2019 Fiscal Year Research-status Report
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17KT0022
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
小山 時隆 京都大学, 理学研究科, 准教授 (30324396)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
市川 正敏 京都大学, 理学研究科, 講師 (40403919)
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| Project Period (FY) |
2017-07-18 – 2021-03-31
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| Keywords | 概日リズム / 生物発光 / 植物発生 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題は、植物の発生・成長過程における自律的な時間秩序の形成原理を細胞レベル、組織レベル、個体レベルなどそれぞれの階層において明らかにするとともに、それぞれの階層をつなぎ統一的に理解するための理論を作ることを目的としている。2019年度は細胞レベルの概日リズムの周期に対する同調性（同調範囲）についての新しい理論を細胞振動子(振動素子）の観点から構築するとともに、概日発光リズムを生じるウキクサの形質転換体の解析を通して、器官内の位相の時空間分布や成長（発生）にともなう概日リズムの生成の法則の解明を進めた。ウキクサは成長に伴い次々と新しい個体単位（フロンド）を作るが、新個体とそれを作る親個体との間の概日リズムの位相と振幅の関係性を明らかにした。特に、親個体が全体的に同期性が高い場合と脱同期状態にある場合とでは質的に異なる関係性を示すことがわかった。また、培地環境変化への概日時計の時刻合わせの性質も、個体が同期状態と脱同期状態の場合とで質的に異なることを明らかとした。これらの結果から、個体レベルの概日リズムの同期状態が新規個体発生や外部環境応答性に大きく関わることを明らかにし、個体レベルの時間秩序が細胞レベルの時間生成に対して大きな影響を与えることを明らかとした。
概日発光レポーターは発光酵素を発現させるプロモーターの違いによって、発光リズムの位相（時刻）や振幅だけでなく、器官特異性や発生段階特異性などを示すことが知られている。これまで用いてきた概日レポーター（シロイヌナズナCCA1プロモーター：成熟個体／朝に高発現）に加えて、位相／発現場所／発現発生段階の異なる形質転換ウキクサの作成に成功した。これらを材料にすることで時空間的な解析レンジを広げることができるため、より一般的／広範囲なリズム現象を研究対象にすることが可能となった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題は研究期間全体として、細胞自律的システムの植物個体内での時間秩序形成を理解するスキームを提案し、その統一的な時間秩序の理解を通して植物の発生や環境応答に対して新たな視点を提供することを目指した。細胞レベルの概日リズムの位相と振幅（安定性）および個体／組織レベルの位相（分布）と振幅を直接的に観測する手法を確立した。その観測手法で得られたデータをもとに個体／組織レベルでみられる同期状態を一つの指標とすることで、細胞概日振動子の環境応答性や個体発生にともなう時間秩序の新規生成の原理の大枠を理解することが可能なことを実証した。これらの観測結果は人為的介入の少ない条件下で得られたが、それらの原理の検証をすすめるための積極的な介入実験（マイクロダイセクションによる植物個体内部欠損など）の進展が遅れてしまった。一方、定量化したこれらの指標をもとに、個体内の時間秩序形成について、数理的な解釈を目指せる段階まで研究を進めることができた。上記のように本課題の根幹部分については大きな進展が見られたため、本研究は概ね順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度までに研究目標の重要事項についてはほぼ達成し、細胞から組織／個体レベルまでの概日リズムの挙動について十分なデータを蓄積することができた。今後は、これらのデータを具体的な数理モデルの構築、およびモデルを用いたリズム現象の理解に重点をおく。特に個体／組織レベルの同期状態の重要性が明らかとなったことから、同期／脱同期状態と植物の発生様式に基づく時間秩序生成モデルの構築を目指す。それらのモデルの検証に必要なリズム現象への人為介入手法や発生や同期状態をレポートする発光レポーターの開発および新たな観測手法の開発を進める。これらの実験的および数理的な研究成果を土台として、概日リズムとは直接関係ない（と思われている）現象も含めて、植物のさまざまな動的現象の深い理解につなげていきたい。
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| Causes of Carryover |
本年度までに得た研究成果を投稿論文としてまとめているが、年度内に出版までこぎつけることができなかったため、出版関連費用等の執行ができず、約60万円の次年度使用額が生じた。研究期間を延長した次年度は出版関連費用（２件計40万）および、論文出版に必要な追加実験の消耗品（約20万）を使用予定である。
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