นักวิจัยกำลังพัฒนากระบวนการสร้างพืชใหม่โดยการควบคุมการแสดงออกของยีนที่ควบคุมการเปลี่ยนแปลงของเซลล์พืช

 ภาพ: วิธีการฟื้นฟูพืชแบบดั้งเดิมจำเป็นต้องใช้สารควบคุมการเจริญเติบโตของพืช เช่น ฮอร์โมน ซึ่งอาจจำเพาะเจาะจงกับสายพันธุ์พืชและต้องใช้แรงงานมาก ในการศึกษาใหม่ นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาระบบฟื้นฟูพืชแบบใหม่โดยการควบคุมการทำงานและการแสดงออกของยีนที่เกี่ยวข้องกับการลดระดับความแตกต่างของเซลล์ (การเพิ่มจำนวนเซลล์) และการเพิ่มระดับความแตกต่างของเซลล์ (การสร้างอวัยวะ) ของเซลล์พืช ดูเพิ่มเติม
วิธีการฟื้นฟูพืชแบบดั้งเดิมจำเป็นต้องใช้สารควบคุมการเจริญเติบโตของพืชเช่นฮอร์โมนซึ่งอาจจำเพาะเจาะจงกับสายพันธุ์และต้องใช้แรงงานมาก ในการศึกษาใหม่ นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาระบบการสร้างพืชใหม่โดยการควบคุมการทำงานและการแสดงออกของยีนที่เกี่ยวข้องกับการลดระดับความแตกต่างของเซลล์ (การเพิ่มจำนวนเซลล์) และการเพิ่มระดับความแตกต่างของเซลล์ (การสร้างอวัยวะ) ของเซลล์พืช
พืชเป็นแหล่งอาหารหลักของสัตว์และมนุษย์มานานหลายปีแล้ว นอกจากนี้ พืชยังถูกนำมาใช้สกัดสารประกอบทางเภสัชกรรมและบำบัดโรคต่างๆ อีกด้วย อย่างไรก็ตาม การใช้พืชอย่างไม่เหมาะสมและความต้องการอาหารที่เพิ่มขึ้นได้เน้นย้ำถึงความจำเป็นในการพัฒนาวิธีการปรับปรุงพันธุ์พืชแบบใหม่ ความก้าวหน้าในด้านเทคโนโลยีชีวภาพพืชอาจช่วยแก้ปัญหาการขาดแคลนอาหารในอนาคตได้โดยการผลิตพืชดัดแปลงพันธุกรรม (GM) ที่ให้ผลผลิตสูงกว่าและทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศได้ดีกว่า
โดยธรรมชาติแล้ว พืชสามารถสร้างพืชใหม่ได้ทั้งหมดจากเซลล์ "โทติโพเทนต์" เพียงเซลล์เดียว (เซลล์ที่สามารถพัฒนาไปเป็นเซลล์ได้หลายชนิด) โดยการเปลี่ยนสภาพและเปลี่ยนแปลงสภาพไปเป็นเซลล์ที่มีโครงสร้างและหน้าที่แตกต่างกัน การปรับสภาพเซลล์โทติโพเทนต์ดังกล่าวโดยวิธีการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อพืชถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการปกป้องพืช การปรับปรุงพันธุ์ การผลิตพืชดัดแปลงพันธุกรรม และเพื่อการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ โดยทั่วไปแล้ว การเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อเพื่อการสร้างพืชใหม่จำเป็นต้องใช้สารควบคุมการเจริญเติบโตของพืช (GGRs) เช่น ออกซินและไซโตไคนิน เพื่อควบคุมการเปลี่ยนแปลงสภาพของเซลล์ อย่างไรก็ตาม สภาวะฮอร์โมนที่เหมาะสมอาจแตกต่างกันอย่างมาก ขึ้นอยู่กับชนิดของพืช สภาวะการเพาะเลี้ยง และชนิดของเนื้อเยื่อ ดังนั้น การสร้างสภาวะการทดลองที่เหมาะสมจึงเป็นงานที่ใช้เวลานานและต้องใช้แรงงานมาก
เพื่อแก้ไขปัญหานี้ รองศาสตราจารย์โทโมโกะ อิคาว่า ร่วมกับรองศาสตราจารย์ไม เอฟ. มินามิคาว่า จากมหาวิทยาลัยชิบะ ศาสตราจารย์ฮิโตชิ ซากากิบาระ จากบัณฑิตวิทยาลัยวิทยาศาสตร์ชีวการเกษตร มหาวิทยาลัยนาโกยา และมิคิโกะ โคจิมะ ผู้เชี่ยวชาญด้านเทคนิคจาก RIKEN CSRS ได้พัฒนาระบบควบคุมการเจริญเติบโตของพืชแบบสากล โดยใช้การแสดงออกของยีนควบคุมการแบ่งเซลล์แบบ “ควบคุมตามพัฒนาการ” (DR) เพื่อให้เกิดการสร้างพืชใหม่ งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Frontiers in Plant Science ฉบับที่ 15 เมื่อวันที่ 3 เมษายน 2567 ดร.อิคาว่าได้ให้ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับงานวิจัยของพวกเขา โดยระบุว่า “ระบบของเราไม่ได้ใช้สารควบคุมการเจริญเติบโตของพืชจากภายนอก แต่ใช้ยีนปัจจัยการถอดรหัสเพื่อควบคุมการแบ่งเซลล์ คล้ายกับเซลล์ต้นกำเนิดที่ถูกเหนี่ยวนำในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม”
นักวิจัยได้ทำการแสดงออกของยีน DR สองยีน ได้แก่ BABY BOOM (BBM) และ WUSCHEL (WUS) จาก Arabidopsis thaliana (ซึ่งใช้เป็นพืชต้นแบบ) และตรวจสอบผลกระทบของยีนเหล่านี้ต่อการสร้างความแตกต่างของเนื้อเยื่อเพาะเลี้ยงในยาสูบ ผักกาดหอม และเพทูเนีย โดย BBM เป็นยีนที่เข้ารหัสปัจจัยถอดรหัสที่ควบคุมการพัฒนาของตัวอ่อน ในขณะที่ WUS เป็นยีนที่เข้ารหัสปัจจัยถอดรหัสที่รักษาเอกลักษณ์ของเซลล์ต้นกำเนิดในบริเวณปลายยอด
การทดลองของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าการแสดงออกของยีน Arabidopsis BBM หรือ WUS เพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอที่จะกระตุ้นการเปลี่ยนแปลงเซลล์ในเนื้อเยื่อใบยาสูบ ในทางตรงกันข้าม การแสดงออกร่วมกันของ BBM ที่ได้รับการปรับปรุงการทำงานและ WUS ที่ได้รับการดัดแปลงการทำงานจะกระตุ้นให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเซลล์อย่างรวดเร็วและเป็นอิสระ โดยไม่ต้องใช้ PCR เซลล์ใบที่ได้รับการดัดแปลงพันธุกรรมจะเปลี่ยนแปลงไปเป็นแคลลัส (มวลเซลล์ที่ไม่เป็นระเบียบ) โครงสร้างคล้ายอวัยวะสีเขียว และตาที่เกิดขึ้นใหม่ การวิเคราะห์ปฏิกิริยาลูกโซ่พอลิเมอเรสเชิงปริมาณ (qPCR) ซึ่งเป็นวิธีการที่ใช้ในการหาปริมาณสารถอดรหัสยีน แสดงให้เห็นว่าการแสดงออกของยีน Arabidopsis BBM และ WUS มีความสัมพันธ์กับการก่อตัวของแคลลัสและยอดที่ได้รับการดัดแปลงพันธุกรรม
เนื่องจากฮอร์โมนพืชมีบทบาทสำคัญในการแบ่งเซลล์และการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของเซลล์ นักวิจัยจึงทำการวัดระดับของฮอร์โมนพืช 6 ชนิด ได้แก่ ออกซิน ไซโตไคนิน กรดแอบซิสิก (ABA) จิบเบอเรลลิน (GA) กรดจัสมอนิก (JA) กรดซาลิไซลิก (SA) และสารเมตาบอไลต์ของกรดเหล่านี้ในพืชดัดแปลงพันธุกรรม ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าระดับของออกซิน ไซโตไคนิน ABA ที่ออกฤทธิ์ และ GA ที่ไม่ออกฤทธิ์ เพิ่มขึ้นเมื่อเซลล์เปลี่ยนแปลงรูปร่างไปเป็นอวัยวะ ซึ่งเน้นย้ำถึงบทบาทของฮอร์โมนเหล่านี้ในการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของเซลล์พืชและการสร้างอวัยวะ
นอกจากนี้ นักวิจัยยังใช้ทรานสคริปโตมจากการลำดับอาร์เอ็นเอ ซึ่งเป็นวิธีการวิเคราะห์เชิงคุณภาพและเชิงปริมาณของการแสดงออกของยีน เพื่อประเมินรูปแบบการแสดงออกของยีนในเซลล์ดัดแปลงพันธุกรรมที่แสดงการเปลี่ยนแปลงไปเป็นเซลล์ชนิดอื่นอย่างชัดเจน ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่ายีนที่เกี่ยวข้องกับการเพิ่มจำนวนเซลล์และฮอร์โมนออกซินมีความเข้มข้นในกลุ่มยีนที่มีการควบคุมการแสดงออกแตกต่างกัน การตรวจสอบเพิ่มเติมโดยใช้ qPCR เผยให้เห็นว่าเซลล์ดัดแปลงพันธุกรรมมีการแสดงออกของยีนสี่ชนิดเพิ่มขึ้นหรือลดลง ซึ่งรวมถึงยีนที่ควบคุมการเปลี่ยนแปลงของเซลล์พืช การเผาผลาญ การสร้างอวัยวะ และการตอบสนองต่อฮอร์โมนออกซิน
โดยรวมแล้ว ผลลัพธ์เหล่านี้เผยให้เห็นแนวทางใหม่และอเนกประสงค์ในการฟื้นฟูพืชที่ไม่ต้องใช้การประยุกต์ใช้ PCR จากภายนอก นอกจากนี้ ระบบที่ใช้ในการศึกษานี้อาจช่วยให้เราเข้าใจกระบวนการพื้นฐานของการแบ่งเซลล์พืชได้ดีขึ้น และปรับปรุงการคัดเลือกพันธุ์พืชที่มีประโยชน์ทางด้านเทคโนโลยีชีวภาพได้อีกด้วย
ดร.อิคาว่าได้เน้นย้ำถึงศักยภาพในการประยุกต์ใช้ผลงานของเขา โดยกล่าวว่า “ระบบที่นำเสนอนี้สามารถปรับปรุงการปรับปรุงพันธุ์พืชได้ โดยการจัดหาเครื่องมือสำหรับการกระตุ้นการเปลี่ยนแปลงของเซลล์พืชดัดแปลงพันธุกรรมโดยไม่จำเป็นต้องใช้ PCR ดังนั้น ก่อนที่พืชดัดแปลงพันธุกรรมจะได้รับการยอมรับเป็นผลิตภัณฑ์ สังคมจะสามารถเร่งการปรับปรุงพันธุ์พืชและลดต้นทุนการผลิตที่เกี่ยวข้องได้”
เกี่ยวกับรองศาสตราจารย์โทโมโกะ อิกาวะ ดร.โทโมโกะ อิกาวะ เป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ประจำบัณฑิตวิทยาลัยพืชสวน ศูนย์วิทยาศาสตร์พืชระดับโมเลกุล และศูนย์วิจัยการเกษตรและพืชสวนอวกาศ มหาวิทยาลัยชิบะ ประเทศญี่ปุ่น ความสนใจด้านงานวิจัยของเธอได้แก่ การสืบพันธุ์แบบอาศัยเพศและการพัฒนาของพืช และเทคโนโลยีชีวภาพพืช งานของเธอมุ่งเน้นไปที่การทำความเข้าใจกลไกระดับโมเลกุลของการสืบพันธุ์แบบอาศัยเพศและการเปลี่ยนแปลงของเซลล์พืชโดยใช้ระบบทรานส์เจนิกต่างๆ เธอมีผลงานตีพิมพ์หลายฉบับในสาขาเหล่านี้ และเป็นสมาชิกของสมาคมเทคโนโลยีชีวภาพพืชแห่งประเทศญี่ปุ่น สมาคมพฤกษศาสตร์แห่งประเทศญี่ปุ่น สมาคมปรับปรุงพันธุ์พืชแห่งประเทศญี่ปุ่น สมาคมสรีรวิทยาพืชแห่งประเทศญี่ปุ่น และสมาคมระหว่างประเทศเพื่อการศึกษาการสืบพันธุ์แบบอาศัยเพศของพืช
การแบ่งเซลล์แบบอัตโนมัติของเซลล์ดัดแปลงพันธุกรรมโดยไม่ต้องใช้ฮอร์โมนจากภายนอก: การแสดงออกของยีนภายในและการทำงานของไฟโตฮอร์โมน
ผู้เขียนขอประกาศว่าการวิจัยนี้ดำเนินการโดยปราศจากความสัมพันธ์ทางการค้าหรือทางการเงินใดๆ ที่อาจถือได้ว่าเป็นผลประโยชน์ทับซ้อน
ข้อสงวนสิทธิ์: AAAS และ EurekAlert ไม่รับผิดชอบต่อความถูกต้องของข่าวประชาสัมพันธ์ที่เผยแพร่บน EurekAlert! การนำข้อมูลไปใช้โดยองค์กรที่ให้ข้อมูลหรือผ่านระบบ EurekAlert ถือเป็นความผิด