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Structural and chemical properties of non-cellulosic cell wall polymers contributing to mechanical strength of plants

Planned

Project AreaElucidation of the strategies of mechanical optimization in plants toward the establishment of the bases for sustainable structure system
Project/Area Number 18H05495
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 InstitutionSaitama University

Principal Investigator

小竹 敬久  埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (20334146)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 石水 毅  立命館大学, 生命科学部, 教授 (30314355)
Project Period (FY) 2018-06-29 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥78,520,000 (Direct Cost: ¥60,400,000、Indirect Cost: ¥18,120,000)
Fiscal Year 2022: ¥15,860,000 (Direct Cost: ¥12,200,000、Indirect Cost: ¥3,660,000)
Fiscal Year 2021: ¥15,730,000 (Direct Cost: ¥12,100,000、Indirect Cost: ¥3,630,000)
Fiscal Year 2020: ¥15,860,000 (Direct Cost: ¥12,200,000、Indirect Cost: ¥3,660,000)
Fiscal Year 2019: ¥15,860,000 (Direct Cost: ¥12,200,000、Indirect Cost: ¥3,660,000)
Fiscal Year 2018: ¥15,210,000 (Direct Cost: ¥11,700,000、Indirect Cost: ¥3,510,000)
Keywords植物細胞壁 / アラビノガラクタン-プロテイン / ペクチン / 糖鎖構造 / 力学特性 / 細胞壁 / 陸上進出 / 物性制御 / 植物体物性 / 細胞・組織構造 / 糖鎖 / シロイヌナズナ / 重力 / 細胞成長 / 重力応答 / 非セルロース性多糖類
Outline of Annual Research Achievements

植物の細胞壁は屋台骨に相当するセルロースに加えて、ヘミセルロースやペクチン、細胞外プロテオグリカンなどの様々な非セルロース性多糖類で構成される。本研究は、特に細胞外プロテオグリカンであるAGPとペクチンの分子機能に着目して、植物体にしなやかで強い力学特性が付与される仕組みを解明することを目指している。2020年度は、in vivoでAGPの糖鎖主鎖であるβ-1,3-ガラクタンを分解すると胚軸や子葉の細胞が著しく肥大し、組織形態が大きく乱れることを報告した。また、イギリス・ケンブリッジ大との共同研究では、末端の4-メチルグルクロン酸残基を欠損したシロイヌナズナはわい性となり、低いカルシウム濃度では形態異常を示すことを明らかにした。今後は、β-1,6-ガラクタン側鎖や他の末端糖残基の生理的重要性と分子機能の解明を進める。
AGPの機能発現に関わる因子の同定を目指して、既存の細胞壁変異体のヤリブ試薬感受性について調べたところ、セルロース合成に異常をもつ変異体の多くが、野生型植物とは異なるヤリブ試薬応答性を示すことがわかった。この結果は、AGPの糖鎖がセルロース合成を介して、細胞形態の制御に関わることを示唆している。
ペクチンは、HGとRG-I 、RG-IIの3領域をもつが、特にRG-Iの機能がよくわかっていない。昨年度までの実験で、RG-IIが異常な変異体では、胚軸の伸展性が顕著に低下し、RG-Iの特定の成分が顕著に増加していることがわかった。植物にはRG-IIの異常を感知して、RG-Iを増やす機構が存在する可能性がある。今年度は、免疫染色でこの成分が胚軸の表皮で蓄積していることを観察するとともに、蓄積に関わる遺伝子の発現レベルが上昇していることを明らかにした。今後は、RG-IIとRG-Iの両方が異常な二重変異体を作成し、このRG-I糖鎖の物性への貢献を明らかにする。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

研究項目「優れた力学特性を生む細胞伸展性・形態形成の自律的制御機構の解明」では、真菌由来の強力な糖鎖分解酵素を利用したin vivoのAGPの糖鎖分解が劇的な細胞形態の異常を引き起こすことを報告した。また、海外との共同研究では、AGPの糖鎖末端である4-メチルグルクロン酸残基の重要性を論文発表することができた。AGPの機能阻害剤であるヤリブ試薬によるAGPの機能発現に関わる因子の探索では、新規変異体の原因遺伝子特定には手間取っているが、既存変異体の解析から、セルロース合成系との関連がわかりつつあり、順調に進展していると判断した。研究項目「力学的最適解を生む細胞接着の形成・キャンセル制御機構の解明」では、昨年度得られた結果を掘り下げ、ペクチンのRG-IIが異常な変異体では、RG-Iの特定の糖鎖が胚軸の表皮細胞で顕著に増えていることを確認し、関連する遺伝子の発現上昇を明らかにすることができた。今後は二重変異体等を利用して、この増加した糖鎖が植物体の物性にどのように貢献しているのかを調べる必要がある。研究項目「重力に抗する植物の動的な体作りの仕組みの解明」については、2020年度は出張の制限があったために、十分に実験を進めることができなかった。生育条件の検討や解析対象とする変異体の絞り込み、実験に用いるこれらの種子の準備は進めたので、次年度以降、実験を行いたい。

Strategy for Future Research Activity

AGPは細胞壁の微量成分であり、AGPの糖鎖そのものが細胞壁の物性に貢献しているとは考えにくい。本研究では、これまでにAGPの糖鎖主鎖をin vivoで特異的に破壊すると、表皮細胞の著しい肥大とともに、組織形態の乱れを観察している。また、糖鎖末端の4-メチルグルクロン酸残基を欠損したシロイヌナズナ変異体は、形態異常を示すとともに、カルシウム濃度の低下に敏感になることもわかった。糖鎖主鎖の破壊により引き起こされる形質は極めて劇的であることから、AGPの糖鎖には4-メチルグルクロン酸残基以外にも生理的に重要な構造が含まれていると考えられる。そこで、今後は真菌由来のエンド-β-1,6-ガラクタナーゼが発現する植物を作成し、β-1,6-ガラクタン側鎖の重要性と分子機能を探る予定である。加えて、前年度までに単離できたヤリブ試薬感受性変異体の原因遺伝子を特定し、AGPの糖鎖の機能発現に関わる因子やこれらによる植物細胞の形態制御機構の解明を進める予定である。
ペクチンはHG、RG-I、RG-IIの3領域から成るが、ラムノース残基とガラクツロン酸残基が交互に配置する主鎖にガラクタンやアラビナンが結合するRG-Iは、いまだにその分子機能がよくわかっていない。RG-IIの機能が低下したシロイヌナズナ変異体では、RG-Iの特定の糖鎖が増加し、胚軸の伸展性が低下していることがわかったが、この糖鎖がどのように植物体の物性に貢献しているかはわからない。そこで、このRG-I糖鎖の合成が異常なシロイヌナズナ変異体について、遠心過重力環境での成長や胚軸物性を調べ、分子機能を検証する予定である。さらに、RG-IIとRG-Iの両方に異常をもつ二重変異体を作出して同様の解析を行い、RG-IIとRG-Iの機能上の関係を整理する予定である。

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(54 results)

All 2021 2020 2019 2018 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (19 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Peer Reviewed: 19 results,  Open Access: 10 results) Presentation (33 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 2 results) Book (1 results)

  • [Int'l Joint Research] University of Cambridge(英国)

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  • [Journal Article] A Pipeline towards the Biochemical Characterization of the Arabidopsis GT14 Family2021

    • Author(s)
      Xuan Lingling、Zhang Jie、Lu Weitai、Gluza Pawel、Ebert Berit、Kotake Toshihisa、Lu Mengzhu、Zhang Yuan、Clausen Mads H.、Johnson Kim L.、Doblin Monika S.、Heazlewood Joshua L.、Bacic Antony、Song Lili、Zeng Wei
    • Journal Title

      International Journal of Molecular Sciences

      Volume: 22 Pages: 1360-1360

    • DOI

      10.3390/ijms22031360

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    • 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

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  • [Journal Article] Calcium Binding by Arabinogalactan Polysaccharides Is Important for Normal Plant Development2020

    • Author(s)
      Lopez-Hernandez Federico、Tryfona Theodora、Rizza Annalisa、Yu Xiaolan L.、Harris Matthew O.B.、Webb Alex A.R.、Kotake Toshihisa、Dupree Paul
    • Journal Title

      The Plant Cell

      Volume: 32 Pages: 3346-3369

    • DOI

      10.1105/tpc.20.00027

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  • [Journal Article] Diversity of Pectin Rhamnogalacturonan I Rhamnosyltransferases in Glycosyltransferase Family 1062020

    • Author(s)
      Wachananawat Bussarin、Kuroha Takeshi、Takenaka Yuto、Kajiura Hiroyuki、Naramoto Satoshi、Yokoyama Ryusuke、Ishizaki Kimitsune、Nishitani Kazuhiko、Ishimizu Takeshi
    • Journal Title

      Front Plant Sci

      Volume: 11 Pages: 1-12

    • DOI

      10.3389/fpls.2020.00997

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  • [Journal Article] Structural features conserved in subclass of type II arabinogalactan2020

    • Author(s)
      Ito Kengo、Fukuoka Kurumi、Nishigaki Naho、Hara Katsuya、Yoshimi Yoshihisa、Kuki Hiroaki、Takahashi Daisuke、Tsumuraya Yoichi、Kotake Toshihisa
    • Journal Title

      Plant Biotechnology

      Volume: 37 Issue: 4 Pages: 459-463

    • DOI

      10.5511/plantbiotechnology.20.0721a

    • NAID

      130007960244

    • ISSN
      1342-4580, 1347-6114
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  • [Journal Article] Microgravity Affects the Level of Matrix Polysaccharide 1,3:1,4-β-Glucans in Cell Walls of Rice Shoots by Increasing the Expression Level of a Gene Involved in Their Breakdown2020

    • Author(s)
      Wakabayashi Kazuyuki、Soga Kouichi、Hoson Takayuki、Kotake Toshihisa、Yamazaki Takashi、Ishioka Noriaki、Shimazu Toru、Kamada Motoshi
    • Journal Title

      Astrobiology

      Volume: 20 Pages: 820-829

    • DOI

      10.1089/ast.2019.2140

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Unique active-site and subsite features in the arabinogalactan-degrading GH43 exo-β-1,3-galactanase from Phanerochaete chrysosporium2020

    • Author(s)
      Matsuyama Kaori、Kishine Naomi、Fujimoto Zui、Sunagawa Naoki、Kotake Toshihisa、Tsumuraya Yoichi、Samejima Masahiro、Igarashi Kiyohiko、Kaneko Satoshi
    • Journal Title

      J. Biol. Chem.

      Volume: 295 Pages: 18539-18552

    • DOI

      10.1074/jbc.ra120.016149

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  • [Journal Article] 植物細胞壁ペクチン生合成機構解明への幕開け2020

    • Author(s)
      竹中悠人、石水毅
    • Journal Title

      応用糖質科学

      Volume: 10 Pages: 96-102

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  • [Journal Article] 植物細胞壁ペクチンの構造と機能2020

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      石水毅、竹中悠人
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      応用糖質科学

      Volume: 10 Pages: 215-221

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      Gundupalli Marttin Paulraj、Kajiura Hiroyuki、Ishimizu Takeshi、Bhattacharyya Debraj
    • Journal Title

      Biomass Conversion and Biorefinery

      Volume: n/a

    • DOI

      10.1007/s13399-020-00890-z

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  • [Journal Article] Properties of arabinogalactan-proteins in European pear (Pyrus communis L.) fruits2019

    • Author(s)
      Tsumuraya Yoichi、Ozeki Eri、Ooki Yoriko、Yoshimi Yoshihisa、Hashizume Kohjiro、Kotake Toshihisa
    • Journal Title

      Carbohydrate Research

      Volume: 485 Pages: 107816-107816

    • DOI

      10.1016/j.carres.2019.107816

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      Fujimori Tae、Matsuda Ryoko、Suzuki Mami、Takenaka Yuto、Kajiura Hiroyuki、Takeda Yoichi、Ishimizu Takeshi
    • Journal Title

      Carbohydrate Research

      Volume: 477 Pages: 20-25

    • DOI

      10.1016/j.carres.2019.03.011

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  • [Journal Article] Rhamnogalacturonan I galactosyltransferase: Detection of enzyme activity and its hyperactivation2019

    • Author(s)
      Matsumoto Naoki、Takenaka Yuto、Wachananawat Bussarin、Kajiura Hiroyuki、Imai Tomoya、Ishimizu Takeshi
    • Journal Title

      Plant Physiology and Biochemistry

      Volume: 142 Pages: 173-178

    • DOI

      10.1016/j.plaphy.2019.07.008

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  • [Journal Article] Degradative enzymes for type II arabinogalactan side chains in Bifidobacterium longum subsp. longum2019

    • Author(s)
      Fujita Kiyotaka、Sakamoto Ayami、Kaneko Satoshi、Kotake Toshihisa、Tsumuraya Yoichi、Kitahara Kanefumi
    • Journal Title

      Applied Microbiology and Biotechnology

      Volume: 103 Pages: 1299-1310

    • DOI

      10.1007/s00253-018-9566-4

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  • [Journal Article] 植物細胞壁多糖の生合成 新規ペクチン生合成号転移酵素の発見と今後の展望2019

    • Author(s)
      竹中悠人、梶浦裕之、石水毅
    • Journal Title

      化学と生物

      Volume: 57 Pages: 88-94

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  • [Journal Article] Yariv reactivity of type II arabinogalactan from larch wood2018

    • Author(s)
      Sato Kazuki、Hara Katsuya、Yoshimi Yoshihisa、Kitazawa Kiminari、Ito Haruka、Tsumuraya Yoichi、Kotake Toshihisa
    • Journal Title

      Carbohydrate Research

      Volume: 467 Pages: 8-13

    • DOI

      10.1016/j.carres.2018.07.004

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  • [Journal Article] The Patterned Structure of Galactoglucomannan Suggests It May Bind to Cellulose in Seed Mucilage2018

    • Author(s)
      Yu Li、Lyczakowski Jan J.、Pereira Caroline S.、Kotake Toshihisa、Yu Xiaolan、Li An、Mogelsvang Soren、Skaf Munir S.、Dupree Paul
    • Journal Title

      Plant Physiology

      Volume: 178 Pages: 1011-1026

    • DOI

      10.1104/pp.18.00709

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    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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    • Author(s)
      Rahman Z, Tsujimori Y, Maeda M, Hossain A, Ishimizu T, Kimura Y.
    • Journal Title

      The Journal of Biochemistry

      Volume: 印刷中 Pages: 53-63

    • DOI

      10.1093/jb/mvy029

    • NAID

      40021625325

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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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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] シロイヌナズナにおける二つ目のUDP-L-アラビノース合成経路2021

    • Author(s)
      梅澤輝、中澤小夏、伏信進矢、西垣南歩、円谷陽一、高橋大輔、小竹敬久
    • Organizer
      第62回日本植物生理学会年会
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      小竹敬久、菊池馨、角田帆乃花、九鬼寛明、金子哲、澤進一郎、円谷陽一、高橋大輔
    • Organizer
      日本遺伝学会第92回大会
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  • [Presentation] シロイヌナズナmur1-1胚軸をモデルとした細胞壁の化学/物理学的特性の解析2020

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      九鬼寛明、曽我康一、西垣南歩、竹中悠人、山口雅利、石水毅、高橋大輔、小竹敬久
    • Organizer
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      Bussarin Wachananawat、黒羽剛、竹中悠人、梶浦裕之、楢元悟史、横山隆亮、石崎公庸、石水毅
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      梅澤輝、松村理奈、曳田優、高橋大輔、円谷陽一、小竹敬久
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      日本土壌肥料学会2019年度静岡大会
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      阿部 桃太,山梨 優貴子,西垣 南歩,杢屋 公介,円谷 陽一,小竹 敬久
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  • [Presentation] Fungal glycoside hydrolases as tools for functional analysis of type II AGs2019

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      Kotake Toshihisa, Yoshimi Yoshihisa, Hara Katsuya, Tanaka Nobukazu, Higaki Takumi, Tsumuraya Yoichi
    • Organizer
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      Fujimori Tae, Matsuda Ryoko, Suzuki Mami, Takenaka Yuto, Kajiura Hiroyuki, Takeda Yoichi, Ishimizu Takeshi
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      The 15th Cell Wall Meeting
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  • [Presentation] Biochemical characterization of pectinrhamnogalacturonan I galactosyltransferase.2019

    • Author(s)
      Takenaka Yuto, Matsumoto Naoki, Imai Tomoya, Kajiura Hiroyuki, Ishimizu Takeshi
    • Organizer
      The 15th Cell Wall Meeting
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      石水毅, 竹中悠人, Bussarin Wachananawat, 梶浦裕之
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      第68回日本応用糖質科学会大会応用糖質科学シンポジウム
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] UDP-アピオースの調製法とアピインアピオース転移酵素の活性検出2019

    • Author(s)
      藤森多恵、松田諒子、鈴木真未、竹中悠人、梶浦裕之、武田陽一、石水毅
    • Organizer
      第20回関西グライコサイエンスフォーラム
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      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] カラマツのアラビノガラクタンのヤリブ試薬反応性2018

    • Author(s)
      小竹敬久、原克弥、佐藤一樹、吉見圭永、北澤仁成、円谷陽一
    • Organizer
      日本植物学会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] シロイヌナズナAGP4単一分子種の糖鎖構造2018

    • Author(s)
      原克弥、澤田鉄兵、吉見圭永、円谷陽一、小竹敬久
    • Organizer
      日本植物学会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] AGPによる細胞成長制御に関与する未知因子の探索2018

    • Author(s)
      菊池馨、澤進一郎、円谷陽一、小竹敬久
    • Organizer
      日本植物学会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Disorganization of tissues caused by type II AG degradation2018

    • Author(s)
      Kotake T.
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      VIII. Cell Wall Research Conference
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Pectin RG-I rhamnosyltransferases represent a novel plant-specific glycosyltransferase family, GT1062018

    • Author(s)
      Takenaka Y., Kato K., Ogawa-Ohnishi M., Tsuruhama K., Kajiura H., Yagyu K., Takeda A., Takeda Y., Kunieda T., Hara-Nishimura, I., Kuroha T., Nishitani K., Matsubayashi Y., and Ishimizu T.
    • Organizer
      VIII. Cell Wall Research Conference
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      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Preparation of UDP-apiose, a donor substrate of a glycosyltransferase involved in pectin biosynthesis2018

    • Author(s)
      Fujimori T., Matsuda R., Suzuki M., Takenaka T., Kajiura H., Takeda Y., and Ishimizu T
    • Organizer
      VIII. Cell Wall Research Conference
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      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] RRT1, a pectin RG-I: rhamnosyltransferase, plays a role for seed mucilage production.2018

    • Author(s)
      Takenaka Y., Kato K., Ogawa-Ohnishi M., Tsuruhama K., Kajiura H., Yagyu K., Takeda A., Takeda Y., Kunieda T., Hara-Nishimura, I., Kuroha T., Nishitani K., Matsubayashi Y., and Ishimizu T.
    • Organizer
      VIII. Cell Wall Research Conference
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 新規糖転移酵素ファミリーGT106を構成するペクチン生合成酵素の機能解析2018

    • Author(s)
      竹中悠人、加藤耕平、小川(大西)真里、鶴浜加奈、梶浦裕之、柳生健太、竹田篤史、武田陽一、國枝正、西村いくこ、黒羽剛、西谷和彦、松林嘉克、石水毅
    • Organizer
      第19回関西グライコサイエンスフォーラム
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 新規糖転移酵素ファミリーに属する植物細胞壁ペクチンラムノース転移酵素の同定と機能解析2018

    • Author(s)
      竹中悠人、加藤耕平、小川(大西)真里、鶴浜加奈、梶浦裕之、柳生健太、竹田篤史、武田陽一、國枝正、西村いくこ、黒羽剛、西谷和彦、松林嘉克、石水毅
    • Organizer
      第37回日本糖質学会年会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 植物細胞壁ペクチンRG-IIの生合成に必要なUDP-アピオース単離法の開発2018

    • Author(s)
      藤森多恵、松田諒子、鈴木真未、竹中悠人、梶浦裕之、武田陽一、石水毅
    • Organizer
      第37回日本糖質学会年会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 糸状菌Aspergillus aculeatus由来ラムノガラクツロナーゼの酵素特性解析2018

    • Author(s)
      大橋貴生、光吉祐太朗、間平由梨佳、三﨑亮、石水毅、藤山和仁
    • Organizer
      第37回日本糖質学会年会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] アスパラガスcis-ヒノキレジノール合成酵素βサブユニットのX線結晶構造解析2018

    • Author(s)
      東篤志、鈴木史朗、坂直樹、山村正臣、石水毅、三上文三、梅澤俊明
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      第36回植物細胞分子生物学会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 植物細胞壁ペクチンラムノガラクツロナンIの生合成に関わるラムノース転移酵素2018

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      竹中悠人、Bussarin Wachananawat、加藤耕平、梶浦裕之、石水毅
    • Organizer
      第67回日本応用糖質科学会大会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 新規GT106ファミリーに属するペクチンRG-I:ラムノース転移酵素の研究2018

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      竹中悠人、Bussarin Wachananawat、梶浦裕之、石水毅
    • Organizer
      第91回日本生化学会大会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 植物細胞壁ペクチンRG-IIの生合成に必要なUDP-アピオース単離法の開発2018

    • Author(s)
      藤森多恵、松田諒子、鈴木真未、豊田智優、竹中悠人、梶浦裕之、武田陽一、石水毅
    • Organizer
      日本応用糖質科学会第44回近畿支部会
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  • [Presentation] ペクチンラムノガラクツロナンIIの生合成に関与するアピオース転移酵素の活性検出2018

    • Author(s)
      豊田智優、藤森多恵、梶浦裕之、竹中悠人、三輪京子、石水毅
    • Organizer
      日本農芸化学会大会2019年度大会
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  • [Book] 相分離生物学の全貌(現代化学増刊46)2020

    • Author(s)
      白木 賢太郎(部分執筆:石水毅)
    • Total Pages
      400
    • Publisher
      東京化学同人
    • ISBN
      9784807913466
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      2020 Annual Research Report

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Published: 2018-07-20   Modified: 2022-07-01  

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