Imaging analysis on cell geometry during mechanical optimization in leaves

2022 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
• Project/Area Number: 18H05492
• Research Institution: Kumamoto University
• Principal Investigator: 桧垣 匠 熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 教授 (90578486)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 加藤 壮英 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (70379535) ; 國田 樹 琉球大学, 工学部, 准教授 (20645478)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2023-03-31
• Keywords: ジョイント構造 / 継手 / 画像解析 / 葉表皮細胞 / バイオイメージング

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かった。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した。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した。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した。
１．子葉表皮細胞における細胞壁湾曲の構造学的検討
金属顕微鏡法と深層学習に基づいてシロイヌナズナ子葉の表皮細胞形態を広範囲かつ経時的に計測する実験系を確立した。また、細胞膜が蛍光標識された子葉表皮組織を非破壊的に共焦点顕微鏡で撮影し、VRを活用した四次元観察により子葉表皮細胞の変形を計測する実験系を確立した。上述の実験系を活用し、微小管結合タンパク質RIC1の過剰発現体における子葉とその表皮細胞の形態を実験と数理の両面から解析したところ、ジグゾーパズル型の細胞形状は器官レベルでの局所的な成長量を緩衝することによって子葉の団扇型の形態形成に寄与する可能性が示唆された。また、建築構造物に葉表皮細胞のジグゾーパズル形状を活用する検討も進めた。
２．樹形構造を定量評価する画像取得解析系の構築
シロイヌナズナの花茎や側枝など地上部の三次元形態を非破壊的に再構成するとともに、側枝の角度分布および曲率を計測する実験系を開発した。この実験系を用いてミオシンXI変異体の側枝の表現型解析を行い、上向きの側枝成長にミオシンXIが必要である可能性が示唆された。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Tracking metabolites at single-cell resolution reveals metabolic dynamics during plant mitosis. (2022)
  • Author(s): Okubo-Kurihara E, Ali A, Hiramoto M, Kurihara Y, Abouleila Y, Abdelazem EM, Kawai T, Makita Y, Kawashima M, Esaki T, Shimada H, Mori T, Hirai MY, Higaki T, Hasezawa S, Shimizu Y, Masujima T, Matsui M
  • Journal Title: Plant Physiol Volume: 189 Pages: 459-464
  • DOI: 10.1093/plphys/kiac093
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Migration of prospindle before the first asymmetric division in germinating spore of Marchantia polymorpha. (2022)
  • Author(s): Sakai Y, Higaki T, Ishizaki K, Nishihama R, Kohchi T, Hasezawa S
  • Journal Title: Plant Biotech Volume: 39 Pages: 5-12
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.21.1217b
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Two Kinesin-14A motors oligomerize to drive poleward microtubule convergence for acentrosomal spindle morphogenesis in Arabidopsis thaliana. (2022)
  • Author(s): Hotta T, Lee YR, Higaki T, Hashimoto T, Liu B
  • Journal Title: Front Cell Dev Biol. Volume: 10 Pages: 949345
  • DOI: 10.3389/fcell.2022.949345
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Two-step regulation of centromere distribution by condensin II and the nuclear envelope proteins. (2022)
  • Author(s): Sakamoto T, Sakamoto Y, Grob S, Slane D, Yamashita T, Ito N, Oko Y, Sugiyama T, Higaki T, Hasezawa S, Tanaka M, Matsui A, Seki M, Suzuki T, Grossniklaus U, Matsunaga S
  • Journal Title: Nat Plants Volume: 8 Pages: 940-953
  • DOI: 10.1038/s41477-022-01200-3
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Bone marrow imaging reveals the migration dynamics of neonatal hematopoietic stem cells. (2022)
  • Author(s): Takihara Y, Higaki T, Yokomizo T, Umemoto T, Ariyoshi K, Hashimoto M, Sezaki M, Takizawa H, Inoue T, Suda T, Mizuno H
  • Journal Title: Commun Biol Volume: 5 Pages: 776
  • DOI: 10.1038/s42003-022-03733-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] EML2-S constitutes a new class of proteins that recognizes and regulates the dynamics of tyrosinated microtubules. (2022)
  • Author(s): Hotta T, McAlear TS, Yue Y, Higaki T, Haynes SE, Nesvizhskii AI, Sept D, Verhey KJ, Bechstedt S, Ohi R
  • Journal Title: Curr Biol Volume: 32 Pages: 3898-3910
  • DOI: 10.1016/j.cub.2022.07.027
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Machine learning and feature analysis of the cortical microtubule organization of Arabidopsis cotyledon pavement cells. (2022)
  • Author(s): Yoshida D, Akita K, Higaki T
  • Journal Title: Protoplasma Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1007/s00709-022-01813-7
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Disease-associated H58Y mutation affects the nuclear dynamics of human DNA topoisomerase IIβ. (2022)
  • Author(s): Morotomi-Yano K, Hiromoto Y, Higaki T, Yano KI
  • Journal Title: Sci Rep Volume: 12 Pages: 20627
  • DOI: 10.1038/s41598-022-24883-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ab-GALFA, A bioassay for insect gall formation using the model plant Arabidopsis thaliana. (2022)
  • Author(s): Hirano T, Okamoto A, Oda Y, Sakamoto T, Takeda S, Matsuura T, Ikeda Y, Higaki T, Kimura S, Sato MH
  • Journal Title: Sci Rep Volume: 12 Pages: 2554
  • DOI: 10.1038/s41598-023-29302-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 画像解析に基づく細胞の定量評価と認識 (2022)
  • Author(s): 檜垣 匠
  • Organizer: 日本農薬学会第48回大会
  • Invited
• [Presentation] Four-dimensional digital archiving and quantitative evaluation of Arabidopsis architectures. (2022)
  • Author(s): Takumi Higaki
  • Organizer: International symposium on “Plant-Structure-Optimization”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 熊本大学ニュース「細胞の骨組みの特徴に基づいたAIによる細胞の自動分類と分析」
  • URL: https://www.kumamoto-u.ac.jp/whatsnew/sizen/20221020