Natural sciences [2022-07-01]

Biolodzy zapuszczają korzenie

— Marcin Behrendt

Rośliny uprawne o zwiększonej zdolności do tolerowania suszy, drzewa owocowe odporne na chorobę replantacji i rośliny ozdobne niewymagające stosowania retardantów wzrostu chcą wyhodować toruńscy biolodzy zrzeszeni w międzynarodowym konsorcjum "RootsPlus".

Klimat zmienia się na naszych oczach. Coraz częściej obserwujemy gwałtowne i ekstremalne zjawiska pogodowe i długotrwałe susze. Wszystko to ma wpływ nie tylko na życie ludzi, ale też zwierząt i roślin. Tym ostatnim coraz trudniej sięgnąć korzeniami do wilgotnej gleby, w konsekwencji muszą mierzyć się ze "stresem suszy", który spowalnia ich wzrost, a w uprawach rolnych zmniejsza wysokość plonów. Jeśli do tego dodamy zmniejszający się areał pól uprawnych, staniemy przed koniecznością "wynalezienia" roślin dostosowanych do upraw w warunkach szybkich zmian klimatycznych, w szczególności lepiej tolerujących suszę.

Taki cel postawili sobie naukowcy z Uniwersytetu w Hanowerze, Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu, Uniwersytetu Nauk Rolniczych i Weterynarii w rumuńskim Cluj-Napoca oraz Flandryjskiego Instytutu Badawczego ds. Rolnictwa, Rybołówstwa i Żywności, którzy koordynują projekt "RootsPlus".

Badacze chcą wykorzystać występującą w glebie patogenną bakterię Rhizobium rhizogenes do produkcji nowych linii roślin. Mikroorganizm ten, infekując tkankę roślinną, wprowadza do niej fragment swojego DNA, tzw. Ri DNA. Bakteryjne DNA wbudowuje się w genom komórek roślinnych i zaczyna stanowić integralną jego część. Zawiera zestaw genów kodujących białka odpowiedzialne za syntezę i metabolizm roślinnych regulatorów wzrostu, przede wszystkim z rodziny auksyn, które powodują, że na brzegach zainfekowanej części rośliny wyrastają korzenie. Są to tzw. korzenie włośnikowate. Biolodzy potrafią odtworzyć ten proces w warunkach laboratoryjnych, a następnie, na drodze regeneracji, wyhodować z korzeni włośnikowatych nowe rośliny charakteryzujące się bardziej wydłużonymi i silniej rozgałęzionymi korzeniami. – Jedną z cech roślin jest to, że dają się odtwarzać z komórek, z fragmentów – mówi dr hab. Jacek Kęsy, prof. UMK z Wydziału Nauk Biologicznych i Weterynaryjnych. - Komórki roślinne są pluripotentne. W ten sposób uprawia się wiele roślin, np. storczyki i inne rośliny ozdobne. Zamiast wysiewać storczyki, wycina się kawałek z dorosłej rośliny i z niej, w warunkach sterylnych, na pożywkach o starannie opracowanym składzie, rozwija się nowy okaz.

– Z korzeni włośnikowatych uzyskujemy tzw. rośliny Ri, mające zmieniony genotyp w stosunku do roślin wyjściowych, ale w pracy wykorzystujemy proces naturalny – tłumaczy kierownik toruńskiego zespołu dr hab. Jarosław Tyburski, prof. UMK . - Docelowe rośliny nie są klasyfikowane jako GMO.

Obiektem badań w projekcie RootsPlus są rośliny użytkowe o różnych zastosowaniach, zarówno ozdobne (chryzantema, róża), sadownicze (jabłoń) i przemysłowe (słonecznik).

- Ludzie boją się GMO, dlatego obecnie obserwujemy trend zastępowania roślin zmodyfikowanych w sposób nienaturalny przez modyfikacje z wykorzystaniem tego, co występuje w przyrodzie – mówi dr Natalia Mucha z Wydziału Nauk Biologicznych i Weterynaryjnych.

Badacze podkreślają, że to, co robią, jest odwzorowaniem procesu zachodzącego w warunkach naturalnych, ponieważ materiał genetyczny bakterii wykorzystywanych do stymulowania rozwoju korzeni włośnikowatych nie podlega modyfikacjom. W przypadku GMO do transgenizacji roślin wykorzystuje się bakterie, do których wprowadzono syntetyzowane w laboratorium konstrukty genetyczne, zawierające wyselekcjonowane geny, które mają zmienić właściwości rośliny w  określony sposób – mówi prof. Tyburski. - Natomiast do uzyskiwania roślin Ri wykorzystujemy dokładnie takie bakterie, jakie występują w glebie. W laboratoryjnym żargonie nazywamy je "dzikimi" szczepami bakterii.

Jednak  w powstaniu nowych linii roślin bioinżynieria musi pomóc naturze. - Bakterie dostarczają genów warunkujących powstanie korzeni włośnikowatych. Natomiast aby uzyskać rośliny Ri, trzeba z korzeni włośnikowatych zregenerować pędy, następnie je ukorzenić, a kompletne, nowe rośliny zaaklimatyzować do warunków uprawy szklarniowej lub polowej, gdzie mogą zakwitnąć i wydać nasiona – wyjaśnia prof. Tyburski. - Możemy to zrobić tylko w kulturze in vitro, gdzie podczas hodowli tkanek i organów roślinnych, na specyficznych pożywkach, zawierających odpowiednie regulatory wzrostu, możemy w kontrolowany sposób stymulować wytwarzanie nowych pędów i ich ukorzenianie.  

Zanim zacznie się regenerować nowe rośliny, korzenie włośnikowate trzeba potraktować odpowiednimi antybiotykami, aby wyeliminować bakterie, które wykorzystano do ich uzyskania. Celem eksperymentu jest uzyskanie roślin zawierających geny pochodzące od bakterii, ale nie zakażonych żywymi bakteriami. - W myśl przepisów o rozpowszechnianiu roślin do upraw kierowane będą sadzonki wolne od bakterii – mówi dr Mucha.

Korzenie włośnikowate zawierają geny, wprowadzone przez bakterie do genomu rośliny podczas infekcji. Jeżeli naukowcom uda się uzyskać okaz, w którym w części naziemnej i podziemnej ekspresji ulegają geny wprowadzone przez bakterie, w następnym etapie  trzeba zaaklimatyzować go do warunków naturalnych. - Dopiero gdy zakwitnie i wyda owoce, będziemy selekcjonować rośliny i sprawdzać, co z nich wyrosło – mówi prof. Kęsy. - Oczywiście spodziewamy się tego, co możemy osiągnąć, ale dopiero selekcja pozwoli wybrać te, które będą miały najlepsze cechy produkcyjne.

Rośliny Ri wytwarzają silniej rozgałęziony system korzeniowy, mają krótsze łodygi i bardziej rozgałęzione pędy. - Spodziewamy się, że spowoduje to zwiększoną tolerancję suszy, bo roślinom będzie łatwiej pobierać wodę z podłoża.

- Dzięki temu, że nowa roślina jest niższa, skraca się w niej szlak transportu wody, przez co może być on bardziej wydajny – dodaje dr Mucha.

Naukowcy z UMK w ramach międzynarodowego konsorcjum mają do zrealizowania trzy zadania. Pierwsze to charakterystyka kultur korzeni włośnikowatych, z których będą wyprowadzane rośliny Ri. Chodzi o to, żeby znaleźć związek pomiędzy obecnością i stężeniami określonych regulatorów wzrostu powstających wewnątrz korzeni a zdolnością korzeni do reagowania na regulatory wzrostu dostarczone w pożywce w celu wywołania regeneracji pędów na potrzeby tworzenia roślin Ri.

- To pierwsze zadanie mamy wykonać dla wszystkich zespołów naszego konsorcjum  – mówi prof. Tyburski. - Badamy linie korzeni różniące się zdolnością do regeneracji, oznaczamy w nich fitohormony i sprawdzamy, czy są istotne zależności między ich stężeniami i składem a zdolnością do regeneracji.

Drugie zadanie dotyczy funkcjonalności systemów korzeniowych roślin Ri. Na podstawie oceny morfologicznej wiadomo, że korzenie roślin Ri są bardziej rozbudowane. Naukowcy muszą natomiast odpowiedzieć na pytanie, czy przekłada się to na zdolność do pobierania wody i transportowania do części nadziemnej, bo tylko wtedy cały eksperyment miałby sens i usprawniał funkcjonowanie roślin. Badacze będą mierzyć przewodnictwo korzeniowe i tempo transportu soków przez części organizmu roślinnego.

- Trzecie zadanie, chyba największe, kluczowe, domykające projekt to ocena zdolności roślin Ri do tolerowania suszy – mówi prof. Tyburski. - Przeprowadzimy szereg testów, sprawdzimy wiele parametrów zarówno biochemicznych, jak i fizjologicznych, które wykażą, czy w warunkach deficytu wody rośliny Ri radzą sobie lepiej - czy funkcjonują w sposób bardziej optymalny, czy są bardziej produktywne.

Celem działalności badawczej całego konsorcjum jest stworzenie nowej technologi uzyskiwania sadzonek roślin przeznaczonych do uprawy. Długofalowo wyniki mają przełożyłyć się na sektor gospodarczy. W projekt zaangażowanych jest kilka firm bezpośrednio zajmujących się uprawą roślin użytkowych.

RootsPlus to warty 1 335 000 euro projekt realizowany w ramach unijnej Inicjatywy ERA-NET Co-Fund SusCrop polegającej na podejmowaniu wspólnych działań w zrównoważonej produkcji roślinnej. Zaplanowano go na lata 2021-2024. Toruńscy biolodzy na badania dostaną 205 750 euro.