I evigheter nu har växter varit den primära näringskällan för djur och mänskligheten. Dessutom används växter för utvinning av olika medicinska och terapeutiska föreningar. Men deras urskillningslösa användning, tillsammans med den ökande efterfrågan på mat, understryker behovet av nya växtförädlingsmetoder.
Framsteg inom växtbioteknik kan ta itu med problemen i samband med livsmedelsbrist i framtiden genom att möjliggöra produktion av genetiskt modifierade (GM) växter med högre produktivitet och motståndskraft mot det förändrade klimatet.
Naturligtvis kan växter regenerera en helt ny växt från en enda "totipotent" cell (en cell som kan ge upphov till flera celltyper) genom dedifferentiering och omdifferentiering till celler med olika strukturer och funktioner. Artificiell reglering av sådana totipotenta celler genom växtvävnadskultur används i stor utsträckning för växtbevarande, förädling, generering av GM-arter och vetenskapliga forskningsändamål.
Konventionellt kräver vävnadsodling för växtregenerering tillämpning av växttillväxtregulatorer (PGR), såsom auxiner och cytokininer, för att kontrollera celldifferentiering. Optimala hormonförhållanden kan dock variera avsevärt med växtarter, odlingsförhållanden och vävnadstyp. Därför kan det vara tidskrävande och mödosamt att upprätta optimala PGR-förhållanden.
För att övervinna denna utmaning har docent Tomoko Igawa, tillsammans med docent Mai F. Minamikawa från Chiba University, professor Hitoshi Sakakibara från Graduate School of Bioagricultural Sciences, Nagoya University, och expertteknikern Mikiko Kojima från RIKEN CSRS, utvecklat en mångsidig metod av växtförnyelse genom att modulera uttrycket av "utvecklingsregulatoriska" (DR) gener som kontrollerar växtcellsdifferentiering.
Ge ytterligare insikter i deras forskningsarbete publicerade i Frontiers in Plant Science , säger Dr. Igawa, "Istället för att använda externa PGRs, använder vårt system DR-gener, som är involverade i utveckling och morfogenes, för att kontrollera cellulär differentiering. Systemet använder transkriptionsfaktorgener och liknar inducerad pluripotent cellgenerering hos däggdjur."
Forskarna uttryckte två DR-gener ektopiskt, nämligen - BABY BOOM (BBM) och WUSCHEL (WUS) från Arabidopsis thaliana (används som modellväxt), och undersökte deras effekter på differentieringen av tobaks-, sallads- och petuniavävnadskulturer. BBM kodar för en transkriptionsfaktor som reglerar embryonal utveckling, medan WUS kodar för en transkriptionsfaktor som upprätthåller stamcellsidentitet i skottets apikala meristemregion.
Deras experiment visade att uttrycket av Arabidopsis BBM eller WUS enbart var otillräckligt för att inducera celldifferentiering i tobaksbladvävnad. Omvänt inducerade samuttryck av funktionellt förbättrad BBM och funktionellt modifierad WUS en accelererad och autonom differentieringsfenotyp.
De transgena bladcellerna differentierade till calli (en oorganiserad massa av celler), grönaktiga organliknande strukturer och oavsiktliga skott i frånvaro av PGR-applicering. Kvantitativ polymeraskedjereaktion (qPCR)-analys (en teknik som används för att kvantifiera gentranskript) avslöjade att uttrycket av Arabidopsis BBM och WUS var associerat med bildandet av transgena kalli och skott.
Med tanke på fytohormonernas nyckelroll i celldelning och differentiering fortsatte forskarna med att kvantifiera nivåerna av sex fytohormoner, nämligen auxiner, cytokininer, abscisinsyra (ABA), gibberelliner (GA), jasmonsyra (JA), salicylsyra ( SA), och deras metaboliter i de transgena växtkulturerna. Deras resultat avslöjade att nivåerna av aktiva auxiner, cytokininer, ABA och inaktiva GA ökade när celler differentierade för att bilda organ, vilket framhävde deras roll i växtcellsdifferentiering och organogenes.
Vidare använde forskarna transkriptom genom RNA-sekvensering (en teknik som används för kvalitativ och kvantitativ analys av genuttryck) för att bedöma genuttrycksmönstren i de transgena cellerna som visar aktiv differentiering. Deras resultat antydde att gener relaterade till cellproliferation och auxiner berikades bland de differentiellt uppreglerade generna.
Ytterligare validering med qPCR avslöjade att fyra gener uppreglerades eller nedreglerades i de transgena cellerna, inklusive de som reglerar växtcellsdifferentiering, metabolism, organogenes och auxinsvar.
Sammantaget belyser dessa fynd den nya och mångsidiga metoden för växtförnyelse utan behov av extern applicering av PGR. Dessutom har systemet som används i denna studie potential att främja vår förståelse av de grundläggande processerna för växtcellsdifferentiering och förbättra den biotekniska förädlingen av användbara växtarter.
Dr. Igawa säger, "Det rapporterade systemet kan förbättra växtförädlingen genom att tillhandahålla ett verktyg för att inducera cellulär differentiering av GM-växtceller utan PGR-tillämpning. Därför skulle det i samhällen där GM-växter accepteras som produkter påskynda växtförädlingen och minska tillhörande produktion kostnader."
Mer information: Yuka Sato et al, Autonom differentiering av transgena celler som inte kräver någon extern hormontillämpning:det endogena genuttrycket och fytohormonbeteenden, Frontiers in Plant Science (2024). DOI:10.3389/fpls.2024.1308417
Journalinformation: Frontiers in Plant Science
Tillhandahålls av Chiba University
