Roślinna komórka macierzysta - Plant stem cell

tekst
Końcówka korzenia (10X) 1) Meristem; 2)Columelle 3)Boczna część końcówki; 4) Martwe komórki; 5) Strefa wydłużenia

Roślinne komórki macierzyste

Komórki macierzyste są z natury roślina komórki niezróżnicowane zlokalizowane w tkankach twórczych z roślin . Roślinne komórki macierzyste służą jako źródło witalności rośliny, ponieważ utrzymują się same, zapewniając stały dopływ komórek prekursorowych do tworzenia zróżnicowanych tkanek i organów w roślinach. Rozpoznawane są dwa odrębne obszary komórek macierzystych: merystem wierzchołkowy i merystem boczny.

Roślinne komórki macierzyste charakteryzują się dwiema charakterystycznymi właściwościami, którymi są: zdolność do tworzenia wszystkich zróżnicowanych typów komórek oraz zdolność do samoodnawiania się w taki sposób, aby liczba komórek macierzystych została zachowana. Roślinne komórki macierzyste nigdy nie ulegają procesowi starzenia, ale nieśmiertelnie dają początek nowym wyspecjalizowanym i niewyspecjalizowanym komórkom, które mają potencjał do wzrostu w dowolnym narządzie, tkance lub komórce w ciele. Są to zatem komórki totipotencjalne wyposażone w moce regeneracyjne, które ułatwiają wzrost roślin i produkcję nowych organów przez całe życie.

W przeciwieństwie do zwierząt rośliny są nieruchome. Ponieważ rośliny nie mogą uciec przed niebezpieczeństwem poprzez poruszanie się, potrzebują specjalnego mechanizmu, aby wytrzymać różne, a czasem nieprzewidziane stresy środowiskowe . Tutaj tym, co daje im siłę do wytrzymania surowych wpływów zewnętrznych i zachowania życia, są komórki macierzyste. W rzeczywistości rośliny składają się z najstarszych i największych żywych organizmów na ziemi, w tym Bristlecone Pines w Kalifornii w USA (4842 lata) i Giant Sequoia w górzystych regionach Kalifornii w USA (87 metrów wysokości i 2000 ton wagi) . Jest to możliwe, ponieważ mają modułowy plan ciała, który umożliwia im przetrwanie znacznych uszkodzeń poprzez inicjowanie ciągłego i powtarzalnego tworzenia nowych struktur i organów, takich jak liście i kwiaty .

Komórki łodyga charakteryzują się także ich lokalizacji w wyspecjalizowanych struktur zwanych tkanki merystemów, które znajdują się w głównym wierzchołkowej merystemie (RAM), pędu wierzchołkowego merystemu (SAM) i układu naczyniowego ( (Pro) kambium lub merystemie naczyniowego).

Badania i rozwój

Tradycyjnie uważano, że roślinne komórki macierzyste istnieją tylko w SAM i RAM, a badania przeprowadzono w oparciu o to założenie. Jednak ostatnie badania wykazały, że (pro)kambium służy również jako nisza dla roślinnych komórek macierzystych: „Komórki prokambium spełniają kryteria bycia komórkami macierzystymi, ponieważ mają zdolność do długoterminowej samoodnowy i są w stanie różnicować się w jeden lub bardziej wyspecjalizowane typy komórek."

Kambium to rodzaj merystemu o cienkich ściankach, który w niewielkim stopniu występuje w małych populacjach w obrębie rośliny. Ze względu na tę cechę strukturalną, po przyłożeniu do niej siły fizycznej, łatwo ulega uszkodzeniu w samym procesie izolacji, tracąc cechy komórek macierzystych. Pomimo 160 lat biologicznych wysiłków zmierzających do wyizolowania i odzyskania roślinnych komórek macierzystych, żadnemu z nich nie udało się wyizolować ze względu na wyraźne cechy strukturalne roślinnych komórek macierzystych: „kambium składa się z kilku warstw wąskich, wydłużonych, cienkościennych komórek, łatwo ulega uszkodzeniu podczas pobierania próbek." Ta wysoce wrażliwa cecha sprawiła, że ​​badania nad strukturą kambium i ultrastrukturą są trudne do osiągnięcia konwencjonalnymi metodami. W związku z tym niepowodzenie w wyizolowaniu roślinnych komórek macierzystych z tkanek merystematycznych skłoniło naukowców do podawania hodowli komórek roślinnych przy użyciu kalusa (odróżnicowanych komórek) jako alternatywy dla roślinnych komórek macierzystych.

Kalus lub komórki odróżnicowane są komórkami somatycznymi, które ulegają odróżnicowaniu, dając początek totipotencjalnym komórkom embriogenicznym , które tymczasowo zyskują zdolność do proliferacji i/lub regeneracji zarodka . Ponieważ komórki embriogeniczne uważano za komórki totipotencjalne ze względu na ich zdolność do regeneracji lub przekształcenia się w zarodek w danych warunkach, komórki odróżnicowane były ogólnie uważane za komórki macierzyste roślin: „…proponujemy rozszerzenie pojęcia komórek macierzystych o embriogenne komórki macierzyste, które powstają z roślinnych komórek somatycznych. Badamy komórkowe, fizjologiczne i molekularne podobieństwa i różnice między roślinnymi merystematycznymi komórkami macierzystymi a embriogennymi komórkami macierzystymi pochodzącymi bezpośrednio z pojedynczych komórek somatycznych."

Roślinna komórka macierzysta a kalus

Pomimo tego, że kalus wykazuje szereg właściwości podobnych do komórek macierzystych przez okres przejściowy i że został wyhodowany w celu uzyskania użytecznych związków roślinnych jako alternatywnego źródła roślinnych komórek macierzystych, kalus i roślinna komórka macierzysta różnią się zasadniczo od siebie. Kalus jest podobny do roślinnej komórki macierzystej pod względem zdolności do różnicowania, ale oba te komórki różnią się pochodzeniem. Podczas gdy roślinna komórka macierzysta występuje w merystematycznych tkankach rośliny, kalus jest uzyskiwany jako tymczasowa odpowiedź na wyleczenie ran w komórce somatycznej.

Ponadto kalus podlega odróżnicowaniu, ponieważ zróżnicowane komórki nabywają zdolność do różnicowania; ale zmienność genetyczna jest w tym procesie nieunikniona, ponieważ komórki składają się z niezróżnicowanych somatycznych komórek z dorosłej rośliny osobnika. W przeciwieństwie do prawdziwych komórek macierzystych kalus jest heterogeniczny . Z tego powodu ciągły i stabilny podział komórek kalusa jest trudny. Stąd roślinna komórka macierzysta pochodząca z kambium jest komórką nieśmiertelną, podczas gdy komórka z kalusa jest tymczasowo odróżnicowaną komórką uzyskaną ze stymulacji komórki somatycznej.

Co więcej, zdolność do różnicowania i proliferacji jest inna, że ​​różnice między roślinnymi komórkami macierzystymi a kalusem są powszechne w kulturze i badaniach. Tylko roślinne komórki macierzyste osadzone w merystemach mogą dzielić się i dać początek komórkom, które różnicują się, dając jednocześnie początek nowym komórkom macierzystym. Te nieśmiertelne komórki dzielą się w nieskończoność.

Innowacje bioprocesowe

Komórki roślinne hoduje się w celu uzyskania przydatnych dla roślin związków. Jednak hodowle komórkowe są często utrudnione przez różne czynniki, zwłaszcza jeśli hodowla komórkowa trwa długo. Jednak silna witalność i cechy strukturalne roślinnych komórek macierzystych przezwyciężają wcześniejsze wady hodowli komórek roślinnych. Tak więc kultura roślinnych komórek macierzystych jest najbardziej idealną i produktywną metodą hodowli komórek i produkcji fitochemicznej, ponieważ komórki są z powodzeniem hodowane masowo przy zachowaniu jakości.

Dalsze zastosowania

Liczne leki , perfumy , pigmenty , środki przeciwdrobnoustrojowe i insektycydy pochodzą z naturalnych produktów roślinnych. Hodowane C ambial M eristematic C ells (CMC) mogą stanowić opłacalne, przyjazne dla środowiska i zrównoważone źródło ważnych produktów naturalnych, w tym paklitakselu . W przeciwieństwie do uprawy roślin podejście to nie podlega nieprzewidywalności spowodowanej zmiennością warunków klimatycznych lub niestabilnością polityczną w niektórych częściach świata. Ponadto, CMC z referencji może również stanowić ważne narzędzie biologiczne do badania funkcji roślinnych komórek macierzystych.

W 2010 roku naukowcy z Plant Stem Cell Institute  [ ko ] (dawniej Unhwa Institute of Science and Technology) przedstawili swoje dane światu za pośrednictwem Nature Biotechnology. Ich badania wykazały pierwszą na świecie izolację komórek merystematycznych kambium. Ze względu na wartościowe i korzystne dla zdrowia człowieka związki (np. paklitaksel), które są wydzielane przez CMC, technologia ta jest uważana za poważny przełom w biotechnologii roślin.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura