Forscher entwickeln eine neue Methode zur Pflanzenregeneration durch die Regulierung der Expression von Genen, die die Differenzierung von Pflanzenzellen steuern.

 Bild: Traditionelle Methoden der Pflanzenregeneration erfordern den Einsatz von Wachstumsregulatoren wie Hormonen, die artspezifisch und arbeitsintensiv sein können. 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. Mehr anzeigen
Traditionelle Methoden der Pflanzenregeneration erfordern den Einsatz vonPflanzenwachstumsregulatorenwie zum BeispielHormons, die artspezifisch und arbeitsintensiv sein können. In einer neuen Studie haben Wissenschaftler ein neues Pflanzenregenerationssystem entwickelt, indem sie die Funktion und Expression von Genen regulierten, die an der Dedifferenzierung (Zellproliferation) und Redifferenzierung (Organogenese) von Pflanzenzellen beteiligt sind.
Pflanzen sind seit vielen Jahren die Hauptnahrungsquelle für Tier und Mensch. Darüber hinaus werden Pflanzen zur Gewinnung verschiedener pharmazeutischer und therapeutischer Wirkstoffe verwendet. Ihr Missbrauch und die steigende Nachfrage nach Nahrungsmitteln machen jedoch neue Methoden der Pflanzenzüchtung erforderlich. Fortschritte in der Pflanzenbiotechnologie könnten zukünftige Nahrungsmittelengpässe durch die Züchtung gentechnisch veränderter (GV) Pflanzen lösen, die produktiver und widerstandsfähiger gegen den Klimawandel sind.
Natürlicherweise können Pflanzen aus einer einzigen „totipotenten“ Zelle (einer Zelle, die mehrere Zelltypen hervorbringen kann) durch Dedifferenzierung und Redifferenzierung in Zellen mit unterschiedlichen Strukturen und Funktionen völlig neue Pflanzen regenerieren. Die künstliche Konditionierung solcher totipotenten Zellen durch Pflanzengewebekultur wird häufig im Pflanzenschutz, in der Züchtung, zur Produktion gentechnisch veränderter Arten und in der wissenschaftlichen Forschung eingesetzt. Traditionell erfordert die Gewebekultur zur Pflanzenregeneration den Einsatz von Pflanzenwachstumsregulatoren (GGRs) wie Auxinen und Cytokininen zur Steuerung der Zelldifferenzierung. Die optimalen hormonellen Bedingungen können jedoch je nach Pflanzenart, Kulturbedingungen und Gewebetyp stark variieren. Daher kann die Schaffung optimaler Forschungsbedingungen eine zeit- und arbeitsintensive Aufgabe sein.
Um dieses Problem zu lösen, entwickelten Professorin Tomoko Ikawa, Professorin Mai F. Minamikawa von der Universität Chiba, Professor Hitoshi Sakakibara von der Graduiertenschule für Bio-Landwirtschaft der Universität Nagoya und Mikiko Kojima, eine Fachtechnikerin vom RIKEN CSRS, eine universelle Methode zur Pflanzenkontrolle durch Regulierung. Die Expression von „entwicklungsregulierten“ (DR) Zelldifferenzierungsgenen soll die Pflanzenregeneration ermöglichen. In Band 15 von Frontiers in Plant Science vom 3. April 2024 veröffentlichte Dr. Ikawa weitere Informationen zu ihrer Forschungsarbeit und erklärte: „Unser System verwendet keine externen Wachstumshormone, sondern Transkriptionsfaktorgene zur Kontrolle der Zelldifferenzierung, ähnlich wie bei induzierten pluripotenten Zellen in Säugetieren.“
Die Forscher exprimierten ektopisch zwei DR-Gene, BABY BOOM (BBM) und WUSCHEL (WUS), aus der Modellpflanze Arabidopsis thaliana und untersuchten deren Einfluss auf die Gewebekulturdifferenzierung von Tabak, Salat und Petunie. BBM kodiert einen Transkriptionsfaktor, der die embryonale Entwicklung reguliert, während WUS einen Transkriptionsfaktor kodiert, der die Stammzellidentität im Bereich des Sprossapikalmeristems aufrechterhält.
Ihre Experimente zeigten, dass die Expression von Arabidopsis BBM oder WUS allein nicht ausreicht, um die Zelldifferenzierung im Tabakblattgewebe zu induzieren. Im Gegensatz dazu induziert die Koexpression von funktionell verstärktem BBM und funktionell modifiziertem WUS einen beschleunigten autonomen Differenzierungsphänotyp. Ohne PCR differenzierten transgene Blattzellen in Kallus (unorganisierte Zellmasse), grüne organähnliche 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 transgener Kalli und Triebe korrelierte.
Angesichts der entscheidenden Rolle von Phytohormonen bei der 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 gentechnisch veränderten Pflanzenkulturen. Ihre Ergebnisse zeigten, dass die Konzentrationen von aktivem Auxin, Cytokinin, ABA und inaktivem GA mit der Zelldifferenzierung zu Organen ansteigen. Dies unterstreicht ihre Rolle bei der Differenzierung und Organogenese von Pflanzenzellen.
Darüber hinaus nutzten die Forscher RNA-Sequenzierungs-Transkriptome, eine Methode zur qualitativen und quantitativen Analyse der Genexpression, um die Genexpressionsmuster transgener Zellen mit aktiver Differenzierung zu untersuchen. Ihre Ergebnisse zeigten, dass Gene, die mit Zellproliferation und Auxin in Zusammenhang stehen, mit unterschiedlich regulierten Genen angereichert waren. Weitere Untersuchungen mittels qPCR ergaben, dass die transgenen Zellen eine erhöhte oder verringerte Expression von vier Genen aufwiesen, darunter Gene, die die Differenzierung, den Stoffwechsel, die Organogenese und die Auxinreaktion von Pflanzenzellen regulieren.
Insgesamt zeigen diese Ergebnisse einen neuen und vielseitigen Ansatz zur Pflanzenregeneration auf, der ohne externe PCR-Anwendung auskommt. Darüber hinaus kann das in dieser Studie verwendete System unser Verständnis der grundlegenden Prozesse der Pflanzenzelldifferenzierung verbessern und die biotechnologische Selektion nützlicher Pflanzenarten verbessern.
Dr. Ikawa hob die potenziellen Anwendungen seiner Arbeit hervor und sagte: „Das vorgestellte System könnte die Pflanzenzucht verbessern, indem es ein Werkzeug zur Induktion der Zelldifferenzierung transgener Pflanzenzellen ohne PCR bereitstellt. Bevor transgene Pflanzen als Produkte akzeptiert werden, wird die Gesellschaft daher die Pflanzenzucht beschleunigen und die damit verbundenen Produktionskosten senken.“
Über Associate Professor Tomoko Igawa Dr. Tomoko Ikawa ist Assistenzprofessorin an der Graduate School of Horticulture, dem Center for Molecular Plant Sciences und dem Center for Space Agriculture and Horticulture Research der Chiba University, Japan. Ihre Forschungsinteressen umfassen die sexuelle Fortpflanzung und Entwicklung von Pflanzen sowie Pflanzenbiotechnologie. Ihr Arbeitsschwerpunkt liegt auf dem Verständnis der molekularen Mechanismen der sexuellen Fortpflanzung und der Differenzierung pflanzlicher Zellen mithilfe verschiedener transgener Systeme. Sie hat mehrere Publikationen in diesen Bereichen veröffentlicht und ist Mitglied der Japan Society of Plant Biotechnology, der Botanical Society of Japan, der Japanese Plant Breeding Society, der Japanese Society of Plant Physiologists und der International Society for the Study of Plant Sexual Reproduction.
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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