細胞運命の決定過程における発生特異的周期性と概日時計の相互作用

• Project Area: Intrinsic periodicity of cellular systems and its modulation as the driving force behind plant development
• Project/Area Number: 19H05674
• 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: 遠藤 求 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (80551499)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 波間 茜 (久保田茜) 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (70835371)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥75,140,000 (Direct Cost: ¥57,800,000、Indirect Cost: ¥17,340,000); Fiscal Year 2023: ¥14,950,000 (Direct Cost: ¥11,500,000、Indirect Cost: ¥3,450,000); Fiscal Year 2022: ¥14,950,000 (Direct Cost: ¥11,500,000、Indirect Cost: ¥3,450,000); Fiscal Year 2021: ¥14,950,000 (Direct Cost: ¥11,500,000、Indirect Cost: ¥3,450,000); Fiscal Year 2020: ¥14,950,000 (Direct Cost: ¥11,500,000、Indirect Cost: ¥3,450,000); Fiscal Year 2019: ¥15,340,000 (Direct Cost: ¥11,800,000、Indirect Cost: ¥3,540,000)
• Keywords: 概日時計 / 細胞解析 / シロイヌナズナ / 長距離シグナル伝達 / 周期と変調 / １細胞解析

Outline of Research at the Start

これまでの1細胞トランスクリプトームにおける空間解像度の問題を解決するために3次元1細胞トランスクリプトームの系を確立するとともに、申請者らが開発した時系列データの再構成技術と組み合わせることで4次元1細胞トランスクリプトームを可能にし、細胞運命決定における周期的な遺伝子発現動態が持つ意味を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

植物には、光や温度などの外界の環境変化に応じて、自らの生活サイクルを調整する概日時計が存在する。この概日時計は、24時間の周期性を持ち、様々な生理現象や発生過程に深く関わっている。従来、植物の概日時計遺伝子は、ほぼ全ての器官・組織で発現していることから、どの部位でも同じような機能を持つと考えられていたが、最近の研究からは、器官・組織ごとに異なる特性を持つことが明らかにされつつあることが明らかにされつつある。こうした状況を受け、そうした組織特異的な時計によって計測されるリズムをどのように統合し、発生や生理応答へとつなげているかに解析の焦点は移りつつあった。
そこで、本研究では解析が遅れている根の概日時計の役割を明らかにするため、まず根に摂動を与えた時の影響を調べた。根は栄養吸収のための器官であることから、さまざまな栄養欠乏条件で植物を育てたところ、カリウム欠乏条件で顕著に地上部の概日リズムに影響を及ぼすことを見出した。そこで接ぎ木を用いて根だけを時計変異体にしたところ、カリウム存在条件下においても概日リズムの周期が不安定化する現象が見出され、根の概日リズムは間接的に地上部の概日リズムの安定性を制御していることを見出した。先と同様に部分照射や接ぎ木実験などから、今度は先と逆に、地上部の概日時計が根における周期的な根毛伸長を制御していることが明らかとなった。
これまで器官・組織特異的な概日時計は知られており、また、それらの概日時計が計測する時間情報は長距離に伝達することは示されていたものの、以上、2つの実験より、これらのシグナルは双方向的であることが初めて示された。本研究は、根と地上部の概日時計がフィードバックループを形成している可能性を初めて示した点で新しい。

Current Status of Research Progress

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

Reason

根から地上部へのシグナル伝達に関する論文は既に発表済みであり、地上部から根へのシグナル伝達に関する論文も近々受理される見込みである。

Strategy for Future Research Activity

現在、こうした長距離シグナル分子の実体を明らかにするため、篩管液（道管液）中の糖濃度や代謝産物あるいはタンパク質等の量の変動を検出しようと試みている。これらの解析によって変動する物質を同定できれば、依然として謎の多い時間情報の長距離輸送メカニズムを明らかにできると期待される。
また、根においては一部の概日時計遺伝子の発現パターンは同調が見られず、これまでの概日時計の理解では説明ができないことから、現在、背景にある分子メカニズムを明らかにするため、前年度までに実施したRNA-seqの解析を行っている。

Research Products

• [Journal Article] Root PRR7 Improves the Accuracy of the Shoot Circadian Clock through Nutrient Transport (2023)
  • Author(s): Uemoto Kyohei、Mori Fumito、Yamauchi Shota、Kubota Akane、Takahashi Nozomu、Egashira Haruki、Kunimoto Yumi、Araki Takashi、Takemiya Atsushi、Ito Hiroshi、Endo Motomu
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 64 Issue: 3 Pages: 352-362
  • DOI: 10.1093/pcp/pcad003
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Sulfanilamide Regulates Flowering Time through Expression of the Circadian Clock Gene LUX (2022)
  • Author(s): Hirohata Atsuhiro、Yamatsuta Yuta、Ogawa Kaori、Kubota Akane、Suzuki Takamasa、Shimizu Hanako、Kanesaka Yuki、Takahashi Nozomu、Endo Motomu
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: - Issue: 5 Pages: 649-657
  • DOI: 10.1093/pcp/pcac027
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Color-Changing Fluorescent Barcode Based on Strand Displacement Reaction Enables Simple Multiplexed Labeling (2022)
  • Author(s): Makino Koki、Susaki Etsuo A.、Endo Motomu、Asanuma Hiroyuki、Kashida Hiromu
  • Journal Title: Journal of the American Chemical Society Volume: 144 Issue: 4 Pages: 1572-1579
  • DOI: 10.1021/jacs.1c09844
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spatially specific mechanisms and functions of the plant circadian clock. (2022)
  • Author(s): Davis W, Endo M, Locke JCW.
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: -
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Na+/Ca2+ exchanger mediates cold Ca2+ signaling conserved for temperature-compensated circadian rhythms (2021)
  • Author(s): Kon Naohiro、Wang Hsin-tzu、Kato Yoshiaki S.、Uemoto Kyouhei、Kawamoto Naohiro、Kawasaki Koji、Enoki Ryosuke、Kurosawa Gen、Nakane Tatsuto、Sugiyama Yasunori、Tagashira Hideaki、Endo Motomu、Iwasaki Hideo、Iwamoto Takahiro、Kume Kazuhiko、Fukada Yoshitaka
  • Journal Title: Science Advances Volume: 7 Issue: 18 Pages: 1-12
  • DOI: 10.1126/sciadv.abe8132
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 時計遺伝子PRR7は光受容体phototropinのシグナル伝達系を制御する (2022)
  • Author(s): 森本隆弘、Carlo F M Gian 粕谷日向子、久保田茜、高橋望、中道範人、遠藤求
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会
• [Presentation] 栄養素の輸送を介した器官間でのカップリングが概日時計の安定性を高める (2022)
  • Author(s): 上本恭平、国本由美、森史、伊藤浩史、江頭春樹、久保田茜、木下俊則、荒木崇、遠藤求
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会
• [Presentation] Different root expression patterns of circadian clock in Arabidopsis thaliana (2022)
  • Author(s): Yu Leng, Akane Kubota, Nozomu Takahashi, Tatsuaki Goh, Motomu Endo
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会
• [Presentation] 組織特異的な時計遺伝子の機能解明 (2022)
  • Author(s): 大畑駿一郎、高橋望、久保田茜、遠藤求
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会
• [Presentation] B-boxファミリーGroupVは低温下で花成を制御する (2022)
  • Author(s): 近藤祐雅、久保田茜、菅野茂夫、村中智明、高橋望、今泉貴登、遠藤求
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会
• [Presentation] Seasonal cues control the daily expression patterns of FT to optimize flowering time in nature (2022)
  • Author(s): Akane Kubota, Yusuke Ozaki, Yoshinori Kondo, Motomu Endo, Takato Imaizumi
  • Organizer: 第44回分子生物学会年会
• [Presentation] 時差ボケ実験から植物の外的符合モデルを再考する (2021)
  • Author(s): 久保田茜、山本いずみ、遠藤求
  • Organizer: 第28回 日本時間生物学会学術大会
• [Presentation] Clock genes show different spatiotemporal expression in Arabidopsis thaliana root (2021)
  • Author(s): Yu Leng, Akane Kubota, Nozomu Takahashi, Tatsuaki Goh, Motomu Endo
  • Organizer: 第28回 日本時間生物学会学術大会
• [Presentation] Shoot-root two-way communication stabilizes circadian rhythm in Arabidopsis (2021)
  • Author(s): 上本恭平、国本有美、荒木崇、遠藤求
  • Organizer: 第28回 日本時間生物学会学術大会
• [Presentation] 地上部の概日時計による根毛伸長メカニズムの解析 (2021)
  • Author(s): 池田ひかり、内川大雅、近藤洋平、久保田茜、遠藤求
  • Organizer: 日本植物学会 第85回大会
• [Presentation] 野外環境における光と温度によるFT遺伝子の発現制御機構 (2021)
  • Author(s): 久保田茜、近藤祐雅、遠藤求、今泉貴登
  • Organizer: 日本植物学会 第85回大会
• [Presentation] 高温による花成制御機構の解析 (2021)
  • Author(s): 尾崎友亮、久保田茜、今泉貴登、遠藤求
  • Organizer: 日本植物学会 第85回大会
• [Presentation] Seasonal cues control the daily expression patterns of FT to optimize flowering time in nature (2021)
  • Author(s): Akane Kubota, Yusuke Ozaki, Yoshinori Kondo, Motomu Endo, Takato Imaizumi
  • Organizer: 第44回分子生物学会年会
• [Presentation] Time to update the external coincidence model in Arabidopsis (2021)
  • Author(s): Motomu Endo
  • Organizer: Sapporo Symposium on Biological Rhythm 2021
• [Presentation] 時差ボケ実験から植物の外的符合モデルを再考する (2021)
  • Author(s): 久保田茜、山本いずみ、遠藤求
  • Organizer: 第28回 日本時間生物学会学術大会
• [Presentation] Clock genes show different spatiotemporal expression in Arabidopsis thaliana root (2021)
  • Author(s): Yu Leng, Akane Kubota, Nozomu Takahashi, Tatsuaki Goh, Motomu Endo
  • Organizer: 第28回 日本時間生物学会学術大会
• [Presentation] Shoot-root two-way communication stabilizes circadian rhythm in Arabidopsis (2021)
  • Author(s): 上本恭平、国本有美、荒木崇、遠藤求
  • Organizer: 第28回 日本時間生物学会学術大会
• [Presentation] 地上部の概日時計による根毛伸長メカニズムの解析 (2021)
  • Author(s): 池田ひかり、内川大雅、近藤洋平、久保田茜、遠藤求
  • Organizer: 日本植物学会 第85回大会
• [Presentation] 野外環境における光と温度によるFT遺伝子の発現制御機構 (2021)
  • Author(s): 久保田茜、近藤祐雅、遠藤求、今泉貴登
  • Organizer: 日本植物学会 第85回大会
• [Presentation] 高温による花成制御機構の解析 (2021)
  • Author(s): 尾崎友亮、久保田茜、今泉貴登、遠藤求
  • Organizer: 日本植物学会 第85回大会