植物代謝制御(出村研究室)

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研究紹介

キーワード:遺伝子発現制御、細胞分化、細胞壁形成、木質バイオマス、植物バイオテクノロジー、バイオインフォマティクス、植物の力学応答

木質細胞分化の制御機構の解明と木質バイオマス改変バイオテクノロジー開発:出村教授

 持続可能な社会の構築に向けて、モデル植物や実用植物のオミクス情報や分子生物学的研究成果をもとに、木質細胞(道管細胞=水輸送細胞、繊維細胞=支持細胞)分化の制御機構の解明、それを応用した木質バイオマス改変バイオテクノロジー開発を行っています。

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植物へ導入した遺伝子を高発現できる基盤技術の開発:加藤准教授

 高等植物では各種の遺伝子導入技術が開発され、有用遺伝子組換え植物や培養細胞を作出する試みが盛んに行われています。例えば、食料増産、未利用地での生育、環境浄化、工業原料、燃料あるいは医薬品などの有用タンパク質生産などです。しかし、有用遺伝子組換え植物を実用化する上で、導入した遺伝子の発現レベルが低いことは大きな障害であり、この問題を解決する技術の開発は真の実用化にとって非常に重要です。私たちは植物へ導入した遺伝子の発現レベルを高めるための基盤技術の開発を行っています。

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細胞内膜系オルガネラによる植物細胞壁形成の分子制御メカニズム國枝助教

 私たち真核生物の細胞には細胞小器官(オルガネラ)と呼ばれる様々な構造体が存在しています。葉緑体などの植物に特有な構造体がある一方で、細胞核や小胞体、ゴルジ装置など動物と共通するオルガネラを植物細胞はもっています。私たちの研究室では、このような真核生物に普遍的に存在するオルガネラが、植物細胞を象徴する構造体である細胞壁の形成にどのように関わっているのかを明らかにすることを目指しています。

 細胞壁を構成する多くの成分の合成には、ゴルジ装置が重要な役割を担っていることが分かっています。私たちは、ゴルジ装置で合成された細胞壁成分が細胞膜外へと内膜系オルガネラを経て分泌輸送される過程に着目し、その制御因子の同定をはじめ、それら因子が関与する分子メカニズムを解明しようと研究を進めています。種子がもつ特殊な細胞壁構造“ムシレージ”を主要な研究対象にして、ムシレージの形成を制御する複数の因子をこれまでに同定してきました。植物細胞の形態を決める細胞壁は、植物個体の形態形成においてもとても重要です。ユニークな植物の形づくりを、生物の最小単位である細胞の内側で起こるミクロな仕組みから一緒に解き明かしてみませんか?

 

植物器官の形態と力学的特性を決めるメカニズムの解明:中田助教

 植物は茎・葉・花・根など様々な器官から成り立っています。それらの器官はそれぞれの役割に適した形態や力学的特性を示します。例えば、葉は光合成に適した扁平な形であるのに対して茎や根は広い範囲に伸びていくのに適した細長い形をしている、街路樹の幹は固いが強い風で折れてしまうのに対して吊り橋の材料に使われるような木のツルは曲がりやすいが丈夫、といった様々な特徴があります。私たちは、これらの特徴を決める遺伝子レベルの制御メカニズムを明らかにするため、遺伝子情報が明らかにされているモデル植物を材料とした研究に取り組んでいます。また、その研究を効率的に実施するためのツールとして、形態や力学的特性をハイスループットに解析する実験手法や解析プログラムの開発にも取り組んでいます。

 

セルロース合成の細胞内輸送を制御する仕組みの解明:Watanabe特任助教

 私たちはセルロース合成酵素(CELLULOSE SYNTHASES (CESAs))の細胞内輸送や動きに着目しながら,植物の二次細胞壁形成の制御の仕組みの解明を目指しています。セルロース合成酵素によって合成されるセルロースは植物細胞壁の主成分であり,植物がもつ構造的な強さの維持に必要不可欠です。CESAsは細胞内と細胞膜間でその局在をダイナミックに変化させながら,細胞膜上で巨大な多量体として存在することで機能し、合成したセルロース鎖を形成中の細胞壁へと直接押し出しています。二次細胞壁形成中のCESAsの細胞内輸送を制御する仕組みを明らかにするため、私たちは次の3点に着目して研究を進めています。1) 二次細胞壁形成の開始によって起こる、一次細胞壁タイプからのCESA酵素の置き換えメカニズム,2) CESAsのゴルジ体から細胞膜への細胞内輸送を制御する因子の同定と、そうした輸送の際CESAsが他の細胞壁材料とは区別されて(特別扱いで)輸送されているのかの解明,3) CESA複合体を囲む脂質マイクロドメインの存在の検証と,(そうしたドメインを構成するような)ある種の脂質の存在がセルロース合成能力に関与しうるかの解明。これらの研究は木質形成中のセルロース合成を操作するための方法論に影響を与え、産業レベルの利用に拡がる可能性を秘めています。

 

植物の力学的最適化の数理:津川特任助教

 植物は進化の歴史の中で力学的に安定した最適な構造を備えていると考えられており、これまでに実際の植物の力学的測定データに基づいて植物の力学的構造を理論的に特徴づける科学的研究が数多く試みられてきました。一方で、構造工学や建築学の領域では植物が持つしなやかな力学的仕組みや有機的で滑らかな曲線を構造物に生かすデザインや形態創生などの工学的研究が近年注目されています。
 私たちは、植物が持つ力学的最適化の実際を実験データと数理モデルの両輪で読み解く方法論の開発に取り組んでいます。特に花茎の重力屈性の力学的仕組みを理解することで、植物特有の力学的な特性を利用した機能性材料や省部材な構造システムの提案を目指しています。

 

植物の力学的最適化戦略に基づくサステナブル構造システムの基盤創成~植物構造オプト~

 植物の力学的最適化の実際を、分子、細胞、組織、個体といったマルチスケールで理工学的に読み解くことを目的としています。例えば、地球上の樹木は重力や雨風に耐えながら、その幹や枝を支える重力屈性や倒木耐性を進化の歴史の中で獲得してきたと考えられていますが、果たして本当に植物は力学的に最適化された構造を備えているのでしょうか?私たちは樹木や植物の水平からの起き上がりを観測する屈性実験や、植物のどこにどのような力が働いているかを推測する数理モデルの解析を通して、植物の力学的特性を理解する研究を行っています。さらには、得られた力学的知見を新規の省エネルギー・省部材の建築設計や新材料モデルに昇華させ、次世代型のサステナブル構造システムの基盤を創成することを目指しています。

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