細胞壁ダイナミクスが誘起する物理的バイアスによる細胞形成の制御機構の解明

• 研究課題/領域番号: 16K07389
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 植物分子・生理科学
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 横山 隆亮 東北大学, 生命科学研究科, 講師 (90302083)
• 研究協力者: 西谷 和彦 東北大学, 大学院生命科学研究科, 教授 (60164555) ; 黒羽 剛 東北大学, 大学院生命科学研究科, 助教 (50415155)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2019-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2018年度)
• 配分額: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2018年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2017年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円); 2016年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
• キーワード: 植物細胞壁 / プロトプラスト / セルロース / キシログルカン / ネットワーク構造 / イメージング / マトリックス構造 / 細胞壁 / 細胞形成 / 物理的バイアス

研究成果の概要

本研究は，植物の細胞外マトリックス構造（細胞壁）が細胞の形態形成を多面的に制御していることを実証するとともに，各機能発現のための細胞壁構造のダイナミクスと分子制御機構の解明を目指したものである。植物では，細胞壁の自律的な構造変化や外部からの加圧などによる物性変化・物理的バイアスが細胞形成のトリガーになり，さらには細胞極性，細胞の伸展方向，細胞形態を制御する重要な要素になることが示唆されている。本研究では，細胞壁の基本骨格を形成するセルロース・ネットワーク構造を多面的かつ定量的に分析できるイメージング技術の開発によって，多面的な機能を発現する細胞壁の構造ダイナミクスの捉えることに成功した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

植物の形態形成は，発生プログラムや環境シグナルによる統御を受け，最終的には細胞壁の強靱性と伸展性という２つの物理的性質の相互変換によって制御される細胞形成に依存している。近年，植物においても，細胞内情報伝達や遺伝子発現の制御機構の研究が飛躍的な進歩を遂げる一方で，細胞壁による細胞形成の分子機構の解明は大きく遅れている。本研究で細胞形成に寄与する細胞壁の機能的構造のダイナミクスを明らかにできたことは，植物の形態形成メカニズムの総合的な理解に繋がるものであり，この研究成果は，学術的に意義があるだけではなく，農業における品種改良などでも大きな社会貢献に繋がるものと考えられる。

研究成果

• [雑誌論文] 植物細胞壁の機能的構造とダイナミクス (2019)
  • 著者名/発表者名: 横山隆亮
  • 雑誌名: アグリバイオ 巻: 3 ページ: 43-47
  • NAID: 40021843572
• [雑誌論文] Ethylene-gibberellin signaling underlies adaptation of rice to periodic flooding (2018)
  • 著者名/発表者名: T Kuroha, K Nagai, R Gamuyao, D R Wang, T Furuta, M Nakamori, T Kitaoka, K Adachi, A Minami, Y Mori, K Mashiguchi, Y Seto, S Yamaguchi, M Kojima, H Sakakibara, J Wu, K Ebana, N Mitsuda, M Ohme-Takagi, S Yanagisawa, M Yamasaki, R Yokoyama, K Nishitani, T Mochizuki, G Tamiya, S R McCouch, and M Ashikari
  • 雑誌名: Science 巻: 361 号: 6398 ページ: 181-186
  • DOI: 10.1126/science.aat1577
  • NAID: 120006529624
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Chromatin-mediated feed-forward auxin biosynthesis in floral meristem determinacy. (2018)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi, N., Huang, J., Tatsumi, Y., Abe, M., Sugano, S. S., Kojima, M., Takebayashi, Y., Kiba, T., Yokoyama, R., Nishitani, K., Sakakibara, H., and Ito, T.
  • 雑誌名: Nature Commun. 巻: 9 号: 1 ページ: 5290-5290
  • DOI: 10.1038/s41467-018-07763-0
  • NAID: 120006549567
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Arabinogalactan proteins accumulate in the cell walls of searching hyphae of the stem parasitic plants, Cuscuta campestris and Cuscuta japonica. (2017)
  • 著者名/発表者名: Hozumi A, Bera S, Fujiwara D, Obayashi T, Yokoyama R, Nishitani K, Aoki K
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: 58 号: 11 ページ: 1868-1877
  • DOI: 10.1093/pcp/pcx121
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Insights into Land Plant Evolution Garnered from the Marchantia polymorpha Genome. (2017)
  • 著者名/発表者名: Bowman J, Kouchi T,..(106名）..Yokoyama R, ..(4名)
  • 雑誌名: Cell 巻: 171 号: 2 ページ: 287-304
  • DOI: 10.1016/j.cell.2017.09.030
  • NAID: 120006353839
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Quantitative confocal imaging method for analyzing cellulose dynamics during cell-wall regeneration in Arabidopsis mesophyll protoplasts. (2017)
  • 著者名/発表者名: Kuki H, Higaki T, Yokoyama R, Kuroha T, Shinohara N, Hasezawa S, Nishitani K
  • 雑誌名: Plant Direct 巻: 1 号: 6 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1002/pld3.21
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The plant extracellular enzyme AtXTH3 catalyses covalent cross-linking between cellulose and cello-oligosaccharide (2017)
  • 著者名/発表者名: Shinohara N, Sunagawa N, Tamura S, Yokoyama R, Ueda M, Igarashi K, Nishitani K
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 印刷中
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Arabidopsis regenerating protoplast: A powerful model system for combining the proteomics of cell wall proteins and the visualization of cell wall dynamics (2016)
  • 著者名/発表者名: Yokoyama, R., Kuki, H., Kuroha, T., Nishitani, K.
  • 雑誌名: Proteomes 巻: 4 号: 4 ページ: 34-34
  • DOI: 10.3390/proteomes4040034
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] ゼニゴケにおける Endoglucanase16 の機能解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 石田光南，黒羽剛，石崎公庸，檜垣匠，楢本悟史，横山隆亮，小竹敬久，西谷和彦
  • 学会等名: 第60回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Insight into strategies for plant-plant parasitism in Cuscuta campestris based on genome sequencing (2018)
  • 著者名/発表者名: Narukawa H, Yokoyama R, Obayashi T, Kaga Y, Kato M, Kuroha T, Nishitani K
  • 学会等名: 第59回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 洪水環境に適応した浮イネの進化におけるジベレリン合成遺伝子の関与 (2018)
  • 著者名/発表者名: 黒羽剛，ダイアンワン，スーザンマッコチーチ，横山隆亮，西谷和彦，芦苅基行
  • 学会等名: 第59回日本植物生理学会年会
• [学会発表] アメリカネナシカズラのゲノム解読による寄生植物の適応進化メカニズムの解明 (2018)
  • 著者名/発表者名: 横山隆亮，大林武，鳴川秀樹，加賀悠樹，加藤萌木，黒羽剛，西谷和彦
  • 学会等名: 第59回日本植物生理学会年会
• [学会発表] アメリカネナシカズラが持つ付着器の形成に関与する遺伝子の探索 (2018)
  • 著者名/発表者名: 藤原大輝，横山隆亮，西谷和彦，青木考
  • 学会等名: 第59回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Molecular insights into changes of the extracellular matrix during cold and sub-zero acclimation (2018)
  • 著者名/発表者名: Takahashi D, Sampathkumar A, Erban A, Gorka M, Kopka J, Graf A, Yokoyama R, Kuroha T, Nishitani K, Zuther E, Hincha DK
  • 学会等名: 11th International Plant Cold Hardiness Seminar (IPCHS)
  • 国際学会
• [学会発表] 浮イネにおけるジベレリン合成を介した洪水への適応戦略 (2018)
  • 著者名/発表者名: 黒羽剛，増口潔，瀬戸義哉，山口信次郎，横山隆亮，西谷和彦
  • 学会等名: 日本植物学会第82回大会
• [学会発表] 植物種間情報伝達を介したアメリカネナシカズラ吸器における維管束新生機構の探索 (2018)
  • 著者名/発表者名: 加賀悠樹，大林武，横山隆亮，黒羽剛，大谷美沙都，出村拓，西谷和彦
  • 学会等名: 日本植物学会第82回大会
• [学会発表] 寄生植物アメリカネナシカズラの花成制御におけるFTの機能 (2018)
  • 著者名/発表者名: 加藤萌木，横山隆亮，黒羽剛，大林武，阿部光知，西谷和彦
  • 学会等名: 日本植物学会第82回大会
• [学会発表] 基部陸上植物における細胞壁酵素(GH16)の進化 (2018)
  • 著者名/発表者名: 石田光南，黒羽剛，石崎公庸，檜垣匠，楢本悟史，横山隆亮，西谷和彦
  • 学会等名: 第41回日本分子生物学会年会
• [学会発表] 炭素イオンビームによる寄生植物ネナシカズラ属の変異体ライブラリ作製 (2018)
  • 著者名/発表者名: 横山隆亮，加賀悠樹，加藤萌木，古井瑛恵，黒羽剛，西谷和彦，佐藤勝也、大野豊
  • 学会等名: QST 高崎サイエンスフェスタ2018
• [学会発表] The C. campestris genome provides new insights into adaptation for the heterotrophic life style in parasitic plants (2018)
  • 著者名/発表者名: Yokoyama R, Obayashi T, Narukawa H, Kaga Y, Kato M, Kuroha T, Nishitani K
  • 学会等名: 第59回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Insight into strategies for plant-plant parasitism in Cascuta campestris based on genome sequencing (2018)
  • 著者名/発表者名: Narukawa H, Yokoyama R, Obayashi T, Kaga Y, Kato M, Kuroha T, Nishitani K
  • 学会等名: 第59回日本植物生理学会年会
• [学会発表] XTHの新規機能に基づく新しい植物細胞壁像 (2017)
  • 著者名/発表者名: 篠原直貴、砂川直輝、田村理、横山隆亮、上田実、五十嵐圭日子、西谷和彦
  • 学会等名: 第58回日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 鹿児島大学（鹿児島県鹿児島市）
  • 年月日: 2017-03-16
• [学会発表] プロトプラスト細胞壁再生系：細胞壁構築プロセスの可視化・定量化のためのツール (2017)
  • 著者名/発表者名: 九鬼寛明、桧垣匠、,横山隆亮、馳澤盛一郎、西谷和彦
  • 学会等名: 第58回日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 鹿児島大学（鹿児島県鹿児島市）
  • 年月日: 2017-03-16
• [学会発表] Apoplastic and symplastic interactions between parasitic plants and host plants (2017)
  • 著者名/発表者名: Aoki K, Hozumi A, Ekawa M, Shimizu K, Yokoyama R, Nishitani K
  • 学会等名: 14th World Congress on Parasitic Plants
  • 国際学会
• [学会発表] ネナシカズラのゲノムから読み解く茎寄生の生命戦略 (2017)
  • 著者名/発表者名: 西谷和彦，横山隆亮，大林武，鳴川秀樹，柴田航希，加賀悠樹，加藤萌木，黒羽剛，倉田哲也，堀江佐知子，牧雅之，山田和範，青木裕一，田高周，成瀬孝史，西羽美，木下賢吾，青木考，阿部光知，出村拓，吉田聡子，白須賢 ，長谷部光泰，星野敦，榊原康文，若杉達也，山田恭司
  • 学会等名: 日本植物学会第81回大会
• [学会発表] 比較ゲノム解析から見えてきた茎寄生植物ネナシカズラの形態形成メカニズム (2017)
  • 著者名/発表者名: 横山隆亮，大林武，鳴川秀樹，加賀悠樹，加藤萌木，黒羽剛，西谷和彦
  • 学会等名: 日本植物学会第81回大会
• [学会発表] 茎寄生植物ネナシカズラにおける宿主由来エチレンを介した吸器発生メカニズム (2017)
  • 著者名/発表者名: 鳴川秀樹，加賀悠樹，横山隆亮，黒羽剛，西谷和彦
  • 学会等名: 日本植物学会第81回大会
• [学会発表] 細胞壁イメージングと新規の酵素機能の解析に基づく新しい細胞壁高次構造モデルの提案 (2017)
  • 著者名/発表者名: 九鬼寛明，桧垣匠，篠原直貴，横山隆亮，黒羽剛，三上慎吾，馳澤盛一郎，西谷和彦
  • 学会等名: 日本植物学会第81回大会
• [学会発表] Parasitic Plant－Host Interactions Control Endoreduplication-Mediated Cell Expansion During Haustorial Development of the Holoparasitic Plant, Cuscuta Campestris (2017)
  • 著者名/発表者名: Narukawa H, Kaga Y, Kuroha T, Yokoyama R, Nishitani K
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Quantitative Imaging Approaches to Mechanisms of Cell Wall Construction Using Arabidopsis Mesophyll Protoplasts (2017)
  • 著者名/発表者名: Kuki H, Higaki T, Yokoyama R, Kuroha T, Hasezawa S, Nishitani K
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2017
  • 国際学会
• [学会発表] A Model for the Molecular Mechanism of Vascular Development in the Haustorium of the Parasitic Plant Cuscuta Campestris (2017)
  • 著者名/発表者名: Kaga Y, Obayashi T, Yokoyama R, Nishitani K
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Elucidation of the molecular mechanisms controlling flowering in the stem parasitic plant Cuscuta campestris (2017)
  • 著者名/発表者名: Kato M, Yokoyama R, Kuroha T, Abe M, Nishitani K
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2017
  • 国際学会
• [学会発表] Cell Wall-Related Gene Families in Land Plants (2017)
  • 著者名/発表者名: Yokoyama R, Kuroha T, Kuki H, Shinohara N, Mikami S, Nishitani K
  • 学会等名: 第65回NIBBコンファレンス
  • 国際学会
• [学会発表] XTH-mediated covalent-linking between cellulose and cellulose (2016)
  • 著者名/発表者名: Nishitani K
  • 学会等名: XIV Cell Wall Meeting
  • 発表場所: Chania, Greece
  • 年月日: 2016-12-10
  • 国際学会
• [学会発表] 細胞壁再生イメージング解析法:細胞壁動態解明への新しいアプローチ (2016)
  • 著者名/発表者名: 九鬼寛明、桧垣匠、,横山隆亮、馳澤盛一郎、西谷和彦
  • 学会等名: 東北植物学会第6回大会
  • 発表場所: 東北大学（宮城県仙台市）
  • 年月日: 2016-12-10
• [学会発表] A bioinformatics approach to the identification, classification, and characterization of cell-wall-related gene families yields evolutionary insights into plant cell walls (2016)
  • 著者名/発表者名: Yokoyama R, Nishitani K
  • 学会等名: XIV Cell Wall Meeting
  • 発表場所: Chania, Greece
  • 年月日: 2016-06-12
  • 国際学会
• [備考] 東北大学大学院生命科学研究科植物細胞壁分野ホームページ
  • URL: http://www.biology.tohoku.ac.jp/lab-www/nishitani_lab/
• [備考] 東北大大学院生命科学研究科 植物細胞壁機能分野ホームページ
  • URL: http://www.biology.tohoku.ac.jp/lab-www/nishitani_lab/