Вчені розкривають секрети регенерації рослин

Рослини володіють унікальною здатністю повністю відроджуватися із соматичної клітини, тобто звичайної клітини, яка зазвичай не бере участі в розмноженні. Цей процес включає заново  (або нове) утворення апікальної меристеми пагона (SAM), яка дає початок бічним органам, які є ключовими для реконструкції рослини.

У клітинному масштабі утворення SAM ретельно контролюється позитивними або негативними регуляторами (генами/білковими молекулами), які можуть індукувати або обмежувати регенерацію пагонів відповідно. Але про які молекули йдеться? Чи існують інші регуляторні рівні, які ще не охоплені?

Щоб знайти відповіді на наведені вище питання, дослідницька група під керівництвом Нарського інституту науки та технологій (NAIST), Японія, вивчила процес в  Arabidopsis, рослині, яка зазвичай використовується в генетичних дослідженнях.

Їхнє дослідження, опубліковане в  Science Advances, виявило та схарактеризувати ключовий негативний регулятор регенерації пагонів. Вони продемонстрували, як  пов’язаний з WUSCHEL ген HOMEOBOX 13  (WOX13) і його білок можуть сприяти немеристематичній (нерозділювальній) функції калюсних клітин, діючи як репресор транскрипції (на рівні РНК), тим самим впливаючи на ефективність регенерації.

«Пошук стратегій підвищення ефективності регенерації пагонів у рослин був довгим. Однак прогрес був загальмований через нечіткість відповідних механізмів регулювання. Наше дослідження заповнює цю прогалину, визначаючи новий шлях специфікації клітинної долі», — пояснює Момоко Ікеучі, головний дослідник цього дослідження.

Попередні дослідження її команди вже встановили роль  WOX13  у відновленні тканин і адгезії органів після трансплантації. Таким чином, вони вперше перевірили потенційну роль цього гена в контролі регенерації пагонів у  мутанта wox13 Arabidopsis  (рослина з дисфункціональним  WOX13 ), використовуючи двоетапну систему культури тканин.

Фенотиповий аналіз і аналіз зображень показав, що регенерація пагонів прискорюється (на 3 дні швидше) у рослинах без  WOX13 і повільніше, коли   індукується експресія WOX13 . Крім того, у нормальних рослинах  WOX13  показав локально знижені рівні експресії в SAM. Ці результати показують, що  WOX13  може негативно регулювати регенерацію пагонів.

Щоб підтвердити свої висновки, дослідники порівняли  мутанти wox13  і рослини дикого типу (нормальні) за допомогою секвенування РНК у кілька часових точок. Відсутність WOX13  суттєво не змінила  експресію гена Arabidopsis  в умовах, що індукують мозоль. Однак умови, що викликають пагони, значно посилили зміни, спричинені  мутацією wox13, що призвело до посилення регуляції генів-регуляторів меристеми пагонів.

Цікаво, що ці гени були пригнічені протягом 24 годин після  надмірної експресії WOX13  у мутантних рослинах. Загалом вони виявили, що  WOX13  пригнічує підмножину регуляторів меристем пагонів, водночас безпосередньо активуючи гени-модифікатори клітинної стінки, які беруть участь у розширенні клітин і їх диференціації. Подальше секвенування одноклітинної РНК на основі Quartz-Seq2 (scRNA-seq) підтвердило ключову роль WOX13  у визначенні долі плюрипотентних клітин калюсу.

Це дослідження підкреслює, що на відміну від інших відомих негативних регуляторів регенерації пагонів, які лише запобігають переходу від калюсу до SAM,  WOX13  пригнічує специфікацію SAM, сприяючи придбанню альтернативних доль. Він досягає цього інгібування за допомогою взаємно репресивного регуляторного кола з регулятором  WUS, сприяючи немеристематичній долі клітин шляхом транскрипційного інгібування  WUS та інших регуляторів SAM та індукції модифікаторів клітинної стінки.

Таким чином, WOX13  діє як головний регулятор ефективності регенерації. «Наші результати показують, що вибивання  WOX13  може сприяти отриманню долі пагонів і підвищити ефективність регулювання пагонів. Це означає, що  нокаут WOX13  може служити інструментом у сільському господарстві та садівництві та стимулювати опосередковану культурою тканин регенерацію пагонів de novo у культурах», — підсумовує Ікеучі. Джерело