Obrázok: Tradičné metódy regenerácie rastlín vyžadujú použitie regulátorov rastu rastlín, ako sú hormóny, ktoré môžu byť druhovo špecifické a prácne. V novej štúdii vedci vyvinuli nový systém regenerácie rastlín reguláciou funkcie a expresie génov zapojených do dediferenciácie (bunková proliferácia) a rediferenciácie (organogenéza) rastlinných buniek. Zobraziť viac
Tradičné metódy regenerácie rastlín vyžadujú použitieregulátory rastu rastlínako napríkladhormóns, ktoré môžu byť druhovo špecifické a náročné na pracovnú silu. V novej štúdii vedci vyvinuli nový systém regenerácie rastlín reguláciou funkcie a expresie génov zapojených do dediferenciácie (bunková proliferácia) a rediferenciácie (organogenéza) rastlinných buniek.
Rastliny sú už mnoho rokov hlavným zdrojom potravy pre zvieratá a ľudí. Okrem toho sa rastliny používajú na extrakciu rôznych farmaceutických a terapeutických zlúčenín. Ich zneužívanie a rastúci dopyt po potravinách však zdôrazňujú potrebu nových metód šľachtenia rastlín. Pokroky v rastlinnej biotechnológii by mohli vyriešiť budúci nedostatok potravín produkciou geneticky modifikovaných (GM) rastlín, ktoré sú produktívnejšie a odolnejšie voči zmene klímy.
Rastliny prirodzene dokážu regenerovať úplne nové rastliny z jednej „totipotentnej“ bunky (bunky, ktorá môže viesť k vzniku viacerých typov buniek) dediferenciáciou a rediferenciáciou na bunky s rôznymi štruktúrami a funkciami. Umelé podmieňovanie takýchto totipotentných buniek prostredníctvom tkanivovej kultúry rastlín sa široko používa na ochranu rastlín, šľachtenie, produkciu transgénnych druhov a na účely vedeckého výskumu. Tradične tkanivová kultúra na regeneráciu rastlín vyžaduje použitie regulátorov rastu rastlín (GGR), ako sú auxíny a cytokiníny, na kontrolu diferenciácie buniek. Optimálne hormonálne podmienky sa však môžu výrazne líšiť v závislosti od druhu rastliny, kultivačných podmienok a typu tkaniva. Preto môže byť vytvorenie optimálnych podmienok pre prieskum časovo a prácne náročnou úlohou.
Aby sa tento problém prekonal, docentka Tomoko Ikawa spolu s docentkou Mai F. Minamikawou z Univerzity v Čibe, profesorom Hitoshi Sakakibarom z Vysokoškolskej školy biopoľnohospodárskych vied Univerzity v Nagojí a Mikiko Kojimou, odbornou technickou pracovníčkou z RIKEN CSRS, vyvinuli univerzálnu metódu regulácie regulácie expresie „vývojovo regulovaných“ (DR) génov bunkovej diferenciácie. V článku, publikovanom v 15. zväzku časopisu Frontiers in Plant Science 3. apríla 2024, Dr. Ikawa poskytla ďalšie informácie o svojej výskumnej práci a uviedla: „Náš systém nepoužíva externé PGR, ale namiesto toho používa gény transkripčných faktorov na riadenie diferenciácie buniek. Podobne ako pluripotentné bunky indukované u cicavcov.“
Výskumníci ektopicky exprimovali dva DR gény, BABY BOOM (BBM) a WUSCHEL (WUS), z Arabidopsis thaliana (použitej ako modelová rastlina) a skúmali ich vplyv na diferenciáciu tkanivových kultúr tabaku, šalátu a petúnie. BBM kóduje transkripčný faktor, ktorý reguluje embryonálny vývoj, zatiaľ čo WUS kóduje transkripčný faktor, ktorý udržiava identitu kmeňových buniek v oblasti apikálneho meristému výhonku.
Ich experimenty ukázali, že expresia BBM alebo WUS Arabidopsis samotná nie je dostatočná na vyvolanie diferenciácie buniek v tkanive tabakového listu. Naproti tomu koexpresia funkčne vylepšeného BBM a funkčne modifikovaného WUS indukuje zrýchlený fenotyp autonómnej diferenciácie. Bez použitia PCR sa transgénne bunky listov diferencovali na kalus (neorganizovaná bunková hmota), zelené orgánom podobné štruktúry a adventívne púčiky. Kvantitatívna analýza polymerázovou reťazovou reakciou (qPCR), metóda používaná na kvantifikáciu génových transkriptov, ukázala, že expresia BBM a WUS Arabidopsis korelovala s tvorbou transgénnych kalusov a výhonkov.
Vzhľadom na kľúčovú úlohu fytohormónov v bunkovom delení a diferenciácii výskumníci kvantifikovali hladiny šiestich fytohormónov, a to auxínu, cytokinínu, kyseliny abscisovej (ABA), giberelínu (GA), kyseliny jasmónovej (JA), kyseliny salicylovej (SA) a jej metabolitov v transgénnych rastlinných plodinách. Ich výsledky ukázali, že hladiny aktívneho auxínu, cytokinínu, ABA a inaktívnej GA sa zvyšujú s diferenciáciou buniek na orgány, čo zdôrazňuje ich úlohu v diferenciácii rastlinných buniek a organogenéze.
Okrem toho výskumníci použili transkriptómy RNA sekvenovania, metódu kvalitatívnej a kvantitatívnej analýzy génovej expresie, na vyhodnotenie vzorcov génovej expresie v transgénnych bunkách vykazujúcich aktívnu diferenciáciu. Ich výsledky ukázali, že gény súvisiace s proliferáciou buniek a auxínom boli obohatené o diferencovane regulované gény. Ďalšie skúmanie pomocou qPCR odhalilo, že transgénne bunky mali zvýšenú alebo zníženú expresiu štyroch génov vrátane génov, ktoré regulujú diferenciáciu rastlinných buniek, metabolizmus, organogenézu a odpoveď na auxín.
Celkovo tieto výsledky odhaľujú nový a všestranný prístup k regenerácii rastlín, ktorý nevyžaduje externú aplikáciu PCR. Okrem toho systém použitý v tejto štúdii môže zlepšiť naše chápanie základných procesov diferenciácie rastlinných buniek a zlepšiť biotechnologický výber užitočných rastlinných druhov.
Dr. Ikawa zdôraznil potenciálne využitie svojej práce a povedal: „Uvedený systém by mohol zlepšiť šľachtenie rastlín poskytnutím nástroja na indukciu bunkovej diferenciácie transgénnych rastlinných buniek bez potreby PCR. Preto predtým, ako budú transgénne rastliny akceptované ako produkty, spoločnosť urýchli šľachtenie rastlín a zníži súvisiace výrobné náklady.“
O docentke Tomoko Igawovej Dr. Tomoko Ikawa je odbornou asistentkou na Postgraduálnej škole záhradníctva, v Centre pre molekulárne rastlinné vedy a v Centre pre výskum vesmírneho poľnohospodárstva a záhradníctva na Univerzite Čiba v Japonsku. Jej výskumné záujmy zahŕňajú pohlavné rozmnožovanie a vývoj rastlín a rastlinnú biotechnológiu. Jej práca sa zameriava na pochopenie molekulárnych mechanizmov pohlavného rozmnožovania a diferenciácie rastlinných buniek pomocou rôznych transgénnych systémov. Má niekoľko publikácií v týchto oblastiach a je členkou Japonskej spoločnosti pre rastlinnú biotechnológiu, Japonskej botanickej spoločnosti, Japonskej spoločnosti pre šľachtenie rastlín, Japonskej spoločnosti pre rastlinné fyziológiu a Medzinárodnej spoločnosti pre štúdium pohlavného rozmnožovania rastlín.
Autonómna diferenciácia transgénnych buniek bez externého použitia hormónov: expresia endogénnych génov a správanie fytohormónov
Autori vyhlasujú, že výskum bol vykonaný bez akýchkoľvek obchodných alebo finančných vzťahov, ktoré by sa mohli interpretovať ako potenciálny konflikt záujmov.
Vyhlásenie: AAAS a EurekAlert nezodpovedajú za presnosť tlačových správ uverejnených na EurekAlert! Akékoľvek použitie informácií organizáciou poskytujúcou informácie alebo prostredníctvom systému EurekAlert.
Čas uverejnenia: 22. augusta 2024