3 czerwca 2024r. na łamach portalu Onet ukazał się artykuł podejmujący temat wykorzystania nowoczesnych technik genomowych (NGT) w celu wytworzenia odmian zbóż odpornych na suszę.
Narastający problem suszy i wynikające z niego straty w plonach zbóż stanowią najważniejsze wyzwanie dla nowoczesnego rolnictwa [Dietz et al., 2021]. Zgodnie z raportami OECD i FAO, każdego roku wzrasta zapotrzebowanie na zboża, lecz ograniczona powierzchnia gruntów uprawnych wymaga maksymalizacji plonów z dostępnych obecnie pól. W Polsce produkcja zbóż jest stabilna, jednak nie zaspokaja wzrastającego zapotrzebowania.
W latach 2019-2023 susza rolnicza dotknęła wszystkie województwa, a w niektórych regionach zagrożenie objęło 100% gmin. Szacuje się, że 38% gleb jest okresowo lub trwale suchych. W 2023 roku susza wpłynęła na wszystkie monitorowane uprawy, w największym stopniu dotykając kukurydzę, krzewy owocowe, rośliny strączkowe, zboża jare i ozime oraz warzywa gruntowe [www.iung.pl]. Prognozy klimatyczne przewidują dalsze zmniejszenie opadów i wzrost temperatur, co zwiększa ryzyko wystąpienia suszy [State of the Climate in Europe 2022, WMO/C3S].
W celu złagodzenia strat spowodowanych przez suszę, istnieją dwa potencjalne rozwiązania: wprowadzenie odmian roślin tolerancyjnych na deficyt wody oraz rozwój systemów monitorowania wilgotności gleby połączonych z systemami nawadniającymi. Jednakże, nawadnianie upraw zbóż w Polsce jest niepraktyczne ze względu na koszty i malejące zasoby wodne [Zinkernagel et al., 2020]. Zatem rozwój odmian zbóż o zwiększonej tolerancji na stres suszy jest kluczowy dla zrównoważonego rolnictwa [Thudi et al., 2021].
Stacje hodowli w Polsce prowadzą programy hodowlane, mające na celu wyprowadzenie odmian zbóż odpornych na suszę [Rybka i Nita, 2014, 2015; Bocian i Nadolska-Orczyk, 2023]. Selekcja roślin jest jednak trudna ze względu na konieczność testów w kontrolowanych warunkach. Badania Zespołu Genetyki i Genomiki Funkcjonalnej Roślin z Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach wskazały dotąd kilka genów, których funkcja jest kluczowa w kształtowaniu odpowiedzi na stres niedoboru wody u jęczmienia zwyczajnego. Wykazano, że mutacje genetyczne – a więc zmiany w DNA – mogą znacząco wpłynąć na tolerancję roślin na niedobór wody. Przykładowo, zmiana w genie HvABI5 zwiększa tolerancję jęczmienia na suszę, a mutacja w HvERA1 chroni fotosyntezę podczas suszy. Natomiast mutacja w genie HvD14 obniża tolerancję na stres suszy, pokazując, jak niewielkie zmiany genetyczne mogą wpływać na adaptację roślin [Collin et al., 2020; Daszkowska-Golec, 2018; Marzec et al., 2020; Daszkowska-Golec et al., 2023]. Globalne analizy ekspresji genów u jęczmienia prowadzone w oparciu o wysokoprzepustowe sekwencjonowanie transkryptomu pozwoliły na identyfikację genów kluczowych dla odpowiedzi na suszę. Modyfikacje tych genów mogą poprawić tolerancję roślin na deficyt wody, a ich funkcjonalna analiza może poszerzyć wiedzę o mechanizmach adaptacji roślin i wprowadzić nowe allele do programów hodowlanych.
Nowoczesne techniki genomowe (NGT), takie jak CRISPR-Cas9, mogą radykalnie zmienić rolnictwo, umożliwiając precyzyjne kształtowanie cech roślin w oparciu o edycję genomu. Jednak zmiany, które powstają wskutek wykorzystanie NGT są identyczne ze zmianami pojawiającymi się naturalnie. Stąd rośliny uzyskane na drodze zastosowania NGT nie są organizmami modyfikowanymi genetyczne (GMO) są to takie same rośliny, jak te uzyskiwane na drodze klasycznych programów hodowlanych.
Co ważne NGT są bardzo bogatą grupą technik, które mogą być wszechstronnie wykorzystane w nowoczesnej hodowli i rolnictwie. Rozwój nowych, ulepszonych odmian również pod kątem zwiększonego plonowania czy odporności na choroby jest niezbędnym elementem zrównoważonego rolnictwa. Takiego, które pozwala na uzyskanie satysfakcjonujących zbiorów przy jednoczesnym minimalizowaniu jego negatywnych skutków na środowisko. Lepsze, silniejsze odmiany roślin uprawnych wymagają mniejszych dawek nawozów czy zabiegów pielęgnacyjnych obejmujących stosowanie środków ochrony roślin, przez to ich uprawa jest mniej inwazyjna dla lokalnych ekosystemów.
Współpraca naukowców, decydentów, rolników i społeczności na całym świecie jest kluczowa dla zapewnienia trwałych korzyści z nowych technologii genetycznych. W kontekście tych potrzeb na Wydziale Nauk Przyrodniczych Uniwersytetu Śląskiego powołano Centrum Badawcze Nowoczesnych Technik Genomowych. Naukowcy tworzący Centrum prowadzą badania w trzech dyscyplinach: w naukach biologicznych, prawnych i psychologii. Zespół w ramach działań Centrum koncentrować się zamierza na trzech obszarach:
- Rozwój narzędzi NGT i metod otrzymywania nowych odmian roślin, szczególnie zbóż, obejmujących selekcję, charakterystykę genotypów i rozróżnianie roślin NGT od GMO.
- Edukacja społeczeństwa w zakresie NGT oraz monitorowanie postaw wobec tych technologii, w tym kampanie społeczne zwiększające świadomość różnic między NGT a GMO oraz zmniejszanie niepokojów związanych z nowoczesnymi technikami w produkcji żywności.
- Zagadnienia legislacyjne związane z badaniami, uwalnianiem roślin NGT do środowiska, dopuszczeniem materiału siewnego do obrotu oraz ochroną prawną nowych odmian.
Referencje:
Angon PB, Mondal S, Akter S, Sakil MdA, Jalil MdA. 2023. Roles of CRISPR to mitigate drought and salinity stresses on plants. Plant Stress 8, 100169
Bocian J, Nadolska-Orczyk A. 2023. Udział genów biosyntezy cytokinin w determinacji wysokości plonu pszenicy. Biuletyn Instytutu Hodowli i Aklimatyzacji Roślin, 57–65
Collin A, Daszkowska-Golec A, Kurowska M, Szarejko I. 2020. Barley ABI5 (Abscisic Acid INSENSITIVE 5) Is Involved in Abscisic Acid-Dependent Drought Response. Frontiers in Plant Science 11, 1138
Daszkowska-Golec A, Skubacz A, Sitko K, Słota M, Kurowska M, Szarejko I. 2018. Mutation in barley ERA1 (Enhanced Response to ABA1) gene confers better photosynthesis efficiency in response to drought as revealed by transcriptomic and physiological analysis. Environmental and Experimental Botany 148, 12–26
Daszkowska-Golec A, Mehta D, Uhrig RG, Brąszewska A, Novak O, Fontana IM, Melzer M, Płociniczak T, Marzec M. 2023. Multi-omics insights into the positive role of strigolactone perception in barley drought response. BMC Plant Biology 23, 445
Dietz K ‐J., Zörb C, Geilfus CM. 2021. Drought and crop yield. Plant Biology 23, 881–893
Marzec M, Daszkowska-Golec A, Collin A, Melzer M, Eggert K, Szarejko I. 2020. Barley strigolactone signaling mutant hvd14.d reveals the role of strigolactones in ABA-dependent response to drought. Plant, Cell & Environment 43, 2239-2253
Rybka K, Nita Z. 2014. Nowoczesne fenotypy zbóż do uprawy na obszarach zagrożonych suszą. Biuletyn Instytutu Hodowli i Aklimatyzacji Roślin, 55–72
Rybka K, Nita Z. 2015. Physiological requirements for wheat ideotypes in response to drought threat. Acta Physiologiae Plantarum 37, 97
Thudi M, Palakurthi R, Schnable JC, et al. 2021. Genomic resources in plant breeding for sustainable agriculture. Journal of Plant Physiology 257, 153351
Zinkernagel J, Maestre-Valero JoseF, Seresti SY, Intrigliolo DS. 2020. New technologies and practical approaches to improve irrigation management of open field vegetable crops. Agricultural Water Management 242, 106404