Εικόνα: Οι παραδοσιακές μέθοδοι αναγέννησης φυτών απαιτούν τη χρήση ρυθμιστών ανάπτυξης φυτών, όπως οι ορμόνες, οι οποίες μπορεί να είναι ειδικές για κάθε είδος και να απαιτούν μεγάλη εργασία. Σε μια νέα μελέτη, οι επιστήμονες ανέπτυξαν ένα νέο σύστημα αναγέννησης φυτών ρυθμίζοντας τη λειτουργία και την έκφραση γονιδίων που εμπλέκονται στην αποδιαφοροποίηση (πολλαπλασιασμό των κυττάρων) και την επαναδιαφοροποίηση (οργανογένεση) των φυτικών κυττάρων. Δείτε περισσότερα
Οι παραδοσιακές μέθοδοι αναγέννησης των φυτών απαιτούν τη χρήσηρυθμιστές ανάπτυξης φυτώνόπωςορμόνηs, τα οποία μπορούν να είναι ειδικά για κάθε είδος και να απαιτούν μεγάλη εργασία. Σε μια νέα μελέτη, οι επιστήμονες ανέπτυξαν ένα νέο σύστημα αναγέννησης φυτών ρυθμίζοντας τη λειτουργία και την έκφραση γονιδίων που εμπλέκονται στην αποδιαφοροποίηση (πολλαπλασιασμό των κυττάρων) και την επαναδιαφοροποίηση (οργανογένεση) των φυτικών κυττάρων.
Τα φυτά αποτελούν την κύρια πηγή τροφής για τα ζώα και τους ανθρώπους εδώ και πολλά χρόνια. Επιπλέον, τα φυτά χρησιμοποιούνται για την εξαγωγή διαφόρων φαρμακευτικών και θεραπευτικών ενώσεων. Ωστόσο, η κακή χρήση τους και η αυξανόμενη ζήτηση για τρόφιμα υπογραμμίζουν την ανάγκη για νέες μεθόδους αναπαραγωγής φυτών. Οι πρόοδοι στη βιοτεχνολογία των φυτών θα μπορούσαν να λύσουν τις μελλοντικές ελλείψεις τροφίμων με την παραγωγή γενετικά τροποποιημένων (ΓΤ) φυτών που είναι πιο παραγωγικά και ανθεκτικά στην κλιματική αλλαγή.
Φυσικά, τα φυτά μπορούν να αναγεννήσουν εντελώς νέα φυτά από ένα μόνο «παντοδύναμο» κύτταρο (ένα κύτταρο που μπορεί να δημιουργήσει πολλαπλούς τύπους κυττάρων) μέσω αποδιαφοροποίησης και επαναδιαφοροποίησης σε κύτταρα με διαφορετικές δομές και λειτουργίες. Η τεχνητή προετοιμασία τέτοιων παντοδύναμων κυττάρων μέσω καλλιέργειας φυτικών ιστών χρησιμοποιείται ευρέως για την προστασία των φυτών, την αναπαραγωγή, την παραγωγή διαγονιδιακών ειδών και για επιστημονικούς ερευνητικούς σκοπούς. Παραδοσιακά, η καλλιέργεια ιστών για την αναγέννηση φυτών απαιτεί τη χρήση ρυθμιστών ανάπτυξης φυτών (GGRs), όπως αυξίνες και κυτοκινίνες, για τον έλεγχο της κυτταρικής διαφοροποίησης. Ωστόσο, οι βέλτιστες ορμονικές συνθήκες μπορούν να διαφέρουν σημαντικά ανάλογα με το είδος του φυτού, τις συνθήκες καλλιέργειας και τον τύπο ιστού. Επομένως, η δημιουργία βέλτιστων συνθηκών εξερεύνησης μπορεί να είναι μια χρονοβόρα και επίπονη εργασία.
Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα, η Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Tomoko Ikawa, μαζί με την Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Mai F. Minamikawa από το Πανεπιστήμιο Chiba, τον Καθηγητή Hitoshi Sakakibara από τη Μεταπτυχιακή Σχολή Βιο-Γεωργικών Επιστημών του Πανεπιστημίου Nagoya και την Mikiko Kojima, εξειδικευμένη τεχνικό από το RIKEN CSRS, ανέπτυξαν μια καθολική μέθοδο για τον έλεγχο των φυτών μέσω ρύθμισης. Έκφραση γονιδίων διαφοροποίησης κυττάρων «αναπτυξιακά ρυθμιζόμενων» (DR) για την επίτευξη αναγέννησης φυτών. Δημοσιεύτηκε στον Τόμο 15 του Frontiers in Plant Science στις 3 Απριλίου 2024, η Δρ. Ikawa παρείχε περαιτέρω πληροφορίες σχετικά με το ερευνητικό τους έργο, δηλώνοντας: «Το σύστημά μας δεν χρησιμοποιεί εξωτερικούς PGR, αλλά αντ' αυτού χρησιμοποιεί γονίδια παράγοντα μεταγραφής για τον έλεγχο της κυτταρικής διαφοροποίησης, παρόμοια με τα πολυδύναμα κύτταρα που προκαλούνται στα θηλαστικά».
Οι ερευνητές εξέφρασαν εκτοπικά δύο γονίδια DR, το BABY BOOM (BBM) και το WUSCHEL (WUS), από το Arabidopsis thaliana (που χρησιμοποιήθηκε ως μοντέλο φυτού) και εξέτασαν την επίδρασή τους στη διαφοροποίηση της ιστικής καλλιέργειας καπνού, μαρουλιού και πετούνιας. Το BBM κωδικοποιεί έναν μεταγραφικό παράγοντα που ρυθμίζει την εμβρυϊκή ανάπτυξη, ενώ το WUS κωδικοποιεί έναν μεταγραφικό παράγοντα που διατηρεί την ταυτότητα των βλαστικών κυττάρων στην περιοχή του κορυφαίου μεριστώματος του βλαστού.
Τα πειράματά τους έδειξαν ότι η έκφραση του Arabidopsis BBM ή WUS από μόνη της δεν επαρκεί για να προκαλέσει κυτταρική διαφοροποίηση στον ιστό των φύλλων καπνού. Αντίθετα, η συνέκφραση λειτουργικά ενισχυμένου BBM και λειτουργικά τροποποιημένου WUS προκαλεί έναν επιταχυνόμενο φαινότυπο αυτόνομης διαφοροποίησης. Χωρίς τη χρήση PCR, τα διαγονιδιακά κύτταρα των φύλλων διαφοροποιήθηκαν σε κάλο (αποδιοργανωμένη κυτταρική μάζα), πράσινες οργανοειδείς δομές και τυχαίους οφθαλμούς. Η ποσοτική ανάλυση αλυσιδωτής αντίδρασης πολυμεράσης (qPCR), μια μέθοδος που χρησιμοποιείται για την ποσοτικοποίηση των γονιδιακών μεταγράφων, έδειξε ότι η έκφραση του Arabidopsis BBM και του WUS συσχετίστηκε με τον σχηματισμό διαγονιδιακών τύλων και βλαστών.
Λαμβάνοντας υπόψη τον κρίσιμο ρόλο των φυτοορμονών στην κυτταρική διαίρεση και διαφοροποίηση, οι ερευνητές ποσοτικοποίησαν τα επίπεδα έξι φυτοορμονών, συγκεκριμένα της αυξίνης, της κυτοκινίνης, του αμπσισικού οξέος (ABA), της γιββερελλίνης (GA), του ιασμονικού οξέος (JA), του σαλικυλικού οξέος (SA) και των μεταβολιτών του σε διαγονιδιακές φυτικές καλλιέργειες. Τα αποτελέσματά τους έδειξαν ότι τα επίπεδα της ενεργού αυξίνης, της κυτοκινίνης, του ABA και του ανενεργού GA αυξάνονται καθώς τα κύτταρα διαφοροποιούνται σε όργανα, υπογραμμίζοντας τον ρόλο τους στη διαφοροποίηση και την οργανογένεση των φυτικών κυττάρων.
Επιπλέον, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μεταγραφώματα αλληλούχισης RNA, μια μέθοδο για ποιοτική και ποσοτική ανάλυση της γονιδιακής έκφρασης, για να αξιολογήσουν τα πρότυπα γονιδιακής έκφρασης σε διαγονιδιακά κύτταρα που εμφανίζουν ενεργή διαφοροποίηση. Τα αποτελέσματά τους έδειξαν ότι γονίδια που σχετίζονται με τον κυτταρικό πολλαπλασιασμό και την αυξίνη ήταν εμπλουτισμένα σε διαφορικά ρυθμιζόμενα γονίδια. Περαιτέρω εξέταση χρησιμοποιώντας qPCR αποκάλυψε ότι τα διαγονιδιακά κύτταρα είχαν αυξημένη ή μειωμένη έκφραση τεσσάρων γονιδίων, συμπεριλαμβανομένων γονιδίων που ρυθμίζουν τη διαφοροποίηση, τον μεταβολισμό, την οργανογένεση και την απόκριση στην αυξίνη των φυτικών κυττάρων.
Συνολικά, αυτά τα αποτελέσματα αποκαλύπτουν μια νέα και ευέλικτη προσέγγιση στην αναγέννηση των φυτών που δεν απαιτεί εξωτερική εφαρμογή PCR. Επιπλέον, το σύστημα που χρησιμοποιήθηκε σε αυτή τη μελέτη μπορεί να βελτιώσει την κατανόησή μας για τις θεμελιώδεις διαδικασίες διαφοροποίησης των φυτικών κυττάρων και να βελτιώσει τη βιοτεχνολογική επιλογή χρήσιμων φυτικών ειδών.
Τονίζοντας τις πιθανές εφαρμογές της εργασίας του, ο Δρ. Ikawa δήλωσε: «Το αναφερόμενο σύστημα θα μπορούσε να βελτιώσει την αναπαραγωγή φυτών παρέχοντας ένα εργαλείο για την πρόκληση κυτταρικής διαφοροποίησης των διαγονιδιακών φυτικών κυττάρων χωρίς την ανάγκη PCR. Επομένως, πριν τα διαγονιδιακά φυτά γίνουν αποδεκτά ως προϊόντα, η κοινωνία θα επιταχύνει την αναπαραγωγή φυτών και θα μειώσει το σχετικό κόστος παραγωγής».
Σχετικά με την Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Tomoko Igawa Η Δρ. Tomoko Ikawa είναι επίκουρη καθηγήτρια στη Μεταπτυχιακή Σχολή Κηπευτικής, στο Κέντρο Μοριακών Επιστημών Φυτών και στο Κέντρο Διαστημικής Γεωργίας και Έρευνας Κηπευτικής, στο Πανεπιστήμιο Chiba της Ιαπωνίας. Τα ερευνητικά της ενδιαφέροντα περιλαμβάνουν την εγγενή αναπαραγωγή και ανάπτυξη των φυτών και τη βιοτεχνολογία των φυτών. Το έργο της επικεντρώνεται στην κατανόηση των μοριακών μηχανισμών της εγγενούς αναπαραγωγής και της διαφοροποίησης των φυτικών κυττάρων χρησιμοποιώντας διάφορα διαγονιδιακά συστήματα. Έχει αρκετές δημοσιεύσεις σε αυτούς τους τομείς και είναι μέλος της Ιαπωνικής Εταιρείας Βιοτεχνολογίας Φυτών, της Βοτανικής Εταιρείας της Ιαπωνίας, της Ιαπωνικής Εταιρείας Βελτίωσης Φυτών, της Ιαπωνικής Εταιρείας Φυσιολόγων Φυτών και της Διεθνούς Εταιρείας για τη Μελέτη της Εγγενούς Αναπαραγωγής Φυτών.
Αυτόνομη διαφοροποίηση διαγονιδιακών κυττάρων χωρίς εξωτερική χρήση ορμονών: έκφραση ενδογενών γονιδίων και συμπεριφορά φυτοορμονών
Οι συγγραφείς δηλώνουν ότι η έρευνα διεξήχθη ελλείψει οποιωνδήποτε εμπορικών ή οικονομικών σχέσεων που θα μπορούσαν να ερμηνευθούν ως πιθανή σύγκρουση συμφερόντων.
Αποποίηση ευθύνης: Η AAAS και το EurekAlert δεν φέρουν ευθύνη για την ακρίβεια των δελτίων τύπου που δημοσιεύονται στο EurekAlert! Οποιαδήποτε χρήση πληροφοριών από τον οργανισμό που τις παρέχει ή μέσω του συστήματος EurekAlert.
Ώρα δημοσίευσης: 22 Αυγούστου 2024