アメリカ産のワインは世界的に有名で、憧れの的です。4,500平方キロメートル以上のブドウ畑を持つアメリカは、イタリア、スペイン、フランスに次ぐ世界第4位のワイン生産国です。カリフォルニア州だけで、米国のワイン全体の約84％を生産しています。しかし、気候変動による夏の異常高温により、ワイン生産者の間で懸念が広がっていて、これにより、ブドウの木は干ばつのストレスを受けます。

そのため、ワイン生産者は、生理的に完全に熟す前にブドウを収穫しなければならず、バランスの悪いワインや非典型的な熟成香が発生することがあります。人工的に灌漑を行うことで解決できる場合もありますが、コストがかかり、環境に優しいとは言えません。

カリフォルニア大学デービス校ブドウ栽培・ワイン醸造学科のAndrew McElrone教授にとって、ブドウの根の水輸送生理に関する研究は、カリフォルニアのブドウ栽培産業の将来にとって非常に重要です。この植物生物学者の最終的な目標は、ブドウ栽培者のために持続可能な水利用戦略を開発することです。そのためには、植物がどの程度の干ばつに耐えられるのか、どの種が水の供給が不透明な農業の未来にとって理想的なのか、といったデータを生産者に提供したいと考えています。

高解像度X線トモグラフィー

McElrone氏は、「Advanced Light Source」（略してALS）のビームライン8.3.2を使用して研究を行いました（インフォボックスを参照）。ブドウの木の水輸送システムをより深く理解するために、彼は同施設の高解像度X線トモグラフィーを利用した結果、乾燥による圧力が植物の水輸送ネットワークの木部血管にどのような影響を与えるかを、初めて正確に把握することができたのです。木部管は、水と栄養分を根から植物全体に運ぶ役割を果たしているため、重要な役割を果たしています。また、木部ネットワークにストレスがかかると、システムの緊張が高まり、植物の個々の血管や管が破裂しやすくなり、細菌の侵入を招きやすくなる恐れもあります。

McElrone氏はALSの研究中に、一部のブドウの木が木部管の壁に水滴を形成することで、実際にこの断裂を修復できることを発見しました。このプロセスについては科学者たちも推測していましたが、実際に観察したのはMcElrone教授とその仲間たちが初めてでした。その結果、液滴の形成はランダムに起こるのではなく、残っている生細胞の向きに合わせて行われることがわかったのです。彼は、多くのブドウ品種で研究を続け、乾燥に強いブドウ品種ほど破損に強い、あるいは修復能力が高いことに気付きました。

「私たちの目標は、さまざまな品種のブドウが壊れる前に、どこまで乾燥に耐えられるかを調べ、それを畑での水の使用に応用することです。ALSでは、破損と修復を実際に観察することができました。」と述べました。

ALSビームラインにおけるMcElrone教授の研究から得られたもう1つの重要な発見は、植物の維管束構造の連結性を高めるつる性植物の橋渡し細胞が、どの種が最も病原菌に強いかを決定しているということでした。同大学デービス校の研究室で行われた高解像度電子顕微鏡スキャンとALSスキャンを組み合わせることで、McElrone教授のチームは、橋渡し細胞の存在と向きを観察することができた。

また、ブリッジセルの間に無傷のバリアーがあるかどうかも、今後の研究で明らかになるでしょう。罹患率の高いブドウの木は、実際にはより多くのブリッジセルが開いていたとMcElrone教授は言います。病原菌は、このネットワークを通り抜けて、植物構造の中にまで侵入することができ、「一方、抵抗性のある種は、障壁のあるブリッジセルを形成することで病原菌を隔離し、細菌の拡散を阻止しました。」と研究者は述べ、それに対しMcElrone教授は、「植物生物学に関する限り、この画像は決定的に明らかになりました。」と総括しました。

インフォボックス

ALSは、カリフォルニア州バークレーにあるローレンス・バークレー国立研究所の研究施設であり、世界で最も明るい紫外線および軟X線の光源の一つです。軟X線は硬X線よりもはるかに低い光子エネルギーを持っているため、均質な「未露光」媒体としての固体のイメージングを可能にします。さらに、ALSはそのエネルギー範囲では初の「第3世代」の放射光源を持っています。

ALSは、世界中の研究者が科学実験のために使用する、強力でコヒーレントな短波長光の複数の非常に明るい光源を提供しています。米国エネルギー省（DOE）が資金を提供し、カリフォルニア大学（UC）が運営しています。

ALSの仕組み

ほぼ光速で移動する電子の束は、ALS蓄積リングの超高真空中の磁石によって、ほぼ円形の経路に押し込まれます。これらの磁石の間には、「アンジュレータ」と呼ばれる、極性が交互に変化する数十個の磁石が設置された直線部分があります。この磁石によって、電子はスラロームのような経路をたどり、その影響で赤外線、可視光線、紫外線、X線などの電磁波が放出されます。これらのビームは、ビームラインと呼ばれる分岐管を通って各実験ステーションの機器に導かれます。

ALSには、電子ビームと光子ビーム用の真空管の総延長が1km以上に及ぶ複雑な真空システムがあります。また、ビーム管内の真空圧は、一部の実験ステーションでは100mbar、蓄積リングでは1x10-11mbarにまで達します。

このような極端な真空状態が必要なのは、以下の非常に単純な理由があるからです: もしビーム管が普通に換気されていたら、素粒子は電子や光子の発生源から出た直後に空気分子と衝突し、相互作用してしまい、加速された放射線も発生しないでしょう。

高真空・超高真空領域のある部分を密閉してメンテナンスを行うためには、主にセクターバルブが使用される。高・超高真空領域のある部分を密閉することができます。また、万が一リークが発生した場合に、影響を受けたリングやチューブ部分を迅速に隔離し、真空を維持するとともに、侵入した空気による汚染を防ぐことができるクイックアクションバルブもあります。

真空バルブにはオールメタルバルブを採用しています。これは、エラストマーシールを使用せずに動作する真空バルブの一種です。金属と金属の間でシールを行うため、シールの表面は精密に設計されています。エラストマーシールは、真空中のバルブにもよく使われていますが、ビームラインや蓄積リングで使用される高温・高エネルギー放射線の下では、非常に早く劣化してしまいます。     

ALSの真空システムマネージャーであるSol Omolayo氏は、「真空ゲートバルブは、ALSの真空ビームラインの保護、メンテナンス、建設に不可欠です。Andrew McElroneが研究を行ったビームライン8.3.2は、高い真空圧を必要とし、1x10-7mbarの平均真空圧で稼働しています。」と述べています。