|Małgorzata Kłoskowicz|
Dwa rozwiązania, które pomogą przyspieszyć proces otrzymywania nowych odmian jęczmienia o kilka lat, opracowali naukowcy z Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.
Efektem wieloletnich badań jest nowy sposób izolacji i inicjacji kultury in vitro mikrospor z wykorzystaniem wcześniejszego stadium rozwoju jęczmienia jarego.
– Przedmiotem naszych zainteresowań był proces androgenezy. Jest to niezwykle ciekawe zjawisko pozwalające regenerować roślinę z niedojrzałego ziarna pyłku, czyli mikrospory – mówi dr Monika Gajecka z Wydziału Nauk Przyrodniczych UŚ, współautorka odkrycia.
W normalnych warunkach takie mikrospory rozwijają się w dojrzałe ziarno pyłku, to jest w gametofit męski. Aby doszło do rozmnożenia rośliny konieczny jest proces zapylania, który w przypadku jęczmienia polega na przenoszeniu owych ziaren pyłku na słupek. Istnieje jednak pewna alternatywna ścieżka, upraszczająca ten proces, co może mieć szczególne znaczenie w hodowli odmian roślin uprawnych o dużym znaczeniu gospodarczym.
– Mamy możliwość przeprogramowania drogi rozwoju ziarna pyłku we wczesnym stadium jego rozwoju. Jeśli zadziałamy odpowiednim czynnikiem stresowym na mikrospory, a zatem owe niedojrzałe ziarna pyłku, wówczas nie dojrzeją, lecz mogą rozwinąć się w roślinę – mówi naukowiec.
Aby uzyskać taki efekt biolodzy pobierają mikrosporę znajdującą się w odpowiednim stadium. Potrzebny im jest niedojrzały kłos jęczmienia, który potem zostaje poddany dwóm rodzajom czynników stresowych.
W pierwszym przypadku ścięte źdźbła są wkładane do lodówki na dwa tygodnie, dzięki czemu ulegają przechłodzeniu. Następnie niedojrzałe kłosy są delikatnie wyciągane z pochewki, po czym są blendowane w specjalnym urządzeniu – w taki sposób, aby nie uszkodzić mikrospor. Na tym polega ich izolacja. Kolejnym krokiem jest inicjacja kultury in vitro. W kontrolowanych warunkach przy dostarczaniu odpowiednich składników odżywczych w pożywce indukuje się rozwój zarodków jęczmienia, a następnie ją regeneruje.
– W zarodku dochodzi do tak zwanej specyfikacji rośliny, co oznacza, że w jego biegunie aplikalnym pojawia się pęd, a w bazalnym – korzeń. Ten opisany w dużym skrócie proces nazywamy właśnie regeneracją – wyjaśnia naukowiec.
W przypadku drugiego podejścia, polegającego na zastosowaniu innego czynnika stresowego kolejność działań jest nieco odmienna. Ze świeżego ściętego źdźbła jęczmienia wyciągany jest od razu niedojrzały kłos z mikrosporami, które są następnie izolowane i wkładane do odpowiednio przygotowanej pożywki, która dostarcza tylko pewnych składników odżywczych. W tym przypadku nie ma więc fazy przechłodzenia komórek, lecz dochodzi do ich głodzenia.
Następnie w ciągu kilku tygodni taka pożywka jest kilkukrotnie zmieniana, aby można było odpowiednio sterować rozwojem rośliny i po około 6 tygodniach zaobserwować kiełkujące zarodki.
– W obu przypadkach obserwujemy przeprogramowanie, w wyniku czego z mikrospory możemy uzyskać od razu nową roślinę, a nie jak w przypadku naturalnie zachodzącego procesu, dojrzałe ziarno pyłku – komentuje biolog.
fot. archiwum dr Moniki Gajeckiej
– Nasze rozwiązania są bardzo ważne dla hodowli roślin. Dzięki opisanemu i zbadanemu procesowi jesteśmy w stanie przyspieszyć czas potrzebny na wprowadzanie nowych odmian zbóż, takich jak jęczmień. A dokładniej rzecz ujmując, dzięki zastosowaniu produkcji linii homozygotycznych, która w kulturze mikrospor zachodzi spontanicznie poprzez podwojenie haploidalnego genomu mikrospory, możemy skrócić żmudny ośmioletni proces do zaledwie dwóch lat. Pomijamy bowiem jeden z kluczowych etapów rozmnażania roślin, czyli zapłodnienie i kilkuletni cykl krzyżowań – podkreśla dr Monika Gajecka, współautorka rozwiązania.
Naukowcy musieli rozwiązać jeszcze jeden istotny problem. Otóż rośliny powstające w kulturze in vitro powinny być zielone, aby mogły przeprowadzać proces fotosyntezy. Tymczasem podczas kultury in vitro w tych kultura często dochodzi do zaburzeń rozwojowych chloroplastów na wczesnym etapie różnicowania. Powstałe w ten sposób organizmy są więc albinotyczne, białe, pozbawione chlorofilu i tym samym niezdolne do samodzielnego pobierania substancji odżywczych poza ściśle kontrolowanym środowiskiem kultury in vitro.
– Wszystko uzależnione jest od genotypu. Pewne odmiany jęczmienia będą produkowały tylko zielone rośliny, inne – tylko rośliny albinotyczne. Naszym celem było znalezienie rozwiązania, dzięki któremu dla wszystkich odmian byłaby możliwość produkcji zielonych roślin zdolnych do rozwoju poza kulturą in vitro. Cel ten osiągnęliśmy – podkreśla dr Monika Gajecka.
Opracowany przez biologów sposób izolacji i inicjacji kultury in vitro mikrospor umożliwia produkcję roślin zielonych wszystkich odmian, nawet tych, które we wcześniejszych badaniach wykazywały bardzo wysoki poziom regeneracji tzw. roślin albinotycznych.
Kluczowe okazało się stadium rozwoju rośliny, w którym izoluje się mikrospory i poddaje je traktowaniu czynnikem stresowym, w celu ich przeprogramowania.
– Wiele przeprowadzonych eksperymentów, także w ramach mojej rozprawy doktorskiej, pisanej po kierunkiem pani prof. Iwony Szarejko, pozwoliło wskazać, co tak naprawdę determinuje u roślin regenerację roślin albinotycznych. Istotną rolę odgrywają w tym procesie plastydy. Inicjowaliśmy kulturę in vitro w określonych momentach rozwoju roślin. Gdy plastydy zdążyły już różnicować się w amyloplasty, wówczas roślina regenerowała albinotycznie. Jeśli jednak jeszcze do tego nie doszło, wtedy uzyskiwaliśmy rośliny zielone. To był przełom – wyjaśnia badaczka.
– Gdy odkryliśmy tę kluczową zależność, wystarczyło już tylko wskazać odpowiedni moment inicjacji kultury in vitro. Dzięki temu teraz możemy być dumni z osiągnięcia imponujących wyników wysokiej regeneracji roślin zielonych, bez względu na odmianę jęczmienia – dodaje.
Opracowane na podstawie wieloletnich badań rozwiązania zostały objęte ochroną patentową. Autorami dwóch wynalazków są: dr Monika Gajecka, prof. dr hab. Iwona Szarejko, dr Beata Chmielewska, mgr Janusz Jelonek i Justyna Zbieszczyk.
Naukowcy z Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach opracowali nowe sposoby izolacji i inicjacji kultury in vitro mikrospor z wykorzystaniem wcześniejszego stadium rozwoju jęczmienia jarego, dzięki którym proces otrzymywania nowych odmian tego zboża może być przyspieszony nawet o kilka lat | fot. dr Monika Gajecka