| Project Area | Intrinsic periodicity of cellular systems and its modulation as the driving force behind plant development |
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| Project/Area Number |
19H05671
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Review Section |
Biological Sciences
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| Research Institution | Nara Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
中島 敬二 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (80273853)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
稲見 昌彦 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (00345117)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥118,300,000 (Direct Cost: ¥91,000,000、Indirect Cost: ¥27,300,000)
Fiscal Year 2022: ¥23,400,000 (Direct Cost: ¥18,000,000、Indirect Cost: ¥5,400,000)
Fiscal Year 2021: ¥23,400,000 (Direct Cost: ¥18,000,000、Indirect Cost: ¥5,400,000)
Fiscal Year 2020: ¥23,400,000 (Direct Cost: ¥18,000,000、Indirect Cost: ¥5,400,000)
Fiscal Year 2019: ¥24,700,000 (Direct Cost: ¥19,000,000、Indirect Cost: ¥5,700,000)
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| Keywords | 根 / 器官成長 / 根冠 / 周期性 / 細胞動態 |
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| Outline of Research at the Start |
植物の根は、内的な発生プログラムに基づいた定常的な成長に加え、外的な環境因子に応答した成長変化を示す。これらの成長動態は、根端部における細胞の分裂と伸長や、根端を覆う根冠組織の特異的な機能に依存して決定されるが、それらの作動機構は不明である。本研究では、我々が開発した根の先端を長時間にわたって自動的に追尾する顕微鏡システムを用い、根端で進行する細胞新生や、根冠の分化、さらにはオルガネラの運動や消長といったミクロな周期動態を高精細に捉える。得られたデータをもとに内的な周期とその変調が、根の可塑的な成長を制御する仕組みを明らかにする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
根の定常的あるいは可塑的な成長は、根端の細胞群の周期性とその変調により実現されている。本研究では根端の細胞群が発振する周期動態の実体と、それらが根の成長制御に果たす役割を明らかにするため、生物学と情報学の融合研究を推進し、以下の成果を得た。
①野生型植物と根端幹細胞ニッチの機能が欠損した変異体を用い、根端メリステムの単一皮層細胞列の分裂動態を比較解析した。野生型植物においては根端メリステムの細胞群がほぼ一定の短い周期で分裂していたのに対し、ニッチ細胞である静止中心の近傍にある細胞の周期は特異的に長いことが判明した。変異体植物においては細胞群の分裂周期が全体に長くなっていたものの、周期の一定性やニッチ細胞近傍での周期の延長は、野生型植物と同様の傾向を示した。以上の結果から、根端メリステムの細胞周期を協調させる未知の機構や、幹細胞ニッチの近傍で細胞周期を延長させる未知の制御系の存在が示唆された。
②重力屈性応答時の細胞動態を定量化するための顕微鏡観察手法と、イメージング解析ソフトを用いた定量化手法を開発した。その結果、重力屈性応答時に根端の細胞伸長の位置がシフトすることを示唆する結果が得られた。
③根冠細胞の動態観察により、新たな細胞層を生み出す始原細胞の分裂と最外層の脱離のタイミングを協調的に制御する機構の存在が示唆された。また、生きた細胞を剥離させる細胞壁分解酵素の時空間的発現パターンと、それらを細胞外に分泌する経路の活性化が、共通した経路で制御されている可能性が示唆された。
④顕微鏡の観察像を触覚にフィードバックする指先装着型顕微鏡や、細胞分裂を音声に変換するシステムが開発された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度の研究により、シロイヌナズナの根端における細胞分裂動態を網羅的に記録し、これを定量化するための技術が確立され、従来の方法では見出すことができなかった細胞群の分裂の協調性を明らかにすることが出来た。また植物の重力屈性応答について、これまでの観察では見出されていなかった細胞伸長動態の変化を示唆するデータを得ることが出来た。根冠細胞の動態においては、新たな顕微鏡システムの確立と利用により、遺伝子やタンパク質の発現変化を細胞やオルガネラの動態変化にリンクさせることが可能になった。人間拡張工学と植物科学の融合を進め、細胞分裂の可聴化システムや指先装着型顕微鏡などのユニークなツールを開発することが出来た。
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| Strategy for Future Research Activity |
① スピニングディスク共焦点ユニットを装着した水平光軸型動体トラッキング顕微鏡システムを活用し、根端メリステムにおける複数の皮層細胞列について細胞分裂動態のタイムラプスデータを収集する。得られた4次元イメージングデータから、機械学習を用いて細胞分裂イベントを自動的に抽出するための画像処理技術の開発を進める。
② 重力屈性応答時の細胞動態を精密に解析するため、細胞核の位置をトラッキングし、細胞の位置と伸長度を定量化する手法を開発する。これを用いて野生型および変異体植物における重力屈性応答時の細胞伸長動態を比較する。
③ 根冠の細胞新生と剥離動態の関係を明らかにするため、始原細胞の分裂を誘導的に操作できる植物ラインを作成する。これを用いて根冠の細胞新生の頻度を変化させ、これが細胞剥離の周期性に与える影響を解析する。
④ 根冠細胞のターンオーバーにおけるオルガネラ動態を精密にイメージングし、分化転換時の細胞内部の動態を観察するとともに、それらのプロセスに関与することが予想される遺伝子群の機能解析と発現解析を行う。
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Report
(1 results)
Research Products
(11 results)
