Studies on the molecular mechanisms and evolution of the generation and transmission of action potential in plants

• Project/Area Number: 21H04978
• Research Category: Grant-in-Aid for Specially Promoted Research
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Biological Sciences
• Research Institution: National Institute for Basic Biology
• Principal Investigator: 長谷部 光泰 基礎生物学研究所, 生物進化研究部門, 教授 (40237996)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 瀬上 紹嗣 基礎生物学研究所, 生物進化研究部門, 助教 (00765935) ; 豊田 正嗣 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (90714402) ; 真野 弘明 基礎生物学研究所, 生物進化研究部門, 特任研究員 (80376558)
• Project Period (FY): 2021-05-18 – 2028-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥559,130,000 (Direct Cost: ¥430,100,000、Indirect Cost: ¥129,030,000); Fiscal Year 2025: ¥72,540,000 (Direct Cost: ¥55,800,000、Indirect Cost: ¥16,740,000); Fiscal Year 2024: ¥72,540,000 (Direct Cost: ¥55,800,000、Indirect Cost: ¥16,740,000); Fiscal Year 2023: ¥72,150,000 (Direct Cost: ¥55,500,000、Indirect Cost: ¥16,650,000); Fiscal Year 2022: ¥163,540,000 (Direct Cost: ¥125,800,000、Indirect Cost: ¥37,740,000); Fiscal Year 2021: ¥59,930,000 (Direct Cost: ¥46,100,000、Indirect Cost: ¥13,830,000)
• Keywords: 活動電位 / カルシウム波 / ハエトリソウ / オジギソウ / モウセンゴケ / 食虫植物 / カルシウムイオン / カルシウム / カルシウムシグナル / カルシウムイオンシグナル

Outline of Research at the Start

植物には神経が無いが、動物の神経と同じように活動電位と呼ばれる電気信号が知られている。しかし、従来の研究材料では研究が難しく、どのように電気信号が発生し、伝わっていくかの仕組みはわかっていなかった。本研究では、活動電位を研究しやすい、食虫植物のモウセンゴケ、ハエトリソウ、ムジナモ、お辞儀運動をするオジギソウを用いて、活動電位発生伝搬の仕組みの基盤を明らかにするとともに、その進化を推定することを目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

1)センサーラインの作成：モウセンゴケでpHusion、ClopHensorNラインが完成した。２）チャネルロドプシン解析：モウセンゴケにおいてACR1-eYFPとjRCaMP1a、XXM-eYFPとjRGECO1a、ハエトリソウについて、XXM-eYFPとjRGECO1aを導入した形質転換ラインを得た。３）遺伝子破壊：[モウセンゴケ]single cell transcriptome解析は核単離が困難だったため、触毛の頭部、柄、基部のRNA-seq解析を行った。顕微鏡観察に適したアントシアニン欠損（AF）野生型のゲノムリシーケンスを完了、AF野生型標準株とした。MSL10, CNGC15、GLR3.6、TPK1、AHA2a、AHA2の遺伝子破壊体を作出した。[ハエトリソウ]MSL10破壊株において、Ca2+動態を調べた結果、野生型より機械刺激感受性が低下していること、活動電位の発生確率が下がることがわかった。４）局在解析実験：細胞膜局在マーカーラインを確立した。自己プロモーター::遺伝子cDNA-mClover3遺伝子の形質転換実験を行っている。５）オジギソウの解析：MSL10、GLR、AS/LOB遺伝子破壊体などの解析から、MSL10とGLRが正常な活動電位とCa2+波の発生に必要であること、MSL10が機械刺激受容体として機能していることがわかった。さらに、AS/LOB遺伝子がMSL10とGLRを正に制御していることがわかった。６）電気生理学的解析、誘導実験系、相互作用因子解析、オルソログ遺伝子のシロイヌナズナでの機能解析、多様性解析：モウセンゴケ、ハエトリソウ、オジギソウにおいて、細胞内電極挿入による電気生理実験手法をほぼ確立し、Ca2+波と活動電位の同時測定を開始した。また、ハエトリソウにおいて、細胞破壊実験によって、活動電位発生細胞を特定することに成功した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

一部実験の遅れが見られるが、来年度早々に完了予定である。

Strategy for Future Research Activity

当初予定どおりに研究を遂行する。

Assessment Rating

Interim Assessment Comments (Rating)

A: In light of the aim of introducing the research area into the research categories, the expected progress has been made in research.

Research Products

• [Int'l Joint Research] Wurzburg大学(ドイツ)
• [Journal Article] Calcium-mediated rapid movements defend against herbivorous insects in Mimosa pudica (2022)
  • Author(s): Hagihara Takuma、Mano Hiroaki、Miura Tomohiro、Hasebe Mitsuyasu、Toyota Masatsugu
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 13 Issue: 1 Pages: 6412-6412
  • DOI: 10.1038/s41467-022-34106-x
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 食虫植物モウセンゴケ触毛におけるカルシウム波動態の解析 (2024)
  • Author(s): 瀬上紹嗣、陳鵬、近藤真紀、大井祥子、須田啓、豊田正嗣、長谷部光泰
  • Organizer: 第65回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 植物の機械刺激受容シグナル伝達機構の研究 (2024)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Organizer: 第65回日本植物生理学会年会
  • Invited
• [Presentation] Cytosolic calcium ion dynamics by mechanical stimuli and their biological roles in the sensitive plant, the Venus flytrap and the sundew (2023)
  • Author(s): Mitsuyasu Hasebe
  • Organizer: The 6th Symposium on Plant Signaling & Behavior
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Mechanosensitive and ligand-gated channels responsible for the rapid leaf movement in Mimosa pudica. (2023)
  • Author(s): Hiroaki Mano（研究協力者）
  • Organizer: The 1st JST International Symposium "Dynamics of Cellular Interactions in Multicellular Systems"
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Calcium ion-mediated sensory and movement system in the Venus Flytrap. (2023)
  • Author(s): Hiraku Suda（研究協力者）
  • Organizer: The 2151st NIG Biological Symposium
  • Invited
• [Presentation] 食虫植物モウセンゴケの触毛における高速カルシウム波の伝播経路 (2023)
  • Author(s): 瀬上紹嗣、近藤真紀、松田陸玖、張列弛、落合由裕、陳鵬、大井祥子、須田啓、豊田正嗣、長谷部光泰
  • Organizer: 日本植物学会第87回大会
• [Presentation] カルシウムシグナルと活動電位の同時測定によるハエトリソウの接触刺激受容細胞の解析 (2023)
  • Author(s): 須田啓、浅川裕紀、長谷部光泰、豊田正嗣
  • Organizer: 日本植物学会第87回大会
• [Presentation] Multiple cytosolic calcium waves with different dynamics used in trapping hairs of carnivorous sundew Drosera rotundifolia (2023)
  • Author(s): Segami, S., Kondo, M., Matsuda, R., Zhang, L., Ochiai, T., Chen, P., Ohi, S., Suda, H., Toyota, M., and Hasebe, M.
  • Organizer: Taiwan-Japan Plant Biology 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Dynamics of cytosolic calcium waves in trapping hairs of carnivorous sundew Drosera rotundifolia (2023)
  • Author(s): Shoji Segami
  • Organizer: Taiwan-Japan Mini-symposium on Plant Cell Reprogramming and Organ Development
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Real-time visualization of intra- and inter-plant communication (2023)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Organizer: 第61回日本生物物理学会年会
  • Invited
• [Presentation] 食虫植物モウセンゴケにおけるカルシウム波の伝播経路 (2023)
  • Author(s): 瀬上紹嗣
  • Organizer: 第10回 エンドメンブレンミーティング
• [Presentation] Cytosolic calcium ion dynamics in the sensitive plant, Mimosa pudica the Venus flytrap Dionaea muscipula the sundew Drosera rotundifolia by mechanical stimuli (2022)
  • Author(s): Hasebe, M.
  • Organizer: Plant Calcium Signaling Conference 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Calcium-based rapid defense movements in Mimosa pudica (2022)
  • Author(s): Toyota, M.
  • Organizer: 6th International Conference on Plant Vascular Biology 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 食虫植物モウセンゴケを用いた活動電位の研究 (2022)
  • Author(s): 瀬上紹嗣
  • Organizer: 第9回エンドメンブレンミーティング・第7回植物細胞骨格研究会合同研究会
• [Presentation] 植物の全身を高速伝播する電気化学シグナル (2022)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Organizer: 電気化学秋季大会
  • Invited
• [Presentation] 非モデル植物ハエトリソウを形質転換する ～その条件検討と手法の構築～ (2022)
  • Author(s): 須田 啓（研究協力者）
  • Organizer: 第39回日本バイオテクノロジー学会
  • Invited
• [Presentation] 食虫植物モウセンゴケの形質転換法の開発 (2022)
  • Author(s): 棚瀬邦明、須田啓、大井祥子、松林嘉克、長谷部光泰、瀬上紹嗣
  • Organizer: 日本植物学会 第86回大会
• [Presentation] 食虫植物モウセンゴケにおける高速カルシウムシグナル伝達 (2022)
  • Author(s): 瀬上紹嗣、Palfalvi Gergo、棚瀬邦明、下村拓史、陳鵬、松田陸玖、須田啓、張列弛、大井祥子、真野弘明、重信秀次、豊田正嗣、長谷部光泰
  • Organizer: 日本植物学会 第86回大会
• [Presentation] Calcium ion-mediated memory and movement system in the Venus flytrap (Dionaea muscipula) (2022)
  • Author(s): Suda, H. (研究協力者)
  • Organizer: Fifth webinar of the IRN France-Japan Frontiers in Plant Biology-Emerging models in plant sciences
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 食虫植物の活動電位を介した長距離情報伝達 (2022)
  • Author(s): 瀬上紹嗣、Gergo Palfalvi、陳鵬、棚瀬邦明、下村拓史、松田陸玖、須田啓、張列弛、大井祥子、真野弘明、山口勝司、重信秀次、豊田正嗣、長谷部光泰
  • Organizer: 第 95 回日本生化学会大会
• [Presentation] オジギソウの機械刺激応答性シグナル伝達 (2022)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Organizer: 第45回日本分子生物学会年会
  • Invited
• [Presentation] 食虫植物モウセンゴケの運動を制御する高速電気シグナルの解析 (2022)
  • Author(s): 瀬上紹嗣、Gergo Palfalvi、棚瀬邦明、松田陸玖、陳鵬、須田啓、下村拓史、大井祥子、豊田正嗣、長谷部光泰
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] オジギソウの運動を引き起こす長距離・高速シグナルを見る (2022)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Organizer: エアロ・アクアバイオメカニズム学会 第46回定例講演会
  • Invited
• [Presentation] Cytosolic calcium ion dynamics by mechanical stimuli and their biological roles in the sensitive plant, the Venus flytrap, and the sundew (2022)
  • Author(s): Hasebe, M.
  • Organizer: The 19th International Workshop on Plant Membrane Biology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Electrical and Ca2+ Signal Transductions Controlling the Tentacle Movement of the Carnivorous Plant Drosera rotundifolia (2022)
  • Author(s): egami, S., Palfalvi, G., Chen, P., Tanase, K., Matsuda, R., Zhang, L., Kondo, M., Ohi, S., Suda, H., Shimomura, T., Shigenobu, S., Toyota, M., and Hasebe, M.
  • Organizer: The19th International Workshop on Plant Membrane Biology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] カルシウムシグナルを介した植物内・植物間情報伝達の可視化 (2022)
  • Author(s): 豊田正嗣
  • Organizer: 第69回日本生態学会大会
  • Invited
• [Presentation] Plastic responses to environmental stimuli in carnivorous plants (2021)
  • Author(s): 長谷部光泰
  • Organizer: International Webinar on Plant Developmental Plasticity: A Molecular Perspective, Nagarjuna University, India
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Book] 食虫植物 : 多様性と進化 (2023)
  • Author(s): 長谷部 光泰
  • Total Pages: 362
  • Publisher: 裳華房
  • ISBN: 9784785358761
• [Remarks] 基礎生物学研究所生物進化研究部門 webページ
  • URL: http://www.nibb.ac.jp/evodevo
• [Remarks] 埼玉大学豊田正嗣研究室 webページ
  • URL: https://park.saitama-u.ac.jp/~toyotalab/index.html
• [Remarks] 研究室web site
  • URL: http://www.nibb.ac.jp/evodevo