情報処理空間としての細胞壁高次構造の構築と動態制御

2015 年度 実績報告書

• 研究領域: 植物細胞壁の情報処理システム
• 研究課題/領域番号: 24114005
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 西谷 和彦 東北大学, 生命科学研究科, 教授 (60164555)
• 研究分担者: 大林 武 東北大学, 情報科学研究科, 准教授 (50397048) ; 工藤 光子 立教大学, 理学部, 准教授 (90594078)
• 研究期間 (年度): 2012-06-28 – 2017-03-31
• キーワード: 植物細胞壁 / XTH / 細胞壁再生系 / セルロース / ネナシカズラ / トランスクリプトーム / 共発現データベース

研究実績の概要

本研究の目的は植物細胞壁の分子動態を発生過程や刺激応答などの時間軸と、組織パターンや細胞極性などの空間軸に沿って解剖することにより，植物細胞壁が多元的な情報処理機能を発揮するメカニズムを解明することである。
H27年度の研究成果は以下の通りである。（１）XTHファミリー全般を視野に入れた新規機能の解明を目指して組換え蛋白質の生化学的な解析を引き続き進めた。その結果AtXTH3がキシログルカン以外の新規な細胞壁多糖類に対して作用し，新規な転移反応を引き起こすことを見いだした。また，シロイヌナズナの葉肉細胞プロトプラストから細胞壁を80%以上の高い効率で再生させる実験系を確立し，その方法を用いて，細胞壁再生過程におけるセルロース微繊維の動態を定量的に可視化し解析する手法を開発し，様々な条件や変異体内でのセルロース微繊維の動態の解析を進め，細胞壁の高次構造の構築とその再編過程におけるXTHの新規な機能を提唱するとともに，その機能を元にした陸上植物細胞壁の新規な動的モデルを提唱した。（２）典型的な茎寄生植物であるネナシカズラの実験室内での栽培法を世界に先駆けて確立し，組織学的解析とレーザーマイクロダイセクション法を用いたトランスクリプトーム解析を用いて，寄生時のネナシカズラの道管分化誘導，ネナシカズラと宿主間の組織融合過程における細胞壁動態の分子解剖を進めた。更に，寄生過程で特異な発現変動を示す遺伝子群のクラスター解析に成功した。更に，寄生過程において細胞伸長が重要な役割を担うこと，その過程に核内倍加が関わることなどを明らかにした。（３）RNAseqに基づく共発現構築法の改良を進め，低発現量の細胞壁関連遺伝子群についても安定して共発現関係を推定できるようにした。また，共発現データの評価を多角化し非モデル生物種の解析も可能にした。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

概要に記した（１）～（３）三つの成果はいずれも当初計画で期待した以上の成果である。それぞれの理由は以下の通りである。
（１）本研究により今回解明したAtXTH3の新規機能は，セルロース微繊維間の架橋構造やその再編過程についてのこれまでの常識を覆すもので，植物細胞壁の分野において大きな発見であり，細胞壁の動態やそれを基盤にした諸機能の研究領域への波及効果は計り知れない。その点で，この研究は当初の研究計画を遙かに超えて進展していると判断できる。
また，葉肉細胞プロトプラストから細胞壁を80%以上の高い効率で再生する系を確立したことにより，セルロース微繊維とキシログルカンの相互作用の定量的な高解像力イメージングが初めて可能となり，細胞壁の高次構造の構築再編に関わる諸因子の探索に新しいアプローチを切り開いた点で，重要な成果である。
（２）ネナシカズラの実験室内での栽培法を世界に先駆けて確立した意義は大きく，更に，組織学的解析とレーザーマイクロダイセクション法を用いたトランスクリプトーム解析により寄生過程に関わる細胞壁動態の分子解剖にも予想以上の早さで成功した。
（３）共発現データベースも当初の予想以上に強力な推定が可能であることが，多数の利用者により実証されつつある。

今後の研究の推進方策

当初の研究計画の多くはすでに達成されたので，今後はこれらの成果の更なる展開を目指し，以下の三つの研究を重点的に進める。
（１）AtXTH3の新規酵素機能の生物学的な役割の解明とXTHファミリー遺伝子群の未解明の新機能の探索および，これらのXTHによる細胞壁再編過程の分子解剖。
（２）ネナシカズラの寄生過程に関わる諸過程の分子解剖。
（３）ネナシカズラの遺伝子発現データベースの構築・発信

研究成果

• [雑誌論文] ALCOdb: Gene Coexpression Database for Microalgae. (2016)
  • 著者名/発表者名: Aoki Y, Okamura Y, Ohta H, Kinoshita K, Obayashi T.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 巻: 57 ページ: e3
  • DOI: 10.1093/pcp/pcv190
  • 査読あり
• [雑誌論文] ATTED-II in 2016: a plant coexpression database towards lineage-specific coexpression. (2016)
  • 著者名/発表者名: Aoki Y, Okamura Y, Tadaka S, Kinoshita K, Obayashi T.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 巻: 57 ページ: e5
  • DOI: 10.1093/pcp/pcv165
  • 査読あり
• [雑誌論文] Possible pathways linking ploidy level to cell elongation and cuticular function in hypocotyls of dark-grown Arabidopsis seedlings (2016)
  • 著者名/発表者名: Narukawa, H., Yokoyama, R., Nishitani, K.
  • 雑誌名: Plant Signal. Behav. 巻: 11 ページ: e1118597
  • DOI: 10.1080/15592324.2015.1118597
  • 査読あり
• [雑誌論文] Protein ligand-tethered synthetic calcium indicator for localization control and spatiotemporal calcium imaging in plant cells (2016)
  • 著者名/発表者名: Takaoka,Y., Shigenaga,M., Shigenaga,M., Nukadzuka,Y., Ishimaru,Y., Saito,K., Yokoyama,R., Nishitani, K., Ueda,M.
  • 雑誌名: Bioorganic & medicinal chemistry letters 巻: 26 ページ: 9-14
  • DOI: 10.1016/j.bmcl.2015.11.055
  • 査読あり
• [雑誌論文] Immunogold Labeling Analysis of (1;3, 1;4)-β-D-glucan in Rice Cell Walls (2016)
  • 著者名/発表者名: Yokoyama, R., Kido, N., Yamamoto, T., Furukawa, J., Iwai, H., Satoh, S., Nishitani, K.
  • 雑誌名: Bio-protocol 巻: 6 ページ: e1748.
  • 査読あり
• [雑誌論文] The matrix polysaccharide (1;3，1;4)-β-D-glucan is involved in silicon-dependent strengthening of rice cell wall (2015)
  • 著者名/発表者名: Kido, N., Yokoyama, R., Yamamoto, T., Furukawa, J., Iwai, H., Satoh, S., Nishitani, K.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 巻: 56 ページ: 268-276
  • DOI: 10.1093/pcp/pcu162
  • 査読あり
• [雑誌論文] An emerging view of plant cell walls as an apoplastic intelligent system. (2015)
  • 著者名/発表者名: Nishitani, K., Demura, T.
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol. 巻: 56 ページ: 177-179
  • DOI: 10.1093/pcp/pcv001
  • 査読あり
• [雑誌論文] Stimulation of cell elongation by tetraploidy in hypocotyls of dark-grown Arabidopsis seedlings. (2015)
  • 著者名/発表者名: Narukawa, H., Yokoyama, R., Komaki, S., Sugimoto, K., Nishitani, K.
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 10 ページ: e0134547.
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0134547
  • 査読あり
• [雑誌論文] Histochemical staining of silica body in rice leaf blades. (2015)
  • 著者名/発表者名: Yokoyama, R., Kido, N., Yamamoto, T., Furukawa, J., Iwai, H., Satoh, S., Nishitani, K.
  • 雑誌名: Bio-protocol 巻: 5 ページ: e1609.
  • 査読あり
• [雑誌論文] Comparison of gene coexpression profiles and construction of conserved gene networks to find functional modules. (2015)
  • 著者名/発表者名: Okamura Y, Obayashi T, Kinoshita K.
  • 雑誌名: PLoS One 巻: 10 ページ: e0132039
  • DOI: org/10.1371/journal.pone.0132039
  • 査読あり
• [学会発表] シロイヌナズナ葉肉細胞プロトプラストの細胞壁再構築のイメージング解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 九鬼寛明，西谷和彦 他
  • 学会等名: 第57回日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 岩手大学
  • 年月日: 2016-03-18 – 2016-03-20
• [学会発表] シロイヌナズナのキシログルカン転移酵素・加水分解酵素ファミリータンパク質によるセルロース性多糖への糖転移反応 (2016)
  • 著者名/発表者名: 篠原直貴，西谷和彦 他
  • 学会等名: 第57回日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 岩手大学（盛岡市）
  • 年月日: 2016-03-18 – 2016-03-20
• [学会発表] シロイヌナズナの葉器官成長における細胞間移行転写因子ZN1の機能解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 倉田哲也，西谷和彦 他
  • 学会等名: 第57回日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 岩手大学
  • 年月日: 2016-03-18 – 2016-03-20
• [学会発表] 茎寄生植物ネナシカズラの宿主接続に関わる遺伝子群の探索 (2016)
  • 著者名/発表者名: 青木考，西谷和彦 他
  • 学会等名: 第57回日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 岩手大学（盛岡市）
  • 年月日: 2016-03-18 – 2016-03-20
• [学会発表] 茎寄生植物ネナシカズラの寄生過程において宿主境界面で見られる細胞壁成分の変化 (2016)
  • 著者名/発表者名: 穂積亮敬，青木考，西谷和彦 他
  • 学会等名: 第57回日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 岩手大学
  • 年月日: 2016-03-18 – 2016-03-20
• [学会発表] シロイヌナズナCBL5の発現解析と脂質修飾による細胞内局在調節機構の解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 竹林昂亮，魚住信之, 西谷和彦 他
  • 学会等名: 第57回日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 岩手大学（盛岡市）
  • 年月日: 2016-03-18 – 2016-03-20
• [学会発表] Maintenance of stem integrity induced by tissue incision (2016)
  • 著者名/発表者名: Pitaksaringkarn W., Nishitani K., Satoh S. 他
  • 学会等名: 第57回日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 岩手大学（盛岡市）
  • 年月日: 2016-03-18 – 2016-03-20
• [学会発表] プロトプラスト細胞壁再生系とイメージング解析を用いたセルロースネットワーク構築機構の解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 九鬼寛明，西谷和彦 他
  • 学会等名: 東北植物学会第5回大会
  • 発表場所: 福島大学(福島市)
  • 年月日: 2015-12-19 – 2015-12-20
• [学会発表] Actions of XTH family of enzymes in construction and remodeling of the plant cell wall (2015)
  • 著者名/発表者名: Kuki H., Nishitani K.他
  • 学会等名: 8th Plant Biomechanics International Conference
  • 発表場所: 名古屋大学
  • 年月日: 2015-11-30 – 2015-12-04
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 植物細胞壁再編酵素XTH の進化と機能 (2015)
  • 著者名/発表者名: 西谷和彦 他
  • 学会等名: 日本応用糖質科学会平成27年度大会 特別シンポジウム
  • 発表場所: 奈良春日野フォーラム(奈良市)
  • 年月日: 2015-09-17 – 2015-09-17
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 細胞壁構築におけるβ-(1→3)，(1→4)-グルカンの機能解明 (2015)
  • 著者名/発表者名: 竹内美和，西谷和彦 他
  • 学会等名: 日本植物学会第79回大会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ 新潟コンベンションセンター (新潟市)
  • 年月日: 2015-09-06 – 2015-09-08
• [学会発表] 膜交通過程におけるシロイヌナズナのペクチンメチルエステラーゼPME35の機能制御について (2015)
  • 著者名/発表者名: 小浜大山，西谷和彦 他
  • 学会等名: 日本植物学会第79回大会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ 新潟コンベンションセンター (新潟市)
  • 年月日: 2015-09-06 – 2015-09-08
• [学会発表] アメリカネナシカズラの寄生メカニズムの解明 (2015)
  • 著者名/発表者名: 柴田航希，西谷和彦 他
  • 学会等名: 日本植物学会第79回大会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ 新潟コンベンションセンター (新潟市)
  • 年月日: 2015-09-06 – 2015-09-08
• [学会発表] シロイヌナズナ 4 倍体を用いた細胞サイズ決定メカニズムの解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 鳴川秀樹，西谷和彦 他
  • 学会等名: 日本植物学会第79回大会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ 新潟コンベンションセンター (新潟市)
  • 年月日: 2015-09-06 – 2015-09-08
• [学会発表] 弱光条件下におけるペクチンメチル基転移酵素PMT16の機能解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 竹内春樹，西谷和彦, 佐藤忍 他
  • 学会等名: 日本植物学会第79回大会
  • 発表場所: 朱鷺メッセ 新潟コンベンションセンター (新潟市)
  • 年月日: 2015-09-06 – 2015-09-08
• [学会発表] Temporal and spatial regulation of cell wall regeneration on arabidopsis mesophyll protoplasts (2015)
  • 著者名/発表者名: Yokoyama R，Nishitani K 他
  • 学会等名: The 26th International Conference on Arabidopsis Research
  • 発表場所: Paris, France
  • 年月日: 2015-07-05 – 2015-07-09
  • 国際学会
• [図書] 植物細胞壁実験法 (2016)
  • 著者名/発表者名: 西谷和彦 他
  • 総ページ数: 404 (34-39, 191-195, 303-311)
  • 出版者: 弘前大学出版会
• [図書] 植物の生長調節 (2015)
  • 著者名/発表者名: 西谷和彦 他
  • 総ページ数: 96 (40-42)
  • 出版者: 植物化学調節学会
• [図書] Cellulose Commun. (2015)
  • 著者名/発表者名: 西谷和彦 他
  • 総ページ数: 216 (180-184)
  • 出版者: セルロース学会
• [備考] 東北大学大学院生命科学研究科植物細胞壁機能分野
  • URL: http://www.biology.tohoku.ac.jp/lab-www/nishitani_lab/
• [備考] 新学術領域 植物細胞壁の情報処理システム
  • URL: https://www.plantcellwall.jp/