Roślinne komórki macierzyste
Kasia Kuleszewicz | 2005-12-25
Totipotencjalne komórki macierzyste pozwalają roślinom na budowę nowych organów przez całe ich życie. Do tej pory niejasnym jednak było, jak hormony i czynniki genetyczne współdziałają ze sobą aby uchronić rośliny przed powstawaniem guzów lub niekontrolowanych guzopodobnych narośli. Naukowcy z Instytutu Maxa Plancka Biologii Rozwoju odkryli mechanizm sprzężenia, zawierający hormony wzrostu i regulatory białkowe, który kontroluje liczbę komórek macierzystych produkowanych przez rośliny. Wyniki badań są niezwykle istotne dla wszystkich naukowców zajmujących się badaniem komórek macierzystych.
Wszystkie wystające ponad ziemię części roślin – liście, łodyga, kwiaty i nasiona -powstają ostatecznie z komórek małej tkanki zajmującej wierzchołkową część łodygi. Biolodzy nazywają tę tkankę merystemem apikalnym i zawiera ona totipotencjalne komórki macierzyste, aktywne podczas życia rośliny. W odróżnieniu od zwierzęcych komórek macierzystych, które mogą produkować tylko specyficzny rodzaj tkanki po tym jak zwierzę zakończy swój stan embrionalny, komórki macierzyste roślin pozostają cały czas totipotencjalne i dzięki temu rośliny mogą rosnąć przez wiele lat, rozwijając i tworząc nowe organy.
Zdolność nieskończonych podziałów i wzrostu rośliny ma jednak swoją cenę. Jeśli liczba merystematycznych komórek macierzystych powiększa się zbyt szybko, może wystąpić niekontrolowany wzrost, podobny do nowotworu. Z drugiej jednak strony, jeśli pula komórek macierzystych kurczy się zbyt szybko roślina może przestać rosnąć w ogóle. Aby przeżyć i rozmnażać się, rośliny musiały znaleźć „złoty środek” w produkowanej przez siebie liczbie komórek macierzystych. Naukowcy odkryli dwa mechanizmy odpowiedzialne za ten stan balansu i równowagi.
Pierwszy z nich zawiera hormony promujące wzrost takie jak auksyny i cytokininy, znane już ponad pół wieku. Drugi zawiera natomiast czynniki genetyczne odkryte około 10 lat temu w ośrodku naukowym w Niemczech.
Gen nazwany WUSCHEL ma kluczowe znaczenie w określaniu ile komórek w merystemie apikalnym stanie się komórkami macierzystymi. Jednak do dzisiaj nie było jasne jak hormony i geny regulatorowe, takie jak WUSCHEL oddziaływały ze sobą w utrzymaniu równowagi na wierzchołku łodygi.
Naukowcy z Insytutu Plancka prowadzeni przez dr.Jana Lohmann’a rozwiązali tę zagadkę. Obiektem badań była roślina Arabidopsis thaliana, „ulubiona” przez naukowców zajmujących się biologią molekularną i genetyczną, której genom został zsekwencjonowany lata temu. W przeprowadzonym eksperymencie odkryto 4 geny, które mogą stanowić swoiste połączenia między hormonami roślinnymi i czynnikami genetycznymi w merystemie.
Przy użyciu analizy ekspresji genów odkryto, że geny ARR5, ARR6, ARR7 i ARR15, „regulatory odpowiedzi Arabidopsis”, są podmiotem genetycznej regulacji w połączeniu z genem WUSCHEL. W szczególności, gen WUSCHEL ogranicza aktywność genu ARR7 w merystemie apikalnym. Geny ARR odgrywają natomiast istotną rolę w regulacji hormonalnej – są bowiem częścią ujemnego sprzężenia zwrotnego, dzięki któremu roślinne hormony wzrostu ograniczają swoją własną działalność. Badania wykazują, że geny ARR odkrywają główną rolę w regulacji puli komórek macierzystych.
Sam w sobie hormon powoduje pękanie marystematycznych komórek macierzystych i w tym samym czasie aktywuje różne geny ARR, które przerywają łańcuch sygnalny cytokinin. Gen WUSCHEL wspomaga działanie cytokinin zatrzymując ujemne sprzężenie zwrotne. Jest to również przyczyną, dlaczego we wcześniejszych obserwacjach, zmutowane próbki Arabidopsis thaliana z uszkodzonym genem WUSCHEL rozwijały się tylko w niewielkie merystemy i dlaczego powodowało to kłopoty we wzroście roślin. Naukowcy odkryli te same efekty u mutantów u których gen ARR7 był stale aktywny.
Jak się okazało cytokininy mają niezaburzone działanie promujące wzrost w tkance, w której gen regulatorowy WUSCHEL jest włączony i aktywny.
Ta regulacja w merystemach jest doskonałym przykładem jak efekt wolnej cyrkulacji hormonów może być ograniczony do danej tkanki. Tylko w tym rodzaju mechanizmu możliwym jest, że te same hormony wywierają różne efekty w różnych tkankach w zależności od napotkanych warunków genetycznych.
Źródło: Max-Planck-Gesellschaft
Podstawowe informacje o działaniu hormonów roślinnych:
http://www.przyroda.cad.pl/fito.htm