2020 Fiscal Year Annual Research Report
| Project Area | Elucidation of the strategies of mechanical optimization in plants toward the establishment of the bases for sustainable structure system |
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| Project/Area Number |
18H05489
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| Research Institution | Nara Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
出村 拓 奈良先端科学技術大学院大学, デジタルグリーンイノベーションセンター, 教授 (40272009)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西谷 和彦 神奈川大学, 理学部, 教授 (60164555)
大谷 美沙都 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (60435633)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | 原子間力顕微鏡 / 細胞壁パターン / 重力屈性 / マイクロフォーカスX線CT / 数理モデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
（１）構造力学的アプローチによる細胞壁マイクロドメイン化メカニズムの解明○AFMを利用した植物細胞の機械的強度や物理的特性の変化の計測が可能となり、シロイヌナズナ道管細胞分化誘導系を材料に、道管細胞の分化過程における力学的な物性変化を細胞レベルで時空間的に捉えることに成功した。○細胞への外的な機械的刺激が細胞壁マイクロドメイン化に影響を与えることを明らかにした。○細胞壁マイクロドメイン化に関わる新規因子の探索として、順遺伝学解析とケミカルバイオロジー解析を継続的に進めた。
（２）重力屈性・あて材形成に見る力学的最適化戦略の解明○シロイヌナズナ花茎の力学的特性を明らかにすることを目的として、曲げ剛性とヤング率が変化していると推定されるシロイヌナズナ変異体・遺伝子組換え体を用いた解析を行い、自由振動試験の固有振動数の二乗に新鮮重量をかけ合わせた値と曲げ剛性の値の間に強い正の相関が見られることを見出した。○シロイヌナズナ花茎の重力屈性に関して、Image JおよびKymoRod（MATLABプラグイン）によって取得した画像データを用いて、花茎屈曲動態の定量的特徴因子の抽出系を確立し、数理モデルと組み合わせによって重力屈性動態を定量的に説明しうるパラメーターを算出することに成功した。
（３）植物器官新生における細胞壁の可塑的制御による力学的最適化の解明○マイクロフォーカスX線CTによるシロイヌナズナの器官・組織の内部構造とポプラシュートの経時的な形態変化の可視化の詳細解析法を検討した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
（１）構造力学的アプローチによる細胞壁マイクロドメイン化メカニズムの解明○シロイヌナズナ道管細胞分化誘導系を材料に、道管細胞の分化過程における力学的な物性変化を細胞レベルで時空間的に捉えることに成功した。○細胞への外的な機械的刺激が細胞壁マイクロドメイン化に影響を与えることを明らかにすることができた。
（２）重力屈性・あて材形成に見る力学的最適化戦略の解明○シロイヌナズナ花茎の力学的特性について、シロイヌナズナ変異体・遺伝子組換え体を用いた解析によって、自由振動試験の固有振動数の二乗に新鮮重量をかけ合わせた値と曲げ剛性の値の間に強い正の相関があることを見いだした。
（３）植物器官新生における細胞壁の可塑的制御による力学的最適化の解明○マイクロフォーカスX線CT解析法を用いて、シロイヌナズナの器官・組織の内部構造とポプラシュートの経時的な形態変化の可視化が可能であることを確認することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、細胞壁の特殊化を構造力学的に読み解くことで、サステナブル構造システムモデルに投影可能な植物の力学的最適化戦略を抽出する
（１）構造力学的アプローチによる細胞壁マイクロドメイン化メカニズムの解明○道管細胞分化の人為的誘導系を用いて、二次細胞壁沈着過程における細胞の機械的強度や物理的特性の変化を詳細に解析する。○隣り合った道管が二次細胞壁沈着の位置を同調させる構造力学的プロセスを記述するために、外部からの機械的刺激を与えたときの画像解析・シミュレーションを進める。
（２）重力屈性・あて材形成に見る力学的最適化戦略の解明○引き続き、重力屈性とあて材形成の過程の構造力学的理解のために、ユーカリ側枝などを材料に非接触型3次元画像・組織構造・力学特性データを時系列で取得し、4D構造システムをシミュレーションする。さらに組織・細胞レベルの高解像度トランスクリプトーム解析システム（Visium）の利用を検討する
（３）植物器官新生における細胞壁の可塑的制御による力学的最適化の解明○引き続き、組織培養系のカルスからのシュート再生における、非接触型3次元画像データの取得を進めるとともに、細胞張力測定系の構築を目指す。
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Research Products
(27 results)
