Forskere udvikler genetisk plantegenerering uden anvendelse af fytohormoner

I evigheder har planter været den primære kilde til ernæring for dyr og mennesker. Derudover bruges planter til udvinding af forskellige medicinske og terapeutiske forbindelser. Men deres vilkårlige brug, sammen med den stigende efterspørgsel efter fødevarer, understreger behovet for nye planteforædlingsmetoder.

Fremskridt inden for plantebioteknologi kan løse problemerne forbundet med fødevareknaphed i fremtiden ved at muliggøre produktion af genetisk modificerede (GM) planter med højere produktivitet og modstandsdygtighed over for det skiftende klima.

Naturligvis kan planter regenerere en hel ny plante fra en enkelt "totipotent" celle (en celle, der kan give anledning til flere celletyper) gennem dedifferentiering og redifferentiering til celler med forskellige strukturer og funktioner. Kunstig regulering af sådanne totipotente celler gennem plantevævskultur bruges i vid udstrækning til plantebevarelse, forædling, generering af GM-arter og videnskabelige forskningsformål.

Konventionelt kræver vævskultur til planteregenerering anvendelse af plantevækstregulatorer (PGR'er), såsom auxiner og cytokininer, for at kontrollere celledifferentiering. Optimale hormonbetingelser kan dog variere betydeligt med plantearter, dyrkningsbetingelser og vævstype. Derfor kan det være tidskrævende og besværligt at etablere optimale PGR-forhold.

For at overkomme denne udfordring har lektor Tomoko Igawa sammen med lektor Mai F. Minamikawa fra Chiba University, professor Hitoshi Sakakibara fra Graduate School of Bioagricultural Sciences, Nagoya University og eksperttekniker Mikiko Kojima fra RIKEN CSRS udviklet en alsidig metode af planteregenerering ved at modulere ekspressionen af ​​'udviklingsregulator' (DR) gener, som styrer plantecelledifferentiering.

Giver yderligere indsigt i deres forskningsarbejde udgivet i Grænser i plantevidenskab , siger Dr. Igawa, "I stedet for at bruge eksterne PGR'er, bruger vores system DR-generne, som er involveret i udvikling og morfogenese, til at kontrollere cellulær differentiering. Systemet bruger transskriptionsfaktorgener og ligner induceret pluripotent cellegenerering i pattedyr."

Forskerne udtrykte ektopisk to DR-gener, nemlig - BABY BOOM (BBM) og WUSCHEL (WUS) fra Arabidopsis thaliana (brugt som modelplanten) og undersøgte deres virkninger på differentieringen af ​​tobaks-, salat- og petuniavævskulturer. BBM koder for en transkriptionsfaktor, der regulerer embryonal udvikling, mens WUS koder for en transkriptionsfaktor, der opretholder stamcelleidentiteten i skudens apikale meristem-region.

Deres eksperimenter afslørede, at ekspressionen af ​​Arabidopsis BBM eller WUS alene var utilstrækkelig til at inducere celledifferentiering i tobaksbladvæv. Omvendt inducerede co-ekspression af funktionelt forbedret BBM og funktionelt modificeret WUS en accelereret og autonom differentieringsfænotype.

De transgene bladceller differentierede til calli (en uorganiseret masse af celler), grønlige organlignende strukturer og utilsigtede skud i fravær af PGR-påføring. Kvantitativ polymerasekædereaktion (qPCR) analyse (en teknik, der bruges til at kvantificere gentranskriptioner) afslørede, at ekspressionen af ​​Arabidopsis BBM og WUS var forbundet med dannelsen af ​​transgene kalli og skud.

I betragtning af fytohormonernes nøglerolle i celledeling og -differentiering, fortsatte forskerne med at kvantificere niveauerne af seks phytohormoner, nemlig auxiner, cytokininer, abscisinsyre (ABA), gibberelliner (GA'er), jasmonsyre (JA), salicylsyre ( SA), og deres metabolitter i de transgene plantekulturer. Deres resultater afslørede, at niveauerne af aktive auxiner, cytokininer, ABA og inaktive GA'er steg, efterhånden som celler differentierede til at danne organer, hvilket fremhævede deres rolle i plantecelledifferentiering og organogenese.

Desuden brugte forskerne transkriptom ved RNA-sekventering (en teknik, der bruges til kvalitativ og kvantitativ analyse af genekspression) til at vurdere genekspressionsmønstrene i de transgene celler, der viser aktiv differentiering. Deres resultater tydede på, at gener relateret til celleproliferation og auxiner blev beriget blandt de differentielt opregulerede gener.

Yderligere validering ved hjælp af qPCR afslørede, at fire gener blev opreguleret eller nedreguleret i de transgene celler, inklusive dem, der regulerer plantecelledifferentiering, metabolisme, organogenese og auxin-respons.

Samlet set kaster disse resultater lys over den nye og alsidige tilgang til planteregenerering uden behov for ekstern anvendelse af PGR. Desuden har systemet, der bruges i denne undersøgelse, potentialet til at fremme vores forståelse af de grundlæggende processer for plantecelledifferentiering og forbedre den bioteknologiske avl af nyttige plantearter.

Dr. Igawa siger, "Det rapporterede system kan forbedre planteavl ved at give et værktøj til at inducere cellulær differentiering af GM-planteceller uden PGR-anvendelse. Derfor ville det i samfund, hvor GM-planter accepteres som produkter, fremskynde planteavl og reducere tilhørende produktion omkostninger."

Flere oplysninger: Yuka Sato et al., Autonom differentiering af transgene celler, der ikke kræver ekstern hormonpåføring:den endogene genekspression og phytohormonadfærd, Grænser i plantevidenskab (2024). DOI:10.3389/fpls.2024.1308417

Journaloplysninger: Grænser i plantevidenskab

Leveret af Chiba University