細胞システムの自律周期とその変調が操る根の成長

• Project Area: Intrinsic periodicity of cellular systems and its modulation as the driving force behind plant development
• Project/Area Number: 19H05671
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: Nara Institute of Science and Technology
• 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)
• 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)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥118,300,000 (Direct Cost: ¥91,000,000、Indirect Cost: ¥27,300,000); Fiscal Year 2023: ¥23,400,000 (Direct Cost: ¥18,000,000、Indirect Cost: ¥5,400,000); 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)
• Keywords: 根 / 器官成長 / 根冠 / 周期性 / 細胞動態

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。

Outline of Annual Research Achievements

本年度も植物に固有の細胞間情報伝達系路を介した幹細胞の維持機構や組織パターンの形成機構などの定常的な発生制御系の解明に取り組んだ。まず根の重力屈性を駆動する機構について、定説とされているコロドニー・ウェントモデル（上下の細胞の偏差成長が屈曲を駆動）が、根においては実験的な検証に乏しいことに着目し、ライブイメージングと画像処理技術を用いた精密解析を行った。その結果、定説に留まらない制御系の存在を示唆する結果を得た。また根と土壌環境の相互作用を担う根冠細胞の周期的ターンオーバーと機能転換を制御する過程に、膜交通制御因子と分泌型細胞壁分解酵素、さらにはオートファジーの周期的な活性化が機能することを上田班との共同研究により見出した。また藤本班や深城班との共同研究により、根端ドームの形状が植物種によらず力学的に安定なカテナリー曲線に収斂することを数理的に予測し、その妥当性と、基盤となる細胞動態を実験的に証明した。また深城班および上田班との共同研究により、ライブイメージング画像から根端のオーキシン応答振動を自動的に定量解析する数理手法を開発した。以上の成果を、研究論文、解説論文、学会発表として公表した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

新学術領域内の多くの研究班と共同研究を進め、根端の細胞動態やホルモン応答振動を定量的に解析する情報ツールを開発することが出来た。これを使って、未知な制御機構の存在に気づきを得ることが出来た。また根端ドーム形状がカテナリー曲線に収束することを数理生物学、イメージング、遺伝学の融合研究により明らかにし、論文として発表することが出来た。

Strategy for Future Research Activity

(1) 根端メリステムにおける細胞分裂と細胞伸長動態の定量化ツールの開発と利用：既に開発済みのニポウディスク型共焦点検出器を備えた水平光軸型動体トラッキング顕微鏡と、根の皮層細胞層の核をRFPで蛍光標識した野生型背景の植物ラインを用い、根端メリステムを構成する細胞群の分裂と伸長動態をタイムラプスデータとして収集する。公募班員の陳博士らと共同研究により、得られたデータから細胞系譜に沿った細胞群の分裂と細胞伸長を定量解析するための機械学習スキームとアルゴリズムを開発する。研究分担者の稲見博士らとともに、細胞分裂動態の変化の知覚を助けるAR技術を開発する。
(2) 重力屈曲応答を駆動する根の細胞動態：上記と同様の植物ラインを用い、重力刺激を与えた際の根の細胞伸長動態を精密に定量解析する。藤本班との共同研究により、屈性を駆動する細胞動態を数理モデル化する。
(3) 根系構造の基盤となるオーキシン応答振動の環境応答性：本年度に開発した画像解析ツールを用い、光（日長）条件の変化に応答した根端部のオーキシン応答振動と根の伸長の変化を定量的に解析する。得られたデータを基に根端部の細胞分裂や細胞伸長動態が、オーキシンの応答の時空間振動パターンへと出力される機構を数理モデル化する。
(4) 根冠細胞の周期的な分化転換と剥離機構：根冠細胞のターンオーバー周期を決定する遺伝因子を明らかにするため、様々な自然変異系統の根冠剥離の動態を水平光軸型動体トラッキング顕微鏡を用いて定量的に比較する。周期が異なる系統が見出された場合には、それらを用いた遺伝学的解析から原因遺伝子座を同定する。また根冠の分化段階に沿ったトランスクリプトーム変化を精密に解析するため、一細胞あるいは（一細胞核）トランスクリプトーム解析の技術を開発する。

Research Products

• [Journal Article] Tissue growth constrains root organ outlines into an isometrically scalable shape (2021)
  • Author(s): Fujiwara Motohiro、Goh Tatsuaki、Tsugawa Satoru、Nakajima Keiji、Fukaki Hidehiro、Fujimoto Koichi
  • Journal Title: Development Volume: 148 Issue: 4 Pages: 196253-196253
  • DOI: 10.1242/dev.196253
  • NAID: 120007028967
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] GELP, not just any boundary (2021)
  • Author(s): Nakajima Keiji
  • Journal Title: Nature Plants Volume: 7 Issue: 3 Pages: 248-249
  • DOI: 10.1038/s41477-021-00882-5
• [Journal Article] Lateral root initiation requires the sequential induction of transcription factors LBD16 and PUCHI in Arabidopsis thaliana (2019)
  • Author(s): Goh Tatsuaki、Toyokura Koichi、Yamaguchi Nobutoshi、Okamoto Yoshie、Uehara Takeo、Kaneko Shutaro、Takebayashi Yumiko、Kasahara Hiroyuki、Ikeyama Yoshifumi、Okushima Yoko、Nakajima Keiji、Mimura Tetsuro、Tasaka Masao、Fukaki Hidehiro
  • Journal Title: New Phytologist Volume: 224 Issue: 2 Pages: 749-760
  • DOI: 10.1111/nph.16065
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 根冠組織の発生と生理機能の制御機構 (2019)
  • Author(s): 中島敬二
  • Journal Title: 植物の生長調節 Volume: 54 Pages: 119-128
  • NAID: 130008060489
• [Presentation] 土壌微生物の動態を制御する根冠の細胞形態形成と防御機構との統御系 (2021)
  • Author(s): 宮島 俊介, 中島 敬二
  • Organizer: 第62回 日本植物生理学会年会
• [Presentation] Lateral Organ Boundary Domain Family Transcription Factor LBD12 is involved in Radial Pattern Formation of Root Apical Meristem in Arabidopsis thaliana (2021)
  • Author(s): 權部 晃一, 今村 美友, 宮島 俊介, 中島 敬二, 山篠 貴史
  • Organizer: 第62回 日本植物生理学会年会
• [Presentation] 根のねじれの数理モデルの構築とその解析 (2021)
  • Author(s): 米倉崇晃, 郷 達明, 中島 敬二
  • Organizer: 第62回 日本植物生理学会年会
• [Presentation] 細胞の立ち居振舞いから解く植物の自在な成長, (2020)
  • Author(s): 中島 敬二, 射水勝利, 阪本薫, 相馬優輝, 大伏仙泰, 米倉崇晃, 富沢揺子, 近藤洋平, 稲見昌彦, 宮島 俊介, 郷 達明,
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
• [Presentation] 細胞層特異的なオートファジーによる根冠剥離の制御 (2020)
  • Author(s): 郷達明, 阪本薫, 中島敬二
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
• [Presentation] 細胞動態の定量解析から探る根の重力屈曲機構 (2020)
  • Author(s): 相馬優輝, 郷達明, 米倉崇晃, 中島敬二
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
• [Presentation] 根冠が発動する根の病害応答 (2020)
  • Author(s): 宮島 俊介, 晝間 敬, 中島 敬二
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会
• [Presentation] Root cap morphogenesis and function in the immune system (2020)
  • Author(s): Shunsuke Miyashima, Kei Hiruma, Keiji Nakajima
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Periodic cellular behaviors during root cap maturation and detachment (2020)
  • Author(s): Tatsuaki Goh, Kaoru Sakamoto, Shunsuke Miyashima, Keiji Nakajima
  • Organizer: 第61回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 維管束の側方成長と組織パターンを統合する細胞間相互作用 (2019)
  • Author(s): 宮島俊介、藤原基洋、藤本仰一、中島敬二
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] 根冠最外層の成熟と剥離におけるオートファジーの役割 (2019)
  • Author(s): 郷達明、阪本薫、中島敬二
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] シロイヌナズナの根冠分化における非対称性と非連続性の表出機構 (2019)
  • Author(s): 中島敬二、阪本薫、 飯田誠也、小堤彩水、松田隆、上野皓輝、小園紗希、安藤隆之介、古川明日香、神谷雅子、宮島俊介、郷達明
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
  • Invited
• [Presentation] MagniFinger: magnified perception by a fingertip probe microscope. (2019)
  • Author(s): Obushi, N., Wakisaka, S., Kasahara, S., Hiyama, A., and Inami, M.
  • Organizer: SIGGRAPH 2019 Emerging Technologies
• [Remarks] 根冠組織の不思議なはたらき
  • URL: https://bsw3.naist.jp/nakajima/research_top/root_cap.html
• [Remarks] Unique functions of root cap cells
  • URL: https://bsw3.naist.jp/nakajima/English/cn5/root_cap_EN.html
• [Remarks] MagniFinger
  • URL: https://star.rcast.u-tokyo.ac.jp/magnifinger/