Изображение: Традиционные методы регенерации растений требуют использования регуляторов роста, 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 какгормонs, которые могут быть видоспецифичными и трудоёмкими. В новом исследовании учёные 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 служат основным источником пищи для животных и человека. Кроме того, растения используются для получения 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 дефицита продовольствия в будущем, создавая генетически модифицированные (ГМ) растения, более продуктивные и устойчивые к изменению климата.
В природе растения могут регенерировать совершенно новые растения из одной «тотипотентной» клетки (клетки, способной дать начало нескольким типам клеток) путём дедифференцировки и редифференцировки в клетки с различными структурами и функциями. Искусственное кондиционирование таких тотипотентных клеток посредством культивирования растительных тканей широко используется для защиты растений, селекции, получения трансгенных видов и в научных исследованиях. Традиционно культивирование тканей для регенерации растений требует использования регуляторов роста растений (РРР), таких как ауксины и цитокинины, для контроля клеточной дифференцировки. Однако оптимальные гормональные условия могут значительно варьироваться в зависимости от вида растения, условий культивирования и типа ткани. Поэтому создание оптимальных условий для исследования может быть трудоёмкой и требующей много времени.
Чтобы преодолеть эту проблему, 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-лаборантом из Центра исследований растений и развития растений имени RIKEN, разработали универсальный метод управления растениями посредством регуляции экспрессии генов клеточной дифференцировки, «регулируемых развитием» (DR), для достижения регенерации растений. В статье, опубликованной в 15-м томе журнала Frontiers in Plant Science 3 апреля 2024 года, доктор Икава представила дополнительную информацию об их исследовательской работе, заявив: «Наша система не использует внешние PGR, а вместо этого использует гены факторов транскрипции для управления клеточной дифференцировкой, подобно плюрипотентным клеткам, индуцированным у млекопитающих».
Исследователи эктопически экспрессировали два гена DR, BABY BOOM (BBM) и WUSCHEL (WUS), из Arabidopsis thaliana (использованного в качестве модельного растения) и исследовали их влияние на дифференциацию культуры тканей табака, салата и петунии. BBM кодирует фактор транскрипции, регулирующий эмбриональное развитие, тогда как WUS кодирует фактор транскрипции, поддерживающий идентичность стволовых клеток в области апикальной меристемы побега.
Их эксперименты показали, что экспрессия генов BBM или WUS арабидопсиса по отдельности недостаточна для индукции клеточной дифференцировки в ткани листьев табака. Напротив, коэкспрессия функционально улучшенного BBM и функционально модифицированного WUS индуцирует ускоренный автономный фенотип дифференцировки. Без использования ПЦР трансгенные клетки листа дифференцировались в каллус (неорганизованную клеточную массу), зелёные органоподобные структуры и адвентивные почки. Количественный анализ с помощью полимеразной цепной реакции (кПЦР), метода, используемого для количественной оценки транскриптов генов, показал, что экспрессия генов BBM и WUS арабидопсиса коррелировала с образованием трансгенных каллусов и побегов.
Учитывая решающую роль фитогормонов в делении и дифференцировке клеток, исследователи количественно оценили уровни шести фитогормонов, а именно ауксина, цитокинина, абсцизовой кислоты (АБК), гиббереллина (ГА), жасмоновой кислоты (ЖК), салициловой кислоты (СК) и её метаболитов в трансгенных растениях. Результаты показали, что уровни активных ауксинов, цитокининов, АБК и неактивной ГА увеличиваются по мере дифференцировки клеток в органы, что подчеркивает их роль в дифференцировке и органогенезе растительных клеток.
Кроме того, исследователи использовали метод качественного и количественного анализа экспрессии генов, основанный на секвенировании РНК-транскриптомов, для оценки паттернов экспрессии генов в трансгенных клетках, демонстрирующих активную дифференцировку. Результаты показали, что гены, связанные с пролиферацией клеток и ауксином, были обогащены генами с дифференциальной регуляцией. Дальнейшее исследование с помощью количественной ПЦР показало, что в трансгенных клетках наблюдалась повышенная или пониженная экспрессия четырёх генов, включая гены, регулирующие дифференцировку растительных клеток, метаболизм, органогенез и ответ на ауксин.
В целом, эти результаты демонстрируют новый и универсальный подход к регенерации растений, не требующий внешнего применения ПЦР. Кроме того, система, использованная в данном 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: «Предложенная 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 продукта, общество ускорит селекцию растений и снизит связанные с ней производственные затраты».
О доценте Томоко Игава. Доктор Томоко Икава – доцент Высшей школы садоводства, Центра молекулярных наук о растениях и Центра исследований космического сельского хозяйства и садоводства Университета Тиба, Япония. Её научные интересы включают половое размножение и развитие растений, а также биотехнологию растений. Её работа сосредоточена на понимании молекулярных механизмов полового размножения и дифференциации растительных клеток 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 дифференцировка 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 в EurekAlert! Любое использование информации организацией, предоставляющей информацию, или через систему EurekAlert.
Время публикации: 22 августа 2024 г.