細胞システムの自律周期とその変調が操る根の成長

• Project Area: Intrinsic periodicity of cellular systems and its modulation as the driving force behind plant development
• Project/Area Number: 19H05671
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Nara Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: 中島 敬二 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (80273853)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 稲見 昌彦 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (00345117)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥118,300,000 (Direct Cost: ¥91,000,000、Indirect Cost: ¥27,300,000); Fiscal Year 2023: ¥23,400,000 (Direct Cost: ¥18,000,000、Indirect Cost: ¥5,400,000); Fiscal Year 2022: ¥23,400,000 (Direct Cost: ¥18,000,000、Indirect Cost: ¥5,400,000); Fiscal Year 2021: ¥23,400,000 (Direct Cost: ¥18,000,000、Indirect Cost: ¥5,400,000); Fiscal Year 2020: ¥23,400,000 (Direct Cost: ¥18,000,000、Indirect Cost: ¥5,400,000); Fiscal Year 2019: ¥24,700,000 (Direct Cost: ¥19,000,000、Indirect Cost: ¥5,700,000)
• Keywords: 根 / 器官成長 / 根冠 / 周期性 / 細胞動態

Outline of Research at the Start

植物の根は、内的な発生プログラムに基づいた定常的な成長に加え、外的な環境因子に応答した成長変化を示す。これらの成長動態は、根端部における細胞の分裂と伸長や、根端を覆う根冠組織の特異的な機能に依存して決定されるが、それらの作動機構は不明である。本研究では、我々が開発した根の先端を長時間にわたって自動的に追尾する顕微鏡システムを用い、根端で進行する細胞新生や、根冠の分化、さらにはオルガネラの運動や消長といったミクロな周期動態を高精細に捉える。得られたデータをもとに内的な周期とその変調が、根の可塑的な成長を制御する仕組みを明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

(1) 根端メリステムの細胞動態イメージデータを定量化するツールの開発：水平光軸型動体トラッキング顕微鏡と、根の皮層細胞層の核をRFPで蛍光標識した野生型背景の植物ラインを用い、根端メリステムを構成する細胞群の分裂と伸長動態を４次元データとして収集することに成功した。公募班員の陳博士らと共同でデータを定量化するシステムの開発を進め、分裂核と非分裂核のセグメンテーションと、細胞列への振り分けを自動化するアルゴリズムをほぼ完成させた。
(2) オートファジーが根冠細胞の周期的なターンオーバーに果たす役割：水平光軸型動体トラッキング共焦点顕微鏡を用い、シロイヌナズナの根冠細胞の構造変化を精密に経時観察した。観察データから、重力感受細胞が分泌細胞に転換し、その後、剥離に至る一連の過程において、細胞内の構造が劇的に再構成されることを明らかにした。この過程において、オートファジーが根冠の最外層細胞で周期的に活性化し、オルガネラや細胞質の分解を促進することで、細胞の精密な剥離を担っていることを明らかにした。これまで謎が多かった植物の発生におけるオートファジーの機能を明らかにした。
(3) 根の組織パターン形成において細胞を対称に配置する機構：シロイヌナズナの根の導管細胞と篩管細胞の対称的な配置が形成される過程における細胞分裂と細胞配置の変化などを詳細に調べた結果、篩管の周囲にある細胞の並層分裂により導管と篩管の配置の対称性が上昇することを見出した。フェムト秒レーザーを用いた細胞除去実験や、公募班の藤本博士らの計算機シミュレーションから、篩管の周りでおこる細胞増殖が一定方向の圧縮力を発生させ、離れた場所に位置する導管と篩管の配置の対称性を高めることを実証した。さらに、HAN転写因子がサイトカイニンの作用を調節することで、対称性構築の鍵となる細胞増殖の位置を決めることを見出した。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

動体トラッキング顕微鏡を用いて根端の細胞分裂動態をライブイメージングし、４次元画像データを収集する技術を確立した。公募班の陳博士らとの共同研究により、深層学習と遺伝的アルゴリズムを用いて4次元画像データを定量化する技術をほぼ確立し、論文を執筆中である。時空間的に制御されたオートファジーの活性化が根冠細胞の周期的な運命転換において重要な役割を果たすことを明らかにし、ジャーナル論文として発表することが出来た。公募班の藤本博士らとの共同研究により、根の維管束組織において細胞パターンの対称性が確立する遺伝的・細胞動力学的原理を明らかにし、ジャーナル論文として発表することが出来た。

Strategy for Future Research Activity

(1) 内的・外的因子が根端メリステムの細胞動態に与える影響の定量解析：水平光軸型動体トラッキング顕微鏡と、根の皮層細胞層の核をRFPで蛍光標識した野生型背景の植物ラインを用い、根端メリステムを構成する細胞群の分裂と伸長動態をタイムラプスデータとして収集する。公募班員の陳博士らと共同で開発した動画定量化ツールを用い、培地の栄養条件や重力刺激に応答したメリステム細胞群の分裂と細胞伸長の動態をモデル化する。細胞分裂を音階に変換したデータ可聴化ツールを完成させる。
(2) 根冠細胞のターンオーバーを制御する遺伝因子の探索：細胞分裂や細胞剥離に異常を示す植物ラインに対し、水平光軸型動体トラッキング顕微鏡を用いて根冠細胞のターンオーバー速度を比較解析する。これにより細胞新生と細胞剥離をバランスさせる機構についての知見を得る。また根冠細胞の発生ドメインを規定する転写因子やマイクロRNAの発現動態をイメージングする系を樹立し、新たに同定した変異体の表現型解析と組み合わせることで、根冠の周期的な分化動態を規定する制御系に関する知見を得る。
(3) 根冠細胞の分化と成熟過程を網羅した一細胞トランスクリプトーム解析：根冠の分化段階に沿ったトランスクリプトーム変化を精密に解析するため、時系列一細胞トランスクリプトーム解析系の樹立を試行する。個体を識別するためのバーコードを発現する植物ラインを複数確立するとともに、シングルセル解析を行うための技術を確立する。
(4) 根の分岐周期を一定化する機構の解析：根の空間的な分岐周期の基盤となるオーキシンの応答の時間振動を一定に保つ仕組みを明らかにするため、振動位置で起こる細胞レベルの分化動態を詳細に解析する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] The Chinese University of Hong Kong/Chinese Academy of Sciences,(中国)
• [Int'l Joint Research] University of Cambridge(英国)
• [Int'l Joint Research] University of Helsinki(フィンランド)
• [Int'l Joint Research] University of California, Riverside(米国)
• [Int'l Joint Research] Vienna Biocenter(オーストリア)
• [Int'l Joint Research] The Chinese University of Hong Kong(中国)
• [Journal Article] Patterned proliferation orients tissue-wide stress to control root vascular symmetry in Arabidopsis (2023)
  • Author(s): Fujiwara M, Imamura M, Matsushita K, Roszak P, Yamashino T, Hosokawa Y, Nakajima K, Fujimoto K, Miyashima S.
  • Journal Title: Curr Biol. Volume: 33 Issue: 5 Pages: 886-893
  • DOI: 10.1016/j.cub.2023.01.036
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Microtubules promote the non-cell autonomous action of microRNAs by inhibiting their cytoplasmic loading onto ARGONAUTE1 in Arabidopsis (2022)
  • Author(s): Fan Lusheng、Zhang Cui、Gao Bin、Zhang Yong、Stewart Ethan、Jez Jakub、Nakajima Keiji、Chen Xuemei
  • Journal Title: Developmental Cell Volume: 57 Issue: 8 Pages: 995-1008.e5
  • DOI: 10.1016/j.devcel.2022.03.015
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Autophagy promotes organelle clearance and organized cell separation of living root cap cells in <i>Arabidopsis thaliana</i> (2022)
  • Author(s): Goh Tatsuaki、Sakamoto Kaoru、Wang Pengfei、Kozono Saki、Ueno Koki、Miyashima Shunsuke、Toyokura Koichi、Fukaki Hidehiro、Kang Byung-Ho、Nakajima Keiji
  • Journal Title: Development Volume: 149 Issue: 11
  • DOI: 10.1242/dev.200593
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Autophagy promotes organelle clearance and organized cell separation of living root cap cells in Arabidopsis thaliana (2022)
  • Author(s): Goh Tatsuaki、Sakamoto Kaoru、Wang Pengfei、Kozono Saki、Ueno Koki、Miyashima Shunsuke、Toyokura Koichi、Fukaki Hidehiro、Kang Byung-Ho、Nakajima Keiji
  • Journal Title: bioRxiv Volume: -
  • DOI: 10.1101/2022.02.16.480624
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Tissue growth constrains root organ outlines into an isometrically scalable shape (2021)
  • Author(s): Fujiwara Motohiro、Goh Tatsuaki、Tsugawa Satoru、Nakajima Keiji、Fukaki Hidehiro、Fujimoto Koichi
  • Journal Title: Development Volume: 148 Issue: 4 Pages: 196253-196253
  • DOI: 10.1242/dev.196253
  • NAID: 120007028967
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] GELP, not just any boundary (2021)
  • Author(s): Nakajima Keiji
  • Journal Title: Nature Plants Volume: 7 Issue: 3 Pages: 248-249
  • DOI: 10.1038/s41477-021-00882-5
• [Journal Article] Lateral root initiation requires the sequential induction of transcription factors LBD16 and PUCHI in Arabidopsis thaliana (2019)
  • Author(s): Goh Tatsuaki、Toyokura Koichi、Yamaguchi Nobutoshi、Okamoto Yoshie、Uehara Takeo、Kaneko Shutaro、Takebayashi Yumiko、Kasahara Hiroyuki、Ikeyama Yoshifumi、Okushima Yoko、Nakajima Keiji、Mimura Tetsuro、Tasaka Masao、Fukaki Hidehiro
  • Journal Title: New Phytologist Volume: 224 Issue: 2 Pages: 749-760
  • DOI: 10.1111/nph.16065
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 根冠組織の発生と生理機能の制御機構 (2019)
  • Author(s): 中島敬二
  • Journal Title: 植物の生長調節 Volume: 54 Pages: 119-128
  • NAID: 130008060489
• [Presentation] 植物発生学の基礎研究における画像認識技術の活用と今後の課題 (2023)
  • Author(s): 中島 敬二
  • Organizer: コンピュータビジョンとイメージメディア研究会
  • Invited
• [Presentation] 動体トラッキング顕微鏡とAI 支援画像定量によるシロイヌナズナ根端の細胞分裂・伸長ダイナミクスの解析 (2023)
  • Author(s): 郷 達明, Yu Song, 米倉 崇晃, 大伏 仙泰, Zeping Den, 射水 勝利, 富沢 瑶子, 近藤 洋平, 宮島 俊介, 岩本 祐太郎, 稲見 昌彦, 陳 延偉 ,中島 敬二
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] シロイヌナズナの側根間隔は二段階で調節される (2023)
  • Author(s): 大城 翔平, 郷 達明, 近藤 洋平, 米倉 崇晃, 深城 英弘, 中島 敬二
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Cell proliferation patterned by HAN/ cytokinin circuit mechanically elaborates root vascular symmetry (2022)
  • Author(s): Motohiro Fujiwara Miyu Imamura Katsuyoshi Matsushita, Yoichiro Hosokawa, Keiji Nakajima, Koichi Fujimoto, Shunsuke Miyashima
  • Organizer: 日本植物学会第86回大会
• [Presentation] 根冠剥離におけるミオシ ンXIの機能解析 (2022)
  • Author(s): 郷 達明, 稲葉 祐作, 段 中瑞, 中島 敬二, 富永 基樹
  • Organizer: 日本植物学会第86回大会
• [Presentation] 蛍光寿命イメージングが 明らかにするシロイヌナ ズナ根冠機能とその発動 (2022)
  • Author(s): 宮島 俊介, 中島 敬二
  • Organizer: 日本植物学会第86回大会
• [Presentation] 植物×人間拡張工学 －異分野「研究者」の融合 (2022)
  • Author(s): 中島 敬二
  • Organizer: 日本植物学会第86回大会
  • Invited
• [Presentation] シロイヌナズナの根冠剥離における細胞層特異的なオートファジーの役割 (2022)
  • Author(s): 郷達明, 坂本薫, Pengfei Wang, Byung-Ho Kang, 中島敬二
  • Organizer: 日本植物生理学会第63回年会
• [Presentation] Tissue placement and cell-fate transition of the Arabidopsis root cap by positional information (2021)
  • Author(s): Miyashima Shunsuke, Tatsuaki Goh, Keiji Nakajima
  • Organizer: EMBO Workshop: Intercellular communication and plasmodesmata in plant development and disease
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 細胞の周期動態とその変調が駆動する根の自在な成長 (2021)
  • Author(s): 中島敬二、射水勝利、大城翔平、米倉崇晃、田中慧太、近藤洋平、宮島俊介、郷達明
  • Organizer: 日本植物学会第85回大会
• [Presentation] シロイヌナズナの根におけるキチン応答の組織特異性とその病害抵抗性における機能 (2021)
  • Author(s): 岩井雅斗、宮島俊介、中島敬二
  • Organizer: 日本植物学会第85回大会
• [Presentation] 長時間発光イメージングによる根の遺伝子発現振動の解析 (2021)
  • Author(s): 大城翔平、郷達明、近藤洋平、深城英弘、中島敬二
  • Organizer: 日本植物学会第85回大会
• [Presentation] 土壌微生物の動態を制御する根冠の細胞形態形成と防御機構との統御系 (2021)
  • Author(s): 宮島 俊介, 中島 敬二
  • Organizer: 第62回 日本植物生理学会年会
• [Presentation] Lateral Organ Boundary Domain Family Transcription Factor LBD12 is involved in Radial Pattern Formation of Root Apical Meristem in Arabidopsis thaliana (2021)
  • Author(s): 權部 晃一, 今村 美友, 宮島 俊介, 中島 敬二, 山篠 貴史
  • Organizer: 第62回 日本植物生理学会年会
• [Presentation] 根のねじれの数理モデルの構築とその解析 (2021)
  • Author(s): 米倉崇晃, 郷 達明, 中島 敬二
  • Organizer: 第62回 日本植物生理学会年会
• [Presentation] 細胞の立ち居振舞いから解く植物の自在な成長, (2020)
  • Author(s): 中島 敬二, 射水勝利, 阪本薫, 相馬優輝, 大伏仙泰, 米倉崇晃, 富沢揺子, 近藤洋平, 稲見昌彦, 宮島 俊介, 郷 達明,
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
• [Presentation] 細胞層特異的なオートファジーによる根冠剥離の制御 (2020)
  • Author(s): 郷達明, 阪本薫, 中島敬二
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
• [Presentation] 細胞動態の定量解析から探る根の重力屈曲機構 (2020)
  • Author(s): 相馬優輝, 郷達明, 米倉崇晃, 中島敬二
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
• [Presentation] 根冠が発動する根の病害応答 (2020)
  • Author(s): 宮島 俊介, 晝間 敬, 中島 敬二
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
• [Presentation] Root cap morphogenesis and function in the immune system (2020)
  • Author(s): Shunsuke Miyashima, Kei Hiruma, Keiji Nakajima
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Periodic cellular behaviors during root cap maturation and detachment (2020)
  • Author(s): Tatsuaki Goh, Kaoru Sakamoto, Shunsuke Miyashima, Keiji Nakajima
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 維管束の側方成長と組織パターンを統合する細胞間相互作用 (2019)
  • Author(s): 宮島俊介、藤原基洋、藤本仰一、中島敬二
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] 根冠最外層の成熟と剥離におけるオートファジーの役割 (2019)
  • Author(s): 郷達明、阪本薫、中島敬二
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] シロイヌナズナの根冠分化における非対称性と非連続性の表出機構 (2019)
  • Author(s): 中島敬二、阪本薫、 飯田誠也、小堤彩水、松田隆、上野皓輝、小園紗希、安藤隆之介、古川明日香、神谷雅子、宮島俊介、郷達明
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
  • Invited
• [Presentation] MagniFinger: magnified perception by a fingertip probe microscope. (2019)
  • Author(s): Obushi, N., Wakisaka, S., Kasahara, S., Hiyama, A., and Inami, M.
  • Organizer: SIGGRAPH 2019 Emerging Technologies
• [Remarks] 環境に応答した植物の動的成長メカニズム
  • URL: https://bsw3.naist.jp/nakajima/project/Growth_dynamics.html
• [Remarks] 土壌環境のセンサー機能を担う根冠組織の発生と分化制御
  • URL: https://bsw3.naist.jp/nakajima/project/Root_cap.html
• [Remarks] 根の先端の細胞がスムーズに剥がれ落ちる仕組みを解明 －オートファジーが細胞を作り変えていた－
  • URL: https://bsw3.naist.jp/research/index.php?id=2520
• [Remarks] 植物は細胞を"寿司詰め"にして形を整える！ 細胞を対称に配置するタンパク質を特定
  • URL: https://bsw3.naist.jp/research/index.php?id=2637
• [Remarks] 環境に応答した植物の動的成長メカニズム
  • URL: https://bsw3.naist.jp/nakajima/project/project1.html
• [Remarks] 土壌環境のセンサー機能を担う根冠組織の発生と分化制御
  • URL: https://bsw3.naist.jp/nakajima/project/project5.html
• [Remarks] 根冠組織の不思議なはたらき
  • URL: https://bsw3.naist.jp/nakajima/research_top/root_cap.html
• [Remarks] Unique functions of root cap cells
  • URL: https://bsw3.naist.jp/nakajima/English/cn5/root_cap_EN.html
• [Remarks] MagniFinger
  • URL: https://star.rcast.u-tokyo.ac.jp/magnifinger/