Jeśli organizm roślinny przez pewien czas nie ma dostępu do wody, wówczas uruchamia wiele złożonych mechanizmów pozwalających mu bronić się przed negatywnymi skutkami czynnika stresowego. Zmiany te obserwowane są na wielu poziomach: począwszy od molekularnego, poprzez komórkowy aż po obejmujący cały organizm. Procesami obronnymi „zarządzają” wybrane geny, a naukowcy od wielu lat próbują zbadać te skomplikowane mechanizmy, aby otrzymać np. lepsze odmiany roślin uprawnych. Nowe formy jęczmienia bardziej odporne na suszę bada dr Agata Daszkowska-Golec, genetyk z Wydziału Biologii i Ochrony Środowiska UŚ.

Dr Agata Daszkowska-Golec z Wydziału Biologii i Ochrony Środowiska

– Odpowiedź roślin na stres suszy to niezwykle skomplikowany proces. Organizmy obierają wiele różnych strategii: może to być ucieczka polegająca np. na skróceniu okresu wegetacji, adaptacja do zastanych warunków lub tolerancja wynikająca z wykształcenia pewnych mechanizmów obronnych. Mnie interesuje przede wszystkim trzecia droga – mówi dr Agata Daszkowska- Golec, która od kilku lat zajmuje się identyfikacją i badaniem roli genów zaangażowanych w tolerancję suszy u jęczmienia jarego.

W Katedrze Genetyki UŚ w wyniku mutagenezy chemicznej odmiany Sebastian jęczmienia jarego otrzymano populację liczącą kilka tysięcy osobników – HorTILLUS (Hordeum vulgare TILLING platform of University of Silesia in Katowice), przy czym każdy z nich charakteryzował się różnymi zmianami w obrębie kodu genetycznego dotyczącego dowolnego genu. W otrzymanej populacji naukowcy szukali mutacji m.in. w tych genach, które w określony sposób wiążą się z obronną reakcją rośliny na stres suszy. Następnie podjęli próbę opisania działania wyselekcjonowanych genów. Wśród osobników populacji otrzymanej w wyniku mutagenezy chemicznej poszukiwane były przede wszystkim te, które pomimo stresu suszy wykazywały większą zawartość wody w liściu. Był to znak lepszej tolerancji rośliny na duże niedobory wody.

Zatrzymanie wody w liściu wynika m.in. z zamknięcia aparatów szparkowych przez roślinę. Konsekwencją tej reakcji jest destrukcja „maszynerii” odpowiedzialnej za przeprowadzanie fotosyntezy – jednego z najważniejszych i najbardziej podstawowych procesów biochemicznych zachodzących w komórkach roślinnych. Zmniejszenie wydajności fotosyntezy doprowadzające ostatecznie do śmierci rośliny wynika między innymi z uszkodzenia chlorofilu i białek budujących fotoukład.

– W formie wyjściowej jęczmienia w wyniku stresu suszy dochodziło do ponad sześćdziesięcioprocentowej redukcji wydajności tego procesu. Tymczasem okazało się, że u zidentyfikowanego przez nas mutanta w genie ERA1 (Enhanced response to ABA1) fotosynteza nie została zahamowana. Musieliśmy zbadać, dlaczego tak się stało. Podejrzewaliśmy, że odpowiedź na nasze pytanie może być ukryta w regulacji ekspresji genów – mówi laureatka stypendium.

Jednakże dopiero analizując transkryptom mutanta w genie ERA1, dr Agata Daszkowska-Golec odkryła, że doszło do podniesionej ekspresji ge- Dr Agata Daszkowska-Golec z Wydziału Biologii i Ochrony Środowiska Fot. Archiwum A. Daszkowskiej-Golec nów związanych z syntezą galaktolipidów odpowiadających za budowę błon w chloroplastach, a zatem w centrach, w których zachodzi proces fotosyntezy. Rozsypane kawałki zaczęły się układać w konkretny obraz.

– Wiedzieliśmy przecież, że „maszyneria” fotosyntezy znajduje się w chloroplastach, organellach komórkowych zawierających ten konkretny rodzaj tłuszczów zwanych galaktolipidami. To one ochraniają chloroplasty, a ich synteza prawdopodobnie jest negatywnie sterowana białkiem kodowanym przez gen ERA1, który (szczęśliwie) uległ mutacji u badanej formy jęczmienia – mówi badaczka.

Kolejnym krokiem będzie analiza chemicznego składu galaktolipidów realizowana wraz ze specjalistami z Katedry Mikrobiologii UŚ. Wyniki pomiarów pozwolą jednoznacznie potwierdzić tezę o lepszej ochronie błon chloroplastów poprzez zwiększoną liczbę lipidów, co wydaje się kluczem do zrozumienia lepszej tolerancji formy jęczmienia z mutacją genu ERA1 na suszę.

Część badań realizowana będzie również we współpracy z naukowcami z Finlandii i Włoch w ramach przygotowywanych wniosków grantowych. Nawiązana została ponadto współpraca ze stacją hodowlaną Danko specjalizującą się w hodowli nowych odmian oraz produkcji nasion elitarnych roślin rolniczych.

– Otrzymany przez nas materiał, bardziej tolerancyjny na działanie suszy, został już wysiany w środowisku naturalnym w Wielkopolsce, a także na eksperymentalnych polach o ściśle kontrolowanych warunkach upraw. Dzięki temu będziemy mogli sprawdzić w ciągu kilku najbliższych lat, jaki docelowo plon dają otrzymane przez nas formy jęczmienia, aby w przyszłości rozważyć także możliwość krzyżowania ich ze znanymi odmianami elitarnymi, wysokoplonującymi i polecanymi przez hodowców – podsumowuje dr Agata Daszkowska-Golec.