Studie enthüllt die Geheimnisse der Pflanzenregeneration

Pflanzen haben die einzigartige Fähigkeit, sich vollständig aus einer somatischen Zelle zu regenerieren, also einer gewöhnlichen Zelle, die normalerweise nicht an der Fortpflanzung beteiligt ist. Dieser Prozess beinhaltet die De-novo- (oder Neu-)Bildung eines Spross-Apikalmeristems (SAM), aus dem Seitenorgane entstehen, die für den Wiederaufbau der Pflanze von entscheidender Bedeutung sind.

Auf zellulärer Ebene wird die SAM-Bildung streng durch positive oder negative Regulatoren (Gene/Proteinmoleküle) reguliert, die die Sprossregeneration induzieren bzw. einschränken können. Doch welche Moleküle sind beteiligt? Gibt es weitere Regulierungsebenen, die noch nicht abgedeckt sind?

Um Antworten auf die oben genannten Fragen zu finden, untersuchte eine Forschungsgruppe unter der Leitung des Nara Institute of Science and Technology (NAIST), Japan, den Prozess bei Arabidopsis, einer Pflanze, die häufig in der Genforschung verwendet wird. Ihre Forschung – veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte– einen wichtigen negativen Regulator der Sprossregeneration identifiziert und charakterisiert.

Sie zeigten, wie das WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX 13 (WOX13)-Gen und sein Protein die nichtmeristematische (nicht teilende) Funktion von Kalluszellen fördern können, indem sie als Transkriptionsrepressor (RNA-Ebene) wirken und dadurch die Regenerationseffizienz beeinflussen.

„Die Suche nach Strategien zur Verbesserung der Sprossregenerationseffizienz in Pflanzen hat lange gedauert. Der Fortschritt wurde jedoch behindert, weil die damit verbundenen Regulierungsmechanismen unklar waren. Unsere Studie schließt diese Lücke, indem sie einen neuen Spezifizierungspfad für das Zellschicksal definiert“, erklärt Momoko Ikeuchi, der Hauptforscher dieser Studie.

Frühere Studien des Teams hatten bereits die Rolle von WOX13 bei der Gewebereparatur und der Organadhäsion nach einer Transplantation nachgewiesen. Daher testeten sie zunächst die mögliche Rolle dieses Gens bei der Kontrolle der Sprossregeneration in einer Wox13-Arabidopsis-Mutante (Pflanze mit dysfunktionalem WOX13) mithilfe eines zweistufigen Gewebekultursystems.

Phänotypische und bildgebende Analysen ergaben, dass die Sprossregeneration bei Pflanzen ohne WOX13 beschleunigt (drei Tage schneller) und langsamer war, wenn die WOX13-Expression induziert wurde. Darüber hinaus zeigte WOX13 in normalen Pflanzen lokal verringerte Expressionsniveaus in SAM. Diese Ergebnisse legen nahe, dass WOX13 die Sprossregeneration negativ regulieren kann.

Um ihre Ergebnisse zu validieren, verglichen die Forscher die Wox13-Mutanten und Wildtyp-Pflanzen (normale Pflanzen) mithilfe von RNA-Sequenzierung zu mehreren Zeitpunkten. Das Fehlen von WOX13 veränderte die Arabidopsis-Genexpression unter Kallus-induzierenden Bedingungen nicht wesentlich. Spross-induzierende Bedingungen verstärkten jedoch die durch die Wox13-Mutation hervorgerufenen Veränderungen deutlich, was zu einer Hochregulierung der Spross-Meristem-Regulatorgene führte.

Interessanterweise wurden diese Gene innerhalb von 24 Stunden nach der Überexpression von WOX13 in mutierten Pflanzen unterdrückt. Insgesamt fanden sie heraus, dass WOX13 eine Untergruppe von Spross-Meristem-Regulatoren hemmt und gleichzeitig Zellwand-Modifikatorgene direkt aktiviert, die an der Zellexpansion und Zelldifferenzierung beteiligt sind. Die anschließende Quarz-Seq2-basierte Einzelzell-RNA-Sequenzierung (scRNA-seq) bestätigte die Schlüsselrolle von WOX13 bei der Bestimmung des Schicksals pluripotenter Kalluszellen.

Diese Studie unterstreicht, dass WOX13 im Gegensatz zu anderen bekannten negativen Regulatoren der Sprossregeneration, die nur die Verlagerung von Kallus hin zu SAM verhindern, die SAM-Spezifikation hemmt, indem es den Erwerb alternativer Schicksale fördert. Diese Hemmung wird durch einen wechselseitig repressiven Regulierungskreislauf mit dem Regulator WUS erreicht, der das nicht-meristematische Zellschicksal fördert, indem er WUS und andere SAM-Regulatoren transkriptionell hemmt und Zellwandmodifikatoren induziert.

Auf diese Weise fungiert WOX13 als wichtiger Regulator der Regenerationseffizienz. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Ausschalten von WOX13 die Übernahme des Triebschicksals fördern und die Effizienz der Triebregulierung steigern kann. Das bedeutet, dass das Ausschalten von WOX13 als Werkzeug in der Landwirtschaft und im Gartenbau dienen und die durch Gewebekultur vermittelte De-novo-Sprossregeneration von Nutzpflanzen fördern kann.“ schließt Ikeuchi.