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器官配置の周期を構成し変調するメリステム動態の理論生物学:コケと花

公募研究

研究領域細胞システムの自律周期とその変調が駆動する植物の発生
研究課題/領域番号 20H05415
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
研究機関大阪大学

研究代表者

藤本 仰一  大阪大学, 大学院理学研究科, 准教授 (60334306)

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 *注記
8,710千円 (直接経費: 6,700千円、間接経費: 2,010千円)
2021年度: 4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)
2020年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
キーワード数理モデル / 細胞分裂面 / 形態形成 / メカノバイオロジー / 幾何学 / 理論生物学 / メリステム / 花 / コケ植物 / コケ
研究開始時の研究の概要

コケ植物から被子植物に至る地上部の体制は空間周期性を示す。被子植物の花器官は幹細胞組織(メリステム)の周縁へ同心円状に配置し、この配置に含まれる器官の数が周期となる。コケ植物では幹細胞の細胞分裂面の数が空間周期と強く相関する。これら周期は系統ごとに変調されることで多様性を創出するが、その仕組みは未解明である。本研究では、花器官配置および幹細胞の分裂面の数理モデリングとともに、実験データ定量解析と相互フィードバックを行い、空間周期を構成し変調する発生基盤を絞り込む。さらに、コケと花の空間周期の調節原理の共通性を理論的に探求する。

研究実績の概要

細胞分裂面を決定するルールをヒメツリガネゴケの葉になる組織で見出した。分裂面が親細胞の重心を通る知見と、野生型およびshr (shoot root)変異体それぞれの親細胞の形をphase-fieldモデルへ導入して、面積最小の曲面を探索した。その結果、shr変異体で観測した分裂面は、面積最小曲面の方向や位置と一致した。一方で、野生型の分裂面は、面積最小曲面と一致する細胞と大きく異なる細胞とが、ほぼ同頻度であった。この結果は、shrが重心を通る面積最小則(Errera’s rule)を「上書き」して分裂面を決定することを示唆する。
また、Anemoneなどの花器官の空間的配置に関する数理解析を動物に応用した。イソギンチャク(sea anemone)において、内臓器官の配置が左右対称な個体と放射対称な個体が同種内で共存することを、動物で初めて見出した。花器官配置の数理モデルを応用して解析を進め、対称性を制御する発生基盤を予測した(Zoological Lett. 2021)。
さらに、領域内融合研究を通じて、異なる細胞群との境界を形作る力学的仕組みを見出した。Arabidopsis根維管束の細胞分裂に伴い、木部と前形成層の境界は、直線的に細胞が配置することを我々は見出してきた。分裂は、境界から離れた2か所に対称に位置する師部へ局在した。我々はこの局所的かつ空間対称な分裂パタンをvertex modelへ導入した結果、師部から境界の方向への異方的な応力が維管束全体に生じた。この大域的な応力場が境界を圧迫した結果、境界の細胞配置が直線化した。動物上皮組織では、境界近くでの局所的な応力の生成が境界を形づくる。これに対して本成果では、遠位側に対称に局在する分裂による大域的かつ対称な応力の生成が境界を形づくる。この仕組みは、細胞壁などにより細胞が移動しにくい組織にとって力学的に適している。

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。

報告書

(2件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (9件)

すべて 2022 2021 2020 その他

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

  • [雑誌論文] Traveling wave of inflammatory response to regulate the expansion or shrinkage of skin erythema2022

    • 著者名/発表者名
      Sudo Maki、Fujimoto Koichi
    • 雑誌名

      PLOS ONE

      巻: 17 号: 2 ページ: e0263049-e0263049

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0263049

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Forebrain Architecture and Development in Cyclostomes, with Reference to the Early Morphology and Evolution of the Vertebrate Head2021

    • 著者名/発表者名
      Sugahara F, Murakami Y, Pascual-Anaya, J. and Kuratani, S
    • 雑誌名

      Brain Behav. Evol.

      巻: in press 号: 1 ページ: 12-12

    • DOI

      10.1186/s40851-021-00180-0

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Tissue growth constrains root organ outlines into an isometrically scalable shape2021

    • 著者名/発表者名
      Fujiwara Motohiro、Goh Tatsuaki、Tsugawa Satoru、Nakajima Keiji、Fukaki Hidehiro、Fujimoto Koichi
    • 雑誌名

      Development

      巻: 148 号: 4 ページ: 196253-196253

    • DOI

      10.1242/dev.196253

    • NAID

      120007028967

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Polarity Fluctuation Inhibition by Memory in Collective Cell Motion2021

    • 著者名/発表者名
      Katsuyoshi Matsushita, Shunsuke Yabunaka and Koichi Fujimoto
    • 雑誌名

      Journal of the Physical Society of Japan

      巻: 90 号: 5 ページ: 054801-054801

    • DOI

      10.7566/jpsj.90.054801

    • NAID

      40022563209

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] A Mechanical Instability in Planar Epithelial Monolayers Leads to Cell Extrusion2020

    • 著者名/発表者名
      Satoru Okuda, Koichi Fujimoto
    • 雑誌名

      Biophysical Journal

      巻: 118 号: 10 ページ: 2549-2560

    • DOI

      10.1016/j.bpj.2020.03.028

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Quantitative modeling of multicellular mechanics promoting pathogenesis and organogenesis.2022

    • 著者名/発表者名
      Koichi Fujimoto.
    • 学会等名
      International Symposium on Evolutionary Genomics and Bioinformatics 2022
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 細胞配置と器官配置の周期を構成し変調するメリステム動態の理論生物学.2021

    • 著者名/発表者名
      藤本仰一,鎌本直也,北沢美帆,嶋村正樹
    • 学会等名
      日本植物学会第83回大会 シンポジウム「異分野協調と周期の変調で解き明かす植物の発生メカニズム」
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 細胞から個体に至る動植物の形を定量し生まれる仕組みを探る数理2021

    • 著者名/発表者名
      藤本仰一
    • 学会等名
      第23回日本進化学会 夏の学校
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 招待講演
  • [備考] 発見!根の先端は橋と同じだ! 器官の形に生物種を超えた共通性をもたらす物理

    • URL

      https://resou.osaka-u.ac.jp/ja/research/2021/20210303_1

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

URL: 

公開日: 2020-04-28   更新日: 2023-12-25  

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