Afbeelding: Traditionele methoden voor plantenregeneratie vereisen het gebruik van plantengroeiregulatoren zoals hormonen, die soortspecifiek en arbeidsintensief kunnen zijn. In een nieuwe studie hebben wetenschappers een nieuw systeem voor plantenregeneratie ontwikkeld door de functie en expressie te reguleren van genen die betrokken zijn bij de dedifferentiatie (celproliferatie) en redifferentiatie (organogenese) van plantencellen. Bekijk meer
Traditionele methoden voor plantenregeneratie vereisen het gebruik vanplantengroeiregulatorenzoalshormoons, die soortspecifiek en arbeidsintensief kunnen zijn. In een nieuwe studie hebben wetenschappers een nieuw plantenregeneratiesysteem ontwikkeld door de functie en expressie te reguleren van genen die betrokken zijn bij de dedifferentiatie (celproliferatie) en redifferentiatie (organogenese) van plantencellen.
Planten zijn al jaren de belangrijkste voedselbron voor dieren en mensen. Daarnaast worden de planten gebruikt om diverse farmaceutische en therapeutische stoffen te extraheren. Het misbruik en de groeiende vraag naar voedsel onderstrepen echter de behoefte aan nieuwe veredelingsmethoden. Vooruitgang in de plantenbiotechnologie zou toekomstige voedseltekorten kunnen oplossen door genetisch gemodificeerde (GM) planten te produceren die productiever zijn en beter bestand tegen klimaatverandering.
Planten kunnen van nature volledig nieuwe planten regenereren uit één enkele "totipotente" cel (een cel die meerdere celtypen kan voortbrengen) door te dedifferentiëren en te redifferentiëren tot cellen met verschillende structuren en functies. Kunstmatige conditionering van dergelijke totipotente cellen door middel van plantenweefselkweek wordt veel gebruikt voor gewasbescherming, veredeling, de productie van transgene soorten en voor wetenschappelijk onderzoek. Traditioneel vereist weefselkweek voor plantenregeneratie het gebruik van plantengroeiregulatoren (GGR's), zoals auxinen en cytokininen, om de celdifferentiatie te reguleren. Optimale hormonale omstandigheden kunnen echter aanzienlijk variëren, afhankelijk van de plantensoort, de kweekomstandigheden en het weefseltype. Het creëren van optimale exploratieomstandigheden kan daarom een tijdrovende en arbeidsintensieve taak zijn.
Om dit probleem te verhelpen, ontwikkelden universitair hoofddocent Tomoko Ikawa, samen met universitair hoofddocent Mai F. Minamikawa van de Universiteit van Chiba, professor Hitoshi Sakakibara van de Graduate School of Bio-Agricultural Sciences van de Universiteit van Nagoya en Mikiko Kojima, een expert-technicus van RIKEN CSRS, een universele methode voor plantencontrole door middel van regulatie. Expressie van "ontwikkelingsgereguleerde" (DR) celdifferentiatiegenen om plantenregeneratie te bewerkstelligen. Gepubliceerd in deel 15 van Frontiers in Plant Science op 3 april 2024, gaf Dr. Ikawa meer informatie over hun onderzoekswerk en verklaarde: "Ons systeem gebruikt geen externe PGR's, maar transcriptiefactorgenen om celdifferentiatie te reguleren, vergelijkbaar met pluripotente cellen die bij zoogdieren worden geïnduceerd."
De onderzoekers brachten twee DR-genen, BABY BOOM (BBM) en WUSCHEL (WUS), ectopisch tot expressie uit Arabidopsis thaliana (gebruikt als modelplant) en onderzochten hun effect op de differentiatie van weefselkweken van tabak, sla en petunia. BBM codeert voor een transcriptiefactor die de embryonale ontwikkeling reguleert, terwijl WUS codeert voor een transcriptiefactor die de identiteit van stamcellen in het apicale meristeem van de scheut in stand houdt.
Hun experimenten toonden aan dat expressie van Arabidopsis BBM of WUS alleen niet voldoende is om celdifferentiatie in tabaksbladweefsel te induceren. Co-expressie van functioneel versterkt BBM en functioneel gemodificeerd WUS daarentegen induceert een versneld autonoom differentiatiefenotype. Zonder PCR differentieerden transgene bladcellen tot callus (ongeorganiseerde celmassa), groene orgaanachtige structuren en adventiefknoppen. Kwantitatieve polymerasekettingreactie (qPCR)-analyse, een methode die gebruikt wordt om gentranscripten te kwantificeren, toonde aan dat expressie van Arabidopsis BBM en WUS correleerde met de vorming van transgene calli en scheuten.
Gezien de cruciale rol van fytohormonen bij celdeling en -differentiatie, kwantificeerden de onderzoekers de niveaus van zes fytohormonen, namelijk auxine, cytokinine, abscisinezuur (ABA), gibberelline (GA), jasmonzuur (JA), salicylzuur (SA) en de metabolieten daarvan in transgene planten. Hun resultaten toonden aan dat de niveaus van actieve auxine, cytokinine, ABA en inactieve GA toenemen naarmate cellen zich tot organen ontwikkelen, wat hun rol in de celdifferentiatie en organogenese van planten benadrukt.
Daarnaast gebruikten de onderzoekers RNA-sequencing transcriptomen, een methode voor kwalitatieve en kwantitatieve analyse van genexpressie, om genexpressiepatronen in transgene cellen met actieve differentiatie te evalueren. Hun resultaten toonden aan dat genen gerelateerd aan celproliferatie en auxine verrijkt waren in differentieel gereguleerde genen. Verder onderzoek met behulp van qPCR toonde aan dat de transgene cellen een verhoogde of verlaagde expressie hadden van vier genen, waaronder genen die de differentiatie, het metabolisme, de organogenese en de auxinerespons van plantencellen reguleren.
Al met al onthullen deze resultaten een nieuwe en veelzijdige aanpak voor plantenregeneratie die geen externe toepassing van PCR vereist. Bovendien kan het in deze studie gebruikte systeem ons begrip van de fundamentele processen van plantenceldifferentiatie verbeteren en de biotechnologische selectie van nuttige plantensoorten verbeteren.
Dr. Ikawa benadrukte de potentiële toepassingen van zijn werk en zei: "Het gerapporteerde systeem zou de plantenveredeling kunnen verbeteren door een hulpmiddel te bieden voor het induceren van cellulaire differentiatie van transgene plantencellen zonder de noodzaak van PCR. Daarom zal de maatschappij, voordat transgene planten als product worden geaccepteerd, de plantenveredeling versnellen en de bijbehorende productiekosten verlagen."
Over universitair hoofddocent Tomoko Igawa Dr. Tomoko Ikawa is universitair docent aan de Graduate School of Horticulture, Center for Molecular Plant Sciences en Center for Space Agriculture and Horticulture Research van de Universiteit van Chiba in Japan. Haar onderzoeksinteresses omvatten seksuele voortplanting en ontwikkeling van planten en plantenbiotechnologie. Haar werk richt zich op het begrijpen van de moleculaire mechanismen van seksuele voortplanting en celdifferentiatie van planten met behulp van verschillende transgene systemen. Ze heeft diverse publicaties op dit gebied en is lid van de Japan Society of Plant Biotechnology, de Botanical Society of Japan, de Japanese Plant Breeding Society, de Japanese Society of Plant Physiologists en de International Society for the Study of Plant Sexual Reproduction.
Autonome differentiatie van transgene cellen zonder extern gebruik van hormonen: expressie van endogene genen en gedrag van fytohormonen
De auteurs verklaren dat het onderzoek is uitgevoerd zonder dat er sprake was van commerciële of financiële relaties die als een mogelijk belangenconflict zouden kunnen worden opgevat.
Disclaimer: AAAS en EurekAlert zijn niet verantwoordelijk voor de juistheid van de persberichten die op EurekAlert worden gepubliceerd! Gebruik van informatie door de organisatie die de informatie verstrekt of via het EurekAlert-systeem.
Plaatsingstijd: 22-08-2024