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

2020 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 東京学芸大学, 教育学部, 准教授 (20530380)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2023-03-31
• キーワード: 機械刺激 / 植物形態形成最適化戦略システム / clv3 det3 / X線ＣＴスキャン / 根系構造

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による新たな測定系（シロイヌナズナの根の表面を測定する実験系）を立ち上げた。これにより、植物の根の表面の張力測定が可能となった。また、clv3 det3突然変異体について、茎の表面の堅さをAFM等で測定することなどで、表皮がタガとして機能する事を示唆し、論文として報告した。サプレッサー突然変異体について、原因遺伝子の特定を試みつつ、分子遺伝学的解析を進めた。
研究項目（２）ではX線ＣＴスキャンと引っ張り試験機を用いて、また、３Ｄプリンターを用いてモデルを作成し、根茎が与える植物の地盤への支持機能について調査した。さらに、シロイヌナズナだけでなく、マメ科植物等を新たに用いて、根が成長しつつ地中を伸長できる仕組みについて研究を行った。

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

本年度は、研究項目（１）について、表皮がタガとして機能する事を示唆する論文を発表した。Asaoka, M,. Ooe, M., Gunji, S., Milani, P., Runel, G., Horiguchi, G., Hamant, O., Sawa, S., Tsukaya, H., and Ferjani, A. (2021) Stem integrity in Arabidopsis thaliana requires a load-bearing epidermis. Development, 148, dev198028. doi:10.1242/dev.198028。
また、研究項目（２）について、根茎構造の観察実験系などに関してX線ＣＴスキャンを用いた実験系を提案する論文を発表した。Yoshida, Y., Arita, T,. Otani, J., and Sawa, S. (2020) Visualization of Toyoura sand-grown plant roots by X-ray computer tomography. Plant Biotech. 37. 481-484.
以上のように、論文として発表出来るほど、各研究項目についてまとまりがでてきた。

今後の研究の推進方策

研究項目（１）について、根の内部発生と表皮との力学的な関係をより詳細に調べるために、イネを用いて根瘤形成に関わる遺伝子の同定をめざす。
研究項目（２）について、コンピューターシミュレーションなどドライな実験系も導入し、根の土壌へ侵入する力学的な仕組みについて、より詳細に解析する。

研究成果

• [雑誌論文] A new form of the mycoheterotrophic plant Lecanorchis nigricans var. patipetala (Orchidaceae) from Tokyo, Japan (2021)
  • 著者名/発表者名: Fukunaga, H., Kitada, Y., Kawamura, N., and Sawa, S.
  • 雑誌名: Orchid Digest 巻: 85 ページ: 48-50.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stem integrity in Arabidopsis thaliana requires a load-bearing epidermis (2021)
  • 著者名/発表者名: Asaoka Mariko、Ooe Mao、Gunji Shizuka、Milani Pascale、Runel Gael、Horiguchi Gorou、Hamant Olivier、Sawa Shinichiro、Tsukaya Hirokazu、Ferjani Ali
  • 雑誌名: Development 巻: 148 ページ: -
  • DOI: 10.1242/dev.198028
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Calcium sulfate and calcium carbonate as root-knot-nematode attractants and possible trap materials to protect crop plants (2021)
  • 著者名/発表者名: Toyoda Syuuto、Oota Morihiro、Ishikawa Hayato、Sawa Shinichiro
  • 雑誌名: Plant Biotechnology 巻: 38 ページ: 157～159
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.20.0806a
  • 査読あり
• [雑誌論文] Database mining of plant peptide homologues (2021)
  • 著者名/発表者名: Yuan Na、Furumizu Chihiro、Zhang Baolong、Sawa Shinichiro
  • 雑誌名: Plant Biotechnology 巻: 38 ページ: 137～143
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.20.0720a
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A ClearSee-based clearing protocol for 3D visualization of Arabidopsis tahaliana embryos (2021)
  • 著者名/発表者名: Imoto, A., Yamada, M., Sakamoto, T., Okuyama, A., Ishida, T., Sawa, S., and Aida, M. A
  • 雑誌名: Plants 巻: 10 ページ: 190
  • DOI: 10.3390/plants10020190
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Root-Knot Nematode Effector MiEFF18 interacts with the Plant Core Spliceosomal Protein SmD1 Required for Giant Cell Formation (2021)
  • 著者名/発表者名: Mejias, J., bazin, J., Truong, N-M., Chen, Y., Marteu, N., Bouteiller, N., Sawa, S., Crespi, M. D., Vaucheret, H., Abad, P., Favery, B., and Quentin, M.
  • 雑誌名: New Phytol. 巻: 229 ページ: 3408-3423
  • DOI: 10.1111/nph.17089
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Insight into early diversification of leucine-rich repeat receptor-like kinases provided by the sequenced moss and hornwort genomes (2021)
  • 著者名/発表者名: Furumizu, C., and Sawa, S
  • 雑誌名: Plant Mol. Biol 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1007/s11103-020-01100-0
  • 査読あり
• [雑誌論文] Developmental Modification under Biotic Interactions in Plants (2020)
  • 著者名/発表者名: Sawa, S., Sato, M. H., and Favery, B.
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.3389/fpls.2020.619804
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Development of a dynamic imaging method for gravitropism in pea sprouts using clinical magnetic resonance imaging system (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakai, R., Azuma, T., Nakaso, Y., Sawa, S., and Demura, T.
  • 雑誌名: Plant Biotech 巻: 37 ページ: 437-442
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.20.1020a
  • 査読あり
• [雑誌論文] Visualization of Toyoura sand-grown plant roots by X-ray computer tomography. (2020)
  • 著者名/発表者名: Yoshida, Y., Arita, T,. Otani, J., and Sawa, S
  • 雑誌名: Plant Biotech. 巻: 37 ページ: 481-484
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.20.0819a
  • 査読あり
• [雑誌論文] Induction of multichotomous branching by CLAVATA peptide in Marchantia polymorpha. (2020)
  • 著者名/発表者名: Hirakawa, Y., Fujimoto, T., Ishida, S., Uchida, N., Sawa, S., Kiyosue, T., Ishizaki, K., Nishihama, R., Kohchi, T., and Bowman, J.L.,
  • 雑誌名: Curr. Biol 巻: 30 ページ: 3833-3840
  • DOI: 10.1016/j.cub.2020.07.016
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Chemotactic host-finding strategies of plant endoparasites and endophytes (2020)
  • 著者名/発表者名: Tsai, A, Y-L., Oota, M., and Sawa, S
  • 雑誌名: Frontiers in Plant Science 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.3389/fpls.2020.01167
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Sequenced Genomes of Non-Seed Land Plants Reveal the (R)Evolutionary History of Peptide Signaling. (2020)
  • 著者名/発表者名: Chihiro Furumizu, Anders K. Krabberod, Marta Hammerstad, Renate M. Alling, Mari Wildhagen, Shinichiro Sawa, Reidunn B. Aalen
  • 雑誌名: bioRxiv 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1101/2020.06.02.130120
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The atypical E2F transcription factor DEL1 modulates growth-defense tradeoffs of host plants during root-knot nematode infection (2020)
  • 著者名/発表者名: Nakagami, S., Saeki, K., Toda, K., Ishida, T., and Sawa, S.
  • 雑誌名: Scientific Rep 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41598-020-65733-3
  • 査読あり
• [雑誌論文] Root-knot nematodes modulate cell walls during root-knot formation in Arabidopsis roots (2020)
  • 著者名/発表者名: Ishida, T., Suzuki R., Nakagami, S., Kuroha, T., Sakamoto S., Nakata, M. T., Yokoyama, R., Kumura, S., Mitsuda, N., Nishitani, K., and Sawa, S.
  • 雑誌名: J. Plant Res 巻: 133 ページ: 419-428
  • DOI: 10.1007/s10265-020-01186-z
  • 査読あり
• [雑誌論文] Callose synthesis suppresses cell death induced by low-calcium conditions in Arabidopsis leaves (2020)
  • 著者名/発表者名: Shikanai, Y., Yoshida, R., Hirano, T., Enomoto, Y., Li, B., Asada, M., Yamagami, M., Yamaguchi, K., Shigenobu, S., Tabata, R., Sawa, S., Okada, H., Ohya, Y., Kamiya, T., and Fujiwara, T
  • 雑誌名: Plant Physiol 巻: 182 ページ: 2199-2122
  • DOI: 10.1104/pp.19.00784
  • 査読あり
• [雑誌論文] Root-knot nematodes induce gall formation by recruiting developmental pathways of post-embryonic organogenesis and regeneration to promote pluripotency (2020)
  • 著者名/発表者名: Olmo, R., Cabrera, J., Diaz-Manzano, F., Ruiz-Ferrer, V., Barcala, M., Ishida, T., Garcia A., Andres, M., Lara, S.R., Verdugo, I., Ochoa, M., Fukaki, H., del Pozo, J. C., Moreno-Risueno, M., Kyndt, T., Gheysen L., Fenoll, C., Sawa, S., and Escobar, C.
  • 雑誌名: New Phytologist 巻: 227 ページ: 210-215
  • DOI: 10.1111/nph.16521
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A method for evaluating root-knot nematode infection in rice using a transparent paper pouch. (2020)
  • 著者名/発表者名: Sunohara, H., Kaida, S., and Sawa, S
  • 雑誌名: Plant Biotechnology. 巻: 37 ページ: 343-347
  • DOI: 10.5511/plantbiotechnology.20.0210a
  • 査読あり
• [雑誌論文] Identification of naturally-occurring polyamines as nematode Meloidogyne incognita attractants (2020)
  • 著者名/発表者名: Oota, M., Tsai, A, Y-L., Aoki, D., Matsushita, Y., Toyoda, S., Fukushima, K., Saeki, K., Toda, K., Perfus-Barbeoch, L., Favery, B., Ishikawa, H., and Sawa, S.
  • 雑誌名: Mol. Plant 巻: 13 ページ: 358-665
  • DOI: 10.1016/j.molp.2019.12.010
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] CLAVATA 1/BARELY ANY MERISTEM 受容体キナーゼファミリーの根端メリステム形成における役割 (2021)
  • 著者名/発表者名: 石田喬志, 澤進一郎
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 花茎の整合性維持を担う転写因子群に関する形態学的およびトランスクリプトーム解析 (2021)
  • 著者名/発表者名: 浅岡真理, 坂本真吾, 古賀皓之, 郡司玄, 光田展隆, 塚谷裕一, 澤進一郎, Olivier Hamant, Ali Ferjani
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 根-土系の力学に基づく根の貫入基準式の提案 (2021)
  • 著者名/発表者名: 友部遼, 津川暁,吉田祐樹, 有田哲矢, 久保稔, 出村拓, 澤進一郎
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] CLE-LRK シグナリングはシロイヌ ナズナにおいて側根形成を制御する (2021)
  • 著者名/発表者名: 中上知, 石田喬志, 澤進一郎
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会年会
• [学会発表] 組織・細胞レベルでの植物生理活性モニタリングデバイスの開発 (2021)
  • 著者名/発表者名: 久保 稔, 春田 牧人, 澤 進一郎, 太田 淳, 出村 拓
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Long-distance mobile peptides maintain root sucrose level and root growth (2021)
  • 著者名/発表者名: 岡本暁, 川崎梓, 牧野由美子, 石田喬志, 澤進一郎
  • 学会等名: 第62回日本植物生理学会年会
• [学会発表] Identification of Plant attractant of Plant parasitic nematodes, M. incognita. (2020)
  • 著者名/発表者名: Sawa Shinichiro
  • 学会等名: 第４回熊本大学－KAISTジョイントシンポジウム
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] マンサクに形成される2種の虫こぶの形成機構の解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小黒那智, 久保稔, 澤進一郎, 山尾僚, 池田紘士, 笹部美知子
  • 学会等名: 東北植物学会第10回大会
• [学会発表] ゼニゴケの推定RNAメチル化酵素の機能解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 古水 千尋, 澤 進一郎
  • 学会等名: 第９回植物RNA研究ネットワークシンポジウム
• [学会発表] 根端分裂組織の活性制御においてCLV1/BAM受容体キナーゼ遺伝子群は互いに異なる役割を担う (2020)
  • 著者名/発表者名: 石田喬志, 澤進一郎
  • 学会等名: 日本植物学会第84会大会
• [学会発表] 植物感染性線虫, M. incognita の誘引物質の解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 澤 進一郎
  • 学会等名: 第43回日本分子生物学会年会
  • 招待講演
• [学会発表] 植物感染性線虫の植物誘引物質の同定 (2020)
  • 著者名/発表者名: 澤 進一郎
  • 学会等名: 日本植物学会第84回大会シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] 植物感染性線虫の根こぶ形成におけるPUCHI遺伝子の機能解析 (2020)
  • 著者名/発表者名: 鈴木 れいら, 相田光宏, 久保稔, 澤進一郎
  • 学会等名: 日本遺伝学会第92回大会
• [学会発表] サツマイモネコブセンチュウに対する誘引物質の探索 (2020)
  • 著者名/発表者名: 豊田 秀斗, 澤進一郎
  • 学会等名: 日本遺伝学会第92回大会
• [学会発表] 植物の細胞壁プロテオグリカンの機能発現に関わる新奇因子の探索 (2020)
  • 著者名/発表者名: 小竹 敬久, 澤進一郎
  • 学会等名: 日本遺伝学会第92回大会