Rozmowa z dr hab. Damianem Gruszką, prof. UŚ na temat projektu ‘Badania nad wpływem brasinosteroidów na tolerancję roślin jęczmienia na stres niedoboru wody’
Czym są BRASINOSTEROIDY?
– To grupa hormonów roślinnych odkrytych pod koniec lat 70-tych XX w. Regulują przebieg różnych procesów rozwojowych w cyklu życiowym roślin, począwszy od powstawania nasion i kiełkowania, rozwoju w ciemności i w świetle, poprzez stymulację podziałów komórek i ich wydłużania (to bardzo ważny aspekt, z którym wiążą się prowadzone przeze mnie badania), regulację różnicowania elementów przewodzących (transportujących) wodę i asymilaty w roślinie, wpływają one na wydajność procesu fotosyntezy, regulują wejście roślin w generatywną fazę rozwoju (kwitnienie), a także wpływają na tempo starzenia się liści. Obecnie wiemy, że tak szeroki zakres regulowanych przez brasinosteroidy procesów jest możliwy dzięki interakcjom z innymi hormonami, a molekularna sieć tych interakcji jest wciąż poznawana. Kolejne badania wzbogacają obraz tych interakcji, ale często stawiają również nowe pytania.
Dlaczego badania przebiegają na jęczmieniu?
– W naszej grupie badawczej badania nad genetycznymi podstawami rozwoju jęczmienia prowadzone są od kilku dekad. Dysponujemy ważnymi narzędziami do analizy funkcji genów, jakimi bez wątpienia są mutanty. Wiadomo, że jęczmień jest obecnie czwartym gatunkiem zbóż na świecie zarówno pod względem areału upraw, jak i tonażu pozyskiwanego plonu. Jest gatunkiem o bardzo istotnym znaczeniu dla produkcji artykułów spożywczych, przemysłu browarnianego, jak również dla produkcji pasz. Tak więc, prowadzenie badań na tym gatunku i uzyskiwane wyniki mogą mieć istotny walor aplikacyjny. Jęczmień jest gatunkiem diploidalnym (posiada w jądrze komórkowym dwa genomy), co ułatwia prowadzenie analiz genetycznych. Z drugiej strony genom jęczmienia ma relatywnie duże rozmiary, ok. 5 miliardów par zasad (dla porównania genom człowieka ma rozmiar ok. 3 miliardów par zasad), z czego sporą część stanowią sekwencje powtarzalne. Jednak stosowane obecnie metody genetyki molekularnej, m. in. wykorzystywana w moim obecnym projekcie metoda sekwencjonowania eksomów (ang. Exome capture), która opiera się na ukierunkowanym sekwencjonowaniu wyłącznie kodującej części genomu, pozwala na bardzo znaczącą (ok. 50-krotną) redukcję złożoności tego genomu.
Na czym głównie skupiają się prowadzone przez Pana badania?
– Badania dotyczą identyfikacji i analizy funkcji genów jęczmienia, które kodują enzymy zaangażowane w biosyntezę brasinosteroidów lub reakcję roślin na te hormony, która określana jest jako sygnalizacja hormonalna. Ich celem jest identyfikacja mutantów, czyli roślin, które na skutek mutacji w tych genach cechują się zaburzeniami procesów biosyntezy lub sygnalizacji brasinosteroidów. Badania prowadzę indywidualnie, ale również we współpracy z zagranicznymi instytucjami badawczymi.
Na co są narażone rośliny? I czy można powstrzymać te „niebezpieczeństwa”?
– Niebezpieczeństwa w postaci stresów abiotycznych (głównie susza i stres termiczny), jakim podlegają rośliny (również uprawne) są zależne od postępujących zmian klimatycznych i ich tempa. Ograniczać skalę i zasięg stresów środowiskowych można przede wszystkim poprzez redukcję szkodliwego działania, jakie wywiera gospodarka i przemysł na środowisko.
Chciałbym zapytać o główne cele projektu?
– Pierwszym jest identyfikacja genów odpowiedzialnych za półkarłowy, zależny od brasinosteroidów fenotyp mutantów jęczmienia, które zostały zidentyfikowane i wyselekcjonowane podczas naszych wcześniejszych eksperymentów. Będzie ona wykonana z zastosowaniem najnowocześniejszej techniki sekwencjonowania DNA – NGS (ang. Next Generation Sequencing). Sekwencjonowaniu podlegać będą eksomy, które stanowią kodującą część genomu. Badania prowadzone są we współpracy z Lund University. Kolejnym celem jest analiza funkcji kilku genów, które przypuszczalnie kodują enzymy zaangażowane w różne etapy biosyntezy steroli i brasinosteroidów.Ta analiza prowadzona będzie z użyciem techniki TILLING (Targeting Induced Local Lesions IN Genomes), która jest rutynowo stosowana w naszym laboratorium. Materiałem będzie populacja HorTILLUS, która stanowi ważną w skali europejskiej platformę do analizy funkcjonalnej genów jęczmienia. Badanie ma na celu identyfikację serii alleli (wersji) badanych genów. Zidentyfikowane mutanty będą stanowić materiał do analiz zawartości endogennych brasinosteroidów w celu potwierdzenia roli badanych genów w procesie biosyntezy. Analizy akumulacji brasinosteroidów w tkankach tych mutantów będą wykonane z użyciem wysokosprawnej chromatografii cieczowej (UHPLC) i spektrometrii mas (MS/MS) we współpracy z Palacký University w Ołomuńcu. Adaptacje roślin do warunków stresowych mogą zachodzić na poziomie genetycznym, fizjologicznym i metabolicznym. O ile nasze poprzednie eksperymenty pozwoliły na wgląd w fizjologiczną reakcję tych mutantów jęczmienia na suszę, to jednak reakcje na poziomie genetycznym i metabolicznym pozostają słabo poznane, tym bardziej niewiele wiadomo o roli brasinosteroidów w regulacji tych procesów. Dlatego w tym projekcie przeprowadzone zostaną analizy profilu ekspresji genów (tzw. profilowanie transkryptomów). Przez ekspresję genów należy rozumieć ujawnienie się niesionej przez geny informacji, czego pierwszym etapem jest powstawanie transkryptów RNA. Analizy profilu ekspresji będą wykonane przy użyciu nowoczesnej techniki molekularnej wysokoprzepustowego sekwencjonowania RNA (RNA-Seq). Te badania mają na celu scharakteryzowanie u badanych mutantów jęczmienia reakcji na stres zachodzącej na poziomie zróżnicowanej ekspresji genów. Ponadto, w celu wyjaśnienia w jaki sposób reakcja na suszę przebiega u badanych mutantów na poziomie metabolicznym, określone zostaną profile akumulacji metabolitów, czyli niskocząsteczkowych związków organicznych i nieorganicznych produkowanych przez komórki. Dzięki temu możliwy będzie wgląd w przebieg reakcji metabolicznej na stres suszy u badanych mutantów, jak również określenie jaką rolę w regulacji tego procesu pełnią brasinosteroidy. Profil akumulacji metabolitów będzie określany przy użyciu wysokosprawnej chromatografii cieczowej i spektrometrii mas we współpracy z Institut de Biologie Moléculaire des Plantes w Strasburgu. Jak więc widać w projekcie badane będą różne aspekty reakcji roślin na stres niedoboru wody, a same eksperymenty prowadzone będą we współpracy międzynarodowej.
Projekt nr 2019/35/B/NZ2/00382 jest realizowany i finansowany w ramach konkursu OPUS-18 ogłoszonego przez Narodowe Centrum Nauki.
Dziękujemy za rozmowę.
Sebastian Wach
