Pesquisadores desenvolvem abordagem de regeneração genética de plantas sem aplicação de fitohormônios
Diferenciação autônoma de células de folhas de tabaco com genes introduzidos de Arabidopsis BABY BOOM (BBM) e WUSCHEL (WUS). Crédito:Fronteiras na Ciência das Plantas (2024). DOI:10.3389/fpls.2024.1308417 Há muito tempo, as plantas têm sido a principal fonte de nutrição dos animais e da humanidade. Além disso, as plantas são utilizadas para a extração de diversos compostos medicinais e terapêuticos. No entanto, o seu uso indiscriminado, juntamente com a crescente procura de alimentos, sublinha a necessidade de novas práticas de melhoramento de plantas.
Os avanços na biotecnologia vegetal podem resolver os problemas associados à escassez de alimentos no futuro, permitindo a produção de plantas geneticamente modificadas (GM) com maior produtividade e resiliência às alterações climáticas.
Naturalmente, as plantas podem regenerar uma planta totalmente nova a partir de uma única célula "totipotente" (uma célula que pode dar origem a vários tipos de células) através da desdiferenciação e rediferenciação em células com várias estruturas e funções. A regulação artificial dessas células totipotentes através da cultura de tecidos vegetais é amplamente utilizada para conservação de plantas, melhoramento, geração de espécies geneticamente modificadas e para fins de pesquisa científica.
Convencionalmente, a cultura de tecidos para regeneração de plantas requer a aplicação de reguladores de crescimento vegetal (PGRs), tais como auxinas e citocininas, para controlar a diferenciação celular. No entanto, as condições hormonais ideais podem variar significativamente com as espécies de plantas, condições de cultura e tipo de tecido. Portanto, estabelecer condições ótimas de PGR pode ser demorado e trabalhoso.
Para superar este desafio, a Professora Associada Tomoko Igawa, juntamente com a Professora Associada Mai F. Minamikawa da Universidade de Chiba, o Professor Hitoshi Sakakibara da Escola de Pós-Graduação em Ciências Bioagrícolas da Universidade de Nagoya e a Técnica Especialista Mikiko Kojima da RIKEN CSRS, desenvolveram um método versátil. da regeneração das plantas, modulando a expressão de genes 'reguladores do desenvolvimento' (DR) que controlam a diferenciação das células vegetais.
Fornecendo mais informações sobre seu trabalho de pesquisa publicado em Frontiers in Plant Science Igawa diz:"Em vez de usar PGRs externos, nosso sistema usa os genes DR, que estão envolvidos no desenvolvimento e na morfogênese, para controlar a diferenciação celular. O sistema utiliza genes de fatores de transcrição e se assemelha à geração de células pluripotentes induzidas em mamíferos."
Os pesquisadores expressaram ectopicamente dois genes DR, a saber, BABY BOOM (BBM) e WUSCHEL (WUS) de Arabidopsis thaliana (usada como planta modelo), e examinaram seus efeitos na diferenciação de culturas de tecidos de tabaco, alface e petúnia. O BBM codifica um fator de transcrição que regula o desenvolvimento embrionário, enquanto o WUS codifica um fator de transcrição que mantém a identidade das células-tronco na região do meristema apical do caule.
As suas experiências revelaram que a expressão de Arabidopsis BBM ou WUS por si só era insuficiente para induzir a diferenciação celular no tecido da folha do tabaco. Por outro lado, a co-expressão de BBM funcionalmente melhorado e WUS funcionalmente modificado induziu um fenótipo de diferenciação acelerado e autônomo.
As células foliares transgênicas diferenciaram-se em calos (uma massa desorganizada de células), estruturas esverdeadas semelhantes a órgãos e brotos adventícios na ausência de aplicação de PGR. A análise quantitativa da reação em cadeia da polimerase (qPCR) (técnica usada para quantificar transcritos genéticos) revelou que a expressão de Arabidopsis BBM e WUS estava associada à formação de calos e brotos transgênicos.
Dado o papel fundamental dos fitohormônios na divisão e diferenciação celular, os pesquisadores quantificaram os níveis de seis fitohormônios, a saber:auxinas, citocininas, ácido abscísico (ABA), giberelinas (GAs), ácido jasmônico (JA), ácido salicílico ( SA) e seus metabólitos nas culturas de plantas transgênicas. Suas descobertas revelaram que os níveis de auxinas ativas, citocininas, ABA e GAs inativos aumentaram à medida que as células se diferenciaram para formar órgãos, destacando seu papel na diferenciação e organogênese das células vegetais.
Além disso, os pesquisadores usaram o transcriptoma por sequenciamento de RNA (técnica usada para análise qualitativa e quantitativa da expressão gênica) para avaliar os padrões de expressão gênica nas células transgênicas apresentando diferenciação ativa. Seus resultados sugeriram que os genes relacionados à proliferação celular e às auxinas foram enriquecidos entre os genes diferencialmente regulados.
Validação adicional usando qPCR revelou que quatro genes foram regulados positivamente ou negativamente nas células transgênicas, incluindo aqueles que regulam a diferenciação de células vegetais, metabolismo, organogênese e resposta de auxina.
No geral, estas descobertas lançam luz sobre a abordagem nova e versátil para a regeneração de plantas sem a necessidade de aplicação externa de PGR. Além disso, o sistema utilizado neste estudo tem o potencial de avançar na nossa compreensão dos processos fundamentais de diferenciação de células vegetais e melhorar o melhoramento biotecnológico de espécies vegetais úteis.
Igawa diz:"O sistema relatado pode melhorar o melhoramento de plantas, fornecendo uma ferramenta para induzir a diferenciação celular de células vegetais GM sem aplicação de PGR. Portanto, em sociedades onde as plantas GM são aceitas como produtos, isso aceleraria o melhoramento de plantas e reduziria a produção associada custos."
