Wetenschap
Onderzoekers ontwikkelen een genetische aanpak voor plantenregeneratie zonder de toepassing van fytohormonen
Planten zijn al eeuwenlang de belangrijkste voedingsbron voor dieren en mensen. Bovendien worden planten gebruikt voor de extractie van verschillende medicinale en therapeutische verbindingen. Het willekeurige gebruik ervan, samen met de stijgende vraag naar voedsel, onderstreept echter de noodzaak van nieuwe plantenveredelingspraktijken.
Vooruitgang in de plantenbiotechnologie kan de problemen in verband met voedselschaarste in de toekomst aanpakken door de productie mogelijk te maken van genetisch gemodificeerde (GM) planten met een hogere productiviteit en veerkracht tegen het veranderende klimaat.
Natuurlijk kunnen planten een hele nieuwe plant regenereren uit een enkele ‘totipotente’ cel (een cel die aanleiding kan geven tot meerdere celtypen) door middel van dedifferentiatie en herdifferentiatie tot cellen met verschillende structuren en functies. Kunstmatige regulatie van dergelijke totipotente cellen door middel van plantenweefselkweek wordt op grote schaal gebruikt voor plantenbehoud, veredeling, het genereren van genetisch gemodificeerde soorten en wetenschappelijk onderzoek.
Conventioneel vereist weefselkweek voor plantenregeneratie de toepassing van plantengroeiregulatoren (PGR's), zoals auxines en cytokinines, om de celdifferentiatie te controleren. De optimale hormoonomstandigheden kunnen echter aanzienlijk variëren, afhankelijk van de plantensoort, de kweekomstandigheden en het weefseltype. Daarom kan het vaststellen van optimale PGR-omstandigheden tijdrovend en arbeidsintensief zijn.
Om deze uitdaging te overwinnen heeft universitair hoofddocent Tomoko Igawa, samen met universitair hoofddocent Mai F. Minamikawa van de Chiba Universiteit, professor Hitoshi Sakakibara van de Graduate School of Bioagricultural Sciences, Nagoya University, en deskundige technicus Mikiko Kojima van RIKEN CSRS, een veelzijdige methode ontwikkeld van plantenregeneratie door het moduleren van de expressie van 'ontwikkelingsregulator'-genen (DR-genen) die de differentiatie van plantencellen controleren.
Verdere inzichten geven in hun onderzoekswerk gepubliceerd in Frontiers in Plant Science Dr. Igawa zegt:"In plaats van externe PGR's te gebruiken, gebruikt ons systeem de DR-genen, die betrokken zijn bij de ontwikkeling en morfogenese, om cellulaire differentiatie te controleren. Het systeem maakt gebruik van transcriptiefactorgenen en lijkt op de geïnduceerde pluripotente celgeneratie bij zoogdieren." /P>
De onderzoekers brachten twee DR-genen ectopisch tot expressie, namelijk BABY BOOM (BBM) en WUSCHEL (WUS) van Arabidopsis thaliana (gebruikt als modelplant), en onderzochten hun effecten op de differentiatie van weefselculturen 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 apicale meristeemgebied van de scheut handhaaft.
Uit hun experimenten bleek dat de expressie van Arabidopsis BBM of WUS alleen onvoldoende was om celdifferentiatie in tabaksbladweefsel te induceren. Omgekeerd induceerde de co-expressie van functioneel verbeterde BBM en functioneel gemodificeerde WUS een versneld en autonoom differentiatiefenotype.
De transgene bladcellen differentieerden in calli (een ongeorganiseerde massa cellen), groenachtige orgaanachtige structuren en onvoorziene scheuten bij afwezigheid van PGR-toepassing. Kwantitatieve polymerasekettingreactieanalyse (qPCR) (een techniek die wordt gebruikt om gentranscripten te kwantificeren) onthulde dat de expressie van Arabidopsis BBM en WUS geassocieerd was met de vorming van transgene calli en scheuten.
Gezien de sleutelrol van fytohormonen bij celdeling en differentiatie, gingen de onderzoekers verder met het kwantificeren van de niveaus van zes fytohormonen, namelijk auxines, cytokinines, abscisinezuur (ABA), gibberellines (GA's), jasmonzuur (JA), salicylzuur. SA), en hun metabolieten in de transgene plantenculturen. Uit hun bevindingen bleek dat de niveaus van actieve auxines, cytokinines, ABA en inactieve GA's toenamen naarmate cellen differentieerden om organen te vormen, wat hun rol in de differentiatie van plantencellen en de organogenese benadrukte.
Bovendien gebruikten de onderzoekers transcriptoom door RNA-sequencing (een techniek die wordt gebruikt voor kwalitatieve en kwantitatieve analyse van genexpressie) om de genexpressiepatronen in de transgene cellen te beoordelen die actieve differentiatie vertonen. Hun resultaten suggereerden dat genen die verband houden met celproliferatie en auxines verrijkt waren onder de differentieel opgereguleerde genen.
Verdere validatie met behulp van qPCR onthulde dat vier genen in de transgene cellen werden opgereguleerd of gedownreguleerd, waaronder de genen die de differentiatie van plantencellen, het metabolisme, de organogenese en de auxinerespons reguleren.
Over het geheel genomen werpen deze bevindingen licht op de nieuwe en veelzijdige benadering van plantenregeneratie zonder de noodzaak van extern toepassen van PGR. Bovendien heeft het systeem dat in deze studie wordt gebruikt het potentieel om ons begrip van de fundamentele processen van plantenceldifferentiatie te vergroten en de biotechnologische veredeling van nuttige plantensoorten te verbeteren.
Dr. Igawa zegt:“Het gerapporteerde systeem kan de plantenveredeling verbeteren door een hulpmiddel te bieden om cellulaire differentiatie van genetisch gemodificeerde plantencellen te induceren zonder toepassing van PGR. Daarom zou het in samenlevingen waar genetisch gemodificeerde planten als producten worden geaccepteerd de plantenveredeling versnellen en de bijbehorende productie verminderen. kosten."