W zawiłym świecie biologii roślin naukowcy dążą do odkrycia tajemnic regeneracji roślin. Rośliny mają fascynującą zdolność regeneracji całego organizmu z komórki somatycznej – zwykłej komórki, która zazwyczaj nie jest kojarzona z rozmnażaniem.

Regeneracja roślin polega na tworzeniu struktury zwanej merystemem wierzchołkowym pędu (SAM), z którego następnie powstają organy boczne, krytyczne dla odbudowy rośliny.

Jednak tworzenie SAM nie zachodzi przypadkowo – jest regulowane przez szereg dodatnich i ujemnych cząsteczek regulatorowych. Ale jakie dokładnie cząsteczki i czy istnieją inne warstwy regulacyjne, które nie zostały jeszcze ujawnione?

Przedmiot badania

Aby odpowiedzieć na te pytania, zespół badawczy kierowany przez Nara Institute of Science and Technology (NAIST) w Japonii skupił się na Arabidopsis, modelowym gatunku rośliny często wykorzystywanym w badaniach genetycznych.

Naukowcy zidentyfikowali i scharakteryzowali kluczowy negatywny regulator regeneracji pędów, znany jako gen WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX 13 (WOX13) i towarzyszące mu białko.

Badanie opublikowane w czasopiśmie Postępy nauki, ujawnia, w jaki sposób WOX13 promuje niepodzielną (niemerystematyczną) funkcję komórek kalusa. To działanie jako represora transkrypcji (na poziomie RNA) może wpływać na wydajność regeneracji roślin.

„Poszukiwanie strategii zwiększających efektywność regeneracji pędów u roślin trwało długo. Jednak postęp został zahamowany, ponieważ powiązane mechanizmy regulacyjne były niejasne. Nasze badanie wypełnia tę lukę, definiując nowy szlak specyfikacji losu komórki” – wyjaśnia Momoko Ikeuchi, główny badacz badania.

Poprzednie badania

Wcześniejsze badania przeprowadzone przez zespół Ikeuchi ustaliły rolę WOX13 w naprawie tkanek i adhezji narządów po przeszczepie, wzbudzając w ten sposób ich zainteresowanie potencjalną rolą tego genu w regulacji regeneracji pędów.

Eksperymentowali ze zmutowaną wersją Arabidopsis, zwaną mutantem wox13, która ma dysfunkcyjny gen WOX13. Korzystając z dwuetapowego systemu hodowli tkankowej, eksperci przeanalizowali szybkość regeneracji pędów u roślin zarówno z genem WOX13, jak i bez niego.

Analiza dała jasny obraz: regeneracja pędów była szybsza – o około trzy dni – u roślin pozbawionych genu WOX13 i odwrotnie, wolniejsza, gdy indukowano ekspresję WOX13. Okazało się, że WOX13 jest negatywnym regulatorem regeneracji pędów.

Obecne badania

Aby potwierdzić te odkrycia, zespół przeprowadził badanie porównawcze z wykorzystaniem sekwencjonowania RNA, badając ekspresję genów w wielu punktach czasowych zarówno u mutantów wox13, jak i u normalnych (dzikich) roślin.

Brak WOX13 nie zmienił zasadniczo ekspresji genów Arabidopsis w warunkach indukujących kalus.

Jednak brak WOX13 w warunkach indukujących pędy znacząco wzmacniał zmiany genów, prowadząc do zwiększonej ekspresji genów regulujących merystem pędów. Te same geny zostały stłumione w ciągu 24 godzin, gdy WOX13 ulegał nadekspresji w zmutowanych roślinach.

Ten przełom podkreśla kluczową rolę WOX13, pokazując, że hamuje on podzbiór regulatorów merystemu pędów, jednocześnie aktywując geny modyfikujące ścianę komórkową zaangażowane w ekspansję i różnicowanie komórek.

Nowe rozumienie regeneracji roślin

Badanie NAIST podkreśla również znaczące odejście od tradycyjnego rozumienia regeneracji roślin. W przeciwieństwie do wcześniej zidentyfikowanych regulatorów negatywnych, które wyłącznie zapobiegają przejściu od kalusa do SAM, WOX13 utrudnia specyfikację SAM, promując nabywanie alternatywnych losów komórek.

WOX13 i regulator WUS tworzą wzajemnie represyjny obwód regulacyjny, co prowadzi do hamowania transkrypcji WUS i innych regulatorów SAM.

„Nasze odkrycia pokazują, że wyeliminowanie WOX13 może sprzyjać przejmowaniu losu pędów i zwiększać efektywność regulacji pędów. Oznacza to, że nokaut WOX13 może służyć jako narzędzie w rolnictwie i ogrodnictwie oraz przyspieszyć regenerację pędów de novo za pośrednictwem kultur tkankowych” – powiedział Ikeuchi.

Ponieważ naukowcy nadal rozszyfrowują złożone mechanizmy regeneracji roślin, takie odkrycia są obiecujące dla innowacyjnych zastosowań w rolnictwie i ogrodnictwie, potencjalnie zmieniając wydajność regeneracji roślin i plony.

Więcej o samoodnawianiu się roślin

Samoodnawianie się roślin odnosi się do zdolności rośliny do ciągłego wytwarzania nowych komórek i tkanek przez całe życie. Proces ten jest niezbędny do przetrwania i wzrostu roślin, a dzieje się tak dzięki specyficznym typom komórek zwanych merystemami.

Merystemy

Merystemy to obszary wzrostu roślin, w których komórki są niezróżnicowane, podobnie jak komórki macierzyste u zwierząt. Komórki te mogą dzielić się i różnicować w różne typy komórek roślinnych i mogą rosnąć w dowolnej części rośliny.

Merystemy są zwykle zlokalizowane na wierzchołkach korzeni i pędów (zwanych merystemami wierzchołkowymi), które umożliwiają wzrost pionowy, oraz w kambium naczyniowym i korkowym (merystemy boczne), które umożliwiają ekspansję obwodu u roślin drzewiastych.

Samoodnawianie

Samoodnawianie jest również niezbędne w procesie regeneracji roślin. Rośliny mają niezwykłą zdolność regeneracji utraconych lub uszkodzonych części. Na przykład, jeśli gałąź zostanie odcięta, wiele gatunków roślin może w jej miejsce wyhodować nową. Podobnie, niektóre rośliny mogą nawet wyhodować zupełnie nową roślinę z pojedynczej komórki lub małej tkanki, co jest cechą szeroko wykorzystywaną w dziedzinie hodowli tkanek roślinnych i mikrorozmnażania.

Samoodnawianie się roślin jest kontrolowane przez złożoną sieć szlaków genetycznych i hormonalnych. Kilka hormonów roślinnych, takich jak auksyny, cytokininy i gibereliny, odgrywa kluczową rolę w procesie podziału i różnicowania komórek. Hormony te współpracują z różnymi genami i czynnikami transkrypcyjnymi, aby zapewnić prawidłowy rozwój i wzrost roślin.

Badania na organizmach modelowych, takich jak mała kwitnąca roślina Arabidopsis thaliana, dostarczyły wielu informacji na temat mechanizmów molekularnych stojących za samoodnawianiem i regeneracją roślin. Jednak wciąż jest wiele do nauczenia się o tych procesach, a trwające badania wciąż odkrywają nowe aspekty wzrostu i rozwoju roślin.

—–

Sprawdź nas w EarthSnap, bezpłatnej aplikacji stworzonej przez Erica Rallsa i Earth.com.