Изображение: Традиционные методы регенерации растений требуют использования регуляторов роста растений, таких как гормоны, которые могут быть специфичными для определенного вида 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. Смотреть еще
Традиционные методы регенерации растений требуют использованиярегуляторы роста растенийтакой какгормонs, которые могут быть специфичными для вида 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.
Растения были основным источником пищи для животных и людей в течение многих лет. 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 будущую нехватку продовольствия путем производства генетически модифицированных (ГМ) растений, которые более продуктивны и устойчивы к изменению климата.
Естественно, растения могут регенерировать совершенно новые растения из одной «тотипотентной» клетки (клетки, которая может дать начало нескольким типам клеток) путем дедифференциации и повторной дифференциации в клетки с различными структурами и функциями. Искусственное кондиционирование таких тотипотентных клеток через культуру растительной ткани широко используется для защиты растений, селекции, производства трансгенных видов и в научных исследовательских целях. Традиционно культура ткани для регенерации растений требует использования регуляторов роста растений (GGR), 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 исследования может быть трудоемкой и требующей много времени задачей.
Чтобы преодолеть эту проблему, доцент Томоко Икава вместе с доцентом Май Ф. Минамикавой из Университета Тиба, профессором Хитоши Сакакибарой из Высшей школы биосельскохозяйственных наук Университета Нагоя и Микико Кодзимой, экспертом-техническим специалистом из RIKEN CSRS, разработали универсальный метод контроля растений посредством регуляции. Экспрессия генов дифференциации клеток «регулируемого развитием» (DR) для достижения регенерации растений. Опубликовано в 15-м томе Frontiers in Plant Science 3 апреля 2024 года, доктор Икава предоставила дополнительную информацию об их исследовательской работе, заявив: «Наша система не использует внешние PGR, а вместо этого использует гены факторов транскрипции для контроля дифференциации клеток. аналогично плюрипотентным клеткам, индуцированным у млекопитающих».
Исследователи эктопически экспрессировали два гена DR, BABY BOOM (BBM) и WUSCHEL (WUS), из Arabidopsis thaliana (используемого в качестве модельного растения) и изучили их влияние на дифференциацию культуры тканей табака, салата и петунии. BBM кодирует фактор транскрипции, который регулирует эмбриональное развитие, тогда как WUS кодирует фактор транскрипции, который поддерживает 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 ткани табачного листа. Напротив, коэкспрессия функционально улучшенного BBM и функционально модифицированного WUS индуцирует ускоренный автономный фенотип дифференциации. Без использования ПЦР трансгенные клетки листа дифференцировались в каллус (неорганизованную клеточную массу), зеленые органоподобные структуры и адвентивные почки. Количественный анализ полимеразной цепной реакции (qPCR), метод, используемый для количественной оценки транскриптов генов, показал, что экспрессия Arabidopsis BBM и WUS коррелировала с образованием трансгенных каллусов и побегов.
Учитывая решающую роль фитогормонов в делении и дифференциации клеток, исследователи количественно оценили уровни шести фитогормонов, а именно ауксина, цитокинина, абсцизовой кислоты (АБК), гиббереллина (ГА), жасмоновой кислоты (ЖК), салициловой кислоты (СК) и ее метаболитов в трансгенных культурах растений. Их результаты показали, что уровни активного ауксина, цитокинина, АБК и неактивного ГА увеличиваются по мере дифференциации клеток в органы, что подчеркивает их роль в дифференциации растительных клеток и органогенезе.
Кроме того, исследователи использовали РНК-секвенирование транскриптомов, метод качественного и количественного анализа экспрессии генов, для оценки паттернов экспрессии генов в трансгенных клетках, демонстрирующих активную дифференциацию. Их результаты показали, что гены, связанные с пролиферацией клеток и ауксином, были обогащены дифференциально регулируемыми генами. Дальнейшее исследование с использованием qPCR показало, что трансгенные клетки имели повышенную или пониженную экспрессию четырех генов, включая гены, которые регулируют дифференциацию растительных клеток, метаболизм, органогенез и реакцию на ауксин.
В целом, эти результаты раскрывают новый и универсальный подход к регенерации растений, который не требует внешнего применения ПЦР. Кроме того, система, использованная в этом исследовании, может улучшить наше понимание фундаментальных процессов дифференциации растительных клеток и улучшить биотехнологический отбор полезных видов растений.
Подчеркивая потенциальные возможности применения своей работы, доктор Икава сказал: «Представленная система может улучшить селекцию растений, предоставив инструмент для индукции клеточной дифференциации трансгенных растительных клеток без необходимости ПЦР. Поэтому, прежде чем трансгенные растения будут приняты в качестве продуктов, общество ускорит селекцию растений и сократит связанные с этим производственные затраты».
О доценте Томоко Игава Доктор Томоко Икава — доцент Высшей школы садоводства, Центра молекулярных наук о растениях и Центра космических исследований сельского хозяйства и садоводства, Университет Тиба, Япония. Ее научные интересы включают половое размножение и развитие растений, а также биотехнологию растений. Ее работа сосредоточена на понимании молекулярных механизмов полового размножения и дифференциации клеток растений с использованием различных трансгенных систем. Она имеет несколько публикаций в этих областях и является 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 при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.
Отказ от ответственности: AAAS и EurekAlert не несут ответственности за точность пресс-релизов, опубликованных на EurekAlert! Любое использование информации организацией, предоставляющей информацию, или через систему EurekAlert.
Время публикации: 22-авг-2024