Mechanisms underlying the periodicity of stem cells and auxin dynamics causing its periodic modulation

• Project Area: Intrinsic periodicity of cellular systems and its modulation as the driving force behind plant development
• Project/Area Number: 22H04738
• 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: National Institute for Basic Biology
• Principal Investigator: 石川 雅樹 基礎生物学研究所, 生物進化研究部門, 助教 (00586894)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000); Fiscal Year 2023: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2022: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
• Keywords: ヒメツリガネゴケ / 幹細胞 / 原糸体 / オーキシン / オーキシン排出単体 / 周期性 / 細胞伸長 / 細胞運命 / オーキシン排出担体 / 細胞運命転換

Outline of Research at the Start

ヒメツリガネゴケ原糸体の頂端には、クロロネマ頂端幹細胞とカウロネマ頂端幹細胞の2種類の幹細胞が存在し、周期的に運命転換して入れ替わる。また周期変動する細胞は、外的・内的シグナルによる周期の変調により、どちらかの頂端幹細胞に細胞運命が固定されるため、この周期性は細胞運命転換を誘導するだけでなく、環境変化などに応答した細胞の可塑性を制御する分子基盤の一つであると考えられる。そこで本研究では、2つの頂端幹細胞の遷移で起こる周期性とその変調を駆動させる分子機構を明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

ヒメツリガネゴケ原糸体の頂端には、クロロネマ頂端幹細胞とカウロネマ頂端幹細胞の2種類の幹細胞が存在し、周期的に運命転換して入れ替わる。その周期性を駆動させる分子機構を明らかにするため、以下の実験を行なった。
・オーキシン排出担体として機能する可能性が高いABCトランスポーターPGP19bは、オーキシン濃度に依存した細胞内局在変化を示す。このPGP19bの局在変化によりオーキシン濃度が変化し、頂端幹細胞の細胞運命が入れ替わると考えている。そこでオーキシン濃度に依存したPGP19bの細胞内局在制御機構を明らかにするため、近位依存性ビオチン標識法を用いてPGP19b結合因子を同定し、候補となる因子に蛍光タンパク質を融合させ細胞内局在を解析した。その結果、PGP19bと同様に、カウロネマ細胞の分裂面に局在していることが分かった。
・ヒメツリガネゴケの頂端幹細胞の成長様式は先端成長であり、アクチンと低分子Gタンパク質ROPによって制御されている。そこでオーキシンセンサーラインを用いて、アクチンとROPに蛍光タンパク質をそれぞれ融合させた形質転換体を作製し、オーキシン濃度変化とアクチン骨格およびROPの細胞内局在変化の観察を開始した。
・ABCトランスポーターの一つPpABCB14が、伸長している細胞膜上に局在することを発見した。また、PpABCB14遺伝子欠失変異体および過剰発現体では、それぞれ変形した細胞形状が観察され、細胞の異方成長が撹乱された。さらにPpABCB14遺伝子欠失体では、クチクラを構成するワックスとクチンが顕著に減少し、クチクラ層が消失あるいは減少していた。これらの結果から、PpABCB14がクチクラ形成に必要な何らかの因子を細胞外へと輸送し、細胞表面上クチクラ量を変化させることで、局所的に細胞を伸長させることが考えられた（Zhang et al., 2023）。

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

• [Int'l Joint Research] Huazhong Agricultural University(中国)
• [Int'l Joint Research] University of Copenhagen(デンマーク)
• [Int'l Joint Research] Duke University(米国)
• [Journal Article] Editorial: Molecular basis of stem cells underlying plant vitality (2024)
  • Author(s): Chen Chunli、Cruz-Ramirez Alfredo、Zhang Yonghong、Ishikawa Masaki
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 15 Pages: 1-2
  • DOI: 10.3389/fpls.2024.1371814
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] An ABCB transporter regulates anisotropic cell expansion via cuticle deposition in the moss Physcomitrium patens (2023)
  • Author(s): Zhang Liechi、Sasaki‐Sekimoto Yuko、Kosetsu Ken、Aoyama Tsuyoshi、Murata Takashi、Kabeya Yukiko、Sato Yoshikatsu、Koshimizu Shizuka、Shimojima Mie、Ohta Hiroyuki、Hasebe Mitsuyasu、Ishikawa Masaki
  • Journal Title: New Phytologist Volume: 241 Issue: 2 Pages: 665-675
  • DOI: 10.1111/nph.19337
  • Peer Reviewed / Open Access
• [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
• [Presentation] Regulatory mechanisms of chromatin modification changes inducing stem cell formation in Physcomitrium patens (2023)
  • Author(s): Masaki Ishikawa
  • Organizer: Taiwan-Japan Plant Biology 2023
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 細胞の異方成長による器官形成 -クチクラ形成と細胞伸長- (2023)
  • Author(s): 石川雅樹、Zhang, Liechi、長谷部光泰
  • Organizer: 日本植物学会第87回大会
  • Invited
• [Presentation] Wound-induced cellular reprogramming into stem cells in the moss Physcomitrium patens (2022)
  • Author(s): Masaki Ishikawa
  • Organizer: The International Symposium on Plant Stem Cells and Regeneration
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 細胞運命転換を制御するSTEMIN転写因子の作用機序の解析 (2022)
  • Author(s): 石川雅樹、de Villier Ruan、長谷部光泰
  • Organizer: 日本植物学会 第86回大会
• [Presentation] CDKAの光応答を制御する仕組みの解明に向けて (2022)
  • Author(s): 宮崎朔多、井上夏実、石川雅樹、長谷部光泰、藤田知道
  • Organizer: 日本植物学会 第86回大会
• [Presentation] An ABCB transporter maintains proper cell expansion by regulating cuticle formation in the moss Physcomitrium patens (2022)
  • Author(s): Liechi Zhang, Yuko Sasaki-Sekimoto, Ken Kosetsu, Tsuyoshi Aoyama, Takashi Murata, Yukiko Kabeya, Yoshikatsu Sato, Mie Shimojima, Hiroyuki Ohta, Mitsuyasu Hasebe, Masaki Ishikawa
  • Organizer: 日本植物学会 第86回大会
• [Remarks] 自然科学研究機構 基礎生物学研究所 生物進化研究部門
  • URL: https://www.nibb.ac.jp/sections/division/hasebe/
• [Remarks] 自然科学研究機構 基礎生物学研究所 生物進化研究部門 長谷部研究室
  • URL: https://www.nibb.ac.jp/evodevo/
• [Remarks] 基礎生物学研究所 生物進化研究部門
  • URL: https://www.nibb.ac.jp/sections/division/hasebe/
• [Remarks] 基礎生物学研究所 生物進化研究部門 研究室ホームページ
  • URL: https://www.nibb.ac.jp/evodevo/