Hình ảnh: Các phương pháp tái tạo thực vật truyền thống đòi hỏi sử dụng các chất điều hòa sinh trưởng thực vật như hormone, có thể phụ thuộc vào từng loài và tốn nhiều công sức. Trong một nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã phát triển một hệ thống tái tạo thực vật mới bằng cách điều chỉnh chức năng và biểu hiện của các gen liên quan đến quá trình khử biệt hóa (tăng sinh tế bào) và tái biệt hóa (hình thành cơ quan) của tế bào thực vật. Xem thêm
Các phương pháp tái tạo thực vật truyền thống đòi hỏi phải sử dụng...chất điều hòa sinh trưởng thực vậtchẳng hạn nhưhormoneCác phương pháp này có thể phụ thuộc vào từng loài và tốn 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 khử biệt hóa (tăng sinh tế bào) và tái biệt hóa (hình thành cơ quan) của tế bào thực vật.
Từ lâu, thực vật đã là nguồn thức ăn chính cho động vật và con người. Ngoài ra, chúng còn được sử dụng để chiết xuất nhiều hợp chất dược phẩm và trị liệu khác nhau. Tuy nhiên, việc lạm dụng thực vật và nhu cầu ngày càng tăng về lương thực cho thấy cần thiết phải có các phương pháp lai tạo giống cây trồng mới. Những tiến bộ trong công nghệ sinh học thực vật có thể giải quyết tình trạng thiếu lương thực trong tương lai bằng cách tạo ra các loại cây trồng biến đổi gen (GM) năng suất cao hơn và có khả năng chống chịu tốt hơn với biến đổi khí hậu.
Trong tự nhiên, thực vật có thể tái tạo những cây hoàn toàn mới từ một tế bào “toàn năng” duy nhất (một tế bào có thể tạo ra nhiều loại tế bào khác nhau) bằng cách khử biệt hóa và tái biệt hóa thành các tế bào có cấu trúc và chức năng khác nhau. Việc điều chỉnh nhân tạo các tế bào toàn năng như vậy thông qua nuôi cấy mô thực vật được sử dụng rộng rãi trong bảo vệ thực vật, lai tạo giống, sản xuất các loài chuyển gen và cho các mục đích nghiên cứu khoa học. Theo truyền thống, nuôi cấy mô để tái tạo cây trồng 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 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 Trường Cao học 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 phân hóa tế bào “được điều hòa theo quá trình phát triển” (DR) nhằm 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, cho biết: “Hệ thống của chúng tôi không sử dụng các chất điều hòa sinh trưởng thực vật (PGR) bên ngoài, mà thay vào đó sử dụng các gen yếu tố phiên mã để kiểm soát sự phân 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 lạc chỗ hai gen DR, BABY BOOM (BBM) và WUSCHEL (WUS), từ cây Arabidopsis thaliana (được sử dụng làm cây mô hình) và kiểm tra ảnh hưởng của chúng đến sự biệt hóa nuôi cấy mô của cây thuốc lá, rau diếp và petunia. Gen BBM mã hóa một yếu tố phiên mã điều chỉnh sự phát triển phôi, trong khi gen WUS mã hóa một yếu tố phiên mã duy trì bản sắc tế bào gốc trong vùng mô phân sinh đỉnh chồi.
Các thí nghiệm của họ cho thấy rằng việc biểu hiện riêng lẻ gen BBM hoặc WUS của Arabidopsis là không đủ để gây ra sự biệt hóa tế bào trong mô lá thuốc lá. Ngược lại, việc biểu hiện đồng thời gen BBM được tăng cường chức năng và gen WUS được biến đổi chức năng sẽ tạo ra kiểu hình biệt hóa tự phát nhanh hơn. Không cần sử dụng PCR, các tế bào lá chuyển gen đã biệt hóa thành mô sẹo (khối tế bào không có cấu trúc), cấu trúc giống cơ quan màu xanh và chồi bất định. Phân tích phản ứng chuỗi polymerase định lượng (qPCR), một phương pháp được sử dụng để định lượng các bản sao gen, cho thấy sự biểu hiện của gen BBM và WUS của Arabidopsis có mối tương quan với sự hình thành mô sẹo và chồi chuyển gen.
Xét đến vai trò quan trọng của phytohormone trong 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 biến đổi gen. Kết quả cho thấy nồng độ auxin, cytokinin, ABA hoạt động 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 thực vật và hình thành cơ quan.
Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp giải trình tự RNA (RNA sequencing transcriptome), 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 thể hiện sự biệt hóa tích cực. Kết quả của họ cho thấy các gen liên quan đến sự tăng sinh tế bào và auxin được làm giàu trong các gen được điều chỉnh khác biệt. Việc kiểm tra sâu hơn bằng qPCR cho thấy các tế bào chuyển gen có sự biểu hiện tăng hoặc giảm của bốn gen, bao gồm các gen điều chỉnh sự biệt hóa tế bào thực vật, quá trình trao đổi chất, sự hình thành cơ quan và phản ứng với auxin.
Nhìn chung, những kết quả này cho thấy một phương pháp mới và linh hoạt để tái tạo cây trồng mà không cần ứng dụng PCR từ bên ngoài. Ngoài ra, hệ thống được sử dụng trong nghiên cứu này có thể cải thiện sự hiểu biết của chúng ta về các quá trình cơ bản của sự phân hóa tế bào thực vật và nâng cao khả năng chọn lọc sinh học các loài cây trồng hữu ích.
Nhấn mạnh những ứng dụng tiềm năng của công trình nghiên cứu, Tiến sĩ Ikawa cho biết: “Hệ thống được báo cáo có thể cải thiện công tác lai tạo giống cây trồng bằng cách cung cấp một công cụ để thúc đẩy sự phân hóa tế bào của các tế bào cây chuyển gen mà không cần đến PCR. Do đó, trước khi cây chuyển gen được chấp nhận làm sản phẩm, xã hội sẽ đẩy nhanh quá trình lai tạo giống cây trồng và giảm chi phí sản xuất liên quan.”
Giới thiệu về Phó Giáo sư Tomoko Igawa: Tiến sĩ Tomoko Igawa là trợ lý giáo sư tại Trường Cao học Làm vườn, Trung tâm Khoa học Thực vật Phân tử và Trung tâm Nghiên cứu Nông nghiệp và Làm vườn Vũ trụ, Đại học Chiba, Nhật Bản. Lĩnh vực nghiên cứu của bà bao gồm sinh sản và phát triển hữu tính của thực vật và công nghệ sinh học thực vật. Công trình 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 có nhiều 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 Giống cây trồng Nhật Bản, Hiệp hội Sinh lý 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 hoạt động của phytohormone
Các tác giả tuyên bố rằng nghiên cứu được thực hiện mà không có bất kỳ mối quan hệ thương mại hoặc tài chính nào có thể được coi 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 tải trên EurekAlert! Bất kỳ việc sử dụng thông tin nào bởi tổ chức cung cấp thông tin hoặc thông qua hệ thống EurekAlert.
Thời gian đăng bài: 22/08/2024