道管をモデルとした細胞壁グランドデザインの構築機構の研究

• Project/Area Number: 21H02514
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 44030:Plant molecular biology and physiology-related
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 小田 祥久 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (30583257)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000); Fiscal Year 2023: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2022: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2021: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
• Keywords: 細胞壁 / 微小管 / 低分子量GTPase / 植物 / 細胞骨格

Outline of Research at the Start

細胞の形は個々の細胞のはたらき、さらには個体の正常な発達に必須です。植物においては細胞壁の沈着パターンが細胞の形とはたらきを決定づけています。植物の発生過程ではいかにしてそれぞれの細胞が固有の細胞壁パターンをつくりだしているのでしょうか？本研究では特徴的な細胞壁パターンを作り分ける道管組織に着目し、細胞が固有の細胞壁パターンを作り出す仕組みの解明を目指します。

Outline of Annual Research Achievements

細胞の形態形成は個々の細胞の機能、さらには個体の正常な発達に必須である。植物においては細胞壁の沈着パターンが細胞形態の主な決定要因である。植物の発生過程では様々な細胞が固有の細胞壁パターンを構築することにより細胞の多様な機能と形態を実現している。細胞全体にわたる固有の細胞壁パターンを決定する設計図、すなわち細胞壁のグランドデザインはどのようにして構築されるのであろうか。本研究では螺旋、網目、孔紋など全く異なる細胞壁パターンを作り分ける道管組織に着目し、細胞が固有の細胞壁パターンを作り出す仕組みの解明を目指す。申請者が見出した道管細胞壁パターンのタイプ変換活性を持つ新規タンパク質を中心に、細胞骨格や低分子量Gタンパク質の時空間的なふるまいを独自の道管分化誘導系を用いて解析する。その振る舞いを細胞内外で再構成すること
により、細胞内で固有の空間パターンが構築される仕組みを解明する。細胞内での空間パターンの構築は道管のような植物細胞に限らず細胞形態の要であることから、本研究は普遍的な細胞形態形成の理解に繋がるはずである。今年度は道管細胞壁パターンのタイプ変換活性を持つ新規タンパク質の細胞内での局在、およびその変異体における細胞骨格の挙動、過剰発現による細胞骨格動態への影響を、昨年度作出した一連の形質転換体群を用いて共焦点レーザー顕微鏡および全反射顕微鏡を用いて解析した。シロイヌナズナ懸濁培養細胞、およびベンザミアナタバコの葉の表皮を用いて一過的な発現による当該因子の局在と動態も解析した。当該遺伝子の多重変異体を作出する準備も行った。

Current Status of Research Progress

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

Reason

今年度は道管細胞壁パターンのタイプ変換活性を持つ新規タンパク質の細胞内での局在、およびその変異体における細胞骨格の挙動、過剰発現による細胞骨格動態への影響を調べるため蛍光タンパク質を融合した対象遺伝子の発現体や、変異体背景および過剰発現背景で微小管マーカーやアクチン繊維マーカーを発現する形質転換体の解析を行った。スピニングディスク共焦点レーザー顕微鏡および全反射顕微鏡を用いた詳細な観察と、各種画像解析による定量化を行った。シロイヌナズナ懸濁培養細胞、およびベンザミアナタバコの葉の表皮を用いて、エストロゲン誘導系による一過的な過剰発現実験も行った。全体としては順調に進んでおり、おおむね順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

今回作出したシロイヌナズナ形質転換体のさらに詳細な解析を行う予定である。道管細胞壁パターンのタイプ変換活性を持つ新規タンパク質の原生木部および後生木部における細胞内での局在を各種顕微鏡を用いて観察する。二次細胞壁を染色し二次細胞壁の沈着部位との関連を解析する予定である。細胞内局在に加え、タイムラプス観察によりその動態も明らかにする。対象遺伝子の過剰発現体では微小管およびアクチン繊維の分布や、重合脱重合のダイナミクス、束化の度合いに影響を受けるかどうか定量的に解析する。次に、細胞内局在や細胞骨格への影響に重要な内部ドメインを明らかにするために、構成ドメインを一つずつ除去したtruncationシリーズのプラスミドを作成し、シロイヌナズナ変異体に導入する。一部の対象遺伝子はシロイヌナズナで重複した遺伝子が存在しているため、その冗長性を調べるため、CRISPRを用いた変異の導入を継続する。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Stockholm University(スウェーデン)
• [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
• [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
  • Int'l Joint Research
• [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
  • Invited
• [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] 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] 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] 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] 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] 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