2022 Fiscal Year Final Research Report
High-precision analysis of cell structural stiffness utilizing microscope techniques for single cell measurement and control
| 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 |
18H05493
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Complex systems
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| Research Institution | Nara Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
Hosokawa Yoichiroh 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (20448088)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
安國 良平 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (40620612)
三村 徹郎 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 特任研究員 (20174120)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | キーワード / 原子間力顕微 / フェムト秒レーザー / フォースマッピング / 顕微細胞操作 / 液胞制御 |
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| Outline of Final Research Achievements |
Atomic force microscopy (AFM) is used to advance the understanding of the mechanical structure of plant cells. An analytical theory (shell theory) for considering the deflection of the cell wall was constructed with reference to the treatment of structural mechanics in architectural engineering. We devised a method for deriving the elastic modulus of the cell wall and intracellular turgor pressure. By applying this method, we could determine these parameters from the topographic measurement and the indentation test by AFM. It is difficult to estimate them by other methods. This research unraveled the mechanical properties caused by the complex structure of plant cells, and opened a new way to understand the mechanical structure of plants from a microscopic view.
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| Free Research Field |
Applied Physics
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| Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements |
建築工学における構造力学の理論に基づき、外力による細胞の力学応答と外力が無い場合の膨圧による細胞壁形状のひずみを定式化し、細胞壁の弾性率と膨圧を導く方法を確立することができた。本研究で提案された方法を適用することで、AFMによる細胞形状計測とAFMによるインデンテーション試験による細胞壁のひずみ曲線（フォースカーブ）で決定されるパラメーターを用いて、これまで他の方法で推定が難しかった細胞壁の弾性率と膨圧を導くことができた。本研究により、植物細胞の持つ複雑な構造に起因する力学特性がひも解かれ、植物の力学構造を微視的な観点から理解するための新たな道筋を拓くことができた。
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