Wprawne oko gospodarza doglądającego swoje zboża tuż przed żniwami może dostrzec wśród tysiąca podobnych do siebie roślin jęczmienia takie, które zawierają nawet dwukrotnie większą liczbę kłosów. Na twarzy gospodarza zapewne pojawi się uśmiech, wie bowiem, że to dobry znak! A teraz wyobraźmy sobie pole, na którym uprawiane są tylko tak bogate w kłosy zboża. Być może już wkrótce dzięki badaniom prowadzonym w Katedrze Genetyki (WBiOŚ UŚ) marzenie każdego gospodarza stanie się rzeczywistością.

Mgr Marek Marzec przygotowuje próbki do analizy obecności zmutowanego allelu

Jak czterolistna koniczyna

– Występowanie w przyrodzie zbóż o ponadprzeciętnej liczbie kłosów nie jest niczym zaskakującym, chociaż w środowisku naturalnym występuje stosunkowo rzadko. Możemy je porównać do czterolistnej koniczyny, którą próbujemy czasem znaleźć w morzu zieleni. W obu przypadkach mamy do czynienia z mutacją konkretnej rośliny – mówi mgr Marek Marzec, doktorant w Katedrze Genetyki (WBiOŚ), kierownik projektu badawczego wykorzystującego chemiczną mutagenezę jęczmienia. – Musimy pamiętać o tym, że każdy żywy organizm podczas swojego rozwoju może mutować. Naszym zadaniem jest badanie występujących w przyrodzie procesów wpływających na zmiany w sekwencji DNA, próba ich zrozumienia i dalszego wykorzystania – dodaje badacz. Chodzi o uzyskanie formy hodowlanej jęczmienia, która dawałaby wyższe plony dzięki silniejszemu rozkrzewieniu i większej liczbie kłosów z ziarniakami (popularnie zwanych ziarnami). Kluczem do osiągnięcia sukcesu jest identyfikacja mutantów strigolaktonowych i próba ich wykorzystania w programach hodowlanych jęczmienia zwyczajnego.

Hordeum vulgare

Zacznijmy jednak od kryterium wyboru rośliny do badań. Jak wyjaśnia mgr Marzec, na decyzję o wyborze jęczmienia zwyczajnego (Hordeum vulgare) jako tematu przewodniego badań, w tym rozprawy doktorskiej, wpłynęły dwa fakty. Po pierwsze, jęczmień jest jedną z najważniejszych roślin uprawnych na świecie (piątą co do wielkości uprawy), co sprawia, że badania nad kontrolą genetyczną jej rozwoju są niezwykle istotne. Po drugie, w Katedrze Genetyki, w której pracuje mgr Marzec, od kilkudziesięciu lat prowadzone są badania nad tym właśnie gatunkiem, w związku z czym doktorant mógł korzystać z bogatych doświadczeń innych naukowców oraz z wypracowanych narzędzi badawczych.

– Trzeba rozróżnić badania prowadzone przeze mnie w ramach rozprawy doktorskiej i te, które realizowane były w postaci projektu badawczego finansowanego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej (program dla młodych badaczy Ventures). Łączy je przedmiot zainteresowań, którym jest właśnie jęczmień – mówi doktorant. Pierwsze z nich, realizowane pod opieką prof. zw. dr hab. Iwony Szarejko, koncentrują się wokół włośników, czyli wypustek korzenia zwiększających jego powierzchnię chłonną. W przyszłości wiedza ta będzie mogła być wykorzystana do stworzenia odmian jęczmienia bardziej odpornych na niedobory wody bądź substancji odżywczych. Jak wyjaśnia badacz, na początku badań opisano mechanizm powstawania układu komórek epidermy korzenia jęczmienia. – Nasze badania pokazały, że u jęczmienia jesteśmy w stanie rozróżnić dwa typy komórek: mniejsze (trichoblasty) oraz większe (atrichoblasty), i tylko te mniejsze zdolne są do produkcji wypustek – komentuje mgr Marzec. Pojawiły się więc kolejne pytania dotyczące źródła różnicowania owych komórek w epidermie korzenia. Dalsze badania dowiodły, że w przypadku jęczmienia ostatni podział komórek jest symetryczny i dopiero później jedna z nich zaczyna rosnąć szybciej, a druga wolniej. Ta, która rozwija się wolniej, może produkować włośniki.

Kolejny etap badań dotyczył poszukiwania białek zaangażowanych w wytwarzanie włośników i ich wzrost. Większość eksperymentów tej części badań prowadzona była w niemieckich laboratoriach zespołu Structural Cell Biology z Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) z Gatersleben. Współpraca z tą grupą została nawiązana przez doktoranta na początku studiów i umożliwiła wykorzystanie technik obejmujących mikroskopię konfokalną czy też elektronową mikroskopię transmisyjną i skaningową. Kierownik niemieckiego zespołu, dr Michael Melzer, został powołany na promotora pomocniczego rozprawy doktorskiej mgr. Marca. – Udało nam się opisać białko, które odpowiada za wzrost i rozwój włośników. Wciąż jednak szukamy odpowiedzi na pytanie, w jaki sposób ono działa... – mówi doktorant. Jeśli w przyszłości uda się poznać owe mechanizmy, zapewne będzie można stworzyć nową formę jęczmienia o zwiększonej powierzchni chłonnej korzenia. Jak przyznaje mgr Marzec, jest to jednak dalsza perspektywa badawcza.

Mutant jęczmienia i odmiana wyjściowa „Sebastian”, z której został on wyprowadzony

Strigolaktony

Badania prowadzone w ramach programu Ventures (FNP), których kierownikiem był mgr Marzec, również dotyczyły jęczmienia, a konkretnie grupy fitohormonów zwanych strigolaktonami. – Warunkiem wzięcia udziału w konkursie dla młodych badaczy było zaproponowanie badań, których wyniki będą miały znaczący wpływ na gospodarkę. Już wtedy, w 2011 roku, wiedziałem, że droga od opisywanych przeze mnie włośników do nowej formy jęczmienia jest dosyć daleka, dlatego postanowiłem przyjrzeć się równolegle strigolaktonom – mało znanej grupie związków odpowiedzialnych za regulację wzrostu i rozwoju roślin – mówi doktorant. O odkryciu owych fitohormonów dowiedział się podczas rozmowy z prof. zw. dr. hab. Mirosławem Małuszyńskim, poprzednim kierownikiem Katedry Genetyki. Wspólnie doszli do wniosku, że to właśnie ten temat zainteresuje członków FNP, i nie mylili się. Stawka jest wysoka. Jeśli otrzymane wyniki się potwierdzą, być może już wkrótce zostanie zarejestrowana nowa odmiana jęczmienia z mutacją w genie kodującym białko szlaku sygnalizacji strigolaktonów, o niższych źdźbłach, silniejszym rozkrzewieniu i nawet dwukrotnie wyższej liczbie ziarniaków w kłosie.

– Badaniem strigolaktonów zająłem się z ogromnym entuzjazmem, bo to było fascynujące odkrycie! Myśleliśmy, że znamy już wszystkie hormony, tymczasem zaledwie kilka lat temu została zidentyfikowana zupełnie nowa ich grupa. Jeszcze wtedy nie wiedzieliśmy dokładnie, jakie jest ich znaczenie dla rozwoju roślin – mówi mgr Marzec.

Historia badań nad strigolaktonami rozpoczęła się od poszukiwania substancji wydzielanej przez korzeń rośliny i stymulującej kiełkowanie nasion roślin pasożytniczych z rodzaju: Striga, Orobanche i Alectra, „wysysających” z żywiciela wodę oraz substancje odżywcze. – Tylko w Afryce roczne straty powodowane przez rodzaj Striga sp. wyceniane są na 10 miliardów dolarów. Naturę tych roślin najlepiej oddaje ich polska nazwa „strzyga” oznaczająca demona z podań słowiańskich wysysającego z ofiary krew i wyżerającego jej wnętrzności. Od nazwy tych pasożytów pochodzi również pierwszy człon terminu strigolakton – wyjaśnia doktorant.

Przełom w badaniach nowej grupy fitohormonów nastąpił w 2008 roku, gdy zespoły badaczy z Japonii oraz Holandii opublikowały w prestiżowym czasopiśmie „Nature” prace opisujące wpływ strigolaktonów na nadziemne części roślin. Udowodniono, że wraz z innymi hormonami decydują one o liczbie rozgałęzień pędu oraz wysokości całej rośliny. Pierwsze badania dotyczące strigolaktonów prowadzone były na gatunkach modelowych, takich jak ryż, rzodkiewnik, groch czy pomidor. Polscy badacze korzystają z tych danych i próbują zdobytą już wiedzę „przetestować” na jęczmieniu. Najważniejsze zadanie dotyczy zatem zidentyfikowania genów odpowiedzialnych za wytwarzanie strigolaktonów bądź odbieranie ich sygnału i następnie ich wyłączenie.

Kierunek: pole

– W ramach projektu analizowaliśmy sześć takich genów i obecnie kontynuujemy nasze badania, podążając dwiema równoległymi ścieżkami. Pierwsza może doprowadzić do zarejestrowania nowej odmiany badanego zboża, druga zatrzymuje się na etapie krzyżowania nowej formy ze znanymi odmianami – wyjaśnia mgr Marzec. Został już zidentyfikowany pierwszy interesujący mutant, czyli roślina o zaburzonym śladzie sygnalizacji strigolaktonów. Można zatem sprawdzać, czy w przypadku jęczmienia hormony te działają tak samo, jak w innych badanych na świecie gatunkach, oraz to, w jaki sposób wpływają na otrzymaną formę czynniki stresogenne. Badania przeprowadzane są w laboratoriach, w szklarni oraz w warunkach naturalnych na polu doświadczalnym w Boguchwałowicach.

– Jęczmień, z którym pracujemy, pochodzi z populacji otrzymanej po chemicznej mutagenezie. Znaczną liczbę ziarniaków potraktowaliśmy substancją, która powoduje punktowe mutacje w genomie i później sprawdzaliśmy efekt tych mutacji. Ze względu na wykorzystywanie mechanizmu naturalnych procesów nie ma żadnych przeciwwskazań dla wprowadzania takich roślin do uprawy, dlatego po zakończeniu projektu wysłaliśmy informację z wynikami naszych badań do krajowych stacji hodowli roślin uprawnych. Dwie z nich wyraziły zainteresowanie naszymi pracami – tłumaczy doktorant. Hodowcy, którzy zasiali tak przygotowane nasiona, potwierdzili obserwacje dokonane wcześniej przez biologów. Otrzymali niższe, półkarłowe rośliny charakteryzujące się silniejszym rozkrzewieniem. W tej chwili przygotowywane są większe pod względem areału wysiewy oraz testy odporności nowych form jęczmienia na pasożyty i inne stresogenne czynniki. Na efekty prac trzeba będzie jeszcze poczekać, tymczasem mgr Marek Marzec przygotowuje kolejne publikacje naukowe prezentujące wyniki badań, by już wkrótce publicznie obronić rozprawę doktorską.