Ген WOX13 влияет на эффективность регенерации побегов у растений

Растения обладают уникальной способностью полностью восстанавливаться из соматической клетки, т.е. обычной клетки, которая обычно не участвует в размножении.

Этот процесс включает образование de novo или новой апикальной меристемы побега (SAM), дающей начало боковым органам, которые являются ключевыми для восстановления растения. На клеточном уровне формирование SAM жестко регулируется либо положительными, либо отрицательными регуляторами (генами/белковыми молекулами), которые могут индуцировать или ограничивать регенерацию побега соответственно. Но какие молекулы в этом участвуют? Существуют ли другие регуляторные уровни, которые еще предстоит раскрыть?

В поисках ответов на эти вопросы исследовательская группа под руководством Нарского института науки и технологии (NAIST), Япония, изучила этот процесс у арабидопсиса — растения, широко используемого в генетических исследованиях. Их исследование, результаты которого были опубликованы в журнале Science Advances, выявило и охарактеризовало ключевой негативный регулятор регенерации побегов. Они продемонстрировали, как ген WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX 13 (WOX13) и его белок могут способствовать немеристематической (неделящейся) функции каллусных клеток, действуя как транскрипционный (на уровне РНК) репрессор, тем самым влияя на эффективность регенерации.

Поиск стратегий для повышения эффективности регенерации побегов у растений ведется давно. Но прогресс сдерживался из-за неясности соответствующих регуляторных механизмов. Наше исследование восполняет этот пробел, определяя новый путь спецификации клеточной судьбы, — объясняет Момоко Икеучи, главный исследователь данного исследования.

Предыдущие исследования ее команды уже установили роль WOX13 в восстановлении тканей и адгезии органов после пересадки. Поэтому сначала они проверили потенциальную роль этого гена в контроле регенерации побегов у мутанта wox13 Arabidopsis (растения с дисфункциональным WOX13), используя двухэтапную систему культуры тканей. Фенотипический анализ и анализ изображений показали, что регенерация побегов ускорялась (на 3 дня быстрее) у растений, лишенных WOX13, и замедлялась при индуцировании экспрессии WOX13. Более того, в нормальных растениях уровень экспрессии WOX13 был локально снижен в SAM. Эти данные свидетельствуют о том, что WOX13 может негативно регулировать регенерацию побегов.

Для подтверждения своих выводов исследователи сравнили мутанты wox13 и растения дикого типа (нормальные) с помощью РНК-секвенирования в разных временных точках. Отсутствие WOX13 не привело к существенному изменению экспрессии генов арабидопсиса в условиях каллус-индуцирования. Однако условия индуцирования побега значительно усилили изменения, вызванные мутацией WOX13, что привело к повышению уровня регуляции генов-регуляторов меристемы побега. Интересно, что эти гены были подавлены в течение 24 часов после сверхэкспрессии WOX13 в мутантных растениях. В целом, они обнаружили, что WOX13 ингибирует подмножество регуляторов меристемы побега, в то время как непосредственно активирует гены-модификаторы клеточной стенки, участвующие в расширении клеток и клеточной дифференциации. Последующее секвенирование одноклеточной РНК на основе Quartz-Seq2 (scRNA-seq) подтвердило ключевую роль WOX13 в определении судьбы плюрипотентных клеток каллуса.

Это исследование показывает, что в отличие от других известных негативных регуляторов регенерации побега, которые только предотвращают переход от каллуса к SAM, WOX13 ингибирует спецификацию SAM, способствуя приобретению альтернативных судеб. Он достигает этого ингибирования через взаимно репрессирующую регуляторную цепь с регулятором WUS, способствуя развитию немеристематической клеточной судьбы путем транскрипционного ингибирования WUS и других регуляторов SAM и индуцирования модификаторов клеточной стенки. Таким образом, WOX13 выступает в качестве основного регулятора эффективности регенерации.

Наши результаты показывают, что нокаут WOX13 может способствовать приобретению судьбы побега и повысить эффективность регуляции побега. Это означает, что нокаут WOX13 может служить инструментом в сельском хозяйстве и садоводстве и стимулировать регенерацию побегов de novo, опосредованную культурой ткани, — заключает Икеучи.

08.07.2023