周囲環境応答としての植物成長特性の力学的最適化の柔軟性

• Project Area: Elucidation of the strategies of mechanical optimization in plants toward the establishment of the bases for sustainable structure system
• Project/Area Number: 18H05490
• 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: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 藤原 徹 東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 教授 (80242163)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 三輪 京子 北海道大学, 地球環境科学研究院, 准教授 (50570587)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥87,100,000 (Direct Cost: ¥67,000,000、Indirect Cost: ¥20,100,000); Fiscal Year 2022: ¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000); Fiscal Year 2021: ¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000); Fiscal Year 2020: ¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000); Fiscal Year 2019: ¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000); Fiscal Year 2018: ¥15,600,000 (Direct Cost: ¥12,000,000、Indirect Cost: ¥3,600,000)
• Keywords: 細胞壁 / 力学特性 / 栄養応答

Outline of Annual Research Achievements

植物は栄養条件に応じて成長のパターンを変化させる。植物の根は栄養の獲得と併せて地上部を支え水分を吸収する役割があり、このような栄養に応じた成長パターン変化は根の持つ様々な機能の発現の中で起こるものと考えられる。本研究は植物の栄養や水分環境に対する応答について分子遺伝学的解析に加えて植物組織や細胞の力学的な側面からの理解を深め、これらの解析を統合することを通じて、植物が持つ環境に応じた応答能力の力学的な構造を理解し、新たなモジュール構造等を提案することを目的として進めている。
本年度の研究実績を列挙する。植物の栄養条件に応じた応答研究については、栄養条件に応じた根の成長パターン変化に異常を示す変異株について、解析をさらに進め原因遺伝子を特定すると共にその役割についての推定を進めた。栄養に対する屈性現象、栄養屈性については主根と側根の栄養屈性現象の発現の仕方が異なることや、これまでに明らかしてきた栄養屈性を引き起こす栄養素アンモニア以外の栄養素が、栄養素そのものに対する屈性現象は引き起こさないものの、アンモニアに対する応答性を大きく変化させることを明らかにした。根の力学的な測定系については、樹脂製の細い柱の間に根を伸長させて柱の変位をもとに根のヤング率を測定するシステムを用いて、ホウ素栄養条件による影響を見たところ、ある範囲ではホウ素濃度と見かけのヤング率に正の相関が認められた。力学的刺激に対する植物の応答については、ポプラ以外の複数の植物種について毎日５分間の振動が成長に及ぼす影響を見たところ、植物種によって影響が再現性よく見えるものと影響が見られないものがあることがわかった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

力学的な測定も順調に進めており、変異株の解析も順調に進んでいる。本年度予定していた研究を実施することができたと考えている。

Strategy for Future Research Activity

これまでの実績や経験に基づき、来年度以降も引き続き細胞壁の化学組成と力学特性、成長パターンの間の関係を明らかにしていく予定である。

Research Products

• [Journal Article] Global analysis of boron‐induced ribosome stalling reveals its effects on translation termination and unique regulation by AUG‐stops in Arabidopsis shoots (2021)
  • Author(s): Sotta Naoyuki、Chiba Yukako、Miwa Kyoko、Takamatsu Seidai、Tanaka Mayuki、Yamashita Yui、Naito Satoshi、Fujiwara Toru
  • Journal Title: The Plant Journal Volume: －
  • DOI: 10.1111/tpj.15248
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Growth and Nitrate Reductase Activity Are Impaired in Rice Osnlp4 Mutants Supplied with Nitrate (2021)
  • Author(s): Wang Mengyao、Hasegawa Takahiro、Beier Marcel、Hayashi Makoto、Ohmori Yoshihiro、Yano Kenji、Teramoto Shota、Kamiya Takehiro、Fujiwara Toru
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: -
  • DOI: 10.1093/pcp/pcab035
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Root shape adaptation to mechanical stress derived from unidirectional vibrations in <i>Populus nigra</i> (2020)
  • Author(s): Beier Marcel Pascal、Tsugawa Satoru、Demura Taku、Fujiwara Toru
  • Journal Title: Plant Biotechnology Volume: 37 Issue: 4 Pages: 423-428
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.20.0813a
  • NAID: 130007960242
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] An SMU Splicing Factor Complex Within Nuclear Speckles Contributes to Magnesium Homeostasis in Arabidopsis (2020)
  • Author(s): Feng Zhihang、Nagao Hiroshi、Li Baohai、Sotta Naoyuki、Shikanai Yusuke、Yamaguchi Katsushi、Shigenobu Shuji、Kamiya Takehiro、Fujiwara Toru
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 184 Pages: 428-442
  • DOI: 10.1104/pp.20.00109
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A positive tropism of rice roots toward a nutrient source (2020)
  • Author(s): Kiyoshi Yamazaki, Yoshihiro Ohmori, Toru Fujiwara.
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 61 Pages: 546-533
  • DOI: 10.1093/pcp/pcz218
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Callose Synthesis Suppresses Cell Death Induced by Low-Calcium Conditions in Leaves (2020)
  • Author(s): Shikanai Yusuke、Yoshida Ryosuke、Hirano Tomoko、Enomoto Yusuke、Li Baohai、Asada Mayu、Yamagami Mutsumi、Yamaguchi Katsushi、Shigenobu Shuji、Tabata Ryo、Sawa Shinichiro、Okada Hiroki、Ohya Yoshikazu、Kamiya Takehiro、Fujiwara Toru
  • Journal Title: Plant Physiol Volume: 182 Pages: 2199-2122
  • DOI: 10.1104/pp.19.00784
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effect of salt tolerance on biomass production in a large population of sorghum accessions (2020)
  • Author(s): Yamazaki Kiyoshi、Ishimori Motoyuki、Kajiya-Kanegae Hiromi、Takanashi Hideki、Fujimoto Masaru、Yoneda Jun-ichi、Yano Kentaro、Koshiba Taichi、Tanaka Ryokei、Iwata Hiroyoshi、Tokunaga Tsuyoshi、Tsutsumi Nobuhiro、Fujiwara Toru
  • Journal Title: Breed. Sci. Volume: 70 Issue: 2 Pages: 167-175
  • DOI: 10.1270/jsbbs.19009
  • NAID: 130007833812
  • ISSN: 1344-7610, 1347-3735
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Local boron concentrations in tuberous roots of Japanese radish (Raphanus sativus L.) negatively correlate with distribution of brown heart (2019)
  • Author(s): Sotta, N., Bian, B., Peng, D., Hongkham, P., Kamiya, T., Niikura, S. and Fujiwara, T.
  • Journal Title: Plant Physiology and Biochemistry Volume: 136 Pages: 58-66
  • DOI: 10.1016/j.plaphy.2018.12.027
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] SQUAMOSA promoter-binding protein-like 7 mediates copper deficiency response in the presence of high nitrogen in Arabidopsis thaliana (2019)
  • Author(s): Melanie Mermod, Mari Takusagawa, Teruyuki Kurata, Takehiro Kamiya, Toru Fujiwara, Toshiharu Shikanai.
  • Journal Title: Plant Cell Reports Volume: 38 Pages: 835-846
  • DOI: 10.1007/s00299-019-02422-0
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A simple and high-throughput method for xylem sap collection (2019)
  • Author(s): Kan Manman、Yamazaki Kiyoshi、Fujiwara Toru、Kamiya Takehiro
  • Journal Title: BioTechniques Volume: 67 Pages: 242-245
  • DOI: 10.2144/btn-2019-0046
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A rice PHD-finger protein OsTITANIA, is a growth regulator that functions through elevating expression of transporter genes for multiple metals. (2018)
  • Author(s): Tanaka, N., Uraguchi, S., Kajikawa, M., Saito, A., Ohmori, Y., Fujiwara, T.
  • Journal Title: The Plant Journal Volume: 96 Pages: 997-1006
  • DOI: 10.1111/tpj.14085
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Exposure to heavy metal stress triggers changes in plasmodesmatal permeability via deposition and breakdown of callose (2018)
  • Author(s): O'Lexy, R., Kasai, K., Clark, N., Fujiwara, T., Sozzani, R. and Gallagher, K.
  • Journal Title: Journal of Experimental Botany Volume: 69(15) Pages: 3715-3728
  • DOI: 10.1093/jxb/ery171
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Establishment of genetically encoded biosensors for cytosolic boric acid in plant cells (2018)
  • Author(s): Fukuda, M., Wakuta, S., Kamiyo, J., Fujiwara T. and Takano, J.
  • Journal Title: The Plant Journal Volume: 95(5) Pages: 763-774
  • DOI: 10.1111/tpj.13985
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Boron-Dependent Translational Suppression of the Borate Exporter BOR1 Contributes to the Avoidance of Boron Toxicity (2018)
  • Author(s): Aibara, I., Hirai, T., Kasai, K., Takano, J., Onouchi, H., Naito, S., Fujiwara, T. and Miwa, K.
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 177 Pages: 759-774
  • DOI: 10.1104/pp.18.00119
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Strigolactone Biosynthesis Genes of Rice are Required for the Punctual Entry of Arbuscular Mycorrhizal Fungi into the Roots (2018)
  • Author(s): Kobae Yoshihiro、Kameoka Hiromu、Sugimura Yusaku、Saito Katsuharu、Ohtomo Ryo、Fujiwara Toru、Kyozuka Junko
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 59 Pages: 544-553
  • DOI: 10.1093/pcp/pcy001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Screening Arabidopsis thaliana mutants for low sensitivity to manganese identifies novel alleles of NRAMP1 and PGSIP6 (2018)
  • Author(s): Bian Bian、Kageshima Sae、Yano Kenji、Fujiwara Toru、Kamiya Takehiro
  • Journal Title: J Exp Bot. Volume: 69 Pages: 1795-1803
  • DOI: 10.1093/jxb/ery018
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Proteasomal degradation of BRAHMA promotes Boron tolerance in Arabidopsis. (2018)
  • Author(s): Sakamoto, T., Tsujimoto-Inui, Y., Sotta, N., Hirakawa, T., Matsunaga, T. M., Fukao, Y., Matsunaga, S., and Fujiwara, T.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 9 Pages: 5285-5285
  • DOI: 10.1038/s41467-018-07393-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] マイクロピラーを用いたシロイヌナズナの根の力学特性推定法の開発 (2020)
  • Author(s): 藤原徹、山崎清志、マルセルバイヤー、肥田博隆
  • Organizer: 2020年度日本建築学会大会（関東）
• [Presentation] 2 次元におけるイネ根の栄養屈性挙動の観察と生長シミュレーション (2020)
  • Author(s): 中楚洋介・川口健一・藤原徹・山﨑清志・Marcel BEIER
  • Organizer: 2020年度日本建築学会大会（関東）
• [Presentation] Arabidopsis root adaption to sucrose (2020)
  • Author(s): Marcel Pascal Beier・林 駿平・三輪京子・肥田博隆・藤原 徹
  • Organizer: 日本土壌肥料学会2020年度岡山大会
• [Presentation] シロイヌナズナの低カルシウム感受性変異株の解析 (2020)
  • Author(s): 鹿内勇佑
  • Organizer: 第11回低温科学研究センター研究交流会
• [Presentation] The influence of sucrose on Arabidopsis root diameter and mechanics (2020)
  • Author(s): Marcel Pascal Beier, Shumpei Hayashi, Kyoko Miwa, Hirotaka Hida, Toru Fujiwara
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会年会
• [Presentation] ロイヌナズナの低カルシウム応答における活性酸素種とカロースの関係の分析 (2020)
  • Author(s): 鹿内勇佑、神谷岳洋、藤原徹
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Global analysis of nutrient-dependent translational regulation (2020)
  • Author(s): Naoyuki Sotta, Yukako Chiba, Hirofumi Fukuda, Kyoko Miwa, Seidai Takamatsu, Mayuki Tanaka,Yui Yamashita, Masami Yokota-Hirai, Satoshi Naito, Toru Fujiwara
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Requirement of callose synthesized by GSLs for low-Ca tolerance in Arabidopsis thaliana (2019)
  • Author(s): Toru Fujiwara
  • Organizer: XV Cell Wall Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The high-affinity potassium transporter AtHAK5 undergoes degradation upon high K+ supply. (2019)
  • Author(s): Beier Marcel Pascal
  • Organizer: 第8回エンドメンブレンミーティング
• [Presentation] Genome-wide analysis of nitrogen-dependent translational regulation in sorghum (2019)
  • Author(s): 福田寛史
  • Organizer: EMBO Workshop "Protein Synthesis and Translational Control"
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Plant growth regulation and mechanics 植物の成長と力学 (2019)
  • Author(s): Marcel Beier
  • Organizer: 2019ホウ素栄養研究会
• [Presentation] APY7欠損によるホウ素欠乏時の根の伸長促進 (2019)
  • Author(s): 山本 怜見
  • Organizer: 2019ホウ素栄養研究会
• [Presentation] Plant growth regulation and mechanics (2019)
  • Author(s): Beier, Marcel Pascal
  • Organizer: 植物構造オプト若手の会
• [Presentation] イネ栄養屈性変異体のスクリーニングと温度に対する栄養屈性の変化 (2019)
  • Author(s): 名倉 涼平
  • Organizer: 植物構造オプト若手の会
• [Presentation] 低ホウ素条件で主根が伸長するシロイヌナズナ変異株の解析 (2019)
  • Author(s): 山本怜見
  • Organizer: 植物構造オプト若手の会
• [Presentation] シロイヌナズナの低カルシウム耐性におけるカロースの役割の解析 (2019)
  • Author(s): 鹿内勇佑
  • Organizer: 植物構造オプト若手の会
• [Presentation] シロイヌナズナにおける低カルシウム感受性と病害応答との関係 (2019)
  • Author(s): 橋本秀一
  • Organizer: 植物構造オプト若手の会
• [Presentation] Mineral nutrient-dependent translational regulation in Arabidopsis thaliana (2019)
  • Author(s): Toru Fujiwara, Mayuki Tanaka, Izumi Aibara, Naoyuki Sotta, Yui Yamashita, Seidai Takamatsu, Yukako Chiba, Kyoko Miwa, Satoshi Naito
  • Organizer: RNA 2019, 24th Annual Meeting of the RNA Socienty
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] シロイヌナズナにおけるイソコリスミ酸合成酵素遺伝子変異株の低Ca感受性の解析 (2019)
  • Author(s): 橋本秀一
  • Organizer: 日本土壌肥料学会2019年度静岡大会
• [Presentation] 低ホウ素条件で主根が伸長するシロイヌナズナ変異株の解析 (2019)
  • Author(s): 山本怜見
  • Organizer: 日本土壌肥料学会2019年度静岡大会
• [Presentation] 栄養屈性変異体のスクリーニングと温度に対する栄養屈性の変化 (2019)
  • Author(s): 名倉 涼平
  • Organizer: 日本土壌肥料学会2019年度静岡大会
• [Presentation] シロイヌナズナのカロース合成酵素遺伝子の低Ca耐性における作用部位と作用様式の解析 (2018)
  • Author(s): 鹿内勇佑、山上睦、重信秀治、山口勝司、神谷岳洋、藤原徹
  • Organizer: 日本土壌肥料学会2018年度神奈川大会
• [Presentation] ホウ素輸送体NIP5;1における、mRNA分解を介した転写制御機構の可能性 (2018)
  • Author(s): 田中真幸
  • Organizer: 植物の栄養研究会第4回研究交流会