研究課題
本研究課題は、植物の発生・成長過程における自律的な時間秩序の形成原理を細胞レベル、組織レベル、個体レベルなどそれぞれの階層において明らかにするとともに、それぞれの階層をつなぎ統一的に理解するための理論を作ることを目的としている。生物発光レポーターを利用した発光イメージング／モニタリングが容易なウキクサを用いて、研究初年にあたる今年度は植物個体／器官の生物発光リズム測定実験および解析系の確立を進めた。概日リズムレポーター遺伝子を持つ形質転換植物の発光モンタリング画像（動画）の自動解析手法をほぼ確立した。二次元的に成長するウキクサの外形抽出の自動化を可能にする画像取得法と画像解析法、さらに同一フロンド（ウキクサの植物体基本単位）自動追跡法を確立し、各ピクセルの発光時系列データが取得できる環境を整えた。また、ウキクサの発生過程に物理的擾乱を加え、その後の発光画像モニタリングを可能にする手法の開発を行った。これらを利用して、ウキクサ個体／器官／領域レベルの概日リズムの挙動を解析する基礎データ取得を行うとともに、単離プロトプラストを利用して、直接的な細胞間相互作用のない孤立した細胞の概日リズム測定法を確立した。また、概日時計の分子的な性質が詳しく調べられているシロイヌナズナを用いる実験系を立ち上げた。１細胞レベルの発光概日リズムを安定的な観測する手法を開発し、明暗および恒常条件下での切除葉の細胞概日リズムを測定した。ウキクサで知られていた性質とは異なり、連続暗条件下で概日リズムの細胞間の同調性が高いことが明らかとなった。また、植物細胞のように外部周期的環境を直接感知し、同期できる概日振動子に対する同調可能な外部周期長の理論的解明も行った。
2: おおむね順調に進展している
発光観測画像群からの発光変動の自動抽出法をほぼ確立した点で大きな進展があった。ただし、コロニー（親フロンドに２～３個の子フロンドが付いているウキクサの基本個体構造）内のフロンド境界の自動認識がまだ不十分であり、さらなる改良が必要となっている。また、現在得られている位相の移動波をともなうフロンド内の概日リズムの挙動を、位相振動子群の同調に関するKuramotoモデルをベースにしたシミュレーションにより説明可能なことを示しつつあり、理論的な分析の点でも大きな進展が見られた。一方で、増殖をともなう振動子群の挙動の解析については、成長するウキクサの発光画像取得は終えたが、その挙動の規則性を理解するまでには至っていない。また、当初予定していたin situ法による直接的な遺伝子発現リズムの観測については、定量性を確保することができず達成できなかった。これまで利用してきたウキクサ（Lemna類）を材料とした解析に加えて、シロイヌナズナとベロウキクサ（Wolffiella類）を概日リズムの階層性の解析のための実験材料として開発した。後者の植物体はウキクサの仲間でも特に薄く、構造が簡単で分裂組織形成部が一箇所しかない。そのため、分裂組織周辺の概日リズムを細胞レベルで直接測定するためのすぐれた特性を持っていることが明らかとなった。これらの研究を通して、シロイヌナズナとベロウキクサ類の特性をいかした概日リズム実験系の開発が可能となった点は大きな進展であった。また、培養液組成を自動的に変動させる装置の開発も進めている。計画内容の幾つかで達成できなかった点もあったが、当初の研究計画を遂行するための研究基盤の確立がほぼできた点で、本研究は概ね順調に進展していると考えている。
初年度に確立し、新たに展開した研究手法を活用して、研究目標である『植物の発生・成長過程における自律的な時間秩序の形成原理』にアプローチできるデータの取得を目指す。成長するウキクサで自律的に形成される概日振動子（細胞）の挙動に関するデータはすでに得られており、その分析を進める。また、植物構造内の空間的、外部環境要因（光、栄養、化合物）的、遺伝的な擾乱を与えたときの概日振動子の植物個体内の挙動の変化を直接的に観測する手法と、そのデータの解析・解釈法の開発を目指す。さらに、蛍光レポーターを用いた細胞概日リズムの測定技術やベロウキクサを利用した分裂組織への直接的な遺伝子導入法の開発を行うことで、植物のもつ様々な階層での概日リズムの挙動を正確に得る手法の確立を目指す。理論面では、Kuramotoモデルをベースに現象をどこまで説明できるかを明確化する。その発展として、概日振動子の時間情報をやり取りする物質を介したモデルを構築するための新たな理論の導入を目指す。
2017年度は測定器導入のため、当初予算に加えて180万円を前倒しで使用した。前倒し支払分が生じたのが年度の末で調整がききにくかったこともあり、12万円程度の次年度使用額が生じた。2018年度以降の研究助成金使用については、前倒し支払請求申請時から大きな変更は生じない。
すべて 2018 2017
すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (10件) (うち国際学会 1件)
J. Plant Res.
巻: 131 ページ: 15-21
10.1007/s10265-017-1001-x
Sci. Rep.
巻: 7 ページ: 317
10.1038/s41598-017-00454-8
New Phytol.
巻: 17 ページ: 569-590
10.1111/nph.14487
