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Cell wall pattern

植物細胞の性質はその細胞を覆う細胞壁に大きく依存します。特に細胞壁を構成するセルロース微繊維の並び方が細胞の形態を決定付けます。セルロース微繊維の沈着は細胞膜直下に並ぶ表層微小管によって誘導されます。表層微小管はそれぞれダイナミックに伸長・短縮を繰り返していますが、あたかも初めから並び方を知ってるかのように秩序立って配列します。どのようにして微小管は適切な配列に並ぶことができるのでしょうか?

The nature of plant cells largely depends on their cell walls. The deposition pattern of cellulose microfibrils in cell walls is the major determinant of cell shape. Deposition of cellulose microfibrils are directed by cortical microtubules beneath the plasma membrane. Cortical microtubules repeatedly elongate and shrink but they are organized as highly ordered array. How can microtubules be aligned properly?

表層微小管 (共焦点像)
Cortical microtubules (confocal)

総説/Review
Oda 2015 Frontiers in Plant Science

Mobirise

植物の道管を構成する細胞は厚い細胞壁(二次細胞壁)を沈着し、 細胞の内容物を消化することにより中空の管となって水の通り道を作ります。 道管の側面の細胞壁には道管液を通すために壁孔が空いていますが、壁孔が規則的に分布することで特徴的な細胞壁のパターンができてきます。私たちはこの道管に着目し、表層微小管が配列する仕組み、さらには細胞壁のパターンが作られる仕組みを研究しています。

Xylem vessel cells deposit thick cell walls (secondary cell walls) and digest the cellular contents to serve as hollow tubes for water transport. Numerous pits are formed in the secondary cell walls to ensure lateral water transport, resulting in characteristic patterns of cell walls. We focus on xylem vessels to investigate the mechanism underlying the alignment of cortical microtubules.

道管の細胞壁パターンのコレクション (シロイヌナズナ)
A collection of cell wall patterns (Arabidopsis)

総説/Review
Oda and Fukuda 2012 Curr Opin Plant Biol

Mobirise

細胞培養 道管は植物組織の深いところに形成されるため、顕微鏡で観察したり遺伝子の機能を調べるのは困難です。 私たちはシロイヌナズナの培養細胞を用いて、フラスコの中で道管の細胞だけを培養する実験法を開発しました。この方法を用いることで道管の細胞の中を精密に観察したり特定のタンパク質はたらきを詳細に調べることができるようになりました。その結果、細胞骨格の制御タンパク質や低分子量Gタンパク質といった、様々なタンパク質のはたらきで表層微小管の並びが制御されていることが明らかになりつつあります。

Cell culture Xylem vessels are formed at the deep inside of plant tissues, making it difficult to dissect the process of xylem vessel differentiation. We have developed the in vitro cell culture to reproduce xylem vessel differentiation using Arabidopsis suspension cells. By using this system, we are investigating the mechanism underlying the cell wall patterning in xylem vessels. We have been revealing that a range of proteins including microtubule- and actin-binding proteins, small G proteins.


道管に分化したシロイヌナズナ培養細胞。赤いシグナルは二次細胞壁。
Arabidopsis suspension cells differentiate to xylem vessel elements. Red signals indicate secondary cell walls.

原著論文/Original article
Oda et al. 2010 Current Biology
プロトコール/Protocol
Oda 2017 Methods in Molecular Biology

Mobirise

微小管を排除する 道管に分化する培養細胞の微小管を観察していると、局所的に微小管が壊れやすいスポットがいくつも現れ、その領域が壁孔となることが分かりました。これはスポットの領域で活性化した低分子量Gタンパク質ROP (GTP-ROP) がMIDD1を介して微小管脱重合活性を持つKinesin-13Aをリクルートすることで引き起こされていることが明らかとなりました。

Eliminate microtubules  We found that cortical microtubules are easily depolymerized at the area of future pits on the plasma membrane of differentiating xylem vessel cells. This was actually induced by the ROP small GTPases: the activated ROP recruits MIDD1, which in turn recruits the microtubule depolymerizer Kinesin-13A.




Mobirise

形を調節する ROPが活性化したスポットの領域の外ではIQD13が表層微小管と細胞膜に相互作用し、活性化したROPの細胞膜上の拡散を制限していることが分かってきました。一方、CORD1と名付けた新規のタンパク質は表層微小管を細胞膜から遊離させることでその制限を弱めています。IQD13とCORD1のバランスによりROPスポットの形状が決まりそれにより壁孔の形も決まると考えられます。

Pit shaping We found that IQD13 associates with microtubules and the plasma membrane so that microtubules surrounding the ROP spots prevent the outward diffusion of ROP, limiting the area of the ROP spots. On the other hand, the new protein CORD1 was found to dissociate microtubules from the plasma membrane to turn down the ROP-limiting activity of microtubules. 

 自己組織化 ROPのスポット状の活性化はどのようにして起こるのでしょうか?私たちはこの現象が反応拡散モデル、すなわち拡散速度の異なる物質の相互作用による自発的なパターン形成で説明できるのではないかと考え、ROPとその活性化因子GEF、不活性化因子GAPの振る舞いを数理モデルで解析ました。その結果、ROPが自律的にスポットを作り出し得ることが分かりました。さらにGEFとGAP、ROPを同時に発現させるだけで人為的にスポットを再構成することに成功しました。これらの知見から私たちは活性型ROPのスポットが自己組織化し、それが壁孔のパターンになるのではないかと考えています。

Self-organization How are ROPs activated in spot patterns? We found that ROP activators, GEFs, and ROP inactivators, GAPs, are required for the spotted activation of ROP. Our reaction-diffusion model of ROPs suggests that ROP spots could form spontaneously through ROP activation/inactivation cycle. Furthermore, we reconstructed the ROP spots by introducing ROP, GEF, and GAP in nonxylem cells. Together, ROP spots are likely self-organized in the ROP reaction cycle, resulting in the pitted pattern of cell walls. 

細胞壁を"盛る" 私たちは壁孔の縁で特異的に細胞壁の沈着を促進する新規のシグナル経路を同定しました。この経路はROP と相互作用するBDR1がWALを壁孔の縁にリクルートし、WALがアクチン繊維の集合を促進することにより細胞壁の沈着を促進します。この研究により、壁孔では微小管を壊すROP-MIDD1経路に加え、細胞壁の沈着を促進するシグナル経路が近接してはたらいていることが明らかとなりました。

Pit bordering We identified the additional ROP signaling pathway that promotes cell wall ingrowth at pit boundaries. The ROP effector BDR1 recruits WAL, which in turn recruits actin microfilaments at the pit boundaries to promote cell wall deposition. This study revealed a distinct machinery in which two closely associated ROP pathways oppositely regulate cell wall deposition.

細胞壁成分の輸送 私たちが同定したタンパク質VETHは表層微小管上に局在する小胞様の構造に局在し、 エキソサイトーシスを微小管にターゲットする作用をもっていることが示唆されました。 エキソサイトーシスは正常な細胞壁パターンに必要なことから、 このVETHの経路は微小管に沿った細胞壁の形成に寄与していると考えられています。

Target cell wall components We identified new protein, VETH, which localizes to the vesicle-like structures on cortical microtubules. VETH was suggested to have ability to target the exocyctosis to the microtubules, facilitating deposition of secondary cell walls along cortical microtubules.