Obrázek: Tradiční metody regenerace rostlin vyžadují použití regulátorů růstu rostlin, jako jsou hormony, které mohou být druhově specifické a pracné. V nové studii vědci vyvinuli nový systém regenerace rostlin regulací funkce a exprese genů zapojených do dediferenciace (buněčné proliferace) a rediferenciace (organogeneze) rostlinných buněk. Zobrazit více
Tradiční metody regenerace rostlin vyžadují použitíregulátory růstu rostlinjako napříkladhormons, které mohou být druhově specifické a pracné. V nové studii vědci vyvinuli nový systém regenerace rostlin regulací funkce a exprese genů zapojených do dediferenciace (buněčné proliferace) 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. Pokroky v rostlinné biotechnologii by mohly vyřešit budoucí nedostatek potravin produkcí geneticky modifikovaných (GM) rostlin, které jsou produktivnější a odolnější vůči změně klimatu.
Rostliny mohou přirozeně regenerovat zcela nové rostliny z jediné „totipotentní“ buňky (buňky, která může dát vzniknout více typům buněk) dediferenciací a rediferenciací do buněk s různými strukturami a funkcemi. Umělé podmiňování takových totipotentních buněk pomocí rostlinných tkáňových kultur se široce používá k ochraně rostlin, šlechtění, produkci transgenních druhů a pro účely vědeckého výzkumu. Tradičně vyžaduje tkáňová kultura pro regeneraci rostlin použití regulátorů růstu rostlin (GGR), jako jsou auxiny a cytokininy, k řízení buněčné diferenciace. Optimální hormonální podmínky se však mohou výrazně lišit v závislosti na druhu rostliny, kultivačních podmínkách a typu tkáně. Vytvoření optimálních podmínek pro průzkum proto může být časově a pracně náročný úkol.
Aby tento problém překonala, vyvinula docentka Tomoko Ikawa společně s docentkou Mai F. Minamikawou z Univerzity v Čibě, profesorem Hitoshi Sakakibarou z Vysokoškolské fakulty biozemědělských věd Univerzity v Nagojě a Mikiko Kojimou, odbornou technickou pracovnicí z RIKEN CSRS, univerzální metodu pro řízení rostlin prostřednictvím regulace. Exprese „vývojově regulovaných“ (DR) genů buněčné diferenciace k dosažení regenerace rostlin. V článku, publikovaném v 15. svazku časopisu Frontiers in Plant Science 3. dubna 2024, Dr. Ikawa poskytla další informace o své výzkumné práci a uvedla: „Náš systém nepoužívá externí PGR, ale místo toho používá geny transkripčních faktorů k řízení buněčné diferenciace. Podobně jako pluripotentní buňky indukované u savců.“
Výzkumníci ektopicky exprimovali dva DR geny, BABY BOOM (BBM) a WUSCHEL (WUS), z Arabidopsis thaliana (použité jako modelová rostlina) a zkoumali jejich vliv na diferenciaci tkáňových kultur tabáku, hlávkového 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 exprese BBM nebo WUS Arabidopsis samotná není dostatečná k indukci buněčné diferenciace v 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 (neorganizovanou buněčnou hmotu), zelené orgánům podobné struktury a adventivní pupeny. Kvantitativní analýza polymerázovou řetězovou reakcí (qPCR), metoda používaná ke kvantifikaci genových transkriptů, ukázala, že exprese BBM a WUS Arabidopsis korelovala s tvorbou transgenních kalusů a výhonků.
Vzhledem ke klíčové roli fytohormonů v buněčném dělení a diferenciaci vědci kvantifikovali hladiny šesti fytohormonů, a to auxinu, cytokininu, kyseliny abscisové (ABA), giberelinu (GA), kyseliny jasmonové (JA), kyseliny salicylové (SA) a jejích metabolitů v transgenních rostlinných plodinách. Jejich výsledky ukázaly, že hladiny aktivního auxinu, cytokininu, ABA a neaktivní GA se zvyšují s diferenciací buněk do orgánů, což zdůrazňuje jejich roli v diferenciaci rostlinných buněk a organogenezi.
Výzkumníci dále použili transkriptomy RNA sekvenování, 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. Systém použitý v této studii by navíc mohl zlepšit naše chápání základních procesů diferenciace rostlinných buněk a zlepšit biotechnologický výběr užitečných druhů rostlin.
Dr. Ikawa zdůraznil potenciální využití své práce a řekl: „Uvedený systém by mohl zlepšit šlechtění rostlin tím, že by poskytl nástroj pro indukci buněčné diferenciace transgenních rostlinných buněk bez nutnosti PCR. Než budou transgenní rostliny akceptovány jako produkty, společnost proto urychlí šlechtění rostlin a sníží související výrobní náklady.“
O docentce Tomoko Igawové Dr. Tomoko Ikawa je odbornou asistentkou na Postgraduální škole zahradnictví, v Centru pro molekulární rostlinné vědy a v Centru pro výzkum vesmírného zemědělství a zahradnictví na Univerzitě v Čibě v Japonsku. Její výzkumné zájmy zahrnují pohlavní rozmnožování a vývoj rostlin a rostlinnou biotechnologii. Její práce se zaměřuje na pochopení molekulárních mechanismů pohlavního rozmnožování a diferenciace rostlinných buněk s využitím různých transgenních systémů. V těchto oblastech má několik publikací a je členkou Japonské společnosti pro rostlinnou biotechnologii, Japonské botanické společnosti, Japonské šlechtitelské společnosti, Japonské společnosti pro rostlinné fyziology a Mezinárodní společnosti pro studium pohlavního rozmnožování rostlin.
Autonomní diferenciace transgenních buněk bez externího 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.
Prohlášení: AAAS a EurekAlert nenesou odpovědnost za přesnost tiskových zpráv zveřejněných na EurekAlert! Jakékoli použití informací organizací poskytující informace nebo prostřednictvím systému EurekAlert.
Čas zveřejnění: 22. srpna 2024