A high-resolution atlas of the shoot apical meristem in barley

• Project/Area Number: 19K05975
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 39010:Science in plant genetics and breeding-related
• Research Institution: Yokohama City University
• Principal Investigator: Ito Jun 横浜市立大学, 木原生物学研究所, 特任助教 (20373269)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2021: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2020: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2019: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 形態形成 / 茎頂分裂組織 / 花成 / ムギ / 幹細胞 / イメージング / シュート頂メリステム / オオムギ / 茎頂メリステム

Outline of Research at the Start

茎頂メリステムは少数の未分化な幹細胞と器官形成に必要な細胞を生み出す分裂細胞など複数の細胞種から構成される。本研究では、オオムギ茎頂メリステム内のすべての細胞を解析する基盤技術を作り上げるため、全細胞の位置情報を含む茎頂メリステムのアトラスの創出を目指す。具体的には、様々な条件下におけるオオムギ茎頂メリステムの1細胞解像度アトラスを創出し、それらに細胞体積・分裂活性・マーカー遺伝子発現といった細胞動態変化をマッピングすることで、オオムギにおいて花芽形成を制御する細胞（群）の特性を明らかにするとともに、とくに野外環境下の刻々と変動する環境に応じる茎頂メリステム内の細胞動態を明らかにする。

Outline of Final Research Achievements

The shoot apical meristem (SAM), which maintains a self-renewing population of undifferentiated stem cells, produces all aboveground parts of a plant. To understand how SAM is generated and maintained, it is necessary to observe and quantify the arrangement and geometry of cells, gene expression patterns, and protein localization at the cellular and subcellular levels. Three-dimensional imaging is a powerful tool for understanding precise cellular patterning. However, its application to monocots is limited. In this study, we optimized the existing protocol for the shoot apex of barley to make 3D single cell atlas of barley SAM using the obtained 3D segmented data.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、様々な栽培環境における1細胞解像度のオオムギ茎頂メリステムのアトラス（地図）を創出した。これらの茎頂メリステムアトラスには、生理活性物質の局在や1細胞 RNA-seq 解析など様々な情報を書き込むことが可能である。今後、茎頂メリステムアトラスを用いることにより、茎頂メリステムに存在する全ての細胞を網羅的に分析することが可能となり、植物のボディプランの根幹をなす茎頂メリステムの1細胞レベルでの機能の理解につながることが期待される。また、本研究で確立した解析手法は他の作物にも利用可能であり、同様の解析基盤技術の整備の推進にも貢献できる。

Research Products

• [Journal Article] Three-dimensional imaging of the shoot apex in barley (2021)
  • Author(s): Ito Jun、Tsuji Hiroyuki
  • Journal Title: PLANT MORPHOLOGY Volume: 33 Issue: 1 Pages: 25-30
  • DOI: 10.5685/plmorphol.33.25
  • ISSN: 0918-9726, 1884-4154
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Life-course monitoring of endogenous phytohormone levels under field conditions reveals diversity of physiological states among barley accessions (2020)
  • Author(s): Hirayama T, Saisho D, Matsuura T, Okada S, Takahagi K, Kanatani A, Ito J, Tsuji H, Ikeda Y, Mochida K
  • Journal Title: Plant Cell Physiologists Volume: pcaa046 Issue: 8 Pages: 1-32
  • DOI: 10.1093/pcp/pcaa046
  • NAID: 120007019116
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Training instance segmentation neural network with synthetic datasets for crop seed phenotyping. (2020)
  • Author(s): Toda, Y., Okura, F., Ito, J. et al.
  • Journal Title: Commun Biol Volume: 3 Issue: 1 Pages: 173-173
  • DOI: 10.1038/s42003-020-0905-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] シングルメリステムRNA-seq解析によるオオムギ茎頂メリステムの発生ステート推移の解明 (2022)
  • Author(s): 井藤純, 野村有子, 高萩航太郎, 岡田聡史, 佐藤奈緒, 松本大輝, 新井駿一, 杉村みどり, 関緑, 服部公央亮, 梅崎太造, 最相大輔, 持田恵一, 平山隆志, 辻寛之
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 3D イメージングとレーザーマイクロダイセクション-RNA-seq によるオオムギ花序の機能未知構造”double ridge“の解析 (2022)
  • Author(s): 佐藤奈緒，井藤純，野村有子，杉村みどり，武田（神谷）紀子，豊岡公徳，辻寛之
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] シングルメリステムトランスクリプトームによるオオムギ茎頂部の発生トラジェクトリ解析 (2021)
  • Author(s): 井藤純，野村有子，佐藤奈緒，岡田聡史，高萩航太郎，杉村みどり，関緑，最相大輔，持田恵一，平山隆志，辻寛之
  • Organizer: 日本育種学会第140回講演会
• [Presentation] オオムギ花序メリステムの細胞死過程の一細胞解像度動態解析 (2021)
  • Author(s): 松本大輝，井藤純，新井駿一，野村有子，杉村みどり，佐藤奈緒，関緑，宇野何岸，佐藤良勝，最相大輔，辻寛之
  • Organizer: 日本育種学会第140回講演会
• [Presentation] 野外・室内環境下におけるオオムギシュート頂メリステムの細胞動態解析． (2021)
  • Author(s): 新井駿一，井藤純，久下修平，佐藤奈緒，野村有子，杉村みどり，最相大輔，辻寛之
  • Organizer: 日本植物生理学会第 62 回年会
• [Presentation] オオムギの VRN1::GFP 形質転換体を用いた幼穂形成過程の 1 細胞解像度 3D イメージング (2020)
  • Author(s): 佐藤奈緒，井藤純，久下修平，新井駿一，野村有子，辻寛之
  • Organizer: 第 18 回ムギ類研究会
• [Presentation] 野外環境下におけるオオムギシュート頂メリステムの一細胞動態解析． (2020)
  • Author(s): 新井駿一，久下修平，佐藤奈緒，野村有子，杉村みどり，最相大輔，井藤純，辻寛之
  • Organizer: 日本育種学会第 138 回講演会
• [Presentation] オオムギの VRN1-GFP 形質転換体を用いた幼穂形成過程の 1 細胞解像度 3D イメージング． (2020)
  • Author(s): 佐藤奈緒，井藤純，久下修平，新井駿一，野村有子，辻寛之
  • Organizer: 日本育種学会第 138 回講演会
• [Presentation] イメージングから探るオオムギシュート頂メリステムの発生過程． (2020)
  • Author(s): 井藤純，久下修平，新井駿一，佐藤奈緒，鷲見典克，服部公央亮，野村有子，赤司裕子，田中真理，最相大輔，梅崎太造，平山隆志，辻寛之
  • Organizer: 日本植物学会第 84 回大会
• [Presentation] 野外環境におけるオオムギ茎頂メリステムの成長過程の系統間比較 (2019)
  • Author(s): 井藤純，野村有子，最相大輔，高萩航太郎，持田恵一，平山隆志，辻寛之
  • Organizer: 日本育種学会第136回講演会
• [Presentation] オオムギ茎頂メリステムの全層透明化による 3D イメージング (2019)
  • Author(s): 久下修平，井藤純，野村有子，辻寛之
  • Organizer: 日本育種学会第136回講演会
• [Presentation] 1細胞RNA-seq解析に向けたオオムギ幼穂からの1細胞単離系の確立 (2019)
  • Author(s): 佐藤奈緒，井藤純，野村有子，武田紀子，辻寛之
  • Organizer: 日本育種学会第136回講演会
• [Presentation] 屋外環境におけるオオムギシュート頂メリステムの遺伝子発現変化 (2019)
  • Author(s): 井藤純，野村有子，高萩航太郎，最相大輔，持田恵一，平山隆志，辻寛之
  • Organizer: 第17回ムギ類研究会
• [Presentation] Coordinating the growth and cell division at the shoot apical meristem in barley (2019)
  • Author(s): Ito, J., Kuge, S., Goh, T., Hisanaga, T., Akashi H., Nomura, Y., Uno, K., Sato, Y., and Tsuji, H.
  • Organizer: International Symposium on the Future Direction of Plant Science by Young Researchers
  • Int'l Joint Research