細胞膜ドメインの周期性とその変調が導出する植物の細胞壁パターン

• Project Area: Intrinsic periodicity of cellular systems and its modulation as the driving force behind plant development
• Project/Area Number: 19H05677
• 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: Nagoya University (2022-2023); National Institute of Genetics (2019-2021)
• Principal Investigator: 小田 祥久 名古屋大学, 理学研究科, 教授 (30583257)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥75,140,000 (Direct Cost: ¥57,800,000、Indirect Cost: ¥17,340,000); Fiscal Year 2023: ¥14,950,000 (Direct Cost: ¥11,500,000、Indirect Cost: ¥3,450,000); Fiscal Year 2022: ¥14,950,000 (Direct Cost: ¥11,500,000、Indirect Cost: ¥3,450,000); Fiscal Year 2021: ¥14,950,000 (Direct Cost: ¥11,500,000、Indirect Cost: ¥3,450,000); Fiscal Year 2020: ¥14,950,000 (Direct Cost: ¥11,500,000、Indirect Cost: ¥3,450,000); Fiscal Year 2019: ¥15,340,000 (Direct Cost: ¥11,800,000、Indirect Cost: ¥3,540,000)
• Keywords: 細胞膜ドメイン / 細胞壁 / 細胞骨格 / 細胞膜 / Gタンパク質

Outline of Research at the Start

植物の体は様々なタイプの細胞が積み重なるようにして作られている。このような植物の組織の成長はそれぞれの細胞における細胞壁の沈着の仕方に大きく依存している。研究代表者はこれまでに植物体内で水を運ぶ役割を担う道管の細胞をモデルとして細胞壁の沈着の仕方を制御する仕組みを明らかにしてきた。その一方で細胞壁の沈着の仕方が一様にあるいは多様に制御される仕組みや、周辺の細胞と協調的に細胞壁の沈着の仕方を調節する仕組みほどんど分かっていない。本研究では道管の細胞に周期的な構造が生じる過程を解析し、細胞の自律的・協調的に細胞壁の沈着の仕方を制御する仕組みを明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

植物は移動能をもたない細胞で構成されるため、植物の発生は個々の細胞が連携して分裂、成長、分化する一連の挙動の集積によって成し遂げられる。植物細胞の挙動は細胞表面に沈着する細胞壁の沈着パターンに依存しており、個々の細胞は細胞タイプごとに固有の細胞壁の沈着パターンを構築している。道管の細胞は植物が根から吸収した水を輸送するため、細胞表面に厚く丈夫な細胞壁を螺旋、網目、孔紋状などの秩序立ったパターンに沈着する。道管の細胞表層では微小管が形成する周期的な配列に、低分子量Gタンパク質ROPの活性化反応が変調を与えることによって細胞膜上に複合的な周期が生じ、これが道管に特徴的な細胞壁の周期パターンの鋳型となる。本研究ではこれまでに研究代表者が明らかにしてきた細胞壁パターンの制御を手掛かりに、研究代表者がもつ道管分化誘導系や周期ドメインの再構築実験系と、領域のイメージング技術、数理・情報工学を融合することにより、道管分化における周期ドメインの時空間的な変調を精密に解析してきた。今年度の研究では、昨年度開発した、機械学習を取り入れた細胞壁パターンの解析ソフトのプロトタイプに学習用画像の追加により完成させ、実際に変異体のスクリーニングを行った。その結果、昨年度のプロトタイプよりも高い精度で細胞壁のパターンを解析することが可能となり、新たな変異体を単利したほか、既存の変異体のより詳細な解析が可能となった。今後はさらにソフトに改良を加えハイスループット化するほか、単利した変異体の細胞壁パターンの周期性の解析を進める。

Current Status of Research Progress

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

Reason

いくつかの実験で若干の遅れが生じたがおおよそ計画通りに研究が進行しているため。

Strategy for Future Research Activity

計画通り研究を進める予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Cambridge(英国)
• [Journal Article] Cell-by-cell dissection of phloem development links a maturation gradient to cell specialization (2021)
  • Author(s): Roszak P, Heo J, Blob B, Toyokura K, Sugiyama Y, de Luis Balaguer MA, Lau W, Hamey F, Cirrone J, Madej E, Bouatta A, Wang X, Guichard M, Ursache R, Tavares H, Verstaen K, Wendrich J, Melnyk C, Oda Y, Shasha D, Ahnert S, Saeys Y, De Rybel B, Heidstra R, Scheres B, Grossmann G, Mahonen AP, Denninger P, Gottgens B, et al.
  • Journal Title: Science Volume: 374 Issue: 6575
  • DOI: 10.1126/science.aba5531
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A Quantitative Method for Evaluating Phragmoplast Morphology (2021)
  • Author(s): Sasaki Takema、Oda Yoshihisa
  • Journal Title: Methods Mol Biol Volume: 2382 Pages: 225-232
  • DOI: 10.1007/978-1-0716-1744-1_13
  • ISBN: 9781071617434, 9781071617441
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Excess Pyrophosphate Restrains Pavement Cell Morphogenesis and Alters Organ Flatness in Arabidopsis thaliana (2020)
  • Author(s): Gunji Shizuka、Oda Yoshihisa、Takigawa-Imamura Hisako、Tsukaya Hirokazu、Ferjani Ali
  • Journal Title: Frontiers in Plant Science Volume: 11 Pages: 31-31
  • DOI: 10.3389/fpls.2020.00031
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] A Novel Katanin-Tethering Machinery Accelerates Cytokinesis (2019)
  • Author(s): Sasaki Takema、Tsutsumi Motosuke、Otomo Kohei、Murata Takashi、Yagi Noriyoshi、Nakamura Masayoshi、Nemoto Tomomi、Hasebe Mitsuyasu、Oda Yoshihisa
  • Journal Title: Current Biology Volume: 29 Issue: 23 Pages: 4060-4070.e3
  • DOI: 10.1016/j.cub.2019.09.049
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] イメージング共同研究から迫る植物細胞壁の構築機構 (2021)
  • Author(s): 小田祥久
  • Organizer: 北海道大学ニコンイメージングセンター学術講演会
  • Invited
• [Presentation] シロイヌナズナvegetativeアクチン変異株の表現型解析 (2021)
  • Author(s): 貴嶋紗久, 光田展隆, 小田祥久
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 葉緑体光定位運動における新規phot2相互作用因子の解析 (2021)
  • Author(s): 比嘉毅, 後藤栄治, 和田正三, 小田祥久, 中井正人
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 新規ゴルジ局在タンパク質HOPはカロースの蓄積制御を介し細胞板の形成に寄与する (2021)
  • Author(s): 佐々木武馬, 小田祥久
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Molecular basis of cell wall patterning in xylem vessels (2020)
  • Author(s): Yoshihisa Oda
  • Organizer: From cellular dynamics to morphology
  • Invited
• [Presentation] アクチン・微小管相互作用の理解に向けたシロイヌナズナvegetativeアクチンアイソフォーム変異株の表現型解析 (2020)
  • Author(s): 貴嶋紗久, 光田展隆, 上田太郎, 小田祥久
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
• [Presentation] 植物の道管における細胞壁パターンの構築機構 (2020)
  • Author(s): 小田 祥久
  • Organizer: 第43回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] 道管分化にみる細胞内秩序の構築機構 (2019)
  • Author(s): 小田祥久
  • Organizer: 植物科学シンポジウム2019「SDGsに向けた植物科学の展開」
  • Invited
• [Presentation] 微小管付随タンパク質CORDにより制御されるフラグモプラストの動態 (2019)
  • Author(s): 佐々木武馬, 堤元佐, 大友康平, 村田隆, 中村匡良, 根本知己, 長谷部光泰, 小田祥久
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] 細胞壁の非対称性を生み出す分子システム (2019)
  • Author(s): 杉山友希, 長島慶宜, 若崎眞由美, 佐藤繭子, 豊岡公徳, 福田裕穂, 小田祥久
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
  • Invited