made in the above-ground part to allow volatile substances to pass through. The part buried in the medium is not provided with such a vent.
Diamondback moth (Plutella xylostella) was grown at 25 ± 10 ° C., 60 ± 10% RH, 16 hours in the light period and 8 hours in the dark period. 3-4th instar larvae were used and fasted from the day before the experiment. The growth of Mythimna separata was carried out in the same manner. After fasting, pests were released into wild-type petri dishes. 3-4 diamondback moths and 2 mythimna separata were used.

3.撮影
タイムラプス画像
ライブ画像を取得するために、電動ステージを備えたM205FA自動立体顕微鏡を使用した。画像はDFC7000TカラーCCDカメラ(Leica Microsystems)で撮影した。この装置は、LasXソフトウェア(Leica Microsystems)によって制御した。励起光源としてメタルハライドバルブ(ライカEL6000)を用いた。クロロフィル自己蛍光(Komisら、2015)及びYFPシグナルは、それぞれテキサスレッドフィルター及びYFPフィルターによって検出した(Leica Microsystems; Plant Biotechnology 35, 1-6 (2018)参照のこと)。
YFP及びテキサスレッドフィルターの励起発光波長はそれぞれ510/20-560/40nm及び560/40-610LPnmであった。テキサスレッドフィルターは、死んだ植物細胞からの非特異的な自家蛍光シグナルのほとんどすべてを減少させた(Betsuyaku et al., 2018)。
明視野、YFP及びテキサスレッド画像を20分ごとに捕捉した。LasXソフトウェア(Leica Microsystems)を用いて、これらの間、植物標本を白色光に曝露した。
3. 3. Shooting time-lapse image An M205FA autostereoscopic microscope equipped with an electric stage was used to acquire a live image. The image was taken with a DFC7000T color CCD camera (Leica Microsystems). This device was controlled by LasX software (Leica Microsystems). A metal halide bulb (Leica EL6000) was used as an excitation light source. Chlorophyll autofluorescence (Komis et al., 2015) and YFP signals were detected by Texas Red Filter and YFP Filter, respectively (see Leica Microsystems; Plant Biotechnology 35, 1-6 (2018)).
The excitation emission wavelengths of the YFP and Texas Red Filter were 510 / 20-560 / 40 nm and 560 / 40-610 LP nm, respectively. The Texas Red Filter reduced almost all non-specific autofluorescent signals from dead plant cells (Betsuyaku et al., 2018).
Brightfield, YFP and Texas Red images were captured every 20 minutes. Plant specimens were exposed to white light during these times using LasX software (Leica Microsystems).

4.結果
4-1 揮発性物質の検知
モニター植物を、0.1Mのジャスモン酸メチル(MeJA)とサリチル酸メチル(MeSA)、溶媒(ジクロロメタン)に暴露し、24時間後に撮影した。
図10に示されるとおり、MeJAに特異的に反応した。
4. Results 4-1 Detection of volatile substances Monitor plants were exposed to 0.1 M methyl jasmonate (MeJA), methyl salicylate (MeSA), solvent (dichloromethane), and photographed 24 hours later.
As shown in FIG. 10, it reacted specifically to MeJA.

4-2 コナガの食害の検知
図11に示されるとおり、コナガの食害を微小段階で検知することができた。
4-2 Detection of diamondback moth feeding damage As shown in FIG. 11, it was possible to detect diamondback moth feeding damage at a minute stage.

4-3 アワヨトウの食害の検知
図12に示されるとおり、アワヨトウの食害を微小段階で検知することができた。
4-3 Detection of Mythimna separata's feeding damage As shown in FIG. 12, it was possible to detect the feeding damage of Mythimna separata at a minute stage.

4-4 濃度勾配に応じたシグナルによる揮発性物質の発信源の予測
図13に示されるとおり、揮発性物質(meJA)の発信源物質の濃度勾配によって、蛍光シグナルの勾配ができた。これによって、どこから揮発性物質が拡散しているのか予測することが可能となる。
4-4 Prediction of the source of volatile substances by the signal according to the concentration gradient As shown in FIG. 13, the gradient of the fluorescent signal was created by the concentration gradient of the source substance of the volatile substance (meJA). This makes it possible to predict where the volatile substances are diffusing.

4-5 傷害ストレスによる蛍光シグナル
図14に示されるとおり、傷害ストレスのみでもモニター植物において蛍光シグナル(丸で囲まれた部位)が検知された。傷害ストレスを受けたのは、シロイヌナズナ野生型で物理的に隔離された区画(写真の外)にある。
4-5 Fluorescent signal due to injury stress As shown in FIG. 14, a fluorescent signal (circled part) was detected in the monitor plant only by injury stress. The injured stress was in a wild-type Arabidopsis, physically isolated plot (outside the photo).

4-6 他の植物における傷害ストレスに対する反応
生重量50mgのイヌガラシ(Rorippa indica)を乳ばちと乳棒で粉砕し、その抽出液をろ紙に染み込ませ、これを用いて、モニター植物の傷害ストレスに対する反応を観察した。
図15に示されるとおり、抽出液から放散される揮発性物質をモニター植物が感知し、蛍光シグナルが検知された(丸で囲まれた部位)。
4-6 Response to injury stress in other plants Response to injury stress of monitor plants by crushing 50 mg of raw weight Rorippa indica with a milk stick and a milk stick and impregnating the extract with filter paper. Was observed.
As shown in FIG. 15, the monitor plant sensed the volatile substances emitted from the extract, and the fluorescent signal was detected (circled part).

4-7 他の揮発性成分に対する反応
0.01Mのオシメン又はジャスモン酸メチルをシャーレ内で拡散し、モニター植物の蛍光シグナルを検出した。
図16に示されるとおり、モニター植物は、ジャスモン酸メチルだけでなく、オシメンにも応答してシグナルを発することがわかった。
4-7 Reaction to other volatile components 0.01 M of ocimene or methyl jasmonate was diffused in the petri dish and the fluorescent signal of the monitor plant was detected.
As shown in FIG. 16, monitor plants were found to signal in response to ocimene as well as methyl jasmonate.

[例2.ナノランタン遺伝子が導入されたシロイヌナズナ系統モニター植物]
ナノランタンDNA(大阪大学永井研究室から分与;Takai et al., 2015 PNAS 112: 4352; Saito et al., 2012 Nature Communications 3:1262)をIn-fusion (Clontech)を用いて、シロイヌナズナ形質転換用ベクター(pBA002a)にEcoRV、MluI、XhoIを利用してクローニングした。プロモーターにはジャスモン酸応答性のVSP1とサリチル酸応答性のPR1を用いた。
これをアグロバクテリウム(GV3101)にエレクトロポーレーション法で形質転換した。VSP1-ナノランタン、PR1-ナノランタンをそれぞれLB培地で大量培養し、ローラルディップ法により野生型シロイヌナズナへ形質転換した。網(ナイロンメッシュ、生ゴミ用)をかけたポットで栽培されたシロイヌナズナを、逆さにし、アグロバクテリウム懸濁液に2分間つけた。これを水平にして、ペーパータオルとサランラップに包み、暗所で24時間リカバリーさせた。その後通常に生育させた。得られた種子をビアラフォスアンモニウム(BASTA)とカルベニシンを含んだ培地で選抜し、形質転換シロイヌナズナを得た。
[Example 2. Arabidopsis strain monitor plant into which the nanolantern gene has been introduced]
Arabidopsis transformation of nanolantern DNA (distributed from Nagai Laboratory, Osaka University; Takai et al., 2015 PNAS 112: 4352; Saito et al., 2012 Nature Communications 3: 1262) using In-fusion (Clontech). The vector (pBA002a) was cloned using EcoRV, MluI, and XhoI. Jasmonic acid-responsive VSS1 and salicylic acid-responsive PR1 were used as promoters.
This was transformed into Agrobacterium (GV3101) by an electroporation method. VSP1-nanolantan and PR1-nanolantan were each mass-cultured in LB medium and transformed into wild-type Arabidopsis thaliana by the Lauraldip method. Arabidopsis cultivated in pots covered with a net (nylon mesh, for swill) was turned upside down and soaked in an Agrobacterium suspension for 2 minutes. This was leveled, wrapped in paper towels and saran wrap, and recovered in the dark for 24 hours. After that, it was grown normally. The obtained seeds were selected in a medium containing bialaphosammonium (BASTA) and carbenicin to obtain transformed Arabidopsis thaliana.

F…自家蛍光、S…特異的シグナル F ... autofluorescence, S ... specific signal

Claims (9)

対象植物のストレスを検出する方法であって、
前記対象植物の近傍に、ストレス応答性プロモーター及び該ストレス応答性プロモーターの下流に作動可能に連結された発光タンパク質遺伝子を含むモニター植物を配置する工程、
前記対象植物のストレスを可視化する工程、
を含み、ここで、前記対象植物のストレスの可視化が、前記対象植物がストレスに応答して放出する揮発性物質を前記モニター植物が受容すると、前記モニター植物において、ストレス応答性プロモーターが応答し、これにより、前記発光タンパク質が発現することによって行われることを特徴とする、方法。
It is a method to detect the stress of the target plant.
A step of placing a stress-responsive promoter and a monitor plant containing a photoprotein gene operably linked downstream of the stress-responsive promoter in the vicinity of the target plant.
The process of visualizing the stress of the target plant,
Here, in the visualization of the stress of the target plant, when the monitor plant receives a volatile substance released by the target plant in response to stress, the stress-responsive promoter responds in the monitor plant. A method characterized by this being carried out by the expression of the photoprotein.
前記ストレス応答性プロモーターが、PR1プロモーター、PR2プロモーター、PR3プロモーター、PR4プロモーター、PR5プロモーター、AOSプロモーター、VSP1プロモーター、VSP2プロモーター、HPLプロモーター、AtMYC2プロモーター、CYP83B1プロモーター、At2g24850プロモーター、LOX2プロモーター、IAR3プロモーター、GST5プロモーター、OPR3プロモーター、ERFプロモーター、THI2.1プロモーター、JAZ遺伝子群プロモーター、PDF1.2プロモーター、WRKYプロモーター、PAD4プロモーター、EDS1プロモーター、SID1プロモーター、EDS5プロモーター、BGL2プロモーター、又はこれらの組み合わせであることを特徴とする、請求項1に記載の方法。 The stress-responsive promoters are PR1 promoter, PR2 promoter, PR3 promoter, PR4 promoter, PR5 promoter, AOS promoter, VSP1 promoter, VSP2 promoter, HPL promoter, AtMYC2 promoter, CYP83B1 promoter, At2g24850 promoter, LOX2 promoter, IAR3 promoter, GST5. It is characterized by being a promoter, an OPR3 promoter, an ERF promoter, a THI2.1 promoter, a JAZ gene group promoter, a PDF1.2 promoter, a WRKY promoter, a PAD4 promoter, an EDS1 promoter, a SID1 promoter, an EDS5 promoter, a BGL2 promoter, or a combination thereof. The method according to claim 1. 前記発光タンパク質が、緑色蛍光タンパク質、黄色蛍光タンパク質、赤色蛍光タンパク質、シアン蛍光タンパク質、青色蛍光タンパク質などの蛍光タンパク質、生物発光タンパク質、化学発光タンパク質、ナノランタンなどのFRET技術を利用したタンパク質、又はこれらの組み合わせであることを特徴とする、請求項1又は2に記載の方法。 The luminescent protein is a fluorescent protein such as green fluorescent protein, yellow fluorescent protein, red fluorescent protein, cyanide fluorescent protein, blue fluorescent protein, bioluminescent protein, chemically luminescent protein, protein using FRET technology such as nanolantern, or a protein thereof. The method according to claim 1 or 2, characterized in that it is a combination of. 前記揮発性物質が、ジャスモン酸メチル、サリチル酸メチル、青葉アルコール、アロオシメン、テルペン類、ミルセン、(E,E)-4,8,12-トリメチルトリデカ-1,3,7,11-テトラエン(TMTT)、エステル類、アルデヒド類、芳香族化合物、2-ペンタノール、又はこれらの組み合わせから選択されることを特徴とする、請求項1~3のいずれか1項に記載の方法。 The volatile substances are methyl jasmonate, methyl salicylate, green leaf alcohol, aromatics, terpenes, myrcene, (E, E) -4,8,12-trimethyltrideca-1,3,7,11-tetraene (TMTT). ), Esters, aldehydes, aromatic compounds, 2-pentanol, or a combination thereof, wherein the method according to any one of claims 1 to 3. 前記モニター植物が、シロイヌナズナ、コケ、ネコジャラシ、又はブラキポディウムであることを特徴とする、請求項1~4のいずれか1項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the monitor plant is Arabidopsis thaliana, moss, cat jarashi, or brachypodium. 前記モニター植物における発光タンパク質が、植物における発光タンパク質を検出する方法であって、
発光タンパク質遺伝子を含む植物の撮像画像から、前記発光タンパク質の発光波長の波長帯及び該植物の自家発光の波長帯を含む画像領域を特定する工程、及び
前記特定された画像領域内に存在する発光タンパク質の発光波長信号のみを検出する工程、
を含むことを特徴とする、植物における発光タンパク質を検出する方法によって検出される、請求項1~5のいずれか1項に記載の方法。
The photoprotein in the monitor plant is a method for detecting the photoprotein in the plant.
A step of specifying an image region including a wavelength band of the emission wavelength of the photoprotein and a wavelength band of self-emission of the plant from an image of a plant containing a photoprotein gene, and light emission existing in the specified image region. The process of detecting only the emission wavelength signal of a protein,
The method according to any one of claims 1 to 5, which is detected by a method for detecting a photoprotein in a plant, which comprises.
前記植物における発光タンパク質が、
撮像される対象の生物が発する光の波長を含む波長帯の光の撮像画像から、前記生物が発する光の画像領域を検出する検出部と、
前記検出された画像領域に基づいて前記撮像画像から前記生物の画像処理対象領域を抽出する画像処理対象領域抽出部と、
前記撮像画像から特異的シグナルの画像領域を抽出する特異的シグナル抽出部と、
前記抽出された特異的シグナルの画像領域の中から、前記抽出された画像処理対象領域に含まれる特異的シグナルの画像領域を抽出する特異的シグナル選択部と、
を備える画像処理装置、
によって検出される、請求項6に記載の方法。
The photoprotein in the plant
A detection unit that detects an image region of light emitted by the organism from an image of light in a wavelength band including the wavelength of light emitted by the organism to be imaged.
An image processing target area extraction unit that extracts an image processing target area of the organism from the captured image based on the detected image area, and an image processing target area extraction unit.
A specific signal extraction unit that extracts an image region of a specific signal from the captured image,
A specific signal selection unit that extracts an image region of a specific signal included in the extracted image processing target region from the extracted image region of the specific signal, and a specific signal selection unit.
Image processing device, equipped with
6. The method of claim 6.
前記植物における発光タンパク質が、
非サンプル生物とサンプル生物とが混在して配置され、
前記サンプル生物が発する光の波長を含む波長帯の光を撮像する撮像部と、
前記撮像部が前記サンプル生物を撮像した撮像画像から、前記サンプル生物が発する光の画像領域を検出する検出部と、
前記検出された画像領域に基づいて前記撮像画像から前記サンプル生物の画像処理対象領域を抽出する画像処理対象領域抽出部と、
前記撮像画像から特異的シグナルの画像領域を抽出する特異的シグナル抽出部と、
前記抽出された特異的シグナルの画像領域の中から、前記抽出された画像処理対象領域に含まれる特異的シグナルの画像領域を抽出する特異的シグナル選択部と、
を備える画像処理システム、
によって検出される、請求項6に記載の方法。
The photoprotein in the plant
Non-sampled organisms and sample organisms are mixed and arranged,
An imaging unit that captures light in a wavelength band including the wavelength of light emitted by the sample organism, and
A detection unit that detects an image region of light emitted by the sample organism from an image captured by the imaging unit.
An image processing target area extraction unit that extracts an image processing target area of the sample organism from the captured image based on the detected image area, and an image processing target area extraction unit.
A specific signal extraction unit that extracts an image region of a specific signal from the captured image,
A specific signal selection unit that extracts an image region of a specific signal included in the extracted image processing target region from the extracted image region of the specific signal, and a specific signal selection unit.
Image processing system,
6. The method of claim 6.
前記画像処理装置又は画像処理システムが、
コンピュータに、
撮像される対象の生物が発する光の波長を含む波長帯の光の撮像画像から、前記生物が発する光の画像領域を検出する検出機能と、
前記検出された画像領域に基づいて前記撮像画像から前記生物の画像処理対象領域を抽出する画像処理対象領域抽出機能と、
前記撮像画像から特異的シグナルの画像領域を抽出する特異的シグナル抽出機能と、
前記抽出された特異的シグナルの画像領域の中から、前記抽出された画像処理対象領域に含まれる特異的シグナルの画像領域を抽出する特異的シグナル選択機能と、
を実現させるための画像処理プログラム、
を備えることを特徴とする、請求項7又は8に記載の方法。
The image processing device or image processing system
On the computer
A detection function that detects the image region of the light emitted by the organism from the captured image of the light in the wavelength band including the wavelength of the light emitted by the organism to be imaged.
An image processing target area extraction function that extracts an image processing target area of the organism from the captured image based on the detected image area, and an image processing target area extraction function.
A specific signal extraction function that extracts an image region of a specific signal from the captured image, and
A specific signal selection function that extracts an image region of a specific signal included in the extracted image processing target region from the extracted image region of the specific signal, and a specific signal selection function.
Image processing program to realize
7. The method according to claim 7 or 8, wherein the method is provided.
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