Kiedy zaczynała karierę naukowca, w Polsce nikt jeszcze nie zajmował się tą małą, niepozorną rośliną. Dopiero za sprawą promotora, prof. Mirosława Małuszyńskiego, który w latach 80. XX wieku przywiózł ze stażu w Belgii małe nasionka, rozpoczęła swoją przygodę z Arabidopsis thaliana – rzodkiewnikiem pospolitym.

Prof. dr hab. Małgorzata Gaj

– Wszyscy w Europie o tym mówią. Zrób coś z tą rośliną – wspomina słowa swojego dawnego szefa prof. dr hab. Małgorzata Gaj, genetyczka i biotechnolożka roślin z Wydziału Nauk Przyrodniczych UŚ. Posłuchała go i na kolejne długie lata związała karierę naukową z Arabidopsis. Wkrótce badania nad nią znalazły się w centrum zainteresowania genetyki, a – wraz z rozwojem biologii molekularnej – genomiki roślin. Obecnie w kilku ośrodkach w Polsce i setkach na świecie bada się tę roślinę.

Bezcenny chwast

Ta niepozorna, spotykana przy drogach roślina, może w pierwszej chwili wydawać się dziwnym wyborem naukowców. W końcu nie jest rośliną uprawną, tylko chwastem. Spokrewniona z kapustą, choć do niej niepodobna, ma jednak wiele cech niezwykle przydatnych dla biologa, a szczególnie genetyka. Jest stosunkowo niewielka, co sprawia, że można ją uprawiać w dużej ilości na małej przestrzeni. Łatwo się ją pielęgnuje, a do tego jest samopylna i ma szybki cykl życiowy – już po 6 tygodniach może wydać liczne potomstwo, dochodzące do kilku tysięcy nasion.

– Najważniejsze dla genetyka molekularnego walory tej rośliny kryją się w DNA. A. thaliana była pierwszą rośliną wyższą, której DNA zsekwencjonowano już w 2000 roku. Udało się tego dokonać tak dawno dzięki niespotykanie małemu genomowi Arabidopsis. Rośliny wyższe mają zwykle dużo większe genomy – np. u zbóż niosą w DNA ok. 2–17 miliardów par zasad (genom człowieka zawiera ich 3 miliardy). Tymczasem rzodkiewnik posiada zaledwie 120 mln par zasad – wyjaśnia prof. Małgorzata Gaj.

Ta unikatowa właściwość genomu Arabidopsis znacznie ułatwia identyfikację i analizę funkcji genów roślin. Stąd też ten niepozorny chwast stał się modelowym gatunkiem do badania genów u roślin dwuliściennych.

Fenomen rośliny

Wykorzystując Arabidopsis, badaczka z WNP od lat zajmuje się identyfikacją i analizą funkcji genów umożliwiających regenerację roślin w warunkach kultur in vitro. Techniki te pozwalają na wytworzenie wiernej kopii genetycznej organizmu. Prof. Małgorzata Gaj podkreśla, że pojęcie klonowania stało się bardzo medialne w kontekście zwierząt i wzbudza wiele emocji oraz kontrowersji w odniesieniu do człowieka. O wiele mniej uwagi poświęca się klonowaniu roślin, choć jest to technika od lat stosowana w biotechnologii roślin m.in. do produkcji okazów ozdobnych. Jeśli idziemy do kwiaciarni z zamiarem zakupu goździków, orchidei czy chryzantem, to możemy być prawie pewni, że otrzymamy rośliny powstałe na drodze klonowania.

Znamy różne sposoby rozmnażania roślin w naturze. Poza generatywnym (poprzez nasiona), możliwe jest także rozmnażanie wegetatywne (rozwój rośliny z fragmentu okazu macierzystego). W latach 50. XX wieku dowiedziono, że także w warunkach laboratoryjnych metodami kultur in vitro możemy odtworzyć roślinę z niewielkich fragmentów tkanek (tzw. eksplantatów), a nawet z izolowanych komórek.

Kultura in vitro tkanek Arabidopsis

Regenerowane rośliny mogą powstawać z zarodków wytwarzanych w kulturze in vitro. Inaczej niż w naturze, zarodki te tworzą się z innych niż gamety komórek organizmu, z tzw. komórek somatycznych budujących tkanki rośliny w pędzie i korzeniu. W odróżnieniu od występujących w nasionach zarodków zygotycznych te powstające np. z komórek liścia nazywamy somatycznymi. Powstają z nich klony rośliny macierzystej. Zdolność do somatycznej embriogenezy to fenomen unikalny dla roślin.

– Naukowców ciekawi mechanizm molekularny tego procesu. Genetycy pytają np., które geny odpowiadają za to, że komórki somatyczne pełniące wcześniej różne funkcje w roślinie, w specyficznych warunkach kultury in vitro, zmieniają swoją dotychczasową tożsamość i przekształcają się w komórki embriogeniczne – tłumaczy prof. Małgorzata Gaj.

Indukcja procesu somatycznej embriogenezy wymaga zapewnienia specyficznych warunków kultury in vitro, które różnią się zależnie od gatunku rośliny, jej genotypu, a nawet typu i wieku indukowanej tkanki. Prof. Małgorzata Gaj przywołuje postać austriackiego botanika Gottlieba Haberlandta, uznawanego za ojca idei klonowania roślin, który już na początku XX wieku poszukiwał sposobów na zainicjowanie regeneracji w kulturach in vitro. Eksperymentował z różnymi pożywkami, chcąc na nich pobudzić do rozwoju odcięte fragmenty roślin. Dziś wiemy, że poza oczywistymi składnikami, niezbędnymi roślinom do rozwoju, jak woda oraz sole mineralne, niezwykle ważne są hormony roślinne, czyli fitohormony. Pierwszy z nich, auksynę, poznano w 1937 roku, a kolejne, cytokininy, w latach 50. XX wieku. Odtąd te dwa typy fitohormonów są powszechnie wykorzystywane w pożywkach. Poprzez dobranie stężeń fitohormonów oraz pozostałych warunków kultury możemy sterować rozwojem komórek roślin.

Choć w teorii klonowanie roślin wydaje się dla wielu gatunków procedurą prostą, w praktyce jest ono wymagające i bywa przyczyną frustracji młodych biotechnologów. Zdarza się, że na pożywce zamiast zregenerowanych roślin rosną kolonie grzybów lub bakterii, które są efektem zakażenia kultury mikroorganizmami. Niezwykle ważne są skuteczna sterylizacja materiału roślinnego, pożywek i stosowanych narzędzi. Istotna jest także aklimatyzacja do warunków wzrostu poza laboratorium.

– Jest to proces czasochłonny, podczas którego regeneranty przenosimy z pożywki do ziemi i stopniowo przystosowujemy do nowych warunków życia, w tym światła i wilgotności tak, aby zdolne były rozwijać się w pełnowartościowe rośliny – wyjaśnia prof. Małgorzata Gaj.

Taki sposób produkcji roślin – poprzez mikropropagację – stwarza możliwość uzyskania w stosunkowo krótkim czasie ogromnej liczby identycznych genetycznie roślin potomnych wyprodukowanych z niewielkiej ilości tkanki rośliny matecznej. Dzięki temu procesowi pozyskiwanie różnych kwiatów, ale też drzew i krzewów stało się bardziej powszechne, efektywne i opłacalne. Istotna jest również wysoka jakość zdrowotna produkowanych w ten sposób roślin. Możliwe jest uzyskanie zdrowych, pozbawionych wirusów okazów nawet z materiału pobranego od zarażonej wirusami rośliny dawcy. Prof. Małgorzata Gaj zaznacza jednak, że warunkiem jest ich regeneracja z mikroskopijnego fragmentu merystemu wierzchołkowego.

Zielony baby boom

Poza produkcją roślin na rynek istnieją inne powody zainteresowania biotechnologów regenerowaniem roślin w kulturze in vitro. – Mikropropagacja zbóż dla celów produkcyjnych nie miałaby żadnego ekonomicznego sensu. Jednakże także u zbóż efektywne techniki kultur in vitro są bardzo ważne, ponieważ są one składową metod stosowanych do genetycznego modyfikowania cech w roślinach uprawnych – tłumaczy badaczka z WNP. Taką cechą może być szybszy wzrost albo większa odporność na suszę, zimno czy szkodniki zboża lub innej rośliny uprawnej. Tutaj z pomocą przychodzi Arabidopsis.

– To właśnie u tej rośliny poznajemy geny mogące polepszyć efektywność regeneracji roślin w kulturze in vitro. Jeden z pierwszych z nich nazwano baby boom (BBM). Nadmierna aktywność BBM prowadzi w kulturze in vitro do powstania licznych somatycznych zarodków, które rozwijają się w rośliny potomne. Wywołując efekt nadekspresji genu BBM, poprawiono zdolności regneracyjne w kulturze in vitro u kilku roślin uprawnych, w tym papryki, kakaowca oraz kilku zbóż (jęczmienia, ryżu, kukurydzy) – wyjaśnia genetyczka.

Już 20 lat temu, podczas pobytu w University of California w Berkeley (USA) w ramach stypendium Fulbrighta, prof. Małgorzata Gaj odkryła u Arabidopsis, że podobny efekt do BBM wywołuje gen LEC2. Koduje białko zwane czynnikiem transkrypcyjnym regulujące ekspresję podległych sobie innych genów. Zespół Genetyki i Biotechnologii Somatycznych Komórek Roślin, którym kieruje na uniwersytecie, poszukuje u Arabidopsis genów wpływających na zdolności do regeneracji w kulturze in vitro innych ważnych użytkowo roślin. Zainteresowania badawcze zespołu koncentrują się głównie na genach związanych z auksyną oraz procesami epigenetycznymi.

Biotechnolożka podkreśla, że chociaż obszar badań, którym się zajmuje, nie jest często nagłaśniany w mediach i nie przyciąga szerokiego zainteresowania społeczeństwa, to ma on praktyczne znaczenie, przyczyniając się między innymi do dalszego postępu w hodowli roślin. To właśnie przez rozwijanie badań podstawowych i analizy organizmów modelowych, takich jak Arabidopsis, odkrywamy tajemnice przyrody, dzięki którym możemy poznać nowe sposoby na polepszenie własnego życia.