Платформа для анализа РНК с открытым исходным кодом впервые была успешно использована на растительных клетках - прорыв, который может возвестить новую эру фундаментальных исследований и поддержать усилия по созданию более эффективных пищевых и биотопливных культур.
Технология, называемая Drop-seq, представляет собой метод измерения РНК, присутствующей в отдельных клетках, что позволяет ученым увидеть, какие гены экспрессируются и как это связано с конкретными функциями различных типов клеток. Разработанный в Гарвардской медицинской школе в 2015 году, свободно распространяемый протокол ранее использовался только в клетках животных.
«Это действительно важно для понимания биологии растений», - сказала ведущий исследователь Дайан Дикель, ученый из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли при Министерстве энергетики (Berkeley Lab). «Как и у людей и мышей, у растений есть несколько типов клеток и тканей. Но узнать о растениях на клеточном уровне немного сложнее, потому что, в отличие от животных, у растений есть клеточные стенки, которые затрудняют открытие клеток для генетического анализа. учиться."
Для многих генов в растениях мы практически не понимаем, что они на самом деле делают, объяснил Дикель. «Но точно зная, в каком типе клеток или на какой стадии развития экспрессируется конкретный ген, мы можем начать понимать его функцию. В нашем исследовании мы показали, что Drop-seq может помочь нам в этом».
Мы также показали, что вы можете использовать эти технологии, чтобы понять, как растения реагируют на различные условия окружающей среды на клеточном уровне - то, что интересует многих биологов растений в лаборатории Беркли, потому что возможность выращивать сельскохозяйственные культуры в плохих условиях окружающей среды, такие как засуха, необходимы для нашего постоянного производства продуктов питания и биотопливных ресурсов», - сказала она.
Дикель, изучающий геномику млекопитающих в отделе экологической геномики и системной биологии лаборатории Беркли, уже несколько лет использует Drop-seq на клетках животных. Будучи непосредственным поклонником простоты использования и эффективности платформы, она вскоре начала говорить со своими коллегами, работающими над растениями, о попытке использовать ее на растительных клетках.
Однако некоторые сомневались, что такой проект будет работать так же легко. Во-первых, чтобы провести анализ РНК-секвенций в клетках растений, они должны быть протопластированы, что означает, что они должны быть лишены клеточных стенок с помощью коктейля ферментов. Этот процесс непрост, потому что клеткам разных видов и даже разных частей одного и того же растения требуются уникальные ферментные коктейли.
Во-вторых, некоторые биологи растений выразили обеспокоенность тем, что клетки слишком сильно изменяются в результате протопластинга, чтобы можно было понять их нормальное функционирование. И, наконец, некоторые растительные клетки просто слишком велики, чтобы их можно было провести через существующие одноклеточные платформы RNA-seq. Эти технологии, появившиеся за последние пять лет, позволяют ученым оценивать РНК внутри тысяч клеток за один прогон; предыдущие подходы могли анализировать только от десятков до сотен клеток за раз.
Невзирая на эти проблемы, Дикель и ее коллеги из Объединенного института генома Министерства энергетики США (JGI) объединились с исследователями из Калифорнийского университета в Дэвисе, которые усовершенствовали метод протопластирования корневой ткани Arabidopsis thaliana (кресс-салат мышиного уха), вид небольшого цветущего сорняка, который служит растительным модельным организмом.
После подготовки образцов из более чем 12 000 корневых клеток арабидопсиса группа была в восторге, когда процесс Drop-seq прошел более гладко, чем ожидалось. Их полные результаты были опубликованы на этой неделе в Cell Reports..
«Когда мы предлагали сделать это на растениях, люди выдвигали список причин, по которым это не сработает», - сказал Дикель. «И мы говорили: «Хорошо, но давайте просто попробуем и посмотрим, сработает ли это». И тогда это действительно сработало. Мы были искренне удивлены, насколько простым он оказался на самом деле».
Открытый исходный код технологии Drop-seq имел решающее значение для успеха этого проекта, по словам соавтора Бенджамина Коула, ученого в области геномики растений из JGI. Поскольку Drop-seq недорог и использует простые в сборке компоненты, он дал исследователям недорогое средство для проведения экспериментов с низким уровнем риска. Уже сейчас нарастает волна интереса. За время, предшествующее публикации их статьи, Дикель и ее коллеги начали получать запросы - от других ученых из Berkeley Lab, JGI и других организаций - о том, как адаптировать платформу для других проектов.
«Когда я впервые поговорил с Дайан об использовании Drop-seq на растениях, я осознал огромный потенциал, но подумал, что будет сложно достаточно быстро разделить растительные клетки, чтобы получить полезные данные», - сказал Джон Фогель, ведущий научный сотрудник. функциональной геномики растений в JGI. «Я был потрясен, увидев, насколько хорошо это сработало и сколько они смогли узнать из своего первоначального эксперимента. Этот метод изменит правила игры для биологов растений, потому что он позволяет нам исследовать экспрессию генов, не измельчая целые органы растений, а результаты не искажаются сигналами от нескольких наиболее распространенных типов клеток».
Авторы ожидают, что эта платформа и другие подобные технологии секвенирования РНК в конечном итоге станут обычным делом в исследованиях растений. Дикель отметил, что основным препятствием будет разработка методов протопластинга для интересующих растений каждого проекта.
«Часть миссии Berkeley Lab заключается в том, чтобы лучше понять, как растения реагируют на изменяющиеся условия окружающей среды, и как мы можем применить это понимание для наилучшего использования растений для получения биоэнергии», - отметила первый автор Кристин Шульс, которая в настоящее время является филиалом JGI.. «В этой работе мы создали карту экспрессии генов в отдельных типах клеток одного вида растений в двух условиях окружающей среды, что является важным первым шагом».