Slika: Tradicionalne metode regeneracije rastlin zahtevajo uporabo regulatorjev rasti rastlin, kot so hormoni, ki so lahko specifični za vrsto in delovno intenzivni. V novi študiji so znanstveniki razvili nov sistem regeneracije rastlin z uravnavanjem delovanja in izražanja genov, ki sodelujejo pri dediferenciaciji (celična proliferacija) in rediferenciaciji (organogeneza) rastlinskih celic. Prikaži več
Tradicionalne metode regeneracije rastlin zahtevajo uporaboregulatorji rasti rastlinkot nprhormons, ki so lahko specifične za vrsto in delovno intenzivne. V novi študiji so znanstveniki razvili nov sistem regeneracije rastlin z uravnavanjem delovanja in izražanja genov, ki sodelujejo pri dediferenciaciji (celična proliferacija) in rediferenciaciji (organogeneza) 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 rastlinske biotehnologije bi lahko rešil prihodnje pomanjkanje hrane s proizvodnjo gensko spremenjenih (GS) rastlin, ki so bolj produktivne in odporne na podnebne spremembe.
Seveda lahko rastline regenerirajo popolnoma nove rastline iz ene same »totipotentne« celice (celice, ki lahko povzroči nastanek več tipov celic) z dediferenciacijo in ponovno diferenciacijo v celice z drugačno strukturo in funkcijami. Umetno kondicioniranje takšnih totipotentnih celic s kulturo rastlinskih tkiv se pogosto uporablja za varstvo rastlin, žlahtnjenje, proizvodnjo transgenih vrst in v znanstvenoraziskovalne namene. Tradicionalno kultura tkiv za regeneracijo rastlin zahteva uporabo regulatorjev rasti rastlin (GGR), kot so avksini in citokinini, za nadzor diferenciacije celic. Vendar se optimalni hormonski pogoji lahko zelo razlikujejo glede na rastlinsko vrsto, pogoje kulture in vrsto tkiva. Zato je ustvarjanje optimalnih pogojev za raziskovanje lahko dolgotrajno in delovno intenzivno opravilo.
Da bi premagala to težavo, je izredna profesorica Tomoko Ikawa skupaj z izredno profesorico Mai F. Minamikawa z univerze Chiba, profesorjem Hitoshijem Sakakibaro iz podiplomske šole za biokmetijske znanosti Univerze Nagoya in Mikiko Kojima, strokovnim tehnikom iz RIKEN CSRS, razvila univerzalno metodo za nadzor rastlin z regulacijo. Ekspresija "razvojno reguliranih" (DR) genov za celično diferenciacijo za doseganje regeneracije rastlin. Dr. Ikawa, objavljen v 15. zvezku Frontiers in Plant Science 3. aprila 2024, je zagotovil dodatne informacije o njihovem raziskovalnem delu in izjavil: "Naš sistem ne uporablja zunanjih PGR, ampak namesto tega uporablja 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 modelne rastline) in preučili njun učinek 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 območju apikalnega meristema poganjka.
Njihovi poskusi so pokazali, da samo izražanje Arabidopsis BBM ali WUS ne zadošča za induciranje celične diferenciacije v tkivu tobačnih listov. V nasprotju s tem koekspresija funkcionalno izboljšanega BBM in funkcionalno spremenjenega WUS inducira pospešen fenotip avtonomne diferenciacije. Brez uporabe PCR so se transgene listne celice diferencirale v kalus (neorganizirana celična masa), zelene strukture, podobne organom, in adventivne popke. Kvantitativna analiza verižne reakcije s polimerazo (qPCR), metoda, ki se uporablja za kvantifikacijo genskih transkriptov, je pokazala, da je ekspresija Arabidopsis BBM in WUS povezana s tvorbo transgenih klic in poganjkov.
Glede na ključno vlogo fitohormonov pri delitvi in diferenciaciji celic so raziskovalci kvantificirali ravni šestih fitohormonov, in sicer avksina, citokinina, abscizinske kisline (ABA), giberelina (GA), jasmonske kisline (JA), salicilne kisline (SA) in njenih metabolitov v transgenih rastlinskih pridelkih. Njihovi rezultati so pokazali, da se ravni aktivnega avksina, citokinina, ABA in neaktivnega GA povečajo, ko se celice diferencirajo v organe, kar poudarja njihovo vlogo pri diferenciaciji rastlinskih celic in organogenezi.
Poleg tega so raziskovalci uporabili transkriptome za sekvenciranje RNA, 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 različno reguliranimi geni. Nadaljnji pregled z uporabo qPCR je pokazal, da imajo transgene celice povečano ali zmanjšano izražanje štirih genov, vključno z geni, ki uravnavajo diferenciacijo rastlinskih celic, metabolizem, organogenezo in avksinski odziv.
Na splošno ti rezultati razkrivajo nov in vsestranski pristop k regeneraciji rastlin, ki ne zahteva zunanje uporabe PCR. Poleg tega lahko sistem, uporabljen v tej študiji, izboljša naše razumevanje temeljnih procesov diferenciacije rastlinskih celic in izboljša biotehnološko izbiro uporabnih rastlinskih vrst.
Dr. Ikawa je izpostavil možne aplikacije svojega dela: "Prijavljeni sistem bi lahko izboljšal žlahtnjenje rastlin z zagotavljanjem orodja za spodbujanje celične diferenciacije transgenih rastlinskih celic brez potrebe po PCR. Zato bo družba, preden bodo transgene rastline sprejete kot proizvodi, 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, Center za molekularne znanosti o rastlinah in Center za vesoljsko kmetijstvo in raziskave vrtnarstva, Univerza Chiba, Japonska. Njena raziskovalna področja vključujejo spolno razmnoževanje in razvoj rastlin ter biotehnologijo rastlin. 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 združenja za rastlinsko biotehnologijo, Japonskega botaničnega društva, Japonskega društva za žlahtnjenje rastlin, Japonskega društva rastlinskih fiziologov in Mednarodnega združenja za preučevanje spolnega razmnoževanja rastlin.
Avtonomna diferenciacija transgenih celic brez zunanje uporabe hormonov: izražanje endogenih genov in obnašanje fitohormonov
Avtorji izjavljajo, da je bila raziskava izvedena v odsotnosti kakršnih koli komercialnih ali finančnih odnosov, ki bi se lahko razlagali 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. avgusta 2024