Forskare utvecklar en ny metod för växtregenerering genom att reglera uttrycket av gener som kontrollerar växtcellsdifferentiering.

 Bild: Traditionella metoder för växtregenerering kräver användning av tillväxtregulatorer som hormoner, vilka kan vara artspecifika och arbetsintensiva. I en ny studie har forskare utvecklat ett nytt växtregenereringssystem genom att reglera funktionen och uttrycket av gener involverade i dedifferentiering (cellproliferation) och redifferentiering (organogenes) av växtceller. Visa mer
Traditionella metoder för växtföryngring kräver användning avväxttillväxtregulatorersåsomhormons, vilket kan vara artspecifikt och arbetsintensivt. I en ny studie har forskare utvecklat ett nytt växtregenereringssystem genom att reglera funktionen och uttrycket av gener involverade i dedifferentiering (cellproliferation) och redifferentiering (organogenes) av växtceller.
Växter har varit den viktigaste födokällan för djur och människor i många år. Dessutom används växterna för att utvinna olika farmaceutiska och terapeutiska föreningar. Men deras missbruk och växande efterfrågan på livsmedel belyser behovet av nya växtförädlingsmetoder. Framsteg inom växtbioteknik skulle kunna lösa framtida livsmedelsbrister genom att producera genetiskt modifierade (GM) växter som är mer produktiva och motståndskraftiga mot klimatförändringar.
Naturligtvis kan växter regenerera helt nya växter från en enda "totipotent" cell (en cell som kan ge upphov till flera celltyper) genom att dedifferentiera och redifferentiera till celler med olika strukturer och funktioner. Artificiell konditionering av sådana totipotenta celler genom växtvävnadsodling används ofta för växtskydd, avel, produktion av transgena arter och för vetenskapliga forskningsändamål. Traditionellt kräver vävnadsodling för växtregenerering användning av växttillväxtregulatorer (GGR), såsom auxiner och cytokininer, för att kontrollera celldifferentiering. Optimala hormonella förhållanden kan dock variera avsevärt beroende på växtart, odlingsförhållanden och vävnadstyp. Därför kan det vara en tidskrävande och arbetsintensiv uppgift att skapa optimala prospekteringsförhållanden.
För att övervinna detta problem utvecklade docent Tomoko Ikawa, tillsammans med docent Mai F. Minamikawa från Chiba University, professor Hitoshi Sakakibara från Nagoya University Graduate School of Bio-Agricultural Sciences och Mikiko Kojima, en experttekniker från RIKEN CSRS, en universell metod för växtkontroll genom reglering. Uttryck av "utvecklingsreglerade" (DR) celldifferentieringsgener för att uppnå växtregenerering. Dr. Ikawa, publicerad i volym 15 av Frontiers in Plant Science den 3 april 2024, gav ytterligare information om deras forskningsarbete och sa: "Vårt system använder inte externa PGR:er, utan använder istället transkriptionsfaktorgener för att kontrollera celldifferentiering, liknande pluripotenta celler som induceras hos däggdjur."
Forskarna uttryckte ektopiskt två DR-gener, BABY BOOM (BBM) och WUSCHEL (WUS), från Arabidopsis thaliana (använd som modellväxt) och undersökte deras effekt på vävnadskulturdifferentiering hos tobak, sallad och petunia. BBM kodar för en transkriptionsfaktor som reglerar embryonal utveckling, medan WUS kodar för en transkriptionsfaktor som upprätthåller stamcellsidentiteten i regionen kring skottets apikala meristem.
Deras experiment visade att uttryck av Arabidopsis BBM eller WUS ensamt inte är tillräckligt för att inducera celldifferentiering i tobaksbladvävnad. Däremot inducerar samuttryck av funktionellt förstärkt BBM och funktionellt modifierad WUS en accelererad autonom differentieringsfenotyp. Utan användning av PCR differentierades transgena bladceller till kallus (oorganiserad cellmassa), gröna organliknande strukturer och oavsiktliga knoppar. Kvantitativ polymeraskedjereaktionsanalys (qPCR) - en metod som används för att kvantifiera gentranskript, visade att uttryck av Arabidopsis BBM och WUS korrelerade med bildandet av transgena kalli och skott.
Med tanke på fytohormonernas avgörande roll i celldelning och differentiering kvantifierade forskarna nivåerna av sex fytohormoner, nämligen auxin, cytokinin, abscisinsyra (ABA), gibberellin (GA), jasmonsyra (JA), salicylsyra (SA) och dess metaboliter i transgena växtgrödor. Deras resultat visade att nivåerna av aktivt auxin, cytokinin, ABA och inaktivt GA ökar när celler differentieras till organ, vilket belyser deras roller i växtcellsdifferentiering och organogenes.
Dessutom använde forskarna RNA-sekvenserings-transkriptomer, en metod för kvalitativ och kvantitativ analys av genuttryck, för att utvärdera mönster av genuttryck i transgena celler som uppvisar aktiv differentiering. Deras resultat visade att gener relaterade till cellproliferation och auxin var berikade med differentiellt reglerade gener. Ytterligare undersökning med qPCR visade att de transgena cellerna hade ökat eller minskat uttryck av fyra gener, inklusive gener som reglerar växtcellsdifferentiering, metabolism, organogenes och auxinrespons.
Sammantaget visar dessa resultat på en ny och mångsidig metod för växtregenerering som inte kräver extern applicering av PCR. Dessutom kan systemet som används i denna studie förbättra vår förståelse av de grundläggande processerna för växtcellsdifferentiering och förbättra det bioteknologiska urvalet av användbara växtarter.
Dr. Ikawa lyfte fram de potentiella tillämpningarna av sitt arbete och sa: ”Det rapporterade systemet skulle kunna förbättra växtförädlingen genom att tillhandahålla ett verktyg för att inducera celldifferentiering av transgena växtceller utan behov av PCR. Därför, innan transgena växter accepteras som produkter, kommer samhället att påskynda växtförädlingen och minska de därmed sammanhängande produktionskostnaderna.”
Om docent Tomoko Igawa Dr. Tomoko Ikawa är biträdande professor vid Graduate School of Horticulture, Center for Molecular Plant Sciences och Center for Space Agriculture and Horticulture Research, Chiba University, Japan. Hennes forskningsintressen omfattar sexuell reproduktion och utveckling hos växter samt växtbioteknik. Hennes arbete fokuserar på att förstå de molekylära mekanismerna för sexuell reproduktion och växtcellsdifferentiering med hjälp av olika transgena system. Hon har flera publikationer inom dessa områden och är medlem i Japan Society of Plant Biotechnology, Botanical Society of Japan, Japanese Plant Breeding Society, Japanese Society of Plant Physiologists och International Society for the Study of Plant Sexual Reproduction.
Autonom differentiering av transgena celler utan extern användning av hormoner: uttryck av endogena gener och beteende hos fytohormoner
Författarna försäkrar att forskningen genomfördes i avsaknad av kommersiella eller finansiella relationer som skulle kunna tolkas som en potentiell intressekonflikt.
Friskrivning: AAAS och EurekAlert ansvarar inte för riktigheten i pressmeddelanden som publiceras på EurekAlert! All användning av information av organisationen som tillhandahåller informationen eller via EurekAlert-systemet.