Watanabe Toshihiro

Research Faculty of Agriculture Fundamental AgriScience Research Bioscience and ChemistryAssociate Professor
Last Updated :2026/04/14

■Researcher basic information

Researcher number

  • 60360939

Research Keyword

  • Regolith simulant
  • Space agriculture
  • イオノーム
  • 根圏
  • イオノミクス
  • 重金属
  • イネ
  • 有機酸
  • アルミニウム
  • 微量元素
  • 窒素固定
  • 養分欠乏
  • ヒ素
  • 可給度
  • 重金属集積微生物
  • モリブデン
  • 超集積植物
  • 集積植物
  • カドミウム
  • ファイトレメディエーション
  • 重金属汚染土壌
  • セシウム
  • 三要素
  • 国際情報交換(ドイツ)
  • ナトリウム
  • 土壌
  • 必須元素
  • ミヤコグサ
  • ICP-MS
  • リン
  • 網羅的無機分析
  • 生態・環境
  • 植物生理学
  • 植物栄養学・土壌学
  • Ecology and Environment
  • Plant Physiology
  • Plant Nutrition and Soil Science

Research Field

  • Life sciences, Plant nutrition, soil science
  • Life sciences, Ecology and environmental science
  • Life sciences, Plants: molecular biology and physiology

Educational Organization

■Career

Career

  • Aug. 2012 - Present
    - 北海道大学大学院(農学研究院) 准教授
  • Apr. 2003 - Jul. 2012
    - 北海道大学大学院(農学研究科・農学研究院) 助手・助教
  • 2002 - 2003
    日本学術振興会科学技術特別研究員(国際農林水産業研究センター) 研究員
  • 2002 - 2003
    Researcher
  • 2003
    - Research Associate
  • 2001 - 2002
    科学技術振興事業団科学技術特別研究員(国際農林水産業研究センター) 研究員
  • 2001 - 2002
    Researcher

Committee Memberships

  • Mar. 2024 - Present
    Soil Science and Plant Nutrition 副編集長, Society
  • Jun. 2021 - Present
    北海道食の安全・安心委員会, 特別委員
  • Apr. 2023 - Mar. 2025
    日本土壌肥料学会, 北海道支部庶務幹事, Society
  • Dec. 2016 - 2021
    日本土壌肥料学会, 代議員, Society
  • 2021
    日本土壌肥料学会2021年度大会運営委員会, 事務局長
  • Oct. 2017 - Sep. 2019
    日本土壌肥料学会, 第4部門 副部門長, Society
  • Oct. 2016 - Sep. 2018
    Soil Science and Plant Nutrition, Editor, Society
  • Apr. 2017 - Mar. 2018
    日本土壌肥料学会, 北海道支部評議員, Society
  • 2011 - 2012
    日本土壌肥料学会, 北海道支部庶務幹事, Society
  • 2008 - 2010
    日本土壌肥料学会, 2010年度大会事務局庶務, Society

■Research activity information

Papers

Other Activities and Achievements

Books and other publications

  • Aluminum Stress Adaptation in Plants               
    Wagatsuma T, Maejima E, Watanabe T, Khan MSH, Ishikawa S, Significant Role of the Plasma Membrane Lipid Bilayers in Aluminum Tolerance of Plants
    Springer, 2015, 99-124, [Joint work]
  • 園芸学の基礎               
    Toshihiro Watanabe, 養分吸収の生理
    農文協, 2012, 109-118, [Joint work]
  • Principles, Application and Assessment in Soil Science               
    Watanabe T, Khan MSH, Rao IM, Wasaki J, Shinano T, Ishitani M, Koyama H, Ishikawa S, Tawaraya K, Nanamori N, Ueki N, Wagatsuma T, Physiological and Biochemical Mechanisms of Plant Adaptation to Low-Fertility Acid Soils of the Tropics: The Case of Brachiariagrasses
    IntechOpen, 2011, [Joint work]
  • Genetics, Genomics, and Breeding of Soybean               
    Nakamura T, Okazaki K, Benkeblia N, Wasaki J, Watanabe T, Matsuura H, Uchimiya H, Komatsu S, Shinano T, Metabolomics approach in soybean
    CRC Press, 2010, 313-330, [Joint work]
  • 北海道農業と土壌肥料2010               
    櫻井道彦, 渡部敏裕, 土壌有機物の動態解析法
    北農会, 2010, 253-255, [Joint work]
  • The Evolution of Plant Physiology. From whole plant to ecosystems               
    Jansen S, Watanabe T, Dessein S, Robbrecht E, Smets E, The evolution of aluminium accumulation in angiosperms
    Elsevier Academic Press, 2004, 467-479, [Joint work]
  • Sustainable Agriculture for Food, Energy, and Industry               
    Osaki M, Matsumoto M, Watanabe T, Kawamukai T, Shinano T, Nuyim T, Nilnond C, Tadano T, Strategies for adaptation of plants grown in adverse soils
    James & James Ltd., 1998, 537-546, [Joint work]

Lectures, oral presentations, etc.

  • Response of plants adapted in low pH soils to aluminum               
    Watanabe T, Osaki M, Tadano T
    XIII International Plant Nutrition Colloquium
    Tokyo
  • Growth stimulation effect of aluminum on Al accumulator plant - Melastoma malabathricum               
    Watanabe T, Osaki M, Damdinsuren T, Tadano T
    International Workshop on New Concepts of Plant Nutrient Acquisition
    Tsukuba
  • Effect of aluminum on growth of melastoma (Melastoma malabathricum L.)               
    Watanabe T, Osaki M, Tadano T
    International Symposium on Impact of Potential Tolerance of Plants on the Increased Productivity under Aluminum Stress
    Okayama
  • Study on aluminum resistance in relation to organic acid anion exudation from roots of PEPC transgenic rice plants               
    Osaki M, Nursymsi D, Begum HH, Watanabe T
    XIV International Plant Nutrition Colloquium
    Germany
  • A physiological study of Melastoma malabathricum, an aluminium accumulating woody plant               
    Watanabe T, Jansen S, Osaki M
    Fifth Keele Meeting on Aluminium. Aluminium in Life: from acid rain to Alzheimer's disease,
    U.K.
  • The distribution, ecology and evolution of aluminium accumulation in flowering plants               
    Jansen S, Watanabe T, Smets E
    Fifth Keele Meeting on Aluminium. Aluminium in Life: from acid rain to Alzheimer's disease,
    U.K.
  • The relationship between growth and Al accumulation in Melastoma malabathricum L., an Al accumulator growing in tropical acid soils               
    Watanabe T, Jansen S, Osaki M
    6th International Symposium on Plant-Soil Interactions at Low pH
    Sendai
  • Variation in leaf mineral concentrations of terrestrial plants in Japan               
    Osaki M, Watanabe T, Tuah SJ, Takada J, Satake K, Takamatsu T, Jansen S
    First International Workshop on Plant Ionomics
    China
  • Possibility of rhizosphere regulation for phytoremediation and ecosystem health               
    Osaki M, Matsuda M, Afrida, Hoshina S, Tamai Y, Purnomo E, Watanabe T, Wasaki J, Shinano T
    International Symposium on Phytoremediation and Ecosystem Health
    China
  • Different capabilities of organic nitrogen uptake in cereal crops               
    Okamoto M, Okada K, Watanabe T, Ae N, Osaki M
    XV International Plant Nutrition Colloquium
    China
  • The characteristics of aluminum uptake in roots of Melastoma malabathricum, an aluminum accumulating plant               
    Watanabe T, Misawa S, Hiradate S, Jansen S, Osaki M
    XV International Plant Nutrition Colloquium
    China
  • Mechanism underlying improved plant growth in acidic soil by arbuscular mycorrhizal symbiosis               
    Inaba S, Watanabe T, Osaki M, Ezawa T
    Second International Rhizosphere Conference
    France
  • Different characteristics of root mucilage in aluminium adsorption between Melastoma malabathricum and Zea mays               
    Watanabe T, Misawa S, Hiradate S, Osaki M
    Second International Rhizosphere Conference
    France
  • Difference in acquisition of soil organic nitrogen between pak-choi and tomato               
    Watanabe T, Enomoto T, Okamoto M, Sakurai M, Takuro S, Osaki M
    International Plant Nutrition Colloquium XVI
    U.S.A.
  • Role of thiol compounds in arsenic tolerance in Pteris vittata               
    Watanabe T, Yuki S, Senoura T, Hiradate S, Wasaki J, Osaki M
    International Plant Nutrition Colloquium XVI
    U.S.A.
  • Decrease of cadmium accumulation in crops by zero-valent iron               
    Watanabe T, Nakamura T, Murata Y, Sakai Y, Osaki M
    International Plant Nutrition Colloquium XVI
    U.S.A.
  • Possible reasons why aluminum is a beneficial element for Melastoma malabathricum, an aluminum accumulator               
    Watanabe T, Osaki M
    International Plant Nutrition Colloquium XVI
    U.S.A.
  • Rice root growth with increasing in plant hormone and allantoin by inosine in nutrient solution               
    Tokuhisa D, Okazaki K, Shinano T, Watanabe T, Yokoi D, Osaki M
    International Plant Nutrition Colloquium XVI
    U.S.A.
  • Comprehensive analysis of mineral elements in different plant species under N, P and K deficiencies               
    Okada R, Watanabe T, Urayama M, Osaki M
    Rhizosphere 3 International Conference
    Australia
  • Plasma membrane sterols and the related gene in root-tip portion as key components for aluminium tolerance of varieties of plants species, cultivars, lines and mutants               
    Wagatsuma T, Watanabe T, Khan MSH, Sekimoto H, Yokota T, Nakano T, Toyomasu T, Tawaraya K, Koyama H
    Rhizosphere 3 International Conference
    Australia
  • Uptake and distribution of sulphur in Pteris vittata grown with arsenic               
    Watanabe T, Kouho R, Onodera T, Kitajima N, Sakamoto N, Shinano T, Yurimoto H, Osaki M
    Rhizosphere 3 International Conference
    Australia
  • Nano LC-MS analysis on root secreting               
    Shinano T, Yoshimura T, Komatsu S, Tokutake S, Kong FJ, Watanabe T, Osaki M
    8th Symposium of the International Society of Root Research
    U.K.
  • HMG is a promising key gene for the enhancement of aluminum tolerance of rice via modulating membrane dterols in toot-yip portion               
    Wagatsuma T, Watanabe T, Toyomasu T, Kuroda M, Muranaka T, Ohyama K, Ishikawa A, Usui M, Maejima E, Khan MSH, Tawaraya K, Koyama H
    International Plant Nutrition Colloquium
    Turkey
  • Characterization of nickel and zinc tolerance, accumulation and mineral profile in the metal hyperaccumulator Noccaea cochleariforme               
    Nishida S, Yoshida J, Watanabe T, Fujiwara T, Miozuno T
    International Plant Nutrition Colloquium
    Turkey
  • Ionomics study of fertilizer responses in soybean shoots               
    Sha Z, Watanabe T, Ohira K, Okazaki K, Osaki M, Shinano T
    International Plant Nutrition Colloquium
    Turkey
  • Effects of Organic matter application on the dynamics of organic & inorganic compounds, & microbial activities in Rhizosphere               
    Owadano M, Watanabe T, Osaki M
    International Plant Nutrition Colloquium
    Turkey
  • Accumulation of non-essential elements in pteridophytes with emphasis on aluminum               
    Watanabe T, Jansen S, Maejima E, Azuma T, Hiradate S, Osaki M
    International Plant Nutrition Colloquium
    Turkey
  • Phosphorus deficiency enhances the tolerance of rice to the acidic soil stress               
    Maejima E, Watanabe T, Osaki M, Wagatsuma T
    International Plant Nutrition Colloquium
    Turkey
  • Characteristics of arsenic accumulation in aquatic plants               
    Yamauchi A, Watanabe T, Osaki M
    International Plant Nutrition Colloquium
    Turkey
  • Physiological responses of Hakea laurina (Proteaceae) to low-P and high-P conditions               
    Maruyama H, Yamauchi T, Kohama T, Watanabe T, Wasaki J
    5th Phosphorus in Soils and Plants Symposium
    France
  • Varietal difference in the radioactive cesium uptake in Amaranthus and soybean               
    Shinano T, Chu Q, Watanabe T, Matsunami H, Murakami T, Kobayashi D, Okouchi T
    13th International Conference on the Biogeochemistry of Trace Elements
    Fukuoka
  • Adsorption of radiocesium by metal phytate, major component of soil organic phosphorus               
    Unno Y, Takao A, Eguchi T, Takeda A, Watanabe T, Shinano T
    13th International Conference on the Biogeochemistry of Trace Elements
    Fukuoka
  • Effect of phosphorus status on distribution of other elements in Hakea laurina (Proteaceae)               
    Maruyama H, Kohama T, Yamauchi T, Watanabe T, Wasaki J
    13th International Conference on the Biogeochemistry of Trace Elements
    Fukuoka
  • Comparative analysis of aluminium accumulation in leaves of several woody aluminium accumulators               
    Maejima E, Watanabe T, Hiradate S, Jansen S, Osaki M
    The Eleventh Keele Meeting on Aluminium
    France
  • Differences and similarities in the characteristics of aluminium accumulation in various aluminium accumulators               
    Watanabe T, Maejima E, Hiradate S, Osaki M, Jansen S
    The Eleventh Keele Meeting on Aluminium
    France
  • The characteristics of root cell components of plants adapted to acidic soil               
    Maejima E, Watanabe T, Wagatsuma T, Osaki M
    Rhizosphere 4
    The Netherlands
  • Effect of different nitrogen sources on nitrogen dynamics, mineral elements and microbial communities in rhizosphere soil of different plant species               
    Chu Q, Watanabe T, Sha Z, Osaki M
    Rhizosphere 4
    The Netherlands
  • Ionomic variation in plant species growing in various soil environments               
    Watanabe T, Kusumoto Y, Morita S, Koyanagi T, Osaki M, Hiradate S
    Rhizosphere 4
    The Netherlands
  • Physiological variations in aluminum accumulation in different aluminum-accumulator plant species               
    Watanabe T, Maejima E, Hiradate S, Wasaki J, Osaki M, Jansen S
    The 9th International Symposium on Plant-Soil Interactions at Low pH
    Croatia
  • Characteristics of root cell components in aluminum-tolerant woody plants               
    Maejima E, Watanabe T, Wagatsuma T, Osaki M
    The 9th International Symposium on Plant-Soil Interactions at Low pH
    Croatia
  • Significant role of the plasma membrane (PM) lipid bilayers in aluminum (Al) tolerance of plants               
    Wagatsuma T, Maejima E, Watanabe T, Khan MSH, Ishikawa S, Tawaraya K, Koyama H
    The 9th International Symposium on Plant-Soil Interactions at Low pH
    Croatia
  • Ionomic variation in leaves of 826 plant species growing in the botanical garden of Hokkaido University, Japan               
    Watanabe T, Maejima E, Osaki M, Azuma T
    Plant Biology Europe EPSO/FESPB 2016 Congress
    Czech Republic
  • Characteristics of phenolics in root cells of Al-tolerant woody plants               
    Maejima E, Hiradate S, Osaki M, Wagatsuma T, Watanabe T
    Plant Biology Europe EPSO/FESPB 2016 Congress
    Czech Republic
  • The mechanism of acid tolerance of Lycopodium cernuum L. grown in a solfatara field               
    Saito T, Watanabe T, Nakatsubo T, Wasaki J
    Taiwan Japan Plant Biology 2017
    Taiwan

Courses

  • 土壌及び植物栄養学概論               
    北海道大学
  • 物理化学               
    北海道大学
  • 生物共生化学               
    北海道大学
  • 植物栄養生態学               
    北海道大学
  • 生物機能化学実験II               
    北海道大学
  • 肥料学               
    北海道大学
  • 植物栄養学               
    北海道大学

Affiliated academic society

  • 2024 - Present
    植物学会               
  • 2023 - Present
    Sigma Xi               
  • 2022 - Present
    日本鉄鋼協会               
  • 日本植物生理学会               
  • 日本分析化学会               
  • "Archives of Agronomy and Soil Science" Editorial Board               
  • 北海道土壌肥料懇話会               
  • 日本土壌肥料学会               

Research Themes

  • 「植物界のシーラカンス」小葉類の極限環境突破能力
    科学研究費助成事業
    27 Jun. 2025 - 31 Mar. 2029
    和崎 淳, 中坪 孝之, 上田 晃弘, 丸山 隼人, 草場 信, 中野 道治, 渡部 敏裕
    日本学術振興会, 挑戦的研究(開拓), 広島大学, 25K21735
  • Technology to promote the circulation of inorganic nutrients that constitute bone through ectmycorrhizal fungi: A case study of larch forests
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    27 Jun. 2025 - 31 Mar. 2028
    小池 孝良, 上田 裕文, 渡部 敏裕
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory), Hokkaido University, 25K22378
  • Evolutionary aspects of aluminum hyperaccumulation in vascular plants
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    01 Apr. 2023 - 31 Mar. 2027
    渡部 敏裕, 和崎 淳, 東 隆行, 佐野 雄三, 丸山 隼人, 平舘 俊太郎
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Hokkaido University, 23K26801
  • Relationship between vascular plant evolution and aluminum hyperaccumulation
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    01 Apr. 2023 - 31 Mar. 2027
    渡部 敏裕, 和崎 淳, 平舘 俊太郎, 佐野 雄三, 丸山 隼人, 東 隆行
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Hokkaido University, 23H02108
  • 作物の生理障害の機構解明におけるブレークスルーテクノロジーの開発と検証
    科学研究費助成事業
    05 Apr. 2021 - 31 Mar. 2026
    金山 喜則, 高橋 英樹, 渡部 敏裕, 須川 成利, 栗原 大輔, 黒田 理人
    日本学術振興会, 基盤研究(A), 東北大学, 21H04721
  • Utilization of functions by cluster root formation for sustainable crop production
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    05 Apr. 2021 - 31 Mar. 2025
    和崎 淳, 坪田 博美, 丸山 隼人, 西田 翔, 渡部 敏裕, 佐々木 孝行, 俵谷 圭太郎, 廣田 隆一
    リン酸質肥料は作物生産に必須であるが、資源は涸渇に瀕しており、持続的な作物生産にはその問題の解決が必要である。低リン耐性を有する一部の植物は、クラスター根とよばれる小根が密集した根を形成する能力がある。このクラスター根は、根の表面積を増やし、難利用性リンの吸収を強化して適応するために形成されると考えられているが、その形成能と難利用性リンの供給能の詳細は未解明である。本研究ではシステムズ生物学アプローチ解析によるクラスター根の形態形成イベントの制御、爆発的な根分泌の誘導による難利用性リンからの供給能の解明に取り組む。
    これまでに、クラスター根形成種であるシロバナルーピンおよびHakea laurinaのRNA-seqデータなどを元にして複数の有機酸トランスポーター候補の同定に成功した。これらの候補遺伝子の発現量を調査したところ、低リン条件のクラスター根で顕著な発現誘導が確認された。また、シロバナルーピンのRNA-seqデータからクラスター根の発達へのエチレンの寄与が示唆されたことから、エチレン前駆体であるACCおよびエチレン合成阻害剤であるCo2+イオンを添加してその影響を評価した。その結果、エチレンはクラスター根を構成する小根の伸長停止に寄与するとともに、リン欠乏への発現応答にも関与していることが示唆された。
    新規なクラスター根形成種の探索を行うため、根のメタバーコーディングライブラリー作成のためのサンプル採集を進めた。クラスター根圏土壌細菌群集のメタバーコーディングを行うため、根圏土壌を採取し、アンプリコンシーケンスの準備を進めた。シロバナルーピンの根箱栽培を実施し、クラスター根におけるリン可溶化に関わる遺伝子発現および土壌中のリン形態を調査した結果、クラスター根の発達段階だけでなく根が形成された位置による違いが認められ、局所的に異なる機能を持つことが明らかとなった。
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (A), Hiroshima University, 21H04717
  • Large-scale X-ray fluorescence analysis on plant specimens and construction of information base on element accumulation of plants
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
    01 Apr. 2020 - 31 Mar. 2024
    水野 隆文, 渡部 敏裕, 橋本 篤
    初年度(2020年)にXRFによる測定方法を確立し,さらに博物館,植物園および大学など植物標本を所有する学術機関と連携し,標本の貸与に関するルールを作成した。そのうえで2021年度は新たに高知県立牧野植物園,東北大学附属植物園,国立科学博物館,岡山大学資源植物科学研究所と連携し,XRFによる元素濃度のデータ収集し,日本の野生植物に関する植物栄養学知見の獲得を進めた。
    特に2021年度は日本の国土の30%を占める代表的な土壌型である黒ボク土地帯と,それ以外の地域に分布する野生植物について,イオウとリンの集積レベルに関する解析を実施した。自作標本を含む1,322点の植物標本について解析した結果,次の様な結果を得た。①火山周辺の黒ボク土に分布する野生植物は,非火山灰土壌の植物と比べ統計的に有意にイオウが高く,また健全な生育に必要とされる乾燥重量あたりの濃度(0.1%)を下回った比率は標本全体で17%程度となり,日本の野生植物は火山から供給により十分なイオウ濃度を維持していることが判明した。②黒ボク土では植物のリン吸収が抑制されることが広く知られているが,植物標本の解析結果からは土壌タイプの違いによる集積量の差は認められず,一方でいずれの土壌においても全体の三分の二が健全な生育に必要なリン濃度(0.2%)を下回っていた。よって,リンについては火山灰土壌か否かではなく,土壌に含まれるリン吸着性を有する粘土鉱物(アロフェン)の含有率で比較すべきであることが示唆された。それ以外にも③イオウとリンいずれも木本植物より草本植物での集積量が有意に高い,④植物の科のなかでユリ科の植物に高いイオウ集積性が確認された。⑤植物のイオウとリンの集積量には正の相関が認められる。などのことが新たに確認されるなど,植物のイオウとリンの集積に関する重要な知見を得ることができた。
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Mie University, 20K05765
  • Development of two-dimensional ionomics and its application to plant nutrition
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
    01 Apr. 2020 - 31 Mar. 2023
    渡部 敏裕, 平舘 俊太郎
    昨年度はアルミニウム(Al)および鉄(Fe)処理を施した植物サンプルに含まれる元素をバッファーで抽出し、分子量で分画した後に各元素濃度を測定することを試みた。しかし元素による抽出効率の違いが大きく、分画時に吸着による損失が生じた。そこで、単一のバッファーによる抽出液を分画するのではなく、異なるバッファーで抽出される成分の元素プロファイルに対する処理の影響を調査した。+Al処理と+Fe処理をメラストーマに対して行い、処理後の各部位を中性あるいは酸性バッファーで抽出し、抽出液をICP-MSで測定した。また、サンプルを湿式分解し全濃度についても測定した。その結果、抽出バッファーの違いで傾向が異なる元素が認められた。例えば、若葉でのカルシウムは+Al処理で中性バッファーではコントロールと比べて濃度が著しく低下した一方、酸性バッファーでは大きく上昇した。この傾向は+Fe処理では認められず+Al特有の現象だった。一方、若葉のモリブデン濃度については+Al処理と+Fe処理の両方で酸性バッファーでの濃度が上昇しており、AlとFeの影響は類似した。他の元素においても特徴的な結果は複数認められ、部位間による傾向の違いも見られた。来年度はこれらについても解析を進めたい。それぞれの抽出液における分子量別元素プロファイリングについても検討する。
    次に、窒素、リン、カリウムのいずれかを欠乏させた圃場および全て施肥した圃場で栽培した異なる4植物種の根圏および非根圏土壌における抽出性元素濃度の差異を水抽出と0.1 M塩酸抽出でそれぞれ調べた。その結果、水抽出と塩酸抽出では多くの元素で傾向が異なり、根圏において同様の挙動を示す元素グループが複数確認された。種間においても傾向の違いは見られ、それぞれの養分元素に対する植物側の元素集積プロファイルとの比較から植物根の元素可給化能の違いを説明できる可能性が示された。
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Hokkaido University, 20K05762
  • How does "Coelacanth" in plant kingdom cope under hyper-stress environments?
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    30 Jul. 2020 - 31 Mar. 2022
    WASAKI JUN
    “Solfatara field” located around volcanic vents is a typical acid sulfate soil, which is the severe environment for plants by the hyper-stresses, such as very low pH, Al toxicity, starvation of essential elements, and inhibition of respiration by hydrogen sulfide. The aim of this study is to investigate the unique tolerant strategies of a Lycophytes, Lycopodium cernuum, which makes pure plant community in solfatara fields. It was indicated that specific tolerances to low-pH and aluminum of L. cernuum were important to grow under the hyper-stressed environments. It is suggested that isolation of free Al ion in vacuole is one of strategies of Al tolerance. Our results also implies that L. cernuum may utilize Al in intact plants. It was suggested that microbial community structure in the rhizosphere of L. cernuum was distinctive in solfatara fields, although involvement of the endophytes in the tolerance of L. cernuum is still unclear.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory), Hiroshima University, 20K21315
  • Application of trace element solubilizing mechanism in rhizosphere and regulate radioactive cesium uptake
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
    01 Apr. 2019 - 31 Mar. 2022
    SHINANO TAKURO
    The short-lived radiocarbon, 11C, is generated as carbon dioxide gas by a cyclotron, collected, and immediately assimilated into the lupin of a legume plant, and a system was constructed to observe the subsequent transfer of 11C to the roots and secretion from the roots to the surrounding soil. The results of the study are shown in Table 1. PET was used for detection. The use of lupin revealed that large amounts of assimilates were secreted from specific root sites (cluster root) into the rhizosphere soil, but not similarly in all cluster roots, and only in certain cluster roots.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (A), Hokkaido University, 19H01169
  • New foresight on root exudation: utilization for agricultural production and ecological function
    Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
    01 Apr. 2017 - 31 Mar. 2020
    Wasaki Jun
    This study aimed (1) to clarify the formation of cluster roots and their function and (2) to survey the possibility to utilize on crop production and their ecological functions using cluster root-forming plants, which have super-tolerant to low-P environments. It was suggested that the sparingly soluble organic P fraction in the rhizosphere soil was mobilized by the cluster roots. It was also suggested that the nutrient accumulation pattern of neighbor plants of cluster root-forming plants was altered by rhizosphere sharing with cluster roots. P accumulation of main crop intercropped with cluster root-forming plants was higher than monocropped plants. This result suggests a possibility to decrease of usage of P fertilizer by intercropping of cluster root-forming plants.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Hiroshima University, 17H03783
  • 樹皮組織のイオノミクス
    科学研究費補助金(挑戦的萌芽研究)
    2016 - 2018
    佐野雄三
    文部科学省, Competitive research funding
  • 膜脂質層の分子的改変による、イオンストレスマルチ耐性植物の創生
    科学研究費補助金(基盤研究(B))
    2015 - 2017
    我妻忠雄
    文部科学省, Competitive research funding
  • Why toxic elements can be beneficial in some plant species
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    2015 - 2017
    Watanabe Toshihiro
    In the present study, as one of the mechanisms responsible for the "beneficial effects" of toxic elements on plant growth, we expected the involvement of the activation of antioxidative stress responses induced by these toxic elements. We focused on aluminum and sodium, which are well known as toxic and beneficial elements. No direct result supporting this hypothesis was observed for aluminum in experiments using Melastoma. For sodium, by contrast, the hypothesis was supported in sugar beet under light-induced oxidative stress. However, chlorophyll fluorescence analysis suggested no involvement of photosynthesis in this phenomenon. Further studies such as measurement of antioxidants seems necessary.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research, Hokkaido University, Principal investigator, Competitive research funding, 15K14673
  • New development of mechanisms of aluminum accumulation and aluminum tolerance in aluminum accumulator woody plants
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    2015 - 2017
    Watanabe Toshihiro
    In this study, we comprehensively analyzed how Al-accumulator woody plants adapt to aluminum (Al) stress by analyzing gene expression, element, metabolite, and Al-form mainly using Melastoma malabathricum (Melastoma). As a result, the whole aspect of gene expression related to Al absorption, transportation and accumulation in Melastoma, the importance of Al-citrate chelate in Al accumulation in leaves, and the importance of phenolics in Al accumulation of woody plants were clarified. The results obtained in this study will give many suggestions in future research on mechanisms of adaptation to excess Al / mechanisms of Al accumulation, in Al-accumulator woody plants.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (B), Hokkaido University, Principal investigator, Competitive research funding, 15H04465
  • The study of the mechanism of green stem disorder insensitivity of soybean RILs using metabolomics and ionomics techniques
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    01 Apr. 2013 - 31 Mar. 2016
    Nakamura Takuji, Okazaki Keiki, Yamada Tetsuya, Shinano Takuro, Fukusaki Eichiro, Watanabe Toshihiro
    Green stem disorder (GSD) causes a serious problem in the soybean harvesting because seed coat surfaces are soiled and its quality is deteriorated during machine harvesting. The metabolite- and element-compositions in the stems of soybean RILs with different GSD sensitivity were examined using the metabolomics and ionomics technique to evaluate the relationship between the genetical traits and physiological mechanism of GSD insensitivity. In the sensitive RIL to GSD, the amino acid and organic acid metabolism were activated, results in the increase of nitrogen content of stems. It was suggested GSD was activated the nitrogen metabolism because the increase of the amount of translocation of the element to the stems, not to seeds.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (C), National Agriculture and Food Research Organization, 25450089
  • 開放系オゾン付加施設で生育する冷温帯樹種の成長に及ぼす窒素沈着の影響解明と応用
    科学研究費補助金(基盤研究(B))
    2014 - 2016
    小池孝良
    文部科学省, Competitive research funding
  • 尻腐れ果の発生機構の解明と克服のための統合的アプローチ
    科学研究費補助金(基盤研究(A))
    2014 - 2015
    金山喜則
    文部科学省, Competitive research funding
  • イオノミクスを活用した果実の栄養強化に関する研究
    科学研究費補助金(挑戦的萌芽研究)
    2014 - 2015
    金山喜則
    文部科学省, Competitive research funding
  • Variation of mineral accumulation and acquisition in plant
    Grants-in-Aid for Scientific Research
    2012 - 2014
    Watanabe Toshihiro
    In the present study, the diversity of element accumulation was widely investigated in terms of variation by genetic factors, chemical forms and translocation in plant, and soil-plant interaction. Variation in foliar concentration among different species (approximately 850 species) tended to be small in essential elements but large in nonessential elements. Variations in the chemical form of aluminum in leaves of various aluminum accumulators was small, and the common form of Al was detected. In leaves of soybean, concentrations of phosphorus, potassium, and cupper decreased and those of many other elements, particularly molybdenum, increased with aging. The correlations of element concentrations between leaf and soil (available concentration) were determined in each element and in each species. Only some elements showed positive correlations under phylogenetic influence.
    Japan Society for the Promotion of Science, Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Hokkaido University, Principal investigator, Competitive research funding, 24580088
  • Making of multi-tolerant plants against complexed acid-soil stresses by molecular modifications of membrane lipid layers
    Grants-in-Aid for Scientific Research(基盤研究(B))
    2011 - 2013
    Tadao WAGATSUMA, Keitarou TAWARAYA, Jun WASAKI, Toshihiro WATANABE, Hiroyuki KOYAMA, Tomonobu TOYOMASU, Masaharu KURODA, Akira OIKAWA
    In order to lower the content of phospholipids and to increase that of sterols in roots, we made the new plants by modification using two different techniques, i.e., culturing method and molecular method: Al-sensitive rice cultivar Koshihikari grown previously under P-deficient conditions and transformed by the overexpressions of PAH (key gene to exchange phospholipids into galactolipids) and HMG (key gene to biosynthesize sterols). Al tolerance and low-Ca tolerance under low pH conditions of P-deficient Al-sensitive Koshihikari were significantly enhanced, and Al tolerance and low-P tolerance of the several lines of the transformed Koshihikari were also enhanced. Among several tens of rice cultivars, low-P tolerant rice cultivar was found out to have a specific characteristics on the decomposition of P-containing metabolites. Several genes contributing to P-recycling ability were identified together with each function.
    Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology, 基盤研究(B), 山形大学, Coinvestigator not use grants, Competitive research funding, 23380041
  • Ionomic response of plant to environmental stress
    Grants-in-Aid for Scientific Research(若手研究(B))
    2010 - 2011
    Toshihiro WATANABE
    Effects of nutrient deficiency and aluminum toxicity stresses on plant ionome, all the mineral nutrient and trace elements found in an organism, were investigated. Nitrogen, phosphorus, and potassium deficiencies greatly changed ionome profile in plant. Among analyzed elements, changes in concentration of molybdenum and cesium were noticeable. It was expected that increase in molybdenum concentration under nitrogen deficient conditions could be related to nitrogen-fixing microorganisms. Aluminum stress also affected ionome profile in plant
    Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology, 若手研究(B), 北海道大学, Principal investigator, Competitive research funding, 22780053
  • Cesium accumulation in plant               
    2010
    Competitive research funding
  • イオノームによるミヤコグサの養分動態変異体の獲得と解析
    科学研究費補助金(特定領域研究)
    2008 - 2009
    信濃 卓郎, 渡部 敏裕
    マメ科モデル植物のミヤコグサ(Lotus japonicus)の養分吸収変異体を獲得するために、これまでに確立した吸収元素の網羅的解析手法であるイオノーム手法を用いた。変異体のスクリーニング対象としてはEMS(ethylmethane sulfonate)処理を行った種子を自分たちで調整した約200系統およびミヤコグサバイオリソースセンターから提供された約7000糸統を用いた。スクリーニング対象とした元素は必須元素としてはB, Mg, K, Ca, Mn, Fe, Cu, Zn, Mo、非必須元素としてはAI, As, Na, Ni, Sr, Cd, Csであり、非必須元素は野生株の生育に障害が出ない程度のレベルで培養液に添加して栽培を行なった。栽培は一定の環境条件下で同時に200系統を栽培し、全ての個体の地上部を別々に分解をし、対象元素含有率の測定をICP-MSを用いて行った。 200系統全体を母集団として、その平均から3倍以上あるいは半分以下にいずれかの元素含有率が変動した場合に変異を生じている候補として選抜し、地上部を切除した後の根部から植物体を再生することで種子を獲得した。同様の操作を繰り返し4世代目にいたっても元素含有率に変動か生じることを確認した系統を変異系統とした。 2000系統から32の変異系統が獲得された。得られた変異体の中で一つの元素だけが変動している系統は少なく、その平均は4-5種類の元素が同時に変異していることが示された。また元素の種類によっては変動株が多く得られるものがあり、その逆も認められた。実際に獲得したMoの変異株は体内めMoトランスポーターに変異が生じていることが確認され、本手法の有効性が認められた。また、化学的性質の異なる元素が体内においで一定のバランスを持っで存在するイオンホメオスタシスの現象が認められ、変異によってこのバランスかくずれる可能性が初めて示唆された。
    文部科学省, 特定領域研究, 北海道大学->独立行政法人農業技術研究機構->独立行政法人農業・食品産業技術総合研究機構, Coinvestigator not use grants, Competitive research funding, 20053001
  • 体内イオンバランスの調整に関与する遺伝子のイオノームによる解析手法の開発
    科学研究費補助金(特定領域研究)
    2006 - 2007
    信濃 卓郎, 渡部 敏裕
    誘導結合プラズマ質量分析(ICP-MS)法を用いてマメ科のモデル植物であるミヤコグサの各種有害元素(アルミニウム、ヒ素、カドミウム、セシウム、鉛、モリブデン、ニッケル、塩、ストロンチウム)の吸収、利用機構についての網羅的解析を進めた。昨年度までに各種有害元素の施与条件、分析条件等の確立を行ない、これまでに変異剤(EMS)処理を行なった約2000株の養分吸収能に関わる変異のスクリーニングを進めた。有害元素を含む20種類の異なる元素に関して植物体全体での濃度に変異が認められる系統、特定の部位(根あるいは地上部)に局在する系統を中心に植物と種子の獲得を行なっている。その結果、銅,マンガン,マグネシウム,モリブデン,カドミウム,ニッケル,ヒ素に関して通常の野生株とは全くことなる挙動を示す変異株が存在することが明らかとなった。このように、当初の目的であるイオノームによる解析手法の開発はほぼ完了したと判断される。そこで、特に挙動の異なるマグネシウム変異体に関して戻し交雑をすすめることにより、変異を引き起こしている遺伝子の獲得を進めている。このマグネシウム変異体は地上部へのマグネシウムの移行が抑制されており、生育量に大きな違いは出ないにも関わらず葉脈間に黄化が認められるという表現系を伴うため、変異の発現の確認が用意である利点もある。ミヤコグサはマメ科のモデル植物であり、マメ科はイネ科植物と比較してカルシウム、マグネシウムの吸収量が多いことが知られており、同じ二価のカチオンであるマグネシウムの吸収移行変異体の獲得は今後のマメ科作物の養分吸収機構を解析するための極めて重要な情報を提供することが期待される。
    文部科学省, 特定領域研究, 北海道大学, Coinvestigator not use grants, Competitive research funding, 18056001
  • 重金属集積植物の探査とその機能解析
    科学研究費補助金(若手研究(B))
    2004 - 2006
    渡部 敏裕
    1)昨年度までの実験で、インディアンマスタードとアマランサスは水耕条件では地上部に同程度カドミウムを集積するが、土耕条件ではインディアンマスタードの集積能力はアマランサスと比べて著しく劣ることがわかった。本年度の研究から、この土耕における異なる集積能力は根から分泌される主要な有機酸の種類が関与していることが示唆された。すなわち、アマランサスは不溶性カドミウムを可溶化する能力の高いクエン酸を分泌する一方、インディアンマスタードは可溶化能の低いシュウ酸が分泌性有機酸の主体であった。インディアンマスタード、アマランサスともにカドミウム以外の重金属も超集積する傾向があり、様々な重金属に汚染された土壌のファイトレメディエーションに利用可能であることが示唆された。2)昨年度までの実験で、カドミウム汚染土壌への零価鉄添加が植物のカドミウム集積低減に有効である事がわかった。本年度はその低減メカニズムを土壌化学的手法により解明した。カドミウムで汚染した水田土壌に零価鉄を添加することにより、土壌中のカドミウムは、植物に吸収されやすい交換態などの形態が減少し、吸収されにくい吸蔵態画分が増加することが明かとなった。3)鉱山跡地に生育する野生植物の根圏より採取した土壌から、カドミウム耐性細菌を分離した。分離した細菌をイネ幼植物体の根に塗布し、カドミウム汚染土壌で無菌栽培したところ、塗布しなかったコントロールと比較して大きく生育が改善された。
    文部科学省, 若手研究(B), 北海道大学, Principal investigator, Competitive research funding, 16780043
  • Investigation and application of adaptation strategies of plant roots to acid soil.
    Grants-in-Aid for Scientific Research(基盤研究(A))
    2004 - 2006
    Mitsuru OSAKI, Takuro SHINANO, Toshihiro WATANABE, Hiroyuki KOYAMA, Keitaro TAWARAYA, Jun WASAKI
    This study aimed to solve problems on acid soils for utilization as arable soils. Critical problems of acid soil are 1) toxicity of metallic ions and 2) phosphorus starvation. Some plant species have been developed some strategies to adapt on acid soils. We have shown that the several root exudates bring the tolerance to stresses on acid soils. Therefore, the secreting abilities of plant roots were investigated in this study.A gene for secretory acid phosphatase isolated from white lupin, which is well known as a phosphorus tolerative plant, was introduced into tobacco plants. The growth and phosphorus acquisition of transgenic plant were improved from wild type plants. To investigate the secreting ability of organic acid, which can liberate inorganic phosphate from sparingly soluble forms, malate exudation of Arabidopsis was chosen as a model. It was indicated that malate release was induced by the up-regulation of malate transporter protein. The induction of malate transporter expression by aluminum was specific in the root tips and internal tissues of roots, suggesting that the mechanism is regulated to minimize the carbon consumption. It is concluded that site-specific regulation of the transporters is required to improve the inorganic phosphate uptake ability.It was suggested that the specificities of mucilage, consisted of polysaccharides, in the root exudates differed among plant species. The highest affinities of mucilage of Melastoma malabathricum and maize were shown with trivalent and divalent cations, respectively. The affinity of mucilage of Melastoma malabathricum was high to aluminum ion, though the binding strength was quite lower than that of maize. It was supposed that not only the composition of sugar but also methylation of uronic acids were involved in the differences of adsorption specificity to the cation. Separation and purification of substances involved in the elongation of mycorrhizal hyphae was conducted. It was succeeded that an A2 fraction, which induced an elongation and secondary and further branching of mycorrhizal hyphae was obtained from root exudates of onion.
    Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology, 基盤研究(A), 北海道大学, Coinvestigator not use grants, Competitive research funding, 16208008
  • Ionomics in plant and soil               
    2003
    Competitive research funding
  • Acid soil tolerance in plants               
    1992
    Competitive research funding

Industrial Property Rights

  • セシウム吸着材、その利用、および、フィチン酸鉄塩の製造方法               
    Patent right, 海野 佑介, 信濃 卓郎, 渡部 敏裕, 高雄 惇英
    特願2015-115268, 05 Jun. 2015

syllabus

  • 作物生産生物学特論, 2024年, 修士課程, 農学院
  • 作物生産生物学特論演習, 2024年, 修士課程, 農学院
  • 大学院共通授業科目(一般科目):自然科学・応用科学, 2024年, 修士課程, 大学院共通科目
  • 物理化学, 2024年, 学士課程, 農学部
  • 植物栄養学, 2024年, 学士課程, 農学部
  • 一般教育演習(フレッシュマンセミナー), 2024年, 学士課程, 全学教育
  • 肥料学, 2024年, 学士課程, 農学部
  • 生物機能化学実験Ⅱ, 2024年, 学士課程, 農学部