細胞壁の特殊化から読み解く植物の力学的最適化戦略

• Project Area: Elucidation 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 Type: Single-year Grants
• Review Section: Complex systems
• Research Institution: Nara Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: 出村 拓 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 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 2020)
• Budget Amount: ¥157,040,000 (Direct Cost: ¥120,800,000、Indirect Cost: ¥36,240,000); 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

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。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ブリティッシュコロンビア大学(カナダ)
• [Int'l Joint Research] CNRS(フランス)
• [Int'l Joint Research] ペンシルバニア州立大学/ジョージア大学/カリフォルニア工科大学(米国)
• [Int'l Joint Research] 浙江農林大学/中国林業科学院(中国)
• [Int'l Joint Research] MPI(ドイツ)
• [Int'l Joint Research] ブリティッシュコロンビア大学(カナダ)
• [Int'l Joint Research] CNRS(フランス)
• [Int'l Joint Research] ペンシルバニア州立大学/ジョージア大学/カリフォルニア工科大学(米国)
• [Int'l Joint Research] MPI(ドイツ)
• [Journal Article] Interspecific signaling between the parasitic plant and the host plants regulate xylem vessel cell differentiation in haustoria of Cuscuta campestris. (2020)
  • Author(s): Kaga Y., Yokoyama R., Sano, R., Ohtani, M., Demura, T., Kuroha, T., Shinohara, N., Nishitani, K..
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 11 Pages: 193-193
  • DOI: 10.3389/fpls.2020.00193
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Arabidopsis FLYING SAUCER 2 Functions Redundantly with FLY1 to Establish Normal Seed Coat Mucilage (2020)
  • Author(s): Tadashi Kunieda、Ikuko Hara-Nishimura、Taku Demura、George W. Haughn
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 61 Pages: 308-317
  • DOI: 10.1093/pcp/pcz195
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Nonsense-mediated mRNA decay deficiency affects the auxin response and shoot regeneration in Arabidopsis (2019)
  • Author(s): Chiam NC, Fujimura T, Sano R, Akiyoshi N, Hiroyama R, Watanabe Y, Motose H, Demura T, Ohtani M
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 60 Pages: 2000-2014
  • DOI: 10.1093/pcp/pcz154
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] The Progression of Xylem Vessel Cell Differentiation is Dependent on the Activity Level of VND7 in Arabidopsis thaliana (2019)
  • Author(s): Hirai Risaku、Higaki Takumi、Takenaka Yuto、Sakamoto Yuki、Hasegawa Junko、Matsunaga Sachihiro、Demura Taku、Ohtani Misato
  • Journal Title: Plants Volume: 9 Pages: 39-39
  • DOI: 10.3390/plants9010039
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Enzyme-Assisted Photoinjection of Megadalton Molecules into Intact Plant Cells Using Femtosecond Laser Amplifier (2019)
  • Author(s): Taufiq Indra Rukmana, Gabriela Moran, Rachel Meallet-Renault, Misato Ohtani, Taku Demura
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Pages: 17530-17530
  • DOI: 10.1038/s41598-019-54124-y
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Affinity‐based high‐resolution analysis of DNA binding by VASCULAR‐RELATED NAC‐DOMAIN7 via fluorescence correlation spectroscopy (2019)
  • Author(s): Tamura Taizo、Endo Hitoshi、Suzuki Atsunobu、Sato Yutaka、Kato Ko、Ohtani Misato、Yamaguchi Masatoshi、Demura Taku
  • Journal Title: The Plant Journal Volume: 100 Pages: 298-313
  • DOI: 10.1111/tpj.14443
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Arabidopsis Group IIId ERF proteins positively regulate primary cell wall-type CESA genes (2019)
  • Author(s): Saelim Laddawan、Akiyoshi Nobuhiro、Tan Tian Tian、Ihara Ayumi、Yamaguchi Masatoshi、Hirano Ko、Matsuoka Makoto、Demura Taku、Ohtani Misato
  • Journal Title: Journal of Plant Research Volume: 132 Pages: 117-129
  • DOI: 10.1007/s10265-018-1074-1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The quest for transcriptional hubs of lignin biosynthesis: beyond the NAC-MYB-gene regulatory network model (2019)
  • Author(s): Ohtani Misato、Demura Taku
  • Journal Title: Current Opinion in Biotechnology Volume: 56 Pages: 82-87
  • DOI: 10.1016/j.copbio.2018.10.002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Creating vessel elements in vitro: Towards a comprehensive understanding of the molecular basis of xylem vessel element differentiation (2019)
  • Author(s): Tan Tian Tian、Demura Taku、Ohtani Misato
  • Journal Title: Plant Biotechnology Volume: 36 Issue: 1 Pages: 1-6
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.18.1119b
  • NAID: 130007628755
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Patterned deposition of xylan and lignin is independent from the secondary wall cellulose of Arabidopsis xylem vessels (2018)
  • Author(s): 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
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Ethylene-gibberellin signaling underlies adaptation of rice to periodic flooding (2018)
  • Author(s): 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
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Pectin RG-I rhamnosyltransferases represent a novel plant-specific glycosyltransferase family (2018)
  • 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
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Functional Analysis of the Marchantia polymorpha VNS Gene (2019)
  • Author(s): Julian Chris Galvez, Kunieda Tadashi, Ryosuke Sano, Minoru Kubo, Ryuichi Nishihama, Takayuki Kohchi and Taku Demura
  • Organizer: Marchantia Workshop 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Functional Conservation of VNS NAC Transcription Factors That Regulate Cell Wall Formation and Programmed Cell Death in Land Plants (2019)
  • Author(s): Taku Demura
  • Organizer: Marchantia Workshop 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Functional Analysis of Polygalacturonases During Water-Conducting Cell Formation Required for Plant Adaptation to Land (2019)
  • Author(s): Taku Demura
  • Organizer: Carbohydrate-Active Enzymes for Glycan Conversions (Gordon Research Conference )
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] EVOLUTIONAL CHANGES IN CIS-ELEMENT BINDING AFFINITY OF VNS FAMILY TRANSCRIPTION FACTORS, MASTER REGULATORS OF SECONDARY CELL WALL FORMATION (2019)
  • Author(s): Nobuhiro Akiyoshi, Taizo Tamura, Misato Ohtani and Taku Demura
  • Organizer: XV Cell Wall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ガラス製マイクロデバイスを用いた植物組織のAFM力学計測 (2019)
  • Author(s): 秋田絵理, 竹林竜, 岡野和宣, Yalikun Yaxiaer, 岸田佳祐, 國枝正, 大谷美沙都, 出村拓, 澤進一郎 and 細川 陽一郎
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] シロイヌナズナ花茎重力屈性の力学的特性解明 (2019)
  • Author(s): 神田哲大, 津川暁, 中村守貴, 森田美代, 大谷美沙都 and 出村拓
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] 木部道官細胞分化におけるユビキチンE3リガーゼFLYの発現制御機構の解析 (2019)
  • Author(s): 地福海月, 國枝正, George W. Haughn, 西村いくこ and 出村拓
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] VND7木部道管細胞誘導系を用いたシロイヌナズナの二次細胞壁パターン形成制御の解析 (2019)
  • Author(s): 岸田佳祐, 國枝正, 細川陽一郎 and 出村拓
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] Target introduction of DNA like large polysaccharide into plant cells by femtosecond laser photoporation (2019)
  • Author(s): Yuma Ueda, T. I. Rukmana, Kunieda Tadashi, Misato Ohtani, Taku Demura, Ryohei Yasukuni and Yoichiroh Hosokawa
  • Organizer: 2020年台湾物理年会
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Influence of cell wall composition toward mechanical property during gravitropism of Arabidopsis inflorescence stems (2019)
  • Author(s): Misato Ohtani, Norihiro Kanda, Takuya Tokumoto, Lorenz Gerber, Satoru Tsugawa, Moritaka Nakamura, Miyo T. Morita, Taku Demura
  • Organizer: 第 42 回日本分子生物学会年会
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Funded Workshop] France-Japan Plant Cell Wall Workshop "Pectin Lovers Meeting" (2019)
• [Funded Workshop] 第 42 回日本分子生物学会年会Symposium: Functions and Mechanisms of Force in Animal and Plant Live (2019)