概日時計のリズム変動によってもたらされる側根発達の変調メカニズム

Publicly Offered Research

Project Area	Intrinsic periodicity of cellular systems and its modulation as the driving force behind plant development
Project/Area Number	20H05426
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	Meijo University
Principal Investigator	塚越啓央名城大学, 農学部, 准教授 (30594056)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2022-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help	¥7,540,000 (Direct Cost: ¥5,800,000、Indirect Cost: ¥1,740,000) Fiscal Year 2021: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000) Fiscal Year 2020: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Keywords	側根発達 / 概日リズム / イメージング / VLCFA / DNN / 側根形成 / 転写ネットワーク / 画像解析
Outline of Research at the Start	本申請研究は、概日リズムによる側根の発達と、その周期に変調をもたらす化合物の役割をイメージングやDeep Neural Network (DNN)を用いた機械学習によるモデル化を通じ、側根発達の変調機構を明らかにすることを目的とする。概日時計因子の頑健な周期性と側根発達というイメージングしやすい現象との関連性は、DNN などを用いた機械学習の良いモデルとなる。さらに新たなリズム変調因子による側根発達の解析は周期制御系と成長制御をつなぐ新たな研究領域を創生できる。
Outline of Annual Research Achievements	本研究では概日リズムによる側根発達と、その周期に変調をもたらす極長鎖脂肪酸(VLCFA)の役割をイメージングやDeep Neural Network(DNN)を用いた機械学習によるモデル化を通じ、側根発達の変調機構を明らかにすることを目的とする。この目的を達成するために、(1)概日時計因子群による側根発達制御系の解明、(2)bHLH39の側根形成に関する機能解析、(3)DNNを用いた側根発達のモデル化を中心に研究を進めた。 (1)概日時計因子群による側根発達制御系の解明：　概日時計因子が、VLCFA阻害剤処理を施した根でリズムが短周期化することがわかった。時計変異株の側根数を測定したところ、ある位相の時計変異株では出現する側根数が減少し、概日リズム因子が側根の発達に重要であることを明らかにした。また、概日時計変異株を用いた発現解析から、特定の変異株において側根の発達に関わる遺伝子群の発現に変動が見られた。以上のことからVLCFAが概日リズムの周期変動に影響を与え、遺伝子発現レベルで側根発達を調節することがわかった。 (2)bHLH39の側根形成に関する機能解析：bHLH39遺伝子破壊株の側根数は野生型に比べ側根のステージの変位が早くなっていることがわかった。bHLH39が側根発達のどの時期に関わるかを調べるためにbHLH39プロモーターとGFPとのレポーターラインの作成を進めたところ、bHLH39の発現は概日リズムとは異なる周期的な発現を示した。 (3)DNNを用いた側根発達のモデル化：　側根の発達は時間に沿って変動していく。その変動していくステージ間のスピードを定量するためにタイムラプスイメージングを用いたDNN学習を行なった。4000枚の画像を用いてResNET50により画像の学習をさせた。その結果、側根発達を自動で認識できるモデルを確立することができた。
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。