Учёные открыли первичный раневой сигнал, запускающий регенерацию растений

В исследовании, опубликованном в журнале Cell 22 мая, группа под руководством профессора Ли Чуанью из Института генетики и биологии развития Китайской академии наук сообщила об открытии: REGENERATION FACTOR1 (REF1) является первичным локальным раневым сигналом, запускающим регенеративные ответы у растений. Это открытие предлагает удобный метод повышения эффективности трансформации труднотрансформируемых сельскохозяйственных культур за счёт усиления их регенерационной способности.

По сравнению с животными, растения чаще получают повреждения и развили исключительную способность с ними справляться. При ранении растения немедленно активируют защитные реакции для предотвращения инфекции. Параллельно они запускают клеточное репрограммирование для восстановления тканей и регенерации утраченных частей.

Хотя раневые сигналы и каскады, используемые растениями для активации защитных реакций, хорошо изучены, молекулярные механизмы, лежащие в основе регенеративных ответов, оставались неясными.

Несмотря на то, что ранение необходимо для инициации различных типов регенерации органов, биохимическая природа предполагаемых локальных раневых сигналов, управляющих этим процессом, оставалась загадкой на протяжении веков.

Кроме того, регенерационная способность растений в природе сильно варьируется между видами и генотипами, что является одним из основных препятствий для полной реализации потенциала технологий генетической трансформации и редактирования генома в селекции. Поэтому среди 125 важных нерешённых вопросов, перечисленных журналом Science, вопрос "Что контролирует регенерацию органов?" был выбран одним из 25 главных.

Учитывая, что регенерация и защита — взаимосвязанные аспекты раневых ответов растений, логично предположить, что мутанты томата с дефектом предполагаемого регенерационного сигнала будут демонстрировать как сниженную способность к регенерации, так и ослабленные защитные реакции.

Основываясь на этом принципе, исследователи идентифицировали мутант spr9, у которого нарушены как раневые защитные, так и регенеративные ответы. Мутация spr9 в первую очередь влияет на локальные защитные реакции и отменяет способность к ранеобразованию каллуса и регенерации побегов, что указывает на двойную роль гена SPR9 в регуляции локальной защиты и регенерации органов.

Исследования по клонированию гена показали, что ген SPR9 кодирует предшественник пептида. Отсутствие SPR9 отменяло регенерационную способность томатов, а его сверхэкспрессия приводила к её усилению.

Более того, применение продукта этого пептида значительно увеличивало регенерационную способность. Поэтому этот пептид был назван REGENERATION FACTOR1 (REF1).

Дальнейшие исследования показали, что REF1 воспринимается рецептором PORK1. Когда клетки растений повреждены, REF1 связывается со своим рецептором PORK1, чтобы активировать WIND1 — главный регулятор раневого клеточного репрограммирования, тем самым запуская регенеративные ответы.

Между тем, активированный WIND1 связывается с промотором гена-предшественника REF1, чтобы активировать его экспрессию, тем самым усиливая сигнализацию REF1 для восстановления тканей и регенерации органов. Таким образом, REF1 действует как фитоцитокин, координирующий раневую регенерацию органов.

Поскольку REF1 и его рецептор высококонсервативны как у двудольных, так и у однодольных растений, усиление регенерационной способности, индуцированное REF1, является широко распространённым механизмом. Применение REF1 значительно повысило эффективность трансформации у нескольких труднотрансформируемых культур, включая сою, пшеницу и кукурузу.

Открытие REF1 не только даёт ответ на давний вопрос о том, как растения инициируют регенерацию органов, но и предоставляет удобный и универсальный метод повышения эффективности трансформации сельскохозяйственных культур, не зависящий от вида и/или генотипа.