2020 Fiscal Year Annual Research Report
Biophysical analysis of the cell wall-plasma membrane interface using GFP-based tension and calcium sensors
| Project Area | Elucidation of the strategies of mechanical optimization in plants toward the establishment of the bases for sustainable structure system |
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| Project/Area Number |
18H05491
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| Research Institution | Saitama University |
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Principal Investigator |
豊田 正嗣 埼玉大学, 研究機構, 准教授 (90714402)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | 植物 / バイオセンサー / 機械刺激 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
植物は外力（力学的刺激）を受容して、自立的かつダイナミックに生体構造を変化させる（力学的最適化戦略）。この力学的最適化戦略は、持続可能な（サステナブル）社会・資源・建築を実現するために重要な能力であるが、その根幹を成す植物の力学的刺激受容機構は明らかになっていない。本研究では、外力によって発生する張力およびカルシウムシグナルを可視化するイメージング技術を開発し、植物の力学的刺激受容・フィードバック機構を解明する。さらに、これらの新しい技術を用いて、生きた植物の構造力学的パラメーターを取得し、力学的最適化を可能にする植物の原理を抽出することで、次世代のサステナブル建築構造モデルを構築する。
今年度は、生体内に発生する張力に応答して蛍光強度が変化するGFP型張力センサーの開発、広視野・ポータブルカメラ・蛍光イメージングシステムを用いた、大型植物体のリアルタイムカルシウムイメージングなどを行った。GFP型張力センサーについては、セルロースなどの細胞壁成分に特異的に結合するタンパク質を融合させ、in vitroでの結合能を確認した。広視野・ポータブルカメラ・蛍光イメージングシステムを用いたリアルタイムカルシウムイメージングについては、高さが30cm以上あるタバコなどの大型植物を自然な状態（自立した状態）で栽培しながら、カルシウムシグナルの可視化に成功した。カルシウムイメージングのデータ（動画）や新しい蛍光顕微鏡システムは、NHK総合「世界！オモシロ学者のスゴ動画祭」やBSフジ「ガリレオX」などのメディアに取り上げられた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
GFP型張力センサーについては、セルロースなどの細胞壁成分に特異的に結合するタンパク質を複数選抜し、フレキシブルなリンカーを介してGFPの蛍光センサードメインに連結させた。まずは、この状態で蛍光を発していることを確認し、次に、セルロースなどに結合するか、否かを確認した。木材由来のセルロースなどを用いたin vitroアッセイを行ったところ、GFP型張力センサーは細胞壁成分への特異的結合能を有していることが明らかになった。
一般的な顕微鏡は、試料を真上または真下から観察するために設計されており、自立している植物を真横から観察することは難しい。そこで、背丈が30 cm を超えるようなタバコやオジギソウなどの大型植物を、任意の角度で真横から蛍光イメージングができる広視野・ポータブルカメラ・蛍光イメージングシステムを構築した。このイメージングシステムを用いて、接触や振動などの力学的刺激に対するカルシウムシグナルをリアルタイム（最大40フレーム/秒）でイメージングすることに成功した。さらに、同じ大型植物を用いて、アミノ酸などを投与することで発生する全身性の高速カルシウムシグナルの可視化にも成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
GFP型張力センサーに関しては、蛍光センサードメイン・フレキシブルリンカー・細胞壁結合ドメインなどの重要部位が確定した。in vitroでは、既に蛍光および細胞壁への結合能が確認されているので、in vivoの実験系として、タバコBY-2細胞やシロイヌナズナなどの植物体でのイメージングへと移行していく。
広視野・ポータブルカメラ・蛍光イメージングシステムは、大型植物を用いた任意の角度からのリアルタイムイメージングに成功しており、刺激と応答に関する定量的な解析を行っていく。自立した状態で、様々な力学的刺激を与え、その時空間的なイメージングデータを解析していくことで、生きた植物の構造力学的パラメーターを取得していく。
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[Journal Article] Gravity sensing in plant and animal cells2021
Author(s)
Takahashi Ken、Takahashi Hideyuki、Furuichi Takuya、Toyota Masatsugu、Furutani-Seiki Makoto、Kobayashi Takeshi、Watanabe-Takano Haruko、Shinohara Masahiro、Numaga-Tomita Takuro、Sakaue-Sawano Asako、Miyawaki Atsushi、Naruse Keiji
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Journal Title
npj Microgravity
Volume: 7
Pages: 2
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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