2020 Fiscal Year Annual Research Report
Imaging analysis on cell geometry during mechanical optimization in leaves
| 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 |
18H05492
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| Research Institution | Kumamoto University |
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Principal Investigator |
桧垣 匠 熊本大学, 国際先端科学技術研究機構, 准教授 (90578486)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
加藤 壮英 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 助教 (70379535)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | ジョイント構造 / 継ぎ手 / 画像解析 / 葉表皮細胞 / バイオイメージング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
植物の葉の表面を構成する表皮細胞は発生初期には単純な形状を呈しているが、成長が進むにつれて細胞壁が湾曲して細胞同士が噛み合うようなジグソーパズル状に変形を遂げる。これまで表皮細胞の形態変化を制御する分子実体や理論モデルの研究は進んできたものの、その湾曲構造が持つ意義については未だ不明瞭な点も多い。そこで本研究では、成長に伴う子葉の形態変化と同時に子葉表皮を構成するほぼ全ての表皮細胞の位置と形態の変化を計測する技術を開発する。また本研究で得られた知見に基づき、葉表皮細胞同士の噛合いを模した継ぎ手構造を創造するなど、建築構造分野への応用を目指す。さらに、本領域の統一課題である重力応答への適用を目指して三次元的な樹形構造の画像解析手法を構築する。
１．子葉表皮細胞における細胞壁湾曲の構造学的検討
金属顕微鏡法と深層学習に基づいてシロイヌナズナ子葉の表皮細胞形態を広範囲かつ経時的に計測する実験系を確立した（論文準備中）。また、細胞膜が蛍光標識された子葉表皮組織を非破壊的に共焦点顕微鏡で撮影し、VRを活用した四次元観察により子葉表皮細胞の変形を計測する実験系を確立した（Higaki and Mizuno 2020 Plnat Biotech）。上述の実験系を活用し、微小管結合タンパク質RIC1の過剰発現体における子葉とその表皮細胞の形態を解析したところ、ジグゾーパズル型の細胞形状は器官レベルでの局所的な成長量を緩衝することによって子葉の団扇型の形態形成に寄与する可能性が示唆された。また、建築構造物に葉表皮細胞のジグゾーパズル形状を活用するための検討も進めた。
２．樹形構造を定量評価する画像取得解析系の構築
シロイヌナズナの花茎や側枝など地上部の三次元形態を非破壊的に再構成するとともに、側枝の角度分布および曲率を計測する実験系を開発した（論文投稿中）。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
今年度は新型コロナウイルス感染症流行のため研究活動が一部制限された時期があったものの、１年を通してみれば本研究への影響は限定的であったと言える。その理由として、当研究室では複数の顕微鏡装置を個別の部屋に設置しており、少人数（ほぼ１名）での画像取得実験が可能であったこと、オンラインを活用することで画像解析に係る共同作業や議論が問題なく実施できたことが挙げられる。学会等の研究集会の中止・オンライン化に伴い、旅費など経費の使用用途の変更は余儀なくされたものの、やはりオンラインを活用することで議論・情報収集・成果発表の機会を損なうことはほとんどなかったと思われる。来年度以降も、オンラインを活用した研究を推進したい。
「研究実績の概要」で述べたように、当初より計画していた研究内容は順調に進行している。特に、研究課題２「樹形構造を定量評価する画像取得解析系の構築」については目覚ましい進捗があり、年度末には論文投稿まで至った。このような状況のため、本課題に関しては申請時の研究計画を練り直して、来年度以降も研究開発を発展的に継続する予定である。
以上より、本研究は当初の計画以上に進展していると判断された。
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| Strategy for Future Research Activity |
「現在までの進捗状況」で述べたように、昨今の状況を鑑みるとオンラインを活用した研究環境の構築は研究を滞りなく遂行する上で重要と考える。そのため、従来までは旅費等に使用していた予算を研究室内外の通信に使用する機器やソフトウェアの購入に使用する。
具体的な研究計画は下記の通りである。
１．子葉表皮細胞における細胞壁湾曲の構造学的検討
RIC1過剰発現体における子葉表皮細胞の成長に関して詳細なデータを取得するとともに、細胞壁分解酵素処理など力学的な摂動を与えた場合の細胞および器官の形態変化を計測する。また、数理シミュレーション解析を通してジグゾーパズル型細胞の構造学的意義を探る予定である。
２．樹形構造を定量評価する画像取得解析系の構築
本領域の森田班・上田班への技術移転を進めて重力応答や姿勢制御変異体における側枝の角度制御などの解析に活用するとともに、Plant architectureに関わるシロイヌナズナ変異体のデータ取得と解析を進める。
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[Journal Article] Discovery, characterization and functional improvement of kumamonamide as a novel plant growth inhibitor that disturbs plant microtubules.2021
Author(s)
Ishida T, Yoshimura H, Takekawa M, Higaki T, Ideue T, Hatano M, Igarashi M, Tani T, Sawa S, Ishikawa H.
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Journal Title
Sci Rep
Volume: 23
Pages: 6077
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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