2021 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、細胞壁や細胞膜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や、多波長・広視野蛍光顕微鏡および水平蛍光カメラシステムを用いた、大型植物における接触や重力刺激応答の解析を行った。GFP型張力センサーついては、細胞壁成分への結合能およびcpEGFPの蛍光を確認し、重要な機能ドメインである細胞壁結合ドメイン・蛍光センサードメインを確定させた。新しい広視野イメージング法を用いた研究では、シロイヌナズナの花茎や葉面のトライコーム、タバコの地上部を対象にした機械刺激応答性のカルシウムシグナルの可視化を行った。これらの新しい広視野イメージング技術に関する研究および領域内での共同研究などを原著論文として発表した。
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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
細胞壁や細胞膜に発生する張力や力学的なひずみに応答して蛍光強度が変化するGFP型張力センサーに関して、無細胞翻訳系およびタバコ培養細胞系を用いたスクリーニングを行った。セルロースやキシランなどの細胞壁成分と相互作用する結合ドメインを選抜し、これらのドメインに蛍光センサードメインであるcpEGFPを連結させた。さらに、これらのバイオセンサータンパク質を試験管内で合成し、細胞壁との結合能を調べたところ、cpEGFPの蛍光を示すとともに木材由来のセルロースへの特異的な相互作用が確認された。これらの結果から、GFP型張力センサーの重要な機能ドメインである、細胞壁結合ドメイン・蛍光センサードメインが確定した。
一般的に顕微鏡とは、小さい試料を拡大して観察する装置であるが、我々は大きな試料を拡大することなく全体をそのままのスケールで可視化することを目的として、新しい蛍光顕微鏡（カメラ）技術を開発してきた。このイメージング技術の一部を論文として発表した。さらに、最近開発した水平蛍光カメラシステムを用いて、シロイヌナズナやタバコの花茎における、屈曲時のカルシウムシグナルをリアルタイムで観察することに成功した。器官が屈曲した凸側（引っ張られている側面）で特異的なカルシウム上昇が起こり、張力分布と高い相関があることがわかった。また、領域内での共同研究として、葉の表面の突起構造であるトライコームに機械的な刺激を与えた時に起こるカルシウムシグナル伝播の可視化にも成功しており、構造力学的な研究のみならず、植物病理学的な研究にも発展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
GFP型張力センサーに関しては、新たに細胞膜に結合するドメインのスクリーニングを行う。細胞壁と細胞膜をブリッジするようなセンサーを構築することで、本研究の最終目標である細胞壁と細胞膜のインターフェイスの構造力学的な変化を解析する。
植物の力学的刺激受容・フィードバック機構の研究に関しては、新しいイメージング技術の開発と並行して、これらの技術を用いてシロイヌナズナやタバコ、花茎やトライコームなどを対象に幅広く研究を進めてきた。今後は、オジギソウやハエトリソウなどの機械刺激を受容して運動を引き起こす動く植物へと研究を展開していく。植物のセンサーとアクチュエータという新しい概念の提唱を目指す。
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