Uniwersytet Śląski w Katowicach

|Małgorzata Kłoskowicz|

Skutki zmieniającego się klimatu to wyzwanie dla naukowców. Oczywiście obserwowane zmiany zależą od regionu świata, w którym się znajdujemy. Jednym z wyzwań związanych z hodowlą roślin i dotykających obszaru Polski są susze, które mają ogromny wpływ na produkcję rolną na świecie. Okazuje się, że potencjalne plony zbóż w naszym kraju mogą być nawet o połowę mniejsze w wyniku niedoborów wody.

– Rośliny w określony sposób potrafią radzić sobie z niewystarczającą ilością wody. Mutacje w różnych genach, te występujące naturalnie lub indukowane, mogą wpływać na podwyższenie tolerancji na stres suszy – mówi dr Agnieszka Janiak, genetyk z Uniwersytetu Śląskiego.

Problem polega na tym, że wyższa tolerancja na jeden z czynników stresowych zazwyczaj powoduje u takiej rośliny inne negatywne skutki. Może ona gorzej plonować lub być bardziej wrażliwa na działanie drobnoustrojów. W związku z tym naukowcy starają się jak najlepiej poznać i opisać mechanizmy odpowiedzialne za reakcję rośliny na niedobory wody. Szukają również mutacji wybranych genów w warunkach naturalnych lub sami otrzymują mutanty, aby następnie wprowadzać je poprzez krzyżowanie do znanych i cenionych przez hodowców odmian wybranego gatunku zbóż. Odkrywanie tych mechanizmów jest jednak skomplikowane, reakcje roślin kontrolowane są bowiem przez wiele różnych genów.

Dr Agnieszka Janiak przygląda się przede wszystkim istniejącej zmienności genetycznej wśród różnych genotypów jęczmienia. Jak przyznaje, jest to niezwykle ciekawy gatunek, może być bowiem uprawiany w środowisku naturalnym charakteryzującym się dużą zmiennością warunków. W związku z tym może być hodowany na przykład na różnych wysokościach geograficznych. Co więcej, zajmuje czwarte miejsce pod względem areału upraw na świecie, dlatego tak ważne są badania, które mają pomóc uzyskać docelowo odmiany bardziej odporne na różne skutki zmian klimatycznych.

Genetyk z Uniwersytetu Śląskiego gromadzi przede wszystkim informacje na temat tego, w jaki sposób różne genotypy jęczmienia odpowiadają na stres suszy. Szuka kontrastowych reakcji. Gdy jedna z form okazuje się bardziej tolerancyjna na wybrany czynnik stresowy, a druga nie, stara się opisać charakter tej zmienności i zidentyfikować geny oraz mechanizmy odpowiedzialne za dostrzeżone różnice.

– Wiemy, że tolerancja stresu suszy jest cechą kontrolowaną przez wiele różnych genów. Zainteresowały nas cztery z nich. Dwa kodują białka zwane dehydrynami, kolejne dwa – enzymy zwane peroksydazami – mówi naukowiec.

Dehydryny należą do grupy białek, które zapewniają roślinom ochronę innych białek i enzymów oraz kwasów nukleinowych i komponentów błon komórkowych przed skutkami działania stresów, takich jak niedobory wody. Wprawdzie dokładny mechanizm ich działania nie został poznany, wiadomo jednak, że wysoki poziom ekspresji genów kodujących dehydryny można powiązać ze zwiększoną tolerancją rośliny na suszę. – Badanie poziomu ekspresji tych genów okazało się zatem świetnym markerem pozwalającym na monitorowanie odpowiedzi jęczmienia na interesujący nas czynnik stresowy – komentuje dr Agnieszka Janiak.

Również peroksydazy – inna grupa białek – okazują się ciekawe z perspektywy realizowanych przez genetyków badań. W komórkach roślinnych prowadzą między innymi do zwiększenia sztywności ścian, co skutkuje zahamowaniem wzrostu komórek. Z badań wynika, że w przypadku dwóch wybranych genów kodujących peroksydazy dochodzi do obniżenia ich ekspresji właśnie pod wpływem stresu suszy. W związku z tym utrzymany zostaje wzrost rośliny w niekorzystnych warunkach środowiska, co jest jednym z elementów mechanizmu tolerancji na stres związany z niedoborem wody.

– W tym miejscu dochodzimy do istoty naszych wynalazków. Pracujemy nad tym, aby wykorzystać naturalną zmienność genetyczną występującą w odmianach i liniach hodowlanych jęczmienia do wyprowadzania nowych genotypów gwarantujących lepszą tolerancję zboża na stres suszy. Aby móc ten cel osiągnąć, potrzebowaliśmy narzędzi, które pozwolą na szybką selekcję interesujących nas form jęczmienia z mutacją określonych genów. Służą temu testy molekularne – mówi genetyk.

Jeden z wynalazków obejmuje opracowanie sposobu wykrywania alleli genów kodujących białka z rodziny dehydryn i peroksydaz. Zaprojektowane zostały specjalne startery, dzięki którym można identyfikować interesujące naukowców genotypy.

Drugie opatentowane narzędzie dotyczy zaprojektowania sekwencji starterów służących analizie ekspresji wybranych czterech genów, o których wiadomo, że kodują białka mające znaczenie w odpowiedzi rośliny na stres niedoboru wody.

Oznacza to, że dzięki zaproponowanym narzędziom naukowcy będą mogli szybciej identyfikować formy jęczmienia, o których wiadomo, że są bardziej tolerancyjne na stres suszy. Takie formy mogą być później brane pod uwagę w programach hodowlanych. Co ważne, rozwiązanie sprawdzi się też w odniesieniu do roślin, które rosną w warunkach optymalnych dla jęczmienia.

– Zaproponowane przez nas rozwiązania przyspieszają pewne etapy prowadzonych przez nas badań. Przed nami jednak długa droga. Ciekawe formy jęczmienia, o których wiemy, że lepiej znoszą niedobory wody, muszą być również sprawdzane pod kątem odpowiedzi na inne czynniki stresowe, takie jak patogeny zbóż, a także pod względem struktury plonu – mówi dr Agnieszka Janiak.

– Co więcej, poszczególne odmiany są przygotowywane z myślą o hodowli w określonych rejonach świata. Warunki panujące w Polsce różnią się od tych, które panują na przykład we Włoszech. To również musimy brać pod uwagę – dodaje.

Trzecim, nie mniej ważnym aspektem, wydaje się świadomość odbiorców, którzy będą w przyszłości nabywać i hodować w warunkach naturalnych nowe odmiany jęczmienia. Być może należałoby rozmawiać o innych strategiach hodowlanych polegających na przykład na mieszaniu różnych genotypów jęczmienia na tym samym polu. To daje szansę na satysfakcjonujące plony w danym sezonie wegetacyjnym w zmiennych warunkach pogodowych, z uwzględnieniem skutków zmian klimatycznych.

Twórcami wynalazków pn. „Sekwencja starterów dla sekwencji genomowych genów HvDHN4, HvDHN7, HvPRX6 i HvPRX 10 i sposób amplifikacji ich fragmentów genomowych oraz sposób genotypowania odmian jęczmienia na podstawie identyfikacji alleli tych genów” oraz „Sekwencja starterów i sposób analizy poziomu ekspresji genów HvDHN4, HvDHN7, HvPRX6 i HvPRX10, jęczmienia oraz sposób identyfikacji odmian jęczmienia tolerancyjnych na suszę” są: dr Agnieszka Janiak, dr hab. Mirosław Kwaśniewski, dr Justyna Guzy-Wróbelska oraz mgr Marta Sowa.