Naukowcy odkrywają sekrety regeneracji roślin

IKOMA, Japonia – Rośliny mają wyjątkową zdolność całkowitej regeneracji z komórki somatycznej, czyli zwykłej komórki, która normalnie nie bierze udziału w reprodukcji. Proces ten obejmuje tworzenie de novo (lub nowego) merystemu wierzchołkowego (SAM), który daje początek narządom bocznym, które są niezbędne do odbudowy rośliny. Na poziomie komórkowym tworzenie SAM jest ściśle regulowane przez pozytywne lub negatywne regulatory (geny/cząsteczki białka), które mogą odpowiednio stymulować lub ograniczać regenerację roślin. Ale jakie cząsteczki są zaangażowane? Czy istnieją inne warstwy organizacji, które nie zostały jeszcze ujawnione?

Aby uzyskać odpowiedzi na powyższe pytania, grupa badawcza kierowana przez Nara Institute of Science and Technology (NAIST) badała proces u Arabidopsis, rośliny powszechnie wykorzystywanej w badaniach genetycznych. Ich badania – opublikowane w Science Advances – zidentyfikowały i scharakteryzowały kluczowy negatywny regulator regeneracji pąków. Pokazują, w jaki sposób gen HOMEOBOX 13 (WOX13) wiążący się z WUSCHEL i jego białko mogą wzmacniać niestrukturalną (niepodzielną) funkcję komórek kalusa, działając jako represor transkrypcji (na poziomie RNA), wpływając w ten sposób na wydajność regeneracji.

„Poszukiwanie strategii zwiększających wydajność regeneracji pąków u roślin trwało długo. Jednak postęp był utrudniony, ponieważ odpowiednie mechanizmy regulacyjne nie były jasne. Nasze badanie wypełnia tę lukę, identyfikując nową ścieżkę specyfikacji losu komórek” – wyjaśnia Momoko. Ikeuchi, głównego badacza tego badania.

Wcześniejsze badania jej zespołu ustaliły już rolę WOX13 w naprawie tkanek i adhezji narządów po przeszczepie. W związku z tym najpierw przetestowali potencjalną rolę tego genu w kontrolowaniu regeneracji liścieni u mutanta Arabidopsis wox13 (roślina z dysfunkcyjnym WOX13) przy użyciu dwuetapowego systemu hodowli tkankowej. Analiza fenotypu i obrazowania wykazała, że ​​regeneracja łodygi była przyspieszona (3 dni szybciej) w roślinach z niedoborem WOX13 i wolniejsza, gdy indukowano ekspresję WOX13. Ponadto w normalnych roślinach WOX13 wykazywał lokalnie niski poziom ekspresji w SAM. Wyniki te wskazują, że WOX13 może negatywnie regulować regenerację pędów.

Aby zweryfikować swoje odkrycia, naukowcy porównali mutanty wox13 i dzikie (normalne) rośliny za pomocą sekwencjonowania RNA w wielu punktach czasowych. Brak WOX13 nie zmienił znacząco ekspresji genu Arabidopsis w warunkach indukujących kalus. Jednak warunki indukujące wypalanie znacznie wzmocniły modyfikacje wywołane mutacją wox, prowadząc do obniżenia poziomu genów regulatora wypalania. Co ciekawe, te geny zostały stłumione w ciągu 24 godzin od nadekspresji WOX13 w zmutowanych roślinach. Ogólnie rzecz biorąc, odkryli, że WOX13 hamuje podzbiór regulatorów merystematycznych, jednocześnie bezpośrednio aktywując geny modulatorów ściany komórkowej, które biorą udział w ekspansji i różnicowaniu komórek. Późniejsze sekwencjonowanie RNA pojedynczych komórek oparte na kwarcu-Seq2 (scRNA-seq) potwierdziło kluczową rolę WOX13 w określaniu losu pluripotencjalnych komórek kalusa.

Badanie to podkreśla, że ​​w przeciwieństwie do znanych negatywnych regulatorów regeneracji pąków, które jedynie hamują przejście od kalusa w kierunku SAM, WOX13 hamuje specyfikację SAM, promując nabywanie alternatywnych losów. Osiąga to hamowanie poprzez wzajemny represyjny obwód regulacyjny z regulatorem WUS, który promuje los komórek innych niż rakietowe poprzez hamowanie WUS i innych regulatorów SAM oraz stymulowanie modyfikatorów ściany komórkowej. W ten sposób WOX13 pełni rolę kluczowego regulatora wydajności regeneracji. „Nasze odkrycia pokazują, że powalenie WOX13 może poprawić pozyskiwanie losu pędów i zwiększyć skuteczność regulacji pędów. Oznacza to, że powalenie WOX13 może służyć jako narzędzie w rolnictwie i ogrodnictwie oraz poprawić regenerację upraw poprzez hodowlę tkankową”. – podsumowuje Ikeuchi.