数と対称性の発生進化ロジック：花器官配置の数理解析

• Project Area: Multidimensional Exploration of Logics of Plant Development
• Project/Area Number: 16H01241
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 藤本 仰一 大阪大学, 理学研究科, 准教授 (60334306)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2018-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2017)
• Budget Amount: ¥10,660,000 (Direct Cost: ¥8,200,000、Indirect Cost: ¥2,460,000); Fiscal Year 2017: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000); Fiscal Year 2016: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
• Keywords: 花器官 / 揺らぎ / 数理モデル / キンポウゲ科 / 分裂組織 / 維管束 / 生物流体 / ゼニゴケ / 花 / 器官数 / 形態進化 / 確率性 / 対称性 / 進化 / 自己組織化 / 生物物理 / 生体生命情報学 / 植物

Outline of Annual Research Achievements

数の多様化ロジック：花被片同士の重なり配置の種内変異と種間差異の野外調査を進めた(キンポウゲ科7種)。どの種もらせんと輪生に加えて少数の他の配置が混在し、幾何的に可能な配置の数に比べて制約されていた。配置の制約の発生基盤として、数理モデルから器官原基の差分成長などを見出し、論文出版した。3数性輪生、4数性輪生、5数性らせん、各配置の相対出現頻度(確率)は種ごとに異なる上に、興味深いことに、それ以外の制約された配置の確率と選択的に相関することを見出した。発生過程が特定の器官配置へ制約されることが花器官数の決定に関与することが示唆された。
背腹軸に対称な器官の配置と数と出現順序の多様化ロジック：花の背側および腹側からの原基出現抑制シグナルが過渡的発現するモデルを新たに構築した。その結果、輪生配置の対称性が高まり、器官の数や配置に加えて出現順序についても多様な系統（シソ目、マメ目、他）を統一的に再現できることを明らかにした。
領域内共同研究：ゼニゴケ雌器托のパラソル形状をアクリル樹脂で3Dプリンティングし、液体を掴んで離す機能を実験理論両面から評価した。ゼニゴケと同じく分岐の数が9程度の場合に、パラソル中に液体を保持しつつパラソルを傾けると液体を離す効率が最適となることを見出した。mmサイズの液体のピペットとして機能することを示し、論文出版した。根端ドームと根維管束放射パタンの形成過程のイメージングデータに基づき、定量的な数理モデルを構築した。根端ドームは、細胞分裂の局在と維管束細胞の異方的伸長を通じて力学的に安定なカテナリー曲線となることを明らかにした。維管束木部細胞群の直線的な境界は、木部細胞壁の高い伸展性と木部から離れて位置する師部細胞の分裂局在を通じて形成されることを予測した。実際に、分裂局在が乱れるArabidopsis変異体は境界の直線性が低下し、予測と整合した。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Spiral phyllotaxis underlies constrained variation in Anemone (Ranunculaceae) tepal arrangement. (2018)
  • Author(s): Miho S. Kitazawa、Koichi Fujimoto
  • Journal Title: J. Plant Res. Volume: 未定 Issue: 3 Pages: 1-10
  • DOI: 10.1007/s10265-018-1025-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Plant-inspired pipettes (2018)
  • Author(s): Keigo Nakamura, Tetsuya Hisanaga, Koichi Fujimoto, Keiji Nakajima and Hirofumi Wada
  • Journal Title: Journal of the Royal Society of Interface Volume: 15 Issue: 140 Pages: 20170868-20170868
  • DOI: 10.1098/rsif.2017.0868
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 生命の物理：相互干渉する多スケール系の共通性と多様性. (2017)
  • Author(s): 藤本 仰一
  • Journal Title: 日本物理学会誌 Volume: 72(3) Pages: 54-54
  • NAID: 130006434167
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Stochastic occurrence of trimery from pentamery in floral phyllotaxis of Anemone (Ranunculaceae) (2016)
  • Author(s): Kitazawa Miho S.、Fujimoto Koichi
  • Journal Title: Acta Societatis Botanicorum Poloniae Volume: 85 Issue: 4 Pages: 1-10
  • DOI: 10.5586/asbp.3530
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Relationship between the species-representative phenotype and intraspecific variation in Ranunculaceae floral organ and Asteraceae flower numbers. (2016)
  • Author(s): Kitazawa MS and Fujimoto K
  • Journal Title: Annals of Botany Volume: 未定 Issue: 5 Pages: 925-935
  • DOI: 10.1093/aob/mcw034
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 花びらが7枚の花はなぜ少ないか (2016)
  • Author(s): 北沢美帆, 藤本 仰一
  • Journal Title: パリティ Volume: 31(12) Pages: 4-12
  • NAID: 40021002151
• [Presentation] Peripherally localized cell proliferation contributes smooth boundary formation along the central xylem axis in Arabidopsis root vascular tissue (2018)
  • Author(s): 藤原基洋、宮島俊介、中島敬二、藤本仰一
  • Organizer: 第５９回 日本植物生理学会年会
• [Presentation] 花器官配置の制約された揺らぎ：花器官数の多様化との相関 (2017)
  • Author(s): 藤本仰一、北沢美帆
  • Organizer: 第１９回 日本進化学会
• [Presentation] Localized cell proliferation and growth regulate root vascular bundle cell patterning (2017)
  • Author(s): Motohiro Fujiwara，Shunsuke Miyashima，Keiji Nakajima，Koichi Fujimoto
  • Organizer: Taiwan-Japan Plant Biology 2017
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Plasticity of developmental process that determines floral organ number. (2016)
  • Author(s): Miho Kitazawa, Koichi Fujimoto
  • Organizer: 第54回日本生物物理学会年会
  • Invited
• [Presentation] Intra-specific variation of floral organ arrangement toward understanding species diversity of organ number. (2016)
  • Author(s): Koichi Fujimoto, Miho Kitazawa
  • Organizer: Joint Meeting of The 22nd International Congress of Zoology and the 87th meeting of Zoological Society of Japan.
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Statistical analysis for variation in floral organ numbers and arrangements. (2016)
  • Author(s): Miho Kitazawa, Koichi Fujimoto
  • Organizer: 日本植物学会第80回大会
  • Invited
• [Remarks] 理論生物学研究室
  • URL: http://www.bio.sci.osaka-u.ac.jp/~fujimoto/publications.html