5 Minuten
Progreso šuolis: augalų kamieninių ląstelių reguliatorių žemėlapis
Augalų kamieninės ląstelės lemia organų formavimąsi ir augimą pasėliuose, palaikydamos pasaulines maisto, pašarų ir biokuro tiekimo grandines. 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 vienaląstę RNR sekoskaitą (scRNA-seq) ir mikrofluidiką, komanda žemėlapiavo du klasikinius reguliatorius — CLAVATA3 ir WUSCHEL — tūkstančiuose ūglių ląstelių ir atrado papildomus genus, kurie, kaip atrodo, yra evoliuciškai išsaugoti tarp rūšių. Šis darbas sukuria funkcinį veiklos žemėlapį, siejantį kamieninių ląstelių aktyvumą su tokiomis savybėmis kaip kukurūzų varpų dydis ir bendras produktyvumas.
Plonas kukurūzo varpo pjūvio gabalėlis ankstyvoje vystymosi stadijoje (apie 3 milimetrų ilgio). Kiekviena spalva atspindi skirtingo geno ekspresiją kamieninėse ląstelėse ir su jomis susijusiose ląstelėse. Kreditas: Jackson lab/CSHL
Mokslinis fonas ir kodėl tai svarbu
Augalų kamieninės ląstelės gyvena meristemose – lokalizuotuose audiniuose, kurie nuolat tiekia naujas ląsteles lapams, stiebams ir reprodukciniams organams. Pusiausvyra tarp kamieninių ląstelių išsaugojimo ir diferenciacijos lemia organų dydį ir derlingumą. Nepaisant jų svarbos, kamieninės ląstelės yra retos, įterptos į heterogeninius audinius ir tradiciškai sunkiai profiliuojamos naudojant bendrąją (bulk) genomiką. Identifikavus genus, kurie palaiko kamieninės ląstelės tapatybę – t. y. „pagrindinius jungiklius“ – selekcininkai ir biotechnologai galėtų projektuoti augalus, kurie efektyviau regeneruotųsi, formuotų didesnius derliaus organus arba atlaikytų stresą išlaikydami derlių. Tai turi tiesioginę reikšmę maisto saugumui ir atsinaujinančių biokuro išteklių gamybai.
Metodai: vienaląstė RNR sekoskaita ir mikrofluidika
CSHL mokslininkai suderino kruopščią mikrodisekciją su lašo pagrindu veikiančia mikrofluidikos sistema. Buvusi David Jackson laboratorijos postdaktarė Xiaosa Xu izoliuodavo mažus ūglių segmentus iš kukurūzų ir Arabidopsis, kuriuose yra meristematinės kamieninės ląstelės. Kiekviena ląstelė buvo atskirta mikrofluidikos būdu, jos mRNR atvirkščiai transkribuota į cDNA ir pažymėta brūkštais (barcoding), kad būtų galima susieti transkriptus su atskira ląstele. Vienaląstė RNR sekoskaita (scRNA-seq) atskleidžia genų ekspresijos profilius ląstelė po ląstelės, o ne vidurkius per audinius, todėl įmanoma atkurti retas ląstelių populiacijas.
Panaudodami šį požiūrį, komanda atgavo maždaug 5000 ląstelių, kuriose reiškėsi CLAVATA3, ir apie 1000 ląstelių su WUSCHEL ekspresija. Iš tų ląstelių jie sukūrė genų ekspresijos atlasą, kuriame išryškinami šimtai genų, pirmenybės tvarka aktyvių kamieninėse ląstelėse abiejose rūšyse – daugelis jų greičiausiai yra evoliuciškai išsaugoti reguliatoriai.
Pagrindiniai atradimai ir pasekmės
Atlasas patvirtina žinomų reguliatorių erdvinius ir transkripcinius parašus ir atskleidžia papildomus kandidatus, susijusius su kamieninių ląstelių tapatybe. Svarbu tai, kad kai kurie naujai identifikuoti reguliatoriai koreliuoja su kukurūzų varpų dydžiu ir kitais produktyvumo rodikliais. Šios genotipo–fenotipo sąsajos siūlo kelią veislinti arba inžinerizuoti pasėlius su optimizuota meristemos veikla, siekiant padidinti derlių, pagerinti organų vienodumą arba keisti biomasyę biokuro žaliavoms.
CSHL profesorius David Jackson komentavo platesnį potencialą: "Idealu būtų žinoti, kaip sukurti kamieninę ląstelę. Tai leistų mums geriau regeneruoti augalus ir suprasti augalų įvairovę. Vienas dalykas, dėl kurio žmonės labai jaudinasi, yra naujų veislių veisimas, kurios būtų atsparesnės arba produktyvesnės. Mes dar neturime pilno reguliatorių sąrašo – genų, kurių mums reikia tam." Tyrėjų komanda taip pat pabrėžė, kad atidavus atlasą visuomenei, sukuriamas atviras išteklius bendruomenei, sumažinamas darbo dubliavimasis ir pagreitinami tolesni darbai.
Susijusios technologijos ir ateities perspektyvos
Šis tyrimas iliustruoja, kaip scRNA-seq ir mikrofluidikos technologijos keičia augalų vystymosi biologijos lauką. Kaip vienaląstės technologijos tampa prieinamesnės ir mastelizuojamos, panašūs atlasai gali būti kuriami įvairiose pasėlių šeimose ir esant skirtingoms streso sąlygoms, leidžiant atlikti meristemų palyginamąją genomiką. Derinant su genomo redagavimu (CRISPR) ir žymenų pagrindu atliekama selekcija, identifikuoti reguliatoriai gali būti patvirtinti ir pritaikyti veislėms, skirtoms didesniam derlingumui, sausrai atsparumui arba padidintai biomasei tvariems biokurams.
Eksperto įžvalga
Dr. Elena Moreno, augalų genetikė ir mokslo komunikatorė, pateikia kontekstą: "Šis atlasas yra kertinis išteklius. Nustatydamas retas kamieninių ląstelių būsenas ir jų reguliatorius, tyrimas perkelia mus nuo deskriptyvios genetikos prie vykdomų tikslų. Selektoriai iš karto gali naudoti žymenis, susietus su varpo dydžiu ir produktyvumu; molekuliniai biologai gauna kandidatų genų, kuriuos galima testuoti redagavimu arba ekspresijos moduliacija. Tai aiškus pavyzdys, kaip vienaląstė genomika sujungia bazinę vystymosi biologiją su taikomuoju pasėlių tobulinimu."
Išvados
CSHL genų ekspresijos atlasas žymi svarbų žingsnį link reguliacinių tinklų, valdančių augalų kamienines ląsteles, supratimo. Kartografuodamas išsaugotus kamieninių ląstelių reguliatorius ir siejdamas juos su matuojamais bruožais kukurūzuose, darbas suteikia pagrindą veisimo ir biotechnologinėms strategijoms, orientuotoms į atsparius, didelio derlingumo pasėlius ir optimizuotą biomasę biokurams. Kai atlasas ir susijami duomenys taps viešai prieinami, tyrėjai, dirbantys su vystymusi, fiziologija ir selekcija, galės plėtoti šiuos atradimus ir keisti mūsų požiūrį į maisto bei atsinaujinančių augalinės kilmės išteklių auginimą.
Quelle: sciencedaily
Kommentare