Biophysical analysis of the cell wall-plasma membrane interface using GFP-based tension and calcium sensors

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project Area: Elucidation of the strategies of mechanical optimization in plants toward the establishment of the bases for sustainable structure system
• Project/Area Number: 18H05491
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Saitama University
• Principal Investigator: Toyota Masatsugu 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (90714402)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2023-03-31
• Keywords: バイオセンサー / カルシウム / イメージング / 植物 / メカノバオロジー

Outline of Final Research Achievements

Plants sense external forces (mechanical stimuli) and autonomously and dynamically modify their structures, which is a process termed mechanical optimization in plants. This plant mechanical optimization process is an important capability for achieving a sustainable, biomass-based society, resources, and architecture. However, the underlying mechanisms of plant mechanosensing remain unclear. In this project, we developed new imaging techniques to visualize the tension exerted on the cell walls and intracellular calcium signals generated by mechanical stimuli. We discovered the mechanisms by which Arabidopsis thaliana and Mimosa pudica sense mechanical stimuli (such as touch and wound), transmit this information throughout the plant body, and trigger rapid movements and defense responses.

Free Research Field

植物生理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

植物の力学的刺激受容・フィードバック機構を解明し、その仕組みを利活用することは、樹木などのバイオマスを利用するサステナブル社会を支えるために重要な知見となる。また、これらの仕組みを「センサー」と「アクチュエータ」という視点から理解することで、植物の力学的最適化戦略を可能にする根本原理が抽出できるだけではなく、構造建築の共通点や相違点を詳らかにすることで、両者の橋渡しするようなサステナブル構造建築の基盤となる新しい概念の創出が可能となる。さらに、大型植物の反応をリアルタイムで可視化できる新しいイメージング技術・顕微鏡法は、植物学のみならず動物学や微生物学などにも応用が可能となる。