| Project Area | Intrinsic periodicity of cellular systems and its modulation as the driving force behind plant development |
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| Project/Area Number |
19H05672
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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 | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
塚谷 裕一 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (90260512)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
堀口 吾朗 立教大学, 理学部, 教授 (70342847)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥127,530,000 (Direct Cost: ¥98,100,000、Indirect Cost: ¥29,430,000)
Fiscal Year 2022: ¥25,220,000 (Direct Cost: ¥19,400,000、Indirect Cost: ¥5,820,000)
Fiscal Year 2021: ¥25,220,000 (Direct Cost: ¥19,400,000、Indirect Cost: ¥5,820,000)
Fiscal Year 2020: ¥25,220,000 (Direct Cost: ¥19,400,000、Indirect Cost: ¥5,820,000)
Fiscal Year 2019: ¥26,650,000 (Direct Cost: ¥20,500,000、Indirect Cost: ¥6,150,000)
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| Keywords | 葉原基 / 細胞分裂動態 / 輪郭形状 / エボデボ / 数理解析 |
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| Outline of Research at the Start |
本計画の特徴は、(1)発生の初期における細胞分裂活性の加速、また終結段階での減速
という位相の変調に着目する点、(2) 葉原基における細胞分裂の角度調節やその空間的分布の役割についての、過去の長い論争に最終結論を出す点、そして(3)葉の細胞の個々の形状がどれだけ葉原基全体の形状に寄与しているかを解明する点にある。ひいては葉形態の多様性について、細胞の分裂・伸長の挙動の変調という視点から、一貫した解釈を与える筋道をつけ、永らく議論に決着の付いていなかった形態形成上の諸問題に最終回答を与えようとする点である。さらにはその実現のため、予見を排した、ハイスループットなデータ取得の技法開発も進める。
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| Outline of Annual Research Achievements |
ミズハコベの異型葉性に関し、原基発生の比較、細胞の分裂や形状の差異をin situ解析系と共に報告した（Koga et al. 2020 Front Plant Sci）。またアワゴケ属中では生活型と気孔幹細胞の増幅分裂の有無が連関すること、また転写因子発現パターンが異なることを見出した（Doll et al. 2021, PNAS）。
Monophyllaea属は無限成長する子葉を持つ代わり、葉原基を作るSAM活性を持たない。シロイヌナズナのLAMとSAMの鍵遺伝子の発現を解析したところ、LAM制御のAN3が、MonophyllaeaではSTMと共に子葉基部メリステムで発現していた（Kinoshita et al. 2020 Front Plant Sci）。
通常の葉と異なり向軸面を欠く単面葉では、DLが葉の厚さ方向に発現することで葉に平面性を与える。その軸座標が何か謎だったが、Juncus属で解析した結果、オーキシン応答極大がその軸座標である可能性が示された（Nukazuka et al. 2021, Plant Phys）。
AN3が機能欠損すると葉の細胞数が激減する代わりに細胞サイズが異常肥大する。この抑圧変異の一つxs2の原因遺伝子は、カチオンチャネルをコードし、かつサリチル酸(SA)応答に関わる因子であることが判明した（Fujikura et al. 2020 PLOS Genet）。またAN3はヒメツリガネゴケで茎葉体の形成に関わり、またアルギニン代謝に強く影響することが判明した（Kawade et al. 2020 Cell Rep）。一方ヒメツリガネゴケゲノムには、植物特有のドメインを欠くANホモログがある。ヒメツリガネゴケでもシロイヌナズナでも、これは通常タイプのANと同様の機能を有していた（Takechi et al. 2021 Plant J）。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本課題においては、モデル植物に加え、葉の輪郭形状・発生様式が特異な植物群を用いて、種に固有の葉形状ができる仕組みを解明すること、また水中・気中で大きく葉の輪郭や表皮細胞の形状が変化するミズハコベを用い、細胞形状の変化がどれだけ器官形状に影響するか、解析を進めることを目標に掲げている。現時点では、新型コロナウイルスの感染防止のための行動抑制が東京都、東京大学双方のレベルで長い間かかっており、実験活動も通常の４－６割程度に抑制せざるを得ない状況が続いているが、様々な工夫により、予定通り各種の材料について研究が進んでいる。また数理シュミレーションの立ち上げも順調である。特筆すべきはそれに加え、水陸両用植物のミズハコベを用いた、細胞形状が葉の輪郭に及ぼす寄与の解析について、担当学生の一人のセレンディピティにより、予想外の発見があった。水陸両用型の植物・ミズハコベは、陸上型に特化したアワゴケ、完全水中適応したチシマミズハコベなど多様な生態型の近縁種を持つ。これら近縁種間で葉にできる気孔の形成過程を比較した結果、生態型と対応した気孔幹細胞の分裂パターンの違いが発見された。すなわち陸上種では気孔幹細胞がシロイヌナズナで知られているように増幅分裂をするが、水陸両用種ではそれが起きないというものである。これはすでにDoll et al. 2021 PNASとして論文化もできており、当初の計画以上の進展と言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
1.葉の原基における細胞分裂動態解析と、その数理解析：画像情報解析支援班の近藤と協働で新たに確立した細胞分裂面の自動検出・解析手法を用い、予定通りに葉原基での細胞分裂動態を正確に数値化し、また細胞周期長推定を進める。さらにはこの知見を、葉の先端あるいは基部の形状が異常な変異体間で比較することで、これらの変調および安定化を司る個々の遺伝子を同定する。
2.葉の輪郭形状が特異な植物群を用いた葉輪郭制御のエボデボ：葉全体の形状から見て、いかにもリズムの変調が疑われるような特異な葉形態の植物種として、Callicarpa saccate, Monophyllaea glabra, そしてGuarea glabraについてはすでに基本データの取得に成功しており、一部は論文で報告済みの段階まで来ている。これらおよび今後さらに予定している他の特徴的形態の種類の葉を用い、葉原基の発生過程を通じて、上記1.のような解析を加えることで、両プロジェクトを融合させ完成に導く予定である。
3.水陸両用植物のミズハコベを用いた、細胞形状が葉の輪郭に及ぼす寄与の解析：基本的な発生プロセスの記載、水中葉と気中葉のにおける細胞形状の変化、また近縁種との比較RNAseq等の基本的データがまとまり、順次論文化も進んでいる。これについては気付き支援班の協力を得ながら予定通りの計画で解析を進めていく。
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