Dr Tomasz Hura z Zakładu Ekofizjologii Instytutu Fizjologii Roślin im. F. Górskiego PAN jest pomysłodawcą i kierownikiem projektu realizowanego ze środków NCN, konkurs Opus 16 pt.: Strukturalna i funkcjonalna charakterystyka loci determinujących poziom fenoli ściany komórkowej w warunkach stresu wodnego pszenżyta”.
Pański zespół jako jedyny na świecie zapoczątkował i kontynuuje badania nad rolą fenoli ściany komórkowej w mechanizmach aklimatyzacji do suszy glebowej. Skąd pomysł na ten projekt?
– W środkach masowego przekazu dużo mówi się o zmianach klimatu i o niekorzystnych skutkach tego zjawiska na rolnictwo. Jednym z symptomów zmian klimatu jest susza glebowa, przybierająca coraz bardziej skrajny charakter. Wiąże się to m.in. z deficytowymi opadami w okresie jesiennym, co jest szczególnie niekorzystne dla zbóż ozimych, które doświadczają tzw. suszy jesiennej. Jeżeli dodatkowo występuje bezśnieżna zima, a po niej susza wiosenna, to zboża, zarówno jare jak i ozime narażone są na ekstremalne warunki deficytu wody w glebie. Skutkiem tego jest drastyczne obniżenie plonowania zbóż, nawet o 70%. Dlatego tak ważne są badania nad rozpoznaniem mechanizmów zwiększających tolerancję zbóż na suszę. Takim efektywnym mechanizmem może być indukowane deficytem wody w glebie wbudowywanie związków fenolowych w struktury ściany komórkowej. I właśnie ten proces, od strony głównie molekularnej i genetycznej badamy.
Czym są loci determinujące poziom fenoli ściany komórkowej w warunkach stresu wodnego pszenżyta? Jaka jest ich funkcja?
Loci (locus l. pojedyncza) to obszary w genomie danego gatunku zajmowane przez gen. Podejrzewamy, że proces wbudowywania fenoli w struktury ściany komórkowej jest cechą kontrolowaną przez kilka genów, które mogą kodować białka enzymatyczne, transportujące, opiekuńcze itp. Z kolei białka, zwłaszcza enzymatyczne, mogą stanowić kluczowe ogniwa w metabolizmie cukrów, bo synteza fenoli zależy od poziomu cukrów i dalej w syntezie samych związków fenolowych. W projekcie wykonane zostaną analizy nadekspresji zsekwencjonowanych genów, detekcja i identyfikacja białek, potwierdzone będą katalityczne właściwości białek. W części bioinformatycznej projektu opracowane zostaną modele homologicznych produktów translacji wybranych genów oraz analiza miejsca aktywnego.
Jaką funkcję pełni wysycona fenolami ściana komórkowa?
Wbudowywane w struktury ściany komórkowej związki fenolowe, łączą się z jej węglowodanowymi komponentami wiązaniami estrowymi i/lub eterowymi, tworząc poprzeczne mostki łączące dwa równolegle biegnące poliwęglowodanowe komponenty ściany komórkowej.
Wysycona fenolami ściana komórkowa jest filtrem chroniącym wnętrze komórki przed wysokoenergetycznym promieniowaniem UV. Przez możliwość absorpcji, związki fenolowe transformują krótkofalowe, wysokoenergetyczne i destrukcyjne dla struktur komórkowych promieniowanie na np. niebieską fluorescencję. Ponadto wysycenie ściany komórkowej związkami fenolowymi będzie ograniczać wykorzystanie cukrów w procesach wzrostowych roślin. W ten sposób ograniczony zostaje wzrost roślin, a rozpuszczalne węglowodany, w warunkach stresu suszy, będą zwiększać pulę substancji osmotycznie czynnych, które zatrzymują wodę w komórkach, zapobiegając ich odwodnieniu. Równocześnie połączenia fenoli z węglowodanami ściany komórkowej powodują, że staje się ona mniej rozciągliwa, bardziej zwarta i szczelna. Barierą dla przenikania wody staje się hydrofobowy (nieprzyjazny dla wody) charakter ściany komórkowej, wynikający z obecności silnie hydrofobowych pierścieni benzenu, które są podstawą struktury związków fenolowych. Dlatego wysycona fenolami ściana komórkowa staje się chemiczną barierą. Będzie ona ograniczać transport wody z wnętrza komórki do ściany komórkowej oraz dalsze przemieszczanie wody wewnątrz apoplastu w kierunku środowiska zewnętrznego, co jest równoznaczne z utratą wody.
Co składa się na efektywny mechanizm aklimatyzacji pszenżyta do suszy glebowej?
Pszenżyto to mieszaniec międzyrodzajowy pszenicy i żyta. Jest zbożem o stosunkowo krótkiej historii, gdyż do szerokiej uprawy zostało wprowadzone w latach siedemdziesiątych ubiegłego stulecia. O cechach tego gatunku decyduje genom pszeniczny oraz żytni. Ideą powołania do życia tego gatunku było otrzymanie zboża, które będzie łączyć w sobie wysoką produktywność pszenicy oraz odporność na stresy środowiskowe żyta. Z naszych poprzednich badań wynika, że loci determinujące proces wbudowywania związków fenolowych w struktury ściany komórkowej, są właśnie zlokalizowane na genomie żytnim. Stąd obecność tego genomu może być podstawą efektywnego mechanizmu przystosowania pszenżyta do suszy glebowej.
W koncepcję projektu wpisane są 4 etapy, na jakim Państwo są aktualnie? Co udało się dotychczas osiągnąć?
Obecnie jesteśmy w trakcie analiz fizjologicznych, biochemicznych i molekularnych, to etap 1. Prowadzone są analizy produktów różnicowych, czyli detekcja transkryptów związanych ze szlakiem przemian związków fenolowych o zmiennym poziomie ekspresji pod wpływem suszy, to etap 2. Etap 3 i 4, czyli identyfikacja białkowych produktów, będą bazowały już na wynikach etapu 2. Już teraz mogę powiedzieć, że kluczowa dla projektu część związana z identyfikacją genów kontrolujących wbudowywaniem fenoli w struktury ściany komórkowej dostarczyła wiele interesujących i zaskakujących danych, które będą w pełni wartościowe po czekającej nas analizie produktów białkowych.
Jakich efektów można się spodziewać z wyników Pańskich badań?
Identyfikacja genów w tym projekcie będzie podstawą do prowadzenia dalszych badań, już o charakterze aplikacyjnym, z wykorzystaniem nowoczesnych narzędzi inżynierii genetycznej, jak np. metoda edycji genów CRISPR-Cas9. Pozwala ona m.in. wprowadzać korzystne geny do genomu rośliny i w ten sposób precyzyjnie „dostroić” jej genom w kierunku zwiększenia tolerancji na suszę glebową. Taką wstawką może być gen związany z procesem wbudowywania związków fenolowych w ścianę komórkową.
Rozmawiała: Jadwiga Pasiut
