O mechanizmie działania biostymulatorów na podstawie badań fizjologicznych, biochemicznych oraz molekularnych z wykorzystaniem technologii mikromacierzy rozmawiamy z Panią prof. dr hab. Heleną Gawrońską.
Pani Profesor, jak można zdefiniować biostymulatory?
– Jedna z definicji biostymulatorów mówi, że są to związki, które nie zmieniają środowiska, w którym rosną rośliny, nie usuwają czynnika stresowego, ani nie zmieniają jego natężenia. Nie dostarczają też roślinom składników pokarmowych. Działanie biostymulatorów sprowadza się do zwiększenia „sił witalnych” ułatwiających roślinom radzenie sobie w warunkach stresowych, a w warunkach optymalnych lub do nich zbliżonych często ma miejsce lepsze wykorzystanie ich potencjału.
Kiedy zainteresowała się Pani biostymulatorami?
– Interesuję się nimi od niedawna, właściwie to kwestia ostatnich 5 lat. Wiele doświadczeń praktycznych wykazywało bowiem, że preparaty te mają pozytywny wpływ na rośliny, ale nie do końca wiedzieliśmy z czego to wynika. Wprawdzie danych wycinkowych było sporo, ale prowadzone w różnych krajach, w nieporównywalnych warunkach i na różnym materiale biologicznym, badania nie były systematyczne. Ponadto nie prowadzono ich aż do poziomu genowego. Stąd pojawiła się potrzeba głębszego potraktowania tego tematu.
Ponadto, osobiście uważam, iż w uprawie roślin metody agrotechniczne już prawie wyczerpaliśmy, a nowe, które się pojawiają, nie przynoszą spektakularnych efektów. Jednocześnie te nowe technologie są zwykle bardzo kosztowne dla rolników i często niekorzystne dla środowiska. Prowadząc od lat badania nad reakcją roślin na stresowe czynniki środowiska, zawsze interesowało mnie czy i jak producent może pomóc roślinom w walce ze stresem. Tymczasem biostymulatory to preparaty, które działają lepiej, a czasami tylko i wyłącznie właśnie w warunkach stresowych. Jeżeli więc pojawiło się narzędzie do pomocy roślinom w takich warunkach i to bez zmieniania środowiska wywołującego stres, od razu zainteresowało mnie wyjaśnienie mechanizmu działania takiej technologii.
O jakich czynnikach stresowych mówimy w przypadku biostymulatorów?
– W naszych badaniach zajęliśmy się przede wszystkim stresem wodnym, czyli niedoborem wody dla roślin oraz zagrożeniami, jakie wywołują wiosenne przymrozki. Okazało się, że niekorzystny wpływ wymienionych czynników na rośliny był wyraźnie mniejszy u roślin opryskanych biostymulatorem, a korzystna reakcja na wymienione czynniki stresowe była podobna. Dodatkowym atutem, aczkolwiek może bez większego znaczenia dla producentów rolnych czy ogrodników, był fakt, że opryskane rośliny lepiej radziły sobie w środowisku skażonym metalami ciężkimi czy w zasolonym podłożu.
Jakie rośliny wybraliście do badań?
– Musieliśmy zdecydować się na gatunek, który można byłoby skutecznie wykorzystać w badaniach fizjologicznych, biochemicznych oraz molekularnych. Taką rośliną jest rzodkiewnik pospolity. Gatunek ten w badaniach biologii roślin jest modelowy, podobnie jak myszy czy muszka owocowa w badaniach biologicznych człowieka. Rzodkiewnik uprawialiśmy w kamerach wzrostowych w kontrolowanych warunkach, gdzie stworzyliśmy zarówno warunki optymalne, jak i z ograniczonym, kontrolowanym codziennie poziomem uwodnienia podłoża (stres suszy) oraz z obecnością jonów kadmu. Wpływ biostymulatorów na rośliny rosnące w zasolonym podłożu badaliśmy u roślin szarłatu ozdobnego w szklarni z kontrolowanymi warunkami. Równocześnie zależało nam na doświadczeniach polowych, do których wybraliśmy rzepak. Prowadzone na polu doświadczalnym SGGW w Chylicach doświadczenia na rzepaku pozwoliły nam na obserwację wzrostu, rozwoju oraz badaniu wybranych procesów fizjologicznych i plonowania roślin uprawianych w naturalnych warunkach, ale w tym przypadku już bez wchodzenia na poziom genowy.
Jakie wyniki uzyskaliście w tych doświadczeniach?
– Wyniki dostarczyły dowodów, że rośliny traktowane biostymulatorem z reguły wytwarzały większą masę, a w przypadku rzepaku także plon. Mówię „rzepaku”, bo rzodkiewnik jest chwastem i trudno mówić o jego plonowaniu, z tym że ilość wytwarzanej biomasy oraz liczba rozgałęzień i łuszczyn były również większe, podobnie, jak u rzepaku.
Skąd wzięła się większa biomasa po zastosowaniu biostymulatora?
– Mamy do czynienia z kilkoma przyczynami. Przede wszystkim u roślin traktowanych biostymulatorem Asahi SL, wykazaliśmy większą intensywność fotosyntezy, która w warunkach polowych utrzymywała się aż do 7 tygodni od opryskiwania, co jest nowym odkryciem, gdyż z informacji producenta wynikało, że wpływ preparatu utrzymuje się do 2 tygodni. Ponadto stwierdziliśmy także większą zawartość chlorofilu w liściach, zwłaszcza w późniejszym okresie wegetacji, co w praktyce oznacza późniejsze starzenie się roślin. U roślin rzodkiewnika większa była także powierzchnia asymilacyjna liści. Proszę przy tym pamiętać, że takie wyniki uzyskaliśmy zarówno w warunkach optymalnych dla roślin, jak i stresowych. W przypadku wiosennych przymrozków u roślin poprawiły się wszystkie wskaźniki mówiące o zdolności do obrony organizmu przed tego typu czynnikami stresowymi. W naszych badaniach wykazaliśmy również poprawę gospodarki wodnej roślin opryskanych biostymulatorem, co wynikało z lepszego wykorzystania przez nie wody dostępnej w podłożu. Takie rośliny miały więcej korzeni i były one dłuższe niż u roślin kontrolnych. Ogólnie rośliny opryskiwane biostymulatorem z reguły szybciej i lepiej się rozwijały.
Jak można wytłumaczyć mechanizm działania biostymulatorów na poziomie genowym?
– Zacznijmy od tego, że każdy proces życiowy, zwłaszcza gdy uczestniczą w nim białka, w tym także enzymy lub inne związki uczestniczące w reakcjach przystosowawczych do i/lub naprawczych po wystąpieniu czynnika stresowego ma podłoże w genomie, czyli w materiale genetycznym zawartym w podstawowym zespole chromosomów. Roślina, w wyniku wielu reakcji przekazuje do genomu sygnał o stresie, co pociąga za sobą to, co nazywamy zmianą ekspresji genów. Uruchamia się proces, w którym informacja genetyczna zawarta w genie zostaje odczytana i przepisana na jego produkty, np. białka. W efekcie zwiększa się synteza związków, za które dany gen odpowiada.
Jakimi metodami naukowcy mogą badać zmiany w ekspresji genów?
– Wśród wielu narzędzi wykorzystywanych w badaniach zmian w ekspresji genów o niewyobrażalnej ilości informacji jest technologia mikromacierzy. Krótko mówiąc, jesteśmy w stanie na powierzchni 1,5-2 cm2 laboratoryjnego podłoża umieścić po kilka reprezentantów wszystkich genów występujących w roślinie, czyli do około miliona punktów. To powoduje, że w jednym eksperymencie możemy prześledzić zmiany wszystkich genów, jakie dokonały się np. w wyniku działania suszy i porównać różnice u roślin traktowanych biostymulatorem a kontrolą.
Co się działo w genomie rzodkiewnika w waszych doświadczeniach?
– Stwierdziliśmy, że opryskiwanie roślin biostymulatorem zmienia ekspresję bardzo wielu genów, wśród których ogromnej większości ekspresja się podwyższała, a tylko u nielicznych poziom ekspresji się obniżał. Fakt ten bardzo dobrze koresponduje z obserwowaną stymulacją wcześniej wspomnianych procesów życiowych. Wśród genów o zmienionej ekspresji znalazły się m.in. te odpowiedzialne za proces fotosyntezy, kontrolujące rozwój generatywny roślin, przejście z fazy wegetatywnej w generatywną oraz dotyczące sygnalizacji czynników środowiska czy regulowanych przez hormony roślinne. Często wspólną reakcją roślin na czynniki stresowe jest generowanie w komórce stresu oksydacyjnego, czyli wzrost poziomu wolnych rodników. Biostymulator zwiększa zdolność usuwania wolnych rodników.
Rozmawiał Wojciech Górka
