１細胞発光イメージングを用いた植物個体内における概日時計ネットワークの解析

使用单细胞发光成像分析单个植物的生物钟网络

基本信息

批准号：
12J01530
负责人：
村中智明
金额：
$ 1.73万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2012
资助国家：
日本
起止时间：
2012-04-01 至 2015-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

概日時計は約24時間周期の振動を生成し、それを外環境の昼夜変動へと同調させることで日周的な環境変動への適応を可能としている。植物においても概日時計は光合成や、成長、花成などの主要な生理現象の制御に関与している。植物細胞ではその多くで時計遺伝子が発現しており、細胞一つ一つが細胞時計として振る舞う。しかしながら植物個体中における細胞概日時計の挙動は、その観測の困難さから不明な点が多かった。研究員は自身が開発した一細胞発光イメージングシステムを用いて細胞レベルでの概日時計の解析に取り組んできた。昨年度までに、イボウキクサを材料に解析を行い、昼夜のない定常条件において細胞リズムが脱同期すること、近傍細胞間には位相を近づけようとする相互作用が示唆されるが、その強度は細胞が示す周期のばらつき、不安定性を抑えるほど強くないこと、を明らかとしてきた。本年度ではリズム解析手法を改良し、これまでに得られたデータを再評価することで、細胞間における周期のばらつき、及び、周期変動を定量的に記述することに成功した。また、脱同期時の細胞振動子リズムに明暗条件を与え、位相の異なる細胞振動子が外部明暗周期に同調していく過程を観察した。同調過程における細胞概日リズムの挙動は明暗条件前の位相にのみ依存したことから、個体上の細胞は各々の時間情報に従い、独立に明暗条件に同調すると結論づけた。さらに、同調後の明暗条件下において細胞リズムの位相には空間的なパターンが存在することを発見した。このパターンには、同調前のリズムデータから推定された細胞の周期・位相とも明瞭な相関がなく、明暗条件下において細胞の位置情報に基づき新たに形成されたパターンだと考えられた。以上の結果は、これまで知見の乏しかった植物個体内における細胞概日時計の基本的性質を明らかにし、新たな問題設定を可能にする先駆的なものだと考えている。

生物钟产生周期约为24小时的振荡，通过将其与外部环境的昼夜波动同步，可以适应昼夜环境波动。在植物中，生物钟还参与控制主要的生理现象，例如光合作用、生长和开花。时钟基因在许多植物细胞中表达，每个细胞都充当细胞时钟。然而，由于观察困难，单个植物中细胞生物钟的行为在很大程度上仍然未知。研究人员一直致力于使用他开发的单细胞发光成像系统在细胞水平上分析生物钟。去年，我们以粳稻为材料进行了分析，结果表明，在没有昼夜的稳定条件下，细胞节律变得不同步，并且相邻细胞之间存在相互作用，试图使相位接近在一起，但其强度已被阐明，周期性变化并且不足以抑制不稳定。今年，通过改进节律分析方法并重新评估迄今为止获得的数据，我们成功地定量描述了细胞之间的周期变化和周期波动。我们还在去同步过程中对细胞振荡器节律应用了光照和黑暗条件，并观察了不同相位的细胞振荡器与外部光暗周期同步的过程。由于夹带过程中细胞昼夜节律的行为仅取决于光照和黑暗条件之前的阶段，因此我们得出结论，个体细胞根据各自的时间信息独立地调节光照和黑暗条件。此外，我们发现夹带后明暗条件下细胞节律的相位存在空间模式。该模式与根据夹带之前的节律数据估计的细胞周期和相位没有明显的相关性，并且被认为是基于光和暗条件下的细胞位置信息新形成的模式。我们相信，上述结果揭示了个体植物内细胞生物钟的基本特性，迄今为止人们对此知之甚少，并且是开创性的结果，将有可能提出新的问题。