Forscher entwickeln eine neue Methode der Pflanzenregeneration, indem sie die Expression von Genen regulieren, die die Differenzierung von Pflanzenzellen steuern.

 Abbildung: Traditionelle Methoden der Pflanzenregeneration erfordern den Einsatz von Pflanzenwachstumsregulatoren wie Hormonen, deren Anwendung artspezifisch und arbeitsintensiv sein kann. In einer neuen Studie haben Wissenschaftler ein neuartiges Pflanzenregenerationssystem entwickelt, indem sie die Funktion und Expression von Genen regulieren, die an der Dedifferenzierung (Zellproliferation) und Redifferenzierung (Organogenese) von Pflanzenzellen beteiligt sind. Mehr anzeigen
Traditionelle Methoden der Pflanzenregeneration erfordern die Verwendung vonPflanzenwachstumsregulatorenwie zum BeispielHormonDiese Verfahren können artspezifisch und arbeitsintensiv sein. In einer neuen Studie haben Wissenschaftler ein neues Pflanzenregenerationssystem entwickelt, indem sie die Funktion und Expression von Genen regulieren, die an der Dedifferenzierung (Zellproliferation) und Redifferenzierung (Organogenese) von Pflanzenzellen beteiligt sind.
Pflanzen sind seit vielen Jahren die Hauptnahrungsquelle für Mensch und Tier. Darüber hinaus werden sie zur Gewinnung verschiedener pharmazeutischer und therapeutischer Wirkstoffe genutzt. Ihr Missbrauch und die steigende Nachfrage nach Nahrungsmitteln verdeutlichen jedoch den Bedarf an neuen Pflanzenzüchtungsmethoden. Fortschritte in der Pflanzenbiotechnologie könnten künftige Nahrungsmittelknappheit durch die Entwicklung gentechnisch veränderter (GV) Pflanzen beheben, die produktiver und widerstandsfähiger gegenüber dem Klimawandel sind.
Pflanzen können auf natürliche Weise aus einer einzigen totipotenten Zelle (einer Zelle, die sich zu verschiedenen Zelltypen entwickeln kann) vollständig neue Pflanzen regenerieren, indem sie sich dedifferenzieren und in Zellen mit unterschiedlichen Strukturen und Funktionen redifferenzieren. Die künstliche Konditionierung solcher totipotenter Zellen mittels Pflanzenzellkultur wird häufig für den Pflanzenschutz, die Pflanzenzüchtung, die Produktion transgener Arten und für wissenschaftliche Forschungszwecke eingesetzt. Traditionell erfordert die Zellkultur zur Pflanzenregeneration den Einsatz von Pflanzenwachstumsregulatoren (GGRs) wie Auxinen und Cytokininen, um die Zelldifferenzierung zu steuern. Die optimalen Hormonbedingungen können jedoch je nach Pflanzenart, Kulturbedingungen und Gewebetyp stark variieren. Daher kann die Schaffung optimaler Versuchsbedingungen zeitaufwändig und arbeitsintensiv sein.
Um dieses Problem zu lösen, entwickelten Privatdozentin Tomoko Ikawa, Privatdozentin Mai F. Minamikawa von der Universität Chiba, Professor Hitoshi Sakakibara von der Graduiertenschule für Bio-Agrarwissenschaften der Universität Nagoya und Mikiko Kojima, eine technische Expertin des RIKEN CSRS, eine universelle Methode zur Pflanzensteuerung durch Regulation. Die Methode nutzt die Expression von „entwicklungsregulierten“ (DR) Zelldifferenzierungsgenen zur Pflanzenregeneration. In der am 3. April 2024 in Band 15 von Frontiers in Plant Science veröffentlichten Studie erläuterte Dr. Ikawa die Forschungsergebnisse wie folgt: „Unser System verwendet keine externen Pflanzenwachstumsregulatoren (PGRs), sondern nutzt Transkriptionsfaktorgene zur Steuerung der Zelldifferenzierung, ähnlich wie pluripotente Zellen in Säugetieren induziert werden.“
Die Forscher exprimierten zwei DR-Gene, BABY BOOM (BBM) und WUSCHEL (WUS), aus Arabidopsis thaliana (verwendet als Modellpflanze) ektopisch und untersuchten deren Einfluss auf die Gewebekulturdifferenzierung von Tabak, Salat und Petunie. BBM kodiert für einen Transkriptionsfaktor, der die Embryonalentwicklung reguliert, während WUS für einen Transkriptionsfaktor kodiert, der die Stammzellidentität im Bereich des Sprossapikalmeristems aufrechterhält.
Ihre Experimente zeigten, dass die alleinige Expression von Arabidopsis BBM oder WUS nicht ausreicht, um die Zelldifferenzierung in Tabakblattgewebe auszulösen. Im Gegensatz dazu induziert die Koexpression von funktionell verbessertem BBM und funktionell modifiziertem WUS einen beschleunigten autonomen Differenzierungsphänotyp. Ohne PCR differenzierten sich transgene Blattzellen zu Kallus (unorganisierter Zellmasse), grünen organähnlichen Strukturen und Adventivknospen. Die quantitative Polymerase-Kettenreaktion (qPCR), eine Methode zur Quantifizierung von Gentranskripten, zeigte, dass die Expression von Arabidopsis BBM und WUS mit der Bildung von transgenem Kallus und Trieben korrelierte.
Angesichts der entscheidenden Rolle von Phytohormonen bei Zellteilung und -differenzierung quantifizierten die Forscher die Konzentrationen von sechs Phytohormonen – Auxin, Cytokinin, Abscisinsäure (ABA), Gibberellin (GA), Jasmonsäure (JA), Salicylsäure (SA) und deren Metaboliten – in transgenen Nutzpflanzen. Ihre Ergebnisse zeigten, dass die Konzentrationen von aktivem Auxin, Cytokinin und ABA sowie von inaktivem GA mit der Differenzierung der Zellen zu Organen ansteigen, was deren Bedeutung für die pflanzliche Zelldifferenzierung und Organogenese unterstreicht.
Zusätzlich nutzten die Forscher RNA-Sequenzierung von Transkriptomen, eine Methode zur qualitativen und quantitativen Analyse der Genexpression, um Genexpressionsmuster in transgenen Zellen mit aktiver Differenzierung zu untersuchen. Ihre Ergebnisse zeigten, dass Gene, die mit Zellproliferation und Auxin in Zusammenhang stehen, unter den differentiell regulierten Genen angereichert waren. Weiterführende Untersuchungen mittels qPCR ergaben, dass die transgenen Zellen eine erhöhte oder verringerte Expression von vier Genen aufwiesen, darunter Gene, die die pflanzliche Zelldifferenzierung, den Stoffwechsel, die Organogenese und die Auxinreaktion regulieren.
Insgesamt zeigen diese Ergebnisse einen neuen und vielseitigen Ansatz zur Pflanzenregeneration auf, der keine externe PCR-Anwendung erfordert. Darüber hinaus kann das in dieser Studie verwendete System unser Verständnis der grundlegenden Prozesse der pflanzlichen Zelldifferenzierung verbessern und die biotechnologische Selektion geeigneter Pflanzenarten optimieren.
Dr. Ikawa hob die potenziellen Anwendungsgebiete seiner Arbeit hervor und sagte: „Das beschriebene System könnte die Pflanzenzüchtung verbessern, indem es ein Werkzeug zur Induktion der Zelldifferenzierung transgener Pflanzenzellen ohne PCR-Ansatz bereitstellt. Bevor transgene Pflanzen als Produkte akzeptiert werden, wird die Gesellschaft daher die Pflanzenzüchtung beschleunigen und die damit verbundenen Produktionskosten senken.“
Über Privatdozentin Dr. Tomoko Ikawa: Dr. Tomoko Ikawa ist Privatdozentin an der Graduiertenschule für Gartenbau, dem Zentrum für Molekulare Pflanzenwissenschaften und dem Zentrum für Weltraumlandwirtschaft und Gartenbauforschung der Universität Chiba, Japan. Ihre Forschungsschwerpunkte umfassen die sexuelle Fortpflanzung und Entwicklung von Pflanzen sowie die Pflanzenbiotechnologie. Sie konzentriert sich auf das Verständnis der molekularen Mechanismen der sexuellen Fortpflanzung und der pflanzlichen Zelldifferenzierung mithilfe verschiedener transgener Systeme. Sie hat zahlreiche Publikationen in diesen Bereichen veröffentlicht und ist Mitglied der Japanischen Gesellschaft für Pflanzenbiotechnologie, der Botanischen Gesellschaft Japans, der Japanischen Gesellschaft für Pflanzenzüchtung, der Japanischen Gesellschaft für Pflanzenphysiologie und der Internationalen Gesellschaft zur Erforschung der sexuellen Fortpflanzung von Pflanzen.
Autonome Differenzierung transgener Zellen ohne externe Hormonzufuhr: Expression endogener Gene und Verhalten von Phytohormonen
Die Autoren erklären, dass die Forschung ohne jegliche kommerzielle oder finanzielle Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.
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