• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 前のページに戻る

二次壁の層構造を作り出す分子基盤の解明

研究課題

研究課題/領域番号 23K23677
補助金の研究課題番号 22H02412 (2022-2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2022-2023)
応募区分一般
審査区分 小区分40020:木質科学関連
研究機関国立研究開発法人森林研究・整備機構

研究代表者

高田 直樹  国立研究開発法人森林研究・整備機構, 森林総合研究所 森林バイオ研究センター, 主任研究員 等 (90605544)

研究分担者 坂本 真吾  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 生命工学領域, 主任研究員 (00783664)
杉山 淳司  京都大学, 農学研究科, 教授 (40183842)
粟野 達也  京都大学, 農学研究科, 助教 (40324660)
永野 聡一郎  国立研究開発法人森林研究・整備機構, 森林総合研究所 林木育種センター, 主任研究員 等 (50753836)
七里 吉彦  国立研究開発法人森林研究・整備機構, 森林総合研究所 森林バイオ研究センター, 主任研究員 等 (80461292)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)
2024年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2023年度: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円)
2022年度: 6,890千円 (直接経費: 5,300千円、間接経費: 1,590千円)
キーワード二次壁 / 層構造 / 表層微小管 / セルロースミクロフィブリル / 転写因子
研究開始時の研究の概要

樹木は巨大な樹体を永年的に維持するために、高度に分化した細胞壁を形成する。細胞壁では、セルロースミクロフィブリルの配向角度の違いにより層構造が形成されており、それにより木材には物理的強度が付加されている。しかし、細胞壁層構造がどのような細胞内分子機構により制御されているかについては詳細な理解に至っていない。本研究では、新たに同定した層構造を制御する転写因子の機能解析を進め、さらに下流遺伝子の機能解析、当該転写因子の進化的機能保存性にアプローチする。それにより、細胞壁層構造が作り出される分子基盤を明らかにするとともに、その分子基盤の進化的保存性の解明を試みる。

研究実績の概要

二次壁はセルロースミクロフィブリルの配向角度の違いにより3層に区別される。セルロースミクロフィブリルの配向は表層微小管により制御されており、表層微小管とセルロースミクロフィブリルの配向には同調的な変化が見られる。しかし、二次壁の層構造が構築される過程で表層微小管の配向がどのような分子基盤により制御されているかについて多くの謎が残されている。研究代表者らはポプラを用いた遺伝子スクリーニングの結果、S2層の形成を担う転写因子(TF26およびTF26b)を同定している。そこで、本研究ではTF26/26bを起点としたS2層の形成機構の解明とTF26/26bの進化的機能保存性の解明を試みる。
前年度までに実施したRNA-sequencing解析の結果、TF26およびTF26bの下流で機能する微小管関連タンパク質を約200個同定した。これらのタンパク質のうち、壁層構造を制御する候補遺伝子のターゲットとして18個を選定した。これら18遺伝子には互いにパラログの関係性を持つものが多い。そこで、パラログを同時に破壊するように設計したCRISPR-Cas9用遺伝子コンストラクトを全10個準備し、ポプラへ遺伝子導入を行った。その結果、14遺伝子(8コンストラクト)について両対立遺伝子で機能欠損が生じたポプラ変異体の作製に成功した。さらに一部の変異体については、鉢上げを行い木部組織の顕微鏡観察を行った。
スギのTF26/26bオルソログ(2遺伝子)について、CRISPR-Cas9システムを用いて遺伝子欠損スギの作製を試みた結果、各遺伝子につき1つの遺伝子コンストラクトでは機能欠損が生じたスギの作製に成功した。一方で、その他の遺伝子コンストラクトでは遺伝子欠損スギが得られなかったことから、新たにガイドRNAを設計しなおすとともに遺伝子コンストラクトを作製し、再度スギへの形質転換を行った。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

TF26/TF26bの下流で機能する微小管関連タンパク質の同定では、TF26およびTF26bにより制御される約200個の微小管関連タンパク質を同定した。また、TF26およびTF26bが直接的に結合するゲノム領域を決定するためにDAP-sequencingを計画しており、TF26およびTF26bのリコンビナントタンパク質の精製およびゲノムライブラリーの作成まで終了している。
二次壁の層構造形成への関与が推定される微小管関連タンパク質(18遺伝子)について機能欠損変異体の作製を行い、これまで14遺伝子(8コンストラクト)についてポプラ変異体を取得している。さらに、一部の変異体については、鉢上げを行い木部組織の顕微鏡観察を行った。
TF26/26bオルソログを遺伝子欠損したスギの作製では、まず4つのガイドRNAを用いて形質転換を行い、1つのガイドRNAについては候補個体の取得に成功した。しかし、1つのガイドRNAから得られた個体のみではその後の形質評価に不十分であるため、各遺伝子につき追加で複数のガイドRNAを設計し、CRISPR/Cas9システム用の遺伝子コンストラクトを作成し、スギへの形質転換を行った。

今後の研究の推進方策

DAP-sequencing解析を行うとともに、これまでに取得したRNA-sequencing解析の結果を統合的にデータ解析することで、TF26およびTF26bが直接制御する遺伝子群を明らかにする。
微小管関連タンパク質を機能欠損したポプラでは、鉢上げした後に閉鎖系温室での生育を開始する。また、約3ヶ月生育したポプラから木部試料をサンプリングし、顕微鏡を用いて二次壁の壁層構造の観察を行う。
TF26/26bオルソログを遺伝子欠損したスギの作製では、新たに設計した遺伝子コンストラクトを用いてスギの機能欠損変異体を作製する。また、これまでに作製した変異体については、木部試料をサンプリングし顕微鏡を用いて木部組織観察を行う。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (19件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (17件) (うち国際学会 2件)

  • [雑誌論文] Efficient selection of a biallelic and nonchimeric gene-edited tree using Oxford Nanopore Technologies sequencing2023

    • 著者名/発表者名
      Sato Ryosuke、Nanasato Yoshihiko、Takata Naoki、Nagano Soichiro、Fukatsu Eitaro、Fujino Takeshi、Yamaguchi Katushi、Moriguchi Yoshinari、Shigenobu Shuji、Suzuki Yutaka、Kasahara Masahiro、Ueno Saneyoshi
    • 雑誌名

      Tree Physiology

      巻: 44 号: 2

    • DOI

      10.1093/treephys/tpad158

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Formation of xylem tissues and secondary cell walls is diminished by severe and consecutive insect defoliation2023

    • 著者名/発表者名
      Watanabe Yoko、Yamagishi Shohei、Takata Naoki、Tsuyama Taku、Yasue Koh、Ohno Yasuyuki
    • 雑誌名

      American Journal of Botany

      巻: 110 号: 10

    • DOI

      10.1002/ajb2.16232

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 木部繊維、木部放射柔細胞及び師部繊維の二次壁形成マスター転写群をノックアウトしたポプラ変異体シリーズの作製2024

    • 著者名/発表者名
      高田直樹
    • 学会等名
      第65回日本植物生理学会大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] スギ木部細胞の二次壁形成に関わる転写因子の探索2024

    • 著者名/発表者名
      佐藤良介、七里吉彦、永野聡一郎、小長谷賢一、谷口亨、高田直樹
    • 学会等名
      第65回日本植物生理学会大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 二次壁形成マスター転写因子を欠損した7種類のポプラ変異体の作製2024

    • 著者名/発表者名
      高田直樹
    • 学会等名
      第74回日本木材学会大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] スギ木部細胞の二次壁形成に関与する転写因子の探索とゲノム編集個体の作製2024

    • 著者名/発表者名
      佐藤良介、七里吉彦、永野聡一郎、小長谷賢一、谷口亨、高田直樹
    • 学会等名
      第74回日本木材学会大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] ドロノキ放射柔細胞におけるプロテアーゼRD21の組織および細胞内局在の季節変動の免疫標識法による解析2024

    • 著者名/発表者名
      糸田川千畝、深見泰河、中田了五、高田直樹、粟野達也、船田良、半智史
    • 学会等名
      第74回日本木材学会大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 小葉植物およびシダ植物における細胞壁クロスラメラ構造の保存性2023

    • 著者名/発表者名
      高田直樹、稲永路子
    • 学会等名
      第87回日本植物学会大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] ドロノキ放射柔細胞におけるプロテアーゼRD21の組織内局在の季節変動2023

    • 著者名/発表者名
      糸田川千畝、深見泰河、中田了五、高田直樹、粟野達也、船田良、半智史
    • 学会等名
      第73回日本木材学会大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 小葉植物およびシダ植物における厚壁細胞の壁層構造2023

    • 著者名/発表者名
      高田直樹、稲永路子
    • 学会等名
      第73回日本木材学会大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] モウソウチクにおけるフェルラ酸転移酵素候補遺伝子PeBAHD1の発現制御に関する転写因子の探索2023

    • 著者名/発表者名
      宗像典哲、津山濯、雉子谷佳男、高田直樹、坂本真吾、光田展隆
    • 学会等名
      第73回日本木材学会大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 交雑ポプラ由来p-ヒドロキシベンゾイル-CoA:モノリグノールp-ヒドロキシベンゾイルトランスフェラーゼのカイネティクス解析2023

    • 著者名/発表者名
      森弘樹、高田直樹、中野浩平、鈴木史朗
    • 学会等名
      第73回日本木材学会大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] スギにおける異所的な木部細胞誘導システムの開発2023

    • 著者名/発表者名
      佐藤良介、小長谷賢一、高田直樹
    • 学会等名
      第73回日本木材学会大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 針葉樹における異所的な木部細胞誘導システムの開発2023

    • 著者名/発表者名
      佐藤良介、小長谷賢一、高田直樹
    • 学会等名
      第64回日本植物生理学会大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 二次壁に積層する多層構造を制御する因子の探索2022

    • 著者名/発表者名
      高田直樹、粟野達也、Lam Pui Ying、鈴木史朗、飛松裕基、光田展隆、永野聡一郎、山岸祐介、谷口亨
    • 学会等名
      第86回日本植物学会大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] ナノポアシークエンサーを用いたゲノム編集パターンの解析手法の最適化2022

    • 著者名/発表者名
      佐藤良介、七里吉彦、永野聡一郎、武津英太郎、高田直樹
    • 学会等名
      第7回日本ゲノム編集学会大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] スギを用いた異所的な二次木部細胞誘導系の開発2022

    • 著者名/発表者名
      佐藤良介、小長谷賢一、高田直樹
    • 学会等名
      第16回細胞壁研究者ネットワーク定例研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] nst/snd multiple mutants raise new questions on xylem cell differentiation and secondary cell wall formation.2022

    • 著者名/発表者名
      Takata Naoki、Tsuyama Taku、Nagano Soichiro、Baba Kei’ichi、Yasuda Yuko、Sakamoto Shingo、Mitsuda Nobutaka、Taniguchi Toru
    • 学会等名
      The 20th IUFRO Tree Biotech & The 2nd Forest Tree Molecular Biology and Biotechnology Conference
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] A method for determining genome editing patterns in T0 generation tree using Oxford Nanopore Technologies sequencing.2022

    • 著者名/発表者名
      Sato Ryosuke、Nanasato Yoshihiko、Nagano Soichiro、Fukatsu Eitaro、TAKATA Naoki
    • 学会等名
      The 20th IUFRO Tree Biotech & The 2nd Forest Tree Molecular Biology and Biotechnology Conference
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会

URL: 

公開日: 2022-04-19   更新日: 2024-12-25  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi