Ученые разработали генетический подход к регенерации растений без применения фитогормонов
Растения — основной источник питания и многих лекарственных соединений. Однако их неограниченное использование и растущий спрос на продовольствие требуют новых методов селекции. Биотехнология растений может решить проблемы будущего дефицита пищи, позволяя создавать генетически модифицированные (ГМ) растения с повышенной продуктивностью и устойчивостью.
В природе растения могут регенерировать из одной тотипотентной клетки. Искусственная регуляция таких клеток с помощью культуры тканей широко используется для сохранения, селекции, создания ГМ-видов и научных исследований.
Традиционно для регенерации в культуре тканей требуются регуляторы роста растений (PGR), такие как ауксины и цитокинины. Однако оптимальные условия по гормонам сильно различаются в зависимости от вида растения, условий культивирования и типа ткани, что делает процесс трудоемким.
Чтобы преодолеть эту проблему, группа ученых разработала универсальный метод регенерации растений путем модуляции экспрессии генов "регуляторов развития" (DR), которые контролируют дифференцировку клеток.
"Вместо использования внешних PGR наша система использует гены DR, участвующие в развитии и морфогенезе, для контроля клеточной дифференцировки. Система использует гены транскрипционных факторов и напоминает генерацию индуцированных плюрипотентных клеток у млекопитающих", — объясняет доктор Томоко Игава.
Исследователи изучили эффект эктопической экспрессии двух генов DR от Arabidopsis thaliana — BABY BOOM (BBM) и WUSCHEL (WUS) — на дифференцировку культур тканей табака, салата и петунии. BBM кодирует фактор транскрипции, регулирующий эмбриональное развитие, а WUS — фактор, поддерживающий идентичность стволовых клеток в апикальной меристеме побега.
Эксперименты показали:
- Экспрессия только Arabidopsis BBM или WUS была недостаточна для индукции дифференцировки клеток листа табака.
- Совместная экспрессия функционально усиленного BBM и модифицированного WUS индуцировала ускоренный и автономный фенотип дифференцировки.
- Трансгенные клетки листа дифференцировались в каллусы (неорганизованную массу клеток), зеленые органоидные структуры и адвентивные побеги без применения PGR.
- Количественная ПЦР (qPCR) подтвердила, что экспрессия Arabidopsis BBM и WUS связана с образованием трансгенных каллусов и побегов.
Учитывая ключевую роль фитогормонов, ученые измерили уровни шести гормонов и их метаболитов в трансгенных культурах. Было обнаружено, что уровни активных ауксинов, цитокининов, абсцизовой кислоты (ABA) и неактивных гиббереллинов (GAs) повышались по мере дифференцировки клеток и образования органов.
Транскриптомный анализ (RNA-seq) клеток, показывающих активную дифференцировку, выявил обогащение среди повышенно экспрессируемых генов тех, что связаны с пролиферацией клеток и ауксинами. Дальнейшая валидация с помощью qPCR показала изменение экспрессии четырех генов, регулирующих дифференцировку, метаболизм, органогенез и ответ на ауксин.
Выводы: Эта работа предлагает новый универсальный подход к регенерации растений без внешнего применения PGR. Система может углубить понимание фундаментальных процессов дифференцировки клеток растений и улучшить биотехнологическую селекцию полезных видов.
"Данная система может улучшить селекцию растений, предоставив инструмент для индукции клеточной дифференцировки ГМ-клеток без применения PGR. В обществах, где ГМ-растения принимаются как продукт, это ускорит селекцию и снизит сопутствующие производственные затраты", — резюмирует доктор Игава.