傷害ストレス誘導性カルスの幹細胞新生メカニズム

• 研究領域: 植物の生命力を支える多能性幹細胞の基盤原理
• 研究課題/領域番号: 20H04893
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 生物系
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 岩瀬 哲 国立研究開発法人理化学研究所, 環境資源科学研究センター, 上級研究員 (40553764)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 10,920千円 (直接経費: 8,400千円、間接経費: 2,520千円); 2021年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円); 2020年度: 5,460千円 (直接経費: 4,200千円、間接経費: 1,260千円)
• キーワード: 植物カルス / 幹細胞新生 / 脱分化 / 再分化 / 組織再生 / Single nucleus RNA-seq / 転写因子 / 細胞リプログラミング / 幹細胞 / 傷害ストレス / カルス / 分化全能性 / single cell解析 / single nucleus解析 / 傷害応答 / 再生 / エピジェネティクス

研究開始時の研究の概要

植物細胞は一度分化した後でも、全ての幹細胞を新生できることが証明されている。この幹細胞新生の能力は傷害ストレスが引き金になることが多い。特に、カルスと呼ばれる傷口に生成する不定形のヘテロな細胞集団は、幹細胞新生の場となることが知られている。本研究では、カルスを構成する細胞がどのようなidentityを持ち、どのように幹細胞を新生させるかを明らかにする。

研究実績の概要

傷口に生成する不定形のヘテロな細胞集団（カルス）は幹細胞新生の場となる。しかし、この現象における細胞系譜や分子プロセスは理解に乏しい。研究代表者らのこれまでの研究から、傷口のカルスから根および茎葉が再生するシロイヌナズナ植物体が作製されている。本研究では、この植物体を用いて、経時的single cell/single nucleus RNA-seq解析を進め、カルスを構成する細胞がどのような細胞から生み出され、細胞特性を変化させながら幹細胞を新生させるか、その分子メカニズムについて明らかにする。
初年度の研究から、傷をつけてから７日目のカルスでは、既に茎葉、根、維管束それぞれの幹細胞のマーカー遺伝子が高発現していることが分かった。しかし、カルスの中心部の細胞ではsingle cell解析に必須であるプロトプラスト化が困難であることが分かり、single nucleus解析法に切り替えた。
当該年度において種々の検討を重ねた結果、カミソリを用いた組織の破壊とフローサイトメーターを用いた核単離法により再現性のよいライブラリー作製が可能であることが分かった。384プレートに単核を飛ばして回収する手法と、バーコードしたビーズに1つ１つの核をそれぞれくっつける手法を比較し、どちらが効率よく核を単離できるか、また、どちらが一つの核中でより多くの遺伝子を検知できるか等検討を進めている。0日目の組織サンプルと、７日目のカルス細胞のサンプルから得られたデータについてクラスター化を行い、種々のマーカー遺伝子の発現やクラスター特異的に発現している遺伝子等を調査している。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] 4-Phenylbutyric acid promotes plant regeneration as an auxin by being converted to phenylacetic acid via an IBR3-independent pathway (2022)
  • 著者名/発表者名: Iwase Akira、Takebayashi Arika、Aoi Yuki、Favero David S、Watanabe Shunsuke、Seo Mitsunori、Kasahara Hiroyuki、Sugimoto Keiko
  • 雑誌名: Ｐｌａｎｔ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 巻: 39 号: 1 ページ: 51-58
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.21.1224b
  • NAID: 130008161269
  • ISSN: 1342-4580, 1347-6114
  • 年月日: 2022-03-25
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Wound-inducible WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX 13 is required for callus growth and organ reconnection (2021)
  • 著者名/発表者名: Ikeuchi Momoko, Iwase Akira, Ito Tasuku, Tanaka Hayato, Favero David S, Kawamura Ayako, Sakamoto Shingo, Wakazaki Mayumi, Tameshige Toshiaki, Fujii Haruki, Hashimoto Naoki, Suzuki Takamasa, Hotta Kazuhiro, Toyooka Kiminori, Mitsuda Nobutaka, Sugimoto Keiko
  • 雑誌名: Plant Physiology 巻: 188 号: 1 ページ: 425-441
  • DOI: 10.1093/plphys/kiab510
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] WIND transcription factors orchestrate wound-induced callus formation, vascular reconnection and defense response in Arabidopsis (2021)
  • 著者名/発表者名: Iwase A, Kondo Y, Laohavisit A, Takebayashi A, Ikeuchi M, Matsuoka K, Asahina M, Mitsuda N, Shirasu K, Fukuda H, Sugimoto K
  • 雑誌名: New Phytologist 巻: 232 号: 2 ページ: 734-752
  • DOI: 10.1111/nph.17594
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Transcriptome Dynamics of Epidermal reprogramming during direct shoot regeneration in Torenia fournieri (2021)
  • 著者名/発表者名: Hatsune Morinaka, Akihito Mamiya, Hiroaki Tamaki, Akitoshi Iwamoto, Takamasa Suzuki, Ayako Kawamura, Momoko Ikeuchi, Akira Iwase, Tetsuya Higashiyama, Keiko Sugimoto, Munetaka Sugiyama
  • 雑誌名: Plant & Cell Physiology 巻: 62 号: 8 ページ: 1335-1354
  • DOI: 10.1093/pcp/pcab101
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Molecular Basis for Natural Vegetative Propagation via Regeneration in North American Lake Cress, Rorippa aquatica (Brassicaceae) (2020)
  • 著者名/発表者名: Yasunori Ichihashi, Tsuneo Hakoyama, Akira Iwase, Ken Shirasu, Keiko Sugimoto, Makoto Hayashi
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 11
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] A possible function of WIND1 transcription factor as an epigenetic regulator (2022)
  • 著者名/発表者名: 岩瀬 哲, 竹林 有理佳, 河村 彩子, 鈴木 孝征, 杉本 慶子
  • 学会等名: 第63回植物生理学会年会