5 Minutės
Progresas: augalų kamieninių ląstelių reguliatorių žemėlapis
Augalų kamieninės ląstelės kontroliuoja organų formavimąsi ir augimą pasėliuose, palaikydamos pasaulinę maisto, pašarų ir biokuro gamybą. 2025 m. rugsėjo 16 d. Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) tyrėjai paskelbė išsamų genų ekspresijos atlasą, kuriame lokalizuojami reti kamieninių ląstelių reguliatoriai kukurūzuose ir Arabidopsis. Naudodami vienaląstelinę RNR sekoskaitą ir mikrofluidiką, komanda žemėlapiavo du klasikinius reguliatorius—CLAVATA3 ir WUSCHEL—tūkstančiuose ūglių ląstelių ir atrado papildomus genus, kurie, atrodo, yra konservuoti tarp rūšių. Šis darbas sudaro funkcionalų gairių žemėlapį, siejantį kamieninių ląstelių aktyvumą su savybėmis, tokiomis kaip kukurūzų varpos dydis ir bendras produktyvumas.
Plona kukurūzų varpos pjūvio dalis labai ankstyvame vystymosi etape (apie 3 milimetrų ilgio). Kiekviena spalva rodo skirtingo geno ekspresiją kamieninėse ir su jomis susijusiose ląstelėse. Kreditas: Jackson lab/CSHL
Mokslinis fonas ir kodėl tai svarbu
Augalų kamieninės ląstelės randamos meristemuose, lokalizuotuose audiniuose, kurie nuolat tiekia naujas ląsteles lapams, stiebams ir reprodukciniams organams. Pusiausvyra tarp kamieninių ląstelių išlaikymo ir jų diferenciacijos lemia organų dydį ir derlių. Nepaisant svarbos, kamieninės ląstelės yra retos, įterptos heterogeniškame audinyje ir istoriškai sunkiai profiliuojamos tradicine masine genomika. Nustatyti genus, kurie palaiko kamieninių ląstelių tapatybę—taip vadinamus „pagrindinius jungiklius“—galėtų leisti veisėjams ir biotechnologams kurti augalus, kurie regeneruojasi efektyviau, formuoja didesnius derliaus organus arba atlaiko stresą išlaikydami derlių. Tai turi tiesioginių pasekmių maisto saugumui ir atsinaujinančių biokurų gamybai.
Metodai: vienaląstelinė RNR sekoskaita ir mikrofluidika
CSHL tyrėjai derino kruopščią mikrodisekciją su lašo pagrindu veikiančia mikrofluidikos pipeline. Buvusi Davido Jacksono laboratorijos doktorantė Xiaosa Xu izoliuodavo mažus ūglių segmentus iš kukurūzų ir Arabidopsis, kuriuose yra meristeminės kamieninės ląstelės. Kiekviena ląstelė buvo atskirta mikrofluidikos būdu, jos mRNR reverstinė transkripcija paversta cDNR ir pažymėta barcodu, kad tyrėjai galėtų atsekti transkriptus iki pavienių ląstelių. Vienaląstelinė RNR sekoskaita (scRNA-seq) atskleidžia genų ekspresijos modelius po vieną ląstelę, o ne kaip audinių vidurkius, leidžiant atkurti retas ląstelių populiacijas.
Taikydami šį požiūrį, komanda atkūrė maždaug 5 000 ląstelių, ekspresuojančių CLAVATA3, ir apie 1 000 ląstelių, ekspresuojančių WUSCHEL. Iš tų ląstelių jie sukūrė genų ekspresijos atlasą, kuriame išryškėja šimtai genų, palankiau aktyvių kamieninėse ląstelėse abiejose rūšyse—daugelis jų greičiausiai yra evoliuciškai konservuoti reguliatoriai.
Pagrindiniai atradimai ir reikšmė
Atlasas patvirtina erdvines ir transkripcines žymes, susijusias su žinomais reguliatoriais, ir atskleidžia papildomus kandidatinius genus, susietus su kamieninių ląstelių tapatybe. Svarbu tai, kad kai kurie naujai identifikuoti reguliatoriai koreliuoja su kukurūzų varpos dydžiu ir kitomis produktyvumo savybėmis. Šie geno–fenotipo ryšiai siūlo kelią veisti arba inžinierizuoti pasėlius, optimizuojant meristemo veiklą siekiant padidinti derlių, pagerinti organų vienodumą arba pritaikyti biomasę biokuro žaliavoms.
CSHL profesorius David Jackson komentavo platesnį potencialą: "Idealu būtų žinoti, kaip sukurti kamieninę ląstelę. Tai leistų mums geriau regeneruoti augalus. Tai leistų suprasti augalų įvairovę. Vienas iš dalykų, kuriuos žmonės labai vertina, yra naujų, atsparesnių ar produktyvesnių pasėlių veisimas. Mes dar neturime pilno reguliatorių sąrašo—jų genų, kurių mums reikia tam." Tyrėjų komanda taip pat pabrėžė, kad atpublikavus atlasą sukuriamas atviras išteklius bendruomenei, mažinantis darbo dubliavimą ir pagreitinantis tolimesnius tyrimus.
Susijusios technologijos ir ateities perspektyvos
Šis tyrimas iliustruoja, kaip scRNA-seq ir mikrofluidikos technologijos keičia augalų vystymosi biologiją. Kai vienaląstelinės metodikos taps labiau prieinamos ir skalėms pritaikomos, panašius atlasus bus galima parengti skirtingoms pasėlių grupėms ir stresų sąlygoms, leidžiant lyginamąją meristemų genetiką. Derinant su genomo redagavimu (CRISPR) ir žymenine veisle, identifikuoti reguliatoriai gali būti patvirtinti ir pritaikyti kuriant veisles, skirtas didesniam derliui, atsparumui sausrai arba padidintai biomasės gamybai tvariems biokurams.
Ekspertės įžvalga
Dr. Elena Moreno, augalų genetikė ir mokslo komunikatorė, papildo: "Šis atlasas yra kertinis išteklius. Identifikavęs retas kamieninių ląstelių būsenas ir jų reguliatorius, tyrimas perkelia mus nuo aprašomosios genetikos prie konkrečių taikomųjų tikslų. Veisėjams vertingos žymės, susietos su varpos dydžiu ir produktyvumu; molekuliniams biologams—kandidatai genai, kuriuos galima išbandyti redaguojant ar keičiant jų ekspresiją. Tai aiškus pavyzdys, kaip vienaląstelinė genomika jungia bazinę vystymosi biologiją su taikomuoju pasėlių tobulinimu."
Išvados
CSHL genų ekspresijos atlasas žymi reikšmingą žingsnį link reguliacinių tinklų, valdančių augalų kamienines ląsteles, iššifravimo. Kartografuodami konservuotus kamieninių ląstelių reguliatorius ir susiedami juos su matuojamomis kukurūzų savybėmis, tyrėjai suteikia pagrindą veisimo ir biotechnologinėms strategijoms, orientuotoms į atsparius, aukšto derliaus pasėlius ir optimizuotą biomasę biokurui. Kai atlasas ir susiję duomenų rinkiniai taps viešai prieinami, tyrėjai iš vystymosi biologijos, fiziologijos ir veisimo sričių galės remtis šiais atradimais, pertvarkydami maisto ir atsinaujinančių augalinių išteklių auginimą.
Šaltinis: sciencedaily
Komentarai