นักวิจัยกำลังพัฒนาวิธีการใหม่ในการสร้างพืชใหม่โดยการควบคุมการแสดงออกของยีนที่ควบคุมการแบ่งตัวของเซลล์พืช

 ภาพ: วิธีการฟื้นฟูพืชแบบดั้งเดิมจำเป็นต้องใช้สารควบคุมการเจริญเติบโตของพืช เช่น ฮอร์โมน ซึ่งอาจจำเพาะต่อชนิดพันธุ์พืชและต้องใช้แรงงานมาก ในการศึกษาใหม่นี้ นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาระบบการฟื้นฟูพืชแบบใหม่โดยการควบคุมการทำงานและการแสดงออกของยีนที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการลดความแตกต่าง (การเพิ่มจำนวนเซลล์) และการแยกความแตกต่าง (การสร้างอวัยวะ) ของเซลล์พืช ดูเพิ่มเติม
วิธีการฟื้นฟูพืชแบบดั้งเดิมต้องใช้สารควบคุมการเจริญเติบโตของพืชเช่นฮอร์โมนซึ่งอาจจำเพาะต่อสายพันธุ์และต้องใช้แรงงานมาก ในการศึกษาใหม่นี้ นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาระบบการฟื้นฟูพืชแบบใหม่โดยการควบคุมการทำงานและการแสดงออกของยีนที่เกี่ยวข้องกับการลดความแตกต่าง (การเพิ่มจำนวนเซลล์) และการแบ่งตัวใหม่ (การสร้างอวัยวะ) ของเซลล์พืช
พืชเป็นแหล่งอาหารหลักของทั้งสัตว์และมนุษย์มายาวนานหลายปี นอกจากนี้ พืชยังถูกนำไปใช้สกัดสารประกอบทางเภสัชกรรมและยารักษาโรคต่างๆ อย่างไรก็ตาม การใช้พืชอย่างผิดวิธีและความต้องการอาหารที่เพิ่มขึ้น สะท้อนให้เห็นถึงความจำเป็นของวิธีการปรับปรุงพันธุ์พืชแบบใหม่ ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีชีวภาพพืชอาจช่วยแก้ปัญหาการขาดแคลนอาหารในอนาคตได้ด้วยการผลิตพืชดัดแปลงพันธุกรรม (GM) ที่ให้ผลผลิตสูงและทนต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศได้มากขึ้น
โดยธรรมชาติแล้ว พืชสามารถสร้างพืชใหม่ขึ้นมาใหม่ทั้งหมดได้จากเซลล์ “totipotent” เพียงเซลล์เดียว (เซลล์ที่สามารถก่อกำเนิดเซลล์ได้หลายชนิด) โดยการลดความแตกต่างและเปลี่ยนสภาพไปเป็นเซลล์ที่มีโครงสร้างและหน้าที่ที่แตกต่างกัน การปรับสภาพเซลล์ totipotent เหล่านี้ด้วยการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อพืชถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการป้องกันพืช การปรับปรุงพันธุ์ การผลิตสิ่งมีชีวิตดัดแปลงพันธุกรรม และเพื่อการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ โดยทั่วไปแล้ว การเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อเพื่อการฟื้นฟูพืชจำเป็นต้องใช้สารควบคุมการเจริญเติบโตของพืช (GGRs) เช่น ออกซินและไซโตไคนิน เพื่อควบคุมการเปลี่ยนแปลงของเซลล์ อย่างไรก็ตาม สภาวะฮอร์โมนที่เหมาะสมอาจแตกต่างกันอย่างมาก ขึ้นอยู่กับชนิดพันธุ์พืช สภาวะการเพาะเลี้ยง และชนิดของเนื้อเยื่อ ดังนั้น การสร้างสภาวะที่เหมาะสมในการสำรวจจึงอาจเป็นงานที่ใช้เวลานานและต้องใช้แรงงานมาก
เพื่อแก้ไขปัญหานี้ รองศาสตราจารย์โทโมโกะ อิคาวะ พร้อมด้วยรองศาสตราจารย์ไม เอฟ. มินามิคาวะ จากมหาวิทยาลัยชิบะ ศาสตราจารย์ฮิโตชิ ซากากิบาระ จากบัณฑิตวิทยาลัยวิทยาศาสตร์ชีวภาพเกษตร มหาวิทยาลัยนาโกย่า และมิกิโกะ โคจิมะ ช่างเทคนิคผู้เชี่ยวชาญจาก RIKEN CSRS ได้พัฒนาวิธีการควบคุมพืชแบบสากล การแสดงออกของยีนที่ควบคุมการเจริญเติบโตของเซลล์ (DR) เพื่อให้เกิดการฟื้นฟูพืช ดร.อิคาวะ ได้ตีพิมพ์ในวารสาร Frontiers in Plant Science ฉบับที่ 15 เมื่อวันที่ 3 เมษายน 2567 โดยให้ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับงานวิจัยของพวกเขา โดยระบุว่า “ระบบของเราไม่ได้ใช้ PGR ภายนอก แต่ใช้ยีนปัจจัยการถอดรหัสเพื่อควบคุมการเจริญเติบโตของเซลล์ คล้ายกับเซลล์พหุศักยภาพ (pluripotent cells) ที่ถูกเหนี่ยวนำในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม”
นักวิจัยได้แสดงยีน DR สองชนิด ได้แก่ BABY BOOM (BBM) และ WUSCHEL (WUS) จาก Arabidopsis thaliana (ซึ่งใช้เป็นพืชต้นแบบ) นอกสถานที่ และศึกษาผลของยีนเหล่านี้ต่อการแบ่งเซลล์จากการเพาะเลี้ยงเนื้อเยื่อของยาสูบ ผักกาดหอม และพิทูเนีย BBM เข้ารหัสปัจจัยการถอดรหัสที่ควบคุมการพัฒนาของตัวอ่อน ในขณะที่ WUS เข้ารหัสปัจจัยการถอดรหัสที่รักษาเอกลักษณ์ของเซลล์ต้นกำเนิดในบริเวณยอดเจริญ
การทดลองของพวกเขาแสดงให้เห็นว่าการแสดงออกของ Arabidopsis BBM หรือ WUS เพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอที่จะกระตุ้นการแบ่งตัวของเซลล์ในเนื้อเยื่อใบยาสูบ ในทางตรงกันข้าม การแสดงออกร่วมกันของ BBM ที่ถูกกระตุ้นด้วยฟังก์ชันและ WUS ที่ถูกปรับเปลี่ยนฟังก์ชันจะกระตุ้นฟีโนไทป์การแบ่งตัวของเซลล์แบบอัตโนมัติที่เร่งขึ้น หากไม่ใช้ PCR เซลล์ใบทรานสเจนิกจะแบ่งตัวเป็นแคลลัส (มวลเซลล์ที่ไม่เป็นระเบียบ) โครงสร้างคล้ายอวัยวะสีเขียว และตาข้างเคียง การวิเคราะห์ปฏิกิริยาลูกโซ่พอลิเมอเรสเชิงปริมาณ (qPCR) ซึ่งเป็นวิธีการที่ใช้ในการหาปริมาณทรานสคริปต์ของยีน แสดงให้เห็นว่าการแสดงออกของ Arabidopsis BBM และ WUS มีความสัมพันธ์กับการเกิดแคลลัสและยอดทรานสเจนิก
เมื่อพิจารณาถึงบทบาทสำคัญของฮอร์โมนพืชในการแบ่งตัวและการเปลี่ยนแปลงของเซลล์ นักวิจัยได้วัดระดับฮอร์โมนพืช 6 ชนิด ได้แก่ ออกซิน ไซโตไคนิน กรดแอบไซซิก (ABA) จิบเบอเรลลิน (GA) กรดจัสโมนิก (JA) กรดซาลิไซลิก (SA) และสารเมแทบอไลต์ในพืชดัดแปลงพันธุกรรม ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าระดับออกซิน ไซโตไคนิน ABA และ GA ที่ไม่มีฤทธิ์เพิ่มขึ้นเมื่อเซลล์เปลี่ยนแปลงเป็นอวัยวะ ซึ่งเน้นย้ำถึงบทบาทของฮอร์โมนเหล่านี้ในกระบวนการเปลี่ยนแปลงและการสร้างอวัยวะของเซลล์พืช
นอกจากนี้ นักวิจัยยังใช้ทรานสคริปโทมลำดับอาร์เอ็นเอ ซึ่งเป็นวิธีการวิเคราะห์การแสดงออกของยีนทั้งเชิงคุณภาพและเชิงปริมาณ เพื่อประเมินรูปแบบการแสดงออกของยีนในเซลล์ทรานส์เจนิกที่แสดงการเปลี่ยนแปลงสภาพอย่างแข็งขัน ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่ายีนที่เกี่ยวข้องกับการเพิ่มจำนวนเซลล์และออกซินมีปริมาณมากขึ้นในยีนที่มีการควบคุมอย่างแตกต่างกัน การตรวจสอบเพิ่มเติมโดยใช้ qPCR พบว่าเซลล์ทรานส์เจนิกมีการแสดงออกของยีนเพิ่มขึ้นหรือลดลง 4 ยีน ได้แก่ ยีนที่ควบคุมการเปลี่ยนแปลงสภาพของเซลล์พืช เมแทบอลิซึม การสร้างอวัยวะ และการตอบสนองต่อออกซิน
โดยรวมแล้ว ผลลัพธ์เหล่านี้เผยให้เห็นแนวทางใหม่และหลากหลายในการฟื้นฟูพืชที่ไม่จำเป็นต้องใช้ PCR ภายนอก นอกจากนี้ ระบบที่ใช้ในการศึกษานี้อาจช่วยพัฒนาความเข้าใจของเราเกี่ยวกับกระบวนการพื้นฐานของการแบ่งตัวของเซลล์พืช และปรับปรุงการคัดเลือกพันธุ์พืชที่มีประโยชน์ทางเทคโนโลยีชีวภาพ
ดร. อิคาวะ เน้นย้ำถึงศักยภาพการประยุกต์ใช้งานวิจัยของเขา โดยกล่าวว่า “ระบบที่รายงานมานี้สามารถพัฒนาการปรับปรุงพันธุ์พืชได้ โดยเป็นเครื่องมือสำหรับการกระตุ้นการแบ่งตัวของเซลล์พืชดัดแปลงพันธุกรรมโดยไม่จำเป็นต้องใช้ PCR ดังนั้น ก่อนที่พืชดัดแปลงพันธุกรรมจะได้รับการยอมรับให้เป็นผลิตภัณฑ์ สังคมจะเร่งการปรับปรุงพันธุ์พืชและลดต้นทุนการผลิตที่เกี่ยวข้อง”
เกี่ยวกับรองศาสตราจารย์โทโมโกะ อิกาวะ ดร.โทโมโกะ อิกาวะ เป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ประจำบัณฑิตวิทยาลัยพืชสวน ศูนย์วิทยาศาสตร์พืชโมเลกุล และศูนย์วิจัยเกษตรและพืชสวนอวกาศ มหาวิทยาลัยชิบะ ประเทศญี่ปุ่น งานวิจัยของเธอครอบคลุมการสืบพันธุ์และการพัฒนาแบบอาศัยเพศของพืช และเทคโนโลยีชีวภาพพืช งานของเธอมุ่งเน้นไปที่การทำความเข้าใจกลไกระดับโมเลกุลของการสืบพันธุ์แบบอาศัยเพศและการแบ่งตัวของเซลล์พืชโดยใช้ระบบดัดแปลงพันธุกรรมต่างๆ เธอมีผลงานตีพิมพ์หลายชิ้นในสาขาเหล่านี้ และเป็นสมาชิกของสมาคมเทคโนโลยีชีวภาพพืชแห่งญี่ปุ่น สมาคมพฤกษศาสตร์แห่งญี่ปุ่น สมาคมปรับปรุงพันธุ์พืชแห่งญี่ปุ่น สมาคมสรีรวิทยาพืชแห่งญี่ปุ่น และสมาคมนานาชาติเพื่อการศึกษาการสืบพันธุ์แบบอาศัยเพศของพืช
การแบ่งเซลล์แบบอัตโนมัติของเซลล์ทรานส์เจนิกโดยไม่ต้องใช้ฮอร์โมนภายนอก: การแสดงออกของยีนภายในและพฤติกรรมของฮอร์โมนพืช
ผู้เขียนขอประกาศว่าการวิจัยนี้ดำเนินการโดยไม่มีความสัมพันธ์ทางการค้าหรือทางการเงินใดๆ ที่อาจตีความได้ว่าอาจเกิดความขัดแย้งทางผลประโยชน์ได้
ข้อสงวนสิทธิ์: AAAS และ EurekAlert ไม่รับผิดชอบต่อความถูกต้องของข่าวประชาสัมพันธ์ที่เผยแพร่บน EurekAlert! การนำข้อมูลไปใช้โดยองค์กรที่ให้ข้อมูลหรือผ่านระบบ EurekAlert