細胞膜ドメインの周期性とその変調が導出する植物の細胞壁パターン

• Project Area: Intrinsic periodicity of cellular systems and its modulation as the driving force behind plant development
• Project/Area Number: 19H05677
• 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: Nagoya University (2021-2023); National Institute of Genetics (2019-2020)
• Principal Investigator: 小田 祥久 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (30583257)
• 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: 細胞膜ドメイン / 微小管 / 細胞壁 / 道管 / 液液相分離 / 細胞骨格 / 細胞膜 / Gタンパク質

Outline of Research at the Start

植物の体は様々なタイプの細胞が積み重なるようにして作られている。このような植物の組織の成長はそれぞれの細胞における細胞壁の沈着の仕方に大きく依存している。研究代表者はこれまでに植物体内で水を運ぶ役割を担う道管の細胞をモデルとして細胞壁の沈着の仕方を制御する仕組みを明らかにしてきた。その一方で細胞壁の沈着の仕方が一様にあるいは多様に制御される仕組みや、周辺の細胞と協調的に細胞壁の沈着の仕方を調節する仕組みほどんど分かっていない。本研究では道管の細胞に周期的な構造が生じる過程を解析し、細胞の自律的・協調的に細胞壁の沈着の仕方を制御する仕組みを明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

植物は移動能をもたない細胞で構成されるため、植物の発生は個々の細胞が連携して分裂、成長、分化する一連の挙動の集積によって成し遂げられる。植物細胞の挙動は細胞表面に沈着する細胞壁の沈着パターンに依存しており、個々の細胞は細胞タイプごとに固有の細胞壁の沈着パターンを構築している。道管の細胞は植物が根から吸収した水を輸送するため、細胞表面に厚く丈夫な細胞壁を螺旋、網目、孔紋状などの秩序立ったパターンに沈着する。道管の細胞表層では微小管が形成する周期的な配列に、低分子量Gタンパク質ROPの活性化反応が変調を与えることによって細胞膜上に複合的な周期が生じ、これが道管に特徴的な細胞壁の周期パターンの鋳型となる。本研究ではこれまでに研究代表者が明らかにしてきた細胞壁パターンの制御を手掛かりに、研究代表者がもつ道管分化誘導系や周期ドメインの再構築実験系と、領域のイメージング技術、数理・情報工学を融合することにより、道管分化における周期ドメインの時空間的な変調を精密に解析してきた。今年度の研究では、本研究課題で開発した、機械学習を取り入れた細胞壁パターンの解析ソフトを実際のデータ解析に投入し、様々な変異体の細胞壁パターンの空間周期性を解析した。変異体を細胞レベルで解析するためのマーカーラインおよび道管の異所的誘導系の導入を行い、細胞壁パターンの空間周期性の創出に伴う細胞骨格の動態を、細胞骨格制御因子の液液ー相分離に着目して解析した。その結果、微小管に付随したタンパク質の相分離が微小管の動態、さらには細胞壁の周期性を制御していることを見出した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

今年度の研究では、本研究課題で共同研究者と共に開発した機械学習を取り入れた細胞壁パターンの解析プログラムを実際のデータ解析に用い、様々な変異体の原生木部道管および後生木部道管の二次細胞壁パターンの空間周期性を解析した。変異体を細胞レベルで解析するため新たに設計した蛍光タンパク質を融合したマーカーラインおよび道管の異所的誘導系の導入した系統を選抜し、細胞壁パターンの空間周期性の出現に伴う細胞骨格の動態を解析した。さらに細胞骨格とその制御タンパク質の細胞内での詳細な空間配置と動態を共焦点顕微鏡を用いて解析した。その結果、微小管に付随したタンパク質の液液相分離が細胞壁パターンの周期性を制御しているという新知見を得た。これらはおおよそ計画通りの進行であり、おおむね順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

来年度は共同働開発した機械学習の解析プログラムをさらに改良し、短時間により多くのサンプルを高い精度で解析できるようにアップデートする予定である。このプログラムを用いて今後さらに単離する予定の変異体群の原生木部道管および後生木部道管の二次細胞壁パターンの空間周期性を解析する。二次細胞壁の周期性を制御する因子、特に微小管に付随して液液相分離を引き起こすタンパク質に関して、詳細な動態を明らかにするほか、液液相分離をもたらすドメインの解析を行う。また、各種阻害剤による細胞内局在への影響を調べることにより、そのタンパク質の作用機序を明らかにする予定である。二次細胞壁の周期性制御因子の相互作用因子の候補に関しても機能的な解析を進める予定である。これらの因子の多重変異体を作出し、それぞれの変異体背景における相互作用因子の細胞内局在を調べることで、両者の遺伝学的な関係性を明らかにする。植物体の道管に加え、異所的な道管誘導系も併用して両者の局在を観察する予定である。タンパク質の性質についてはin vitroでの解析も行う予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Stockholm University(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] University of Cambridge(英国)
• [Journal Article] Microtubule-associated phase separation of MIDD1 tunes cell wall spacing in xylem vessels in Arabidopsis thaliana (2024)
  • Author(s): Higa Takeshi、Kijima Saku T.、Sasaki Takema、Takatani Shogo、Asano Ryosuke、Kondo Yohei、Wakazaki Mayumi、Sato Mayuko、Toyooka Kiminori、Demura Taku、Fukuda Hiroo、Oda Yoshihisa
  • Journal Title: Nature Plants Volume: 10 Issue: 1 Pages: 100-117
  • DOI: 10.1038/s41477-023-01593-9
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Confined-microtubule assembly shapes three-dimensional cell wall structures in xylem vessels (2023)
  • Author(s): Sasaki Takema、Saito Kei、Inoue Daisuke、Serk Henrik、Sugiyama Yuki、Pesquet Edouard、Shimamoto Yuta、Oda Yoshihisa
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 14 Issue: 1 Pages: 6987-6987
  • DOI: 10.1038/s41467-023-42487-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ab-GALFA, A bioassay for insect gall formation using the model plant Arabidopsis thaliana (2023)
  • Author(s): Tomoko Hirano , Ayaka Okamoto , Yoshihisa Oda , Tomoaki Sakamoto , Seiji Takeda , Takakazu Matsuura , Yoko Ikeda , Takumi Higaki , Seisuke Kimura , Masa H Sato
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 13 Issue: 1 Pages: 2554-2554
  • DOI: 10.1038/s41598-023-29302-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Microtubule-associated ROP interactors affect microtubule dynamics and modulate cell wall patterning and root hair growth (2022)
  • Author(s): Feiguelman Gil、Cui Xiankui、Sternberg Hasana、Hur Eliran Ben、Higa Takeshi、Oda Yoshihisa、Fu Ying、Yalovsky Shaul
  • Journal Title: Development Volume: 149 Issue: 22
  • DOI: 10.1242/dev.200811
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Secondary cell wall patterning: connecting the dots, pits and helices (2022)
  • Author(s): Xu Huizhen、Giannetti Alessandro、Sugiyama Yuki、Zheng Wenna、Schneider Rene、Watanabe Yoichiro、Oda Yoshihisa、Persson Staffan
  • Journal Title: Open Biology Volume: 12 Issue: 5
  • DOI: 10.1098/rsob.210208
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cell-by-cell dissection of phloem development links a maturation gradient to cell specialization (2021)
  • Author(s): Roszak P, Heo J, Blob B, Toyokura K, Sugiyama Y, de Luis Balaguer MA, Lau W, Hamey F, Cirrone J, Madej E, Bouatta A, Wang X, Guichard M, Ursache R, Tavares H, Verstaen K, Wendrich J, Melnyk C, Oda Y, Shasha D, Ahnert S, Saeys Y, De Rybel B, Heidstra R, Scheres B, Grossmann G, Mahonen AP, Denninger P, Gttgens B et al.
  • Journal Title: Science Volume: 374 Issue: 6575
  • DOI: 10.1126/science.aba5531
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A Quantitative Method for Evaluating Phragmoplast Morphology (2021)
  • Author(s): Sasaki Takema、Oda Yoshihisa
  • Journal Title: Methods Mol Biol Volume: 2382 Pages: 225-232
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-1744-1_13
  • ISBN: 9781071617434, 9781071617441
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Excess Pyrophosphate Restrains Pavement Cell Morphogenesis and Alters Organ Flatness in Arabidopsis thaliana (2020)
  • Author(s): Gunji Shizuka、Oda Yoshihisa、Takigawa-Imamura Hisako、Tsukaya Hirokazu、Ferjani Ali
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 11 Pages: 31-31
  • DOI: 10.3389/fpls.2020.00031
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A Novel Katanin-Tethering Machinery Accelerates Cytokinesis (2019)
  • Author(s): Sasaki Takema、Tsutsumi Motosuke、Otomo Kohei、Murata Takashi、Yagi Noriyoshi、Nakamura Masayoshi、Nemoto Tomomi、Hasebe Mitsuyasu、Oda Yoshihisa
  • Journal Title: Current Biology Volume: 29 Issue: 23 Pages: 4060-4070.e3
  • DOI: 10.1016/j.cub.2019.09.049
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 転写調節されるアクチン重合が木部道管における細胞壁パターンを切り替える (2024)
  • Author(s): 貴嶋紗久, 佐々木武馬, 近藤侑貴, 稲垣宗一, 山口雅利, 小田祥久
  • Organizer: 第６５回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 陸上植物におけるprospindle の形成機構と役割について (2024)
  • Author(s): 佐々木武馬, 石崎公庸, 本瀬宏康, 小田祥久
  • Organizer: 第６５回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Exploring autolytic mechanisms of sieve elements with an improved phloem induction system (2024)
  • Author(s): Yuki Sugiyama, Yoshihisa Oda
  • Organizer: 第６５回日本植物生理学会年会
  • Invited
• [Presentation] Microtubule organization in xylem vessels (2023)
  • Author(s): Yoshihisa Oda
  • Organizer: 第49回内藤コンファレンス
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] The role of G protein dynamics in microtubule organizaion during xylem development (2023)
  • Author(s): Shogo TAKATANI, Takeshi HIGA, Yoshihisa ODA
  • Organizer: 第49回内藤コンファレンス
• [Presentation] 道管において微小管に付随した相分離現象が細胞壁パターンを調節する (2023)
  • Author(s): 比嘉 毅, 貴嶋 紗久, 佐々木 武馬, 高谷 彰吾, 近藤 洋平, 佐藤 繭子, 若崎 眞由美, 豊岡 公徳, 出村 拓, 福田 裕穂, 小田 祥久
  • Organizer: 日本植物学会第87回大会
• [Presentation] MIDD1凝集体による微小管脱重合機構の解析 (2023)
  • Author(s): 浅野僚介, 佐々木武馬, 高谷彰吾, 小田祥久
  • Organizer: 日本植物学会第87回大会
• [Presentation] 道管の細胞壁形成を制御するROPエフェクターの解析 (2023)
  • Author(s): 小林恒, 佐々木武馬, 小田祥久
  • Organizer: 日本植物学会第87回大会
• [Presentation] 道管の細胞壁パターンを制御する新規細胞骨格付随タンパク質の解析 (2023)
  • Author(s): 三宅陽穗, 杉山友希, 佐々木武馬, 小田祥久
  • Organizer: 日本植物学会第87回大会
• [Presentation] 陸上植物における紡錘体軸および細胞分裂方向の制御機構 (2023)
  • Author(s): 佐々木 武馬, 石崎 公庸, 本瀬 宏康, 小田 祥久
  • Organizer: 日本植物学会第87回大会
• [Presentation] 植物の道管に見る細胞内パターン形成のロジック (2023)
  • Author(s): 小田 祥久
  • Organizer: 第６１回日本生物物理学会年会
• [Presentation] 植物における細胞壁形成の時空間制御 (2023)
  • Author(s): 小田 祥久
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] 道管液フローを規定する細胞壁パターンの構築機構 (2023)
  • Author(s): 小田 祥久
  • Organizer: 第46回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] 微小管依存的な液-液相分離を介した二次細胞壁パターンの制御 (2022)
  • Author(s): 比嘉毅, 近藤洋平, 出村拓, 福田裕穂, 小田祥久
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 直接的なアクチンイメージングを目指した機能的なアクチン修飾法の開発 (2022)
  • Author(s): 貴嶋紗久, 坂本真吾, 光田展隆, 小田祥久
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 微小管付随タンパク質CORD はゼニゴケにおいて細胞分裂面の決定に関与する (2022)
  • Author(s): 佐々木武馬, 石崎公庸, 本瀬宏康, 小田祥久
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 二次細胞壁パターンのねじれを抑制する細胞骨格因子の同定 (2022)
  • Author(s): 佐々木武馬, 山田萌恵, 貴嶋紗久, 比嘉毅, 佐藤繭子, 若崎眞由美, 豊岡公徳, 近藤洋平, 堤元佐, 大友康平, 村田隆, 根本知己, 小田祥久
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] イメージング共同研究から迫る植物細胞壁の構築機構 (2021)
  • Author(s): 小田祥久
  • Organizer: 北海道大学ニコンイメージングセンター 学術講演会
  • Invited
• [Presentation] イメージング共同研究から迫る植物細胞壁の構築機構 (2021)
  • Author(s): 小田祥久
  • Organizer: 北海道大学ニコンイメージングセンター学術講演会
  • Invited
• [Presentation] シロイヌナズナvegetativeアクチン変異株の表現型解析 (2021)
  • Author(s): 貴嶋紗久, 光田展隆, 小田祥久
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 葉緑体光定位運動における新規phot2相互作用因子の解析 (2021)
  • Author(s): 比嘉毅, 後藤栄治, 和田正三, 小田祥久, 中井正人
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 新規ゴルジ局在タンパク質HOPはカロースの蓄積制御を介し細胞板の形成に寄与する (2021)
  • Author(s): 佐々木武馬, 小田祥久
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Molecular basis of cell wall patterning in xylem vessels (2020)
  • Author(s): Yoshihisa Oda
  • Organizer: From cellular dynamics to morphology
  • Invited
• [Presentation] アクチン・微小管相互作用の理解に向けたシロイヌナズナvegetativeアクチンアイソフォーム変異株の表現型解析 (2020)
  • Author(s): 貴嶋紗久, 光田展隆, 上田太郎, 小田祥久
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 植物の道管における細胞壁パターンの構築機構 (2020)
  • Author(s): 小田 祥久
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] 道管分化にみる細胞内秩序の構築機構 (2019)
  • Author(s): 小田祥久
  • Organizer: 植物科学シンポジウム2019「SDGsに向けた植物科学の展開」
  • Invited
• [Presentation] 微小管付随タンパク質CORDにより制御されるフラグモプラストの動態 (2019)
  • Author(s): 佐々木武馬, 堤元佐, 大友康平, 村田隆, 中村匡良, 根本知己, 長谷部光泰, 小田祥久
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] 細胞壁の非対称性を生み出す分子システム (2019)
  • Author(s): 杉山友希, 長島慶宜, 若崎眞由美, 佐藤繭子, 豊岡公徳, 福田裕穂, 小田祥久
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
  • Invited