Slika: Tradicionalne metode regeneracije rastlin zahtevajo uporabo regulatorjev rasti rastlin, kot so hormoni, ki so lahko vrstno specifični in delovno intenzivni. V novi študiji so znanstveniki razvili nov sistem regeneracije rastlin z uravnavanjem delovanja in izražanja genov, ki sodelujejo pri dediferenciaciji (proliferaciji celic) in rediferenciaciji (organogenezi) rastlinskih celic. Oglejte si več
Tradicionalne metode regeneracije rastlin zahtevajo uporaboregulatorji rasti rastlinkot na primerhormons, ki so lahko vrstno specifični in delovno intenzivni. V novi študiji so znanstveniki razvili nov sistem regeneracije rastlin z uravnavanjem delovanja in izražanja genov, ki sodelujejo pri dediferenciaciji (proliferaciji celic) in rediferenciaciji (organogenezi) rastlinskih celic.
Rastline so že vrsto let glavni vir hrane za živali in ljudi. Poleg tega se rastline uporabljajo za pridobivanje različnih farmacevtskih in terapevtskih spojin. Vendar pa njihova zloraba in naraščajoče povpraševanje po hrani poudarjata potrebo po novih metodah žlahtnjenja rastlin. Napredek v rastlinski biotehnologiji bi lahko rešil prihodnje pomanjkanje hrane s proizvodnjo gensko spremenjenih (GSO) rastlin, ki so bolj produktivne in odporne na podnebne spremembe.
Seveda lahko rastline regenerirajo povsem nove rastline iz ene same "totipotentne" celice (celice, ki lahko povzroči več vrst celic) z dediferenciacijo in ponovno diferenciacijo v celice z različnimi strukturami in funkcijami. Umetno kondicioniranje takšnih totipotentnih celic s pomočjo tkivne kulture rastlin se pogosto uporablja za zaščito rastlin, žlahtnjenje, proizvodnjo transgenih vrst in za znanstvenoraziskovalne namene. Tradicionalno tkivna kultura za regeneracijo rastlin zahteva uporabo regulatorjev rasti rastlin (GGR), kot so avksini in citokinini, za nadzor diferenciacije celic. Vendar pa se optimalni hormonski pogoji lahko znatno razlikujejo glede na vrsto rastline, pogoje gojenja in vrsto tkiva. Zato je lahko ustvarjanje optimalnih pogojev za raziskovanje dolgotrajna in delovno intenzivna naloga.
Da bi premagali to težavo, je izredna profesorica Tomoko Ikawa skupaj z izredno profesorico Mai F. Minamikawo z Univerze Chiba, profesorjem Hitoshijem Sakakibaro s Podiplomske šole za biokmetijske znanosti Univerze v Nagoji in Mikiko Kojimo, strokovno tehnico iz RIKEN CSRS, razvila univerzalno metodo za nadzor rastlin z regulacijo. Izražanje "razvojno reguliranih" (DR) genov za diferenciacijo celic za doseganje regeneracije rastlin. V publikaciji, objavljeni v 15. zvezku revije Frontiers in Plant Science 3. aprila 2024, je dr. Ikawa podala dodatne informacije o svojem raziskovalnem delu in navedla: "Naš sistem ne uporablja zunanjih PGR, temveč gene transkripcijskih faktorjev za nadzor diferenciacije celic. Podobno kot pluripotentne celice, inducirane pri sesalcih."
Raziskovalci so ektopično izrazili dva gena DR, BABY BOOM (BBM) in WUSCHEL (WUS), iz Arabidopsis thaliana (uporabljene kot modelna rastlina) in preučili njun vpliv na diferenciacijo tkivnih kultur tobaka, solate in petunije. BBM kodira transkripcijski faktor, ki uravnava embrionalni razvoj, medtem ko WUS kodira transkripcijski faktor, ki ohranja identiteto matičnih celic v predelu apikalnega meristema poganjka.
Njihovi poskusi so pokazali, da izražanje Arabidopsis BBM ali WUS samo po sebi ni zadostno za indukcijo celične diferenciacije v tkivu tobačnih listov. Nasprotno pa sočasna ekspresija funkcionalno izboljšanega BBM in funkcionalno spremenjenega WUS povzroči pospešen fenotip avtonomne diferenciacije. Brez uporabe PCR so se transgene listne celice diferencirale v kalus (neorganizirana celična masa), zelene organom podobne strukture in adventivne popke. Kvantitativna analiza s polimerazno verižno reakcijo (qPCR), metoda, ki se uporablja za kvantifikacijo genskih transkriptov, je pokazala, da je izražanje Arabidopsis BBM in WUS povezano z nastankom transgenih kalusov in poganjkov.
Glede na ključno vlogo fitohormonov pri delitvi in diferenciaciji celic so raziskovalci kvantificirali ravni šestih fitohormonov, in sicer avksina, citokinina, abscisinske kisline (ABA), giberelina (GA), jasmonske kisline (JA), salicilne kisline (SA) in njenih metabolitov v transgenih rastlinskih kulturah. Njihovi rezultati so pokazali, da se ravni aktivnega avksina, citokinina, ABA in neaktivne GA povečujejo, ko se celice diferencirajo v organe, kar poudarja njihovo vlogo pri diferenciaciji rastlinskih celic in organogenezi.
Poleg tega so raziskovalci uporabili transkriptome RNA sekvenciranja, metodo za kvalitativno in kvantitativno analizo izražanja genov, da bi ocenili vzorce izražanja genov v transgenih celicah, ki kažejo aktivno diferenciacijo. Njihovi rezultati so pokazali, da so bili geni, povezani s celično proliferacijo in avksinom, obogateni z diferencialno reguliranimi geni. Nadaljnja preiskava z uporabo qPCR je pokazala, da so imele transgene celice povečano ali zmanjšano izražanje štirih genov, vključno z geni, ki uravnavajo diferenciacijo rastlinskih celic, metabolizem, organogenezo in odziv na avksin.
Na splošno ti rezultati razkrivajo nov in vsestranski pristop k regeneraciji rastlin, ki ne zahteva zunanje uporabe PCR. Poleg tega bi sistem, uporabljen v tej študiji, lahko izboljšal naše razumevanje temeljnih procesov diferenciacije rastlinskih celic in izboljšal biotehnološko selekcijo uporabnih rastlinskih vrst.
Dr. Ikawa je poudaril potencialne aplikacije svojega dela in dejal: »Omenjeni sistem bi lahko izboljšal žlahtnjenje rastlin z zagotavljanjem orodja za indukcijo celične diferenciacije transgenih rastlinskih celic brez potrebe po PCR. Zato bo družba, preden bodo transgene rastline sprejete kot produkti, pospešila žlahtnjenje rastlin in zmanjšala s tem povezane proizvodne stroške.«
O izredni profesorici Tomoko Igawa Dr. Tomoko Ikawa je docentka na Podiplomski šoli za hortikulturo, Centru za molekularne rastlinske znanosti in Centru za vesoljsko kmetijstvo in hortikulturne raziskave Univerze Chiba na Japonskem. Njena raziskovalna področja vključujejo spolno razmnoževanje in razvoj rastlin ter rastlinsko biotehnologijo. Njeno delo se osredotoča na razumevanje molekularnih mehanizmov spolnega razmnoževanja in diferenciacije rastlinskih celic z uporabo različnih transgenih sistemov. Ima več publikacij na teh področjih in je članica Japonskega društva za rastlinsko biotehnologijo, Japonskega botaničnega društva, Japonskega društva za žlahtnjenje rastlin, Japonskega društva rastlinskih fiziologov in Mednarodnega društva za preučevanje spolnega razmnoževanja rastlin.
Avtonomna diferenciacija transgenih celic brez zunanje uporabe hormonov: izražanje endogenih genov in vedenje fitohormonov
Avtorji izjavljajo, da je bila raziskava izvedena v odsotnosti kakršnih koli komercialnih ali finančnih odnosov, ki bi jih lahko razumeli kot potencialno navzkrižje interesov.
Izjava o omejitvi odgovornosti: AAAS in EurekAlert ne odgovarjata za točnost sporočil za javnost, objavljenih na EurekAlertu! Kakršna koli uporaba informacij s strani organizacije, ki informacije posreduje, ali prek sistema EurekAlert.
Čas objave: 22. avg. 2024