Imaging analysis on cell geometry during mechanical optimization in leaves

• Project Area: Elucidation of the strategies of mechanical optimization in plants toward the establishment of the bases for sustainable structure system
• Project/Area Number: 18H05492
• 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: Kumamoto University
• Principal Investigator: 桧垣 匠 熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 教授 (90578486)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 加藤 壮英 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (70379535) ; 國田 樹 琉球大学, 工学部, 准教授 (20645478)
• Project Period (FY): 2018-06-29 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥57,460,000 (Direct Cost: ¥44,200,000、Indirect Cost: ¥13,260,000); Fiscal Year 2022: ¥12,480,000 (Direct Cost: ¥9,600,000、Indirect Cost: ¥2,880,000); Fiscal Year 2021: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000); Fiscal Year 2020: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000); Fiscal Year 2019: ¥11,310,000 (Direct Cost: ¥8,700,000、Indirect Cost: ¥2,610,000); Fiscal Year 2018: ¥11,570,000 (Direct Cost: ¥8,900,000、Indirect Cost: ¥2,670,000)
• Keywords: ジョイント構造 / 継手 / 画像解析 / 葉表皮細胞 / バイオイメージング / 継ぎ手

Outline of Annual Research Achievements

植物の葉の表面を構成する表皮細胞は発生初期には単純な形状を呈しているが、成長が進むにつれて細胞壁が湾曲して細胞同士が噛み合うようなジグソーパズル状に変形を遂げる。これまで表皮細胞の形態変化を制御する分子実体や理論モデルの研究は進んできたものの、その湾曲構造が持つ意義については未だ不明瞭な点も多い。そこで本研究では、成長に伴う子葉の形態変化と同時に子葉表皮を構成するほぼ全ての表皮細胞の位置と形態の変化を計測する技術を開発する。また本研究で得られた知見に基づき、葉表皮細胞同士の噛合いを模した継ぎ手構造を創造するなど、建築構造分野への応用を目指す。さらに、本領域の統一課題である重力応答への適用を目指して三次元的な樹形構造の画像解析手法を構築する。
１．子葉表皮細胞における細胞壁湾曲の構造学的検討
金属顕微鏡法と深層学習に基づいてシロイヌナズナ子葉の表皮細胞形態を広範囲かつ経時的に計測する実験系を確立した（論文準備中）。また、細胞膜が蛍光標識された子葉表皮組織を非破壊的に共焦点顕微鏡で撮影し、VRを活用した四次元観察により子葉表皮細胞の変形を計測する実験系を確立した（Higaki and Mizuno 2020 Plnat Biotech）。上述の実験系を活用し、微小管結合タンパク質RIC1の過剰発現体における子葉とその表皮細胞の形態を解析したところ、ジグゾーパズル型の細胞形状は器官レベルでの局所的な成長量を緩衝することによって子葉の団扇型の形態形成に寄与する可能性が示唆された。また、建築構造物に葉表皮細胞のジグゾーパズル形状を活用するための検討も進めた。
２．樹形構造を定量評価する画像取得解析系の構築
シロイヌナズナの花茎や側枝など地上部の三次元形態を非破壊的に再構成するとともに、側枝の角度分布および曲率を計測する実験系を開発した（論文投稿中）。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

今年度は新型コロナウイルス感染症流行のため研究活動が一部制限された時期があったものの、１年を通してみれば本研究への影響は限定的であったと言える。その理由として、当研究室では複数の顕微鏡装置を個別の部屋に設置しており、少人数（ほぼ１名）での画像取得実験が可能であったこと、オンラインを活用することで画像解析に係る共同作業や議論が問題なく実施できたことが挙げられる。学会等の研究集会の中止・オンライン化に伴い、旅費など経費の使用用途の変更は余儀なくされたものの、やはりオンラインを活用することで議論・情報収集・成果発表の機会を損なうことはほとんどなかったと思われる。来年度以降も、オンラインを活用した研究を推進したい。
「研究実績の概要」で述べたように、当初より計画していた研究内容は順調に進行している。特に、研究課題２「樹形構造を定量評価する画像取得解析系の構築」については目覚ましい進捗があり、年度末には論文投稿まで至った。このような状況のため、本課題に関しては申請時の研究計画を練り直して、来年度以降も研究開発を発展的に継続する予定である。
以上より、本研究は当初の計画以上に進展していると判断された。

Strategy for Future Research Activity

「現在までの進捗状況」で述べたように、昨今の状況を鑑みるとオンラインを活用した研究環境の構築は研究を滞りなく遂行する上で重要と考える。そのため、従来までは旅費等に使用していた予算を研究室内外の通信に使用する機器やソフトウェアの購入に使用する。
具体的な研究計画は下記の通りである。
１．子葉表皮細胞における細胞壁湾曲の構造学的検討
RIC1過剰発現体における子葉表皮細胞の成長に関して詳細なデータを取得するとともに、細胞壁分解酵素処理など力学的な摂動を与えた場合の細胞および器官の形態変化を計測する。また、数理シミュレーション解析を通してジグゾーパズル型細胞の構造学的意義を探る予定である。
２．樹形構造を定量評価する画像取得解析系の構築
本領域の森田班・上田班への技術移転を進めて重力応答や姿勢制御変異体における側枝の角度制御などの解析に活用するとともに、Plant architectureに関わるシロイヌナズナ変異体のデータ取得と解析を進める。

Research Products

• [Int'l Joint Research] UC Davis/Michigan State University(米国)
• [Int'l Joint Research] University of California, Davis(米国)
• [Journal Article] Disruption of actin filaments delays accumulation of cell plate membranes after chromosome separation. (2021)
  • Author(s): Maeda K, Higaki T
  • Journal Title: Plant Sig Behav Volume: 16 Pages: 1873586-1873586
  • DOI: 10.1080/15592324.2021.1873586
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Discovery, characterization and functional improvement of kumamonamide as a novel plant growth inhibitor that disturbs plant microtubules. (2021)
  • Author(s): Ishida T, Yoshimura H, Takekawa M, Higaki T, Ideue T, Hatano M, Igarashi M, Tani T, Sawa S, Ishikawa H.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 23 Pages: 6077-6077
  • DOI: 10.1038/s41598-021-85501-1
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Elevated CO2 promotes satellite stomata production in young cotyledons of Arabidopsis thaliana. (2020)
  • Author(s): Higaki T, Akita K, Hasezawa S
  • Journal Title: Genes Cells Volume: 25 Pages: 475-482
  • DOI: 10.1111/gtc.12773
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Expresion of a fungal exo-β-1,3-galactanase in Arabidopsis reveals a role of type II arabinogalactans in the regulation of cell shape. (2020)
  • Author(s): Yoshimi Y., Hara K., Yoshimura M., Tanaka N., Higaki T., Tsumuraya Y., Kotake T.
  • Journal Title: Journal of Experimental Botany Volume: 71 Pages: 5414-5424
  • DOI: 10.1093/jxb/eraa236
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Four-dimensional imaging with virtual reality to quantitatively explore jigsaw puzzle-like morphogenesis of arabidopsis cotyledon pavement cells (2020)
  • Author(s): Higaki T., Mizuno H.
  • Journal Title: Plant Biotechnology Volume: 37 Issue: 4 Pages: 429-435
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.20.0605a
  • NAID: 130007960223
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mitochondrial dynamics and segregation during the asymmetric division of Arabidopsis zygotes (2020)
  • Author(s): Kimata Y., Higaki T., Kurihara D., Ando N., Matsumoto H., Higashiyama T., Ueda M.
  • Journal Title: Quantitative Plant Biology Volume: 1
  • DOI: 10.1017/qpb.2020.4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Arabidopsis calcium-dependent protein kinase 3 regulates actin cytoskeleton organization and immunity. (2020)
  • Author(s): Lu YJ, Li P, Shimono M, Corrion A, Higaki T, He SY, Day B
  • Journal Title: Nat Commun Volume: 11 Pages: 6234-6234
  • DOI: 10.1038/s41467-020-20007-4
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Coefficient of variation as an image-intensity metric for cytoskeleton bundling (2020)
  • Author(s): Higaki T., Akita K., Katoh K.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 10 Pages: 22187-22187
  • DOI: 10.1038/s41598-020-79136-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Noninvasive Early Detection of Calpain 2-Enriched Non-Small Cell Lung Cancer Using a Human Serum Albumin-Bounded Calpain 2 Nanosensor (2020)
  • Author(s): Kwon Seung-Hae、Wi Taemin、Park Yong Il、Kim Min Woo、Lee Gibok、Higaki Takumi、Choi Jung Hoon、Lee Ruda
  • Journal Title: Bioconjugate Chemistry Volume: 31 Pages: 803-812
  • DOI: 10.1021/acs.bioconjchem.9b00870
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Actin Filament Disruption Alters Phragmoplast Microtubule Dynamics during the Initial Phase of Plant Cytokinesis (2020)
  • Author(s): Maeda Keisho、Sasabe Michiko、Hanamata Shigeru、Machida Yasunori、Hasezawa Seiichiro、Higaki Takumi
  • Journal Title: Plant and Cell Physiology Volume: 61 Pages: 445-456
  • DOI: 10.1093/pcp/pcaa003
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The Progression of Xylem Vessel Cell Differentiation is Dependent on the Activity Level of VND7 in Arabidopsis thaliana (2020)
  • 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 / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Basic Proline-Rich Protein-Mediated Microtubules Are Essential for Lobe Growth and Flattened Cell Geometry (2019)
  • Author(s): Wong Jeh Haur、Kato Takehide、Belteton Samuel A.、Shimizu Rie、Kinoshita Nene、Higaki Takumi、Sakumura Yuichi、Szymanski Daniel B.、Hashimoto Takashi
  • Journal Title: Plant Physiol. Volume: 181 Pages: 1535-1551
  • DOI: 10.1104/pp.19.00811
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Theoretical models for branch formation in plants (2019)
  • Author(s): Nakamasu Akiko、Higaki Takumi
  • Journal Title: Journal of Plant Research Volume: 132 Pages: 325-333
  • DOI: 10.1007/s10265-019-01107-9
  • NAID: 40021897166
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Regulation of Root-Knot Nematode Behavior by Seed-Coat Mucilage-Derived Attractants. (2019)
  • Author(s): Tsai, A, Y-L., Higaki, T., Nguyen, C-N., Perfus-Barbeoch, L., Favery, B., and Sawa, S.
  • Journal Title: Mol. Plants Volume: 12 Pages: 99-112
  • DOI: 10.1016/j.molp.2018.11.008
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Developmental analyses of divarications in leaves of an aquatic fern Microsorum pteropus and its varieties (2019)
  • Author(s): Miyoshi Saori、Kimura Seisuke、Ootsuki Ryo、Higaki Takumi、Nakamasu Akiko
  • Journal Title: PLOS One Volume: 14
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0210141
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Polar vacuolar distribution is essential for accurate asymmetric division of Arabidopsis zygotes (2019)
  • Author(s): Kimata Y., Kato T., Higaki T., Kurihara D., Yamada T., Segami S., Morita M. T., Maeshima M., Hasezawa S., Higashiyama T., Tasaka M., Ueda M.
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences, U.S.A. Volume: 116 Pages: 2338-2343
  • DOI: 10.1073/pnas.1814160116
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] An induction system for clustered stomata by sugar solution immersion treatment in Arabidopsis thaliana seedlings (2019)
  • Author(s): Akita K, Higaki T
  • Journal Title: Journal of Visualized Experiments Volume: 144
  • DOI: 10.3791/58951
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Transcriptional regulators involved in responses to volatile organic compounds in plants (2019)
  • Author(s): Nagashima A, Higaki T, Koeduka T, Ishigami K, Hosokawa S, Watanabe H, Matsui K, Hasezawa S, Touhara K
  • Journal Title: J. Bio. Chem. Volume: 294 Pages: 2256-2266
  • DOI: 10.1074/jbc.ra118.005843
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fascin in lamellipodia contributes to cell elasticity by controlling the orientation of filamentous actin (2019)
  • Author(s): Minami Tanaka, Yuki Fujii, Kazumi Hirano, Takumi Higaki, Akira Nagasaki, Ryoki Ishikawa, Takaharu Okajima, Kaoru Katoh
  • Journal Title: Genes to Cells Volume: 24 Pages: 202-213
  • DOI: 10.1111/gtc.12671
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reactive Oxygen Species Production and Stimulated Endocytosis in Tobacco BY-2 Cells Treated with <i>Erwinia carotovora</i> Culture Filtrate (2018)
  • Author(s): Hirakawa Y, Hasezawa S, Higaki T
  • Journal Title: CYTOLOGIA Volume: 83 Issue: 3 Pages: 289-293
  • DOI: 10.1508/cytologia.83.289
  • NAID: 130007497289
  • ISSN: 0011-4545, 1348-7019
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Cortical microtubules and fusicoccin response in clustered stomatal guard cells induced by sucrose solution immersion (2018)
  • Author(s): Akita K, Hasezawa S, Higaki T
  • Journal Title: Plant Signal. Behav. Volume: 13 Pages: 1454815-1454815
  • DOI: 10.1080/15592324.2018.1454815
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Actin reorganization triggers rapid cell elongation in roots (2018)
  • Author(s): Takatsuka Hirotomo、Higaki Takumi、Umeda Masaaki
  • Journal Title: Plant Physiology Volume: 178 Pages: 1130-1141
  • DOI: 10.1104/pp.18.00557
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] PtdIns (3, 5) P2 mediates root hair shank hardening in Arabidopsis (2018)
  • Author(s): Hirano T., Konno H., Takeda S., Dolan L., Kato M., Aoyama T., Higaki T., Takigawa-Imamura H., Sato M. H.
  • Journal Title: Nature Plants Volume: 4 Pages: 888-897
  • DOI: 10.1038/s41477-018-0277-8
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] 画像解析技術の援用による植物細胞骨格研究 (2021)
  • Author(s): 檜垣匠
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
  • Invited
• [Presentation] 微小管結合タンパク質RIC1 過剰発現によ る子葉器官および表皮細胞の形態変化 (2021)
  • Author(s): 菊川琴美、檜垣匠
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] シロイヌナズナ子葉敷石細胞における微小 管構造特徴と細胞形態の関係 (2021)
  • Author(s): 吉田大一、Liu Bo、檜垣匠
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 重力感受細胞におけるLZY タンパク質のライブイメージング (2021)
  • Author(s): 森祥伍，中村守貴，押田龍一郎，四方明格，西村岳志，古谷将彦，桧垣匠，森田(寺尾)美代
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 視体積交差法による植物形態の立体再構成と計測 (2020)
  • Author(s): 檜垣匠
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
  • Invited
• [Presentation] 生物画像の定量・分類・認識 (2020)
  • Author(s): 檜垣匠
  • Organizer: 第67回日本生態学会大会シンポジウム「植物フェノタイピング：表現型データの定量化，モデル化とその自動化をもう一度考える」
  • Invited
• [Presentation] Plasma membrane delivery of H+-ATPse for stomatal response. (2019)
  • Author(s): Higaki Takumi
  • Organizer: International Symposium 'Mechanisms of plant perception: from the endogenous to the exogenous'
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 電子顕微鏡画像解析による生物微細構造の検出と認識 (2019)
  • Author(s): 檜垣匠
  • Organizer: 公益社団法人日本顕微鏡学会第62回シンポジウム「AIを用いた顕微イメージングの将来～科学技術から物理化学，そして生命科学への貢献～」
  • Invited
• [Presentation] Three-dimensional imaging and morphometry of large vacuole regeneration in plant cultured cells. (2019)
  • Author(s): Higaki Takumi
  • Organizer: Workshop in the 42nd Annual Meeting of the Molecular Biology Society of Japan “The vacuole/lysosome; Where does it come from, how is it maintained and what does it do in the cell?”
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] ジグソーパズル型葉表皮細胞の力学的最適化戦略を探る (2019)
  • Author(s): 檜垣匠
  • Organizer: 第60回日本植物生理学会年会
  • Invited
• [Presentation] 植物細胞の形態形成機構の理解に向けたイメージングと画像解析 (2018)
  • Author(s): 檜垣匠
  • Organizer: 日本植物学会第82回大会
  • Invited
• [Presentation] Bioimage clustering and classification (2018)
  • Author(s): Takumi Higaki
  • Organizer: KAIST-KU Joint Symposium 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] 熊本大学ニュース: 熊本大学『フィロソフィアの扉』第31回「国際先端科学技術研究機構」
  • URL: https://www.youtube.com/watch?v=4Nr4uK-WAH4
• [Remarks] 細胞の骨組みの状態を高感度に測る技術を開発
  • URL: https://www.kumamoto-u.ac.jp/whatsnew/sizen/20201221
• [Remarks] EurekAlert! Science News Releases
  • URL: https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-01/ku-ahs011421.php