Межуниверситетской исследовательской группе удалось построить сеть экспрессии генов, лежащую в основе процесса развития сосудов у растений.

Они достигли этого, выполнив биоинформатический анализ с использованием платформы культуры ткани «VISUAL», которая генерирует сосудистые стволовые клетки из клеток листьев. В этой сети они также обнаружили новый фактор транскрипции BES / BZR, BEH3, который регулирует стволовые клетки сосудов. Кроме того, они осветили новую систему поддержания сосудистых клеток, посредством которой BEH3 конкурирует с другими факторами транскрипции из того же семейства BES / BZR, чтобы стабилизировать размножение и дифференцировку сосудистых стволовых клеток.

В совместную исследовательскую группу входили научный сотрудник ФУРУЯ Томоюки и доцент КОНДО Юки и др. (Высшей школы наук Университета Кобе), профессор Университета Кюсю САТАКЕ Акико, Специально назначенный профессор ТАНОКУРА Масару и Специально назначенный доцент МИЯКАВА Такуя (Высшая школа сельского хозяйства и наук о жизни Токийского университета) и доцент ЯМОРИ Ватару (из Институт устойчивых агроэкосистемных услуг Токийского университета)

Исследователи надеются определить больше регуляторных факторов для стволовых клеток, которые будут способствовать нашему пониманию молекулярной основы непрерывной активности стволовых клеток в растениях.

Эти результаты исследования были опубликованы 1 июня 2021 года в американском журнале растениеводства The Plant Cell .

Основные моменты

• Исследователи извлекли в общей сложности 394 гена, специфичных для сосудистых стволовых клеток, из обширных наборов данных по экспрессии генов. Среди них они обнаружили BEH3, новый регуляторный фактор стволовых клеток, принадлежащий к семейству факторов транскрипции BES / BZR.
• Они обнаружили, что в отличие от других факторов транскрипции BES / BZR, BEH3 почти не имеет функциональных доменов и конкурентно подавляет активность этих других факторов.
• Исследовательская группа показала, что эта конкурентная взаимосвязь между факторами транскрипции BES / BZR стабилизирует размножение и дифференцировку сосудистых стволовых клеток, освещая регуляторную систему, которая поддерживает непрерывную активность сосудистых стволовых клеток.

Предпосылки исследований

Растения обретают форму путем самовоспроизведения своих стволовых клеток и дифференциации этих стволовых клеток, так что они имеют специализированные функции для построения частей растения, таких как его органы и ткани. В отличие от животных, растения продолжают восстанавливаться и расти, производя стволовые клетки на протяжении всей своей жизни. Например, такие деревья, как криптомерия, могут иметь долгую продолжительность жизни (кедровому дереву Дзёмон на японском острове Якусима не менее 2000 лет), и каждый год они способствуют вторичному росту, в результате чего вокруг их стволов образуется новое кольцо деревьев.

Этот вторичный рост происходит внутри области ткани меристемы, называемой слоем камбия, где сосудистые стволовые клетки размножаются и дифференцируются в клетки ксилемы и клетки флоэмы, позволяя стволу расширяться. Другими словами, растение должно непрерывно производить сосудистые стволовые клетки на протяжении всей своей жизни, чтобы продолжать расти, и для них жизненно важно поддерживать баланс между размножением и дифференцировкой стволовых клеток.

В последние годы с использованием модельного растения Arabidopsis thaliana были проведены исследования того, как размножение и дифференциация стволовых клеток регулируются с точки зрения генетики, наук о жизни и исследований в области информатики. Однако механизм, с помощью которого растения регулируют и поддерживают соответствующий баланс стволовых клеток, еще предстоит понять.

Методология исследования и результаты

Чтобы проанализировать процесс, с помощью которого сосудистые стволовые клетки дифференцируются в клетки ксилемы и клетки флоэмы (рис. 1), доцент Кондо и др. Исследовательская группа разработала систему культуры ткани «VISUAL» для искусственного создания стволовых клеток из клетки листа.

VISUAL имеет множество преимуществ, которые делают его пригодным для исследования сосудистых стволовых клеток, например, легко генетически анализировать растения, у которых удалена определенная функция гена (т. Е. Мутанты), а также можно наблюдать временную прогрессию дифференцировка сосудистых стволовых клеток. В этом исследовании ученые собрали данные о нескольких мутантах и ​​провели крупномасштабный анализ экспрессии генов в различные моменты времени.

Они провели сетевой анализ коэкспрессии генов по сходству в паттернах экспрессии, чтобы оценить взаимосвязь между различными генами. На основе этого анализа им удалось идентифицировать отличительные группы генов в клетках ксилемы, клетках флоэмы и стволовых клетках сосудов (рис. 1). Используя VISUAL, эта исследовательская группа ранее обнаружила, что факторы транскрипции BES / BZR, BES1 и BZR1, играют важную роль в дифференцировке сосудистых стволовых клеток. На этот раз они идентифицировали другой фактор транскрипции BES / BZR, BEH3, в группе генов стволовых клеток сосудов посредством сетевого анализа, а также исследовали его функцию подавления стволовых клеток сосудов.

Затем исследователи исследовали образование сосудов с использованием мутантов с удаленной функцией BEH3. Они обнаружили, что мутанты имеют большие различия в размере сосудов по сравнению с диким типом (немутантное растение), и пришли к выводу, что BEH3 стабилизирует сосудистые стволовые клетки.

Исследовательская группа ранее обнаружила, что усиление функции BES1 (который способствует дифференцировке сосудистых клеток) вызывает уменьшение количества сосудистых клеток, однако они обнаружили, что, когда они усиливают функцию BEH3, происходит обратное, и количество сосудистых стволов клетки увеличились.

При дальнейшем исследовании этого вопроса исследовательская группа обнаружила, что даже несмотря на то, что BEH3 может связываться с тем же мотивом ДНК (мотив BRRE), что и другие факторы транскрипции BES / BZR, способность BEH3 регулировать экспрессию нижележащих генов была значительно слабее. Эти результаты показали, что BEH3 препятствует активности других факторов транскрипции BES / BZR (рис. 2), и исследователи сделали вывод из этой взаимосвязи, что функция BEH3 в сосудистых стволовых клетках противоположна функции факторов того же семейства, включая BES1.

Математическая модель использовалась для проверки и моделирования этой конкурентной взаимосвязи между BEH3 и другими факторами транскрипции BES / BZR, и результаты показали, что присутствие BEH3 в стволовых клетках сосудов способствует стабилизации размера сосудов (рис. 3).

Дальнейшие разработки

Считается, что в сети экспрессии генов стволовых клеток сосудов этой исследовательской группы есть много важных кандидатов в гены, которые будут способствовать пониманию развития и функций сосудов. Есть надежда, что ценная информация, полученная в ходе этого исследования, ускорит исследования сосудов. Кроме того, дальнейшее освещение взаимосвязей между BEH3 и другими факторами транскрипции BES / BZR и их соответствующих различий позволит углубить наше понимание механизма, с помощью которого растения поддерживают баланс между размножением и дифференцировкой стволовых клеток.

В будущем эти знания могут способствовать развитию технологий производства биомассы и другим областям, требующим крупномасштабного стабильного роста растений.