Billede: Traditionelle metoder til planteregenerering kræver brug af plantevækstregulatorer såsom hormoner, som kan være artsspecifikke og arbejdskrævende. I en ny undersøgelse har forskere udviklet et nyt planteregenereringssystem ved at regulere funktionen og ekspressionen af gener involveret i dedifferentiering (celleproliferation) og redifferentiering (organogenese) af planteceller. Se mere
Traditionelle metoder til planteforyngelse kræver brug afplantevækstregulatorersåsomhormons, som kan være artsspecifikke og arbejdskrævende. I en ny undersøgelse har forskere udviklet et nyt planteregenereringssystem ved at regulere funktionen og ekspressionen af gener involveret i dedifferentiering (celleproliferation) og redifferentiering (organogenese) af planteceller.
Planter har i mange år været den primære fødekilde for dyr og mennesker. Derudover bruges planterne til at udvinde forskellige farmaceutiske og terapeutiske forbindelser. Misbruget af dem og den stigende efterspørgsel efter fødevarer understreger dog behovet for nye planteforædlingsmetoder. Fremskridt inden for plantebioteknologi kan løse fremtidige fødevaremangler 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 redifferentiere til celler med forskellige strukturer og funktioner. Kunstig konditionering af sådanne totipotente celler gennem plantevævskultur er meget anvendt til plantebeskyttelse, avl, produktion af transgene arter og til videnskabelige forskningsformål. Traditionelt kræver vævskultur til planteregenerering brugen af plantevækstregulatorer (GGR'er), såsom auxiner og cytokininer, for at kontrollere celledifferentiering. Optimale hormonelle forhold kan dog variere betydeligt afhængigt af plantearten, kulturforholdene og vævstypen. Derfor kan det være en tidskrævende og arbejdsintensiv opgave at skabe optimale efterforskningsforhold.
For at overvinde dette problem udviklede 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, en universel metode til plantekontrol gennem regulering. Ekspression af "udviklingsregulerede" (DR) celledifferentieringsgener for at opnå planteregenerering. Dr. Ikawa, der blev offentliggjort i bind 15 af Frontiers in Plant Science den 3. april 2024, gav yderligere information om deres forskningsarbejde og sagde: "Vores system bruger ikke eksterne PGR'er, men bruger i stedet transkriptionsfaktorgener til at kontrollere celledifferentiering, svarende til pluripotente celler induceret hos 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 embryonisk udvikling, hvorimod WUS koder for en transkriptionsfaktor, der opretholder stamcelleidentitet i regionen af skuddets apikale meristem.
Deres eksperimenter viste, at ekspressionen 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 til callus (uorganiseret cellemasse), grønne organlignende strukturer og tilfældige knopper. Kvantitativ polymerasekædereaktionsanalyse (qPCR) - en metode, der bruges til at kvantificere gentranskripter, viste, at Arabidopsis BBM- og WUS-ekspression korrelerede med dannelsen af transgene calli og skud.
I betragtning af fytohormoners afgørende rolle i celledeling og -differentiering kvantificerede forskerne niveauerne af seks fytohormoner, nemlig auxin, cytokinin, abscisinsyre (ABA), gibberellin (GA), jasmonsyre (JA), salicylsyre (SA) og dens metabolitter i transgene planteafgrøder. Deres resultater viste, at niveauerne af aktiv auxin, cytokinin, ABA og inaktiv GA stiger, efterhånden som celler differentierer til organer, hvilket fremhæver deres roller i plantecelledifferentiering og organogenese.
Derudover brugte forskerne RNA-sekventeringstranskriptomer, 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 med differentielt regulerede gener. Yderligere undersøgelse ved hjælp af qPCR afslørede, at de transgene celler havde øget eller nedsat ekspression af fire gener, herunder gener, der regulerer plantecelledifferentiering, metabolisme, organogenese og auxinrespons.
Samlet set afslører disse resultater en ny og alsidig tilgang til planteregenerering, der ikke kræver ekstern anvendelse af PCR. Derudover kan systemet, der anvendes i denne undersøgelse, forbedre vores forståelse af de grundlæggende processer i plantecelledifferentiering og forbedre den bioteknologiske udvælgelse af nyttige plantearter.
Dr. Ikawa fremhævede de potentielle anvendelser af sit arbejde og sagde: "Det rapporterede system kunne forbedre planteforædlingen ved at give et værktøj til at inducere celledifferentiering af transgene planteceller uden behov for PCR. Derfor vil samfundet fremskynde planteforædlingen og reducere de tilhørende produktionsomkostninger, før transgene planter accepteres som produkter."
Om lektor Tomoko Igawa Dr. Tomoko Ikawa er adjunkt ved Graduate School of Horticulture, Center for Molecular Plant Sciences og Center for Space Agriculture and Horticulture Research, Chiba University, Japan. Hendes forskningsinteresser omfatter planters seksuelle reproduktion og udvikling samt plantebioteknologi. Hendes arbejde fokuserer på at forstå de molekylære mekanismer for seksuel reproduktion og plantecelledifferentiering ved hjælp af forskellige transgene systemer. Hun har adskillige 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 fytohormoners adfærd
Forfatterne erklærer, at forskningen blev udført uden kommercielle eller økonomiske forbindelser, der kunne opfattes som en potentiel interessekonflikt.
Ansvarsfraskrivelse: AAAS og EurekAlert er ikke ansvarlige for nøjagtigheden af pressemeddelelser offentliggjort på EurekAlert! Enhver brug af oplysninger af den organisation, der leverer oplysningerne, eller via EurekAlert-systemet.
Opslagstidspunkt: 22. august 2024