Rośliny od wieków są głównym źródłem pożywienia zwierząt i człowieka. Ponadto rośliny służą do ekstrakcji różnych związków leczniczych i terapeutycznych. Jednakże ich masowe stosowanie w połączeniu z rosnącym zapotrzebowaniem na żywność podkreśla potrzebę opracowania nowatorskich praktyk hodowli roślin.

Postępy w biotechnologii roślin mogą w przyszłości rozwiązać problemy związane z niedoborem żywności, umożliwiając produkcję roślin zmodyfikowanych genetycznie (GM) o wyższej produktywności i odporności na zmieniający się klimat.

Naturalnie rośliny mogą zregenerować całą nową roślinę z pojedynczej komórki „totipotencjalnej” (komórki, która może dać początek wielu typom komórek) poprzez odróżnicowanie i ponowne różnicowanie w komórki o różnych strukturach i funkcjach. Sztuczna regulacja takich komórek totipotencjalnych poprzez hodowlę tkanek roślinnych jest szeroko stosowana do ochrony roślin, hodowli, wytwarzania gatunków GMO i do celów badań naukowych.

Konwencjonalnie hodowla tkankowa do regeneracji roślin wymaga zastosowania regulatorów wzrostu roślin (PGR), takich jak auksyny i cytokininy, w celu kontrolowania różnicowania komórek. Jednakże optymalne warunki hormonalne mogą się znacznie różnić w zależności od gatunku rośliny, warunków hodowli i rodzaju tkanki. Dlatego ustalenie optymalnych warunków PGR może być czasochłonne i pracochłonne.

Aby stawić czoła temu wyzwaniu, profesor nadzwyczajny Tomoko Igawa wraz z profesorem nadzwyczajnym Mai F. Minamikawą z Uniwersytetu Chiba, profesorem Hitoshi Sakakibarą z Wyższej Szkoły Nauk Biorolniczych Uniwersytetu w Nagoya i ekspertem technicznym Mikiko Kojimą z RIKEN CSRS opracowali wszechstronną metodę regeneracji roślin poprzez modulowanie ekspresji genów „regulatorów rozwoju” (DR), które kontrolują różnicowanie komórek roślinnych.

Dalszy wgląd w ich prace badawcze opublikowane w Granice w nauce o roślinachDr Igawa mówi: „Zamiast używać zewnętrznych PGR, nasz system wykorzystuje geny DR, które biorą udział w rozwoju i morfogenezie, do kontrolowania różnicowania komórek. System wykorzystuje geny czynników transkrypcyjnych i przypomina indukowane wytwarzanie komórek pluripotencjalnych u ssaków”.

Naukowcy dokonali ektopowej ekspresji dwóch genów DR, mianowicie BABY BOOM (BBM) i WUSCHEL (WUS) z Arabidopsis thaliana (wykorzystanej jako roślina modelowa) i zbadali ich wpływ na różnicowanie kultur tkankowych tytoniu, sałaty i petunii. BBM koduje czynnik transkrypcyjny, który reguluje rozwój embrionalny, podczas gdy WUS koduje czynnik transkrypcyjny, który utrzymuje tożsamość komórek macierzystych w regionie merystemu wierzchołkowego pędu.

Ich eksperymenty wykazały, że sama ekspresja Arabidopsis BBM lub WUS była niewystarczająca do wywołania różnicowania komórek w tkance liści tytoniu. I odwrotnie, koekspresja funkcjonalnie wzmocnionego BBM i funkcjonalnie zmodyfikowanego WUS indukowała fenotyp przyspieszonego i autonomicznego różnicowania.

Transgeniczne komórki liści różnicowały się w kalusy (niezorganizowaną masę komórek), zielonkawe struktury przypominające narządy i pędy przybyszowe przy braku zastosowania PGR. Ilościowa analiza łańcuchowej reakcji polimerazy (qPCR) (technika stosowana do ilościowego oznaczania transkryptów genów) ujawniła, że ​​ekspresja Arabidopsis BBM i WUS była powiązana z tworzeniem transgenicznych kalusów i pędów.

Biorąc pod uwagę kluczową rolę fitohormonów w podziale i różnicowaniu komórek, naukowcy przystąpili do ilościowego określenia poziomów sześciu fitohormonów, a mianowicie auksyn, cytokinin, kwasu abscysynowego (ABA), giberelin (GA), kwasu jasmonowego (JA), kwasu salicylowego ( SA) i ich metabolity w transgenicznych kulturach roślinnych. Ich odkrycia ujawniły, że poziom aktywnych auksyn, cytokinin, ABA i nieaktywnych GA wzrastał w miarę różnicowania się komórek w celu utworzenia narządów, co podkreśla ich rolę w różnicowaniu komórek roślinnych i organogenezie.

Ponadto badacze wykorzystali transkryptom poprzez sekwencjonowanie RNA (technikę stosowaną do jakościowej i ilościowej analizy ekspresji genów) w celu oceny wzorców ekspresji genów w komórkach transgenicznych wykazujących aktywne różnicowanie. Wyniki sugerują, że geny związane z proliferacją komórek i auksynami były wzbogacone wśród genów o zróżnicowanej ekspresji w górę.

Dalsza walidacja za pomocą qPCR ujawniła, że ​​w komórkach transgenicznych doszło do zwiększonej lub obniżonej ekspresji czterech genów, w tym genów regulujących różnicowanie komórek roślinnych, metabolizm, organogenezę i odpowiedź na auksynę.

Ogólnie rzecz biorąc, odkrycia te rzucają światło na nowatorskie i wszechstronne podejście do regeneracji roślin bez konieczności stosowania zewnętrznego PGR. Co więcej, system zastosowany w tym badaniu może pogłębić naszą wiedzę na temat podstawowych procesów różnicowania komórek roślinnych i ulepszyć biotechnologiczną hodowlę pożytecznych gatunków roślin.

Dr Igawa mówi: „Opisany system może ulepszyć hodowlę roślin poprzez zapewnienie narzędzia do indukowania różnicowania komórkowego komórek roślin GMO bez stosowania PGR. Dlatego też w społeczeństwach, w których rośliny GMO są akceptowane jako produkty, przyspieszyłoby to hodowlę roślin i zmniejszyłoby związaną z nią produkcję koszty.”