シュート幹細胞形成における植物ホルモン微環境の構築メカニズム

• Project Area: Principles of pluripotent stem cells underlying plant vitality
• Project/Area Number: 20H04889
• 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: Kumamoto University
• Principal Investigator: 相田 光宏 熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 教授 (90311787)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥10,920,000 (Direct Cost: ¥8,400,000、Indirect Cost: ¥2,520,000); Fiscal Year 2021: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000); Fiscal Year 2020: ¥5,460,000 (Direct Cost: ¥4,200,000、Indirect Cost: ¥1,260,000)
• Keywords: 胚発生 / 茎頂分裂組織 / オーキシン / サイトカイニン / 転写因子

Outline of Research at the Start

シュートを形成する幹細胞群（シュート幹細胞群）は胚発生において形成され、その後一生を通じて維持される。シュート幹細胞群の維持にはオーキシンとサイトカイニンの二種のホルモンシグナルがつくる微環境が重要であることがわかっているが、この微環境がどのようなメカニズムで構築されるかは明らかでない。本申請ではシュート幹細胞形成に必須な転写因子であるCUC1, CUC2, CUC3の制御下でどのようにホルモン微環境が形成されるのかを明らかにする目的で、CUCの下流遺伝子群のうちオーキシンとサイトカイニンの経路に関連するものを重点的に同定し、これらの遺伝子の機能解析を行う。

Outline of Annual Research Achievements

茎頂幹細胞は胚発生において、2つの子葉原基の境界部に形成される。本公募研究では、子葉原基境界部の形成に働くCUC転写因子群の機能について１）茎頂幹細胞の維持に関わる調節遺伝子との関係、および2）オーキシンとの関係の2つの観点に着目して研究を進めた。その結果、CUCが2つのKNOX型転写因子を含む複数の幹細胞維持因子の遺伝子発現を活性化させる機能を持つことを明らかにするとともに、生殖器官である雌ずいの形成過程においてもCUCと幹細胞維持因子との相互作用が重要な役割を果たすことを見出した（Yamamoto et al, 2021）。また、CUC転写因子群がオーキシンの生合成遺伝子であるYUC1およびYUC4の発現活性化に必須であるとともに（Yamada et al, 2022）、同じくCUCによって発現が活性化されるIAA18遺伝子によるオーキシン応答の抑制が、シュート幹細胞形成に重要な役割を果たすことも明らかにした（準備中）。さらにCUC転写因子群の制御下にあることが予想されたシグナルペプチド遺伝子EPFL2の機能についても解析を進め、この遺伝子が子葉原基の成長を促進するとともに、原基先端部におけるオーキシン応答の促進にも必要であることを明らかにした（Fujihara et al, 2021）。上記の研究に加え、胚および雌ずいにおける遺伝子発現を可視化するための透明化法の改良（Imoto et al 2021; Yokoi and Aida, 2021）および胚における微小管の配向を解析する手法の改良（Takahama and Aida 2022）を行うことで、茎頂幹細胞形成メカニズムの解明に向けた基盤整備を進めた。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Heinrich-Heine University/Leibniz Institute of Plant Genetics..(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] Howard Hughes Medical Institute/University of Texas at Austin(米国)
• [Int'l Joint Research] Palacky University(チェコ)
• [Journal Article] Expression of the auxin biosynthetic genes <i>YUCCA1</i> and <i>YUCCA4</i> is dependent on the boundary regulators <i>CUP-SHAPED COTYLEDON</i> genes in the <i>Arabidopsis thaliana</i> embryo (2022)
  • Author(s): Yamada M, Tanaka S, Miyazaki T, Aida M
  • Journal Title: Plant Biotechnology Volume: 39 Issue: 1 Pages: 37-42
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.21.0924a
  • NAID: 130008118738
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • Year and Date: 2022-03-25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Non-cell-autonomous regulation of petal initiation in Arabidopsis thaliana. (2022)
  • Author(s): Takeda S, Hamamura Y, Sakamoto T, Kimura S, Aida M, Higashiyama T
  • Journal Title: Development Volume: 149 Issue: 17
  • DOI: 10.1242/dev.200684
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The boundary-expressed <i>EPIDERMAL PATTERNING FACTOR-LIKE2</i> gene encoding a signaling peptide promotes cotyledon growth during <i>Arabidopsis thaliana</i> embryogenesis (2021)
  • Author(s): Fujihara Rina、Uchida Naoyuki、Tameshige Toshiaki、Kawamoto Nozomi、Hotokezaka Yugo、Higaki Takumi、Simon Rudiger、Torii Keiko U、Tasaka Masao、Aida Mitsuhiro
  • Journal Title: Plant Biotechnology Volume: 38 Issue: 3 Pages: 317-322
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.21.0508a
  • NAID: 130008091603
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • Year and Date: 2021-09-25
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Visualization and Quantification of Cortical Microtubules in the Apical Region of the <i>Arabidopsis thaliana</i> Embryo (2021)
  • Author(s): Takahama A, Aida M
  • Journal Title: CYTOLOGIA Volume: 86 Issue: 3 Pages: 181-182
  • DOI: 10.1508/cytologia.86.181
  • NAID: 130008091541
  • ISSN: 0011-4545, 1348-7019
  • Year and Date: 2021-09-25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Postgenital Fusion and Epidermal Cell Fate Control during Gynoecium Development (2021)
  • Author(s): Yokoi A, Aida M
  • Journal Title: CYTOLOGIA Volume: 86 Issue: 1 Pages: 1-2
  • DOI: 10.1508/cytologia.86.1
  • NAID: 130008002760
  • ISSN: 0011-4545, 1348-7019
  • Year and Date: 2021-03-25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Genetic interactions between the <i>CUP-SHAPED COTYLEDON</i> and the <i>BELLRINGER</i> genes indicate their overlapping functions in carpel boundary development in <i>Arabidopsis thaliana </i> (2021)
  • Author(s): Yamamoto K, Tasaka M, Aida M
  • Journal Title: PLANT MORPHOLOGY Volume: 33 Issue: 1 Pages: 95-100
  • DOI: 10.5685/plmorphol.33.95
  • NAID: 40022708369
  • ISSN: 0918-9726, 1884-4154
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A ClearSee-based clearing protocol for 3D visualization of Arabidopsis tahaliana embryos (2021)
  • Author(s): Imoto, A., Yamada, M., Sakamoto, T., Okuyama, A., Ishida, T., Sawa, S., and Aida, M. A
  • Journal Title: Plants Volume: 10 Issue: 2 Pages: 190-190
  • DOI: 10.3390/plants10020190
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Post-embryonic lateral organ development and adaxial-abaxial polarity are regulated by the combined effect of ENHANCER OF SHOOT REGENERATION 1 and WUSCHEL in Arabidopsis shoots. (2021)
  • Author(s): Ikeda Y, Kralova; M, Zalabak D, Kubalova; I, Aida M
  • Journal Title: Int J Mol Sci Volume: 22 Issue: 19 Pages: 10621-10621
  • DOI: 10.3390/ijms221910621
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] PUCHI regulates giant cell morphology during root-knot nematode infection in Arabidopsis thaliana. (2021)
  • Author(s): Suzuki R, Yamada M, Higaki T, Aida M, Kubo M, Tsai AY, Sawa S
  • Journal Title: Front Plant Sci Volume: 12 Pages: 755610-755610
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Interpreting Cytokinin Action as Anterograde Signaling and Beyond (2021)
  • Author(s): Ikeda Yoshihisa、Zalabak David、Kubalova; Ivona、Kralova; Michaela、Brenner Wolfram G.、Aida Mitsuhiro
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 12 Pages: 641257-641257
  • DOI: 10.3389/fpls.2021.641257
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Establishment of the Embryonic Shoot Meristem Involves Activation of Two Classes of Genes with Opposing Functions for Meristem Activities (2020)
  • Author(s): Aida Mitsuhiro、Tsubakimoto Yuka、Shimizu Satoko、Ogisu Hiroyuki、Kamiya Masako、Iwamoto Ryosuke、Takeda Seiji、Karim Md、Mizutani Masaharu、Lenhard Michael、Tasaka Masao
  • Journal Title: International Journal of Molecular Sciences Volume: 21 Issue: 16 Pages: 5864-5864
  • DOI: 10.3390/ijms21165864
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Regulation of auxin signaling by the CUC transcription factors in the apical region of the embryo (2022)
  • Author(s): Mitsuhiro Aida
  • Organizer: 14th IROAST International Symposium on Plant Development And Biotic Interaction
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 胚頂端部におけるオーキシンシグナリングの多層的制御 (2022)
  • Author(s): [山田 瑞樹,井本 彩愛,Sri Imriani Pulungan,田中 俊介,宮崎 竜也,相田 光宏
  • Organizer: 日本植物学会第86回大会
• [Presentation] シロイヌナズナの胚発生においてCUP-SHAPED COTYLEDON遺伝子群がサイトカイニンシグナルに与える影響 (2022)
  • Author(s): 卜部 沢樹,坂本 匠,相田 光宏
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] シロイヌナズナ胚におけるオーキシンとCUC遺伝子群との相互作用の解析 (2022)
  • Author(s): 検﨑悠生,山田 瑞希,井本 彩愛,田中 俊介,宮崎 竜也,相田 光宏
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 心皮周縁部の発生におけるCUP-SHAPED COTYLEDON遺伝子群とサイトカイニン・シグナルとの相互作用 (2022)
  • Author(s): Jose Irepan Reyes-Olalde,Stefan de Folter,相田 光宏
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 植物 ～その驚異的な成長能力を支えるしくみ (2021)
  • Author(s): 相田光宏
  • Organizer: 第7回 熊本大学IROASTシンポジウム ウェルビーイング社会の構築を目指す理工系最先端研究
  • Invited
• [Presentation] CUC転写因子群による胚頂端部分化の多層的オーキシンシグナリング制御 (2021)
  • Author(s): 山田瑞樹，井本彩愛，田中俊介，宮崎竜也，相田光宏
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] A CUP-SHAPED COTYLEDON (CUC)-Cytokinin Regulatory Module in the Carpel Margin Meristem (2020)
  • Author(s): Jose Irepan Reyes-Olalde, Stefan De Folter, Mitsuhiro Aida
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
• [Presentation] 転写因子CUCが胚頂端部のオーキシンシグナリングに与える影響 (2020)
  • Author(s): 山田瑞樹, 井本彩愛, 田中俊介，宮崎竜也，相田光宏
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
• [Remarks] 植物発生学研究室
  • URL: https://iroast.kumamoto-u.ac.jp/aida/ja/
• [Remarks] 植物発生学
  • URL: http://iroast.kumamoto-u.ac.jp/aida/ja/
• [Remarks] IROAST
  • URL: http://iroast.kumamoto-u.ac.jp/