2022 Fiscal Year Research-status Report
Function analysis of plant idioblast cells with single cell omics
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22K15136
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| Research Institution | Yokohama City University |
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Principal Investigator |
山本 浩太郎 横浜市立大学, 理学部, 助教 (60888535)
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2022-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 異形細胞 / １細胞オミクス / アルカロイド / 植物二次代謝 / メタボロミクス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
植物は、昆虫や草食動物などの捕食者に対する防御物質として、カフェインやモルヒネのような二次代謝産物を生産している。これらの二次代謝産物の中には、薬、嗜好品、さらには染料やゴムなど、人に有用な物質が数多くある。植物の二次代謝には、一連の生合成が一つの細胞内で完結せず、複数の細胞を横断して行われるものがある。異形細胞と呼ばれる他の細胞とは異なる形態である細胞が、細胞間を横断して行われる二次代謝の一翼を担っている可能性が示唆されているが、その役割・発生過程・類似性・二次代謝との関連性などは未だによくわかっていない。
本研究では、１細胞生物学実験手法を植物種ごとに適宜改良して、多様な植物における異形細胞とアルカロイド代謝の関係性を明らかにする。さらに、代謝物による異形細胞の分類を行う。この研究成果は、植物異形細胞における代謝を制御する仕組み・意味を調べる研究や、形態形成について調べる研究につながる。また、異形細胞に局在するアルカロイド代謝酵素の探索をすることにより、酵母やタバコなどの異種発現系での有用天然物の効率的な生産にもつながることが期待される。
本年度は、日本原産のキョウチクトウ科チョウジソウを含む様々な植物で細胞の顕微鏡観察を進めるとともに、メタボロームデータを取得してきた。チョウジソウの細胞を蛍光顕微鏡で観察していると、蛍光性物質を蓄積する異形細胞や、異形細胞の内部に強固で特殊な細胞内構造があることを発見した。
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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
本年度は、薬や毒になる興味深い生理活性物質（二次代謝産物）を生合成する植物や乳液を持つ植物を収集した。収集した植物について切片を作成し、顕微鏡で観察した結果、一部の植物が脂肪滴のような特殊な細胞内構造を異形細胞の中に持つことを発見した。これらの新たな植物での植物二次代謝研究をはじめるために、分子生物学・生化学などの実験基盤の構築を行った。また、新たな植物の中でも興味深い異形細胞が観察できたキョウチクトウ科チョウジソウにおいては組織レベルでのメタボロームデータやトランスクリプトームデータの取得を試みた。
さらに、チョウジソウより特殊な細胞内構造を分離し、それらを観察しながら細胞内構造内外の代謝物を測定するために、3Dプリンターを用いてマイクロデバイスを作成した。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、薬用植物として著名なニチニチソウの二次代謝研究の知見を用いながら、アルカロイド代謝を行う多様な植物の異形細胞と呼ばれる特殊に分化した細胞やアルカロイド生合成に関与する細胞を調べている。ニチニチソウだけでなく他の植物においても異形細胞に代謝中間物質がいるのか、どのような代謝酵素がいるのかを調べることによって、代謝の場となる分化した細胞種が多様なアルカロイドを生合成するのにどのような役割を果たしているのかを明らかにする。
本年度、組織ごとのメタボロームデータやトランスクリプトームデータを取得した植物（チョウジソウなど）に関しては、来年度、細胞・オルガネラレベルでのメタボロームデータを取得する予定である。
また、チョウジソウのように興味深い異形細胞を見つけた植物では、一過的過剰発現やノックダウンの実験系の確立に取り組む。
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| Causes of Carryover |
本年度RNA-seq解析を行うためのサンプルを2023年1月に外注先に送付したが、データの納品が遅れたため次年度使用額が発生した。このデータは2023年4月に納品された。
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