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

• 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: 22H04719
• 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: 広島大学 (2023); 大阪大学 (2022)
• 研究代表者: 藤本 仰一 広島大学, 統合生命科学研究科(理), 教授 (60334306)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2023年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円); 2022年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
• 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 / 力学 / 植物 / 機械学習

研究開始時の研究の概要

植物地上部の葉などの器官の空間的配置は、系統ごとに特別な空間周期性を示す。本研究は、周期を構成し変調する幹細胞の動態を解明する。コケ植物複数種の頂端幹細胞を主たる対象とし、分裂面の幾何学的性質や細胞の力学的性質が分裂面の周期を構成し、かつ、変調するかを、数理モデルを通じて明らかにする。多様な植物ボディプランの基盤となる分裂面の多様な切換え周期を包括的に説明する数理モデルを提示する。並行して、数理モデルで特定された主要なパラメータの分子基盤を予測する機械学習モデルを開発する。理論生物学と情報学と植物学の新たな研究パイプラインの構築を通じて、バイオDXを推進する本領域へ幅広く貢献する。

研究実績の概要

細胞分裂面の方向決定ルール：方向を決定するルールとして、分裂面の面積最小則（石川班と共著 2023）に加えて、核の位置をArabidopsis胚の形状データに基づく幾何学モデルから見出した（植田班と共同研究 投稿中）。一方で、セン類の頂端細胞(AC)は軸対称な形にもかかわらず斜方分裂を示し、最小面積則から逸脱している。新たなルールとして、細胞膜の曲率に応じた膜分子の空間的局在が斜方分裂を実現できることを、数理モデルから見出した。
葉序：ACから分裂した(葉となる)メロファイトの2つが成す角度（開度）のパタンを定量的に再現する数理モデルを構築した。その結果、分裂面の回転角度の変調が、セン類３種が示すらせん配置の多様性を生むことを予測した(嶋村班と共著 2021)。さらに、シュートの分枝の回転方向が多様な茎葉性タイ類を対象に、シュートの横断面での発生数理モデルを構築した。メロファイト上で元のACの旋回分裂の回転方向に対して、分枝によって新たに形成されるACは正（負）の側に位置することで、分枝が順（逆）回転する仕組みをシミュレーションから見出した(嶋村班と共同)。
領域内共同研究を他にも進めた。根の先端の形が10種の被子植物で共通してカテナリー曲線に従い、その発生基盤として異方的な細胞分裂を示した(中島班と共著 2021)。さらに、イネS型/L型側根はカテナリーと楕円へ同程度にフィットするのに対して、小葉類の根は楕円に従うことを見出した。カテナリーと楕円の変調を生む発生基盤を力学モデルから予測した(犬飼班・中島班らと共同)。維管束組織では、局所的な分裂が応力の異方性を生み、細胞配置の対称性を高めることを見出した(中島班と共著 2023)。Auxinの空間周期的なパタンについて、AuxinとEPFL2の間の相互抑制が周期を伸ばすことを明らかにした（池内班と共同 投稿中）。

現在までの達成度 (段落)

令和5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5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] Diffusive mediator feedbacks control the health-to-disease transition of skin inflammation (2024)
  • 著者名/発表者名: Sudo Maki、Fujimoto Koichi
  • 雑誌名: PLOS Computational Biology 巻: 20 号: 1 ページ: e1011693-e1011693
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1011693
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Image recognition-based petal arrangement estimation (2024)
  • 著者名/発表者名: Nakatani Tomoya、Utsumi Yuzuko、Fujimoto Koichi、Iwamura Masakazu、Kise Koichi
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: 15 ページ: 1-14
  • DOI: 10.3389/fpls.2024.1334362
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] HD-ZIP IV genes are essential for embryo initial cell polarization in the radial axis initiation in Arabidopsis (2024)
  • 著者名/発表者名: Sayuri Tanaka, Yuuki Matsushita, Yuga Hanaki, Takumi Higaki, Naoya Kamamoto, Katsuyoshi Matsushita, Tetsuya Higashiyama, Koichi Fujimoto, Minako Ueda
  • 雑誌名: BioRxiv 巻: 04.27 ページ: 1-14
  • DOI: 10.1101/2024.04.27.588165
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] Size-correlated polymorphisms in phyllotaxis-like periodic and symmetric tentacle arrangements in hydrozoan Coryne uchidai (2023)
  • 著者名/発表者名: Sarper Safiye E.、Kitazawa Miho S.、Nakanishi Tamami、Fujimoto Koichi
  • 雑誌名: Frontiers in Cell and Developmental Biology 巻: 11 ページ: 1-12
  • DOI: 10.3389/fcell.2023.1284904
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Spatiotemporal remodeling of extracellular matrix orients epithelial sheet folding (2023)
  • 著者名/発表者名: Tsuboi Alice、Fujimoto Koichi、Kondo Takefumi
  • 雑誌名: Science Advances 巻: 9 号: 35 ページ: 1-14
  • DOI: 10.1126/sciadv.adh2154
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Patterned proliferation orients tissue-wide stress to control root vascular symmetry in Arabidopsis (2023)
  • 著者名/発表者名: Fujiwara M, Imamura M, Matsushita K, Roszak P, Yamashino T, Hosokawa Y, Nakajima K, Fujimoto K, Miyashima S.
  • 雑誌名: Curr Biol. 巻: 33 号: 5 ページ: 886-893
  • DOI: 10.1016/j.cub.2023.01.036
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] GRAS transcription factors regulate cell division planes in moss overriding the default rule (2023)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa M, Fujiwara A, Kosetsu K, Horiuchi Y, Kamamoto N, Umakawa N, Tamada Y, Zhang L, Matsushita K, Palfalvi G, Nishiyama T, Kitasaki S, Masuda Y, Shiroza Y, Kitagawa M, Nakamura T, Cui H, Hiwatashi Y, Kabeya Y, Shigenobu S, Aoyama T, Kato K, Murata T, Fujimoto K, Benfey PN, Hasebe M, Kofuji R
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 巻: 120 号: 4
  • DOI: 10.1073/pnas.2210632120
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 器官の形に種を超えた共通性をもたらす物理 (2022)
  • 著者名/発表者名: 郷達明，藤原基洋，津川暁，藤本仰一
  • 雑誌名: 生物物理 巻: 62 号: 1 ページ: 7-12
  • DOI: 10.2142/biophys.62.7
  • ISSN: 0582-4052, 1347-4219
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Pattered cell proliferation mechanically constrains plant organ outlines and elaborates internal symmetry. (2022)
  • 著者名/発表者名: Koichi Fujimoto.
  • 学会等名: Engineering mechanics of cell and tissue morphogenesis 2022
  • 国際学会 / 招待講演