高CO2による気孔分布パターン形成の解析

2016 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25711017
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 桧垣 匠 東京大学, 新領域創成科学研究科, 准教授 (90578486)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: 気孔 / 二酸化炭素 / 葉表皮細胞 / バイオイメージング / シロイヌナズナ / 形態計測 / 画像クラスタリング / 数理モデル

研究実績の概要

本研究では，シロイヌナズナ子葉をモデル材料として，高CO2条件における葉表皮組織の気孔分化および表皮細胞形態形成を定量的かつ統計的に検討することを目指した．
まず，共焦点顕微鏡画像処理に基づいて，子葉における気孔の位置や数を高精度かつ高速に定量評価する解析手法を確立した．本手法を用いて，380 ppmおよび1000 ppm CO2条件においておよそ7日間栽培したシロイヌナズナ子葉を発生段階を追って細胞形状と気孔分化を子葉全域で比較検討した．その結果，1000 ppm CO2条件下でサテライトメリステモイドが高頻度に生じることを見出した．また，サテライトメリステモイドの発生が亢進することが報告されているDNA複製ライセンシング因子CDC6過剰発現体では，高CO2条件におけるサテライトメリステモイド形成が野生株と比較して過剰に促進することが判明した．以上の結果から，CDC6依存的なDNA複製の亢進が高CO2条件下におけるサテライトメリステモイド形成の主たる要因である可能性が示唆された．1000 ppm条件において有意に子葉面積が増加するものの気孔数にはほぼ影響がなく，気孔密度は1000 ppmの方が有意に低下することが判明した．
また，およそ21日間，380 ppmおよび1000 ppm CO2条件栽培した場合，高CO2条件によって子葉面積が有意に増加すること，子葉における気孔数には著しい変化が認められないこと，気孔密度は有意に減少するが判明した．
さらに，数理モデルの専門家との共同研究により葉表皮細胞の湾曲を説明する数理モデルを確立した．この数理モデルによって，私たちが実験的に明らかにしたkor1変異体あるいはセルラーゼ処理における細胞壁の肥厚と湾曲の低減を理論的に説明することができた．以上の研究成果の一部は2報の原著論文として纏めて報告した（Higaki et al. 2015 PLOS Comput Biol, Higaki et al. 2016 Plant Cell Physiol）．

現在までの達成度 (段落)

28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

28年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額が生じた理由

28年度が最終年度であるため、記入しない。

次年度使用額の使用計画

28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] Exogenous cellulase switches cell interdigitation to cell elongation in a RIC1-dependent manner in Arabidopsis thaliana cotyledon pavement cells. (2017)
  • 著者名/発表者名: Higaki T, Takigawa-Imamura H, Akita K, Kutsuna N, Kobayashi R, Hasezawa S, Miura T
  • 雑誌名: Plant Cell Physiol 巻: 58 ページ: 106-119
  • DOI: 10.1093/pcp/pcw183
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] SMALL ACIDIC PROTEIN 1 (SMAP1) and SCFTIR1 ubiquitin proteasome pathway act in concert to induce 2,4-dichlorophenoxyacetic acid-mediated alteration of actin in Arabidopsis roots. (2017)
  • 著者名/発表者名: Takahashi M, Umetsu K, Oono Y, Higaki T, Blancaflor E, Rahman A
  • 雑誌名: Plant J 巻: 89 ページ: 940-956
  • DOI: 10.1111/tpj.13433
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A theoretical model of jigsaw-puzzle pattern formation by plant leaf epidermal cells. (2016)
  • 著者名/発表者名: Higaki T, Kutsuna N, Akita K, Takigawa-Imamura H, Yoshimura K, Miura T
  • 雑誌名: PLOS Comput Biol 巻: 12 ページ: e1004833
  • DOI: 10.1371/journal.pcbi.1004833
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Quantitative evaluation of stomatal cytoskeletal patterns during the activation of immune signaling in Arabidopsis thaliana. (2016)
  • 著者名/発表者名: Shimono M, Higaki T, Kaku H, Shibuya N, Hasezawa S, Day B
  • 雑誌名: PLOS One 巻: 11 ページ: e0159291
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0159291
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Cytoskeleton dynamics control the first asymmetric cell division in Arabidopsis zygote. (2016)
  • 著者名/発表者名: Kimata Y, Higaki T, Kawashima T, Kurihara D, Sato Y, Yamada T, Hasezawa S, Berger F, Higashiyama T, Ueda M
  • 雑誌名: Proc Natl Acad Sci U S A 巻: 113 ページ: 14157-14162
  • DOI: 10.1073/pnas.1613979113
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [学会発表] 子葉表皮細胞壁の輪局における微小管結合タンパク質RIC1の役割: 細胞形態計測と力学モデルによる解析 (2017)
  • 著者名/発表者名: 桧垣匠、今村寿子、秋田佳恵、朽名夏麿、三浦岳、馳澤盛一郎
  • 学会等名: 第58回日本植物生理学会年会
  • 発表場所: 鹿児島大学（鹿児島県鹿児島市）
  • 年月日: 2017-03-16 – 2017-03-18
• [学会発表] 細胞動態を理解するための画像解析とモデル解析 (2016)
  • 著者名/発表者名: 桧垣匠
  • 学会等名: 日本植物学会第80回大会
  • 発表場所: 沖縄コンベンションセンター（沖縄県那覇市）
  • 年月日: 2016-09-16 – 2016-09-18
  • 招待講演
• [備考] 植物の細胞壁が外部刺激に応答する分子機構の一端を解明
  • URL: http://www.k.u-tokyo.ac.jp/info/entry/7_entry46/
• [備考] 植物の受精卵が偏る仕組みを発見
  • URL: http://www.k.u-tokyo.ac.jp/info/entry/22_entry522/
• [備考] 葉っぱと頭蓋骨の意外な関係？ ～植物細胞の変形を説明する新理論を確立～
  • URL: http://www.k.u-tokyo.ac.jp/info/entry/7_entry36/