Slika: Tradicionalne metode regeneracije biljaka zahtijevaju upotrebu regulatora rasta biljaka poput hormona, koji mogu biti specifični za vrstu i zahtijevati puno rada. U novoj studiji, znanstvenici su razvili novi sustav regeneracije biljaka reguliranjem funkcije i ekspresije gena uključenih u dediferencijaciju (staničnu proliferaciju) i rediferencijaciju (organogenezu) biljnih stanica. Pogledajte više
Tradicionalne metode regeneracije biljaka zahtijevaju korištenjeregulatori rasta biljakakao štohormons, što može biti specifično za vrstu i zahtijevati puno rada. U novoj studiji, znanstvenici su razvili novi sustav regeneracije biljaka reguliranjem funkcije i ekspresije gena uključenih u dediferencijaciju (staničnu proliferaciju) i rediferencijaciju (organogenezu) biljnih stanica.
Biljke su dugi niz godina glavni izvor hrane za životinje i ljude. Osim toga, biljke se koriste za ekstrakciju raznih farmaceutskih i terapeutskih spojeva. Međutim, njihova zlouporaba i rastuća potražnja za hranom naglašavaju potrebu za novim metodama uzgoja biljaka. Napredak u biljnoj biotehnologiji mogao bi riješiti buduće nestašice hrane proizvodnjom genetski modificiranih (GM) biljaka koje su produktivnije i otpornije na klimatske promjene.
Prirodno, biljke mogu regenerirati potpuno nove biljke iz jedne „totipotentne“ stanice (stanice koja može dati više tipova stanica) dediferencijacijom i rediferencijacijom u stanice s različitim strukturama i funkcijama. Umjetno kondicioniranje takvih totipotentnih stanica putem kulture biljnog tkiva široko se koristi za zaštitu biljaka, uzgoj, proizvodnju transgeničnih vrsta i u znanstveno-istraživačke svrhe. Tradicionalno, kultura tkiva za regeneraciju biljaka zahtijeva upotrebu regulatora rasta biljaka (GGR), poput auksina i citokinina, za kontrolu diferencijacije stanica. Međutim, optimalni hormonalni uvjeti mogu značajno varirati ovisno o vrsti biljke, uvjetima kulture i vrsti tkiva. Stoga stvaranje optimalnih uvjeta istraživanja može biti dugotrajan i radno intenzivan zadatak.
Kako bi prevladala ovaj problem, izvanredna profesorica Tomoko Ikawa, zajedno s izvanrednom profesoricom Mai F. Minamikawom sa Sveučilišta Chiba, profesorom Hitoshijem Sakakibarom s Poslijediplomskog studija biopoljoprivrednih znanosti Sveučilišta Nagoya i Mikiko Kojimom, stručnom tehničarkom iz RIKEN CSRS-a, razvila je univerzalnu metodu za kontrolu biljaka putem regulacije. Ekspresija gena za „razvojno reguliranu“ (DR) diferencijaciju stanica za postizanje regeneracije biljaka. Objavljeno u 15. svesku časopisa Frontiers in Plant Science 3. travnja 2024., dr. Ikawa pružila je dodatne informacije o svom istraživačkom radu, navodeći: „Naš sustav ne koristi vanjske PGR-ove, već gene transkripcijskih faktora za kontrolu diferencijacije stanica, slično pluripotentnim stanicama induciranim u sisavaca.“
Istraživači su ektopično eksprimirali dva DR gena, BABY BOOM (BBM) i WUSCHEL (WUS), iz Arabidopsis thaliana (korištene kao modelna biljka) i ispitali njihov utjecaj na diferencijaciju kulture tkiva duhana, salate i petunije. BBM kodira transkripcijski faktor koji regulira embrionalni razvoj, dok WUS kodira transkripcijski faktor koji održava identitet matičnih stanica u području apikalnog meristema izdanka.
Njihovi su eksperimenti pokazali da ekspresija BBM-a ili WUS-a Arabidopsis sama po sebi nije dovoljna za induciranje diferencijacije stanica u tkivu lista duhana. Nasuprot tome, koekspresija funkcionalno poboljšanog BBM-a i funkcionalno modificiranog WUS-a inducira ubrzani fenotip autonomne diferencijacije. Bez upotrebe PCR-a, transgene stanice lista diferencirale su se u kalus (neorganizirana stanična masa), zelene strukture nalik organima i adventivne pupoljke. Kvantitativna analiza lančane reakcije polimeraze (qPCR), metoda koja se koristi za kvantifikaciju genskih transkripata, pokazala je da je ekspresija BBM-a i WUS-a Arabidopsis korelirala s formiranjem transgeničnih kalusa i izdanaka.
Uzimajući u obzir ključnu ulogu fitohormona u staničnoj diobi i diferencijaciji, istraživači su kvantificirali razine šest fitohormona, i to auksina, citokinina, abscisinske kiseline (ABA), giberelina (GA), jasmonske kiseline (JA), salicilne kiseline (SA) i njezinih metabolita u transgenim biljnim kulturama. Njihovi rezultati pokazali su da se razine aktivnog auksina, citokinina, ABA i neaktivne GA povećavaju kako se stanice diferenciraju u organe, ističući njihovu ulogu u diferencijaciji biljnih stanica i organogenezi.
Osim toga, istraživači su koristili transkriptome RNA sekvenciranja, metodu za kvalitativnu i kvantitativnu analizu ekspresije gena, kako bi procijenili obrasce ekspresije gena u transgeničnim stanicama koje pokazuju aktivnu diferencijaciju. Njihovi rezultati pokazali su da su geni povezani s proliferacijom stanica i auksinom obogaćeni različito reguliranim genima. Daljnje ispitivanje korištenjem qPCR otkrilo je da transgenične stanice imaju povećanu ili smanjenu ekspresiju četiri gena, uključujući gene koji reguliraju diferencijaciju biljnih stanica, metabolizam, organogenezu i odgovor na auksin.
Sveukupno, ovi rezultati otkrivaju novi i svestran pristup regeneraciji biljaka koji ne zahtijeva vanjsku primjenu PCR-a. Osim toga, sustav korišten u ovoj studiji mogao bi poboljšati naše razumijevanje temeljnih procesa diferencijacije biljnih stanica i poboljšati biotehnološku selekciju korisnih biljnih vrsta.
Ističući potencijalne primjene svog rada, dr. Ikawa je rekao: „Prijavljeni sustav mogao bi poboljšati oplemenjivanje biljaka pružanjem alata za induciranje stanične diferencijacije transgenih biljnih stanica bez potrebe za PCR-om. Stoga će, prije nego što transgene biljke budu prihvaćene kao proizvodi, društvo ubrzati oplemenjivanje biljaka i smanjiti povezane troškove proizvodnje.“
O izvanrednoj profesorici Tomoko Igawa Dr. Tomoko Ikawa je docentica na Poslijediplomskom studiju hortikulture, Centru za molekularne znanosti o biljkama i Centru za istraživanje svemirske poljoprivrede i hortikulture Sveučilišta Chiba u Japanu. Njezini istraživački interesi uključuju spolno razmnožavanje i razvoj biljaka te biljnu biotehnologiju. Njezin rad usmjeren je na razumijevanje molekularnih mehanizama spolnog razmnožavanja i diferencijacije biljnih stanica korištenjem različitih transgeničnih sustava. Ima nekoliko publikacija u tim područjima i članica je Japanskog društva za biljnu biotehnologiju, Japanskog botaničkog društva, Japanskog društva za oplemenjivanje biljaka, Japanskog društva biljnih fiziologa i Međunarodnog društva za proučavanje spolnog razmnožavanja biljaka.
Autonomna diferencijacija transgeničnih stanica bez vanjske upotrebe hormona: ekspresija endogenih gena i ponašanje fitohormona
Autori izjavljuju da je istraživanje provedeno u odsutnosti ikakvih komercijalnih ili financijskih odnosa koji bi se mogli protumačiti kao potencijalni sukob interesa.
Odricanje od odgovornosti: AAAS i EurekAlert nisu odgovorni za točnost priopćenja za javnost objavljenih na EurekAlertu! Bilo kakva upotreba informacija od strane organizacije koja pruža informacije ili putem EurekAlert sustava.
Vrijeme objave: 22. kolovoza 2024.