Obrázek: Tradiční metody regenerace rostlin vyžadují použití regulátorů růstu rostlin, jako jsou hormony, které mohou být druhově specifické a náročné na práci. V nové studii vědci vyvinuli nový systém regenerace rostlin regulací funkce a exprese genů zapojených do dediferenciace (proliferace buněk) a rediferenciace (organogeneze) rostlinných buněk. Zobrazit více
Tradiční metody regenerace rostlin vyžadují použitíregulátory růstu rostlinjako napřhormons, které mohou být druhově specifické a náročné na práci. V nové studii vědci vyvinuli nový systém regenerace rostlin regulací funkce a exprese genů zapojených do dediferenciace (proliferace buněk) a rediferenciace (organogeneze) rostlinných buněk.
Rostliny jsou po mnoho let hlavním zdrojem potravy pro zvířata i lidi. Kromě toho se rostliny používají k extrakci různých farmaceutických a terapeutických sloučenin. Jejich zneužívání a rostoucí poptávka po potravinách však zdůrazňují potřebu nových metod šlechtění rostlin. Pokrok v rostlinné biotechnologii by mohl vyřešit budoucí nedostatek potravin produkcí geneticky modifikovaných (GM) rostlin, které jsou produktivnější a odolnější vůči změně klimatu.
Přirozeně mohou rostliny regenerovat zcela nové rostliny z jediné „totipotentní“ buňky (buňka, která může dát vzniknout více typům buněk) dediferenciací a rediferenciací na buňky s různými strukturami a funkcemi. Umělé kondicionování takových totipotentních buněk prostřednictvím rostlinné tkáňové kultury se široce používá pro ochranu rostlin, šlechtění, produkci transgenních druhů a pro účely vědeckého výzkumu. Tkáňová kultura pro regeneraci rostlin tradičně vyžaduje použití regulátorů růstu rostlin (GGR), jako jsou auxiny a cytokininy, ke kontrole buněčné diferenciace. Optimální hormonální podmínky se však mohou výrazně lišit v závislosti na rostlinném druhu, kultivačních podmínkách a typu pletiva. Vytvoření optimálních podmínek průzkumu proto může být časově a pracně náročný úkol.
K překonání tohoto problému docentka Tomoko Ikawa spolu s docentkou Mai F. Minamikawou z Chiba University, profesorem Hitoshi Sakakibarou z Nagoya University Graduate School of Bio-Agricultural Sciences a Mikiko Kojima, odborným technikem z RIKEN CSRS, vyvinuli univerzální metodu pro kontrolu rostlin prostřednictvím regulace. Exprese „vývojově regulovaných“ (DR) genů diferenciace buněk k dosažení regenerace rostlin. Dr. Ikawa, zveřejněný ve svazku 15 of Frontiers in Plant Science dne 3. dubna 2024, poskytl další informace o své výzkumné práci a uvedl: "Náš systém nepoužívá externí PGR, ale místo toho používá geny transkripčních faktorů ke kontrole buněčné diferenciace. podobně jako pluripotentní buňky indukované u savců."
Vědci ektopicky exprimovali dva geny DR, BABY BOOM (BBM) a WUSCHEL (WUS), z Arabidopsis thaliana (používá se jako modelová rostlina) a zkoumali jejich vliv na diferenciaci tkáňových kultur tabáku, salátu a petúnie. BBM kóduje transkripční faktor, který reguluje embryonální vývoj, zatímco WUS kóduje transkripční faktor, který udržuje identitu kmenových buněk v oblasti apikálního meristému výhonku.
Jejich experimenty ukázaly, že samotná exprese Arabidopsis BBM nebo WUS nestačí k indukci buněčné diferenciace ve tkáni tabákových listů. Naproti tomu koexprese funkčně vylepšeného BBM a funkčně modifikovaného WUS indukuje zrychlený fenotyp autonomní diferenciace. Bez použití PCR se transgenní buňky listů diferencovaly na kalus (dezorganizovaná buněčná hmota), zelené struktury podobné orgánům a adventivní pupeny. Analýza kvantitativní polymerázové řetězové reakce (qPCR), metoda používaná ke kvantifikaci genových transkriptů, ukázala, že exprese Arabidopsis BBM a WUS korelovala s tvorbou transgenních kalusů a výhonků.
S ohledem na klíčovou roli fytohormonů v buněčném dělení a diferenciaci vědci kvantifikovali hladiny šesti fytohormonů, konkrétně auxinu, cytokininu, kyseliny abscisové (ABA), giberelinu (GA), kyseliny jasmonové (JA), kyseliny salicylové (SA) a jejích metabolitů v plodinách transgenních rostlin. Jejich výsledky ukázaly, že hladiny aktivního auxinu, cytokininu, ABA a neaktivního GA se zvyšují s tím, jak se buňky diferencují na orgány, což zdůrazňuje jejich roli v diferenciaci rostlinných buněk a organogenezi.
Kromě toho vědci použili transkriptomy sekvenování RNA, metodu pro kvalitativní a kvantitativní analýzu genové exprese, k vyhodnocení vzorců genové exprese v transgenních buňkách vykazujících aktivní diferenciaci. Jejich výsledky ukázaly, že geny související s buněčnou proliferací a auxinem byly obohaceny o diferencovaně regulované geny. Další zkoumání pomocí qPCR odhalilo, že transgenní buňky měly zvýšenou nebo sníženou expresi čtyř genů, včetně genů, které regulují diferenciaci rostlinných buněk, metabolismus, organogenezi a auxinovou odpověď.
Celkově tyto výsledky odhalují nový a všestranný přístup k regeneraci rostlin, který nevyžaduje externí aplikaci PCR. Kromě toho může systém použitý v této studii zlepšit naše chápání základních procesů diferenciace rostlinných buněk a zlepšit biotechnologický výběr užitečných rostlinných druhů.
Dr. Ikawa zdůraznil potenciální aplikace své práce, řekl: "Uváděný systém by mohl zlepšit šlechtění rostlin poskytnutím nástroje pro indukci buněčné diferenciace transgenních rostlinných buněk bez potřeby PCR. Proto dříve, než budou transgenní rostliny přijaty jako produkty, společnost urychlí šlechtění rostlin a sníží související výrobní náklady."
O docentce Tomoko Igawa Dr. Tomoko Ikawa je odborným asistentem na Graduate School of Horticulture, Center for Molecular Plant Sciences a Center for Space Agriculture and Horticulture Research, Chiba University, Japan. Mezi její výzkumné zájmy patří sexuální rozmnožování a vývoj rostlin a rostlinná biotechnologie. Její práce se zaměřuje na pochopení molekulárních mechanismů sexuální reprodukce a diferenciace rostlinných buněk pomocí různých transgenních systémů. Má několik publikací v těchto oblastech a je členkou Japonské společnosti rostlinné biotechnologie, Botanické společnosti Japonska, Japonské společnosti pro šlechtění rostlin, Japonské společnosti rostlinných fyziologů a Mezinárodní společnosti pro studium sexuální reprodukce rostlin.
Autonomní diferenciace transgenních buněk bez vnějšího použití hormonů: exprese endogenních genů a chování fytohormonů
Autoři prohlašují, že výzkum byl proveden bez jakýchkoli obchodních nebo finančních vztahů, které by mohly být vykládány jako potenciální střet zájmů.
Upozornění: AAAS a EurekAlert nejsou zodpovědné za přesnost tiskových zpráv publikovaných na EurekAlert! Jakékoli použití informací organizací poskytující informace nebo prostřednictvím systému EurekAlert.
Čas odeslání: 22. srpna 2024