Forskere utvikler en ny metode for plantefornyelse ved å regulere uttrykket av gener som kontrollerer plantecelledifferensiering.

 Bilde: Tradisjonelle metoder for plantefornyelse 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 til gener som er involvert i dedifferensiering (celleproliferasjon) og redifferensiering (organogenese) av planteceller. Se mer
Tradisjonelle metoder for plantefornyelse 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 til gener som er involvert i dedifferensiering (celleproliferasjon) og redifferensiering (organogenese) av planteceller.
Planter har vært hovedkilden til mat for dyr og mennesker i mange år. I tillegg brukes plantene til å utvinne ulike farmasøytiske og terapeutiske forbindelser. Imidlertid fremhever deres misbruk og økende etterspørsel etter mat behovet for nye planteforedlingsmetoder. Fremskritt innen plantebioteknologi kan løse fremtidige 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 plantebeskyttelse, avl, produksjon av transgene arter og til vitenskapelige forskningsformål. Tradisjonelt krever vevskultur for planteregenerering bruk av plantevekstregulatorer (GGR), 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 leteforhold være en tidkrevende og arbeidskrevende 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. Uttrykk av "utviklingsregulerte" (DR) celledifferensieringsgener for å oppnå planteregenerering. Publisert i bind 15 av Frontiers in Plant Science 3. april 2024, ga Dr. Ikawa ytterligere informasjon om deres forskningsarbeid, og sa: "Vårt system bruker ikke eksterne PGR-er, men bruker i stedet transkripsjonsfaktorgener for å kontrollere celledifferensiering. ligner på pluripotente celler indusert i pattedyr."
Forskerne uttrykte ektopisk to DR-gener, BABY BOOM (BBM) og WUSCHEL (WUS), fra Arabidopsis thaliana (brukt som modellplante) og undersøkte deres effekt på vevskulturdifferensiering av tobakk, salat og petunia. BBM koder for en transkripsjonsfaktor som regulerer embryonal utvikling, mens WUS koder for en transkripsjonsfaktor som opprettholder stamcelleidentitet i regionen av skuddets apikale meristem.
Eksperimentene deres viste at ekspresjon av Arabidopsis BBM eller WUS alene ikke er tilstrekkelig til å indusere celledifferensiering i tobakksbladvev. I kontrast induserer samuttrykk 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 polymerasekjedereaksjon (qPCR) analyse, en metode som brukes til å kvantifisere gentranskripter, viste at Arabidopsis BBM og WUS-ekspresjon korrelerte med dannelsen av transgene kalli og skudd.
Tatt i betraktning den avgjørende rollen til fytohormoner 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 når celler differensierer til organer, og fremhever deres roller i plantecelledifferensiering og organogenese.
I tillegg brukte forskerne RNA-sekvenserende 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 ble beriket i differensielt regulerte gener. Ytterligere undersøkelser ved bruk av qPCR viste at de transgene cellene hadde økt eller redusert ekspresjon av fire gener, inkludert gener som regulerer plantecelledifferensiering, metabolisme, organogenese og auxinrespons.
Totalt 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 anvendelsene av arbeidet hans, "Det rapporterte systemet kan forbedre planteavl ved å tilby et verktøy for å indusere cellulær differensiering av transgene planteceller uten behov for PCR. Derfor, før transgene planter aksepteres som produkter, vil samfunnet øke hastigheten på planteforedling og redusere tilhørende produksjonskostnader."
Om førsteamanuensis Tomoko Igawa Dr. Tomoko Ikawa er assisterende professor ved Graduate School of Horticulture, Center for Molecular Plant Sciences og Center for Space Agriculture and Horticulture Research, Chiba University, Japan. Hennes forskningsinteresser inkluderer planteseksuell reproduksjon og utvikling 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 for endogene gener og oppførsel av fytohormoner
Forfatterne erklærer at forskningen ble utført i fravær av kommersielle eller økonomiske forhold som kan 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 gir informasjonen eller gjennom EurekAlert-systemet.