2018 Fiscal Year Annual Research Report

非線形振動子制御理論を用いた植物概日時計制御技術の構築

Research Project

Project/Area Number	18J20079
Research Institution	Osaka Prefecture University
Principal Investigator	増田亘作大阪府立大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
Project Period (FY)	2018-04-25 – 2021-03-31
Keywords	シロイヌナズナ / 概日リズム / 位相応答 / 数理モデル / 同期制御
Outline of Annual Research Achievements	環境刺激を与える時刻と成長との関係性を明らかにするため、シロイヌナズナとレタスを用いて一定の明暗環境下において異なる時刻に温度刺激を繰り返し与える実験を行った。実験の結果、シロイヌナズナ・レタスともに一日当たりに受ける刺激の量が一定の環境においても、刺激を受ける時刻に依存して成長量が変化することが確かめられた。同様の環境において、ホタルの発光遺伝子を組み込んだ遺伝子組換えシロイヌナズナによる実験を実施し、時計遺伝子TOC1の発現パターンと成長との関係性を調査した。結果、細胞間の同期状態の指標である概日リズムの振幅と成長量との間に正の相関があることが明らかとなった。また、数値シミュレーションにより、環境の変化による概日リズムの振幅の変化が予測できることが分かった。以上の結果から、理論・シミュレーションにより栽培環境を設計し、植物の成長をコントロールできる可能性が示された。植物概日時計の同期特性に係る植物の内因的な要因について検証を行うため、シロイヌナズナの時計遺伝子の変異体および地上部と地下部を分離した植物体を用いて実験を行った。時計遺伝子PRR5、PRR7、PRR9の変異体を用いて2時間の暗期刺激に対する応答を計測した結果、それぞれの時計遺伝子の変異が植物の同期特性に異なる影響を及ぼし、二重の変異が与える影響はそれぞれの単独の変異の単純な加算とは異なることが明らかとなった。また、分離された植物体について温度刺激に対する応答を計測した結果、植物全体・地上部・地下部がそれぞれ異なる応答特性を示すことが分かった。以上の結果は、植物概日時計の同期特性における、遺伝子間・部位間の複雑な相互作用が存在することを示唆しており、より精密な植物概日時計の制御を実現する上での重要な知見が得られた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 当初の計画通り、シロイヌナズナ・レタスともに植物の成長が環境刺激を受ける概日時刻に依存することを示すことができた。また、概日時計の細胞間同期と成長との間に関係性が存在することが示唆された。加えて、植物概日時計制御を実現する上で重要となる、概日時計の遺伝子・部位特異性に関する基礎的な性質を明らかにすることができた。以上の結果から、最終的な研究目標を達成する上で十分に研究が進んでいるということができる。
Strategy for Future Research Activity	今後の研究方策としては、2018年度の研究で得られた知見をもとに概日時計制御技術の高度化を目指す。まず、概日時計の同期状態と成長の関係について、より広範な条件において調査することで、この関係の一般性を確認するとともに、それらの関係式を導出する。これにより、概日時計の同期状態を植物の栽培環境設計の一つの指標とすることを目指す。遺伝子組換え体を用いた遺伝子発現計測が難しいレタスなどの品種においても、画像計測等を通して表現型に現れる概日リズムと成長との関係性を評価する。また、先行研究における非線形振動子制御理論を植物の概日時計制御に適用し、概日リズムの状態を観察する。これにより、理論の有効性を検証するととともに、概日時計制御の精度が植物の成長や生理に与える影響ついて観察する。