Biljke imaju jedinstvenu sposobnost da se potpuno regenerišu iz somatske ćelije, odnosno obične ćelije koja obično ne učestvuje u reprodukciji. Ovaj proces uključuje de novo (ili novo) formiranje apikalnog meristema izdanaka (SAM) koji daje bočne organe, koji su ključni za rekonstrukciju biljke.
Na ćelijskom nivou, formiranje SAM-a je strogo regulisano pozitivnim ili negativnim regulatorima (geni/proteinski molekuli) koji mogu da indukuju ili ograniče regeneraciju izdanaka, respektivno. Ali koji su molekuli uključeni? Da li postoje drugi regulatorni slojevi koji tek treba da budu otkriveni?
Da bi potražila odgovore na gornja pitanja, istraživačka grupa na čelu sa Institutom za nauku i tehnologiju Nara (NAIST), Japan, proučavala je proces u Arabidopsisu, biljci koja se obično koristi u genetskim istraživanjima. Njihovo istraživanje — koje je objavljeno u Science Advances — identifikovalo je i okarakterisalo ključni negativni regulator regeneracije izdanaka.
Oni su pokazali kako gen HOMEOBOKS 13 (VOKS13) vezan za VUSCHEL i njegov protein mogu da promovišu nemeristematsku (nedeljivu) funkciju ćelija kalusa delujući kao represor transkripcije (na nivou RNK), čime utiču na efikasnost regeneracije.
„Potraga za strategijama za poboljšanje efikasnosti regeneracije izdanaka u biljkama je bila duga. Ali napredak je ometan jer su povezani regulatorni mehanizmi bili nejasni. Naša studija popunjava ovu prazninu definisanjem novog puta specifikacije sudbine ćelije“, objašnjava Momoko Ikeuchi, glavni istraživač ove studije.
Prethodne studije tima su već utvrdile ulogu VOKS13 u obnavljanju tkiva i adheziji organa nakon presađivanja. Stoga su prvo testirali potencijalnu ulogu ovog gena u kontroli regeneracije izdanaka u mutantu vok13 Arabidopsis (biljka sa disfunkcionalnim VOKS13) koristeći sistem kulture tkiva u dva koraka.
Fenotipska i slikovna analiza otkrila je da je regeneracija izdanaka ubrzana (tri dana brže) kod biljaka kojima nedostaje VOKS13, a sporija kada je indukovana ekspresija VOKS13. Štaviše, u normalnim biljkama, VOKS13 je pokazao lokalno smanjene nivoe ekspresije u SAM-u. Ovi nalazi sugerišu da VOKS13 može negativno da reguliše regeneraciju izdanaka.
Da bi potvrdili svoje nalaze, istraživači su uporedili vok13 mutante i divlje (normalne) biljke koristeći sekvenciranje RNK u više vremenskih tačaka. Odsustvo VOKS13 nije značajno promenilo ekspresiju gena Arabidopsis u uslovima koji izazivaju kalus. Međutim, uslovi koji izazivaju izdanak značajno su poboljšali promene izazvane mutacijom vok13, što je dovelo do regulacije gena regulatora meristema izdanaka.
Zanimljivo je da su ovi geni potisnuti u roku od 24 sata od prekomerne ekspresije VOKS13 u mutantnim biljkama. Sve u svemu, otkrili su da VOKS13 inhibira podskup meristemskih regulatora izdanaka dok direktno aktivira gene modifikatora ćelijskog zida koji su uključeni u ćelijsku ekspanziju i ćelijsku diferencijaciju. Naknadno sekvenciranje jednoćelijske RNK zasnovano na Kuartz-Sek2 (scRNA-sek) potvrdilo je ključnu ulogu VOKS13 u određivanju sudbine pluripotentnih ćelija kalusa.
Ova studija naglašava da za razliku od drugih poznatih negativnih regulatora regeneracije izdanaka, koji samo sprečavaju pomeranje od kalusa ka SAM, VOKS13 inhibira SAM specifikaciju promovišući sticanje alternativnih sudbina. Ovu inhibiciju postiže kroz uzajamno represivno regulatorno kolo sa regulatorom VUS, promovišući nemeristematsku sudbinu ćelije tako što transkripciono inhibira VUS i druge SAM regulatore i indukujući modifikatore ćelijskog zida.
Na ovaj način, VOKS13 deluje kao glavni regulator efikasnosti regeneracije. „Naši nalazi pokazuju da izbacivanje VOKS13 može unaprediti sticanje sudbine izdanaka i poboljšati efikasnost regulacije izdanaka. To znači da VOKS13 nokaut može poslužiti kao alat u poljoprivredi i hortikulturi i podstaći de novo regeneraciju izdanaka posredovanu kulturom tkiva,“ zaključuje Ikeuči.
