側根新生の時空間的周期性と可塑性を実現する仕組みの解明

• Project Area: Intrinsic periodicity of cellular systems and its modulation as the driving force behind plant development
• Project/Area Number: 19H05673
• 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: Kobe University
• Principal Investigator: 深城 英弘 神戸大学, 理学研究科, 教授 (80324979)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 綿引 雅昭 北海道大学, 理学研究院, 准教授 (70396282)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥127,530,000 (Direct Cost: ¥98,100,000、Indirect Cost: ¥29,430,000); Fiscal Year 2023: ¥25,220,000 (Direct Cost: ¥19,400,000、Indirect Cost: ¥5,820,000); Fiscal Year 2022: ¥25,220,000 (Direct Cost: ¥19,400,000、Indirect Cost: ¥5,820,000); Fiscal Year 2021: ¥25,220,000 (Direct Cost: ¥19,400,000、Indirect Cost: ¥5,820,000); Fiscal Year 2020: ¥25,220,000 (Direct Cost: ¥19,400,000、Indirect Cost: ¥5,820,000); Fiscal Year 2019: ¥26,650,000 (Direct Cost: ¥20,500,000、Indirect Cost: ¥6,150,000)
• Keywords: 器官発生 / 側根形成 / 植物ホルモン / シロイヌナズナ / イメージング / オーキシン / 側根プレパターニング / 長時間広域イメージング / 側根発生 / 分子遺伝学 / 側根新生周期 / Root Clock

Outline of Research at the Start

維管束植物の根は、内生・外生の要因に応じた側根形成を通じて根系構造を可塑的に構築する。側根は主根に沿って一定の間隔で作られるが、その周期性は根端付近における数千遺伝子の発現振動の総体として観測されるRoot clockに相関している。本研究では、側根新生の長時間広域発光・蛍光イメージング系や変異体・マーカー系統を画像解析、数理モデル解析、人間拡張工学と融合させ、Root clockに依存した側根形成の空間的周期性の制御とその変調機構を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

維管束植物の根は，内生・外生の要因に応じた側根形成を通じて根系構造を可塑的に構築する。側根は一次根に沿って一定の間隔で作られるが，その周期性は根端付近における数千遺伝子の発現振動の総体として観測されるRoot clockに相関している。この時間周期が一次根軸に沿って一定の間隔でオーキシン応答極大を形成し，これが予定分岐部位（プレブランチサイト：PBS）へと運命づけられる。根系構造の可塑性は，Root clock の時間振動が根に沿ったPBS の空間周期に変換され，さらにPBS から側根原基が形成される過程に何らかの変調作用が入力されることで生み出される。本研究では，側根新生の長時間広域発光・蛍光イメージング系や変異体・マーカー系統を画像解析，数理モデル解析，人間拡張工学と融合させ，Root clock に依存した側根形成の空間的周期性の制御とその変調機構を明らかにする。2020年度の主な成果を以下に示す。
１）根端で周期的に発現変動する発光・蛍光レポーター系統（DR5:LUC/VENUS）を用いた高精度長時間広域イメージングによる観察測定系を確立するため，根の成長を維持しながら観察できる横倒し発光・蛍光顕微鏡を構築した。
２）DR5:LUCを用いて可視化された根端オシレーションゾーンのオーキシン応答の振動について半自動化して測定する方法を構築した。
３）PBS新生の時空間的周期性や根端のDR5:LUC活性が異常な変異体等を複数系統単離し，PBS密度の高い変異体2系統，およびPBS密度が低下し，側根新生数も低下する変異体1系統の原因遺伝子候補を絞り込んだ。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2020年度は上記の３）に主に力を注いだ。一方，別の研究項目として，４）根切りによる側根新生の周期性の変調を起動する機構についても，阻害剤およびオーキシン応答変異の関与について解析を行っており，概ね順調に進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

１）発光・蛍光レポーター系統等を用いた高精度長時間広域イメージングの解析手法をさらに改良する。また、様々な遺伝的背景・生育条件におけるオーキシン応答のオシレーションと側根予定分岐部位の新生との関係性について解析する。
２）側根プレパターニングに異常のある変異体や，TOLS2ペプチド応答異常変異体のイメージング解析を進め，側根新生の周期性とその変調機構における原因遺伝子の役割を明らかにする。
３）根切りによる側根発生時の発光レポーターの発現をshy2変異体で観測する。障害を受けた根系再構築における側根の時空間周期性について，阻害剤およびホルモノーム，トランスクリプトームによる解析を行い，側根新生と側根成長の促進との相互依存性を検証する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Ghent University/VIB-UGent(ベルギー)
• [Int'l Joint Research] Universidad de Castilla-La Mancha(スペイン)
• [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] Peptide-Receptor Signaling Controls Lateral Root Development (2020)
  • Author(s): Jourquin J, Fukaki H, Beeckman T.
  • Journal Title: Plant Physiol. Volume: 182 Issue: 4 Pages: 1645-1656
  • DOI: 10.1104/pp.19.01317
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Blue Light Regulates Phosphate Deficiency-Dependent Primary Root Growth Inhibition in Arabidopsis (2020)
  • Author(s): Yeh Chuan-Ming, Kobayashi Koichi, Fujii Sho, Fukaki Hidehiro, Mitsuda Nobutaka, Ohme-Takagi Masaru
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 10 Pages: 1803-1803
  • DOI: 10.3389/fpls.2019.01803
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Root-knot nematodes induce gall formation by recruiting developmental pathways of post-embryonic organogenesis and regeneration to promote pluripotency (2020)
  • Author(s): Olmo, R., Cabrera, J., Diaz-Manzano, F., Ruiz-Ferrer, V., Barcala, M., Ishida, T., Garcia A., Andres, M., Lara, S.R., Verdugo, I., Ochoa, M., Fukaki, H., del Pozo, J. C., Moreno-Risueno, M., Kyndt, T., Gheysen L., Fenoll, C., Sawa, S., and Escobar, C.
  • Journal Title: New Phytologist Volume: 227 Issue: 1 Pages: 210-215
  • DOI: 10.1111/nph.16521
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Editorial: Root Branching: From Lateral Root Primordium Initiation and Morphogenesis to Function (2019)
  • Author(s): Dubrovsky JG, Fukaki H, Laplaze L, Laskowski M.
  • Journal Title: Front Plant Sci. Volume: 10 Pages: 1462-1462
  • DOI: 10.3389/fpls.2019.01462
  • NAID: 120006823992
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cytoskeleton Dynamics Are Necessary for Early Events of Lateral Root Initiation in Arabidopsis (2019)
  • Author(s): Vilches Barro A, Stockle D, Thellmann M, Ruiz-Duarte P, Bald L, Louveaux M, von Born P, Denninger P, Goh T, Fukaki H, Vermeer JEM, Maizel A.
  • Journal Title: Curr Biol. Volume: 29 Issue: 15 Pages: 2443-2454
  • DOI: 10.1016/j.cub.2019.06.039
  • NAID: 120006823993
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [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] Reactive oxygen species and reactive carbonyl species constitute a feed‐forward loop in auxin signaling for lateral root formation (2019)
  • Author(s): Biswas Md. Sanaullah、Fukaki Hidehiro、Mori Izumi C.、Nakahara Kazuha、Mano Jun'ichi
  • Journal Title: The Plant Journal Volume: 100 Issue: 3 Pages: 536-548
  • DOI: 10.1111/tpj.14456
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] PUCHI regulates very long chain fatty acid biosynthesis during lateral root and callus formation (2019)
  • Author(s): Trinh DC, Lavenus J, Goh T, Boutte Y, Drogue Q, Vaissayre V, Tellier F, Lucas M, Voss U, Gantet P, Faure JD, Dussert S, Fukaki H, Bennett MJ, Laplaze L, Guyomarc'h S.
  • Journal Title: Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. Volume: 116 Issue: 28 Pages: 14325-14330
  • DOI: 10.1073/pnas.1906300116
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Mitochondrial Pyruvate Dehydrogenase Contributes to Auxin-Regulated Organ Development (2019)
  • Author(s): Ohbayashi I, Huang S, Fukaki H, Song X, Sun S, Morita MT, Tasaka M, Millar AH, Furutani M.
  • Journal Title: Plant Physiol. Volume: 180 Issue: 2 Pages: 896-909
  • DOI: 10.1104/pp.18.01460
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 側根形成の制御機構に関する研究の新展開 (2019)
  • Author(s): 深城英弘, 豊倉浩一, 郷 達明
  • Journal Title: 植物の生長調節 Volume: 54 Pages: 129-136
  • NAID: 130008060490
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 側根形成能が顕著に低下するシロイヌナズナの変異体 fewer roots （fwr）のサプレッ サー変異体 fewer roots suppressor 1（fsp1）の解析 (2021)
  • Author(s): 後藤千恵子, 池上聡, 郷,達明, 笠原博幸, 近藤侑貴, 石崎公庸, 三村徹郎, 深城英弘
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 発光レポーター遺伝子を用いた側根プレパターニング変異体の単離と解析 (2021)
  • Author(s): 小笹綾香, 後藤千恵子, 郷 達明, 近藤侑貴, 石崎公庸, 三村徹郎, 深城英弘
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Mechanisms of auxin-regulated lateral root formation (2020)
  • Author(s): Hidehiro Fukaki
  • Organizer: International Webinar Series "From Cellular Dynamics to Morphology"
  • Invited
• [Presentation] 側根形成を負に制御するTOLS2 ペプチド応答性が変化する変異体の解析 (2020)
  • Author(s): 西丸陸, 青木優佳, 豊倉浩一, 篠田明徳, 郷達明, 石崎公庸, 三村徹郎, 深城英弘
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 発光レポーター遺伝子を用いた側根プレパターニング変異体の単離と解析 (2020)
  • Author(s): 小笹綾香, 郷達明, 石崎公庸, 三村徹郎, 深城英弘
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 側根形成におけるオーキシン作用の二面性 (2020)
  • Author(s): 深城英弘
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会年会
• [Presentation] TOLS2/PIPL3 peptide-RLK7 receptor cascade regulates lateral root spacing during Arabidopsis lateral root founder cell formation (2019)
  • Author(s): Hidehiro Fukaki
  • Organizer: 第23回国際植物生長物質会議
  • Invited
• [Presentation] レポーター遺伝子を用いたシロイヌナズナ側根プレパターニング機構の解析 (2019)
  • Author(s): 小笹 綾香, 郷 達明, 石崎 公庸, 三村 徹郎, 深城 英弘
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] TOLS2ペプチドによる側根形成 関連遺伝子の発現制御に異常を示す変異体の解析 (2019)
  • Author(s): 西丸 陸, 青木 優佳, 豊倉 浩一, 篠田 明徳, 郷 達明, 石崎 公庸, 三村徹郎, 深城 英弘
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Book] 三訂版「植物の科学」 (2021)
  • Author(s): 塚谷裕一, 荒木崇, 深城(担当:共著,範囲:3.発生・成長(1):植物の体制と胚発生、5.発生・成長(3):根)
  • Total Pages: 314
  • Publisher: 放送大学教育振興会
• [Remarks] 神戸大学大学院理学研究科生物学専攻・深城研究室ウェブサイト
  • URL: http://www.research.kobe-u.ac.jp/fsci-fukaki/fukaki/fukaki_laboratory.html
• [Remarks] 神戸大学大学院理学研究科生物学専攻・理学部生物学科ウェブサイト（教員紹介）
  • URL: http://www.edu.kobe-u.ac.jp/fsci-biol/faculty/fukaki.html
• [Remarks] 新学術領域研究「植物の周期と変調」
  • URL: https://plant-periodicity.org