Bilde: Tradisjonelle metoder for planteregenerering krever bruk av plantevekstregulatorer som hormoner, som kan være artsspesifikke og arbeidskrevende. I en ny studie har forskere utviklet et nytt planteregenereringssystem ved å regulere funksjonen og uttrykket av gener involvert i dedifferensiering (celleproliferasjon) og redifferensiering (organogenese) av planteceller. Vis mer
Tradisjonelle metoder for planteregenerering krever bruk avplantevekstregulatorerslik somhormons, som kan være artsspesifikke og arbeidskrevende. I en ny studie har forskere utviklet et nytt planteregenereringssystem ved å regulere funksjonen og uttrykket av gener involvert i dedifferensiering (celleproliferasjon) og redifferensiering (organogenese) av planteceller.
Planter har vært den viktigste matkilden for dyr og mennesker i mange år. I tillegg brukes plantene til å utvinne ulike farmasøytiske og terapeutiske forbindelser. Misbruk av dem og økende etterspørsel etter mat fremhever imidlertid behovet for nye planteforedlingsmetoder. Fremskritt innen plantebioteknologi kan løse fremtidig matmangel ved å produsere genmodifiserte (GM) planter som er mer produktive og motstandsdyktige mot klimaendringer.
Naturligvis kan planter regenerere helt nye planter fra en enkelt «totipotent» celle (en celle som kan gi opphav til flere celletyper) ved å dedifferensiere og redifferensiere til celler med forskjellige strukturer og funksjoner. Kunstig kondisjonering av slike totipotente celler gjennom plantevevskultur er mye brukt til plantevern, avl, produksjon av transgene arter og til vitenskapelige forskningsformål. Tradisjonelt krever vevskultur for planteregenerering bruk av plantevekstregulatorer (GGR-er), som auxiner og cytokininer, for å kontrollere celledifferensiering. Optimale hormonelle forhold kan imidlertid variere betydelig avhengig av planteart, kulturforhold og vevstype. Derfor kan det å skape optimale utforskningsforhold være en tidkrevende og arbeidsintensiv oppgave.
For å overvinne dette problemet utviklet førsteamanuensis Tomoko Ikawa, sammen med førsteamanuensis Mai F. Minamikawa fra Chiba University, professor Hitoshi Sakakibara fra Nagoya University Graduate School of Bio-Agricultural Sciences og Mikiko Kojima, en eksperttekniker fra RIKEN CSRS, en universell metode for plantekontroll gjennom regulering. Ekspresjon av «utviklingsregulerte» (DR) celledifferensieringsgener for å oppnå planteregenerering. Dr. Ikawa, publisert i bind 15 av Frontiers in Plant Science 3. april 2024, ga ytterligere informasjon om forskningsarbeidet deres og uttalte: «Systemet vårt bruker ikke eksterne PGR-er, men bruker i stedet transkripsjonsfaktorgener for å kontrollere celledifferensiering, likt pluripotente celler indusert hos pattedyr.»
Forskerne uttrykte ektopisk to DR-gener, BABY BOOM (BBM) og WUSCHEL (WUS), fra Arabidopsis thaliana (brukt som modellplante) og undersøkte effekten deres på vevskulturdifferensiering av tobakk, salat og petunia. BBM koder for en transkripsjonsfaktor som regulerer embryonal utvikling, mens WUS koder for en transkripsjonsfaktor som opprettholder stamcelleidentiteten i regionen av skuddets apikale meristem.
Eksperimentene deres viste at uttrykk av Arabidopsis BBM eller WUS alene ikke er tilstrekkelig til å indusere celledifferensiering i tobakksbladvev. I motsetning til dette induserer samekspresjon av funksjonelt forbedret BBM og funksjonelt modifisert WUS en akselerert autonom differensieringsfenotype. Uten bruk av PCR differensierte transgene bladceller til kallus (uorganisert cellemasse), grønne organlignende strukturer og tilfeldige knopper. Kvantitativ polymerasekjedereaksjonsanalyse (qPCR), en metode som brukes til å kvantifisere gentranskripter, viste at Arabidopsis BBM- og WUS-ekspresjon korrelerte med dannelsen av transgene kalli og skudd.
Med tanke på den avgjørende rollen fytohormoner spiller i celledeling og -differensiering, kvantifiserte forskerne nivåene av seks fytohormoner, nemlig auxin, cytokinin, abscisinsyre (ABA), gibberellin (GA), jasmonsyre (JA), salisylsyre (SA) og dens metabolitter i transgene plantevekster. Resultatene deres viste at nivåene av aktivt auxin, cytokinin, ABA og inaktivt GA øker etter hvert som cellene differensierer til organer, noe som fremhever deres roller i plantecelledifferensiering og organogenese.
I tillegg brukte forskerne RNA-sekvenserings-transkriptomer, en metode for kvalitativ og kvantitativ analyse av genuttrykk, for å evaluere mønstre av genuttrykk i transgene celler som viser aktiv differensiering. Resultatene deres viste at gener relatert til celleproliferasjon og auxin var beriket med differensielt regulerte gener. Videre undersøkelse ved bruk av qPCR viste at de transgene cellene hadde økt eller redusert uttrykk av fire gener, inkludert gener som regulerer plantecelledifferensiering, metabolisme, organogenese og auxinrespons.
Samlet sett avslører disse resultatene en ny og allsidig tilnærming til planteregenerering som ikke krever ekstern bruk av PCR. I tillegg kan systemet som brukes i denne studien forbedre vår forståelse av de grunnleggende prosessene for plantecelledifferensiering og forbedre bioteknologisk utvalg av nyttige plantearter.
Dr. Ikawa fremhevet de potensielle bruksområdene for arbeidet sitt og sa: «Det rapporterte systemet kan forbedre planteforedling ved å tilby et verktøy for å indusere celledifferensiering av transgene planteceller uten behov for PCR. Derfor, før transgene planter aksepteres som produkter, vil samfunnet fremskynde planteforedlingen og redusere tilhørende produksjonskostnader.»
Om førsteamanuensis Tomoko Igawa Dr. Tomoko Ikawa er førsteamanuensis ved Graduate School of Horticulture, Center for Molecular Plant Sciences og Center for Space Agriculture and Horticulture Research, Chiba University, Japan. Hennes forskningsinteresser inkluderer seksuell reproduksjon og utvikling av planter og plantebioteknologi. Arbeidet hennes fokuserer på å forstå de molekylære mekanismene for seksuell reproduksjon og plantecelledifferensiering ved bruk av ulike transgene systemer. Hun har flere publikasjoner innen disse feltene og er medlem av Japan Society of Plant Biotechnology, Botanical Society of Japan, Japanese Plant Breeding Society, Japanese Society of Plant Physiologists og International Society for the Study of Plant Sexual Reproduction.
Autonom differensiering av transgene celler uten ekstern bruk av hormoner: uttrykk av endogene gener og oppførsel av fytohormoner
Forfatterne erklærer at forskningen ble utført uten kommersielle eller økonomiske forbindelser som kunne tolkes som en potensiell interessekonflikt.
Ansvarsfraskrivelse: AAAS og EurekAlert er ikke ansvarlige for nøyaktigheten av pressemeldinger publisert på EurekAlert! All bruk av informasjon av organisasjonen som leverer informasjonen eller gjennom EurekAlert-systemet.
Publisert: 22. august 2024