I ricercatori stanno sviluppando un nuovo metodo di rigenerazione delle piante regolando l'espressione dei geni che controllano la differenziazione delle cellule vegetali.

 Immagine: I metodi tradizionali di rigenerazione delle piante richiedono l'uso di regolatori della crescita vegetale come gli ormoni, che possono essere specie-specifici e richiedere molto lavoro. In un nuovo studio, gli scienziati hanno sviluppato un nuovo sistema di rigenerazione delle piante regolando la funzione e l'espressione dei geni coinvolti nella dedifferenziazione (proliferazione cellulare) e nella ridifferenziazione (organogenesi) delle cellule vegetali. Scopri di più
I metodi tradizionali di rigenerazione delle piante richiedono l'uso diregolatori della crescita delle piantead esempioormoneche possono essere specie-specifiche e richiedere molto lavoro. In un nuovo studio, gli scienziati hanno sviluppato un nuovo sistema di rigenerazione delle piante regolando la funzione e l'espressione dei geni coinvolti nella dedifferenziazione (proliferazione cellulare) e nella ridifferenziazione (organogenesi) delle cellule vegetali.
Da secoli le piante rappresentano la principale fonte di cibo per animali e esseri umani. Inoltre, vengono utilizzate per estrarre diversi composti farmaceutici e terapeutici. Tuttavia, il loro uso improprio e la crescente domanda di cibo evidenziano la necessità di nuovi metodi di miglioramento genetico delle piante. I progressi nella biotecnologia vegetale potrebbero risolvere le future carenze alimentari producendo piante geneticamente modificate (GM) più produttive e resistenti ai cambiamenti climatici.
Naturalmente, le piante possono rigenerare piante completamente nuove a partire da una singola cellula "totipotente" (una cellula in grado di dare origine a molteplici tipi cellulari) attraverso un processo di dedifferenziazione e ridifferenziazione in cellule con strutture e funzioni diverse. Il condizionamento artificiale di tali cellule totipotenti tramite coltura di tessuti vegetali è ampiamente utilizzato per la protezione delle piante, il miglioramento genetico, la produzione di specie transgeniche e per scopi di ricerca scientifica. Tradizionalmente, la coltura di tessuti per la rigenerazione delle piante richiede l'uso di regolatori della crescita vegetale (GGR), come auxine e citochinine, per controllare la differenziazione cellulare. Tuttavia, le condizioni ormonali ottimali possono variare significativamente a seconda della specie vegetale, delle condizioni di coltura e del tipo di tessuto. Pertanto, la creazione di condizioni di esplorazione ottimali può rivelarsi un'attività lunga e complessa.
Per superare questo problema, la professoressa associata Tomoko Ikawa, insieme alla professoressa associata Mai F. Minamikawa dell'Università di Chiba, al professor Hitoshi Sakakibara della Facoltà di Scienze Bio-Agricole dell'Università di Nagoya e a Mikiko Kojima, tecnico esperto del RIKEN CSRS, ha sviluppato un metodo universale per il controllo delle piante attraverso la regolazione dell'espressione di geni di differenziazione cellulare "regolati a livello dello sviluppo" (DR) per ottenere la rigenerazione delle piante. Pubblicato nel volume 15 di Frontiers in Plant Science il 3 aprile 2024, il lavoro della Dott.ssa Ikawa ha fornito ulteriori informazioni, affermando: "Il nostro sistema non utilizza regolatori di crescita vegetale esterni, ma si avvale di geni di fattori di trascrizione per controllare la differenziazione cellulare, in modo simile alle cellule pluripotenti indotte nei mammiferi".
I ricercatori hanno espresso ectopicamente due geni DR, BABY BOOM (BBM) e WUSCHEL (WUS), provenienti da Arabidopsis thaliana (utilizzata come pianta modello) e ne hanno esaminato l'effetto sulla differenziazione in coltura tissutale di tabacco, lattuga e petunia. BBM codifica un fattore di trascrizione che regola lo sviluppo embrionale, mentre WUS codifica un fattore di trascrizione che mantiene l'identità delle cellule staminali nella regione del meristema apicale del germoglio.
I loro esperimenti hanno dimostrato che l'espressione di Arabidopsis BBM o WUS da soli non è sufficiente a indurre la differenziazione cellulare nel tessuto fogliare del tabacco. Al contrario, la coespressione di BBM funzionalmente potenziato e WUS funzionalmente modificato induce un fenotipo di differenziazione autonoma accelerata. Senza l'uso della PCR, le cellule fogliari transgeniche si sono differenziate in callo (massa cellulare disorganizzata), strutture verdi simili a organi e gemme avventizie. L'analisi mediante reazione a catena della polimerasi quantitativa (qPCR), un metodo utilizzato per quantificare i trascritti genici, ha mostrato che l'espressione di Arabidopsis BBM e WUS era correlata alla formazione di calli e germogli transgenici.
Considerando il ruolo cruciale dei fitormoni nella divisione e differenziazione cellulare, i ricercatori hanno quantificato i livelli di sei fitormoni, ovvero auxina, citochinina, acido abscissico (ABA), gibberellina (GA), acido jasmonico (JA), acido salicilico (SA) e i loro metaboliti in colture vegetali transgeniche. I loro risultati hanno mostrato che i livelli di auxina attiva, citochinina, ABA e GA inattiva aumentano con la differenziazione cellulare in organi, evidenziando il loro ruolo nella differenziazione cellulare e nell'organogenesi delle piante.
Inoltre, i ricercatori hanno utilizzato il sequenziamento dell'RNA, un metodo per l'analisi qualitativa e quantitativa dell'espressione genica, per valutare i modelli di espressione genica nelle cellule transgeniche che mostravano una differenziazione attiva. I loro risultati hanno mostrato che i geni correlati alla proliferazione cellulare e all'auxina erano arricchiti tra i geni regolati in modo differenziale. Ulteriori analisi mediante qPCR hanno rivelato che le cellule transgeniche presentavano un'espressione aumentata o diminuita di quattro geni, inclusi geni che regolano la differenziazione delle cellule vegetali, il metabolismo, l'organogenesi e la risposta all'auxina.
Nel complesso, questi risultati rivelano un approccio nuovo e versatile alla rigenerazione delle piante che non richiede l'applicazione esterna della PCR. Inoltre, il sistema utilizzato in questo studio potrebbe migliorare la nostra comprensione dei processi fondamentali di differenziazione cellulare delle piante e perfezionare la selezione biotecnologica di specie vegetali utili.
Sottolineando le potenziali applicazioni del suo lavoro, il dottor Ikawa ha affermato: "Il sistema descritto potrebbe migliorare il miglioramento genetico delle piante, fornendo uno strumento per indurre la differenziazione cellulare delle cellule vegetali transgeniche senza la necessità della PCR. Pertanto, prima che le piante transgeniche vengano accettate come prodotti, la società potrà accelerare il processo di miglioramento genetico e ridurre i relativi costi di produzione."
Informazioni sulla Professoressa Associata Tomoko Igawa La Dott.ssa Tomoko Igawa è professoressa associata presso la Facoltà di Orticoltura, il Centro di Scienze Molecolari delle Piante e il Centro di Ricerca sull'Agricoltura Spaziale e l'Orticoltura dell'Università di Chiba, in Giappone. I suoi interessi di ricerca includono la riproduzione e lo sviluppo sessuale delle piante e le biotecnologie vegetali. Il suo lavoro si concentra sulla comprensione dei meccanismi molecolari della riproduzione sessuale e della differenziazione cellulare delle piante utilizzando diversi sistemi transgenici. Ha numerose pubblicazioni in questi campi ed è membro della Società Giapponese di Biotecnologie Vegetali, della Società Botanica del Giappone, della Società Giapponese di Miglioramento Genetico delle Piante, della Società Giapponese di Fisiologia Vegetale e della Società Internazionale per lo Studio della Riproduzione Sessuale delle Piante.
Differenziazione autonoma di cellule transgeniche senza l'utilizzo di ormoni esterni: espressione di geni endogeni e comportamento dei fitormoni.
Gli autori dichiarano che la ricerca è stata condotta in assenza di qualsiasi rapporto commerciale o finanziario che possa essere interpretato come un potenziale conflitto di interessi.
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