Метод регенерации растений без гормонов работает для нескольких культур
Исследователи из Вагенингенского университета (WUR) в тесном сотрудничестве с KeyGene разработали метод, позволяющий клеткам растений регенерировать в целые растения без добавления гормонов.
Этот новый метод может помочь селекционерам ускорить создание инновационных сортов различных культур. Результаты опубликованы в The Plant Cell.
Некоторые растения могут вырастить корень, лист или даже целое растение из одной клетки. «Мы называем этот процесс регенерацией», — объясняет Яна Виттмер, исследователь клеточной биологии в WUR.
«Это работает, потому что конкретная клетка, например корневая или листовая, может быть преобразована в недифференцированное состояние — другими словами, в стволовую клетку. Из этого состояния клетка может заново специализироваться и развиться в корень, лист или даже в совершенно новое растение».
Поддержание сортов растений
«Регенерация широко используется в сельском хозяйстве, например, в селекции растений», — говорит Виттмер. «Регенерация гарантирует, что при создании новых растений геном исходного растения идентично передается следующему поколению.
«Таким образом можно сохранять генетический состав растения или сорта в течение нескольких поколений. До сих пор селекционеры использовали в процессе регенерации растительные гормоны. Их добавляют в питательную среду, в которую помещают растение или его часть.
«Часто это молодые ткани растений, потому что более старые, дифференцированные ткани хуже реагируют на гормональную обработку. Регулируя гормональный режим — который контролирует развитие и рост растения — мы можем направлять развитие стволовых клеток так, чтобы они, например, росли в корни или побеги».
Недостатки гормональной обработки
«Однако, — продолжает Виттмер, — регенерация с помощью гормонов также имеет свои недостатки и ограничения. Процесс очень трудоемкий и длительный. Сначала нужно экспериментально определить, какое лечение лучше всего подходит для конкретного растения. Каждому виду растений нужен свой гормональный режим, и даже в пределах одного вида эти режимы могут различаться.
«Кроме того, для многих культур, таких как перец и огурец, у нас до сих пор нет гормонального режима, позволяющего проводить процесс воспроизводимо. Гормональная регенерация работает не всегда, и даже когда работает, требует много времени и усилий — а значит, и высоких затрат».
Альтернативный метод
Поэтому исследователи решили найти альтернативный способ достижения регенерации без использования гормонов. Их вдохновил нобелевский метод, применяемый у животных.
Виттмер добавляет: «Эта техника также известна как индуцированные плюрипотентные стволовые клетки. У растений регенерация проходит через переходную, или временную, стадию, на которой создаются корневые стволовые клетки. Наша группа много лет работает над корневыми стволовыми клетками, поэтому мы знаем гены, важные для этих клеток.
«Следующий шаг — протестировать различные комбинации этих генов, чтобы увидеть, можно ли "перепрограммировать" клетки в стволовую. Оттуда клетка может развиться в любой тип органа».
Работает для широкого спектра растений
В ходе серии экспериментов исследователям удалось добиться регенерации растений без добавления гормонов. Самым удивительным результатом, по словам Виттмер, стало то, что для запуска регенерации в клетках потребовалось всего два гена.
«После этого вообще не нужно вмешиваться — клетки растений самоорганизуются. Из блока клеток снова развивается целое растение. Мы показали, что это работает на модельном растении Arabidopsis, а также на таких культурах, как томат, салат и сладкий перец.
«В принципе, технику можно применять к широкому спектру видов растений, включая такие виды, как сладкий перец, которые не реагируют на гормоны или для которых мы еще не нашли подходящего гормонального лечения».
«Устранение необходимости в гормонах при регенерации может сэкономить селекционерам много времени и работы», — говорит Виттмер.
«Кроме того, наш метод облегчает введение или "выключение" генов, потому что этот процесс также зависит от регенерации. Это может помочь, например, сделать растения более устойчивыми к болезням и вредителям. В свою очередь, это может положительно сказаться на урожайности и состоянии окружающей среды».
Поиск подхода без ГМО
В то же время Виттмер подчеркивает, что исследование — лишь первый шаг в разработке метода. «Он еще не готов к практическому использованию. В лаборатории мы изменили генетический материал растений. Вывод генетически модифицированных растений на рынок в Европе — особенно затратный и поэтому едва осуществимый путь. Теперь нам нужно найти способ активировать гены регенерации без использования генетической модификации.
«Один из вариантов, например, — доставлять в клетки белки, кодируемые генами регенерации. Если это окажется возможным, метод можно будет использовать сразу. Но сначала нам нужно это исследовать и доработать. Это может легко занять несколько лет».
Открытие дверей для дальнейших исследований
«Для науки эта система индукции открывает множество дверей, — заключает Виттмер. — Теперь мы можем глубже и гораздо проще изучать процесс регенерации. Это также поднимает некоторые увлекательные последующие вопросы. Например, почему регенерация хорошо работает в одних типах клеток и видах растений, но не в других? Также интересно исследовать, как мы могли бы поддерживать стадию стволовой клетки.
«В настоящее время мы можем активировать гены, запускающие образование стволовых клеток, но эти клетки затем напрямую регенерируют в растение. Если бы можно было поддерживать стволовую клетку, ее можно было бы направить к определенному типу растительных клеток — например, к клеткам, производящим определенные фармацевтические соединения или другие ценные молекулы. Но это работа на будущее».