Kiedy słyszymy o stresie, zazwyczaj mamy przed oczami człowieka, który właśnie doświadcza nieprzyjemnej, zagrażającej mu sytuacji. Pewnie niewielu z nas pomyślałoby o zbożach dojrzewających na polu. Tymczasem w biologii termin ten okazuje się kluczowy dla zrozumienia mechanizmów przetrwania, bez względu na to, czy dotyczy człowieka czy na przykład jęczmienia. Choć sposoby radzenia sobie z przeciwnościami są u ludzi i roślin skrajnie różne, łączy je pojęcie stresu rozumianego jako reakcja na czynniki, które zakłócają jego równowagę. O sposobach radzenia sobie jęczmienia ze stresem suszy opowiada mgr Magdalena Korek, doktorantka z Wydziału Nauk Przyrodniczych Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.

Mgr Magdalena Korek

– Analogia pomiędzy biologią człowieka a biologią roślin w kontekście stresu jest ryzykowna. W literaturze naukowej z zakresu medycyny czy psychologii funkcjonuje pojęcie stresu krótkotrwałego i przewlekłego. Kluczowym czynnikiem rozróżniającym jest tu czas trwania niekorzystnego bodźca, a także konsekwencje dla zdrowia człowieka. Z roślinami jest trochę inaczej.

– Nie spotkałam się w literaturze fachowej z takim rozróżnieniem w odniesieniu do roślin. Muszę jednak przyznać, że jednodniowy przymrozek, atak szkodnika czy długotrwała susza wymagają od rośliny uruchomienia zupełnie innych strategii przetrwania – mówi mgr Magdalena Korek.

Dla nas stres jest stanem zaburzenia równowagi. Podobnie jest z roślinami, choć niektórzy fizjolodzy roślin twierdzą, że stan idealny, pozbawiony czynników stresowych, w środowisku naturalnym po prostu nie występuje. O warunkach optymalnych można mówić jedynie w laboratoriach, zwanych fitotronami, ale są to miejsca tworzone na potrzeby eksperymentów prowadzonych przez naukowców. W naturze roślina zawsze zmaga się z nadmiarem lub niedoborem: tu za dużo ciepła, tam za mało wody, zbyt intensywne nasłonecznienie czy konkurencja ze strony innych gatunków lub ataki patogenów.

Można zaryzykować stwierdzenie, że czynniki stresogenne towarzyszą roślinom nieustannie, różniąc się jedynie rodzajem i intensywnością. Nawet cykl dobowy bywa wyzwaniem. W ciągu 24 godzin warunki mogą zmienić się diametralnie – od intensywnego południowego słońca po nocne ochłodzenie. Roślina musi być na to przygotowana. Jak wyjaśnia doktorantka, ma całkiem spory arsenał możliwości. Potrafi m.in. „wyciszyć” metabolizm nocą, pracując na najwyższych obrotach w ciągu dnia. W ten sposób gromadzi energię.

Na pewno jednym z trudniejszych wyzwań dla roślin jest susza.

– Wszystko zaczyna się od sygnału: Uwaga, zaczyna brakować wody. Uruchamiana jest biosynteza hormonów działających jak posłańcy. Jednym z najważniejszych graczy jest kwas abscysynowy (ABA), którego główną funkcją w sytuacjach kryzysowych jest zamykanie aparatów szparkowych. To mechaniczna blokada – roślina ogranicza transpirację, dosłownie zamykając swoje „okna”, przez które ucieka woda – wyjaśnia biolożka.

Równolegle zachodzą zmiany na poziomie komórkowym. Aktywowane są geny odpowiedzialne za produkcję enzymów o właściwościach antyoksydacyjnych, które niwelują wolne rodniki i chronią błony biologiczne przed uszkodzeniami. Roślina wchodzi w tryb oszczędzania energii. Zamiast inwestować w rozwój pędów czy kwiatów, koncentruje się na przetrwaniu. Czasami strategie te są drastyczne. Widoczne żółknięcie roślin podczas suszy to nie tylko efekt wysychania, ale celowy rozpad chlorofilu. Ten związek chemiczny służy do wychwytywania energii świetlnej. Gdy wody jest za mało, nadmiar słońca staje się zabójczy, więc roślina pozbywa się swoich „paneli słonecznych”, by uniknąć uszkodzeń fotooksydacyjnych. Jak dodaje badaczka, w skrajnych przypadkach roślina poświęca swoje części – odrzuca liście lub całe fragmenty pędów, by zmniejszyć powierzchnię, którą musi utrzymać przy życiu. Brutalne, ale skuteczne.

Różnice w fenotypie między jęczmieniem typu dzikiego Sebastian a mutantem hvd53a.f, który ma mutację w genie kodującym represor strigolaktonów

Mgr Magdalena Korek w swojej rozprawie doktorskiej analizowała strigolaktony. Są to roślinne hormony regulujące wzrost rośliny oraz jej odpowiedź na suszę.

– W zespole, którego jestem częścią, obiektem zainteresowań jest od wielu lat jęczmień, a konkretniej: odmiana modelowa o nazwie Sebastian. To na nim prowadzimy eksperymenty, które mają nam pomóc zrozumieć, w jaki sposób geny sterują odpowiedzią rośliny na brak wody – mówi badaczka.

Opisując swoją pracę, dodaje ze śmiechem, że codzienność doktoranta to nieraz „brudna robota”. Wystarczy wyobrazić sobie mycie kilkuset doniczek, przygotowywanie szklarni, ale też pilnowanie swoich sadzonek czy liczenie ziarniaków.

– Skala badań bywa ogromna – eksperymenty obejmujące 400 czy 500 roślin wymagają pracy zespołowej, w której koleżanki i koledzy pomagają sobie nawzajem, by zdążyć z przygotowaniem materiału. Do tego dochodzi prozaiczna „walka” o miejsce w szklarni na dachu naszego wydziału, gdzie każdy metr kwadratowy jest na wagę złota. Nie jest to przecież przestrzeń nieograniczona – wyjaśnia doktorantka.

Badania nad stresem suszy wymagają także precyzyjnego planowania. Rośliny dzieli się na grupę kontrolną, podlewaną optymalnie, i eksperymentalną, której ogranicza się dostęp do wody. Kluczowy jest moment, w którym zaczyna się stres – mierzy się go specjalistycznym sprzętem badającym wilgotność ziemi. W warunkach kontrolnych gleba ma około 14% VWC (ang. volumetric water content), podczas suszy natomiast jej wilgotność spada do zaledwie 1,5–3% — poziomu wywołującego wyraźny stres u roślin. Celem tych działań jest pozyskanie materiału genetycznego RNA. Po wyizolowaniu go z tkanek roślinnych próbki trafiają do sekwencjonowania. Wtedy zaczyna się praca bioinformatyczna. Porównuje się aktywność genów u roślin poddanych stresowi suszy i tych z grupy kontrolnej. Następnie naukowcy próbują powiązać je z konkretnymi procesami życiowymi, takimi jak fotosynteza czy gospodarka hormonalna.

Jednym z najciekawszych wątków badanych w ramach doktoratu mgr Magdaleny Korek jest wspomniana już rola strigolaktonów. To stosunkowo młoda grupa hormonów roślinnych, zidentyfikowana dopiero w 2008 roku. Badaczka skupiła się na poszukiwaniu genów i czynników transkrypcyjnych, czyli białek regulujących aktywność genów, które współpracują z tymi hormonami podczas suszy. Przełomowe okazały się analizy dwóch konkretnych mutantów jęczmienia. Pierwszy posiadał mutację w genie kodującym receptor strigolaktonu, a więc białka odbierającego sygnał hormonalny, a drugi w genie kodującym represor – białka blokującego odpowiedź.

– Zaobserwowaliśmy różnicę w wyglądzie roślin. W pierwszym przypadku były one niskie, silnie rozkrzewione, lecz okazały się wrażliwe na stres suszy. W drugim – choć wysokie, z mniejszą liczbą źdźbeł, wykazały jednak większą tolerancję na niedobór wody. Na tej podstawie wykazaliśmy, że zmiana w genie kodującym represor strigolaktonów u jęczmienia prowadzi do zjawiska, które moglibyśmy nazwać kompromisem rozwojowym. Takie rośliny wytwarzają mniej pędów bocznych i wykazują mniejszą efektywność fotosyntezy, ale jednocześnie charakteryzują się zwiększoną odpornością na suszę w myśl zasady: mniejszy plon, większe szanse na przeżycie – mówi doktorantka.

Artykuł prezentujący te odkrycia został doceniony przez redakcję prestiżowego czasopisma „Plant and Cell Physiology”, która umieściła publikację w sekcji „Research Highlight” poświęconej najciekawszym badaniom.

– Satysfakcja naukowa rośnie z każdym kolejnym opublikowanym artykułem. Największym sukcesem jest ostatnia praca, która podsumowuje trwające wiele lata badania i jednocześnie pokazuje, jak wiele się nauczyłam – podkreśla naukowczyni.

Choć badania podstawowe na roślinach modelowych to dopiero początek długiej drogi do zastosowań w rolnictwie, badaczka wierzy, że dzięki tej pracy w przyszłości łatwiej będzie można wyhodować rośliny lepiej dostosowane do trudniejszych warunków klimatycznych.

– Ostatnie lata pokazały mi, że praca na uczelni daje możliwość nie tylko ciągłego rozwoju, ale i bycia częścią zespołu współpracujących ze sobą osób. Przede mną obrona pracy doktorskiej, a potem decyzja, co dalej. Zdobyte umiejętności analityczne, organizacyjne i techniczne otwierają wiele drzwi – podsumowuje mgr Magdalena Korek.

Niezależnie od wybranej drogi wkład w zrozumienie, jak rośliny radzą sobie ze stresem, szczególnie w kontekście zmian klimatycznych i naszego bezpieczeństwa żywnościowego, jest na wagę złota.