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細胞壁の特殊化から読み解く植物の力学的最適化戦略

Planned

Project AreaElucidation of the strategies of mechanical optimization in plants toward the establishment of the bases for sustainable structure system
Project/Area Number 18H05489
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Complex systems
Research InstitutionNara Institute of Science and Technology

Principal Investigator

出村 拓  奈良先端科学技術大学院大学, デジタルグリーンイノベーションセンター, 教授 (40272009)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 西谷 和彦  神奈川大学, 理学部, 教授 (60164555)
大谷 美沙都  東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (60435633)
Project Period (FY) 2018-06-29 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥157,040,000 (Direct Cost: ¥120,800,000、Indirect Cost: ¥36,240,000)
Fiscal Year 2022: ¥30,680,000 (Direct Cost: ¥23,600,000、Indirect Cost: ¥7,080,000)
Fiscal Year 2021: ¥34,320,000 (Direct Cost: ¥26,400,000、Indirect Cost: ¥7,920,000)
Fiscal Year 2020: ¥33,800,000 (Direct Cost: ¥26,000,000、Indirect Cost: ¥7,800,000)
Fiscal Year 2019: ¥32,240,000 (Direct Cost: ¥24,800,000、Indirect Cost: ¥7,440,000)
Fiscal Year 2018: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000)
Keywords植物細胞壁 / マイクロドメイン / 重力屈性 / あて材形成 / 植物器官新生 / 原子間力顕微鏡 / 細胞壁パターン / マイクロフォーカスX線CT / 数理モデル / アメリカネナシカズラ / トランスクリプトーム解析
Outline of Annual Research Achievements

(1)構造力学的アプローチによる細胞壁マイクロドメイン化メカニズムの解明○植物細胞の機械的強度や物理的特性の変化の計測に向けて、AFMによる解析システムを確立した。○シロイヌナズナ道管細胞分化誘導系を材料に、原形質分離を誘導した際の二次壁沈着のパターン変化を追跡し、同系へのAFM解析システムの最適化を進めた。○細胞壁マイクロドメイン化に関わる新規因子の単離に向けて、順遺伝学解析とケミカルバイオロジー解析を進めた。
(2)重力屈性・あて材形成に見る力学的最適化戦略の解明○シロイヌナズナ花茎重力屈性に関して、Image JおよびKymoRod(MATLABプラグイン)による画像データ解析を行い、花茎屈曲動態の定量的特徴因子の抽出系を確立した。さらに数理モデルとの組み合わせにより、重力屈性動態を説明出来るパラメーターの算出に成功した。○シロイヌナズナ細胞壁改変ライブラリを用いて花茎重力屈性における細胞壁の役割を検討した。上記の解析系を用いた花茎重力屈性試験の結果、花茎細胞壁の特徴が屈曲開始後の花茎の立ち上がりや屈曲時間に影響することを明らかにした。
(3)植物器官新生における細胞壁の可塑的制御による力学的最適化の解明○マイクロフォーカスX線CTによる植物器官・組織の内部構造解析法を確立し、シロイヌナズナ花茎の維管束構造の可視化に成功した。○アメリカネナシカズラのin vitro吸器誘導系を確立した。さらにこの系を用いて、吸器の維管束新生制御に関わる細胞壁関連因子の同定に成功した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

(1)構造力学的アプローチによる細胞壁マイクロドメイン化メカニズムの解明○今後の研究に必須のAFMによる微小力学解析システムが確立できた。○シロイヌナズナ道管細胞分化誘導系における原形質分離誘導後の二次壁沈着パターン変化の追跡に成功した。○細胞壁マイクロドメイン化に関する順遺伝学解析とケミカルバイオロジー解析が進展した。
(2)重力屈性・あて材形成に見る力学的最適化戦略の解明○シロイヌナズナ花茎重力屈性の画像データ解析から数理モデルに研究が発展し、重力屈性動態に関する新規パラメーターを見いだした。これをもとに、花茎細胞壁特徴の花茎屈曲開始後の屈曲動態への影響の解析が可能となった。
(3)植物器官新生における細胞壁の可塑的制御による力学的最適化の解明○マイクロフォーカスX線CT解析法が確立した。○アメリカネナシカズラの吸器誘導時の維管束新生制御に関わる細胞壁関連因子を新規に見いだした。

Strategy for Future Research Activity

引き続き、細胞壁の特殊化を構造力学的に読み解くことで、サステナブル構造システムモデルに投影可能な植物の力学的最適化戦略を抽出する
(1)構造力学的アプローチによる細胞壁マイクロドメイン化メカニズムの解明○道管細胞分化の人為的誘導系を用いて、二次細胞壁沈着過程における細胞の機械的強度や物理的特性の変化を詳細に解析する。○隣り合った道管が二次細胞壁沈着の位置を同調させる構造力学的プロセスを記述するために、原形質分離形を中心に画像解析・シミュレーションを進める。さらに、外部からの力学刺激によって二次細胞壁形成を攪乱する新規実験系の確立を目指す。
(2)重力屈性・あて材形成に見る力学的最適化戦略の解明○重力屈性とあて材形成の過程の構造力学的理解のために、ユーカリ側枝などを材料に非接触型3次元画像・組織構造・力学特性データを時系列で取得し、4D構造システムをシミュレーションする。さらに組織・細胞レベルの高解像度トランスクリプトーム解析システムの構築を進める。
(3)植物器官新生における細胞壁の可塑的制御による力学的最適化の解明○組織培養系のカルスからのシュート再生における、非接触型3次元画像データの取得を進めるとともに、細胞張力測定系の構築を目指す。

Report

(2 results)
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(33 results)

All 2020 2019 2018 Other

All Int'l Joint Research (9 results) Journal Article (12 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Peer Reviewed: 12 results,  Open Access: 9 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 3 results) Funded Workshop (2 results)

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      Hirai Risaku、Higaki Takumi、Takenaka Yuto、Sakamoto Yuki、Hasegawa Junko、Matsunaga Sachihiro、Demura Taku、Ohtani Misato
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      Plants

      Volume: 9 Pages: 39-39

    • DOI

      10.3390/plants9010039

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      Kaga Yuki、Yokoyama Ryusuke、Sano Ryosuke、Ohtani Misato、Demura Taku、Kuroha Takeshi、Shinohara Naoki、Nishitani Kazuhiko
    • Journal Title

      Frontiers in Plant Science

      Volume: 11 Pages: 193-193

    • DOI

      10.3389/fpls.2020.00193

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      Tadashi Kunieda、Ikuko Hara-Nishimura、Taku Demura、George W. Haughn
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      Plant and Cell Physiology

      Volume: 61 Pages: 308-317

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      Chiam NC, Fujimura T, Sano R, Akiyoshi N, Hiroyama R, Watanabe Y, Motose H, Demura T, Ohtani M
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      Plant and Cell Physiology

      Volume: 60 Pages: 2000-2014

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      10.1093/pcp/pcz154

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      Taufiq Indra Rukmana, Gabriela Moran, Rachel Meallet-Renault, Misato Ohtani, Taku Demura
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      Scientific Reports

      Volume: 9 Pages: 17530-17530

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      10.1038/s41598-019-54124-y

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      Tamura Taizo、Endo Hitoshi、Suzuki Atsunobu、Sato Yutaka、Kato Ko、Ohtani Misato、Yamaguchi Masatoshi、Demura Taku
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      Volume: 100 Pages: 298-313

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      Saelim Laddawan、Akiyoshi Nobuhiro、Tan Tian Tian、Ihara Ayumi、Yamaguchi Masatoshi、Hirano Ko、Matsuoka Makoto、Demura Taku、Ohtani Misato
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      Journal of Plant Research

      Volume: 132 Pages: 117-129

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      Ohtani Misato、Demura Taku
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      Current Opinion in Biotechnology

      Volume: 56 Pages: 82-87

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      10.1016/j.copbio.2018.10.002

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      Tan Tian Tian、Demura Taku、Ohtani Misato
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      Plant Biotechnology

      Volume: 36 Issue: 1 Pages: 1-6

    • DOI

      10.5511/plantbiotechnology.18.1119b

    • NAID

      130007628755

    • ISSN
      1342-4580, 1347-6114
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      Takenaka Yuto、Watanabe Yoichiro、Schuetz Mathias、Unda Faride、Hill Joseph Lee、Phookaew Pawittra、Yoneda Arata、Mansfield Shawn D.、Samuels A. Lacey、Ohtani Misato、Demura Taku
    • Journal Title

      The Plant Cell

      Volume: 30 Pages: 2663-2676

    • DOI

      10.1105/tpc.18.00292

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      T Kuroha, K Nagai, R Gamuyao, D R Wang, T Furuta, M Nakamori, T Kitaoka, K Adachi, A Minami, Y Mori, K Mashiguchi, Y Seto, S Yamaguchi, M Kojima, H Sakakibara, J Wu, K Ebana, N Mitsuda, M Ohme-Takagi, S Yanagisawa, M Yamasaki, R Yokoyama, K Nishitani, T Mochizuki, G Tamiya, S R McCouch, and M Ashikari
    • Journal Title

      Science

      Volume: 361 Pages: 181-186

    • DOI

      10.1126/science.aat1577

    • NAID

      120006529624

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    • Author(s)
      Takenaka Yuto、Kato Kohei、Ogawa-Ohnishi Mari、Tsuruhama Kana、Kajiura Hiroyuki、Yagyu Kenta、Takeda Atsushi、Takeda Yoichi、Kunieda Tadashi、Hara-Nishimura Ikuko、Kuroha Takeshi、Nishitani Kazuhiko、Matsubayashi Yoshikatsu、Ishimizu Takeshi
    • Journal Title

      Nature Plants

      Volume: 4 Pages: 669-676

    • DOI

      10.1038/s41477-018-0217-7

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      岸田佳祐, 國枝正, 細川陽一郎 and 出村拓
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Published: 2018-07-20   Modified: 2022-07-01  

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