基部陸上植物を用いてガス交換系の発生と応答を統合的に解明する

• Project/Area Number: 20J01187
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 44030:Plant molecular biology and physiology-related
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 相原 未耶 (2021-2022) 名古屋大学, トランスフォーマティブ生命分子研究所, 特別研究員(PD); 水谷 未耶 (2020) 名古屋大学, トランスフォーマティブ生命分子研究所, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 細胞間隙 / 細胞壁 / 環境適応 / ガス交換 / 器官発生 / 環境応答

Outline of Research at the Start

植物のガス交換を理解するためには、間隙と孔を一つのユニットとする「ガス交換系」として解析することが必須である。孔については、これまで被子植物の気孔について発生と応答が各々研究されてきたが、より詳細な理解のためには発生と応答を包括的に解析する必要がある。本研究では、ゼニゴケの特徴であるハイスループットなスクリーンニング系を生かして、間隙形成の仕組みに加えて孔の発生と応答を統合的に理解することを目指す。さらに、シロイヌナズナと比較を行うことで、ゼニゴケ特異的な現象にとどまらず、陸上植物に共通する現象として理解できるだけでなく、長らく研究されてきた被子植物にとっても新たな知見が得られると期待される。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、苔類ゼニゴケを用いて、ガス交換系を構成する間隙と孔の発生の分子機構、孔の開閉制御の分子機構の解明を目的として研究をおこなってきた。最終年度では、既に順遺伝学的に得られていた間隙形成の変異体５種類について、次世代シーケンサーを用いた解析を行い、候補となる原因遺伝子の単離を試みた、これらの結果を踏まえて、過剰発現によって気室の形成を抑制する因子、すなわち気室形成を負に抑制する因子を同定し、この因子が転写因子である可能性が高いことから、ドメイン構造を含む機能の解析、維管束植物との共通性などを解析した。その結果この転写因子はメリステム近傍で働くことで気室の形成を抑制している可能性が高まった。
孔の応答解析においては、高感度サーモグラフィーと顕微レンズを組み合わせることによって、条件検討を行い、孔とその周辺の温度変化を検出することに成功した。また、この系と光合成活性の測定装置を用いて、間隙と孔のガス交換効率の測定を行った。また、シロイヌナズナにおいて孔の応答を制御する化合物をゼニゴケに処理し、既にシロイヌナズナで知られているタンパク質の修飾や応答が見られるかを観察し、ゼニゴケでの分子機構の理解や維管束植物との共通性は明らかになりつつある。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Image-Based Quantification of <i>Arabidopsis thaliana</i> Stomatal Aperture from Leaf Images (2023)
  • Author(s): Takagi Momoko、Hirata Rikako、Aihara Yusuke、Hayashi Yuki、Mizutani-Aihara Miya、Ando Eigo、Yoshimura-Kono Megumi、Tomiyama Masakazu、Kinoshita Toshinori、Mine Akira、Toda Yosuke
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: - Issue: 11 Pages: 1301-1310
  • DOI: 10.1093/pcp/pcad018
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Type 2C protein phosphatase clade D family members dephosphorylate guard cell plasma membrane H+-ATPase (2021)
  • Author(s): Akiyama Mitsumasa、Sugimoto Hodaka、Inoue Shin-ichiro、Takahashi Yohei、Hayashi Maki、Hayashi Yuki、Mizutani Miya、Ogawa Takumi、Kinoshita Daichi、Ando Eigo、Park Meeyeon、Gray William M、Kinoshita Toshinori
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 188 Issue: 4 Pages: 2228-2240
  • DOI: 10.1093/plphys/kiab571
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 植物科学の「人工知能」との関わり方を考える (2020)
  • Author(s): 大倉 史生、水谷 未耶、野下 浩司、戸田 陽介
  • Journal Title: BSJ-Review Volume: 11 Issue: C Pages: 185-206
  • DOI: 10.24480/bsj-review.11c2.00191
  • ISSN: 2432-9819
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 陸上植物におけるガス交換系の発生と環境への適応 (2022)
  • Author(s): ○水谷 未耶、内橋 貴之、Ganser Christian、林 優紀、大川 諒也、大西 (小川) 真理、松林 嘉克、西浜 竜一、木下 俊則、石崎 公庸、河内 孝之、東山 哲也、金岡 雅浩
  • Organizer: 植物学会 2aSA04
• [Presentation] 植物の光合成を担う細胞間隙発生の分子機構と最適化構造 (2022)
  • Author(s): 〇水谷未耶
  • Organizer: 2022年度日本建築学会大会