Billede: Traditionelle metoder til plantefornyelse kræver brug af plantevækstregulatorer såsom hormoner, som kan være artsspecifikke og arbejdskrævende. I en ny undersøgelse har forskere udviklet et nyt plantegendannelsessystem ved at regulere funktionen og ekspressionen af gener involveret i dedifferentiering (celleproliferation) og redifferentiering (organogenese) af planteceller. Se mere
Traditionelle metoder til plantefornyelse kræver brug afplantevækstregulatorersom f.ekshormons, som kan være artsspecifik og arbejdskrævende. I en ny undersøgelse har forskere udviklet et nyt plantegendannelsessystem ved at regulere funktionen og ekspressionen af gener involveret i dedifferentiering (celleproliferation) og redifferentiering (organogenese) af planteceller.
Planter har været den vigtigste fødekilde for dyr og mennesker i mange år. Derudover bruges planterne til at udvinde forskellige farmaceutiske og terapeutiske forbindelser. Deres misbrug og stigende efterspørgsel efter fødevarer fremhæver imidlertid behovet for nye planteforædlingsmetoder. Fremskridt inden for plantebioteknologi kan løse fremtidens fødevaremangel ved at producere genetisk modificerede (GM) planter, der er mere produktive og modstandsdygtige over for klimaændringer.
Naturligvis kan planter regenerere helt nye planter fra en enkelt "totipotent" celle (en celle, der kan give anledning til flere celletyper) ved at dedifferentiere og omdifferentiere til celler med forskellige strukturer og funktioner. Kunstig konditionering af sådanne totipotente celler gennem plantevævskultur bruges i vid udstrækning til plantebeskyttelse, avl, produktion af transgene arter og til videnskabelige forskningsformål. Traditionelt kræver vævskultur til planteregenerering brug af plantevækstregulatorer (GGR'er), såsom auxiner og cytokininer, til at kontrollere celledifferentiering. Optimale hormonelle forhold kan dog variere betydeligt afhængigt af planteart, dyrkningsforhold og vævstype. Derfor kan det være en tidskrævende og arbejdskrævende opgave at skabe optimale efterforskningsforhold.
For at overvinde dette problem har lektor Tomoko Ikawa sammen med lektor 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, udviklet en universel metode til plantekontrol gennem regulering. Ekspression af "udviklingsregulerede" (DR) celledifferentieringsgener for at opnå planteregenerering. Udgivet i bind 15 af Frontiers in Plant Science den 3. april 2024, gav Dr. Ikawa yderligere oplysninger om deres forskningsarbejde, idet han sagde: "Vores system bruger ikke eksterne PGR'er, men bruger i stedet transskriptionsfaktorgener til at kontrollere celledifferentiering. svarende til pluripotente celler induceret i pattedyr."
Forskerne udtrykte ektopisk to DR-gener, BABY BOOM (BBM) og WUSCHEL (WUS), fra Arabidopsis thaliana (brugt som modelplante) og undersøgte deres effekt på vævskulturdifferentiering af tobak, salat og petunia. BBM koder for en transkriptionsfaktor, der regulerer embryonal udvikling, hvorimod WUS koder for en transkriptionsfaktor, der opretholder stamcelleidentitet i regionen af skuddets apikale meristem.
Deres eksperimenter viste, at ekspression af Arabidopsis BBM eller WUS alene ikke er tilstrækkelig til at inducere celledifferentiering i tobaksbladvæv. I modsætning hertil inducerer samekspression af funktionelt forbedret BBM og funktionelt modificeret WUS en accelereret autonom differentieringsfænotype. Uden brug af PCR differentierede transgene bladceller sig til callus (uorganiseret cellemasse), grønne organlignende strukturer og tilfældige knopper. Kvantitativ polymerasekædereaktion (qPCR) analyse, en metode brugt til at kvantificere gentranskripter, viste, at Arabidopsis BBM og WUS ekspression korrelerede med dannelsen af transgene calli og skud.
I betragtning af fytohormonernes afgørende rolle i celledeling og -differentiering, kvantificerede forskerne niveauerne af seks phytohormoner, nemlig auxin, cytokinin, abscisinsyre (ABA), gibberellin (GA), jasmonsyre (JA), salicylsyre (SA) og dets metabolitter i transgene planteafgrøder. Deres resultater viste, at niveauerne af aktivt auxin, cytokinin, ABA og inaktivt GA stiger, når celler differentieres til organer, hvilket fremhæver deres roller i plantecelledifferentiering og organogenese.
Derudover brugte forskerne RNA-sekventerende transkriptomer, en metode til kvalitativ og kvantitativ analyse af genekspression, til at evaluere mønstre af genekspression i transgene celler, der udviser aktiv differentiering. Deres resultater viste, at gener relateret til celleproliferation og auxin var beriget i differentielt regulerede gener. Yderligere undersøgelse ved hjælp af qPCR afslørede, at de transgene celler havde øget eller reduceret ekspression af fire gener, herunder gener, der regulerer plantecelledifferentiering, metabolisme, organogenese og auxin-respons.
Samlet set afslører disse resultater en ny og alsidig tilgang til planteregenerering, der ikke kræver ekstern anvendelse af PCR. Derudover kan systemet, der bruges i denne undersøgelse, forbedre vores forståelse af de grundlæggende processer for plantecelledifferentiering og forbedre bioteknologisk udvælgelse af nyttige plantearter.
Dr. Ikawa fremhævede de potentielle anvendelser af hans arbejde, sagde Dr. Ikawa: "Det rapporterede system kunne forbedre planteavl ved at give et værktøj til at inducere cellulær differentiering af transgene planteceller uden behov for PCR. Derfor, før transgene planter accepteres som produkter, vil samfundet fremskynde planteavl og reducere de tilhørende produktionsomkostninger."
Om lektor 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. Hendes forskningsinteresser omfatter plantes seksuelle reproduktion og udvikling og plantebioteknologi. Hendes arbejde fokuserer på at forstå de molekylære mekanismer for seksuel reproduktion og plantecelledifferentiering ved hjælp af forskellige transgene systemer. Hun har flere publikationer inden for disse områder og er medlem af 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 differentiering af transgene celler uden ekstern brug af hormoner: ekspression af endogene gener og opførsel af phytohormoner
Forfatterne erklærer, at undersøgelsen blev udført i fravær af nogen kommercielle eller finansielle relationer, der kunne opfattes som en potentiel interessekonflikt.
Ansvarsfraskrivelse: AAAS og EurekAlert er ikke ansvarlige for nøjagtigheden af pressemeddelelser offentliggjort på EurekAlert! Enhver brug af information fra den organisation, der leverer oplysningerne, eller gennem EurekAlert-systemet.
Indlægstid: 22. august 2024