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 plantenregeneratiesysteem ontwikkeld door de functie en expressie te reguleren van genen die betrokken zijn bij 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 systeem voor plantenregeneratie ontwikkeld door de functie en expressie te reguleren van genen die betrokken zijn bij dedifferentiatie (celproliferatie) en redifferentiatie (organogenese) van plantencellen.
Planten vormen al vele jaren de belangrijkste voedselbron voor dieren en mensen. Daarnaast worden planten gebruikt voor de winning van diverse farmaceutische en therapeutische stoffen. Het misbruik ervan en de groeiende vraag naar voedsel benadrukken echter de noodzaak van nieuwe methoden voor plantenveredeling. Vooruitgang in de plantenbiotechnologie zou toekomstige voedseltekorten kunnen oplossen door genetisch gemodificeerde (GM) planten te produceren die productiever en beter bestand zijn tegen klimaatverandering.
Planten kunnen van nature volledig nieuwe planten regenereren uit een enkele "totipotente" cel (een cel die aanleiding kan geven tot meerdere celtypen) door te dedifferentiëren en opnieuw te differentiëren in cellen met verschillende structuren en functies. Kunstmatige conditionering van dergelijke totipotente cellen via plantenweefselkweek wordt veelvuldig gebruikt voor plantenbescherming, 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 celdifferentiatie te beheersen. Optimale hormonale omstandigheden kunnen echter sterk variëren, afhankelijk van de plantensoort, de kweekomstandigheden en het weefseltype. Het creëren van optimale onderzoeksomstandigheden kan daarom een tijdrovende en arbeidsintensieve taak zijn.
Om dit probleem te overwinnen, ontwikkelde 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 plantenbeheersing door middel van regulatie. De expressie van "ontwikkelingsgereguleerde" (DR) celdifferentiatiegenen wordt gebruikt om plantenregeneratie te bewerkstelligen. In een publicatie in Volume 15 van Frontiers in Plant Science op 3 april 2024 gaf Dr. Ikawa meer informatie over hun onderzoek: "Ons systeem maakt geen gebruik van externe plantengroeiregulatoren (PGR's), maar gebruikt in plaats daarvan 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 vanuit Arabidopsis thaliana (gebruikt als modelplant) en onderzochten het effect ervan op de differentiatie in weefselkweek van tabak, sla en petunia. BBM codeert voor een transcriptiefactor die de embryonale ontwikkeling reguleert, terwijl WUS codeert voor een transcriptiefactor die de stamcelidentiteit in het gebied van het apicale scheutmeristeem in stand houdt.
Uit hun experimenten bleek dat de expressie van Arabidopsis BBM of WUS alleen niet voldoende is om celdifferentiatie in tabaksbladweefsel te induceren. Daarentegen induceert co-expressie van functioneel verbeterd BBM en functioneel gemodificeerd WUS een versneld autonoom differentiatiefenotype. Zonder gebruik van PCR differentieerden transgene bladcellen tot callus (ongeorganiseerde celmassa), groene orgaanachtige structuren en adventieve knoppen. Kwantitatieve polymerasekettingreactie (qPCR)-analyse, een methode om gen transcripten te kwantificeren, toonde aan dat de 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, hebben de onderzoekers de niveaus van zes fytohormonen, namelijk auxine, cytokinine, abscisinezuur (ABA), gibberelline (GA), jasmijnzuur (JA), salicylzuur (SA) en hun metabolieten, gekwantificeerd in transgene planten. Hun resultaten toonden aan dat de niveaus van actief auxine, cytokinine, ABA en inactief GA toenemen naarmate cellen differentiëren tot organen, wat hun rol in plantenceldifferentiatie en organogenese benadrukt.
Daarnaast gebruikten de onderzoekers RNA-sequencing transcriptomen, een methode voor kwalitatieve en kwantitatieve analyse van genexpressie, om patronen van genexpressie te evalueren in transgene cellen die actieve differentiatie vertoonden. Hun resultaten toonden aan dat genen gerelateerd aan celproliferatie en auxine verrijkt waren in differentieel gereguleerde genen. Nader onderzoek met behulp van qPCR onthulde dat de transgene cellen een verhoogde of verlaagde expressie vertoonden van vier genen, waaronder genen die de differentiatie van plantencellen, metabolisme, organogenese en auxinerespons reguleren.
Al met al onthullen deze resultaten een nieuwe en veelzijdige benadering van plantenregeneratie die geen externe toepassing van PCR vereist. Bovendien kan het in deze studie gebruikte systeem ons begrip van de fundamentele processen van plantenceldifferentiatie vergroten en de biotechnologische selectie van nuttige plantensoorten verbeteren.
Dr. Ikawa benadrukte de potentiële toepassingen van zijn werk en zei: "Het beschreven systeem zou de plantenveredeling kunnen verbeteren door een hulpmiddel te bieden voor het induceren van cellulaire differentiatie van transgene plantencellen zonder dat PCR nodig is. Daarom zal de maatschappij, voordat transgene planten als producten worden geaccepteerd, de plantenveredeling versnellen en de bijbehorende productiekosten verlagen."
Over universitair hoofddocent Tomoko Igawa Dr. Tomoko Igawa is universitair docent aan de Graduate School of Horticulture, het Center for Molecular Plant Sciences en het Center for Space Agriculture and Horticulture Research van de Chiba Universiteit in Japan. Haar onderzoek richt zich op de seksuele voortplanting en ontwikkeling van planten en plantenbiotechnologie. Haar werk is gericht op het begrijpen van de moleculaire mechanismen van seksuele voortplanting en plantenceldifferentiatie met behulp van verschillende transgene systemen. Ze heeft diverse publicaties op deze gebieden 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 commerciële of financiële belangen die als een potentieel belangenconflict zouden kunnen worden beschouwd.
Disclaimer: AAAS en EurekAlert zijn niet verantwoordelijk voor de juistheid van persberichten die op EurekAlert worden gepubliceerd! Elk gebruik van informatie door de organisatie die de informatie verstrekt of via het EurekAlert-systeem.
Geplaatst op: 22 augustus 2024