Hình ảnh: Các phương pháp tái sinh thực vật truyền thống đòi hỏi phải sử dụng các chất điều hòa sinh trưởng thực vật như hormone, vốn có thể đặc hiệu cho từng loài và đòi hỏi nhiều công sức. Trong một nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã phát triển một hệ thống tái sinh thực vật mới bằng cách điều chỉnh chức năng và biểu hiện của các gen liên quan đến quá trình biệt hóa ngược (tăng sinh tế bào) và biệt hóa lại (sinh cơ quan) của tế bào thực vật. Xem thêm
Các phương pháp tái sinh thực vật truyền thống đòi hỏi phải sử dụngchất điều hòa sinh trưởng thực vậtchẳng hạn nhưhormones, có thể đặc trưng cho từng loài và đòi hỏi nhiều công sức. Trong một nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã phát triển một hệ thống tái sinh thực vật mới bằng cách điều chỉnh chức năng và biểu hiện của các gen liên quan đến quá trình biệt hóa ngược (tăng sinh tế bào) và biệt hóa lại (sinh cơ quan) của tế bào thực vật.
Thực vật đã là nguồn thực phẩm chính cho động vật và con người trong nhiều năm. Ngoài ra, thực vật còn được sử dụng để chiết xuất nhiều hợp chất dược phẩm và trị liệu. Tuy nhiên, việc lạm dụng và nhu cầu thực phẩm ngày càng tăng đã làm nổi bật nhu cầu về các phương pháp lai tạo thực vật mới. Những tiến bộ trong công nghệ sinh học thực vật có thể giải quyết tình trạng thiếu hụt lương thực trong tương lai bằng cách tạo ra các loại cây trồng biến đổi gen (GM) có năng suất cao hơn và khả năng chống chịu tốt hơn với biến đổi khí hậu.
Theo tự nhiên, thực vật có thể tái tạo hoàn toàn cây mới từ một tế bào "totipotent" (một tế bào có thể tạo ra nhiều loại tế bào) bằng cách biệt hóa ngược và biệt hóa lại thành các tế bào có cấu trúc và chức năng khác nhau. Việc điều hòa nhân tạo các tế bào totipotent này thông qua nuôi cấy mô thực vật được sử dụng rộng rãi cho mục đích bảo vệ thực vật, chọn tạo, sản xuất các loài chuyển gen và cho mục đích nghiên cứu khoa học. Theo truyền thống, nuôi cấy mô để tái sinh thực vật đòi hỏi phải sử dụng các chất điều hòa sinh trưởng thực vật (GGR), chẳng hạn như auxin và cytokinin, để kiểm soát sự biệt hóa tế bào. Tuy nhiên, điều kiện hormone tối ưu có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào loài thực vật, điều kiện nuôi cấy và loại mô. Do đó, việc tạo ra các điều kiện thăm dò tối ưu có thể là một nhiệm vụ tốn nhiều thời gian và công sức.
Để khắc phục vấn đề này, Phó Giáo sư Tomoko Ikawa, cùng với Phó Giáo sư Mai F. Minamikawa từ Đại học Chiba, Giáo sư Hitoshi Sakakibara từ Khoa Sau đại học về Khoa học Nông nghiệp Sinh học, Đại học Nagoya và Mikiko Kojima, một kỹ thuật viên chuyên gia từ RIKEN CSRS, đã phát triển một phương pháp phổ quát để kiểm soát thực vật thông qua điều hòa. Biểu hiện các gen biệt hóa tế bào "được điều hòa phát triển" (DR) để đạt được sự tái sinh thực vật. Được công bố trên Tập 15 của Tạp chí Frontiers in Plant Science vào ngày 3 tháng 4 năm 2024, Tiến sĩ Ikawa đã cung cấp thêm thông tin về công trình nghiên cứu của họ, nêu rõ: "Hệ thống của chúng tôi không sử dụng các PGR bên ngoài, mà thay vào đó sử dụng các gen yếu tố phiên mã để kiểm soát sự biệt hóa tế bào, tương tự như các tế bào đa năng được tạo ra ở động vật có vú."
Các nhà nghiên cứu đã biểu hiện ngoại lai hai gen DR, BABY BOOM (BBM) và WUSCHEL (WUS), từ cây Arabidopsis thaliana (được sử dụng làm cây mô hình) và kiểm tra tác động của chúng lên sự biệt hóa nuôi cấy mô của cây thuốc lá, rau diếp và cây dạ yến thảo. BBM mã hóa một yếu tố phiên mã điều hòa sự phát triển phôi, trong khi WUS mã hóa một yếu tố phiên mã duy trì bản sắc tế bào gốc ở vùng mô phân sinh đỉnh chồi.
Các thí nghiệm của họ cho thấy việc biểu hiện riêng rẽ BBM hoặc WUS của Arabidopsis là không đủ để kích thích sự biệt hóa tế bào trong mô lá thuốc lá. Ngược lại, việc đồng biểu hiện BBM được tăng cường chức năng và WUS được biến đổi chức năng sẽ kích thích sự biệt hóa tự động nhanh hơn. Không sử dụng PCR, các tế bào lá chuyển gen đã biệt hóa thành mô sẹo (khối tế bào hỗn loạn), các cấu trúc giống cơ quan màu xanh lá cây và chồi bất định. Phân tích phản ứng chuỗi polymerase định lượng (qPCR), một phương pháp được sử dụng để định lượng bản sao gen, cho thấy sự biểu hiện BBM và WUS của Arabidopsis có tương quan với sự hình thành mô sẹo và chồi chuyển gen.
Xem xét vai trò quan trọng của phytohormone trong quá trình phân chia và biệt hóa tế bào, các nhà nghiên cứu đã định lượng nồng độ của sáu loại phytohormone, bao gồm auxin, cytokinin, axit abscisic (ABA), gibberellin (GA), axit jasmonic (JA), axit salicylic (SA) và các chất chuyển hóa của chúng trong cây trồng chuyển gen. Kết quả cho thấy nồng độ auxin hoạt động, cytokinin, ABA và GA không hoạt động tăng lên khi tế bào biệt hóa thành các cơ quan, làm nổi bật vai trò của chúng trong quá trình biệt hóa tế bào và hình thành cơ quan thực vật.
Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã sử dụng hệ phiên mã RNA, một phương pháp phân tích định tính và định lượng biểu hiện gen, để đánh giá các mô hình biểu hiện gen trong các tế bào chuyển gen biểu hiện sự biệt hóa tích cực. Kết quả cho thấy các gen liên quan đến sự tăng sinh tế bào và auxin được làm giàu trong các gen được điều hòa khác biệt. Kiểm tra thêm bằng qPCR cho thấy các tế bào chuyển gen đã tăng hoặc giảm biểu hiện của bốn gen, bao gồm các gen điều hòa sự biệt hóa tế bào thực vật, chuyển hóa, hình thành cơ quan và phản ứng với auxin.
Nhìn chung, những kết quả này cho thấy một phương pháp tiếp cận mới và linh hoạt trong tái sinh thực vật mà không cần ứng dụng PCR bên ngoài. Hơn nữa, hệ thống được sử dụng trong nghiên cứu này có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về các quá trình cơ bản của quá trình biệt hóa tế bào thực vật và cải thiện việc lựa chọn các loài thực vật hữu ích bằng công nghệ sinh học.
Nhấn mạnh các ứng dụng tiềm năng của công trình nghiên cứu, Tiến sĩ Ikawa cho biết: “Hệ thống được báo cáo có thể cải thiện việc nhân giống cây trồng bằng cách cung cấp một công cụ để kích thích sự biệt hóa tế bào của tế bào thực vật chuyển gen mà không cần PCR. Do đó, trước khi cây chuyển gen được chấp nhận là sản phẩm, xã hội sẽ đẩy nhanh quá trình nhân giống cây trồng và giảm chi phí sản xuất liên quan.”
Về Phó Giáo sư Tomoko Igawa Tiến sĩ Tomoko Ikawa là phó giáo sư tại Khoa Sau đại học về Làm vườn, Trung tâm Khoa học Thực vật Phân tử và Trung tâm Nghiên cứu Nông nghiệp và Làm vườn Không gian, Đại học Chiba, Nhật Bản. Các lĩnh vực nghiên cứu của bà bao gồm sinh sản và phát triển hữu tính ở thực vật và công nghệ sinh học thực vật. Nghiên cứu của bà tập trung vào việc tìm hiểu các cơ chế phân tử của sinh sản hữu tính và sự biệt hóa tế bào thực vật bằng cách sử dụng các hệ thống chuyển gen khác nhau. Bà đã có một số ấn phẩm trong các lĩnh vực này và là thành viên của Hiệp hội Công nghệ Sinh học Thực vật Nhật Bản, Hiệp hội Thực vật học Nhật Bản, Hiệp hội Chọn tạo Giống Cây trồng Nhật Bản, Hiệp hội Sinh lý học Thực vật Nhật Bản và Hiệp hội Quốc tế Nghiên cứu Sinh sản Hữu tính Thực vật.
Sự biệt hóa tự chủ của tế bào chuyển gen mà không cần sử dụng hormone bên ngoài: biểu hiện gen nội sinh và hành vi của phytohormone
Các tác giả tuyên bố rằng nghiên cứu được tiến hành mà không có bất kỳ mối quan hệ thương mại hoặc tài chính nào có thể được hiểu là xung đột lợi ích tiềm ẩn.
Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm: AAAS và EurekAlert không chịu trách nhiệm về tính chính xác của các thông cáo báo chí được đăng trên EurekAlert! Mọi hành vi sử dụng thông tin của tổ chức cung cấp thông tin hoặc thông qua hệ thống EurekAlert.
Thời gian đăng: 22-08-2024