葉脈の多様性と規則性を「かたち」の数理解析により発見

植物の葉脈は水や光合成産物の輸送に関わるネットワーク状の構造です。この葉脈の「かたち」は、透水性や蒸散効率、食害などの損傷に対する耐性（ロバスト性）などさまざまな機能的な要請により規則的でありながらも多様なパターンを示します。しかし、これまでの研究では、長さ、直径、分岐角度などの単純な計測値に基づく評価がほとんどでした。そのため葉脈を輸送ネットワークとして捉え定量的に評価するためのフェノタイピング（表現型計測）手法が求められています。

本研究では、画像解析と深層学習、形態測定を組み合わせることで階層的で複雑な葉脈の「かたち」を特徴づける簡便かつ高効率なフェノタイピング手法を開発し、葉脈の「かたち」の多様性と規則性を定量的なデータ解析により発見しました。

九州大学 大学院システム生命科学府 一貫制博士課程２年の岩政 公平 氏、理学研究院の野下 浩司 助教らの研究グループは、５種４７９枚の葉標本と国立科学博物館 葉脈標本データベースに含まれる５属３２８枚の染色標本を対象に、開発したフェノタイピング手法を用いた定量的な評価により、葉脈の「かたち」のデータが１次元的な分布を示し、その分布に沿ってツリー状からループ状へと遷移するという多様性と規則性を特定することに成功しました。また、この分布パターンは先行研究で理論的に予測された輸送効率、形成効率、損傷に対するロバスト性のいずれかを改善しようと葉脈の「かたち」を変化させると、それ以外のいずれかもしくは両方が低下するパレート最適に対応する可能性が高いことを見いだしました。

本研究のアプローチは、発生生物学や医療画像解析はもちろん、バイオミメティクス、ジェネラティブデザイン、マイクロ流体工学など、ユビキタスな網状のネットワーク構造を対象としたさまざまな分野で同様の解析のための基盤となることが期待されます。例えば、特定の人工物に求められる機能要請からトレードオフに基づいて最適なデザインが提案できるなどが考えられます。

本研究成果は、米国の雑誌「ＰＬＯＳ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｂｉｏｌｏｇｙ」に２０２３年７月２１日（金）（日本時間）に掲載されます。