Biophysical analysis of the cell wall-plasma membrane interface using GFP-based tension and calcium sensors

• Project Area: Elucidation of the strategies of mechanical optimization in plants toward the establishment of the bases for sustainable structure system
• Project/Area Number: 18H05491
• 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: Saitama University
• Principal Investigator: 豊田 正嗣 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (90714402)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥55,640,000 (Direct Cost: ¥42,800,000、Indirect Cost: ¥12,840,000); Fiscal Year 2022: ¥10,270,000 (Direct Cost: ¥7,900,000、Indirect Cost: ¥2,370,000); Fiscal Year 2021: ¥11,310,000 (Direct Cost: ¥8,700,000、Indirect Cost: ¥2,610,000); Fiscal Year 2020: ¥11,310,000 (Direct Cost: ¥8,700,000、Indirect Cost: ¥2,610,000); Fiscal Year 2019: ¥12,090,000 (Direct Cost: ¥9,300,000、Indirect Cost: ¥2,790,000); Fiscal Year 2018: ¥10,660,000 (Direct Cost: ¥8,200,000、Indirect Cost: ¥2,460,000)
• Keywords: バイオセンサー / カルシウム / イメージング / 植物 / メカノバオロジー / 機械刺激 / 細胞壁 / 張力

Outline of Annual Research Achievements

植物は外力（力学的刺激）を受容して、自立的かつダイナミックに生体構造を変化させる（力学的最適化戦略）。この力学的最適化戦略は、持続可能な（サステナブル）社会・資源・建築を実現するために重要な能力であるが、その根幹を成す植物の力学的刺激受容機構は明らかになっていない。本研究では、外力によって発生する張力およびカルシウムシグナルを可視化するイメージング技術を開発し、植物の力学的刺激受容・フィードバック機構を解明する。さらに、これらの新しい技術を用いて、生きた植物の構造力学的パラメーターを取得し、力学的最適化を可能にする植物の原理を抽出することで、次世代のサステナブル建築構造モデルを構築する。
今年度は、細胞壁や細胞膜に発生する張力に応答して蛍光強度が変化するGFP型張力センサーの開発や、多波長・広視野蛍光顕微鏡および水平蛍光カメラシステムを用いた、大型植物における接触や重力刺激応答の解析を行った。GFP型張力センサーついては、細胞壁成分への結合能およびcpEGFPの蛍光を確認し、重要な機能ドメインである細胞壁結合ドメイン・蛍光センサードメインを確定させた。新しい広視野イメージング法を用いた研究では、シロイヌナズナの花茎や葉面のトライコーム、タバコの地上部を対象にした機械刺激応答性のカルシウムシグナルの可視化を行った。これらの新しい広視野イメージング技術に関する研究および領域内での共同研究などを原著論文として発表した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

細胞壁や細胞膜に発生する張力や力学的なひずみに応答して蛍光強度が変化するGFP型張力センサーに関して、無細胞翻訳系およびタバコ培養細胞系を用いたスクリーニングを行った。セルロースやキシランなどの細胞壁成分と相互作用する結合ドメインを選抜し、これらのドメインに蛍光センサードメインであるcpEGFPを連結させた。さらに、これらのバイオセンサータンパク質を試験管内で合成し、細胞壁との結合能を調べたところ、cpEGFPの蛍光を示すとともに木材由来のセルロースへの特異的な相互作用が確認された。これらの結果から、GFP型張力センサーの重要な機能ドメインである、細胞壁結合ドメイン・蛍光センサードメインが確定した。
一般的に顕微鏡とは、小さい試料を拡大して観察する装置であるが、我々は大きな試料を拡大することなく全体をそのままのスケールで可視化することを目的として、新しい蛍光顕微鏡（カメラ）技術を開発してきた。このイメージング技術の一部を論文として発表した。さらに、最近開発した水平蛍光カメラシステムを用いて、シロイヌナズナやタバコの花茎における、屈曲時のカルシウムシグナルをリアルタイムで観察することに成功した。器官が屈曲した凸側（引っ張られている側面）で特異的なカルシウム上昇が起こり、張力分布と高い相関があることがわかった。また、領域内での共同研究として、葉の表面の突起構造であるトライコームに機械的な刺激を与えた時に起こるカルシウムシグナル伝播の可視化にも成功しており、構造力学的な研究のみならず、植物病理学的な研究にも発展している。

Strategy for Future Research Activity

GFP型張力センサーに関しては、新たに細胞膜に結合するドメインのスクリーニングを行う。細胞壁と細胞膜をブリッジするようなセンサーを構築することで、本研究の最終目標である細胞壁と細胞膜のインターフェイスの構造力学的な変化を解析する。
植物の力学的刺激受容・フィードバック機構の研究に関しては、新しいイメージング技術の開発と並行して、これらの技術を用いてシロイヌナズナやタバコ、花茎やトライコームなどを対象に幅広く研究を進めてきた。今後は、オジギソウやハエトリソウなどの機械刺激を受容して運動を引き起こす動く植物へと研究を展開していく。植物のセンサーとアクチュエータという新しい概念の提唱を目指す。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Wisconsin-Madison(米国)
• [Int'l Joint Research] University of Toronto(カナダ)
• [Int'l Joint Research] University of Wisconsin- Madison(米国)
• [Int'l Joint Research] University of Helsinki(フィンランド)
• [Int'l Joint Research] University of Toronto(カナダ)
• [Int'l Joint Research] University of Wisconsin- Madison(米国)
• [Int'l Joint Research] University of Helsinki(フィンランド)
• [Int'l Joint Research] University of Toronto(カナダ)
• [Int'l Joint Research] University of Wisconsin-Madison(米国)
• [Int'l Joint Research] Helsinki University(フィンランド)
• [Int'l Joint Research] University of Toronto(カナダ)
• [Journal Article] Mechanosensory trichome cells evoke a mechanical stimuli-induced immune response in Arabidopsis thaliana (2022)
  • Author(s): Matsumura Mamoru、Nomoto Mika、Itaya Tomotaka、Aratani Yuri、Iwamoto Mizuki、Matsuura Takakazu、Hayashi Yuki、Mori Tsuyoshi、Skelly Michael J.、Yamamoto Yoshiharu Y.、Kinoshita Toshinori、Mori Izumi C.、Suzuki Takamasa、Betsuyaku Shigeyuki、Spoel Steven H.、Toyota Masatsugu、Tada Yasuomi
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 1216-1216
  • DOI: 10.1038/s41467-022-28813-8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Long-range, Rapid Ca²⁺ Signal Transduction in Plants (2022)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Journal Title: Seibutsu Butsuri Volume: 62 Issue: 1 Pages: 56-57
  • DOI: 10.2142/biophys.62.56
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • Open Access
• [Journal Article] CYCLIC NUCLEOTIDE-GATED ION CHANNEL 2 modulates auxin homeostasis and signaling (2021)
  • Author(s): Chakraborty Sonhita、Toyota Masatsugu、Moeder Wolfgang、Chin Kimberley、Fortuna Alex、Champigny Marc、Vanneste Steffen、Gilroy Simon、Beeckman Tom、Nambara Eiji、Yoshioka Keiko
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 187 Issue: 3 Pages: 1690-1703
  • DOI: 10.1093/plphys/kiab332
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Wide-Field, Real-Time Imaging of Local and Systemic Wound Signals in Arabidopsis (2021)
  • Author(s): Uemura Takuya、Wang Jiaqi、Aratani Yuri、Gilroy Simon、Toyota Masatsugu
  • Journal Title: Journal of Visualized Experiments Volume: 172 Issue: 172
  • DOI: 10.3791/62114
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The fast and the furious: rapid long-range signaling in plants (2021)
  • Author(s): Johns Sarah、Hagihara Takuma、Toyota Masatsugu、Gilroy Simon
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 185 Issue: 3 Pages: 694-706
  • DOI: 10.1093/plphys/kiaa098
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Gravity sensing in plant and animal cells. (2021)
  • Author(s): Takahashi K, Takahashi H, Furuichi T, Toyota M, Furutani-Seiki M, Kobayashi T, Watanabe-Takano H, Shinohara M, Numaga-Tomita T, Sakaue-Sawano A, Miyawaki A, Naruse K.
  • Journal Title: NPJ Microgravity Volume: 7 Issue: 1 Pages: 2-2
  • DOI: 10.1038/s41526-020-00130-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Micromanipulation of amyloplasts with optical tweezers in <i>Arabidopsis</i> stems (2020)
  • Author(s): Abe Yoshinori、Meguriya Keisuke、Matsuzaki Takahisa、Sugiyama Teruki、Yoshikawa Hiroshi Y.、Morita Miyo Terao、Toyota Masatsugu
  • Journal Title: Plant Biotechnology Volume: 37 Issue: 4 Pages: 405-415
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.20.1201a
  • NAID: 130007960232
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • Year and Date: 2020-12-25
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 植物が傷つけられたことを感じて，全身に情報を伝える仕組み (2020)
  • Author(s): TOYOTA Masatsugu
  • Journal Title: KAGAKU TO SEIBUTSU Volume: 58 Issue: 2 Pages: 70-72
  • DOI: 10.1271/kagakutoseibutsu.58.70
  • NAID: 130007979495
  • ISSN: 0453-073X, 1883-6852
  • Year and Date: 2020-02-01
• [Journal Article] Mechanical Signaling in the Sensitive Plant Mimosa pudica L. (2020)
  • Author(s): Hagihara Takuma、Toyota Masatsugu
  • Journal Title: Plants Volume: 9 Issue: 5 Pages: 587-587
  • DOI: 10.3390/plants9050587
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Tonoplast-localized Ca2+pumps regulate Ca2+signals during pattern-triggered immunity inArabidopsis thaliana (2020)
  • Author(s): Hilleary Richard、Paez-Valencia Julio、Vens Cullen、Toyota Masatsugu、Palmgren Michael、Gilroy Simon
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 117 Issue: 31 Pages: 18849-18857
  • DOI: 10.1073/pnas.2004183117
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Calcium dynamics during trap closure visualized in transgenic Venus flytrap (2020)
  • Author(s): Suda Hiraku、Mano Hiroaki、Toyota Masatsugu、Fukushima Kenji、Mimura Tetsuro、Tsutsui Izuo、Hedrich Rainer、Tamada Yosuke、Hasebe Mitsuyasu
  • Journal Title: Nature Plants Volume: 6 Issue: 10 Pages: 1219-1224
  • DOI: 10.1038/s41477-020-00773-1
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 若手研究者の現状 ―アメリカでの苦悩と挑戦― (2020)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Journal Title: 植物の生長調節 Volume: 55 Pages: 70-73
  • NAID: 130008060500
• [Journal Article] CRK2 and C-terminal Phosphorylation of NADPH Oxidase RBOHD Regulate Reactive Oxygen Species Production in Arabidopsis (2020)
  • Author(s): Kimura Sachie、Hunter Kerri、Vaahtera Lauri、Tran Huy Cuong、Citterico Matteo、Vaattovaara Aleksia、Rokka Anne、Stolze Sara Christina、Harzen Anne、Mei?ner Lena、Wilkens Maya Melina Tabea、Hamann Thorsten、Toyota Masatsugu、Nakagami Hirofumi、Wrzaczek Michael
  • Journal Title: The Plant Cell Volume: 32 Issue: 4 Pages: 1063-1080
  • DOI: 10.1105/tpc.19.00525
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] CRK2 Enhances Salt Tolerance by Regulating Callose Deposition in Connection with PLDα1 (2019)
  • Author(s): Hunter Kerri、Kimura Sachie、Rokka Anne、Tran Huy Cuong、Toyota Masatsugu、Kukkonen Jyrki P.、Wrzaczek Michael
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 180 Issue: 4 Pages: 2004-2021
  • DOI: 10.1104/pp.19.00560
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 「かじられた！」とぺんぺん草もシグナルを送る (2019)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Journal Title: Nextcom Volume: 39 Pages: 42-43
• [Journal Article] 植物の全身を流れる高速シグナルを見る (2019)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Journal Title: 日経バイオテク Volume: 902 Pages: 44-46
• [Journal Article] グルタミン酸はカルシウムシグナルを介して植物の全身性傷害防御を引き起こす (2019)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Journal Title: バイオサイエンスとインダストリー Volume: 77(2) Pages: 134-135
• [Journal Article] 植物におけるカルシウム／グルタミン酸のリアルタイムイメージング (2019)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Journal Title: バイオサイエンスとインダストリー Volume: 77(2) Pages: 110-111
• [Journal Article] 植物の全身カルシウムイメージング (2019)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Journal Title: アグリバイオ Volume: 3(2) Pages: 23-27
• [Journal Article] Glutamate triggers long-distance, calcium-based plant defense signaling (2018)
  • Author(s): Toyota Masatsugu、Spencer Dirk、Sawai-Toyota Satoe、Wang Jiaqi、Zhang Tong、Koo Abraham J.、Howe Gregg A.、Gilroy Simon
  • Journal Title: Science Volume: 361 Issue: 6407 Pages: 1112-1115
  • DOI: 10.1126/science.aat7744
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Molecular Mechanisms of Mechanosensing and Mechanotransduction (2018)
  • Author(s): Toyota Masatsugu、Furuichi Takuya、Iida Hidetoshi
  • Journal Title: Plant Biomechanics Volume: - Pages: 375-397
  • DOI: 10.1007/978-3-319-79099-2_17
  • ISBN: 9783319790985, 9783319790992
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] グルタミン酸とカルシウムシグナルを介した傷害応答 (2018)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Journal Title: 植物の生長調節 Volume: 53(2) Pages: 146-151
  • NAID: 130007553700
• [Journal Article] 植物が傷つけられたことを全身へ伝えるしくみを解明！ (2018)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Journal Title: 月刊「化学」 Volume: 73(11) Pages: 73-73
• [Presentation] カルシウムシグナルを介した植物内・植物間情報伝達の可視化 (2022)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Organizer: 第69回日本生態学会大会（ESJ69）
  • Invited
• [Presentation] 感じる植物、動く植物 (2022)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Organizer: 第5回 大隅基礎科学創成財団 小中高生と最先端研究者とのふれ合いの集い
  • Invited
• [Presentation] ハエトリソウの高速運動を司るセンサーとアクチュエータ (2022)
  • Author(s): 須田啓, 浅川裕紀, 津川暁, 豊田正嗣
  • Organizer: 第63回日本植物生理学会年会
  • Invited
• [Presentation] Plant-wide calcium defense signaling (2021)
  • Author(s): Toyota M
  • Organizer: THE 31st INTERNATIONAL CONFERENCE ON ARABIDOPSIS RESEARCH (ICAR 2021)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Mechanosensory transduction in plants (2021)
  • Author(s): Toyota M
  • Organizer: RIMS Workshop Mathematical Mechanobiology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Dynamic mechanosensory Ca2+ signaling in plants (2021)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Organizer: 東北大学生命科学研究科オンラインセミナー・個体ダイナミクスセミナーシリーズ
  • Invited
• [Presentation] 植物の長距離・高速情報伝達を視る (2021)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Organizer: 生理学研究所研究会「極限環境適応」
  • Invited
• [Presentation] 植物のメカノバイオロジー (2021)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Organizer: RIMS Tutorial Seminar 生物の創るパターンとダイナミクス：基礎からの展開
  • Invited
• [Presentation] Shining light on rapid signal transduction in plants (2020)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Organizer: 第58回日本生物物理学会
  • Invited
• [Presentation] 虫にかじられた植物が発する緊急信号を見る (2020)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Organizer: 第84回日本植物学会大会 公開講座「植物はオモシロイ！」
  • Invited
• [Presentation] 大きな植物をまるごと可視化する ～広視野・高速カルシウムイメージングの挑戦～ (2020)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Organizer: 情報分子可視化技術勉強会
  • Invited
• [Presentation] 広視野カルシウムイメージングで見る植物の虫害防御応答 (2020)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Organizer: 第20回 植物科学シンポジウム2020
  • Invited
• [Presentation] 植物の長距離・高速カルシウムシグナルを可視化する (2020)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Organizer: 日本応用糖質科学会
  • Invited
• [Presentation] 植物に神経はあるのか？ -長距離・高速Ca2+シグナルを介した植物の虫害抵抗性反応- (2020)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Organizer: 第4回大隅基礎科学創成財団創発セミナー
  • Invited
• [Presentation] Calcium-based intra- and inter-plant communication system (2020)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会
  • Invited
• [Presentation] Glutamate is a wound signal triggering systemic calcium propagation (2019)
  • Author(s): Toyota M
  • Organizer: The 23rd International Conference on Plant Growth Substances
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Real-time imaging of whole-plant calcium and glutamate dynamics (2019)
  • Author(s): Toyota M
  • Organizer: The 6th International Symposium on Bioimaging The 28th Annual Meeting of the Bioimaging Society of Japan BIOIMAGING 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Long-range, rapid calcium signaling in plants (2019)
  • Author(s): Toyota M
  • Organizer: ViPS Seminar (Viikki Plant Science Centre)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Long-distance, rapid calcium signaling in plant (2019)
  • Author(s): Toyota M
  • Organizer: Frontiers in plant environmental response research: local signaling, long-distance communication and memory for developmental plasticity
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Strategies of mechanical optimization for plant wound responses (2019)
  • Author(s): Toyota M
  • Organizer: Strategies of mechanical optimization in plants
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 植物のメカノバイオロジー -傷害受容を例にして- (2019)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Organizer: 日本メカノバイオロジー研究会
  • Invited
• [Presentation] Ca2+シグナルを介した植物の全身性傷害応答 (2019)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Organizer: 第32回植物脂質シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] グルタミン酸受容体/カルシウムシグナルを介した植物の全身性傷害応答 (2019)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Organizer: 令和元年度 日本植物病理学会関東部会
  • Invited
• [Presentation] グルタミン酸受容体を介した植物の長距離カルシウムシグナル (2019)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Organizer: 日本顕微鏡学会 第62回シンポジウム
  • Invited
• [Presentation] Long-distance Ca2+ transmission via glutamate receptor channels in plants (2019)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Organizer: 第57回日本生物物理学会
  • Invited
• [Presentation] GCaMPが切り拓く植物科学の新しい地平線 (2019)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Organizer: 第100回 埼玉大学脳科学セミナー
  • Invited
• [Presentation] Systemic calcium signaling via glutamate receptor channels in response to mechanical wounding (2019)
  • Author(s): Toyota M
  • Organizer: IPSR symposium
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 高感度バイオセンサーを用いた植物の構造力学的研究 (2019)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Organizer: 日本植物生理学会
  • Invited
• [Presentation] Long-distance rapid Ca2+ and electrical signals in Mimosa pudica (2019)
  • Author(s): Hagihara T, Miura T, Mano H, Hasebe M, Toyota M
  • Organizer: Japan-Taiwan Plant Biology 2019
  • Int'l Joint Research / Invited