Исследователи разработали метод, который позволяет растительным клеткам регенерировать в полноценные растения без необходимости добавления гормонов. На данный момент эта биоинженерная технология находится в стадии доработки.
Ученые из Университета и исследовательского центра Вагенингена (WUR), работающие в тесном сотрудничестве с KeyGene, представили метод, может помочь селекционерам ускорить создание инновационных сортов различных культур. Результаты исследования опубликованы в журнале The Plant Cell.
Некоторые растения могут вырастить корень, лист или даже целое растение из одной растительной клетки.
«Мы называем этот процесс регенерацией. Это работает, потому что конкретная клетка, например, клетка корня или листа, может быть преобразована в недифференцированное состояние — другими словами, в стволовую клетку. Из этого состояния стволовая клетка может снова специализироваться и развиться в корень или лист, или даже в совершенно новое растение», — объясняет Яна Виттмер, исследователь клеточной биологии из Университета и исследовательского центра Вагенингена.
Регенерация широко применяется в агронауке, например, в селекции растений, так как гарантирует, что при создании новых растений геном исходного растения будет передан следующему поколению в идентичном виде.
«Таким образом, можно сохранять генетический состав растения или сорта на протяжении нескольких поколений. До сих пор селекционеры использовали фитогормоны в процессе регенерации. Они добавляют эти гормоны в питательную среду, в которую помещается растение или его часть. Речь часто идёт о молодых тканях растений, поскольку более старые, более дифференцированные ткани хуже реагируют на гормональную терапию. Регулируя гормональный режим, который контролирует развитие и рост растений, мы можем направлять развитие стволовых клеток так, чтобы они, например, превращались в корни или побеги. Однако, — продолжает Яна Виттмер, — регенерация с помощью гормонов также имеет свои недостатки и ограничения. Этот процесс очень трудоёмкий и занимает много времени. Сначала необходимо экспериментально определить, какой метод обработки лучше всего подходит для конкретного растения. Каждому виду растений требуется 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, который позволил бы нам проводить этот процесс воспроизводимым образом. Регенерация на основе гормонов не всегда работает, а даже когда работает, требует много времени и усилий, а это также означает высокие затраты».
Поэтому исследователи решили найти альтернативный способ регенерации без использования гормонов. Вдохновением для них послужил метод, удостоенный Нобелевской премии и применённый на животных.
Яна Виттмер добавляет: «Эта технология также известна как индуцированные плюрипотентные стволовые клетки. У растений регенерация происходит через переходную, или временную, стадию, на которой формируются корневые стволовые клетки. Наша группа много лет работает с корневыми стволовыми клетками, поэтому мы знаем гены, важные для этих стволовых клеток. Следующий шаг — протестировать различные комбинации этих генов, чтобы понять, можно ли „перепрограммировать“ клетки в стволовые. После этого клетка может развиться в любой тип органа».
В ходе серии экспериментов исследователям удалось регенерировать растения без добавления гормонов. Самым удивительным результатом стало то, что для запуска регенерации клеток им понадобилось всего два гена.
«После этого вам вообще не нужно вмешиваться — клетки растения организуются сами. Из блока клеток заново развивается целое растение. Мы продемонстрировали, что это работает на модельном растении Arabidopsis, а также на таких культурах, как томат, салат и болгарский перец. В принципе, этот метод может быть применён к широкому спектру видов растений, включая такие виды, как болгарский перец, которые не реагируют на гормоны или для которых мы ещё не нашли подходящего метода гормональной обработки. Устранение необходимости использования гормонов при регенерации может сэкономить селекционерам массу времени и усилий», — говорит Яна Виттмер.
Кроме того, этот метод упрощает внедрение или выключение генов, поскольку этот процесс также основан на регенерации. Это может помочь сделать растения более устойчивыми, например, к болезням и вредителям. В свою очередь, это может положительно сказаться на урожайности и окружающей среде.
В то же время Виттмер подчёркивает, что исследование — лишь первый шаг в развитии метода: «Он пока не готов к практическому применению. В лабораторных условиях мы изменили генетический материал растений. Вывод генетически модифицированных растений на европейский рынок — особенно дорогостоящий и, следовательно, малоосуществимый путь. Теперь нам нужно найти способ активировать гены регенерации без генетической модификации. Одним из вариантов, например, могла бы быть доставка в клетки белков, кодируемых генами регенерации. Если это окажется возможным, метод можно будет использовать немедленно. Но сначала нам нужно провести дополнительные исследования и разработки. Это может легко занять несколько лет».
«Эта индукционная система открывает перед наукой множество дверей. Теперь мы можем изучать процесс регенерации более глубоко и гораздо проще. Это также поднимает ряд интересных дополнительных вопросов. Например, почему регенерация хорошо работает в одних типах клеток и видах растений, но не в других? Также интересно исследовать, как мы можем поддерживать стадию стволовых клеток. В настоящее время мы можем активировать гены, запускающие образование стволовых клеток, но эти клетки затем регенерируют непосредственно в растение. Если бы удалось сохранить стволовую клетку, можно было бы направить её в сторону определённого типа растительных клеток — например, клеток, которые производят определённые фармацевтические соединения или другие ценные молекулы. Но это дело будущего», — заключает Яна Виттмер.
Источник: Wageningen University.
На фото: регенерация растений после индукции генов PLT/WOX в проростке Arabidopsis. Источник: The Plant Cell (2025), DOI: 10.1093/plcell/koaf252