Jęczmień zachowujący w liściach o 30 proc. więcej wody niż jego odmiana wyjściowa uzyskali po kilku latach badań biolodzy z Katedry Genetyki Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach. Odkrycie może dać rolnikom możliwość uprawy jęczmienia o wyższej tolerancji na suszę.

"Udało nam się wyprowadzić mutanta jęczmienia hvcbp20.ab – bo taki ma skrót – który jest tolerancyjny na stres suszy. Potrafił utrzymać 30 proc. więcej wody niż jego forma wyjściowa w warunkach stresu suszy" – powiedziała PAP kierująca projektem badawczym SONATA, finansowanym przez Narodowe Centrum Nauki, dr Agata Daszkowska-Golec z Katedry Genetyki Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.

Jak uzyskano jęczmień odporny na suszę?

Jęczmień jest wśród zbóż ważnym gatunkiem. Zajmuje czwarte miejsce pod względem areału upraw w Polsce i na świecie. Co ważne, z końcem kwietnia tego roku niemal całkowicie zsekwencjonowano jego genom, dodatkowo szeroki wachlarz narzędzi do prowadzenia analiz z zakresu genomiki funkcjonalnej sprawia, że jest postrzegany jako gatunek modelowy dla roślin jednoliściennych. To może mieć przełożenie na zwiększone tempo dalszych odkryć związanych z tym gatunkiem.

W ramach wcześniej prowadzonych projektów naukowych katowiccy genetycy wygenerowali tzw. platformę TILLING (Targeting Induced Local Lesions in Genomes) jęczmienia jarego, aby służyła jako narzędzie do poznania funkcji genów, a z czasem również doskonalenia pożądanych cech. Zespół pod kierownictwem prof. Iwony Szarejko uzyskał populację jęczmienia po mutagenezie chemicznej (populacja HorTILLUS – Hordeum vulgare TILLING platform of University of Silesia in Katowice), tzn. populację mutantów w różnych genach, liczącą ok. 10 tys. osobników.

Naukowcy skupili się m.in. na szlaku sygnałowym kwasu abscysynowego – to hormon ściśle związany z odpowiedzią na stres suszy i funkcjonowaniem genu CBP20.

„Kiedy byliśmy zainteresowani znalezieniem mutacji w genie CBP20, wykonaliśmy analizę TILLING, która w skrócie polega na tym, że przeszukujemy tę konkretną sekwencję pod względem obecności mutacji w obrębie 10 tys. osobników populacji HorTILLUS. Zidentyfikowaliśmy serię mutantów allelicznych, czyli niosących defekt w tym konkretnym genie, ale w różnych miejscach sekwencji” – powiedziała dr Daszkowska-Golec.

Jednym z nich okazał się właśnie mutant hvcbp20.ab, tolerancyjny na stres suszy. W stworzonych przez biologów warunkach brakowało mu nie tylko optymalnej ilości wody, ale był też narażony na wysoką temperaturę. Okazało się, że znacznie szybciej adaptuje się do warunków stresu niż jego forma wyjściowa – odmiana Sebastian. Zanim te rośliny w ogóle „zorientują się”, że znalazły się w sytuacji niedoboru wody, mutant uruchamia już odpowiedź – przeprogramowuje swój metabolizm, by walczyć z deficytem wody w podłożu.

Naukowcy wykazali to łącząc ze sobą dane uzyskane ze szczegółowych analiz fizjologicznych, morfologicznych oraz analiz globalnego profilu ekspresji genów. Te ostatnie umożliwiają porównanie zestawu genów, która są odpowiednio włączone lub wyłączone u mutanta w celu regulacji odpowiedzi na stres suszy.

„Nasze analizy wykazały na przykład, że mutant ma zmienioną liczbę aparatów szparkowych na obu stronach liścia. Aparaty szparkowe stanowią swego rodzaju wentyle, umożliwiające wymianę gazową roślinie, ale również utratę wody. Roślina potrafi sterować otwieraniem i zamykaniem tych aparatów. Mutant w genie CBP20 zamyka je znacznie szybciej w warunkach stresu suszy, przez co broni się przed utratą wody. Zachowuje jej ponad 30 proc. więcej niż odmiana +Sebastian+ w warunkach stresu” – podkreśliła genetyk.

Co ciekawe, na górnej stronie liścia aparatów szparkowych jest więcej u mutanta, ale są mniejsze i pozostają delikatnie otwarte. Dodatkowo liść jest zwinięty do środka, co umożliwia mutantowi minimalną wymianę gazową, ale nie utratę wody – gdyż aparaty nie są eksponowane na zewnątrz, a chronione zwiniętą blaszką liściową. Również badania wydajności fotosyntezy, a więc podstawowego dla roślin procesu odżywiania, wykazały lepsze przystosowanie mutanta do warunków stresu.

„Można na razie spekulować, podejrzewać, że być może ten mutant okaże się dość istotnym materiałem przydatnym dla hodowców, po odpowiednim przekrzyżowaniu go z elitarnymi odmianami jęczmienia, które są w uprawie w obecnym czasie” – powiedziała Agata Daszkowska-Golec.

Zagadka genu CBP20

Na dalszym etapie badań katowiccy genetycy chcą bardziej szczegółowo zbadać rolę genu CBP20 w odpowiedzi na stres suszy, ze szczególnym naciskiem na wskazanie konkretnych regulowanych przez niego elementów szlaku odpowiedzi na niedobory wody. Uważają również, że niezbędne będzie sprawdzenie jak forma hvcbp20.ab zachowuje się w naturalnych, a nie szklarniowych warunkach. Kwestią otwartą pozostaje odpowiedź na pytanie, jakie plony będzie dawać uzyskany mutant.

Badania związane z tym mutantem dr Daszkowska-Golec rozpoczęła jeszcze w ramach zakończonego już projektu POLAPGEN-BD „Narzędzia biotechnologiczne służące do otrzymywania zbóż o zwiększonej odporności na suszę”, finansowanego ze środków Unii Europejskiej.

W skład zespołu naukowców pracujących nad rozwikłaniem zagadki roli CBP20 u jęczmienia w warunkach stresu suszy w ramach grantu SONATA, finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki wchodzą: prof. Iwona Szarejko (opiekun naukowy), dr Agata Daszkowska-Golec (kierownik projektu), mgr Anna Skubacz, mgr Michał Słota, dr Marek Marzec, mgr Karolina Chwiałkowska, dr Beata Chmielewska, dr Miriam Szurman-Zubrzycka.
Dotychczasowe wyniki badań zostały właśnie opublikowane na łamach czasopisma o zasięgu międzynarodowym „Frontiers in Plant Science”.

Redakcja AgroNews, fot. Kamila Szałaj