Construction of a spatio-temporal model of environmental responses and development of plants by a high-throughput identification method of phase response curves
Publicly Offered Research
| Project Area | Intrinsic periodicity of cellular systems and its modulation as the driving force behind plant development |
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| Project/Area Number |
20H05424
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Biological Sciences
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
福田 弘和 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90405358)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2022-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000)
Fiscal Year 2021: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2020: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
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| Keywords | 数理生物学 / 概日時計 / 非線形動力学 / パターン形成 / 結合振動子系 |
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| Outline of Research at the Start |
植物の環境認識と自律分散型統制の基盤として機能している概日時計を研究対象とし、従来法に比べ「データ密度10 倍かつ5 倍速」を誇る非常に高効率な独自の「位相応答曲線（PRC）の高速同定技術」を駆使した研究を行う。本研究では、概日リズムの時空間ダイナミクスを精細に計測することで、多様な外部入力と細胞間相互作用における応答性を定式化し、植物の環境応答と発生に関する時空間統合モデルの構築を目指す。
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| Outline of Annual Research Achievements |
植物の環境認識と自律分散型統制の基盤として機能している概日時計を研究対象とし、従来法に比べ「データ密度10 倍かつ5 倍速」を誇る高効率な「位相応答曲線（PRC）の高速同定技術」を駆使した研究を行った。本研究では、概日リズムの時空間ダイナミクスを精細に計測することで、多様な外部入力と細胞間相互作用における応答性を定式化し、植物の環境応答と発生に関する時空間統合モデルの構築を目指した。
2020年度は、項目１）多種の入力に対するPRC の計測：環境刺激（光や温度）に対するPRC、化合物（概日時計感化型物質であるショ糖や除草剤glyphosateなど）に対するPRC、シグナル分子（植物ホルモンなど）に対するPRC の予備データを得た。方法として、形質転換シロイヌナズナ（CCA1::LUC）を用い、生物発光計測装置Kondotron（2 台）で計測した（SR-PRC 法を利用）。項目２）局所的なPRC の高速同定法の確立：茎頂、葉、根そして個体の4 形態について、PRC を高速同定する手法を確立した。方法として、主に、SR-PRC 法とPattern-PRC 法を利用した。１）制御が最も容易な因子（光）に対し、高精度な局所的PRC を同定した（SR-PRC 法を利用）。２）温度に対し、高精度な局所的PRC を同定した（SR-PRC 法を利用）。３）Pattern-PRC 法を用いて、より局所的な（成長点近傍など）PRC を同定した。項目３）異種類PRC の時空間的統合モデルの構築：結合振動子モデル（位相方程式、振幅方程式)を用いて、個々の細胞に備わる多種入力PRCが時空間的に相互に関与するダイナミクスを定式化することを試みた。その数理モデルを用いて、細胞間シグナル分子のダイナミクスを推察した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
2020年度は、「概日時計の応答性に関する基本理論」を新規に開発することに成功した。これはNature Communicationsに掲載され、Editor’s highlightの一つとして特集された（新聞報道２件）。さらに、光サイクルと温度サイクルから構成される「複合サイクルにおける位相差」が、概日リズムに与える影響を予測できる数理モデルを構築することに成功した（Frontiers in Plant Science誌に掲載）。このように、極めて重要な成果を得ることができたため。
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| Strategy for Future Research Activity |
進捗状況は大変良好であるため、当初計画に基づいて研究を行う。
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Report
(1 results)
Research Products
(7 results)
