Natural sciences [2020-11-04]

Biolodzy z UMK walczą ze skutkami suszy na polach

— Rozmawiał Marcin Behrendt

Niewielu ludzi jest sobie w stanie wyobrazić, że można zajrzeć do środka rośliny i obejrzeć trójwymiarowy film wyreżyserowany przez samą naturę. O suszy, łubinie i oszlifowanych "diamentach" opowiada dr hab. Emilia Wilmowicz, prof. UMK z Wydziału Nauk Biologicznych i Weterynaryjnych.

Pani studenci zdobyli Diamentowe Granty w 2019 i w 2020 r. Przyciąga Pani zdolnych ludzi.

- To nie ja ich przyciągam, a intrygująca tematyka prowadzonych przeze mnie badań. Młodzi ludzie nie lubią nudy, a rośliny mimo, iż przez wielu uznawane za nudne, wcale takimi nie są. Pozbawione zdolności do poruszania się wykształciły mechanizmy pozwalające im przetrwać w niekorzystnych warunkach, na których działanie są nieustannie narażone. Naszym zadaniem jako biologów jest poznanie tych mechanizmów obronnych i korzystanie z naturalnej skarbnicy wiedzy w celu opracowania zabiegów np. agrotechnicznych, które będziemy mogli w przyszłości wykorzystać w praktyce. Studenci potrafią zafascynować się zagadnieniami nowymi, przez nikogo dotychczas nie zbadanymi. Co więcej, zaczynając pracę w moim zespole i kontynuując badanie tematów analizowanych przez nas od kilku lat, mogą na podstawie uzyskanych dotychczas wyników badań wstępnych stawiać własne hipotezy badawcze i realizować także swoje autorskie pomysły.

Z wieloma "fascynatami" Pani teraz pracuje?

- Obecnie jestem opiekunem naukowym dwóch studentek piszących prace licencjackie, sześciorga studentów wykonujących prace magisterskie oraz dwóch osób realizujących założenia dysertacji doktorskich. Są to przede wszystkim ludzie, którzy lubią różnorodność, zaczynając od pracy w terenie, zbioru materiału badawczego, po długie godziny spędzone w laboratorium na eksperymentowaniu z zastosowaniem niezwykle precyzyjnych metod biochemicznych, mikroskopowych czy biologii molekularnej. Studenci wiedzą, że u mnie trzeba ciężko pracować. Jednak w myśl zasady "ciężka praca popłaca" większość z nich efekty własnych badań prezentuje na konferencjach naukowych, zarówno tych krajowych, jak i zagranicznych. Wydaje mi się, że również dużym wyróżnieniem jest dla nich współuczestnictwo w opracowywaniu wymiernych rezultatów naszej pracy, tj. tworzeniu publikacji naukowych. Obserwuję jak z dużym zaangażowaniem, finalnie nie kryjąc satysfakcji z włożonego wysiłku, piszą ze mną prace eksperymentalne, artykuły przeglądowe, a w ostatnim czasie także rozdział do książki. Myślę, że przychodzą do mnie osoby, którym zależy na ugruntowaniu i poszerzeniu zdobytej na studiach wiedzy, udoskonaleniu własnego warsztatu badawczego, a także rozwinięciu zdolności analitycznego rozwiązywania postawionych przed nimi problemów naukowych. Pierwsza w tej grupie była Aleksandra Florkiewicz, która jest laureatką Diamentowego Grantu zatytułowanego "Poszukiwanie markerów stresu suszy glebowej znajdujących zastosowanie w selekcji odmian łubinu żółtego o zwiększonym potencjale plonotwórczym". Już jako studentka studiów pierwszego stopnia biotechnologii została włączona w badania wpływu stresu suszy glebowej na funkcjonowanie brodawek korzeniowych u łubinu żółtego, które teraz kontynuuje Sebastian Burchardt, tegoroczny laureat Diamentowego Grantu przyznanego na badania dotyczące "Wpływu stresu suszy glebowej na zmiany metabolizmu i szlaku transdukcji sygnału jasmonianów zachodzące w korzeniu łubinu żółtego oraz na modyfikacje składu mikrobiomu korzeniowego".

Jedno odkrycie pociąga za sobą drugie…

- Zgłębienie wiedzy na temat konkretnego zagadnienia wymaga wykonania eksperymentów wstępnych. To dopiero uzyskane wyniki są podstawą do postawienia nowych hipotez i wytyczenia kolejnych kierunków badań.  Siłą moich studentów jest dobrze współpracujący ze sobą zespół. Wiedzą, że nastręczające trudności zadanie wykonywane w pojedynkę zostanie z całą pewnością zrealizowane przy wsparciu reszty. To im daje poczucie spokoju i bezpieczeństwa, które są tak ważne w pracy naukowej, a jednocześnie uczy ich odpowiedzialności za zespół. Specyfika prowadzonych przeze mnie badań wymaga wyjazdów w teren. Są one nie tylko czasochłonne, ale ze względu na przypadający pod koniec czerwca czas zbioru materiału do dalszych analiz, także wymagające pod względem warunków pogodowych - wysoka temperatura, skwar, brak zacienionego miejsca itd. Każdy z moich studentów już na początku naszej współpracy, spędzając tydzień w takich warunkach przy uprawach polowych, może się przekonać, czy będzie dalej podążał tą drogą czy wystarczy mu napisanie rozprawy teoretycznej. Ponadto praca laboratoryjna wymaga dużych zdolności manualnych, a nie każdy nimi dysponuje.

Zostają najlepsi?

- Zostają ci, którym odpowiada taki charakter pracy i potrafią się fascynować tym, co robią. Co więcej, muszą to być osoby odporne na zniechęcenie. Bowiem nie zawsze ułożony na początku z misterną precyzją plan działania okazuje się słuszny i dający wymierne efekty w postaci ciekawych wyników. Wówczas nie można się załamywać. Sposoby osiągnięcia każdego z wyznaczonych celów zawsze można skorygować lub całkowicie zmienić, jednak to wymaga samozaparcia i konsekwentnego działania.

Wszystko zaczęło się w 2011 r. od grantu naukowego wykonywanego w ramach Programu Wieloletniego (2011-2015) finansowanego przez Ministerstwo Rolnictwa i Rozwoju Wsi, którego głównym celem było zwiększenie areału upraw polskich, bogatych w białka roślin, które na początku miałyby uzupełnić, a z czasem zastąpić importowane surowce wykorzystywane do produkcji pasz.

A wszystko zaczęło się od łubinu.

Wszystko zaczęło się w 2011 r. od grantu naukowego wykonywanego w ramach Programu Wieloletniego (2011-2015) finansowanego przez Ministerstwo Rolnictwa i Rozwoju Wsi, którego głównym celem było zwiększenie areału upraw polskich, bogatych w białka roślin, które na początku miałyby uzupełnić, a z czasem zastąpić importowane surowce wykorzystywane do produkcji pasz. Podstawowym źródłem białka mają być nasiona roślin strączkowych, wśród których na szczególną uwagę zasługuje łubin. Koordynatorem obszaru badawczego, do którego należeliśmy, był prof. dr hab. Wojciech Święcicki z Instytutu Genetyki Roślin Polskiej Akademii Nauk w Poznaniu, a na czele zespołu ze strony UMK stał wówczas prof. dr hab. Jan Kopcewicz. Naszym zadaniem było poznanie molekularnych i hormonalnych mechanizmów kwitnienia oraz owocowania u roślin strączkowych.

Roślin strączkowych jest wiele…

- My skupiliśmy się na badaniu łubinu, a to ze względu na jego znaczenie gospodarcze oraz walory przyrodniczo-ekonomiczne. Łubin wytwarza bogate w białka nasiona o korzystnym składzie aminokwasowym oraz ma zdolność do symbiozy z bakteriami brodawkowymi, które wiążąc azot atmosferyczny podnoszą żyzność gleby, przez co zmniejszają potrzebę sztucznego nawożenia pól. Pomimo tych wielu zalet powierzchnia uprawy łubinu w Polsce jest niewielka, ze względu na jego obniżone plonowanie wynikające z przedwczesnego i nadmiernego odcinania kwiatów. To z kolei sprawiło, że jest doskonałym modelem badawczym do analizowania procesów, które stanowią centrum naszych zainteresowań, tj. odcinania organów.

I trzeba było coś z tym odcinaniem zrobić.

- Należało poznać mechanizm i scharakteryzować czynniki, które wpływają na odcinanie kwiatów u łubinu. W początkowym etapie prowadziliśmy badania na łubinie białym, żółtym i wąskolistnym. Jednak szczegółowe analizy kontynuowaliśmy wyłącznie na odmianie Taper łubinu żółtego, która na tle innych odmian, charakteryzuje się krótkim okresem wzrostu, niskimi wymaganiami glebowymi, równomiernością dojrzewania oraz wysoką odpornością na antraknozę, która jest najgroźniejszą chorobą grzybową łubinu. A więc prościej mówiąc, jest najbardziej atrakcyjna dla rolników. Przedwczesne odcinanie kwiatów uniemożliwia zawiązanie strąków i wytworzenie nasion będących źródłem białka.

…i rolnicy narzekają.

- Z dr Agatą Kućko, moją ówczesną doktorantką, obecnie naukowcem ze Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, zapoczątkowałyśmy badania nad lokalizacją strefy odcinania kwiatów łubinu żółtego, a nasze wspólne przedsięwzięcia naukowe dotyczące jej charakterystyki oraz funkcjonowania trwają do dziś. Strefa odcinania, pomimo małych rozmiarów, jest unikatową strukturą, która umożliwia roślinie usunięcie organów. Zatem jej aktywność determinuje liczbę utrzymanych przez roślinę kwiatów i tym samym ilość wytworzonych strąków, a więc plon. Początkowo w ramach grantu MRiRW ustaliłyśmy czas i miejsce powstawania strefy odcinania kwiatów łubinu żółtego, ale poznanie czynników, które ją aktywują, wymagało wykorzystania różnorodnych, bardzo kosztownych technik badawczych. W 2013 roku po nawiązaniu współpracy z dr. Juan de Dios Alché z Estación Experimental del Zaidín w Hiszpanii przygotowaliśmy polsko-hiszpański projekt pt. "Participation of plant hormones in the control of generative organs abscission in Lupinus".

Udało się zdobyć grant?

- Projekt zdobył finansowanie hiszpańskiego konsorcjum eidA3-ceiA3 (The International Agrifood Doctorate School, Campus de Excelencia Internacional Agroalimentario), a wykonane dzięki niemu badania stały się częścią pracy doktorskiej mgr Agaty Kućko. Jako opiekun naukowy ze strony hiszpańskiej dr Juan de Dios Alché pełnił funkcję kopromotora tej dysertacji. Scharakteryzowaliśmy przemiany komórkowe zachodzące w strefie odcinania, a także zidentyfikowaliśmy genetyczne i hormonalne czynniki, które wpływają na jej powstawanie i funkcjonowanie.  Już wówczas prowadząc uprawy polowe zauważyłyśmy, że susza obniża ilość kwiatów utrzymywanych na roślinach. Wykonałyśmy badania wstępne, które w ramach współpracy z Cargill Feed & Nutrition, Cargill Poland Sp. z o.o. były kontynuowane przez mgr inż. Katarzynę Panek. Analizowałyśmy wpływ suszy glebowej na przemiany zachodzące w strefie odcinania kwiatów, które prowadzą do odpadania tych organów. W tym czasie dołączyła do nas studentka drugiego roku biotechnologii Aleksandra Florkiewicz, która zajmowała się badaniem wpływu suszy glebowej na funkcjonowanie korzenia, szczególnie rozwój brodawek korzeniowych, a więc struktur także wpływających na plonowanie łubinu. Te znajdujące się w początkowej fazie badania wydawały się nam ważne ze względu na to, że korzeń jest pierwszym miejscem, w którym roślina odbiera informację o zaistniałym stresie suszy.

To był pierwszy Diamentowy Grant, ale on dotyczył strefy odcinania, a nie korzenia...

- Tematem pracy licencjackiej Aleksandry było wprawdzie wstępne zbadanie pewnych przemian zachodzących w korzeniu po zadziałaniu stresu suszy, jednak na tamtym etapie nasza wiedza dotycząca tego zagadnienia była zbyt fragmentaryczna, żeby postawić hipotezy badawcze. Z drugiej strony wyniki badań prowadzonych na strefie odcinania kwiatów łubinu żółtego w kontekście suszy były na tyle zaawansowane i intrygujące, że stanowiły podstawę do aplikowania w konkursie MNiSW o Diamentowy Grant. Projekt dotyczy poszukiwania markerów suszy glebowej, które funkcjonują w strefie odcinania kwiatów łubinu żółtego, a pozyskane środki finansowe pozwoliły na wdrożenie przez nas zupełnie nowego podejścia eksperymentalnego. Badania nad wpływem suszy na plonowanie łubinu prowadzimy wielotorowo, uczestniczą w nich mgr Grażyna Czeszewska-Rosiak oraz mgr Magdalena Wolska. Analizując przemiany zachodzące w strefie odcinania kwiatów, nie zapominamy o tym, co dzieje się w tym samym czasie w korzeniu. Kiedy Aleksandra była już na studiach magisterskich, dołączył do nas zdobywca tegorocznego Diamentowego Grantu Sebastian Burchardt. Realizując założenia swojej pracy licencjackiej badał wpływ suszy na powstanie stresu oksydacyjnego, który może prowadzić do pojawienia się jasmonianów – tzw. "stresowych" hormonów roślinnych. W związku z tym, że nikt w Polsce ani na świecie nie badał tego zagadnienia u łubinu, powstał Diamentowy Grant dotyczący przemian zachodzących w korzeniu po zadziałaniu suszy. Należy zaznaczyć, że część każdego Diamentowego Grantu stanowią badania wstępne, które są realizowane w zespole, a także we współpracy z innymi ośrodkami badawczymi.

Rywalizacja nie jest konstruktywna i moi studenci o tym wiedzą. Rywalizacja osłabia, prowadzi do utraty energii i czasu, które można wykorzystać na działanie w zespole. Aleksandra będąca pierwszą laureatką Diamentowego Grantu zainspirowała resztę grupy. Nawet najmniejszy sukces każdego z jej członków napawa radością i jest motywacją dla innych. 

Pani studenci nie rywalizują ze sobą?

- Rywalizacja nie jest konstruktywna i moi studenci o tym wiedzą. Rywalizacja osłabia, prowadzi do utraty energii i czasu, które można wykorzystać na działanie w zespole. Aleksandra będąca pierwszą laureatką Diamentowego Grantu zainspirowała resztę grupy. Nawet najmniejszy sukces każdego z jej członków napawa radością i jest motywacją dla innych. 

Wszystko badacie w Toruniu?

- Bardzo ważna jest współpraca z innymi ośrodkami. Część projektu dotyczącą wytypowania kolekcji potencjalnych markerów suszy glebowej realizujemy we współpracy z dr Agatą Kućko z SGGW w Warszawie, z dr Małgorzatą Kapustą oraz dr. hab. Wojciechem Pokorą z Uniwersytetu Gdańskiego, z dr inż. Małgorzatą Czernicką z Uniwersytetu Rolniczego in. Hugona Kołłątaja w Krakowie oraz przy wsparciu dr. Tranbarger'a z Université de Montpellier we Francji. Z kolei analizy dotyczące korzenia będą dodatkowo realizowane we współpracy z Estación Experimental del Zaidín w Hiszpanii. Wsparcie tak licznej grupy specjalistów w swoich dziedzinach gwarantuje podnoszenie poziomu jakości wykonywanych przez nas badań niezbędnych do realizacji założeń projektów. Np. gdyby nie dr Małgorzata Kapusta z UG nie wiedzielibyśmy, jak wygląda w trójwymiarowym obrazie strefa odcinania kwiatów łubinu. Niewielu ludzi jest sobie w stanie wyobrazić, że można zajrzeć do środka rośliny i korzystając z dobrodziejstw reakcji immunocytochemicznych nagrać film o przemianach w niej zachodzących.

I zobaczyć efekty swoich badań i to, co z nich wynika.

- Jesteśmy w fazie realizacji, a to, co widzimy teraz, jest fragmentem większej całości. Dopiero wykonanie wszystkich zaplanowanych eksperymentów, zarówno na poziomie proteomu, jak i trasnkryptomu, pozwoli nam na kompleksowe podejście do tematu mechanizmów obronnych łubinu uruchamianych w odpowiedzi na stres suszy. Jeżeli w badaniach realizowanych m.in. przez Aleksandrę uda się nam wyselekcjonować markery suszy glebowej, to wiedzę tę będzie można wykorzystać do selekcji odmian łubinu charakteryzujących się większą odpornością na suszę, a więc bardziej opłacalną dla rolników. Jeśli klimat nadal będzie się ocieplał, to grozi nam susza, która nie będzie zagrażała tylko łubinowi, ale także innym gatunkom roślin. W związku z tym, że część mechanizmów funkcjonujących w roślinach ma charakter uniwersalny, nie można wykluczyć, że wyniki naszych badań będą mogły być zastosowane w odniesieniu także do innych gatunków roślin. 

Badania Sebastiana też są tak zaawansowane?

- W badaniach Sebastiana jesteśmy na samym początku i mimo iż "każdy przecież początek to tylko ciąg dalszy", to wiedza, jaką teraz dysponujemy, jest szczątkowa. Realnie oceniając pierwsze wyniki pozwalające na określenie systemicznych odpowiedzi rośliny na bodziec, jakim jest susza, uzyskamy za trzy, cztery lata. Zwieńczeniem projektu poza poznaniem elementów regulujących powstawanie i funkcjonowanie brodawek korzeniowych, będzie selekcja szczepów mikroorganizmów, które są zdolne do produkcji związków aktywnych biologicznie zwiększających odporność roślin na ten rodzaj stresora. Wiedza ta może zostać wykorzystana do produkcji biopreparatów zwiększających tolerancję roślin na deficyt wody, które znajdą szerokie zastosowanie w agrotechnice.

Rośliny się stresują?

- Kluczową rolę w odpowiedzi rośliny na szok, jaki wywołuje susza, i nabywaniu odporności na ten rodzaj bodźca odgrywają hormony roślinne. Biorą one udział nie tylko w przekazywaniu informacji o zaistniałym stresie, ale uczestniczą także w uruchomieniu reakcji obronnych lub adaptacyjnych. Do grupy tej należą jasmoniany, które obok indukcji syntezy białek ochronnych, które poza udziałem w dostosowaniu stanu uwodnienia komórki, chronią także struktury komórkowe przed skutkami suszy. Zadaliśmy sobie wiele pytań: w jakim stopniu jasmoniany decydują o wzroście oraz funkcjonowaniu korzenia łubinu żółtego uprawianego w warunkach suszy glebowej, czy jasmoniany mogą podnosić tolerancję tego gatunku na suszę, chroniąc błony komórkowe przed działaniem reaktywnych form tlenu, w końcu czy zmiany poziomu jasmonianów wywołanych stresem suszy wpływają na modyfikacje składu mikroorganizmów na powierzchni korzenia?  

Jaki z tego wniosek?

- Jeżeli udałoby się nam potwierdzić, czy w reakcji na stres suszy glebowej pojawiają się w korzeniu przystosowane do przetrwania w takich warunkach mikroorganizmy, które wspomagają wzrost roślin i zwiększają ich odporność na ten rodzaj stresu, to moglibyśmy ustalić, jakie związki produkowane przez te mikroorganizmy można stosować np. w postaci szczepionek mających wykorzystanie w rolnictwie.

Po Sebastianie będą kolejni diamentowi studenci?

Jak wspomniałam, młodych naukowców pragnących dokonać spektakularnych odkryć nie brakuje na Wydziale Nauk Biologicznych i Weterynaryjnych UMK w Toruniu, ale w dużej mierze zależy to od nakładów finansowych na rozwój nauki. Badania wstępne do kolejnych grantów są realizowane z przywołanymi wcześniej ośrodkami, a także we współpracy z naukowcem z Università degli Studi di Siena we Włoszech. Pomysłów i chęci nie brakuje...