A novel xylogenic suspension culture model for exploring lignification in Phyllostachys bamboo

Abstract

BackgroundSome prominent cultured plant cell lines, such as the BY-2 cell line of tobacco (Nicotiana tabacum cv. ‘Bright Yellow 2’) and the T87 cell line of Arabidopsis (Arabidopsis thaliana L. Heynh., ecotype Columbia) are used as model plant cells. These suspension cell culture systems are highly applicable for investigating various aspects of plant cell biology. However, no such prominent cultured cell lines exist in bamboo species.ResultsWe standardized a novel xylogenic suspension culture model in order to unveil the process of lignification in living bamboo cells. Initial signs of lignin deposition were able to be observed by a positive phloroglucinol-HCl reaction at day 3 to 5 under lignification conditions (LG), i.e., modified half-strength Murashige and Skoog medium (m1/2MS) containing 10 μM 6-benzyladenine (BA) and 3% sucrose. Two types of xylogenic differentiation, both fiber-like elements (FLEs) with cell wall thickening and tracheary elements (TEs) with formation of perforations in the cell wall, were observed under these conditions. The suspension cells rapidly formed secondary cell wall components that were highly lignified, making up approximately 25% of the cells on a dry weight basis within 2 weeks. Detailed features involved in cell growth, differentiation and death during lignification were characterized by laser scanning microscopic imaging. Changes in transcript levels of xylogenesis-related genes were assessed by RT-PCR, which showed that the transcription of key genes like PAL1, C4H, CCoAOMT, and CCR was induced at day 4 under LG conditions. Furthermore, interunit linkage of lignins was compared between mature bamboo culms and xylogenic suspension cells by heteronuclear single quantum coherence (HSQC) NMR spectroscopy. The presence of the most common interunit linkages, including β-aryl ether (β-O-4), phenylcoumaran (β-5) and resinol (β-β) structures was identified in the bamboo cultured cell lignin (BCCL) by HSQC NMR. In addition to these common features of lignin, several differences in lignin substructures were also found between the BCCL and the bamboo milled wood lignin (BMWL).ConclusionsOur xylogenic suspension culture model could be used for detailed characterization of physiological and molecular biological events in living bamboo cells.

Formation of plant tracheary elements in vitro – a review

“…The TEs that developed in calli were formed within cell clusters. Ogita et al (2012) established a xylogenic suspension culture system using a Phyllostachys species of bamboo, and identified that the most common inter-unit linkages in the bamboo cultured cell lignin were β-aryl ether, phenylcoumaran and resinol structures.…”

Cultura de células em suspensão como ferramenta para estudos em parede celular secundária em gramí­neas C4

“…Muitos trabalhos de indução de elementos traqueais utilizam diferentes combinações e concentrações de hormônios vegetais (Yamamoto et al, 1997;Ogita et al, 2012;Shen et al, 2013;Yoshimoto et al, 2016). No entanto, alguns compostos sintéticos foram recentemente identificados como indutores da formação de xilema na planta-modelo Arabidopsis thaliana, e validados em outras espécies eudicotiledôneas.…”

“…Além da auxina, a citocinina também é requerida, visto que a ação de apenas um dos hormônios não resulta na formação de elementos traqueais (Milioni et al, 2001). Assim, diversos estudos tem demonstrado que hormônios vegetais são fatores importantes na regulação da transdiferenciação de elementos traqueais, em espécies vegetais distintas (Fukuda, 1997;Yamamoto et al, 1997;Ogita et al, 2012). O papel da auxina na diferenciação vascular durante o desenvolvimento normal da planta já foi muito bem documentada (Turner et al, 2007).…”

“…As culturas foram filtradas e 300 mg de células foram inoculadas em 30 mL de meios de indução distintos, diferindo na composição e concentração de hormônios, como evidenciado na Tabela 1. Os meios foram suplementados com sacarose, visto que este composto é não somente uma fonte de carbono, mas também um sinalizador no processo de lignificação (Rogers et al, 2005;Ogita et al, 2012).…”

“…Tais observações sugerem que a combinação hormonal utilizada na indução da transdiferenciação de elementos traqueais em células de cana-de-açúcar foi capaz de mimetizar, ao menos em parte, o processo que ocorre naturalmente durante a formação do sistema vascular na planta. Conclusão: O experimento de indução utilizando uma adaptação do protocolo estabelecido para switchgrass (Fukuda, 1992;Yamamoto et al, 1997;Ogita et al, 2012;Shen et al, 2013;Kondo et al, 2015;Yoshimoto et al, 2016). Como mencionado no item 4.2.5 do capitulo 2, recentemente dois compostos sintéticos foram identificados como indutores da formação de xilema na planta-modelo Arabidopsis thaliana (Kondo et al, 2015;Yoshimoto et al, 2016).…”