Die Forschung, die das Geheimnis erforscht, wie sich einige einzelne Pflanzenzellen zu ganzen Pflanzen regenerieren können, wird von einem neuen Kulturprotokoll profitieren, das von RIKEN-Wissenschaftlern entwickelt wurde.
Einige Pflanzen besitzen von Natur aus die bemerkenswerte Fähigkeit, aus einer einzigen Zelle, die weder ein Spermium noch ein Ei ist, eine ganz neue Pflanze zu produzieren. Aber Wissenschaftler können bestimmte Zelltypen einiger Pflanzen in Zellen umwandeln, die in der Lage sind, sich in neue Zelltypen und schließlich in eine ganze Pflanze umzuwandeln und zu regenerieren.
Dies gelingt ihnen jedoch nur sporadisch, da ihnen klare Protokolle zur Steuerung des Prozesses fehlen. Solche Protokolle könnten zu einem besseren Verständnis der molekularen Prozesse führen, die der Umwandlung isolierter Zellen in Pflanzen zugrunde liegen, mit Auswirkungen auf die Pflanzenzüchtung.
Jetzt haben Keiko Sugimoto vom RIKEN Center for Sustainable Resource Science und Mitarbeiter ein Protokoll erstellt, das „Protoplasten“-Zellen reproduzierbar neu programmiert, um wieder in den Zellzyklus einzutreten und sich einer Zellteilung zu unterziehen.
Protoplasten kommen natürlicherweise nicht in Pflanzen vor; Vielmehr entstehen sie, wenn Wissenschaftler die Zellwand von bestimmten isolierten Pflanzenzellen entfernen und sie von einem differenzierten in einen weniger differenzierten Zustand überführen – ähnlich wie Stammzellen in Säugetieren. Das neue Protokoll reprogrammierte Protoplasten, die aus Blattmesophyllzellen stammten, stabil, um sich zu Pflanzensprossen zu regenerieren.
„Es ist schwierig, es richtig zu machen, weil Protoplasten sehr empfindlich sind, da ihnen Zellwände fehlen – sie brauchen genug Stress, um die Neuprogrammierung einzuleiten, aber sie sterben, wenn man sie zu sehr beschädigt“, erklärt Sugimoto. „Unser System hat die Reprogrammierung von 2–5 % der Protoplasten stabil induziert, was uns helfen wird, die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen dieses Prozesses aufzudecken.“
Das Team entdeckte eine entscheidende Rolle, die das Pflanzenhormon Auxin bei der Aktivierung der Zellteilung spielt. „Eine wichtige Erkenntnis und die größte Überraschung für uns war, dass Protoplasten neues Auxin herstellen müssen, um die Zellteilung wieder einzuleiten, obwohl sie in einem Medium kultiviert werden, das künstlich synthetisiertes Auxin enthält“, sagt Sugimoto.
Die Forscher identifizierten auch einige der nachgeschalteten Gene und Moleküle, die an der Initiierung der Zellteilung beteiligt sind, sobald Auxin in den Protoplasten synthetisiert wird.
Viele Fragen bleiben jedoch. Wie eng ist zum Beispiel die Protoplasten-Reprogrammierung mit der Auxin-Synthese verknüpft? Welche anderen molekularen Prozesse sind daran beteiligt? Und was treibt die Umwandlung einer isolierten reifen Zelle in eine weniger differenzierte Zelle an, die in der Lage ist, ganze Pflanzen zu regenerieren?
„Die Beantwortung dieser Fragen könnte es uns ermöglichen, transgenfreie, genomeditierte Pflanzen aus Protoplasten zu regenerieren“, sagt Sugimoto.
Es könnte auch Auswirkungen auf Tiere haben. „Pflanzen sind relativ gut darin, einen ganzen Körper aus einer einzigen differenzierten Zelle zu regenerieren, aber die meisten Tiere können das nicht“, sagt Sugimoto. „Wir hoffen, dass das Verständnis, wie Pflanzenzellen dies tun, dazu beitragen wird, aufzudecken, warum Tierzellen dies nicht können.“
Die Ergebnisse des Teams werden in veröffentlicht Die Pflanzenzelle.
Mehr Informationen:
Yuki Sakamoto et al, Transkriptionelle Aktivierung der Auxin-Biosynthese treibt die entwicklungsbedingte Reprogrammierung differenzierter Zellen voran, Die Pflanzenzelle (2022). DOI: 10.1093/plcell/koac218