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葉枕の力学的な可塑性を担う細胞壁発達制御メカニズムの解析

研究課題

研究課題/領域番号 20K06707
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分44030:植物分子および生理科学関連
研究機関熊本大学 (2023)
奈良先端科学技術大学院大学 (2020-2022)

研究代表者

中田 未友希 (高原 未友希 / 中田未友希)  熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 准教授 (60707579)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2022年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2021年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
2020年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
キーワード葉枕スリット / 葉の運動 / 細胞壁 / 組織構造 / マイクロフォーカスX線CT / マメ科植物 / アオイ科植物 / 組織構造の解剖学的解析 / 葉枕 / 力学特性 / 力学的可塑性
研究開始時の研究の概要

本研究では、一般的な組織とは異なるユニークな力学的特性を持つ組織として、マメ科植物の「葉枕」に着目する。葉枕はマメ科植物の葉の日周性の運動(就眠運動)や刺激に応答した素早い運動(オジギ運動など)を司る組織であり、伸展と収縮の反復を可能にする力学的な可塑性を有する。本研究では、葉枕の力学的な可塑性を担う細胞壁の構成や修飾状態を明らかにし、その発達過程を制御するメカニズムを遺伝子レベルで明らかにすることを目指す。本研究が完成した場合、再生可能な植物細胞壁を原料とした伸縮性素材の開発といった産業応用につながることが期待される。

研究実績の概要

マメ科ではほぼ全ての植物種で葉枕構造や運動性が観察されるのに対し、アオイ科では葉枕の有無や形状、葉の運動性の多様度が非常に高いことから、アオイ科のモデルとしてケナフに着目し、葉の運動性と組織構造について調べた。ケナフにおいて、葉の向日性の動きが顕著に見られることがわかったため、葉枕の形状と内部の組織構造との関連性を調べることとした。diceCT法を用いて内部コントラストを増強したケナフ葉枕をマイクロフォーカスX線CTで撮影し、3D-CT画像の半自動定量解析のためのワークフローで開発した。このワークフローは3つのステップから構成される。1つ目は葉枕の中央線の多項式近似と中央線の曲率分析のステップ、2つ目はグレーバリュー解析による局所閾値マップの構築のステップ、3つ目は抽出した組織構造のメッシュを用いた組織パラメータの算出と統計解析である。これらのステップのほとんどはPythonプログラムにより自動で解析・処理される。1つ目のステップを開発する過程で、ケナフの葉枕の形状が、極座標多項式回帰により近似でき、渦巻きの巻き始めと形態的に類似していることがわかった。また、2つ目のステップの開発の過程で、葉枕のX線吸収量には葉枕の曲がった内側と外側、葉柄に違い側と葉身に近い側でそれぞれ違いがあることを見出した。そのため、葉ごとにグレーバリューを解析し、閾値マップを求める必要があることがわかった。得られたパラメータでネットワーク解析やLASSO解析を行なったところ、曲率とサイズ標準化した皮層の断面積の関連性が見出され、曲率がサイズ標準化した皮層の断面積の5乗に比例することを見出した。本研究の成果をJournal of Plant Research誌において発表した(doi: 10.1007/s10265-023-01498-w)。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

2023年10月に熊本大学に准教授として着任し、異動の前後で研究を中断せざるをえなかったため。

今後の研究の推進方策

葉枕や葉の運動の多様性について引き続き調査を進めるとともに、アオイ科の葉枕の多様性についてケナフ以外の植物種の3DCT画像の分析も行い、比較解析を行う。また、かねてより準備を行なっているマメ科のモデル種を用いた遺伝学的分析について、葉枕スリットに関連する遺伝子の解析も進める。

報告書

(4件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 研究成果

    (12件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (5件) (うち招待講演 1件) 備考 (3件)

  • [雑誌論文] Simultaneous analysis of shape and internal structure of a curved Hibiscus cannabinus pulvinus: X-ray microtomography and semi-automated quantification2023

    • 著者名/発表者名
      Nakata Miyuki T.、Takahara Masahiro、Yamada Toshihiro、Demura Taku
    • 雑誌名

      Journal of Plant Research

      巻: 137 号: 1 ページ: 79-94

    • DOI

      10.1007/s10265-023-01498-w

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Pulvinar slits: Cellulose-deficient and de-methyl-esterified pectin-rich structures in a legume motor cell2023

    • 著者名/発表者名
      Takahara Masahiro、Tsugawa Satoru、Sakamoto Shingo、Demura Taku、Nakata Miyuki T
    • 雑誌名

      Plant Physiology

      巻: - 号: 2 ページ: 1-1

    • DOI

      10.1093/plphys/kiad105

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Mechanics of Reversible Deformation during Leaf Movement and Regulation of Pulvinus Development in Legumes2022

    • 著者名/発表者名
      Nakata Miyuki T.、Takahara Masahiro
    • 雑誌名

      International Journal of Molecular Sciences

      巻: 23 号: 18 ページ: 10240-10240

    • DOI

      10.3390/ijms231810240

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Pulvinar Slits: Cellulose-deficient and De-esterified Homogalacturonan-rich Structures in a Legume Motor Cell2022

    • 著者名/発表者名
      Takahara Masahiro、Tsugawa Satoru、Sakamoto Shingo、Demura Taku、Nakata Miyuki T
    • 雑誌名

      bioRxiv

      巻: -

    • DOI

      10.1101/2022.03.10.483846

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • オープンアクセス
  • [学会発表] ケナフ葉枕の形状と内部構造の同時解析: X線マイクロトモグラフィと半自動定量化2023

    • 著者名/発表者名
      中田未友希, 高原正裕, 山田敏弘, 出村拓
    • 学会等名
      第6回植物インフォマティクス研究会年会
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [学会発表] 葉の運動器官にひそむ切り紙構造~植物細胞壁の新たな役割~2023

    • 著者名/発表者名
      中田未友希
    • 学会等名
      日本植物学会 一般向け講演会「植物が好き! -植物科学が拓く新しい世界-」
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] ケナフ葉枕の 3 次元 CT 画像定量解析2023

    • 著者名/発表者名
      中田未友希, 高原正裕, 山田敏弘, 出村拓
    • 学会等名
      第 64 回日本植物生理学会年会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] マメ科の葉の運動細胞に特有の細胞壁構造「葉枕スリット」の発見2022

    • 著者名/発表者名
      高原正裕, 津川暁, 坂本真吾, 出村 拓, 中田 未友希
    • 学会等名
      日本植物学会第86回大会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] マメ科の葉の運動細胞に特有の細胞壁構造 「葉枕スリット」の発見2022

    • 著者名/発表者名
      高原正裕, 津川暁, 坂本真吾, 出村拓, 中田未友希
    • 学会等名
      細胞壁研究者ネットワーク第 16 回定例研究会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [備考] マメ科植物の葉が動くしくみに迫る

    • URL

      http://www.naist.jp/pressrelease/files/20230227nakata.pdf

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [備考] マメ科植物の葉が動くしくみに迫る

    • URL

      https://bsw3.naist.jp/research/index.php?id=2646

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [備考] Pulvinar slits in the cell wall of legume motor ce

    • URL

      http://www.naist.jp/en/research_achievements/2023/03/009735.html

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2020-04-28   更新日: 2024-12-25  

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