カッサバの体細胞胚から繊細な胚形成カルスへの移行：細胞構造、生理学的状態、および遺伝子発現プロファイルの動的変化

Friable胚形成カルス（FEC）は、キャッサバの効率的な遺伝的形質転換に最も適した材料と見なされています。FEC誘導の重い遺伝子型依存性と体性変動に対する適切な依存により、信頼性の高いFECの生産と維持が制限されます。異なる段階で体細胞胚（SES）からFECまでの生物学的プロセスに関与する重要な要素を特定することは、FEC改善のための重要な洞察を提供します。細胞学的観察により、SES、新鮮なFEC（FFEC）、および古いFEC（OFEC）の間の細胞構造の劇的な変化が示されました。スクロースの減少とフルクトースとグルコースの増加がOFECで検出されました。RNA-seqによってSES、FFEC、およびOFECから合計6871個の差次的に発現した遺伝子（deg）が同定されました。DEGSの分析により、FEC誘導には脱分化のプロセスが伴うのに対し、エピジェネティクスの修正は継続的なサブカルチャープロセス中に発生したことが示されました。細胞構造は再構築され、主に「細胞周辺」および「外部カプセル化構造」のGO項が含まれていました。並行して、アラニン、アスパラギン酸、グルタミン酸の解糖の生物学的プロセスや代謝の生物学的プロセスを含む内部メカニズムは、それに応じて変化しました。OFECにおけるゲノムDNAメチル化の有意な減少は、クロマチン修飾を介した遺伝子発現の変化を示した。これらの結果は、FECの誘導と長期サブカルチャーが、ゲノム修飾、遺伝子発現、および細胞内再構成の変化を含む複雑な生物学的プロセスであることを示しています。この調査結果は、農民プロファーのキャッサバ栽培品種から遺伝的変換までのFEC誘導と維持を改善するのに役立ち、したがって遺伝子工学を通じてキャッサバを改善します。

Friable embryogenic callus (FEC) is considered as the most suitable material for efficient genetic transformation of cassava. Heavy genotype dependence of FEC induction and amenability to somaclonal variation limits the production and maintenance of reliable FEC. Identifying key elements involved in biological processes from somatic embryos (SEs) to FEC at different stages provides critical insights for FEC improvement. Cytological observation showed a dramatic change of subcellular structures among SEs, fresh FEC (FFEC), and old FEC (OFEC). Decrease of sucrose and increase of fructose and glucose were detected in OFEC. A total of 6871 differentially expressed genes (DEGs) were identified from SEs, FFEC, and OFEC by RNA-seq. Analysis of the DEGs showed that FEC induction was accompanied by the process of dedifferentiation, whereas the epigenetics modification occurred during the continuous subculturing process. The cell structure was reconstructed, mainly including the GO terms of "cell periphery" and "external encapsulating structure"; in parallel, the internal mechanisms changed correspondingly, including the biological process of glycolysis and metabolisms of alanine, aspartate, and glutamate. The significant reduction of genomic DNA methylation in OFEC indicated altered gene expression via chromatin modification. These results indicate that the induction and long-term subculture of FEC is a complicated biological process involving changes of genome modification, gene expression, and subcellular reconstruction. The findings will be useful for improving FEC induction and maintenance from farmer-preferred cassava cultivars recalcitrant to genetic transformation, hence improving cassava through genetic engineering.