Vísindamenn eru að þróa nýja aðferð til endurnýjunar plantna með því að stjórna tjáningu gena sem stjórna frumusérhæfingu plantna.

 Mynd: Hefðbundnar aðferðir við endurnýjun plantna krefjast notkunar á vaxtarstýriefnum eins og hormónum, sem geta verið tegundarsértæk og vinnuaflsfrek. Í nýrri rannsókn hafa vísindamenn þróað nýtt endurnýjunarkerfi plantna með því að stjórna virkni og tjáningu gena sem taka þátt í afgreiningu (frumufjölgun) og endurgreiningu (líffæramyndun) plantnafrumna. Sjá meira
Hefðbundnar aðferðir við endurnýjun plantna krefjast notkunar ávaxtarstýringar fyrir plöntureins oghormóns, sem geta verið tegundarsértæk og vinnuaflsfrek. Í nýrri rannsókn hafa vísindamenn þróað nýtt endurnýjunarkerfi plantna með því að stjórna virkni og tjáningu gena sem taka þátt í afgreiningu (frumufjölgun) og endurgreiningu (líffæramyndun) plantnafrumna.
Plöntur hafa verið aðal fæðugjafi dýra og manna í mörg ár. Þar að auki eru plönturnar notaðar til að vinna úr ýmsum lyfja- og lækningaefnum. Hins vegar undirstrikar misnotkun þeirra og vaxandi eftirspurn eftir matvælum þörfina fyrir nýjar aðferðir við ræktun plantna. Framfarir í líftækni plantna gætu leyst matvælaskort í framtíðinni með því að framleiða erfðabreyttar plöntur sem eru afkastameiri og þolnari fyrir loftslagsbreytingum.
Plöntur geta eðlilega endurnýjað alveg nýjar plöntur úr einni „alhæfri“ frumu (frumu sem getur myndað margar frumugerðir) með því að slíta sérhæfingu og endursérhæfingu í frumur með mismunandi uppbyggingu og virkni. Tilbúin meðferð slíkra alhæfra frumna með vefjaræktun plantna er mikið notuð til plöntuverndar, ræktunar, framleiðslu á erfðabreyttum tegundum og í vísindalegum rannsóknarskyni. Hefðbundið krefst vefjaræktunar til endurnýjunar plantna notkunar vaxtarstýringa plantna (GGRs), svo sem auxína og cýtókínína, til að stjórna frumugreiningu. Hins vegar geta kjörhormónaskilyrði verið mjög mismunandi eftir plöntutegund, ræktunarskilyrðum og vefjagerð. Því getur það verið tímafrekt og vinnuaflsfrekt verkefni að skapa kjör könnunarskilyrði.
Til að vinna bug á þessu vandamáli þróuðu dósent Tomoko Ikawa, ásamt dósent Mai F. Minamikawa frá Chiba-háskóla, prófessor Hitoshi Sakakibara frá framhaldsnámsdeild Nagoya-háskóla í líf- og landbúnaðarvísindum og Mikiko Kojima, sérfræðingi í tækni frá RIKEN CSRS, alhliða aðferð til að stjórna plöntum með stjórnun. Tjáning „þroskastýrðra“ (DR) frumudreifingargena til að ná fram endurnýjun plantna. Dr. Ikawa, sem birt var í 15. bindi Frontiers in Plant Science þann 3. apríl 2024, veitti frekari upplýsingar um rannsóknarvinnu þeirra og sagði: „Kerfið okkar notar ekki utanaðkomandi PGRs, heldur notar það umritunarþáttagen til að stjórna frumudauða, svipað og fjölhæfar frumur sem eru framkallaðar í spendýrum.“
Rannsakendurnir tjáðu tvö DR-gen utanfrumuvökva, BABY BOOM (BBM) og WUSCHEL (WUS), úr Arabidopsis thaliana (notuð sem fyrirmyndarplöntu) og skoðuðu áhrif þeirra á vefjaræktun tóbaks, salats og petunia. BBM kóðar fyrir umritunarþætti sem stjórnar fósturþroska, en WUS kóðar fyrir umritunarþætti sem viðheldur stofnfrumuauðkenni í svæðinu við topp sprota.
Tilraunir þeirra sýndu að tjáning Arabidopsis BBM eða WUS ein og sér er ekki nægjanleg til að örva frumuþróun í vef tóbakslaufs. Aftur á móti veldur samhliða tjáning á virknibættu BBM og virknibreyttu WUS hraðari sjálfstæðri þróunarsvipgerð. Án notkunar PCR aðgreindust erfðabreyttar lauffrumur í kallus (óskipulagðan frumumassa), græna líffæralíka strúktúra og aðskotaknappa. Megindleg pólýmerasakeðjuverkunargreining (qPCR), aðferð sem notuð er til að magngreina genaafrit, sýndi að tjáning Arabidopsis BBM og WUS tengdist myndun erfðabreyttra kallus og sprota.
Með hliðsjón af mikilvægu hlutverki plöntuhormóna í frumuskiptingu og frumubreytingu, magngreindu vísindamennirnir magn sex plöntuhormóna, þ.e. auxíns, cýtókíníns, abscisínsýru (ABA), gibberellíns (GA), jasmónsýru (JA), salisýlsýru (SA) og umbrotsefna hennar í erfðabreyttum plöntum. Niðurstöður þeirra sýndu að magn virks auxíns, cýtókíníns, ABA og óvirks GA eykst eftir því sem frumur sérhæfast í líffæri, sem undirstrikar hlutverk þeirra í frumubreytingum og líffæramyndun plantna.
Að auki notuðu vísindamennirnir RNA raðgreiningu umrit, aðferð til eigindlegrar og megindlegrar greiningar á genatjáningu, til að meta mynstur genatjáningar í erfðabreyttum frumum sem sýna virka sérhæfingu. Niðurstöður þeirra sýndu að gen sem tengjast frumufjölgun og auxíni voru auðguð af mismunandi stýrðum genum. Frekari rannsóknir með qPCR leiddu í ljós að erfðabreyttu frumurnar höfðu aukið eða minnkað tjáningu fjögurra gena, þar á meðal gena sem stjórna sérhæfingu plantnafrumna, efnaskiptum, líffæramyndun og auxínsvörun.
Í heildina sýna þessar niðurstöður nýja og fjölhæfa aðferð við endurnýjun plantna sem krefst ekki utanaðkomandi PCR. Að auki gæti kerfið sem notað er í þessari rannsókn aukið skilning okkar á grundvallarferlum frumudreifingar plantna og bætt líftæknilegt val á gagnlegum plöntutegundum.
Dr. Ikawa lagði áherslu á möguleg notkunarsvið rannsókna sinna og sagði: „Kerfið sem greint er frá gæti bætt plönturæktun með því að bjóða upp á tæki til að örva frumudreifingu erfðabreyttra plantnafrumna án þess að þörf sé á PCR. Þess vegna, áður en erfðabreyttar plöntur eru samþykktar sem afurðir, mun samfélagið flýta fyrir plönturæktun og draga úr tilheyrandi framleiðslukostnaði.“
Um dósent Tomoko Igawa Dr. Tomoko Ikawa er dósent við framhaldsnám í garðyrkju, Miðstöð sameindafræði plantna og Miðstöð geimræktunar og garðyrkjurannsókna við Chiba-háskóla í Japan. Rannsóknarhagsmunir hennar fela í sér kynæxlun og þróun plantna og líftækni plantna. Verk hennar beinast að því að skilja sameindaferla kynæxlunar og frumudreifingar plantna með því að nota ýmis erfðabreyttar kerfi. Hún hefur gefið út nokkrar ritrýndar greinar á þessum sviðum og er meðlimur í Japanska félaginu um plöntulíftækni, Grasafræðifélaginu í Japan, Japanska plönturæktunarfélaginu, Japanska félaginu um plöntulífeðlisfræðinga og Alþjóðafélaginu um rannsóknir á kynæxlun plantna.
Sjálfvirk aðgreining erfðabreyttra frumna án notkunar hormóna utanaðkomandi: tjáning innrænna gena og hegðun plöntuhormóna
Höfundarnir lýsa því yfir að rannsóknin hafi verið framkvæmd án þess að til staðar væru viðskipta- eða fjárhagsleg tengsl sem gætu talist hugsanleg hagsmunaárekstrar.
Fyrirvari: AAAS og EurekAlert bera ekki ábyrgð á nákvæmni fréttatilkynninga sem birtar eru á EurekAlert! Öll notkun upplýsinga af hálfu stofnunarinnar sem lætur upplýsingarnar í té eða í gegnum EurekAlert kerfið.