2019 Fiscal Year Annual Research Report
Direct imaging analysis of hierarchy of cell wall in trees
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18H02251
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
船田 良 東京農工大学, (連合)農学研究科(研究院), 教授 (20192734)
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| 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, 教授 (70337707)
山岸 祐介 北海道大学, 農学研究院, 助教 (80770247)
堀川 祥生 東京農工大学, (連合)農学研究科(研究院), 准教授 (90637711)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 木質バイオマス / 細胞壁構造 / 管状要素 / 微小管 / アクチンフィラメント / セルロースミクロフィブリル / リグニン / 植物ホルモン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
循環型社会の構築には、再生可能な資源である植物バイオマスの高度有効利用が重要である。植物バイオマスの高度有効利用のためには、植物バイオマスの大半を占める木材など木質バイオマスの量や質の制御機構の解明、特に細胞壁階層構造や修飾構造の形成過程など二次木部細胞の分化機構を解明することが不可欠である。そこで本研究課題では、仮道管や道管要素などに形態や細胞壁構造が類似した二次木部様細胞を樹木の培養細胞から直接高頻度で誘導する新規モデル系を確立することを目的とした。モデル樹木であるポプラを用い、培地にオーキシンである2,4-Dとブラシノステロイドの両者を組み合わせることにより、二次木部様管状要素が誘導された。管状要素の一部は、偏光顕微鏡で複屈折を示し、道管要素と同様に３層構造を有する厚い二次壁を形成していた。また、隣接する管状要素と壁孔対を形成する管状要素も誘導された。したがって、ポプラ培養細胞由来の管状要素は、細胞壁階層構造の形成機構の多様性を解明するための優れたモデルであるといえる。一方、裸子植物であるイチョウの培養細胞を誘導したところ、らせん状や網目状など細胞壁構造が一次木部に類似した管状要素が認められた。培地にブラシノステロイドを添加したところ、管状要素の誘導量が倍増した。培地条件が、管状要素の誘導を制御しているといえる。一方、仮道管に分化中の木部細胞内のアクチンフィラメントの方向や局在の動的変化を蛍光抗体染色法と共焦点レーザ走査顕微鏡法を組み合わせて観察した。アクチンフィラメントの配向は、細胞の分化に伴い変化したが、表層微小管の配向変化との関連性は認められなかった。一方、アクチンフィラメントはらせん肥厚や壁孔形成部に局在したことから、表層微小管の局在と密接な関連性があるといえる。したがって、細胞壁の複雑な階層構造の形成には、細胞骨格相互の局在が密接に関与していると考えられる。
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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
本研究課題の主目的は、樹木の培養細胞から、複雑な構造を有する二次木部様細胞を直接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堆積やリグニンの沈着など細胞壁階層構造の発現機構を解析することである。現在までの研究により、交雑ポプラやトチノキなど広葉樹、トドマツ、イチョウなど裸子植物の培養細胞から、厚い二次壁や有縁壁孔、らせん肥厚、せん孔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。また、植物ホルモンの種類や濃度を検討し、管状要素の形態やせん孔のサイズとの関連性を明らかにした。さらに、共焦点レーザ走査顕微鏡と蛍光抗体染色法を組み合わせたイメージング解析法を開発し、培養細胞やインタクトな木部細胞内の微小管やアクチンフィラメントなどの配向や局在の動的変化とセルロースミクロフィブリルの配向や局在との密接な関連性に関する知見も得られている。これまでに得られた成果の一部は国内や国際学会で多く発表し、国際誌に論文として公表または投稿中であることから、順調に研究が進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
異なる樹木の培養細胞から、複雑な形態や細胞壁構造を有する二次木部様細胞を直接誘導する条件をさらに検討する。特に、モデル植物であり、ゲノム解析が進んでいるポプラの培養細胞からせん孔や有縁壁孔など複雑な構造を形成する系を確立する。一方、トチノキにおいては、せん孔を有する培養細胞の出現率を増加する条件を確立する。また、ポプラの培養細胞を用いてGFPで標識した微小管やアクチンフィラメントの動的変化を解析し、セルロースミクロフィブリルの配向や局在の制御機構を明確にする。一方、管状要素に沈着するリグニンの局在については、リグニンの前駆体のプローブを駆使した生体イメージング技術を確立し、リグニンの細胞壁中での動的な制御機構を明らかにする。また、リグニンの前駆体の合成への細胞外物資の役割も明らかにする。さらに、培養細胞において分化特異的に発現するセルロース合成関連遺伝子の解析を進める。以上の研究結果から、樹木細胞壁の階層構造の発現機構を明らかにする。得られる成果は、国内や国際学会等で広く発表するとともに、論文として公表する。
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Research Products
(20 results)
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[Journal Article] Changes in cambial activity are related to precipitation patterns in four tropical hardwood species grown in Indonesia2019
Author(s)
Rahman, M.H., Nugroho, W.D., Nakaba, S., Kitin, P., Kudo, K., Yamagishi, Y., Begum, S., Marsoem, S.N., Funada, R.
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Journal Title
American Journal of Botany
Volume: 106
Pages: 760-771
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Localization of actin filaments and cortical microtubules in wood-forming tissues of conifers2019
Author(s)
Begum, S., Furusawa, O., Shibagaki, M., Nakaba, S., Yamagishi, Y., Yoshimoto, J., Rahman, M.H., Sano, Y., Funada, R.
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Journal Title
IAWA Journal
Volume: 40
Pages: 703-720
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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