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Emergence of phase singularities and quantification of inherent noise in plant circadian clock

Publicly Offered Research

Project AreaInformation physics of living matters
Project/Area Number 20H05540
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Complex systems
Research InstitutionOsaka Prefecture University

Principal Investigator

福田 弘和  大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (90405358)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
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
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」を強力な研究ツールとした細胞集団のパターン形成についての理論研究を行う。本研究では、精細に計測された概日リズムの時空間パターンから、成長点の追加発生に伴う位相特異点群の自発生成と内部ノイズの定量化を行い、「細胞間情報伝達の指向性を定式化」することを目指す。

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」を強力な研究ツールとした細胞集団のパターン形成についての理論研究を行った。本研究では、精細に計測された概日リズムの時空間パターンから、成長点の追加発生に伴う位相特異点群の自発生成と内部ノイズの定量化を行い、「細胞間情報伝達の指向性を定式化」することを目指した。
2021年度は、1)多種類のPRCの計測(後半)を行った。前年度に確立した手法を用いて、様々な因子(計12種)に対する個体ならびに各部位(計4種)のPRCを求めた。
さらに2)成長点における概日リズムの位相リセット現象へのPRCの導入を行った。成長点では強烈な概日リズムの位相リセットが発生しており、恒常条件(DD条件ならびにLL条件)においてストライプ状の位相波が発生する。さらに、根における成長点は主根の先端だけでなく、側根として追加形成されるため、長期間に渡る時空間ダイナミクスには強い内部ノイズが発生する。この内部ノイズの特性を解明することは、植物の高度な環境応答と器官発生の連動ダイナミクスを解明する手がかりとなる。そこで、成長点に生じる概日時計の位相リセット現象の数理モデルに、PRCを導入した改良型の数理モデルを構築した。【方法】開発した数理モデルを基に、特に「概日リズムの位相リセット」と「細胞周期」の関係について分子レベルのメカニズムを捉えつつ、ダイナミクスの機構を結合振幅方程式へと簡略化して数理モデル化した。

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。

Report

(2 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (9 results)

All 2021 2020 Other

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 3 results) Presentation (4 results) (of which Invited: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Unstable Phase Response Curves Shown by Spatiotemporal Patterns in the Plant Root Circadian Clock2021

    • Author(s)
      Masuda Kosaku、Fukuda Hirokazu
    • Journal Title

      Journal of Biological Rhythms

      Volume: 36 Issue: 5 Pages: 432-441

    • DOI

      10.1177/07487304211028440

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Time Lag Between Light and Heat Diurnal Cycles Modulates CIRCADIAN CLOCK ASSOCIATION 1 Rhythm and Growth in Arabidopsis thaliana2021

    • Author(s)
      Masuda Kosaku、Yamada Tatsuya、Kagawa Yuya、Fukuda Hirokazu
    • Journal Title

      Frontiers in Plant Science

      Volume: 11 Pages: 614360-614360

    • DOI

      10.3389/fpls.2020.614360

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] The singularity response reveals entrainment properties of the plant circadian clock2021

    • Author(s)
      Masuda Kosaku、Tokuda Isao T.、Nakamichi Norihito、Fukuda Hirokazu
    • Journal Title

      Nature Communications

      Volume: 12 Issue: 1 Pages: 864-864

    • DOI

      10.1038/s41467-021-21167-7

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Nondestructive Estimation of Circadian Time in Harvested Green Perilla Leaves Using Hyperspectral Data2020

    • Author(s)
      NAGANO Shogo、TANIGAKI Yusuke、FUKUDA Hirokazu
    • Journal Title

      Environment Control in Biology

      Volume: 58 Issue: 4 Pages: 91-97

    • DOI

      10.2525/ecb.58.91

    • NAID

      130007931063

    • ISSN
      1880-554X, 1883-0986
    • Year and Date
      2020-10-01
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] シロイヌナズナの葉における概日リズムの不均一な位相応答の計測2020

    • Author(s)
      田中綸,増田亘作,福田弘和
    • Organizer
      第 27 回 日本時間生物学会学術大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 光と温度の日周サイクルにおける位相差が植物の生育へ与える影響2020

    • Author(s)
      山田竜也,増田亘作,香河悠也 ,福田弘和
    • Organizer
      第 27 回 日本時間生物学会学術大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] シロイヌナズナにおける概日時計の振幅を増大させる最適な明暗サイクル波形の検討2020

    • Author(s)
      香河悠也 ,増田亘作,山田竜也,福田弘和
    • Organizer
      第 27 回 日本時間生物学会学術大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 概日時計シンギュラリティから見た栽培環境の新たな設計2020

    • Author(s)
      福田弘和
    • Organizer
      日本植物学会 第84回大会・シンポジウム
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Remarks] 大阪公立大学 工学研究科 機械系専攻 バイオ生産システム工学研究グループ

    • URL

      https://www.omu.ac.jp/eng/bioproduction/

    • Related Report
      2021 Annual Research Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-12-25  

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