2019 Fiscal Year Annual Research Report
Imaging analysis on cell geometry during mechanical optimization in leaves
| 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 |
18H05492
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| Research Institution | Kumamoto University |
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Principal Investigator |
桧垣 匠 熊本大学, 国際先端科学技術研究機構, 准教授 (90578486)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | ジョイント構造 / 継ぎ手 / 画像解析 / 葉表皮細胞 / バイオイメージング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
植物の葉の表面を構成する表皮細胞は発生初期には単純な形状を呈しているが、成長が進むにつれて細胞壁が湾曲して細胞同士が噛み合うようなジグソーパズル状に変形を遂げる。これまで表皮細胞の形態変化を制御する分子実体や理論モデルの研究は進んできたものの、その湾曲構造が持つ意義については未だ不明瞭な点も多い。そこで本研究では、成長に伴う子葉の形態変化と同時に子葉表皮を構成するほぼ全ての表皮細胞の位置と形態の変化を計測する技術を開発する。また本研究で得られた知見に基づき、葉表皮細胞同士の噛合いを模した継ぎ手構造を創造するなど、建築構造分野への応用を目指す。さらに、本領域の統一課題である重力応答への適用を目指して三次元的な樹形構造の画像解析手法を構築する。
１．子葉表皮細胞における湾曲構造の構造学的検討
シロイヌナズナ子葉の表面を銀インク塗布し、金属顕微鏡を用いて成長に伴う表皮細胞形態する観察実験系を確立した。この取得画像群は深層学習に基づく画像処理により高精度かつ高効率に細胞領域分割でき、細胞形態変化を定量評価できることが確かめられた。一方、細胞の立体情報を取得するため、細胞膜が標識された子葉の表面を水浸レンズにより直接的に共焦点撮影する実験系も確立した。数理形態学に基づく画像処理とVirtual Realityを活用した四次元観察により子葉表皮細胞の変形を定量的に捉えることができた。また、木造建築における継ぎ手や組積造のピースにジグゾーパズル形状を活用するための検討に着手した。
２．樹形構造を定量評価する画像取得解析手法の構築
シロイヌナズナ地上部の三次元形態を非破壊的に取得する画像撮影解析フレームワークの開発を進めた。これまで、単焦点レンズを搭載したカメラを用いて校正用ターゲットとともに回転するシロイヌナズナを動画撮影し、視体積交差法に基づいて立体再構築する手法に取り組んだ。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
「研究実績の概要」で述べたように、当初より計画していた研究内容は順調に進行している。これに加え、当初は想定していなかった研究協力者の参画により計画研究が発展的に遂行できた。さらに、研究計画時には参画していなかった公募班員との領域内共同研究も開始し、本新学術領域研究の新たな展開を迎えられた。
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| Strategy for Future Research Activity |
１．子葉表皮細胞における湾曲構造の構造学的検討
2019年度までに確立した成長に伴う子葉の形態変化と同時に子葉表皮を構成するほぼ全ての表皮細胞の位置と形態の変化を計測する技術を表皮細胞形態が損なわれた細胞骨格関連変異体などに適用し、表皮細胞の湾曲構造の構造学的意義を探る。また、本領域の川口班・岩元班らとの協働により葉表皮細胞でみられるジグゾーパズル様形状の建築構造物への応用を目指した研究を展開する。
２．樹形構造を定量評価する画像取得解析手法の構築
本画像取得解析手法の洗練化を図るとともに、本領域の森田班・上田班らとの協働により重力応答や姿勢制御変異体における側枝の角度制御などの解析に活用する。
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