Зображення: Традиційні методи регенерації рослин вимагають використання регуляторів росту рослин, таких як гормони, які можуть бути видоспецифічними та трудомісткими. У новому дослідженні вчені розробили нову систему регенерації рослин, регулюючи функцію та експресію генів, що беруть участь у дедиференціації (проліферації клітин) та редиференціації (органогенезі) рослинних клітин. Дивитися більше
Традиційні методи регенерації рослин вимагають використаннярегулятори росту рослинтакі якгормонs, які можуть бути видоспецифічними та трудомісткими. У новому дослідженні вчені розробили нову систему регенерації рослин, регулюючи функцію та експресію генів, що беруть участь у дедиференціації (проліферації клітин) та редиференціації (органогенезі) рослинних клітин.
Рослини протягом багатьох років були основним джерелом їжі для тварин і людей. Крім того, рослини використовуються для отримання різних фармацевтичних та терапевтичних сполук. Однак їх неправильне використання та зростаючий попит на продукти харчування підкреслюють необхідність нових методів селекції рослин. Досягнення в рослинній біотехнології можуть вирішити майбутню проблему дефіциту продовольства шляхом виробництва генетично модифікованих (ГМ) рослин, які є більш продуктивними та стійкими до зміни клімату.
Природно, рослини можуть регенерувати абсолютно нові рослини з однієї «тотипотентної» клітини (клітини, яка може давати початок кільком типам клітин) шляхом дедиференціації та редиференціації в клітини з різними структурами та функціями. Штучне кондиціонування таких тотипотентних клітин за допомогою культури рослинних тканин широко використовується для захисту рослин, селекції, виробництва трансгенних видів та для наукових дослідницьких цілей. Традиційно культура тканин для регенерації рослин вимагає використання регуляторів росту рослин (РРР), таких як ауксини та цитокініни, для контролю диференціації клітин. Однак оптимальні гормональні умови можуть значно відрізнятися залежно від виду рослини, умов культивування та типу тканини. Тому створення оптимальних умов дослідження може бути трудомістким та трудомістким завданням.
Щоб подолати цю проблему, доцент Томоко Ікава разом із доцентом Май Ф. Мінамікавою з Університету Тіба, професором Хітоші Сакакібарою з Вищої школи біосільськогосподарських наук Університету Нагоя та Мікіко Кодзімою, експертом-техніком з RIKEN CSRS, розробили універсальний метод контролю рослин шляхом регуляції. Експресія генів «регульованих розвитком» (DR) клітинної диференціації для досягнення регенерації рослин. Опубліковано в 15-му томі журналу Frontiers in Plant Science 3 квітня 2024 року, доктор Ікава надала додаткову інформацію про свою дослідницьку роботу, заявивши: «Наша система не використовує зовнішні PGR, а натомість використовує гени транскрипційних факторів для контролю диференціації клітин, подібно до плюрипотентних клітин, індукованих у ссавців».
Дослідники ектопічно експресували два гени DR, BABY BOOM (BBM) та WUSCHEL (WUS), з Arabidopsis thaliana (використаної як модельна рослина) та дослідили їхній вплив на диференціацію тканинних культур тютюну, салату та петунії. BBM кодує транскрипційний фактор, який регулює ембріональний розвиток, тоді як WUS кодує транскрипційний фактор, який підтримує ідентичність стовбурових клітин в області апікальної меристеми пагона.
Їхні експерименти показали, що експресія лише Arabidopsis BBM або WUS недостатня для індукції диференціації клітин у тканині тютюнового листя. Навпаки, коекспресія функціонально посиленого BBM та функціонально модифікованого WUS індукує прискорений фенотип автономної диференціації. Без використання ПЛР трансгенні клітини листя диференціювалися на калюс (дезорганізовану клітинну масу), зелені органоподібні структури та додаткові бруньки. Кількісний аналіз полімеразної ланцюгової реакції (qPCR), метод, що використовується для кількісної оцінки транскриптів генів, показав, що експресія Arabidopsis BBM та WUS корелює з утворенням трансгенних калюсів та пагонів.
Враховуючи вирішальну роль фітогормонів у поділі та диференціації клітин, дослідники кількісно визначили рівні шести фітогормонів, а саме: ауксину, цитокініну, абсцизинової кислоти (АБК), гібереліну (ГА), жасмонової кислоти (ЯК), саліцилової кислоти (СК) та її метаболітів у трансгенних рослинних культурах. Їхні результати показали, що рівні активного ауксину, цитокініну, АБК та неактивної ГА зростають у міру диференціації клітин в органи, що підкреслює їхню роль у диференціації рослинних клітин та органогенезі.
Крім того, дослідники використовували транскриптоми РНК-секвенування, метод якісного та кількісного аналізу експресії генів, для оцінки закономірностей експресії генів у трансгенних клітинах, що демонструють активну диференціацію. Їхні результати показали, що гени, пов'язані з проліферацією клітин та ауксином, були збагачені диференційно регульованими генами. Подальше дослідження за допомогою кПЛР показало, що трансгенні клітини мали підвищену або знижену експресію чотирьох генів, включаючи гени, що регулюють диференціацію рослинних клітин, метаболізм, органогенез та реакцію на ауксин.
Загалом, ці результати демонструють новий та універсальний підхід до регенерації рослин, який не потребує зовнішнього застосування ПЛР. Крім того, система, що використовується в цьому дослідженні, може покращити наше розуміння фундаментальних процесів диференціації рослинних клітин та покращити біотехнологічну селекцію корисних видів рослин.
Підкреслюючи потенційне застосування своєї роботи, доктор Ікава сказав: «Заявлена система може покращити селекцію рослин, надаючи інструмент для індукції клітинної диференціації трансгенних рослинних клітин без необхідності ПЛР. Тому, перш ніж трансгенні рослини будуть прийняті як продукти, суспільство прискорить селекцію рослин та зменшить пов’язані з цим виробничі витрати».
Про доцента Томоко Ігаву Доктор Томоко Ікава є доцентом Вищої школи садівництва, Центру молекулярних наук про рослини та Центру досліджень космічного сільського господарства та садівництва Університету Тіба, Японія. Її дослідницькі інтереси включають статеве розмноження та розвиток рослин, а також біотехнологію рослин. Її робота зосереджена на розумінні молекулярних механізмів статевого розмноження та диференціації рослинних клітин з використанням різних трансгенних систем. Вона має кілька публікацій у цих галузях і є членом Японського товариства рослинної біотехнології, Ботанічного товариства Японії, Японського товариства селекції рослин, Японського товариства фізіологів рослин та Міжнародного товариства з вивчення статевого розмноження рослин.
Автономна диференціація трансгенних клітин без зовнішнього використання гормонів: експресія ендогенних генів та поведінка фітогормонів
Автори заявляють, що дослідження проводилося за відсутності будь-яких комерційних чи фінансових відносин, які можна було б тлумачити як потенційний конфлікт інтересів.
Застереження: AAAS та EurekAlert не несуть відповідальності за точність прес-релізів, опублікованих на EurekAlert! Будь-яке використання інформації організацією, що надає інформацію, або через систему EurekAlert.
Час публікації: 22 серпня 2024 р.