植物システム制御の数理モデリング

2014 年度 実績報告書

• 研究領域: 大地環境変動に対する植物の生存・成長突破力の分子的統合解析
• 研究課題/領域番号: 22119011
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 佐竹 暁子 北海道大学, 地球環境科学研究科(研究院), 准教授 (70506237)
• 研究期間 (年度): 2010-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: 植物 / モデル化 / 生理学 / 遺伝子 / 環境

研究実績の概要

数理モデルによって，特定の光合成能を有するイネに任意の玄米数と玄米配置を与えたときの各玄米登熟度を予測できれば，総収量を最大化する玄米数と玄米配置をもつイネ穂構造を数理モデルによって提案することが可能になる．そこで，我々は育種研究へ新たな数理的手法を提供することを目的に，イネのショ糖転流と玄米登熟を捉えた師管栄養輸送モデルを開発した．
師部におけるショ糖転流の駆動力は，ショ糖濃度勾配によって生じる膨圧差によって生じると考える圧流説が現在支配的である．本研究ではこの圧流説を採用し，ソース葉と複数のシンク（玄米）が師管（エッジ）で連結されたグラフとして複合的師管ネットワークをモデル化し，各ソースとシンクにおけるショ糖ダイナミクスを離散空間常微分方程式系によって記述した．グラフの形状はコシヒカリの穂構造をもとに算出した．
松葉（1991 中国農業試験場研究報告11-58）によって提案された完全展開モデルをもとに，玄米数は固定し玄米配置のみが異なるイネ穂ネットワークを仮想的に3種類作出し，ネットワーク間で収量比較を行った．その結果，一次枝梗のみあるいは少数の二次枝梗を発達させたネットワークにおいて高い収量が予測されたが，三次枝梗まで発達させたネットワークでは未熟な玄米が認められ収量は低いままであった．また，高い収量が予測されたイネ穂ネットワークでは、ネットワーク上の全ての玄米が均質な登熟動態を示した．総光合成速度を増加させた場合にも同様の結果が得られた．これらの結果は，均質なショ糖輸送が可能な玄米配置をデザインすることによって、収量増加を実現できることを示唆するものである．

現在までの達成度 (段落)

26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

26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] A mathematical model of phloem sucrose transport as a new tool for designing rice panicle structure for high grain yield (2015)
  • 著者名/発表者名: Seki M, Feugier FG, Song X, Ashikari M, Nakamura H, Ishiyama K, Yamaya T, Ikeda M, Kitano H, Satake A
  • 雑誌名: Plant & Cell Physiology 巻: 56 ページ: 605-619
  • DOI: 10.1093/pcp/pcu191
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] In silico simulation modeling reveals the importance of the Caspian strip for efficient silicon uptake in rice roots (2015)
  • 著者名/発表者名: Sakurai, G, Satake A, Yamaji N, Mitani-Ueno N, Yokozawa M, Feugier FG, Ma JF
  • 雑誌名: Plant & Cell Physiology 巻: 56 ページ: 631-639
  • DOI: 10.1093/pcp/pcv017
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Spatially explicit model for flowering time in bamboos: long rhizomes drive the evolution of delayed flowering. (2015)
  • 著者名/発表者名: Tachiki, Y, Makita, Suyama Y, Satake A
  • 雑誌名: Journal of Ecology 巻: 103 ページ: 585-593
  • DOI: 10.1111/1365-2745.12390
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Understanding circadian regulation of carbohydrate metabolism in Arabidopsis using mathematical models (2015)
  • 著者名/発表者名: Webb, A.A.R., Satake A
  • 雑誌名: Plant & Cell Physiology 巻: 56 ページ: 586-593
  • DOI: 10.1093/pcp/pcv033
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Hyperbolic features of the circadian clock oscillations can explain linearity in leaf starch dynamics and adaptation of plants to diverse light and dark cycles. (2014)
  • 著者名/発表者名: Feugier, GF, Satake A.
  • 雑誌名: Ecological Modelling 巻: 290 ページ: 110-120
  • DOI: 10.1016/j.ecolmodel.2013.11.011
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Ribosomes in a stacked array. Elucidation of the step in translation elongation at which they are stalled during S-adenosyl-L-methionine-induced translation arrest of CGS1 mRNA (2014)
  • 著者名/発表者名: Yamashita Y, Kadokura Y, Sotta N, Fujiwara T, Takigawa I, Satake A, Onouchi H, Naito S
  • 雑誌名: The Journal of Biological Chemistry 巻: 289 ページ: 12693-12704
  • DOI: 10.1074/jbc.M113.526616
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Nitrogen as a key regulator of flowering in Fagus crenata: understanding the physiological mechanism of masting by gene expression analysis (2014)
  • 著者名/発表者名: Miyazaki Y, Maruyama Y, Chiba Y, Kobayashi MJ, Joseph B, Shimizu KK, Mochida K, Hiura T, Kon H, Satake A
  • 雑誌名: Ecology Letters 巻: 17 ページ: 1299-1309
  • DOI: 10.1111/ele.12338
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] 長期フェノロジーデータ分析から一斉開花メカニズムを解明する/Exploring general flowering mechanism using long-term phenology data (2015)
  • 著者名/発表者名: 佐竹暁子・Chen, Yu-Yun・沼田真也・小杉緑子・谷誠・市栄智明・谷尚樹
  • 学会等名: 第62回日本生態学会大会
  • 発表場所: 鹿児島大学
  • 年月日: 2015-03-18 – 2015-03-22
• [学会発表] Flowering phenology and environmental change: comparison between temperate and tropical rain forests (2015)
  • 著者名/発表者名: Yeoh, S-H., Satake, A., Numata, S., Ichie, T., Lee, S-L., Basherudin, N., Muhammad, N., Chen, Y-Y., Kosughi, Y., Tani, M., Tani, N.
  • 学会等名: 第56回日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 東京農業大学
  • 年月日: 2015-03-16 – 2015-03-18
  • 招待講演
• [学会発表] 森林のリズムが生まれる仕組みと理由 (2014)
  • 著者名/発表者名: 佐竹暁子
  • 学会等名: 生物リズム若手研究者の集い
  • 発表場所: 京都大学
  • 年月日: 2014-12-13 – 2014-12-14
  • 招待講演
• [学会発表] Transportation of sucrose and flowering signal in phloem network (2014)
  • 著者名/発表者名: Satake, A.
  • 学会等名: EMBO conference "Interdisciplinary plant development"
  • 発表場所: ケンブリッジ大学，ケンブリッジ，UK
  • 年月日: 2014-09-21 – 2014-09-24
  • 招待講演
• [学会発表] Exploring the mechanism of synchronized flowering by integrating molecular and modeling approaches (2014)
  • 著者名/発表者名: Satake, A.
  • 学会等名: Joint Annual Meeting of JSMB & SMB
  • 発表場所: 大阪国際会議場
  • 年月日: 2014-07-28 – 2014-08-01
  • 招待講演
• [学会発表] Nitrogen as a key regulator of mast flowering (2014)
  • 著者名/発表者名: Satake, A.
  • 学会等名: 51st Annual Meeting of ATBC
  • 発表場所: ケアンズコンベンションセンター，ケアンズ，オーストラリア
  • 年月日: 2014-07-20 – 2014-07-24
  • 招待講演