Immagine: I metodi tradizionali di rigenerazione vegetale richiedono l'uso di regolatori della crescita, 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 vegetale 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 esempioormones, che possono essere specie-specifici e richiedere molto lavoro. In un nuovo studio, gli scienziati hanno sviluppato un nuovo sistema di rigenerazione vegetale regolando la funzione e l'espressione dei geni coinvolti nella dedifferenziazione (proliferazione cellulare) e nella ridifferenziazione (organogenesi) delle cellule vegetali.
Le piante sono da molti anni la principale fonte di cibo per animali e esseri umani. Inoltre, vengono utilizzate per estrarre vari composti farmaceutici e terapeutici. Tuttavia, il loro uso improprio e la crescente domanda alimentare 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 che può dare origine a più tipi cellulari) dedifferenziandosi e ridifferenziandosi in cellule con strutture e funzioni diverse. Il condizionamento artificiale di tali cellule totipotenti attraverso la coltura di tessuti vegetali è ampiamente utilizzato per la protezione delle piante, la riproduzione, la produzione di specie transgeniche e per scopi di ricerca scientifica. Tradizionalmente, la coltura di tessuti per la rigenerazione vegetale 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 essere un compito dispendioso in termini di tempo e lavoro.
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, un tecnico esperto del RIKEN CSRS, hanno sviluppato un metodo universale per il controllo delle piante attraverso la regolazione. Espressione di geni di differenziazione cellulare "regolati dallo sviluppo" (DR) per ottenere la rigenerazione delle piante. Pubblicato nel volume 15 di Frontiers in Plant Science il 3 aprile 2024, il dott. Ikawa ha fornito ulteriori informazioni sul loro lavoro di ricerca, affermando: "Il nostro sistema non utilizza PGR esterni, ma utilizza invece 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), da Arabidopsis thaliana (utilizzata come pianta modello) e ne hanno esaminato l'effetto sulla differenziazione delle colture tissutali di tabacco, lattuga e petunia. BBM codifica per un fattore di trascrizione che regola lo sviluppo embrionale, mentre WUS codifica per 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 sola non è sufficiente a indurre la differenziazione cellulare nel tessuto fogliare del tabacco. Al contrario, la coespressione di BBM funzionalmente potenziata e WUS funzionalmente modificata 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 simili a organi verdi e gemme avventizie. L'analisi quantitativa della reazione a catena della polimerasi (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 nella 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 dei suoi metaboliti in colture vegetali transgeniche. I loro risultati hanno mostrato che i livelli di auxina attiva, citochinina, ABA e GA inattiva aumentano con il differenziamento cellulare in organi, evidenziandone il ruolo nella differenziazione e nell'organogenesi delle cellule vegetali.
Inoltre, i ricercatori hanno utilizzato i trascrittomi di sequenziamento dell'RNA, un metodo per l'analisi qualitativa e quantitativa dell'espressione genica, per valutare i pattern di espressione genica nelle cellule transgeniche che presentano differenziazione attiva. I loro risultati hanno mostrato che i geni correlati alla proliferazione cellulare e all'auxina erano arricchiti in geni differenzialmente regolati. Ulteriori analisi mediante PCR quantitativa hanno rivelato che le cellule transgeniche presentavano un'espressione aumentata o ridotta di quattro geni, inclusi i 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 vegetale che non richiede l'applicazione esterna della PCR. Inoltre, il sistema utilizzato in questo studio potrebbe migliorare la nostra comprensione dei processi fondamentali della differenziazione cellulare vegetale e migliorare la selezione biotecnologica di specie vegetali utili.
Sottolineando le potenziali applicazioni del suo lavoro, il Dott. Ikawa ha affermato: "Il sistema descritto potrebbe migliorare il miglioramento genetico delle piante fornendo uno strumento per indurre la differenziazione cellulare di cellule vegetali transgeniche senza la necessità di PCR. Pertanto, prima che le piante transgeniche vengano accettate come prodotti, la società dovrà accelerare il miglioramento genetico delle piante e ridurre i relativi costi di produzione".
Informazioni sulla professoressa associata Tomoko Igawa La Dott.ssa Tomoko Ikawa è professoressa associata presso la Graduate School of Horticulture, il Center for Molecular Plant Sciences e il Center for Space Agriculture and Horticulture Research dell'Università di Chiba, in Giappone. I suoi interessi di ricerca includono la riproduzione e lo sviluppo sessuato delle piante e la biotecnologia vegetale. Il suo lavoro si concentra sulla comprensione dei meccanismi molecolari della riproduzione sessuata e della differenziazione cellulare vegetale utilizzando vari sistemi transgenici. Ha al suo attivo diverse pubblicazioni in questi campi ed è membro della Japan Society of Plant Biotechnology, della Botanical Society of Japan, della Japanese Plant Breeding Society, della Japanese Society of Plant Physiologists e della International Society for the Study of Plant Sexual Reproduction.
Differenziazione autonoma di cellule transgeniche senza uso esterno di ormoni: 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 potrebbe essere interpretato come un potenziale conflitto di interessi.
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Data di pubblicazione: 22 agosto 2024