Imagen: Los métodos tradicionales de regeneración de plantas requieren el uso de reguladores del crecimiento vegetal, como hormonas, que pueden ser específicos de cada especie y laboriosos. En un nuevo estudio, los científicos han desarrollado un nuevo sistema de regeneración vegetal regulando la función y la expresión de genes implicados en la desdiferenciación (proliferación celular) y la rediferenciación (organogénesis) de las células vegetales. Ver más
Los métodos tradicionales de regeneración de plantas requieren el uso dereguladores del crecimiento de las plantascomohormonas, que pueden ser específicos de cada especie y requerir mucha mano de obra. En un nuevo estudio, científicos han desarrollado un nuevo sistema de regeneración vegetal mediante la regulación de la función y la expresión de genes implicados en la desdiferenciación (proliferación celular) y la rediferenciación (organogénesis) de las células vegetales.
Las plantas han sido la principal fuente de alimento para animales y humanos durante muchos años. Además, se utilizan para extraer diversos compuestos farmacéuticos y terapéuticos. Sin embargo, su uso indebido y la creciente demanda de alimentos ponen de manifiesto la necesidad de nuevos métodos de mejoramiento vegetal. Los avances en biotecnología vegetal podrían solucionar la futura escasez de alimentos mediante la producción de plantas genéticamente modificadas (GM) más productivas y resistentes al cambio climático.
Naturalmente, las plantas pueden regenerar plantas completamente nuevas a partir de una sola célula totipotente (una célula que puede dar origen a múltiples tipos celulares) mediante la desdiferenciación y rediferenciación en células con diferentes estructuras y funciones. El acondicionamiento artificial de estas células totipotentes mediante el cultivo de tejidos vegetales se utiliza ampliamente para la protección de plantas, el mejoramiento genético, la producción de especies transgénicas y la investigación científica. Tradicionalmente, el cultivo de tejidos para la regeneración de plantas requiere el uso de reguladores del crecimiento vegetal (RCV), como auxinas y citoquininas, para controlar la diferenciación celular. Sin embargo, las condiciones hormonales óptimas pueden variar significativamente según la especie vegetal, las condiciones de cultivo y el tipo de tejido. Por lo tanto, crear las condiciones óptimas de exploración puede ser una tarea laboriosa y que requiere mucho tiempo.
Para superar este problema, la profesora asociada Tomoko Ikawa, junto con la profesora asociada Mai F. Minamikawa de la Universidad de Chiba, el profesor Hitoshi Sakakibara de la Escuela de Posgrado de Ciencias Bioagrícolas de la Universidad de Nagoya y Mikiko Kojima, técnica experta del RIKEN CSRS, desarrollaron un método universal para el control de plantas mediante la regulación de la expresión de genes de diferenciación celular "regulados por el desarrollo" (DR) para lograr la regeneración de plantas. Publicado en el volumen 15 de Frontiers in Plant Science el 3 de abril de 2024, la Dra. Ikawa proporcionó más información sobre su trabajo de investigación, afirmando: "Nuestro sistema no utiliza reguladores del crecimiento vegetal externos, sino que utiliza genes de factores de transcripción para controlar la diferenciación celular, de forma similar a las células pluripotentes inducidas en mamíferos".
Los investigadores expresaron ectópicamente dos genes DR, BABY BOOM (BBM) y WUSCHEL (WUS), de Arabidopsis thaliana (utilizada como planta modelo) y examinaron su efecto en la diferenciación de cultivos de tejidos de tabaco, lechuga y petunia. BBM codifica un factor de transcripción que regula el desarrollo embrionario, mientras que WUS codifica un factor de transcripción que mantiene la identidad de las células madre en la región del meristemo apical del tallo.
Sus experimentos demostraron que la expresión de Arabidopsis BBM o WUS por sí sola no es suficiente para inducir la diferenciación celular en el tejido de la hoja de tabaco. En cambio, la coexpresión de BBM funcionalmente mejorado y WUS funcionalmente modificado induce un fenotipo de diferenciación autónoma acelerada. Sin el uso de PCR, las células de la hoja transgénica se diferenciaron en callos (masa celular desorganizada), estructuras verdes similares a órganos y yemas adventicias. El análisis de reacción en cadena de la polimerasa cuantitativa (qPCR), un método utilizado para cuantificar los transcritos génicos, mostró que la expresión de Arabidopsis BBM y WUS se correlacionaba con la formación de callos y brotes transgénicos.
Considerando el papel crucial de las fitohormonas en la división y diferenciación celular, los investigadores cuantificaron los niveles de seis fitohormonas: auxina, citoquinina, ácido abscísico (ABA), giberelina (GA), ácido jasmónico (JA), ácido salicílico (SA) y sus metabolitos en cultivos de plantas transgénicas. Sus resultados mostraron que los niveles de auxina, citoquinina y ABA activas, así como de GA inactiva, aumentan a medida que las células se diferencian en órganos, lo que subraya su papel en la diferenciación celular y la organogénesis vegetal.
Además, los investigadores utilizaron transcriptomas de secuenciación de ARN, un método para el análisis cualitativo y cuantitativo de la expresión génica, para evaluar los patrones de expresión génica en células transgénicas que presentaban diferenciación activa. Sus resultados mostraron que los genes relacionados con la proliferación celular y la auxina estaban enriquecidos en genes regulados diferencialmente. Un análisis posterior mediante qPCR reveló que las células transgénicas presentaban una expresión aumentada o disminuida de cuatro genes, incluidos genes que regulan la diferenciación celular vegetal, el metabolismo, la organogénesis y la respuesta a la auxina.
En general, estos resultados revelan un enfoque nuevo y versátil para la regeneración vegetal que no requiere la aplicación externa de PCR. Además, el sistema empleado en este estudio podría mejorar nuestra comprensión de los procesos fundamentales de la diferenciación celular vegetal y optimizar la selección biotecnológica de especies vegetales útiles.
Destacando las posibles aplicaciones de su trabajo, el Dr. Ikawa afirmó: «El sistema descrito podría mejorar el fitomejoramiento al proporcionar una herramienta para inducir la diferenciación celular de células vegetales transgénicas sin necesidad de PCR. Por lo tanto, antes de que las plantas transgénicas sean aceptadas como productos, la sociedad acelerará el fitomejoramiento y reducirá los costos de producción asociados».
Acerca de la profesora asociada Tomoko Igawa: La Dra. Tomoko Igawa es profesora asistente en la Escuela de Posgrado de Horticultura, el Centro de Ciencias Moleculares de las Plantas y el Centro de Investigación en Agricultura y Horticultura Espacial de la Universidad de Chiba, Japón. Sus intereses de investigación incluyen la reproducción y el desarrollo sexual de las plantas, así como la biotecnología vegetal. Su trabajo se centra en la comprensión de los mecanismos moleculares de la reproducción sexual y la diferenciación celular vegetal mediante diversos sistemas transgénicos. Cuenta con varias publicaciones en estos campos y es miembro de la Sociedad Japonesa de Biotecnología Vegetal, la Sociedad Botánica de Japón, la Sociedad Japonesa de Mejora Genética Vegetal, la Sociedad Japonesa de Fisiólogos Vegetales y la Sociedad Internacional para el Estudio de la Reproducción Sexual de las Plantas.
Diferenciación autónoma de células transgénicas sin el uso externo de hormonas: expresión de genes endógenos y comportamiento de las fitohormonas.
Los autores declaran que la investigación se llevó a cabo en ausencia de cualquier relación comercial o financiera que pudiera interpretarse como un posible conflicto de intereses.
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Hora de publicación: 22 de agosto de 2024