Изображение: Традиционные методы регенерации растений требуют использования регуляторов роста растений, таких как гормоны, которые могут быть видоспецифичными и трудоемкими. В новом исследовании ученые разработали новую систему регенерации растений, регулируя функцию и экспрессию генов, участвующих в дедифференциации (пролиферации клеток) и редифференциации (органогенезе) растительных клеток. Подробнее
Традиционные методы регенерации растений требуют использованиярегуляторы роста растенийтакой какгормонЭто может быть видоспецифичным и трудоемким процессом. В новом исследовании ученые разработали новую систему регенерации растений, регулируя функцию и экспрессию генов, участвующих в дедифференциации (пролиферации клеток) и редифференциации (органогенезе) растительных клеток.
Растения на протяжении многих лет являются основным источником пищи для животных и людей. Кроме того, растения используются для извлечения различных фармацевтических и терапевтических соединений. Однако их неправильное использование и растущий спрос на продукты питания подчеркивают необходимость новых методов селекции растений. Достижения в области биотехнологии растений могут решить проблему будущей нехватки продовольствия за счет создания генетически модифицированных (ГМ) растений, которые будут более продуктивными и устойчивыми к изменению климата.
В природе растения способны регенерировать совершенно новые растения из одной «тотипотентной» клетки (клетки, способной давать начало нескольким типам клеток) путем дедифференциации и редифференциации в клетки с различными структурами и функциями. Искусственная подготовка таких тотипотентных клеток с помощью культуры растительных тканей широко используется для защиты растений, селекции, производства трансгенных видов и в научных исследованиях. Традиционно для регенерации растений методом культивирования тканей требуется использование регуляторов роста растений (РРР), таких как ауксины и цитокинины, для контроля дифференциации клеток. Однако оптимальные гормональные условия могут значительно различаться в зависимости от вида растения, условий культивирования и типа ткани. Поэтому создание оптимальных условий для исследования может быть трудоемким и длительным процессом.
Для решения этой проблемы доцент Томоко Икава совместно с доцентом Май Ф. Минамикавой из Университета Тиба, профессором Хитоси Сакакибарой из Высшей школы биосельскохозяйственных наук Университета Нагоя и Микико Кодзимой, экспертом-техником из RIKEN CSRS, разработали универсальный метод контроля роста растений посредством регулирования экспрессии генов клеточной дифференцировки, регулируемых в процессе развития (DR), для достижения регенерации растений. В статье, опубликованной в 15-м томе журнала Frontiers in Plant Science 3 апреля 2024 года, доктор Икава предоставила дополнительную информацию о своей исследовательской работе, заявив: «Наша система не использует внешние регуляторы роста растений, а вместо этого использует гены транскрипционных факторов для контроля клеточной дифференцировки, аналогично плюрипотентным клеткам, индуцированным у млекопитающих».
Исследователи эктопически экспрессировали два гена DR, BABY BOOM (BBM) и WUSCHEL (WUS), из Arabidopsis thaliana (используемой в качестве модельного растения) и изучили их влияние на дифференцировку тканей в культуре табака, салата и петунии. Ген BBM кодирует фактор транскрипции, регулирующий эмбриональное развитие, тогда как ген WUS кодирует фактор транскрипции, поддерживающий идентичность стволовых клеток в области апикальной меристемы побега.
Их эксперименты показали, что экспрессия Arabidopsis BBM или WUS по отдельности недостаточна для индукции клеточной дифференциации в тканях листьев табака. Напротив, совместная экспрессия функционально усиленного BBM и функционально модифицированного WUS индуцирует ускоренный автономный фенотип дифференциации. Без использования ПЦР трансгенные клетки листьев дифференцировались в каллус (дезорганизованную клеточную массу), зеленые органоподобные структуры и придаточные почки. Количественный анализ полимеразной цепной реакции (кПЦР), метод, используемый для количественной оценки транскриптов генов, показал, что экспрессия Arabidopsis BBM и WUS коррелирует с образованием трансгенных каллусов и побегов.
Учитывая решающую роль фитогормонов в делении и дифференциации клеток, исследователи количественно определили уровни шести фитогормонов, а именно ауксина, цитокинина, абсцизовой кислоты (АБК), гиббереллина (ГК), жасмоновой кислоты (ЖК), салициловой кислоты (СК) и их метаболитов в трансгенных растениях. Результаты показали, что уровни активного ауксина, цитокинина, АБК и неактивного ГК увеличиваются по мере дифференциации клеток в органы, подчеркивая их роль в дифференциации растительных клеток и органогенезе.
Кроме того, исследователи использовали секвенирование РНК транскриптомов — метод качественного и количественного анализа экспрессии генов — для оценки закономерностей экспрессии генов в трансгенных клетках, демонстрирующих активную дифференциацию. Их результаты показали, что гены, связанные с пролиферацией клеток и ауксином, были обогащены среди дифференциально регулируемых генов. Дальнейшее исследование с использованием qPCR выявило, что в трансгенных клетках наблюдалось увеличение или уменьшение экспрессии четырех генов, включая гены, регулирующие дифференциацию растительных клеток, метаболизм, органогенез и реакцию на ауксин.
В целом, полученные результаты демонстрируют новый и универсальный подход к регенерации растений, не требующий внешнего применения ПЦР. Кроме того, используемая в этом исследовании система может улучшить наше понимание фундаментальных процессов дифференциации растительных клеток и усовершенствовать биотехнологический отбор полезных видов растений.
Подчеркивая потенциальные области применения своей работы, доктор Икава сказал: «Предложенная система может улучшить селекцию растений, предоставив инструмент для индукции клеточной дифференциации трансгенных растительных клеток без необходимости ПЦР. Таким образом, прежде чем трансгенные растения будут приняты в качестве продукции, общество ускорит селекцию растений и снизит связанные с этим производственные затраты».
О доценте Томоко Игаве Доктор Томоко Игава — доцент Высшей школы садоводства, Центра молекулярных наук о растениях и Центра исследований космического сельского хозяйства и садоводства Университета Тиба, Япония. Ее научные интересы включают половое размножение и развитие растений, а также биотехнологию растений. Ее работа сосредоточена на изучении молекулярных механизмов полового размножения и дифференциации растительных клеток с использованием различных трансгенных систем. Она является автором ряда публикаций в этих областях и членом Японского общества биотехнологии растений, Ботанического общества Японии, Японского общества селекции растений, Японского общества физиологов растений и Международного общества по изучению полового размножения растений.
Автономная дифференциация трансгенных клеток без внешнего применения гормонов: экспрессия эндогенных генов и поведение фитогормонов.
Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых связей, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.
Предупреждение: AAAS и EurekAlert не несут ответственности за точность пресс-релизов, опубликованных на EurekAlert! Любое использование информации организацией, предоставляющей информацию, или через систему EurekAlert.
Дата публикации: 22 августа 2024 г.