Research into the mechanism of cell wall construction in xylem vessels

• 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: Oda Yoshihisa 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (30583257)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2024)
• 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: 細胞骨格 / 細胞壁 / 道管 / 微小管 / 低分子量GTPase / 植物

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 Final Research Achievements

Plant cells form cell wall patterns specific to each cell type, which play a crucial role in determining cell shape and function. In this study, we used xylem vessels as a model system to investigate the mechanisms by which plant cells establish patterned cell wall deposition. Our research revealed that the transcription factor KNAT7 suppresses the expression of FH11, and this repression is essential for the formation of the characteristic pitted cell wall pattern in metaxylem vessels. FH11 localizes near the plasma membrane and promotes actin polymerization, which in turn influences the distribution of ROP GTPases and the orientation of cortical microtubules. Furthermore, the functions of the FH formin family were found to be required for the formation of ring or spiral wall patterns in protoxylem vessels. These results demonstrate that the spatial regulation of actin polymerization near the plasma membrane is a key factor in controlling cell wall patterning in plant cells.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究により、細胞膜近傍におけるアクチン重合の制御が、道管における細胞壁パターンの決定に重要な役割を果たすことが明らかとなった。本成果は、細胞骨格を介した細胞壁形成の制御機構に関する新たな知見を提供し、植物細胞生物学の理解を一段と深化させるものである。また、本研究で解明された仕組みは、他の植物組織にも広く共通する可能性が高く、今後の応用研究における重要な基盤となると期待される。さらに、この知見を応用することで、道管構造を人為的に制御し、水輸送効率の高い作物や乾燥ストレスに強い植物の開発につなげることが可能である。加えて、木材やセルロースの性質を制御する技術への展開も見込まれる。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Stockholm University(スウェーデン)
• [Journal Article] Control of plasma membrane-associated actin polymerization specifies the pattern of the cell wall in xylem vessels (2025)
  • Author(s): Kijima Saku T.、Sasaki Takema、Kikushima Yuichiro、Inoue Daisuke、Sakamoto Shingo、Kondo Yuki、Inagaki Soichi、Yamaguchi Masatoshi、Mitsuda Nobutaka、Oda Yoshihisa
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 16 Issue: 1 Pages: 1921-1921
  • DOI: 10.1038/s41467-025-56866-y
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Structural analysis of microtubule binding by minus-end targeting protein Spiral2 (2024)
  • Author(s): Ohno Marina、Higuchi Yuuki、Yamai Kazune、Fuchigami Sotaro、Sasaki Takema、Oda Yoshihisa、Hayashi Ikuko
  • Journal Title: Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research Volume: 1871 Issue: 8 Pages: 119858-119858
  • DOI: 10.1016/j.bbamcr.2024.119858
  • Peer Reviewed
• [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] 道管の二次細胞壁パターンを制御するアクチン重合促進因子の解析 (2025)
  • Author(s): 菊島悠一郎，貴嶋紗久，佐々木武馬，小田祥久
  • Organizer: 第66回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 道管の細胞壁形成を制御するROP エフェクターの解析 (2025)
  • Author(s): 小林恒，佐々木武馬，小田祥久
  • Organizer: 第66回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 道管の細胞壁パターン制御に関与するDOCK 型 ROP 活性化タンパク質の機能解析 (2025)
  • Author(s): 永江桃子，佐々木武馬，小田祥久
  • Organizer: 第66回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 新規微小管－小胞体相互作用因子の解析 (2025)
  • Author(s): 土井翠，佐々木武馬，小田祥久
  • Organizer: 第66回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 篩要素における新規微小管付随タンパク質の解析 (2025)
  • Author(s): 杉山友希，小田祥久
  • Organizer: 第66回日本植物生理学会年会
• [Presentation] SPIKE1 による細胞分裂方向制御の分子機構の解析 (2025)
  • Author(s): 豊倉浩一，鎌本直也，藤本仰一，小田祥久，柿本辰男，上田晴子，Yrjo Helariutta，草場信
  • Organizer: 第66回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Control of plasma membrane-associated actin polymerization specifies the pattern of the cell wall in xylem vessels (2025)
  • Author(s): Saku Kijima, Takema Sasaki, Yuichiro Kikushima, Daisuke Inoue, Shingo Sakamoto, Yuki Kondo, Soichi Inagaki, Masatoshi Yamaguchi, Nobutaka Mitsuda, Yoshihisa Oda
  • Organizer: 第66回日本植物生理学会年会
  • Invited
• [Presentation] 1pAG05 アクチン重合の制御 が道管における細胞壁パターンに影響する (2024)
  • Author(s): 貴嶋 紗久, 佐々木 武馬, 井上 大介, 近藤 侑貴, 垣 宗一, 山口 雅利, 小田 祥久
  • Organizer: 日本植物学会第88回大会
• [Presentation] 1aAH05 篩要素分化における核膜動態の解析 (2024)
  • Author(s): 杉山 友希, 小田 祥久
  • Organizer: 日本植物学会第88回大会
• [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