カルシウムシグナルの揺らぎによる植物の形態形成制御

2023 年度 実績報告書

• 研究領域: 細胞システムの自律周期とその変調が駆動する植物の発生
• 研究課題/領域番号: 22H04734
• 研究機関: 東京理科大学
• 研究代表者: 朽津 和幸 東京理科大学, 創域理工学部生命生物科学科, 教授 (50211884)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2024-03-31
• キーワード: ゼニゴケ / カルシウムイオン / 活性酸素種 / 極性先端成長 / 仮根 / 長距離シグナル伝達 / 周期的振動 / ROS生成酵素

研究実績の概要

ゼニゴケの細胞質Ca2+濃度の時空間変化を、生理的状態を保ちながら個体全体から細胞内まで可視化解析する手法を改良し、長時間安定的に高精度のデータ取得が可能となった。その結果、以下を見出した。① 仮根の極性先端成長の伸長速度を高精度に定量化した。先端成長の方向と速度が青色光により制御される。仮根先端部において細胞質Ca2+濃度が周期的に振動し、その変調と伸長速度とが相関する。② 無性芽～葉状体の発生過程を通して分裂組織の個々の細胞内の細胞質Ca2+濃度が細胞の位置毎に異なる周期で自発的に変動し、細胞内・細胞間を伝播する。③ 維管束系を持たないにもかかわらず、接触・傷等の多様な刺激により、細胞質Ca2+濃度・活性酸素種(ROS)・電気シグナルが約1.2 mm/sの速度で長距離伝播し、遠位の分裂組織の細胞質Ca2+・ROS濃度が急激かつ一過的に上昇する。刺激誘導性ROSシグナルはROS生成酵素MpRbohBが担うが、細胞質Ca2+濃度・電気シグナルの波状の伝播には必要ない。④ ①～③の細胞質Ca2+濃度変化に関与する因子の同定を目指して、変異体を系統的に作出し、表現型の解析を進めると共に、遺伝子破壊系統の順遺伝学的スクリーニングを進めた。③が抑制される変異体を複数見出し、原因遺伝子の同定と機能解析を進めた。一つはイオンチャネルGLRであり、性質の解析を進めた。⑤ 全てのNox/Rbohを破壊した全生物界で初の例となるMprbohA/BKOが細胞分裂・分化に重篤な表現型を示すことを見出し、細胞質Ca2+濃度変化・ROSシグナルの下流で機能する標的因子の解析を進めた。rboh欠損およびROS消去処理下でトランスクリプトーム解析により細胞周期関連遺伝子発現に対する影響を発見した。ROSシグナルの下流で細胞周期進行が正に制御される可能性が示唆され、種々の細胞周期マーカーを用いて検証した。

現在までの達成度 (段落)

令和5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

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] ビュルツブルク大学(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: ビュルツブルク大学
• [国際共同研究] マリー・キュリー・スクウォドフスカ大学(ポーランド)
  • 国名: ポーランド
  • 外国機関名: マリー・キュリー・スクウォドフスカ大学
• [雑誌論文] Roadmap for the next decade of plant programmed cell death research (2024)
  • 著者名/発表者名: Kacprzyk Joanna、Burke Rory、Armengot Laia、Coppola Marianna、Tattrie Sophie B.、Vahldick Hannah、Bassham Diane C.、Bosch Maurice、Brereton Nicholas J. B.、Cacas Jean‐Luc、Coll N?ria S.、Gallois Patrick、Kuchitsu Kazuyuki、4名略、McCabe Paul F.
  • 雑誌名: New Phytologist 巻: 242 ページ: 1865～1875
  • DOI: 10.1111/nph.19709
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Growth control of Marchantia polymorpha gemmae using nonthermal plasma irradiation (2024)
  • 著者名/発表者名: Tsuboyama Shoko、Okumura Takamasa、Attri Pankaj、Koga Kazunori、Shiratani Masaharu、Kuchitsu Kazuyuki
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 14 ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41598-024-53104-1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Rapid Propagation of Ca2+ Waves and Electrical Signals in the Liverwort <i>Marchantia polymorpha</i> (2024)
  • 著者名/発表者名: Watanabe Kenshiro、Hashimoto Kenji、Hasegawa Kota、Shindo Hiroki、Tsuruda Yushin、Kupisz Kamila、Koselski Mateusz、Wasko Piotr、Trebacz Kazimierz、Kuchitsu Kazuyuki
  • 雑誌名: Plant And Cell Physiology 巻: 65 ページ: 660～670
  • DOI: 10.1093/pcp/pcad159
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Enhanced Ca²⁺ binding to <scp>EF</scp>‐hands through phosphorylation of conserved serine residues activates <scp>MpRBOHB</scp> and chitin‐triggered <scp>ROS</scp> production (2023)
  • 著者名/発表者名: Hashimoto Takafumi、Hashimoto Kenji、Shindo Hiroki、Tsuboyama Shoko、Miyakawa Takuya、Tanokura Masaru、Kuchitsu Kazuyuki
  • 雑誌名: Physiologia Plantarum 巻: 175 ページ: -
  • DOI: 10.1111/ppl.14101
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Novel in silico screening system for plant defense activators using deep learning-based prediction of reactive oxygen species accumulation (2023)
  • 著者名/発表者名: Kogoshi Masayuki、Nishio Daiki、Kitahata Nobutaka、Ohwada Hayato、Kuchitsu Kazuyuki、Mizuno Hideyuki、Kurusu Takamitsu
  • 雑誌名: Plant Methods 巻: 19 ページ: -
  • DOI: 10.1186/s13007-023-01118-7
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] ゼニゴケの細胞分裂・成長制御における活性酸素種の役割と、低温プラズマ照射の影響の解析 (2024)
  • 著者名/発表者名: 坪山 祥子・朽津和幸
  • 学会等名: 第2回プラズマ種子科学研究会
  • 招待講演
• [学会発表] ゼニゴケの自発的及びストレス誘導性の細胞質Ca2+濃度変化の時空間パターン (2024)
  • 著者名/発表者名: 朽津和幸、池内 亨、瀬野衣里奈、渡邊健志郎、町野友昭、神谷佳世、小嶋 華、山下優音、坪山祥子、橋本研志
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
• [学会発表] ゼニゴケの細胞周期進行・分裂パターン制御におけるNOX/RBOH由来のROSの役割と下流の分子メカニズム (2024)
  • 著者名/発表者名: 山下 優音、萩原 雄樹、橋本 研志、鈴木 秀政、西浜 竜一、朽津 和幸
  • 学会等名: 第65回日本植物生理学会年会
• [学会発表] MAMP誘導性活性酸素種生成・Rbohの活性化に、陸上植物に保存されたセリン残基のリン酸化によるCa2+結合の亢進が関与する (2024)
  • 著者名/発表者名: 橋本 貴史, 橋本 研志, 進藤 大輝, 坪山 祥子, 宮川 拓也, 田之倉 優, 朽津 和幸
  • 学会等名: 日本植物病理学会
• [学会発表] Spontaneous spikes, fluctuation and oscillation of calcium ion concentration in plants: possible significance in morphogenesis, signal transmission and environmental adaptation (2023)
  • 著者名/発表者名: Kazuyuki Kuchitsu
  • 学会等名: Hybrid QBIC Workshop 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 低温プラズマによる植物の成長制御の分子メカニズム: 植物における活性酸素種の生理的役割 (2023)
  • 著者名/発表者名: 朽津 和幸
  • 学会等名: 第33回日本MRS年次大会
  • 招待講演
• [学会発表] Reactive oxygen species produced in the apoplast by NADPH oxidases play critical roles in regulating the structure and mechanical properties of the cell wall in Marchantia polymorpha (2023)
  • 著者名/発表者名: Hashimoto, K. (他3名) Kuchitsu, K.
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Critical Roles and molecular mechanisms of Nox/Rboh-mediated ROS production in the regulation of cell division and cell cycle progression in Marchantia polymorpha (2023)
  • 著者名/発表者名: Yamashita, Y., Hashimoto, K., Nishihama, R., Kuchitsu, K.
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 細胞質Ca2+濃度動態のマルチスケール解析から見えてきたゼニゴケ仮根の先端成長速度の制御 (2023)
  • 著者名/発表者名: 池内亨, 小嶋華, 橋本研志, 津川暁, 康子辰, 野々山朋信, 石本志高, 住野豊, 朽津和幸
  • 学会等名: 第33回非線形反応と 協同現象研究会
• [学会発表] 苔類ゼニゴケの高速長距離情報伝達系: 何を感知し、なぜ、どのように伝えるか？ (2023)
  • 著者名/発表者名: 朽津 和幸 , 渡邉 健志郎 , 長谷川 晃汰, 神谷 有紀 ,菊地 宏樹 , 鶴田 悠心 , 岩本 有宇 , 橋本 研志
  • 学会等名: 第32回日本バイオイメージング学会学術集会
• [学会発表] ゼニゴケのNOX/RBOHにより生成される活性酸素種（ROS）の細胞周期・分裂制御機構における役割 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山下優音、萩原雄樹、橋本研志、朽津和幸
  • 学会等名: 第32回日本バイオイメージング学会学術集会
• [学会発表] Light control of polarized tip growth and Ca2+ dynamics of rhizoids in Marchantia polymorpha (2023)
  • 著者名/発表者名: Hana Kojima, Toru Ikeuchi, Kenji Hashimoto, Kazuyuki Kuchitsu
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Spatio-temporal Pattern Analysis of Spontaneous Ca2+ Spikes in Marchantia polymorpha. (2023)
  • 著者名/発表者名: Erina Seno, Yuka Yoshizawa, Yuto Yamashita, Kenji Hashimoto, Kazuyuki Kuchitsu
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Mode of action and possible application of a novel compound that induces the accumulation of both jasmonic acid and salicylic acid in Arabidopsis. (2023)
  • 著者名/発表者名: Mizuki Ogawa, Kentaro Namiki, Ryuhei Toya, Sota Ogawa, Seigo Hoshino, Manami Awano, Hinaho Uesugi, Taiki Funahashi, Nobutaka Kitahata, Yuho Saito, Masataka Nakano, Kenji Hashimoto, Hiroshi Abe, Tadao Asami, Seisuke Kimura, Kouji Kuramochi, Kazuyuki Kuchitsu
  • 学会等名: Taiwan-Japan Plant Biology 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Reactive oxygen species produced in the apoplast by NADPH oxidases play critical roles in regulating the structure and mechanical properties of the cell wall in Marchantia polymorpha. (2023)
  • 著者名/発表者名: Kenji Hashimoto, Mariko Higashijima, Kayo Kamiya, Yuto Yamashita, Kazuyuki Kuchitsu
  • 学会等名: Hybrid QBIC Workshop 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Critical Roles and molecular mechanisms of Nox/Rboh-mediated ROS production in the regulation of cell division and cell cycle progression in Marchantia polymorpha (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuto Yamashita, Yuki Hagiwara, Kenji Hashimoto, Hidemasa Suzuki, Ryuichi Nishihama, Kazuyuki Kuchitsu
  • 学会等名: Hybrid QBIC Workshop 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Light control of polarized tip growth and Ca2+ dynamics of rhizoids in Marchantia polymorpha (2023)
  • 著者名/発表者名: Hana Kojima, Toru Ikeuchi, Kenji Hashimoto, Kazuyuki Kuchitsu
  • 学会等名: Hybrid QBIC Workshop 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Spatio-temporal Pattern Analysis of Spontaneous Ca2+ Spikes in Marchantia polymorpha. (2023)
  • 著者名/発表者名: Erina Seno, Yuka Yoshizawa, Yuto Yamashita, Kenji Hashimoto, Kazuyuki Kuchitsu
  • 学会等名: Hybrid QBIC Workshop 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Mode of action and possible application of a novel compound that induces the accumulation of both jasmonic acid and salicylic acid in Arabidopsis. (2023)
  • 著者名/発表者名: Mizuki Ogawa, Kentaro Namiki, Ryuhei Toya, Sota Ogawa, Seigo Hoshino, Manami Awano, Hinaho Uesugi, Taiki Funahashi, Nobutaka Kitahata, Yuho Saito, Masataka Nakano, Kenji Hashimoto, Hiroshi Abe, Tadao Asami, Seisuke Kimura, Kouji Kuramochi, Kazuyuki Kuchitsu
  • 学会等名: Hybrid QBIC Workshop 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Quantitative analysis of fluctuation, oscillation and gradient of intracellular Ca2+ concentration at the growing tip of rhizoids in a liverwort, Marchantia polymorpha (2023)
  • 著者名/発表者名: Toru Ikeuchi, Hana Kojima, Kenji Hashimoto, Yutaka Sumino, Satoru Tshugawa, Nonoyama Tomonobu, Zichen Kang, Yukitaka Ishimoto, Kazuyuki Kuchitsu
  • 学会等名: Hybrid QBIC Workshop 2023
  • 国際学会
• [学会発表] ゼニゴケのCa2+濃度の時空間パターンと細胞分裂・伸長 (2023)
  • 著者名/発表者名: 朽津 和幸
  • 学会等名: 細胞周期合同セミナー
• [学会発表] ゼニゴケのNOX/Rbohが生成する活性酸素種(ROS)による細胞周期・分裂制御メカニズムの探索 (2023)
  • 著者名/発表者名: 山下優音、橋本研志、朽津和幸
  • 学会等名: 細胞周期合同セミナー
• [学会発表] 活性酸素種による植物の細胞増殖・伸長・分化の制御 (2023)
  • 著者名/発表者名: 朽津 和幸，山下 優音，坪山 祥子，橋本 貴史，橋本 研志
  • 学会等名: 第40回日本植物バイオテクノロジー学会（千葉）大会
• [学会発表] ゼニゴケのストレス応答性高速長距離シグナル伝達系の分子機構の解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 渡邉 健志郎, 長谷川 晃汰, 神谷 有紀, 山田 大輔, 菊地 宏樹 , 鶴田 悠心, 岩本 有宇, 斎藤 顕宜, 橋本 研志 , 朽津 和幸
  • 学会等名: 日本植物学会第87回大会
• [学会発表] 植物の物理刺激応答機構の解析に向けた交流電気化学インピーダンス特性とCa2+シグナルの同時観測 (2023)
  • 著者名/発表者名: 岡嶋真由、渡邉健志郎、橋本研志、朽津和幸、杉山睦
  • 学会等名: 日本植物学会第87回大会
• [学会発表] 植物は何のために細胞壁空間に活性酸素種を生成する必要があるのか？ (2023)
  • 著者名/発表者名: 橋本研志、神谷佳世、東島万里子、山下優音、朽津和幸
  • 学会等名: 日本植物学会第87回大会
• [学会発表] ゼニゴケの細胞周期・分裂制御におけるRboh由来のROSの役割と下流の分子ネットワーク (2023)
  • 著者名/発表者名: 山下 優音, 萩原 雄樹, 橋本 研志, 鈴木 秀政, 西浜 竜一, 朽津 和幸
  • 学会等名: 日本植物学会第87回大会
• [学会発表] 細胞質Ca2+濃度動態のマルチスケール解析から見えてきたゼニゴケ仮根の先端成長速度の制御 (2023)
  • 著者名/発表者名: 池内 亨、小嶋 華、橋本 研志、津川 暁、康 子辰、野々山 朋信、石本 志高、住野 豊、朽津 和幸
  • 学会等名: 日本植物学会第87回大会
• [学会発表] ゼニゴケの環境ストレス応答に関与するイオンチャネルの探索と機能解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 神谷佳世、斎藤湖希、長谷川晃汰、鶴田悠心、神谷有紀、瀬野衣里奈、橋本貴史、橋本研志、朽津和幸
  • 学会等名: 日本植物学会第87回大会
• [学会発表] ゼニゴケ分裂組織周辺の自発的Ca2+スパイクと細胞分裂に伴うCa2+動態の時空間パターンの解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 瀬野 衣里奈、吉沢 優花、山下 優音、橋本 研志、朽津 和幸
  • 学会等名: 日本植物学会第87回大会
• [学会発表] ゼニゴケ仮根の極性先端成長の方向と速度の青色光による制御 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小嶋 華、池内 亨、 橋本 研志、朽津 和幸
  • 学会等名: 日本植物学会第87回大会
• [学会発表] 植物の生き方・情報処理・生体防御 (2023)
  • 著者名/発表者名: 朽津 和幸
  • 学会等名: 日本薬理学会関東支部会
  • 招待講演
• [学会発表] Programmed Cell Death in Plants: Elicitor-triggered PCD in cultured cells and autophagy-mediated PCD in rice tapetum during pollen maturation (2023)
  • 著者名/発表者名: Kazuyuki Kuchitsu
  • 学会等名: New Phytologist Plant Programmed Cell Death Meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Mode of action of a novel putative plant defense activator that induces the accumulation of both jasmonic acid and salicylic acid in Arabidopsis. (2023)
  • 著者名/発表者名: Kazuyuki Kuchitsu, Kentaro Namiki, Taiki Funahashi, Nobutaka Kitahata, Yuho Saito, Masataka Nakano, Kenji Hashimoto, Tadao Asami, Seisuke Kimura, Kouji Kuramochi
  • 学会等名: The 33rd International Conference on Arabidopsis Research
  • 国際学会
• [学会発表] Conserved molecular regulatory mechanism of the ROS-producing activity of RBOHs by phosphorylation and Ca2+ binding in land plants. (2023)
  • 著者名/発表者名: Takafumi Hashimoto, Kenji Hashimoto, Takuya Miyakawa, Masaru Tanokura, Kazuyuki Kuchitsu
  • 学会等名: The 33rd International Conference on Arabidopsis Research
  • 国際学会
• [学会発表] Roles of reactive oxygen species in plant development: Growth control of a model liverwort Marchantia polymorpha by nonthermal plasma (2023)
  • 著者名/発表者名: Kazuyuki Kuchitsu, Shoko Tsuboyama, Takafumi Hashimoto, Kenshiro Watanabe, Kenji Hashimoto, Takamasa Okumura, Kazunori Koga, Masaharu Shiratani
  • 学会等名: The 7th International Symposium on Plasma & Fine Bubbles to Agriculture and Aquaculture
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] リグニン合成にはたらく活性酸素種生成酵素RBOHの制御機構は種子植物間で広く保存されている
  • URL: https://www.tus.ac.jp/today/archive/20230411_6537.html
• [備考] 植物の活性酸素種生成酵素の活性化メカニズムを解明
  • URL: https://www.tus.ac.jp/today/archive/20240124_7312.html