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 / 細胞運命決定 / 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

本研究では、概日時計が植物の分化や根毛伸長、栄養素の取り込みなど多面的な影響を及ぼしていることを明らかにした。
【植物の分化と概日時計】　ES細胞やiPS細胞といった動物細胞では概日リズムが見られず、発生が進むにつれて概日リズムが見られるようになる。植物細胞においても側根原基や魂胆分裂組織では概日時計の位相は常にリセットされていると考えられており、概日リズムの形成と植物の細胞運命決定には密接な関連があると予想されていた。しかし、植物のみ文化細胞は植物組織の深部にあり、また数も少ないことから、概日リズムの形成と細胞運命決定の因果については不明のままであった。本研究では、葉の細胞を脱分化しそこから維管束細胞へと細分化する分化誘導系を用いることで、分化過程における1細胞時系列トランスクリプトーム解析から、概日リズムの形成過程を解析した。その結果、概日リズムの形成は主要な分化マーカの発現に先立って起こっており、最初に遺伝子発現が増加するLUXと呼ばれる時計遺伝子が分化に重要な遺伝子のプロモーターに結合し、転写を制御していることを明らかにした。
【根毛伸長と概日時計】　根毛伸長は概日時計によって制御されており、周期的な根毛長のリズムを示すことを新たに明らかにした。さらに接ぎ木実験や部分照射実験により、地上部の概日時計が根に何らかのシグナルを伝達していることも示され、概日時計の情報が長距離シグナル伝達されていることを示す新たな証拠が得られた。
【栄養素の取り込みと概日時計】　地上部から根へと時間情報が伝達されることが示された一方で、根から地上部への時間情報の伝達は長い間不明であった。接ぎ木と栄養欠乏培地を組み合わせることで、根の時計遺伝子PRR7がカリウムを中心とする陽イオンの取り込みに関わっており、その周期的な栄養素のリズムが地上部の概日リズムの安定化に寄与することを見出した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初計画していた1細胞トランスクリプトームの時系列解析から見つかった時計遺伝子の機能をハブとして、根における概日時計の役割の理解が大きく進んだ。論文もいくつか出ており概ね順調に進展している。

Strategy for Future Research Activity

根毛伸長における概日時計の役割については、ビデオ画像からの機械学習により根毛伸長をより定量的かつ半自動で計測できるシステムの共同研究が実施中である。具体的には根が伸びる4日間程度の動画の各コマにおける根毛の長さと位置を自動で計測し、どの根毛がどの程度の速度で伸長するのかを計測できるようにする。これにより、多くの実験条件を調べることが容易になり、根毛伸長に関わる環境要因および遺伝的な要因の解明が進むと期待される。
さらに、根毛伸長の素過程が伸長速度と伸長の持続時間の2つの要素に分けられることを明らかにし、それぞれに関わっていると考えられる遺伝子をすでに同定している。今後、それらの遺伝子と概日時計の関係を精査することで、この分野における理解がさらに深まると期待される。

Research Products

• [Journal Article] Circadian Clock Controls Root Hair Elongation through Long-Distance Communication (2023)
  • Author(s): Ikeda Hikari、Uchikawa Taiga、Kondo Yohei、Takahashi Nozomu、Shishikui Takuma、Watahiki Masaaki K、Kubota Akane、Endo Motomu
  • Journal Title: Plant And Cell Physiology Volume: 64 Issue: 11 Pages: 1289-1300
  • DOI: 10.1093/pcp/pcad076
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The FLOWERING LOCUS T gene expression is controlled by high-irradiance response and external coincidence mechanism in long days in Arabidopsis. (2023)
  • Author(s): Lee Nayoung、Ozaki Yusuke、Hempton Andrew K.、Takagi Hiroshi、Purusuwashi Savita、Song Young Hun、Endo Motomu、Kubota Akane、Imaizumi Takato
  • Journal Title: New Phytologist Volume: - Issue: 1 Pages: 208-221
  • DOI: 10.1111/nph.18932
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [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 / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A guiding role of the Arabidopsis circadian clock in cell differentiation revealed by time-series single-cell RNA sequencing (2022)
  • Author(s): Torii Kotaro、Inoue Keisuke、Bekki Keita、Haraguchi Kazuya、Kubo Minoru、Kondo Yuki、Suzuki Takamasa、Kubota Akane、Uemoto Kyohei、Shimizu Hanako、Saito Masato、Fukuda Hiroo、Araki Takashi、Endo Motomu
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 40 Issue: 2 Pages: 111059-111059
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2022.111059
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [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 / Open Access
• [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
• [Book] 植物の行動生態学 感じて、伝えて、記憶し、応答する植物たち (2023)
  • Author(s): 種生物学会 編 ／ 山尾 僚・川窪伸光 責任編集
  • Total Pages: 224
  • Publisher: 文一総合出版
  • ISBN: 9784829962091