Establishment of a Transient Expression System in Jute Protoplasts

Jute, vaak de "gouden vezel" genoemd, is een stevige plant die voornamelijk in Azië wordt verbouwd voor zijn lange, sterke stengels. Deze stengels worden geoogst om van alles te maken, van jute zakken en tapijten tot papier en zelfs geavanceerde materialen voor de industrie. Voor wetenschappers is jute meer dan alleen een gewas; het is een levende bibliotheek van genen die de groei van de plant, de ontwikkeling van de vezels en de weerstand tegen ziekten aansturen. Om te begrijpen hoe deze genen werken, moeten onderzoekers ze normaal gesproken in de plant zelf testen. Echter, jute is berucht moeilijk om genetisch te modificeren. Traditionele methoden om nieuwe genen in de plant in te voegen zijn traag, falen vaak afhankelijk van de specifieke variëteit van de gebruikte jute, en kunnen maanden duren voordat er resultaten zichtbaar zijn. Deze flessenhals heeft ervoor gezorgd dat veel vragen over de biologie van jute onbeantwoord bleven, wat de inspanningen om het gewas voor boeren en de industrie te verbeteren, vertraagde.

Om deze hindernissen te omzeilen, heeft een team van onderzoekers aan de Fujian Agriculture and Forestry University in China een nieuwe, veel snellere manier ontwikkeld om genen te testen. In plaats van te proberen de hele plant te veranderen, creëerden ze een systeem om tijdelijk genen in te brengen in minuscule, naakte cellen die rechtstreeks uit de plant zijn genomen. Denk aan een plantencel als een huis met een beschermende muur; de onderzoekers verwijderden deze muren voorzichtig om "protoplasten" te creëren, wat in feite de levende inhoud van de cel is die vrij in een oplossing zweeft. Door met deze geïsoleerde cellen te werken, konden ze snel zien hoe een specifiek gen zich gedraagt zonder te wachten tot een hele nieuwe plant is gegroeid. Deze aanpak stelt wetenschappers in staat om te controleren of een gen actief is, waar het zich binnen de cel bevindt, of hoe het interageert met andere eiwitten, en dat alles binnen enkele dagen in plaats van maanden.

De onderzoekers begonnen met het uitzoeken van de beste manier om deze levende cellen te oogsten. Ze testten twee verschillende delen van de jonge jutestengel: de echte bladeren die later groeien en de cotyledonen, oftewel de eerste zaadblaadjes die verschijnen wanneer de plant ontkiemt. Ze ontdekten dat de echte bladeren vol zaten met een plakkerige, lijmachtige substantie die het moeilijk maakte om de cellen schoon te scheiden. De cotyledonen waren echter veel gemakkelijker mee te werken. Door kleine stukjes van deze jonge zaadblaadjes te behandelen met een mengsel van enzymen — in essentie biologische scharen die de celwanden afbreken — slaagden ze erin om miljoens gezonde, levende cellen vrij te laten. Door een specifieke receptuur van enzymen en een suikeroplossing te gebruiken om de cellen stabiel te houden, behaalden ze een opbrengst van meer dan 13 miljoen levensvatbare cellen uit slechts één gram verse plantweefsel, waarbij meer dan 90 procent van hen in leven en gezond bleef.

Zodra ze een constante aanvoer van deze cellen hadden, richtte het team zich op de volgende uitdaging: het krijgen van nieuw genetisch materiaal in de cellen. Ze gebruikten een methode waarbij een veelvoorkomende chemische stof genaamd polyethyleenglycol, of PEG, wordt gebruikt, die helいき de celmembranen net genoeg laat openstaan zodat het DNA erdoorheen kan glippen. De onderzoekers besteedden aanzienlijke tijd aan het verfijnen van dit proces, waarbij ze verschillende hoeveelheden calcium, suiker en PEG testten, evenals de duur van de blootstelling van de cellen aan het mengsel. Ze ontdekten dat een specifieke combinatie het beste werkte: een hoge concentratie PEG gemengd met een precieze hoeveelheid calcium en suiker, gedurende exact 75 minuten vastgehouden. Als ze de cellen te lang in het mengsel lieten, raakten de cellen beschadigd; als het mengsel te zwak was, kwam het DNA niet binnen. Onder deze geoptimaliseerde omstandigheden slaagden ze erin om genetische instructies in bijna 60 procent van de cellen te leveren, een opmerkelijk hoog succespercentage voor dit soort werk.

Om te bewijzen dat dit nieuwe systeem daadwerkelijk werkte, gebruikten de onderzoekers het om twee specifieke biologische vragen te beantwoorden. Ten eerste wilden ze zien waar een specifiek gen, bekend als CcWRKY70, opereert binnen de cel. In veel planten fungeert dit type gen als een schakelaar die zich in de nucleus bevindt, het controlecentrum van de cel. Wanneer ze het gen in de jutecellen introduceerden, zagen ze het direct naar de nucleus reizen en oplichten, wat bevestigde dat het systeem nauwkeurig kan volgen waar eiwitten naartoe gaan. Ten tweede testten ze of twee verschillende eiwitten, HcMYB50 en HcTT8a, fysiek aan elkaar kunnen grijpen. Ze splitsten een gloeiend eiwit in tweeën en hechtten elk stuk aan een van de doelwitteiwitten. Wanneer de twee doelwitteiwitten elkaar ontmoetten en met elkaar interageerden, kwamen de twee helften van het gloeiende eiwit samen en lieten de cel oplichten. Het feit dat het licht alleen verscheen wanneer beide eiwitten aanwezig waren, bewees dat het systeem ook de interactie tussen eiwitten in kaart kan brengen.

Deze doorbraak biedt een eenvoudige, betrouwbare en snelle tool voor het bestuderen van jute en verwante vezelgewassen. Vóór dit systeem waren onderzoekers vaak gestrand op trage, onbetrouwbare methoden om resultaten te verkrijgen, of moesten ze vertrouwen op complexe genetische manipulatie die alleen werkte bij een paar specifieke plantvariëteiten. Nu kunnen wetenschappers met deze methode genetische ideeën testen in slechts enkele dagen met behulp van een klein stukje van een zaailing. Het systeem is robuust genoeg om de delicate aard van jutecellen aan te kunnen terwijl het hoge succespercentages levert, wat de deur opent voor de snelle screening van genfuncties en de snellere ontwikkeling van verbeterde gewasvariëteiten. Het vertegenwoordigt een belangrijke stap voorwaarts in het efficiënter maken van de studie naar dit belangrijke economische gewas, vergelijkbaar met de studie naar bekende modelplanten.