חוקרים מפתחים שיטה חדשה להתחדשות צמחים על ידי ויסות ביטוי הגנים השולטים בהתמיינות תאי צמחים.

 תמונה: שיטות מסורתיות של התחדשות צמחים דורשות שימוש בווסתים של גדילת צמחים כגון הורמונים, שיכולים להיות ספציפיים למין ודורשים עבודה רבה. במחקר חדש, מדענים פיתחו מערכת התחדשות צמחים חדשה על ידי ויסות התפקוד והביטוי של גנים המעורבים בדה-דיפרנציאציה (התפשטות תאים) ובדיפרנציאציה מחדש (אורגנוגנזה) של תאי צמחים. ראה עוד
שיטות מסורתיות של התחדשות צמחים דורשות שימוש במווסתי צמיחת צמחיםכְּגוֹןהוֹרמוֹןs, שיכולים להיות ספציפיים למין ועתירי עבודה. במחקר חדש, מדענים פיתחו מערכת התחדשות צמחים חדשה על ידי ויסות התפקוד והביטוי של גנים המעורבים בדה-דיפרנציאציה (התפשטות תאים) ורידיפרנציאציה (אורגנוגנזה) של תאי צמחים.
צמחים היו מקור המזון העיקרי לבעלי חיים ולבני אדם במשך שנים רבות. בנוסף, הצמחים משמשים להפקת תרכובות פרמצבטיות ותרפויטיות שונות. עם זאת, השימוש לרעה בהם והביקוש הגובר למזון מדגישים את הצורך בשיטות גידול צמחים חדשות. התקדמות בביוטכנולוגיה של צמחים עשויה לפתור מחסור עתידי במזון על ידי ייצור צמחים מהונדסים גנטית (GM) שהם פרודוקטיביים ועמידים יותר בפני שינויי אקלים.
באופן טבעי, צמחים יכולים לחדש צמחים חדשים לחלוטין מתא "טוטיפוטנטי" יחיד (תא שיכול להוליד סוגי תאים מרובים) על ידי דה-דיפרנציאציה והתמיינות מחדש לתאים בעלי מבנים ותפקודים שונים. התניה מלאכותית של תאים טוטיפוטנטיים כאלה באמצעות תרבית רקמה צמחית נמצאת בשימוש נרחב להגנת צמחים, רבייה, ייצור מינים טרנסגניים ולמטרות מחקר מדעי. באופן מסורתי, תרבית רקמה להתחדשות צמחים דורשת שימוש בווסתים של צמיחת צמחים (GGRs), כגון אוקסינים וציטוקינינים, כדי לשלוט על התמיינות תאים. עם זאת, תנאים הורמונליים אופטימליים יכולים להשתנות באופן משמעותי בהתאם למין הצמח, תנאי הגידול וסוג הרקמה. לכן, יצירת תנאי חקירה אופטימליים יכולה להיות משימה גוזלת זמן ועבודה רבה.
כדי להתגבר על בעיה זו, פרופסור חבר טומוקו איקווה, יחד עם פרופסור חבר מאי פ. מינאמיקאווה מאוניברסיטת צ'יבה, פרופסור היטושי סקאקיבארה מבית הספר לתארים מתקדמים למדעי ביו-חקלאות באוניברסיטת נגויה ומיקיקו קוג'ימה, טכנאית מומחית מ-RIKEN CSRS, פיתחו שיטה אוניברסלית לבקרת צמחים באמצעות בקרה. ביטוי של גנים של התמיינות תאים "מווסתים התפתחותית" (DR) להשגת התחדשות צמחים. ד"ר איקווה, שפורסם בכרך 15 של Frontiers in Plant Science ב-3 באפריל 2024, סיפק מידע נוסף על עבודת המחקר שלהם, וציין: "המערכת שלנו אינה משתמשת בגנים של גורמי שעתוק חיצוניים, אלא משתמשת בגנים של גורמי שעתוק כדי לשלוט בהתמיינות תאים, בדומה לתאים פלוריפוטנטיים המושרים ביונקים."
החוקרים ביטאו באופן אקטופי שני גנים של DR, BABY BOOM (BBM) ו-WUSCHEL (WUS), מארבידופסיס ת'ליאנה (ששימש כצמח מודל) ובחנו את השפעתם על התמיינות תרביות רקמה של טבק, חסה ופטוניה. BBM מקודד גורם שעתוק המווסת את התפתחות העובר, בעוד ש-WUS מקודד גורם שעתוק השומר על זהות תאי גזע באזור המריסטם האפיקלי של הנצרה.
הניסויים שלהם הראו כי ביטוי של Arabidopsis BBM או WUS לבדם אינו מספיק כדי לגרום להתמיינות תאים ברקמת עלי טבק. לעומת זאת, ביטוי משותף של BBM משופרת פונקציונלית ו-WUS שעבר שינוי פונקציונלי גורם לפנוטיפ התמיינות אוטונומי מואץ. ללא שימוש ב-PCR, תאי עלה טרנסגניים התמיינו לקלוס (מסת תאים לא מאורגנת), מבנים ירוקים דמויי איבר וניצנים אקרתיים. ניתוח כמותי של תגובת שרשרת פולימראז (qPCR), שיטה המשמשת לכימות תעתיקי גנים, הראה כי ביטוי של Arabidopsis BBM ו-WUS היה בקורלציה עם היווצרות קלי ונצרים טרנסגניים.
בהתחשב בתפקיד המכריע של פיטוהורמונים בחלוקת תאים והתמיינותם, החוקרים כימתו את רמותיהם של שישה פיטוהורמונים, דהיינו אוקסין, ציטוקינין, חומצה אבציסית (ABA), ג'יברלין (GA), חומצה יסמונית (JA), חומצה סליצילית (SA) והמטבוליטים שלה בגידולים צמחיים טרנסגניים. תוצאותיהם הראו שרמות האוקסין הפעיל, ציטוקינין, ABA ו-GA לא פעיל עולות ככל שהתאים מתמיינים לאיברים, דבר המדגיש את תפקידם בהתמיינות תאי צמחים וביצירת איברים.
בנוסף, החוקרים השתמשו בטרנסקריפטומים של ריצוף RNA, שיטה לניתוח איכותני וכמותי של ביטוי גנים, כדי להעריך דפוסי ביטוי גנים בתאים טרנסגניים המציגים התמיינות פעילה. תוצאותיהם הראו שגנים הקשורים להתרבות תאים ולאוקסין הועשרו בגנים המווסתים באופן דיפרנציאלי. בדיקה נוספת באמצעות qPCR גילתה כי בתאים הטרנסגניים הייתה עלייה או ירידה בביטוי של ארבעה גנים, כולל גנים המווסתים התמיינות תאי צמחים, מטבוליזם, אורגנוגנזה ותגובת אוקסין.
בסך הכל, תוצאות אלו חושפות גישה חדשה ורב-תכליתית להתחדשות צמחים שאינה דורשת יישום חיצוני של PCR. בנוסף, המערכת בה נעשה שימוש במחקר זה עשויה לשפר את הבנתנו את התהליכים הבסיסיים של התמיינות תאי צמחים ולשפר את הברירה הביוטכנולוגית של מיני צמחים שימושיים.
ד"ר איקאווה הדגיש את היישומים הפוטנציאליים של עבודתו ואמר: "המערכת המדווחת יכולה לשפר את גידול הצמחים על ידי מתן כלי לגרימת התמיינות תאית של תאי צמחים טרנסגניים ללא צורך ב-PCR. לכן, לפני שצמחים טרנסגניים יתקבלו כמוצרים, החברה תאיץ את גידול הצמחים ותפחית את עלויות הייצור הנלוות."
אודות פרופסור חבר טומוקו איקווה ד"ר טומוקו איקווה היא פרופסור משנה בבית הספר לתארים מתקדמים לגננות, במרכז למדעי הצמח המולקולריים ובמרכז לחקלאות חלל ומחקר גננות, אוניברסיטת צ'יבה, יפן. תחומי המחקר שלה כוללים רבייה והתפתחות מינית של צמחים וביוטכנולוגיה של צמחים. עבודתה מתמקדת בהבנת המנגנונים המולקולריים של רבייה מינית והתמיינות תאי צמחים באמצעות מערכות טרנסגניות שונות. יש לה מספר פרסומים בתחומים אלה והיא חברה באגודה היפנית לביוטכנולוגיה של צמחים, באגודה הבוטנית של יפן, באגודה היפנית לטיפוח צמחים, באגודה היפנית לפיזיולוגים של צמחים ובאגודה הבינלאומית לחקר רבייה מינית של צמחים.
התמיינות אוטונומית של תאים טרנסגניים ללא שימוש חיצוני בהורמונים: ביטוי של גנים אנדוגניים והתנהגות של פיטוהורמונים
המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהיעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שעלול להתפרש כניגוד עניינים פוטנציאלי.
הצהרת אחריות: AAAS ו-EurekAlert אינן אחראיות לדיוק הודעות לעיתונות המתפרסמות ב-EurekAlert! כל שימוש במידע על ידי הארגון המספק את המידע או באמצעות מערכת EurekAlert.