樹木の細胞壁高次構造形成機構のリアルタイムイメージング解析

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15H04527
• Research Institution: Tokyo University of Agriculture and Technology
• Principal Investigator: 船田 良 東京農工大学, (連合)農学研究科(研究院), 教授 (20192734)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 梶田 真也 東京農工大学, (連合)農学研究科(研究院), 教授 (40323753) ; 半 智史 東京農工大学, (連合)農学研究科(研究院), 准教授 (40627709) ; 渡邊 宇外 千葉工業大学, 先進工学部, 准教授 (70337707)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 木質バイオマス / 植物細胞壁 / 管状要素 / セルロースミクロフィブリル / 微小管 / リグニン / 生体イメージング / 修飾構造

Outline of Annual Research Achievements

再生可能な資源である植物バイオマスの有効利用は、循環型社会の構築のために重要である。植物バイオマスの大部分は、木材など樹木が生産する木質バイオマスである。したがって、植物バイオマスの有効利用のためには、木材の材質特性に関する情報を集積するとともに、それらの特性を決定する木材の形成機構、特に細胞壁高次構造の形成機構など樹木の二次木部細胞の分化過程を充分に解明することが不可欠である。そこで本研究課題では、申請者らが発見した、厚い二次壁と有縁壁孔など複雑な構造を有し、仮道管や道管要素などに形態が類似した二次木部様細胞を樹木の培養細胞から直接誘導する新規モデル系を駆使し、セルロースミクロフィブリルの配向・局在の制御機構やリグニンの沈着機構など、細胞壁構造のパターン形成機構を明らかにする。カルスから管状要素への誘導率を向上させるため、培地の植物ホルモン条件を検討し、交雑ポプラ培養細胞からの管状要素分化にはオーキシンとブラシノステロイドの両者の作用が必要であること、2種の合成オーキシンであるNAAと2,4-Dでは、細胞内での輸送様式が異なるため管状要素誘導への作用も異なることを明らかにした。管状要素に沈着するリグニンの分布を組織化学的手法で解析したところ、誘導培地に移してから時間が経過するにつれて、リグニンが細胞壁やセルコーナーに沈着した。リグニンの沈着過程が細胞壁とセルコーナーでは異なることから、リグニンの沈着には空間的な制御があるといえる。さらに、GFP融合タンパク質を発現させて、微小管付随タンパク質の挙動を連続的に解析したところ、管状要素の分化に伴い、微小管の局在が変化した。細胞骨格である微小管の配向や局在が、複雑な細胞壁高次構造のパターン形成を制御しているといえる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究の目的は、樹木の培養細胞から直接二次木部様細胞を誘導する新規モデル系を確立し、セルロースミクロフィブリルの局在・配向やリグニンの分布など細胞壁の高次構造を明らかにすることである。現在までの研究により、交雑ポプラやスギなど針葉樹の培養細胞から、厚い細胞壁（二次壁）と有縁壁孔やらせん肥厚など複雑な修飾構造を形成する管状要素を安定的に誘導することに成功している。特に、オーキシンやブラシノステロイドなど植物ホルモンの種類や濃度を検討し、管状要素への誘導率の向上や細胞形態の制御を行うことが出来た。また、培養細胞から管状要素へ分化中の培養細胞内の微小管の配向の動的変化に関する知見も得られた。さらに、リグニンの細胞壁への沈着開始場所に関する組織化学的知見を得ている。これまで得られた成果の一部は国内や国際学会で発表し、論文として公表したことから、順調に研究が進んでいると判断した。

Strategy for Future Research Activity

樹木の培養細胞から直接二次木部様細胞を誘導する条件をさらに検討し、特に交雑ポプラにおいて、厚い細胞壁（二次壁）や有縁壁孔の形成だけでなく、発達したせん孔を形成する系を確立する。また、培養細胞から分化中の細胞における微小管やアクチンフィラメントの立体配置を解析し、セルロースミクロフィブリルの配向・局在制御機構を明確にする。一方、管状要素におけるリグニン沈着過程の理解は、細胞壁の高次構造を理解する上で重要である。そこで、細胞壁形成過程におけるリグニンの沈着場所を紫外線顕微鏡法や選択的染色法などで追跡するとともに、リグニンの前駆体に蛍光色素を標識したプローブを培養細胞に投与し、細胞壁の堆積過程との関連性を明らかにすることで、リグニンの沈着過程の空間的な制御機構を明らかにする。また、培養細胞から二次木部様細胞へ誘導過程に特異的に発現する遺伝子の解析を勧める。以上の研究から、樹木細胞壁高次構造のモデル化を行う。得られた成果は、最終報告書にまとめ、学会等で発表するとともに、論文として広く公表する。

Research Products

• [Journal Article] Responses of ray parenchyma cells to wounding differ between earlywood and latewood in the sapwood of Cryptomeria japonica (2017)
  • Author(s): Nakaba, S., Morimoto, H., Arakawa, I., Yamagishi, Y., Nakada, R., Funada, R.
  • Journal Title: Trees Volume: 31 Pages: 31-39
  • DOI: 10.1007/s00468-016-1452-z
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Agatharesinol biosynthesis-related changes of ray parenchyma in sapwood sticks of Cryptomeria japonica during cell death (2016)
  • Author(s): Nakaba, S. Arakawa, I., Morimoto, H., Nakada, R., Bito, N.,Imai, T., Funada, R.
  • Journal Title: Planta Volume: 243 Pages: 1225-1236
  • DOI: 10.1007/s00425-016-2473-y
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Relationship between the earlywood-to-latewood trantition and changes in levels of stored starch around the cambium in locally heated stems of the evergreen conifer Chamaecyparis pisifer (2016)
  • Author(s): Rahman, Md.H., Begum, S., Nakaba, S., Yamagishi, Y., Kudo, K., Nabeshima, E., Nugroho, W.D., Oribe, Y., Funada, R.
  • Journal Title: Trees Volume: 30 Pages: 1619-1630
  • DOI: 10.1007/s00468-016-1395-4
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Earlywood vessels in ring-porous deciduous hardwoods become functional for water transport after bud burst and before the maturation of the current-year leaves (2016)
  • Author(s): Kitin, P., Funada, R.
  • Journal Title: IAWA Journal Volume: 37 Pages: 315-331
  • DOI: 10.1163/22941932-20160136
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of the application of exogenous auxin and defoliation on cambial reactivation and xylem differentiation in locally heated stems of Abies homolepis seedlings (2017)
  • Author(s): Md Hasnat Rahman, Shahanara Begum, Kayo Kudo, Takahiro Muraishi, Yusuke Yamagishi, Satoshi Nakaba, Ryo Funada
  • Organizer: 第67回日本木材学会大会
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡県福岡市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-19
• [Presentation] ドロノキ放射柔細胞の細胞死に関連するプロテアーゼの遺伝子発現解 (2017)
  • Author(s): 半 智史、高田直樹、高橋大輔、中田了五、上村松生、船田 良
  • Organizer: 第67回日本木材学会大会
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡県福岡市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-19
• [Presentation] カラマツ放射柔細胞の分化過程とデンプン貯蔵機能発現の関連性 (2017)
  • Author(s): 荒川 泉、安江 恒、船田 良、半 智史
  • Organizer: 第67回日本木材学会大会
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡県福岡市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-19
• [Presentation] 交雑ポプラ培養細胞を用いたin vitro管状要素誘導に合成オーキシンNAAおよび2,4-Dが及ぼす影響 (2017)
  • Author(s): 山岸祐介、鎌田 裕、工藤佳世、半 智史、船田 良、荒川圭太、佐野雄三
  • Organizer: 第67回日本木材学会大会
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡県福岡市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-19
• [Presentation] ジベレリンおよびブラシノステロイド処理によるヤチダモおよびヤマザクラの引張あて材様組織の誘導に関する研究 (2017)
  • Author(s): 村石貴彦、工藤佳世、山岸祐介、Widyanto Dwi Nugroho、船田 良、半 智史
  • Organizer: 第67回日本木材学会大会
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡県福岡市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-19
• [Presentation] サワラ樹幹に対する局所的な冷却処理やヒノキ苗木に対する水分制限処理が形成層細胞の分裂活動や木部分化過程に対して与える影響 (2017)
  • Author(s): 中村祐輔、Md Hasnat Rahman、半 智史、Shahanara Begum、船田 良
  • Organizer: 第67回日本木材学会大会
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡県福岡市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-19
• [Presentation] トドマツ成熟種子由来の不定胚形成細胞を経由した植物体再生に関する研究 (2017)
  • Author(s): 秋山佳貴、塚田健太郎、吉田裕子、山岸祐介、中田了五、半 智史、船田 良
  • Organizer: 第67回日本木材学会大会
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡県福岡市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-19
• [Presentation] ウルシとオオヤマレンゲの種子を用いた組織培養によるPEMs誘導に関する報告 (2017)
  • Author(s): 塚田健太郎、井上涼平、山岸祐介、沈 昱東、平野 優、安江 恒、田端雅進、半 智史、船田 良
  • Organizer: 第67回日本木材学会大会
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡県福岡市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-19
• [Presentation] 交雑ポプラ培養細胞の管状要素誘導系におけるリグニン沈着過程の解析 (2017)
  • Author(s): 吉田裕子、山岸祐介、半 智史、船田 良
  • Organizer: 第67回日本木材学会大会
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡県福岡市）
  • Year and Date: 2017-03-17 – 2017-03-19
• [Presentation] 交雑ポプラカルスにおける二次木部様管状要素の分化 (2016)
  • Author(s): 山岸祐介、吉田裕子、渡辺宇外、半 智史、船田 良、荒川圭太、佐野雄三
  • Organizer: 第34回日本植物細胞分子生物学会大会
  • Place of Presentation: 信州大学（長野県上田市）
  • Year and Date: 2016-09-01 – 2016-09-03
• [Presentation] Regulation of wood formation in trees: the role of temperature in cambial activity (2016)
  • Author(s): Ryo Funada, Shahanara Begum, Kayo Kudo, Md Hasnat Rahman, Yusuke Yamagishi, Eri Nabeshima, Widyanto Dwi Nugroho, Yuichiro Oribe, Satoshi Nakaba
  • Organizer: International Academy of Wood Science Meeting
  • Place of Presentation: Academie d’Agriculture de France (Paris, France)
  • Year and Date: 2016-06-01 – 2016-06-03
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The effects of defoliation and auxin transport inhibitor, N-(1-Naphthyl)phthalamic acid (NPA) on cambial reactivation and formation of earlywood tracheids in locally heated stems of Abies homolepis seedlings (2016)
  • Author(s): Md Hasnat Rahman, Kayo Kudo, Yusuke Yamagishi, Shahanara Begum, Michito Hosaka, Satoshi Nakaba, Ryo Funada
  • Organizer: The Korean Society of Wood Science & Technology
  • Place of Presentation: Kookmin University (Seoul, Korea)
  • Year and Date: 2016-04-15 – 2016-04-16
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 東京農工大学植物資源形成学研究室
  • URL: http://web.tuat.ac.jp/~keisei/
• [Remarks] 東京農工大学研究者情報
  • URL: http://kenkyu-web.tuat.ac.jp/Profiles/1/0000023/profile.html