植物構造システム形成における内生・外生プログラムによる力学的最適化

2019 年度 実績報告書

• 研究領域: 植物の力学的最適化戦略に基づくサステナブル構造システムの基盤創成
• 研究課題/領域番号: 18H05487
• 研究機関: 熊本大学
• 研究代表者: 澤 進一郎 熊本大学, 大学院先端科学研究部(理), 教授 (00315748)
• 研究分担者: Ferjani Ali 東京大学, 大学院総合文化研究科, 准教授 (20530380)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2023-03-31
• キーワード: 植物構造システム / 力学的最適化

研究実績の概要

これまで、植物が機械刺激を内生発生プログラムに反映し利用している可能性については、ほとんど議論されていない。多くの植物発生研究者が、研究手法の確立した分子生物学的・遺伝学的研究を行っている状況の中で、植物を対象とした張力測定や張力の人為的なコントロールといった機械刺激を扱う実験手法が確立されてこなかったことがその要因である。本研究では、植物がもつ２種類の構造システム形成戦略、（１）表皮のタガとしての機能と内部構造の最適化戦略システム、および、（２）重力を含む機械刺激による根系形成の最適化戦略システム、を読み解くことで、機械刺激が植物の形態形成を制御し、力学的構造最適化を図るしくみを明らかにする。
研究項目（１）では、奈良先端大の細川と協働し、領域内のサステナブル構造システム教育研究支援センター（SSSC、奈良先端大）にAFMによる測定系を立ち上げた。これにより、植物表面の張力測定が可能となった。一方、clv3 det3突然変異体の抑圧変異体のスクリーニングを行い、候補突然変異体を単離した。さらに、根の表面における張力の測定のため、AFMを用いた実験系の開発を行った。現在の所、根は細く、滑りやすいので、ＡＦＭ測定のために根を固定する方法を開発する必要があると考えられる。
研究項目（２）では、植物が引き抜かれる力に抗う根の構造と機能を明らかにするために、本年度は、X線CTスキャンを用いた解析方法を確立した。地中の根のみを検出し、根の構造を抽出することに成功した。

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

植物が機械刺激を内生発生プログラムに反映し利用している可能性について研究を進めているが、なかでも、力学的な測定、Ｘ線ＣＴスキャンを用いた地中の測定が必要不可欠な技術となってくる。本年度は、少なくとも茎、及び地上部のＡＦＭでの測定を可能とし、地上部の表面の堅さ測定が、ミクロレベルで行う事が可能となった。これにより、細胞レベルでの堅さの分布が測定可能となった。
また、Ｘ線ＣＴスキャンにより、地中の根の3次元構造を可視化する事が可能となった。また、引っ張り試験機を導入し、Ｘ線ＣＴスキャンと組み合わせることで、根の3次元構造と引っ張り力に抗う力との関係性を明らかにする実験系が確立できた。

今後の研究の推進方策

本研究では、植物がもつ２種類の構造システム形成戦略、（１）表皮のタガとしての機能と内部構造の最適化戦略システム、および、（２）重力を含む機械刺激による根系形成の最適化戦略システム、を読み解くことで、機械刺激が植物の形態形成を制御し、力学的構造最適化を図るしくみを明らかにする。
研究項目（１）では、AFMによる、地上部の堅さ測定が可能となったことから、clv3 det3突然変異体や、その抑圧変異体の力学的特性を調べることが可能となった。また、スクリーニングにより得られた候補突然変異体の解析を進め、原因遺伝子の特定を目指す。さらに、根を材料としたＡＦＭ実験系の開発については、材料工学の研究者と共同研究を始めることで、ＡＦＭ測定のために根を固定する方法を開発する。
研究項目（２）では、本年度、X線CTスキャンを用いた解析方法を確立した。今後は、引っ張り試験機を導入し、Ｘ線ＣＴスキャンと組み合わせることで、根の3次元構造と引っ張り力に抗う力との関係性を明らかにする。

研究成果

• [国際共同研究] UNIVERSIDAD DE CASTILLA LA MANCHA(スペイン)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: UNIVERSIDAD DE CASTILLA LA MANCHA
• [国際共同研究] INRA/ENS Lyon(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: INRA/ENS Lyon
• [雑誌論文] A new forma of the mycoheterotrophic orchid Lechanorchis japonica from Japan (2019)
  • 著者名/発表者名: Suetsugu K., Kaida, S., Fukunaga, H., and Sawa, S.
  • 雑誌名: Acta Phytotax. Geobot. 巻: In Press ページ: In Press
  • 査読あり
• [雑誌論文] The RopGEF KARAPPO is Essential for the Initiation of Vegetative Reproduction in Marchantia. (2019)
  • 著者名/発表者名: Hiwatashi, T., Quan, K., L., Yasui, Y., Takami, H., Kajikawa, M., Kirita, H., Sato, M., Wakazaki, M., Yamaguchi, K., Shigenobu, S., Fukaki, H., Mimura, T., Yamato, K. T., Toyooka, K., Sawa, S., Urano, D., Kohchi, T., and Ishizaki, K
  • 雑誌名: Curr. Biol. 巻: 29 ページ: 3525-3531
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.cub.2019.08.071
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Effect of the CLE14 polypeptide on GLABRA2 homolog gene expression in rice and tomato roots. (2019)
  • 著者名/発表者名: Hayashi, N., Rongkavilit, N., Tetsumura, T., Sawa, S., Wada, T., and Tominaga-Wada, R.
  • 雑誌名: Plant Biotec 巻: 36 ページ: 205-208
  • DOI: doi:160;10.5511/plantbiotechnology.19.0725a
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Developing heritable mutations in Arabidopsis thaliana using a modified CRISPR/Cas9 toolkit comprising PAM-altered Cas9 variants and gRNAs. (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto, A., Ishida, T., Yoshimura, M., Kimura, Y., Sawa, S.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol 巻: 60 ページ: 2255-2262
  • DOI: doi: 10.1093/pcp/pcz118.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Lecanorchis moritae (Orchidaceae, Vanilloideae), a new mycoheterotrophic species from Amami- Oshima Island, Japan, based on morphological and molecular data (2019)
  • 著者名/発表者名: Suetsugu, K., Kaida, S., Hsu, T.-C., Sawa, S.
  • 雑誌名: Phytotaxa 巻: 404 ページ: 137-145
  • DOI: https://doi.org/10.5962/bhl.title.154048
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Diverse functions of plant peptide hormones in local signaling and development (2019)
  • 著者名/発表者名: Hirakawa, Y., and Sawa, S.
  • 雑誌名: Curr. Opin. Plant Biol 巻: 51 ページ: 81-87
  • DOI: doi: 10.1016/j.pbi.2019.04.005.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Control of haploid organ size by CLE peptide signaling in Marchantia polymorpha (2019)
  • 著者名/発表者名: Hirakawa, Y., Uchida, N., Yamaguchi, Y., L., Tabata, R., Ishida, S., Ishizaki, K., Nishihama, R., Kohchi, T., Sawa, S#. and Bowman, J. L.
  • 雑誌名: PLOS Genet. 巻: 15 ページ: -
  • DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1007997
  • 査読あり
• [雑誌論文] Regulation of Root-Knot Nematode Behavior by Seed-Coat Mucilage-Derived Attractants (2019)
  • 著者名/発表者名: Tsai, A, Y-L., Higaki, T., Nguyen, C-N., Perfus-Barbeoch, L., Favery, B., and Sawa, S.
  • 雑誌名: Mol. Plants 巻: 12 ページ: 99-122
  • DOI: doi.org/10.1016/j.molp.2018.11.008
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] CLE9 peptide-induced stomatal closure is mediated by abscisic acid, hydrogen peroxide, and nitric oxide in Arabidopsis thaliana 5.発行年 2019年 (2019)
  • 著者名/発表者名: Zang, L., Shi, X., Zhang, Y., Wang, J., Yang, J., Ishida, T., Jiang, W., Han, X., Kang, J., Wang, X., Pan, L., Lv, S., Cao, B., Zhang, Y., Wu, J., Han, H., Hu, Z., Cui, L, Sawa, S., He, J., and Wang, G
  • 雑誌名: Plant Cell & Environment. 巻: 42 ページ: 1033-1044
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1111/pce.13475
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Systemic long distance signal supports successful infection of plant parasitic root-knot nematodes, M. incognita (2019)
  • 著者名/発表者名: 澤 進一郎
  • 学会等名: International workshop of plants and nematodes interaction
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Plant attractant and systemic-peptide signaling supporting nematode successful infection. (2019)
  • 著者名/発表者名: 澤 進一郎
  • 学会等名: Mechanisms of Plant Perception -From endogenous to exogenous Lausanne
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Plant attractant and systemic peptide signaling supporting nematode successful infection (2019)
  • 著者名/発表者名: 澤 進一郎
  • 学会等名: Department seminar; Horticulture biology and metabolomics center
  • 招待講演
• [学会発表] Evolution of peptide signalling pathways in land plants (2019)
  • 著者名/発表者名: Chihiro Furumizu, Shinichiro Sawa
  • 学会等名: The Vassilios Sarafis OzBryo Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] マイクロチャンバーを用いた植物寄生性線虫の集団行動の分析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 肥田博隆, 森仁志, 神野伊策, 古水千尋, 澤進一郎
  • 学会等名: 化学とマイクロ・ナノシステム学会 第40回研究会
• [備考] The Sawa Lab.
  • URL: http://www.sci.kumamoto-u.ac.jp/~sawa/
• [産業財産権] ピロール化合物を有効成分として含有する農園芸用殺菌剤または医用抗真菌剤 (2019)
  • 発明者名: 谷時雄; 石川勇人; 澤進一郎; 石田喬志 他4名
  • 権利者名: 谷時雄; 石川勇人; 澤進一郎; 石田喬志 他4名
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: PCT/2019/190763