Attēls: Tradicionālās augu reģenerācijas metodes prasa augu augšanas regulatoru, piemēram, hormonu, izmantošanu, kas var būt sugai specifiski un darbietilpīgi. Jaunā pētījumā zinātnieki ir izstrādājuši jaunu augu reģenerācijas sistēmu, regulējot gēnu, kas iesaistīti augu šūnu dediferenciācijā (šūnu proliferācijā) un rediferenciācijā (organoģenēzē), funkciju un ekspresiju. Skatīt vairāk
Tradicionālās augu atjaunošanas metodes prasa izmantotaugu augšanas regulatoripiemēram,hormonss, kas var būt sugai specifiski un darbietilpīgi. Jaunā pētījumā zinātnieki ir izstrādājuši jaunu augu reģenerācijas sistēmu, regulējot augu šūnu dediferenciācijā (šūnu proliferācijā) un rediferenciācijā (organoģenēzē) iesaistīto gēnu funkciju un ekspresiju.
Augi daudzus gadus ir bijuši galvenais dzīvnieku un cilvēku pārtikas avots. Turklāt augus izmanto dažādu farmaceitisku un terapeitisku savienojumu iegūšanai. Tomēr to ļaunprātīga izmantošana un pieaugošais pieprasījums pēc pārtikas izceļ nepieciešamību pēc jaunām augu selekcijas metodēm. Augu biotehnoloģijas attīstība varētu atrisināt pārtikas trūkumu nākotnē, radot ģenētiski modificētus (ĢM) augus, kas ir produktīvāki un noturīgāki pret klimata pārmaiņām.
Dabiski, ka augi var atjaunot pilnīgi jaunus augus no vienas "totipotentas" šūnas (šūnas, kas var radīt vairākus šūnu tipus), dediferencējot un rediferencējoties šūnās ar atšķirīgu struktūru un funkcijām. Šādu totipotentu šūnu mākslīga kondicionēšana, izmantojot augu audu kultūru, tiek plaši izmantota augu aizsardzībai, selekcijai, transgēnu sugu ražošanai un zinātniskās pētniecības nolūkos. Tradicionāli audu kultūrai augu reģenerācijai ir nepieciešams izmantot augu augšanas regulatorus (GGR), piemēram, auksīnus un citokinīnus, lai kontrolētu šūnu diferenciāciju. Tomēr optimālie hormonālie apstākļi var ievērojami atšķirties atkarībā no augu sugas, kultivēšanas apstākļiem un audu tipa. Tāpēc optimālu izpētes apstākļu radīšana var būt laikietilpīgs un darbietilpīgs uzdevums.
Lai pārvarētu šo problēmu, asociētā profesore Tomoko Ikava kopā ar asociēto profesori Mai F. Minamikavu no Čibas Universitātes, profesoru Hitoši Sakakibaru no Nagojas Universitātes Biolauksaimniecības zinātņu augstskolas un Mikiko Kodžimu, ekspertu tehniķi no RIKEN CSRS, izstrādāja universālu metodi augu kontrolei, izmantojot regulēšanu. "Attīstības ziņā regulētu" (DR) šūnu diferenciācijas gēnu ekspresija, lai panāktu augu reģenerāciju. Publicēts 2024. gada 3. aprīlī žurnāla "Frontiers in Plant Science" 15. sējumā, Dr. Ikava sniedza papildu informāciju par savu pētniecisko darbu, norādot: "Mūsu sistēma neizmanto ārējus PGR, bet gan izmanto transkripcijas faktoru gēnus, lai kontrolētu šūnu diferenciāciju. Līdzīgi kā pluripotentās šūnas, kas inducētas zīdītājiem."
Pētnieki ektopiski ekspresēja divus DR gēnus — BABY BOOM (BBM) un WUSCHEL (WUS) — no Arabidopsis thaliana (izmantota kā modeļa augs) un pārbaudīja to ietekmi uz tabakas, salātu un petūniju audu kultūru diferenciāciju. BBM kodē transkripcijas faktoru, kas regulē embrionālo attīstību, savukārt WUS kodē transkripcijas faktoru, kas uztur cilmes šūnu identitāti dzinuma apikālā meristēma reģionā.
Viņu eksperimenti parādīja, ka Arabidopsis BBM vai WUS ekspresija vien nav pietiekama, lai izraisītu šūnu diferenciāciju tabakas lapu audos. Turpretī funkcionāli uzlabotas BBM un funkcionāli modificētas WUS koekspresija izraisa paātrinātu autonomās diferenciācijas fenotipu. Neizmantojot PCR, transgēnās lapu šūnas diferencējās kallusos (dezorganizētā šūnu masā), zaļās orgānveida struktūrās un nejaušos pumpuros. Kvantitatīvās polimerāzes ķēdes reakcijas (qPCR) analīze, metode, ko izmanto gēnu transkriptu kvantitatīvai noteikšanai, parādīja, ka Arabidopsis BBM un WUS ekspresija korelēja ar transgēnu kallu un dzinumu veidošanos.
Ņemot vērā fitohormonu izšķirošo lomu šūnu dalīšanās un diferenciācijas procesos, pētnieki kvantitatīvi noteica sešu fitohormonu, proti, auksīna, citokinīna, abscisīnskābes (ABA), giberelīna (GA), jasmonskābes (JA), salicilskābes (SA) un tās metabolītu, līmeni transgēnās augu kultūrās. Viņu rezultāti parādīja, ka aktīvā auksīna, citokinīna, ABA un neaktīvā GA līmenis palielinās, šūnām diferencējoties orgānos, izceļot to lomu augu šūnu diferenciācijā un organoģenēzē.
Turklāt pētnieki izmantoja RNS sekvencēšanas transkriptomas, kas ir metode gēnu ekspresijas kvalitatīvai un kvantitatīvai analīzei, lai novērtētu gēnu ekspresijas modeļus transgēnās šūnās, kurām piemīt aktīva diferenciācija. Viņu rezultāti parādīja, ka ar šūnu proliferāciju un auksīnu saistītie gēni bija bagātināti ar diferencēti regulētiem gēniem. Turpmāka pārbaude, izmantojot kvantitatīvo PĶR, atklāja, ka transgēnajās šūnās bija palielināta vai samazināta četru gēnu ekspresija, tostarp gēnu, kas regulē augu šūnu diferenciāciju, metabolismu, organoģenēzi un auksīna reakciju.
Kopumā šie rezultāti atklāj jaunu un daudzpusīgu pieeju augu atjaunošanai, kurai nav nepieciešama ārēja PCR pielietošana. Turklāt šajā pētījumā izmantotā sistēma var uzlabot mūsu izpratni par augu šūnu diferenciācijas pamatprocesiem un uzlabot noderīgu augu sugu biotehnoloģisko atlasi.
Izceļot sava darba potenciālos pielietojumus, Dr. Ikawa teica: "Ziņotā sistēma varētu uzlabot augu selekciju, nodrošinot rīku transgēnu augu šūnu diferenciācijas ierosināšanai bez nepieciešamības veikt PCR. Tādēļ, pirms transgēni augi tiek pieņemti kā produkti, sabiedrība paātrinās augu selekciju un samazinās ar to saistītās ražošanas izmaksas."
Par asociēto profesori Tomoko Igavu Dr. Tomoko Ikava ir docente Dārzkopības augstskolā, Molekulāro augu zinātņu centrā un Kosmosa lauksaimniecības un dārzkopības pētījumu centrā Čibas Universitātē, Japānā. Viņas pētnieciskās intereses ietver augu dzimumvairošanos un attīstību, kā arī augu biotehnoloģiju. Viņas darbs ir vērsts uz dzimumvairošanās un augu šūnu diferenciācijas molekulāro mehānismu izpratni, izmantojot dažādas transgēnas sistēmas. Viņai ir vairākas publikācijas šajās jomās, un viņa ir Japānas Augu biotehnoloģijas biedrības, Japānas Botānikas biedrības, Japānas Augu selekcijas biedrības, Japānas Augu fiziologu biedrības un Starptautiskās Augu dzimumvairošanās pētījumu biedrības biedre.
Transgēnu šūnu autonomā diferenciācija bez ārējas hormonu lietošanas: endogēno gēnu ekspresija un fitohormonu uzvedība
Autori paziņo, ka pētījums tika veikts, nepastāvot nekādām komerciālām vai finansiālām attiecībām, kuras varētu interpretēt kā potenciālu interešu konfliktu.
Atruna: AAAS un EurekAlert neatbild par EurekAlert publicēto preses relīžu precizitāti! Jebkura informācijas izmantošana no informācijas sniedzējas organizācijas puses vai caur EurekAlert sistēmu.
Publicēšanas laiks: 2024. gada 22. augusts