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葉枕の力学的な可塑性を担う細胞壁発達制御メカニズムの解析

Research Project

Project/Area Number 20K06707
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 44030:Plant molecular biology and physiology-related
Research InstitutionKumamoto University (2023)
Nara Institute of Science and Technology (2020-2022)

Principal Investigator

中田 未友希 (高原 未友希 / 中田未友希)  熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 准教授 (60707579)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2020: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Keywords葉枕スリット / 葉の運動 / 細胞壁 / 組織構造 / マイクロフォーカスX線CT / マメ科植物 / アオイ科植物 / 組織構造の解剖学的解析 / 葉枕 / 力学特性 / 力学的可塑性
Outline of Research at the Start

本研究では、一般的な組織とは異なるユニークな力学的特性を持つ組織として、マメ科植物の「葉枕」に着目する。葉枕はマメ科植物の葉の日周性の運動(就眠運動)や刺激に応答した素早い運動(オジギ運動など)を司る組織であり、伸展と収縮の反復を可能にする力学的な可塑性を有する。本研究では、葉枕の力学的な可塑性を担う細胞壁の構成や修飾状態を明らかにし、その発達過程を制御するメカニズムを遺伝子レベルで明らかにすることを目指す。本研究が完成した場合、再生可能な植物細胞壁を原料とした伸縮性素材の開発といった産業応用につながることが期待される。

Outline of Annual Research Achievements

マメ科ではほぼ全ての植物種で葉枕構造や運動性が観察されるのに対し、アオイ科では葉枕の有無や形状、葉の運動性の多様度が非常に高いことから、アオイ科のモデルとしてケナフに着目し、葉の運動性と組織構造について調べた。ケナフにおいて、葉の向日性の動きが顕著に見られることがわかったため、葉枕の形状と内部の組織構造との関連性を調べることとした。diceCT法を用いて内部コントラストを増強したケナフ葉枕をマイクロフォーカスX線CTで撮影し、3D-CT画像の半自動定量解析のためのワークフローで開発した。このワークフローは3つのステップから構成される。1つ目は葉枕の中央線の多項式近似と中央線の曲率分析のステップ、2つ目はグレーバリュー解析による局所閾値マップの構築のステップ、3つ目は抽出した組織構造のメッシュを用いた組織パラメータの算出と統計解析である。これらのステップのほとんどはPythonプログラムにより自動で解析・処理される。1つ目のステップを開発する過程で、ケナフの葉枕の形状が、極座標多項式回帰により近似でき、渦巻きの巻き始めと形態的に類似していることがわかった。また、2つ目のステップの開発の過程で、葉枕のX線吸収量には葉枕の曲がった内側と外側、葉柄に違い側と葉身に近い側でそれぞれ違いがあることを見出した。そのため、葉ごとにグレーバリューを解析し、閾値マップを求める必要があることがわかった。得られたパラメータでネットワーク解析やLASSO解析を行なったところ、曲率とサイズ標準化した皮層の断面積の関連性が見出され、曲率がサイズ標準化した皮層の断面積の5乗に比例することを見出した。本研究の成果をJournal of Plant Research誌において発表した(doi: 10.1007/s10265-023-01498-w)。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

2023年10月に熊本大学に准教授として着任し、異動の前後で研究を中断せざるをえなかったため。

Strategy for Future Research Activity

葉枕や葉の運動の多様性について引き続き調査を進めるとともに、アオイ科の葉枕の多様性についてケナフ以外の植物種の3DCT画像の分析も行い、比較解析を行う。また、かねてより準備を行なっているマメ科のモデル種を用いた遺伝学的分析について、葉枕スリットに関連する遺伝子の解析も進める。

Report

(4 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • Research Products

    (12 results)

All 2023 2022 Other

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (5 results) (of which Invited: 1 results) Remarks (3 results)

  • [Journal Article] Simultaneous analysis of shape and internal structure of a curved Hibiscus cannabinus pulvinus: X-ray microtomography and semi-automated quantification2023

    • Author(s)
      Nakata Miyuki T.、Takahara Masahiro、Yamada Toshihiro、Demura Taku
    • Journal Title

      Journal of Plant Research

      Volume: 137 Issue: 1 Pages: 79-94

    • DOI

      10.1007/s10265-023-01498-w

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Pulvinar slits: Cellulose-deficient and de-methyl-esterified pectin-rich structures in a legume motor cell2023

    • Author(s)
      Takahara Masahiro、Tsugawa Satoru、Sakamoto Shingo、Demura Taku、Nakata Miyuki T
    • Journal Title

      Plant Physiology

      Volume: - Issue: 2 Pages: 1-1

    • DOI

      10.1093/plphys/kiad105

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Mechanics of Reversible Deformation during Leaf Movement and Regulation of Pulvinus Development in Legumes2022

    • Author(s)
      Nakata Miyuki T.、Takahara Masahiro
    • Journal Title

      International Journal of Molecular Sciences

      Volume: 23 Issue: 18 Pages: 10240-10240

    • DOI

      10.3390/ijms231810240

    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Journal Article] Pulvinar Slits: Cellulose-deficient and De-esterified Homogalacturonan-rich Structures in a Legume Motor Cell2022

    • Author(s)
      Takahara Masahiro、Tsugawa Satoru、Sakamoto Shingo、Demura Taku、Nakata Miyuki T
    • Journal Title

      bioRxiv

      Volume: -

    • DOI

      10.1101/2022.03.10.483846

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Open Access
  • [Presentation] ケナフ葉枕の形状と内部構造の同時解析: X線マイクロトモグラフィと半自動定量化2023

    • Author(s)
      中田未友希, 高原正裕, 山田敏弘, 出村拓
    • Organizer
      第6回植物インフォマティクス研究会年会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 葉の運動器官にひそむ切り紙構造~植物細胞壁の新たな役割~2023

    • Author(s)
      中田未友希
    • Organizer
      日本植物学会 一般向け講演会「植物が好き! -植物科学が拓く新しい世界-」
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] ケナフ葉枕の 3 次元 CT 画像定量解析2023

    • Author(s)
      中田未友希, 高原正裕, 山田敏弘, 出村拓
    • Organizer
      第 64 回日本植物生理学会年会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] マメ科の葉の運動細胞に特有の細胞壁構造「葉枕スリット」の発見2022

    • Author(s)
      高原正裕, 津川暁, 坂本真吾, 出村 拓, 中田 未友希
    • Organizer
      日本植物学会第86回大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] マメ科の葉の運動細胞に特有の細胞壁構造 「葉枕スリット」の発見2022

    • Author(s)
      高原正裕, 津川暁, 坂本真吾, 出村拓, 中田未友希
    • Organizer
      細胞壁研究者ネットワーク第 16 回定例研究会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Remarks] マメ科植物の葉が動くしくみに迫る

    • URL

      http://www.naist.jp/pressrelease/files/20230227nakata.pdf

    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Remarks] マメ科植物の葉が動くしくみに迫る

    • URL

      https://bsw3.naist.jp/research/index.php?id=2646

    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Remarks] Pulvinar slits in the cell wall of legume motor ce

    • URL

      http://www.naist.jp/en/research_achievements/2023/03/009735.html

    • Related Report
      2022 Research-status Report

URL: 

Published: 2020-04-28   Modified: 2024-12-25  

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