Multi-dimensional bioimage analyses with machine learning to reveal the dynamics of membrane vesicles and microtubules in stomatal guard cells

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H03289
• Research Institution: Kumamoto University
• Principal Investigator: 桧垣 匠 熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 教授 (90578486)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 気孔開閉運動 / 微小管 / 膜小胞 / イメージング / 画像解析

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、多次元ライブセルイメージングと機械学習を活用した画像解析技術に基づいて、植物の気孔開閉運動を司るH+-ATPaseの細胞膜への局在化（細胞膜輸送）機構の全貌解明を目指した。気孔開口を駆動するH+-ATPase AHA1の細胞膜輸送に必須の因子であるPATROL1およびその相互作用因子群に注目し、それらの三次元分布および共局在性を多次元ライブセルイメージングにより描出した。特に、気孔応答を制御するPATROL1依存的なAHA1の細胞膜輸送機構の解明に資する、取得画像群から膜小胞と微小管を高精度に検出・評価する機械学習技術を活用した定量的な解析手法の開発に注力した。
PATROL1、微小管、PATROL1相互作用候補因子（膜交通関連因子）の細胞内動態をスピニングディスク式共焦点顕微鏡により画像取得した。取得画像から、機械学習を援用した画像解析を介して小胞の密度や微小管の配向、揃い具合、長さなどの特徴量を計測するとともに、これらの共局在性を定量的に評価した。また、膜交通関連因子を秒オーダーでの経時観察したところ、細胞膜近傍における膜小胞の滞在時間や、膜小胞に局在する順序に違いが観察された。そこで、多色動画像を取得し、滞在時間と局在順序に関しても定量評価を行った。技術的な検討として、微小管構造の定量評価のためのセグメンテーションに関して、既存の閾値設定による手法と深層学習を活用した手法の比較検証を実施した。その結果、微小管の配向や揃い具合については両者に大きな差異は認められなかったが、密度に関しては深層学習に基づくセグメンテーションを介した方が精度が高いことが判明した。また、深層学習による顕微鏡画像の画質復元についても検討し、観察実験における光毒性の軽減に役立つ可能性が示された。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Tracking metabolites at single-cell resolution reveals metabolic dynamics during plant mitosis. (2022)
  • Author(s): Okubo-Kurihara E, Ali A, Hiramoto M, Kurihara Y, Abouleila Y, Abdelazem EM, Kawai T, Makita Y, Kawashima M, Esaki T, Shimada H, Mori T, Hirai MY, Higaki T, Hasezawa S, Shimizu Y, Masujima T, Matsui M
  • Journal Title: Plant Physiol Volume: 189 Pages: 459-464
  • DOI: 10.1093/plphys/kiac093
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Migration of prospindle before the first asymmetric division in germinating spore of Marchantia polymorpha. (2022)
  • Author(s): Sakai Y, Higaki T, Ishizaki K, Nishihama R, Kohchi T, Hasezawa S
  • Journal Title: Plant Biotech Volume: 39 Pages: 5-12
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.21.1217b
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Two Kinesin-14A motors oligomerize to drive poleward microtubule convergence for acentrosomal spindle morphogenesis in Arabidopsis thaliana. (2022)
  • Author(s): Hotta T, Lee YR, Higaki T, Hashimoto T, Liu B
  • Journal Title: Front Cell Dev Biol. Volume: 10 Pages: 949345
  • DOI: 10.3389/fcell.2022.949345
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Two-step regulation of centromere distribution by condensin II and the nuclear envelope proteins. (2022)
  • Author(s): Sakamoto T, Sakamoto Y, Grob S, Slane D, Yamashita T, Ito N, Oko Y, Sugiyama T, Higaki T, Hasezawa S, Tanaka M, Matsui A, Seki M, Suzuki T, Grossniklaus U, Matsunaga S
  • Journal Title: Nat Plants Volume: 8 Pages: 940-953
  • DOI: 10.1038/s41477-022-01200-3
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Bone marrow imaging reveals the migration dynamics of neonatal hematopoietic stem cells. (2022)
  • Author(s): Takihara Y, Higaki T, Yokomizo T, Umemoto T, Ariyoshi K, Hashimoto M, Sezaki M, Takizawa H, Inoue T, Suda T, Mizuno H
  • Journal Title: Commun Biol Volume: 5 Pages: 776
  • DOI: 10.1038/s42003-022-03733-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] EML2-S constitutes a new class of proteins that recognizes and regulates the dynamics of tyrosinated microtubules. (2022)
  • Author(s): Hotta T, McAlear TS, Yue Y, Higaki T, Haynes SE, Nesvizhskii AI, Sept D, Verhey KJ, Bechstedt S, Ohi R
  • Journal Title: Curr Biol Volume: 32 Pages: 3898-3910
  • DOI: 10.1016/j.cub.2022.07.027
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Machine learning and feature analysis of the cortical microtubule organization of Arabidopsis cotyledon pavement cells. (2022)
  • Author(s): Yoshida D, Akita K, Higaki T
  • Journal Title: Protoplasma Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.1007/s00709-022-01813-7
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Disease-associated H58Y mutation affects the nuclear dynamics of human DNA topoisomerase IIβ. (2022)
  • Author(s): Morotomi-Yano K, Hiromoto Y, Higaki T, Yano KI
  • Journal Title: Sci Rep Volume: 12 Pages: 20627
  • DOI: 10.1038/s41598-022-24883-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ab-GALFA, A bioassay for insect gall formation using the model plant Arabidopsis thaliana. (2022)
  • Author(s): Hirano T, Okamoto A, Oda Y, Sakamoto T, Takeda S, Matsuura T, Ikeda Y, Higaki T, Kimura S, Sato MH
  • Journal Title: Sci Rep Volume: 13 Pages: 2554
  • DOI: 10.1038/s41598-023-29302-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 画像解析に基づく細胞の定量評価と認識 (2022)
  • Author(s): 檜垣 匠
  • Organizer: 日本農薬学会第48回大会
  • Invited
• [Presentation] Four-dimensional digital archiving and quantitative evaluation of Arabidopsis architectures. (2022)
  • Author(s): Takumi Higaki
  • Organizer: International symposium on “Plant-Structure-Optimization”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 熊本大学ニュース「細胞の骨組みの特徴に基づいたAIによる細胞の自動分類と分析」
  • URL: https://www.kumamoto-u.ac.jp/whatsnew/sizen/20221020