Zdjęcie: Tradycyjne metody regeneracji roślin wymagają stosowania regulatorów wzrostu, takich jak hormony, które mogą być specyficzne dla danego gatunku i pracochłonne. W ramach nowego badania naukowcy opracowali nowy system regeneracji roślin, regulując funkcję i ekspresję genów zaangażowanych w dedyferencjację (proliferację komórek) i redyferencjację (organogenezę) komórek roślinnych. Zobacz więcej
Tradycyjne metody regeneracji roślin wymagają stosowaniaregulatory wzrostu roślinjak na przykładhormons, które mogą być specyficzne dla gatunku i pracochłonne. W nowym badaniu naukowcy opracowali nowy system regeneracji roślin poprzez regulację funkcji i ekspresji genów zaangażowanych w dedyferencjację (proliferację komórek) i redyferencjację (organogenezę) komórek roślinnych.
Rośliny od wielu lat stanowią główne źródło pożywienia dla zwierząt i ludzi. Ponadto, rośliny te służą do ekstrakcji różnych związków farmaceutycznych i terapeutycznych. Jednak ich niewłaściwe wykorzystanie i rosnące zapotrzebowanie na żywność podkreślają potrzebę opracowania nowych metod hodowli roślin. Postęp w biotechnologii roślin może rozwiązać problem niedoborów żywności w przyszłości poprzez produkcję roślin genetycznie modyfikowanych (GM), które będą bardziej produktywne i odporne na zmiany klimatu.
Naturalnie, rośliny mogą regenerować całkowicie nowe rośliny z pojedynczej komórki „totipotencjalnej” (komórki, która może dać początek wielu typom komórek) poprzez dedyferencjację i redyferencjację w komórki o odmiennej strukturze i funkcjach. Sztuczne kondycjonowanie takich komórek totipotencjalnych poprzez hodowlę tkanek roślinnych jest szeroko stosowane w ochronie roślin, hodowli, produkcji gatunków transgenicznych oraz w badaniach naukowych. Tradycyjnie hodowla tkanek w celu regeneracji roślin wymaga stosowania regulatorów wzrostu roślin (GGR), takich jak auksyny i cytokininy, w celu kontrolowania różnicowania komórek. Optymalne warunki hormonalne mogą się jednak znacznie różnić w zależności od gatunku rośliny, warunków hodowli i rodzaju tkanki. Dlatego stworzenie optymalnych warunków eksploracji może być zadaniem czasochłonnym i pracochłonnym.
Aby rozwiązać ten problem, profesor nadzwyczajna Tomoko Ikawa, wraz z profesor nadzwyczajną Mai F. Minamikawą z Uniwersytetu Chiba, profesorem Hitoshi Sakakibarą z Wydziału Nauk Bio-Rolniczych Uniwersytetu Nagoya oraz Mikiko Kojimą, ekspertem technicznym z RIKEN CSRS, opracowała uniwersalną metodę kontroli roślin poprzez regulację. Ekspresja genów różnicowania komórek „regulowanych rozwojowo” (DR) w celu regeneracji roślin. W artykule opublikowanym w tomie 15 „Frontiers in Plant Science” 3 kwietnia 2024 r. dr Ikawa przedstawiła dalsze informacje na temat swoich prac badawczych, stwierdzając: „Nasz system nie wykorzystuje zewnętrznych PGR, lecz zamiast tego wykorzystuje geny czynników transkrypcyjnych do kontrolowania różnicowania komórek. Podobnie jak komórki pluripotentne indukowane u ssaków”.
Naukowcy dokonali ektopowej ekspresji dwóch genów DR, BABY BOOM (BBM) i WUSCHEL (WUS), z Arabidopsis thaliana (rośliny modelowej) i zbadali ich wpływ na różnicowanie w kulturach tkankowych tytoniu, sałaty i petunii. BBM koduje czynnik transkrypcyjny regulujący rozwój embrionalny, natomiast WUS koduje czynnik transkrypcyjny, który utrzymuje tożsamość komórek macierzystych w obszarze merystemu wierzchołkowego pędu.
Ich eksperymenty wykazały, że sama ekspresja BBM lub WUS Arabidopsis nie jest wystarczająca do indukowania różnicowania komórek w tkance liści tytoniu. Natomiast koekspresja funkcjonalnie wzmocnionego BBM i funkcjonalnie zmodyfikowanego WUS indukuje przyspieszony fenotyp różnicowania autonomicznego. Bez zastosowania PCR, transgeniczne komórki liści różnicowały się w kalus (niezorganizowaną masę komórkową), zielone struktury organopodobne i pąki przybyszowe. Ilościowa analiza łańcuchowej reakcji polimerazy (qPCR), metoda stosowana do ilościowego oznaczania transkryptów genów, wykazała, że ekspresja BBM i WUS Arabidopsis korelowała z tworzeniem transgenicznych kalusów i pędów.
Biorąc pod uwagę kluczową rolę fitohormonów w podziale i różnicowaniu komórek, naukowcy określili ilościowo poziom sześciu fitohormonów, a mianowicie auksyny, cytokininy, kwasu abscysynowego (ABA), gibereliny (GA), kwasu jasmonowego (JA), kwasu salicylowego (SA) i jego metabolitów w roślinach transgenicznych. Wyniki pokazały, że poziom aktywnej auksyny, cytokininy, ABA i nieaktywnego GA wzrasta wraz z różnicowaniem się komórek w organy, co podkreśla ich rolę w różnicowaniu komórek roślinnych i organogenezie.
Ponadto, naukowcy wykorzystali sekwencjonowanie transkryptomów RNA, metodę jakościowej i ilościowej analizy ekspresji genów, do oceny wzorców ekspresji genów w komórkach transgenicznych wykazujących aktywne różnicowanie. Uzyskane wyniki wykazały, że geny związane z proliferacją komórek i auksyną były wzbogacone w geny regulowane różnicowo. Dalsze badania z wykorzystaniem qPCR ujawniły, że komórki transgeniczne charakteryzowały się zwiększoną lub zmniejszoną ekspresją czterech genów, w tym genów regulujących różnicowanie komórek roślinnych, metabolizm, organogenezę i reakcję na auksynę.
Podsumowując, wyniki te ujawniają nowe i wszechstronne podejście do regeneracji roślin, które nie wymaga zewnętrznego stosowania PCR. Ponadto, system zastosowany w tym badaniu może pogłębić naszą wiedzę na temat podstawowych procesów różnicowania komórek roślinnych i usprawnić biotechnologiczną selekcję użytecznych gatunków roślin.
Podkreślając potencjalne zastosowania swojej pracy, dr Ikawa powiedział: „Opisany system może usprawnić hodowlę roślin, dostarczając narzędzie do indukowania różnicowania komórkowego komórek roślin transgenicznych bez konieczności stosowania PCR. Dlatego zanim rośliny transgeniczne zostaną zaakceptowane jako produkty, społeczeństwo przyspieszy hodowlę roślin i obniży związane z nią koszty produkcji”.
O profesorze nadzwyczajnym Tomoko Igawa Dr Tomoko Ikawa jest adiunktem w Graduate School of Horticulture, Center for Molecular Plant Sciences oraz Center for Space Agriculture and Horticulture Research na Uniwersytecie Chiba w Japonii. Jej zainteresowania badawcze obejmują rozmnażanie płciowe i rozwój roślin oraz biotechnologię roślin. Jej praca koncentruje się na zrozumieniu molekularnych mechanizmów rozmnażania płciowego i różnicowania komórek roślinnych z wykorzystaniem różnych systemów transgenicznych. Jest autorką licznych publikacji w tych dziedzinach i jest członkinią Japońskiego Towarzystwa Biotechnologii Roślin, Japońskiego Towarzystwa Botanicznego, Japońskiego Towarzystwa Hodowli Roślin, Japońskiego Towarzystwa Fizjologów Roślin oraz Międzynarodowego Towarzystwa Badań nad Rozmnażaniem Płciowym Roślin.
Autonomiczne różnicowanie komórek transgenicznych bez zewnętrznego użycia hormonów: ekspresja genów endogennych i zachowanie fitohormonów
Autorzy oświadczają, że badania przeprowadzono bez żadnych powiązań komercyjnych lub finansowych, które mogłyby być uznane za potencjalny konflikt interesów.
Zastrzeżenie: AAAS i EurekAlert nie ponoszą odpowiedzialności za dokładność komunikatów prasowych publikowanych w serwisie EurekAlert! Jakiekolwiek wykorzystanie informacji przez organizację udostępniającą informacje lub za pośrednictwem systemu EurekAlert.
Czas publikacji: 22-08-2024