Theoretical biology of meristem dynamics constituting and modulating organ positioning periodicity

• Project Area: Intrinsic periodicity of cellular systems and its modulation as the driving force behind plant development
• Project/Area Number: 22H04719
• 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: Hiroshima University (2023); Osaka University (2022)
• Principal Investigator: 藤本 仰一 広島大学, 統合生命科学研究科(理), 教授 (60334306)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2023: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: 数理モデル / 細胞分裂面 / 形態形成 / メカノバイオロジー / 幾何学 / 理論生物学 / 力学 / 植物 / 機械学習

Outline of Research at the Start

植物地上部の葉などの器官の空間的配置は、系統ごとに特別な空間周期性を示す。本研究は、周期を構成し変調する幹細胞の動態を解明する。コケ植物複数種の頂端幹細胞を主たる対象とし、分裂面の幾何学的性質や細胞の力学的性質が分裂面の周期を構成し、かつ、変調するかを、数理モデルを通じて明らかにする。多様な植物ボディプランの基盤となる分裂面の多様な切換え周期を包括的に説明する数理モデルを提示する。並行して、数理モデルで特定された主要なパラメータの分子基盤を予測する機械学習モデルを開発する。理論生物学と情報学と植物学の新たな研究パイプラインの構築を通じて、バイオDXを推進する本領域へ幅広く貢献する。

Outline of Annual Research Achievements

細胞分裂面の方向決定ルール：方向を決定するルールとして、分裂面の面積最小則（石川班と共著 2023）に加えて、核の位置をArabidopsis胚の形状データに基づく幾何学モデルから見出した（植田班と共同研究 投稿中）。一方で、セン類の頂端細胞(AC)は軸対称な形にもかかわらず斜方分裂を示し、最小面積則から逸脱している。新たなルールとして、細胞膜の曲率に応じた膜分子の空間的局在が斜方分裂を実現できることを、数理モデルから見出した。
葉序：ACから分裂した(葉となる)メロファイトの2つが成す角度（開度）のパタンを定量的に再現する数理モデルを構築した。その結果、分裂面の回転角度の変調が、セン類３種が示すらせん配置の多様性を生むことを予測した(嶋村班と共著 2021)。さらに、シュートの分枝の回転方向が多様な茎葉性タイ類を対象に、シュートの横断面での発生数理モデルを構築した。メロファイト上で元のACの旋回分裂の回転方向に対して、分枝によって新たに形成されるACは正（負）の側に位置することで、分枝が順（逆）回転する仕組みをシミュレーションから見出した(嶋村班と共同)。
領域内共同研究を他にも進めた。根の先端の形が10種の被子植物で共通してカテナリー曲線に従い、その発生基盤として異方的な細胞分裂を示した(中島班と共著 2021)。さらに、イネS型/L型側根はカテナリーと楕円へ同程度にフィットするのに対して、小葉類の根は楕円に従うことを見出した。カテナリーと楕円の変調を生む発生基盤を力学モデルから予測した(犬飼班・中島班らと共同)。維管束組織では、局所的な分裂が応力の異方性を生み、細胞配置の対称性を高めることを見出した(中島班と共著 2023)。Auxinの空間周期的なパタンについて、AuxinとEPFL2の間の相互抑制が周期を伸ばすことを明らかにした（池内班と共同 投稿中）。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Diffusive mediator feedbacks control the health-to-disease transition of skin inflammation (2024)
  • Author(s): Sudo Maki、Fujimoto Koichi
  • Journal Title: PLOS Computational Biology Volume: 20 Issue: 1 Pages: e1011693-e1011693
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1011693
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Image recognition-based petal arrangement estimation (2024)
  • Author(s): Nakatani Tomoya、Utsumi Yuzuko、Fujimoto Koichi、Iwamura Masakazu、Kise Koichi
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 15 Pages: 1-14
  • DOI: 10.3389/fpls.2024.1334362
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] HD-ZIP IV genes are essential for embryo initial cell polarization in the radial axis initiation in Arabidopsis (2024)
  • Author(s): Sayuri Tanaka, Yuuki Matsushita, Yuga Hanaki, Takumi Higaki, Naoya Kamamoto, Katsuyoshi Matsushita, Tetsuya Higashiyama, Koichi Fujimoto, Minako Ueda
  • Journal Title: BioRxiv Volume: 04.27 Pages: 1-14
  • DOI: 10.1101/2024.04.27.588165
  • Open Access
• [Journal Article] Size-correlated polymorphisms in phyllotaxis-like periodic and symmetric tentacle arrangements in hydrozoan Coryne uchidai (2023)
  • Author(s): Sarper Safiye E.、Kitazawa Miho S.、Nakanishi Tamami、Fujimoto Koichi
  • Journal Title: Frontiers in Cell and Developmental Biology Volume: 11 Pages: 1-12
  • DOI: 10.3389/fcell.2023.1284904
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spatiotemporal remodeling of extracellular matrix orients epithelial sheet folding (2023)
  • Author(s): Tsuboi Alice、Fujimoto Koichi、Kondo Takefumi
  • Journal Title: Science Advances Volume: 9 Issue: 35 Pages: 1-14
  • DOI: 10.1126/sciadv.adh2154
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Patterned proliferation orients tissue-wide stress to control root vascular symmetry in Arabidopsis (2023)
  • Author(s): Fujiwara M, Imamura M, Matsushita K, Roszak P, Yamashino T, Hosokawa Y, Nakajima K, Fujimoto K, Miyashima S.
  • Journal Title: Curr Biol. Volume: 33 Issue: 5 Pages: 886-893
  • DOI: 10.1016/j.cub.2023.01.036
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] GRAS transcription factors regulate cell division planes in moss overriding the default rule (2023)
  • Author(s): Ishikawa M, Fujiwara A, Kosetsu K, Horiuchi Y, Kamamoto N, Umakawa N, Tamada Y, Zhang L, Matsushita K, Palfalvi G, Nishiyama T, Kitasaki S, Masuda Y, Shiroza Y, Kitagawa M, Nakamura T, Cui H, Hiwatashi Y, Kabeya Y, Shigenobu S, Aoyama T, Kato K, Murata T, Fujimoto K, Benfey PN, Hasebe M, Kofuji R
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America Volume: 120 Issue: 4
  • DOI: 10.1073/pnas.2210632120
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A Physical Model to Identify the Common Organ Shape Across Species (2022)
  • Author(s): 郷達明，藤原基洋，津川暁，藤本仰一
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 62 Issue: 1 Pages: 7-12
  • DOI: 10.2142/biophys.62.7
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Pattered cell proliferation mechanically constrains plant organ outlines and elaborates internal symmetry. (2022)
  • Author(s): Koichi Fujimoto.
  • Organizer: Engineering mechanics of cell and tissue morphogenesis 2022
  • Int'l Joint Research / Invited