Naukowcy z Uniwersytetu Śląskiego uzyskali formę jęczmienia cechującą się interesującymi mechanizmami obronnymi przed stresem suszy. Pierwszy etap badań prowadzony był w ramach projektu naukowego POLAPGEN [1] realizowanego wspólnie przez konsorcjum ośrodków naukowych w Polsce. Zespół naukowców z Katedry Genetyki UŚ pod kierunkiem prof. zw. dr hab. Iwony Szarejko wykonywał szerokie spektrum analiz, które w pierwszym rzędzie miały na celu identyfikację genów związanych z odpowiedzią na stres suszy jęczmienia, a następnie – identyfikację mutacji w tych genach, które mogłyby przełożyć się na zmianę odpowiedzi na stres względem formy wyjściowej. Końcowa faza projektu w ramach realizowanych zadań badawczych przez pracowników UŚ przyniosła wymierne efekty w postaci kilku scharakteryzowanych form jęczmienia wykazujących lepszą odpowiedź na suszę niż ich forma wyjściowa.
To właśnie jeden z mutantów – forma niosąca zmianę w genie HvCBP20 – stała się obiektem szczegółowych badań w ramach projektu SONATA finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki i kierowanego przez dr Agatę Daszkowską-Golec z Katedry Genetyki UŚ. Projekt dotyczy analizy mechanizmu działania genu CBP20 (Cap Binding Complex 20) w odpowiedzi Arabidopsis i jęczmienia na stres suszy.
O tym, czym różni się nowa forma jęczmienia od wyjściowej, jakie mechanizmy wykorzystuje przy niedoborach wody oraz czy zostanie wprowadzona na rynek rolno-przemysłowy, opowiada kierownik projektu dr Agata Daszkowska-Golec.
Dr Agata Daszkowska-Golec z Katedry Genetyki UŚ
Fot. Archiwum dr Agaty Daszkowskiej-Golec
– Jęczmień stosowany jest przede wszystkim jako pasza, wykorzystuje się go również w przemyśle browarniczym oraz do produkcji kasz. Co więcej, zajmuje czwarte miejsce w Polsce i na świecie pod względem areału upraw, dlatego szukanie nowych form hodowlanych, które lepiej reagować będą na różne czynniki stresowe, jest nie tylko naukowo interesujące, lecz także ma ogromne znaczenie ekonomiczne – mówi dr Agata Daszkowska-Golec.
W wyniku mutagenezy chemicznej przeprowadzonej na potrzeby badań uzyskano liczną populację HorTILLUS (Hordeum vulgare TILLING platform of University of Silesia in Katowice), która składa się z około 10 000 osobników jęczmienia jarego. Każdy z nich charakteryzował się przypadkowymi zmianami w kodzie genetycznym dowolnego genu. Analizując otrzymaną populację mutantów, naukowcy w ramach projektu POLAPGEN szukali mutacji w obrębie genów związanych z odpowiedzią rośliny na stres suszy. W efekcie wstępnie rozpoznane i opisane zostały geny odpowiedzialne za reakcję obronną jęczmienia na niedobory wody. – Najpierw zatem identyfikowaliśmy wybrane geny, następnie, w oparciu o ich sekwencje, badaliśmy populację HorTILLUS pod kątem występowania zmiany nukleotydów w tym konkretnym genie – mówi naukowiec z Uniwersytetu Śląskiego.
Jęczmień z populacji HorTILLUS w szklarni Wydziału Biologii i Ochrony Środowiska UŚ
Fot. Sekcja Prasowa UŚ
W kontekście prowadzonych badań istotny był również opis funkcji zidentyfikowanych i wybranych do analizy genów. – Wyobraźmy sobie trybiki w mechanizmie zegarka. Kiedy jeden z elementów przestaje działać lub pracuje inaczej, wówczas zmienia się funkcjonowanie całego mechanizmu. Podobne procesy obserwujemy w przypadku mutacji w kodzie genetycznym. Wyłączenie lub zmodyfikowanie danego genu może skutkować zmianą w sposobie funkcjonowania organizmu żywego – w jego fenotypie, a na poziomie molekularnym może objawiać się zmienioną ekspresją genu oraz związanymi z nią zmianami w całej sieci sygnałowej komórki. My postanowiliśmy zanalizować funkcje genów biorących udział w reakcji jęczmienia na stres suszy – wyjaśnia genetyk.
Głównym przedmiotem zainteresowań dr Agaty Daszkowskiej-Golec stały się geny kodujące negatywne regulatory kwasu abscysynowego. – Jest to roślinny hormon stresu uczestniczący m.in. w reakcji rośliny na odwodnienie, hamujący jej pewne funkcje życiowe, takie jak kiełkowanie czy wzrost oraz przyczyniający się do starzenia się tkanek, obumierania owoców czy liści. Gdy roślina „wyczuwa”, że ilość wody w podłożu zaczyna być niewystarczająca, dochodzi do syntezy kwasu abscysynowego, w wyniku czego uruchamiane są różne mechanizmy obronne rośliny – tłumaczy naukowiec. Niektóre organizmy dojrzewają w przyspieszonym tempie, aby zdążyć wydać potomstwo. Inne próbują zatrzymać jak najdłużej wodę, aby przetrwać niesprzyjający dla nich okres. W tym celu zamykają aparaty szparkowe zlokalizowane w liściach, zapobiegając tym samym parowaniu wody. Niestety w wyniku tego działania ustaje również wymiana gazowa między organizmem roślinnym a środowiskiem zewnętrznym, w konsekwencji czego proces fotosyntezy nie zachodzi efektywnie i wraz z upływem czasu roślina obumiera.
Genetycy próbowali znaleźć zatem mutację pozwalającą badanemu organizmowi jak najdłużej funkcjonować w warunkach suszy. Odpowiedzią na te poszukiwania okazała się forma jęczmienia niosąca mutację genu CBP20, którą dr Daszkowska-Golec bada, realizując kierowany przez siebie projekt. Jak wyjaśnia, forma ta wykształciła niezwykle ciekawe mechanizmy obronne przed stresem suszy. Przede wszystkim zdecydowanie szybciej reaguje na zmianę warunków nawodnienia gleby i utrzymuje 30% więcej wody w liściach niż forma wyjściowa. Charakteryzuje się ponadto zmianami na poziomie morfologicznym w postaci większej liczby zlokalizowanych na liściach aparatów szparkowych, które są jednocześnie krótsze i szersze – w konsekwencji może zachować zdolność prowadzenia wymiany gazowej przy zwężeniu tych aparatów na wypadek suszy. W odpowiedzi na deficyt wody szybciej zwija liście, co dodatkowo chroni ją przed utratą nadmiernej ilości wody. Cechuje ją ponadto półkarłowość, a więc niższy wzrost.
– Obecnie próbujemy odkryć mechanizmy działania genu CBP20 w kaskadzie odpowiedzi na stres suszy zarówno u jęczmienia, jak i rzodkiewnika (Arabidopsis thaliana), m.in. z wykorzystaniem technik wysokoprzepustowego sekwencjonowania następnej generacji (NGS). Co niezwykle ciekawe w zagadce dotyczącej CBP20, to jego konserwowanie sekwencji – czyli wysokie podobieństwo na poziomie DNA, ale także białka pomiędzy takimi organizmami, jak drożdże, człowiek czy rośliny! Wiemy, że CBP20 w kompleksie z drugim białkiem CBP80 bierze udział w bardzo podstawowych procesach komórki związanych z metabolizmem RNA. Jak zatem działa w odpowiedzi na stres? Co się zmienia w regulacji? Chcemy dowiedzieć się m.in., w jaki sposób geny o zmienionej ekspresji u mutanta wchodzą w interakcje z innymi genami i co tak naprawdę jest regulowane przez CBP20. Tak jak wspominałam już wcześniej, jeśli ingerujemy w jeden z nich – tu mutacja w genie CBP20 l – zazwyczaj efekty obserwować można w całej sieci sygnałowej. Dodatkowo fakt, że jednocześnie prowadzimy badania na gatunku uprawnym – jęczmieniu oraz gatunku modelowym dla roślin dwuliściennych – rzodkiewniku, umożliwia nam określenie tych elementów szlaku odpowiedzi na stres, które są uniwersalne w królestwie roślin. To z kolei pozwala mieć nadzieję na uzyskanie wiedzy możliwej do zastosowania w przypadku innych gatunków roślin. W obliczu zagrożenia stresem suszy będzie to zatem istotna wiedza – komentuje dr Agata Daszkowska-Golec.
Naukowcy planują nawiązanie współpracy z hodowcami, by w porozumieniu z nimi, korzystając z ich wiedzy i doświadczenia, mogli prowadzić doświadczenia polowe mające na celu określenie plonu i cech morfologicznych formy niosącej mutację w genie CBP20 w warunkach naturalnych. Następnie rozpocznie się faza długoletnich eksperymentów, które pozwolą obserwować efekty realizowanych badań w praktyce. Wprowadzanie nowej odmiany jęczmienia do hodowli może potrwać nawet 10 lat. Dopiero wtedy – przy pozytywnych wynikach eksperymentu – uzyskana forma jęczmienia może być dostępna na rynku rolno-przemysłowym.
– Na koniec chciałabym jeszcze podkreślić, że nie mówimy tutaj o generowaniu roślinności transgenicznej. Nie wprowadzamy bowiem genów pochodzących z innych gatunków roślin, badamy jedynie zmieniony genotyp w obrębie jednego gatunku, jakim jest w naszym przypadku jęczmień – wyjaśnia dr Daszkowska-Golec. – Również groźnie brzmiąca mutageneza, w wyniku której otrzymaliśmy populację mutantów jęczmienia na potrzeby badań, jest konwencjonalną metodą uzyskiwania nowych odmian roślin [2] – podsumowuje genetyk z Uniwersytetu Śląskiego.
– Warto również podkreślić, że obecnie w Katedrze Genetyki prowadzimy bardzo zaawansowane analizy związane z kolejnymi formami jęczmienia o podniesionej tolerancji na stres suszy, które mamy nadzieję niebawem opublikować – dodaje.
Zespół naukowców pracujących nad rozwikłaniem zagadki roli CBP20 u jęczmienia i Arabidopsis w warunkach stresu suszy w ramach grantu SONATA finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki tworzą: kierownik Katedry Genetyki UŚ prof. zw. dr hab. Iwona Szarejko (opiekun naukowy), dr Agata Daszkowska-Golec (kierownik projektu), mgr Anna Skubacz, dr Marek Marzec, mgr Karolina Chwiałkowska, dr Beata Chmielewska oraz dr Miriam Szurman-Zubrzycka.
Dotychczas uzyskane wyniki zostały opublikowane w czerwcu 2017 roku w międzynarodowym czasopiśmie „Frontiers in Plant Science”.
[1] Dwunastu partnerów realizowało projekt „Narzędzia biotechnologiczne służące do otrzymywania zbóż o zwiększonej odporności na suszę”, finansowanego ze środków Unii Europejskiej w ramach Ogólnopolskiego Konsorcjum Naukowo-Przemysłowego Genetyki i Genomiki Stosowanej POLAPGEN w latach 2009–2015. Nadrzędnym celem przedsięwzięcia było dostarczenie hodowcom roślin narzędzi biotechnologicznych służących do uzyskania odmian zbóż odpornych na niedobór wody. Jednym z partnerów konsorcjum był Uniwersytet Śląski w Katowicach
[2] Jednym z przykładów odmian zboża uzyskanych w wyniku mutagenezy promieniami gamma jest pszenica durum, z której otrzymuje się m.in. makaron spaghetti.