2017 Fiscal Year Research-status Report
細胞壁ダイナミクスが誘起する物理的バイアスによる細胞形成の制御機構の解明
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16K07389
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
横山 隆亮 東北大学, 生命科学研究科, 講師 (90302083)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 植物細胞壁 / プロトプラスト / セルロース / キシログルカン / マトリックス構造 / イメージング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，植物細胞の形成が細胞外マトリックス構造（細胞壁）によって多面的に制御されていることを実証するとともに，細胞形成を制御するための細胞壁構造のダイナミクスとその分子制御メカニズムの全容解明を目指している。平成29年度は，一昨年度までに開発・改良に成功したイメージング技術を活用して，シロイヌナズナ（Arabidopsis thaliana）のプロトプラストの細胞壁再生過程におけるセルロース・マトリックスの構築に対する細胞骨格の影響を定量的かつ経時的に解析し，細胞外のセルロース・マトリックスの動態制御に細胞内の細胞骨格が大きく寄与していることを明らかにした。セルロース・マトリックスのダイナミクスを定量的に捉えるイメージング技術とセルロース・マトリックス形成における細胞骨格の役割を解明した研究成果に関しては，これらの研究成果をまとめてPlant Direct誌に発表した（Kuki et al. 2017）。
また様々な種類の細胞壁関連遺伝子のT-DNA挿入突然変異体のプロトプラストを用いた細胞壁構築過程のイメージング解析によって，機能的なセルロース・マトリックスを構築するためには，細胞壁の主要なヘミセルロース成分であるキシログルカンが必要であることを明らかにした。キシログルカンはセルロース微繊維間を架橋することで，セルロース・マトリックスの構築に関わるものと考えられているが，このキシログルカン分子の繋ぎ換え反応を触媒するXTHがシロイヌナズナなどの被子植物だけではなく，ゼニゴケなどにも高度に保存されていることを明らかにし（Bowman et al. 2017），セルロース・マトリックスの構築におけるキシログルカン-XTHの機能が陸上植物に共通の分子メカニズムであることを示した。
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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
平成29年度は，画像の高解像化や新たな数理モデルの導入などによって改良したイメージング技術を活用することで，細胞壁構造の基本骨格となるセルロース・マトリックスのダイナミクスをさらに詳細に定量分析することが可能になり，細胞壁の物理的バイアスの主要な要因であるセルロース・マトリックスの構築に細胞内の細胞骨格が重要な役割を果たしていることや（Kuki et al. 2017），細胞外ではキシログルカン分子が必要なことを明らかにできた。細胞形成を制御する細胞壁の物理的バイアスを生じさせるセルロース・マトリックスの構築制御に関わる重要因子が，細胞内（細胞骨格）と細胞外（キシログルカン-XTH）の両面で明らかになったことは，細胞壁の物理的バイアスを生じさせる分子制御機構を解明する上で計画以上の研究成果と考えられる。
またT-DNA挿入突然変異体とイメージング解析を利用したセルロース・マトリックス形成に関与する遺伝子の探索では，セルロース微繊維の束化・結晶化などに関わるCTL1遺伝子などの単離にも成功した。一昨年度にもセルロース・マトリックス構造を改変する新規酵素の単離・同定に成功しており（Shinohara et al. 2017），これらの遺伝子機能をキシログルカン-XTHの分子機構を統合的に解析することで，セルロース・マトリックスの構築制御の全容解明に近づくものと期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度は，シロイヌナズナのプロトプラストの細胞再生過程における細胞壁の基本骨格となるセルロース・マトリックスの構築の制御機構に関して，平成29年度までに同定した各制御因子の機能解明を中心に研究を展開する。これまでの研究で物理的強度に寄与すると考えられる機能的なセルロース・マトリックスを構築するためにはキシログルカン分子が必須であることが示されたことから，セルロース・マトリックスの構築過程におけるキシログルカンとセルロースの結合状態などとセルロース・マトリックスの動態との関連，さらには細胞壁の物理的強度との相関関係を総合的に評価することで，細胞表面で物理的バイアスを引き起すセルロース・マトリックスの構築プロセスにおけるキシログルカンの具体的な役割を明らかにする。またこの構築プロセスにおいてキシログルカンやセルロースに作用するXTHやCTL1などの酵素などの機能解明を行うとともに，セルロース・マトリックス全体の動態制御に関わる細胞骨格の役割を明らかにすることで，細胞表面で物理的バイアスを引き起すセルロース・マトリックスの構築制御の全容解明を目指す。
さらに本研究で開発・改良したイメージング技術を利用して，セルロース・マトリックスを基本骨格とした細胞壁が引き起す細胞表面の物理的バイアスが細胞形成に与える影響を解析することで，細胞壁の物性が細胞形成を制御していることを実証し，この研究成果を国内外に発表する。
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