Uprawa roślin zaczyna się w laboratorium

Ta coraz popularniejsza w świecie nauki roślina modelowa pozwala na łatwiejsze i dokładniejsze badania uprawianych przez człowieka zbóż. Organizm modelowy charakteryzuje się zestawem cech, które czynią go bardziej użytecznym dla badań naukowych niż inne organizmy z tej samej grupy.

Prof. UŚ dr hab. Robert Hasterok jest pracownikiem Katedry Anatomii i Cytologii Roślin na Wydziale Biologii i Ochrony Środowiska UŚ. Jej pracownicy zajmują się cytogenetyką roślin, czyli nauką pozwalającą na analizę genomów na poziomie mikroskopowym. Obszar ich zainteresowań to pogranicze cytologii, genetyki i biologii molekularnej. Duże znaczenie dla właściwej analizy i prezentacji wyników ma tutaj także nowoczesna, cyfrowa obróbka obrazu mikroskopowego.

Część pracowników katedry zajmuje się analizą struktury roślinnego genomu jądrowego, szczególną uwagę poświęcając trawom. Właśnie analizą struktury genomu jądrowego traw, zwłaszcza Brachypodium distachyon, jest szczególnie zainteresowany zespół prof. Hasteroka.

Od lat poszukiwano rośliny modelowej, która pozwoliłaby na łatwiejsze i dokładniejsze badania najważniejszej grupy roślin uprawnych - pszenicy, jęczmienia, żyta czy owsa. Pierwszą trawą modelową był ryż, wykorzystywany w badaniach genomicznych ze względu na niewielką zawartość jądrowego DNA. Ryż jest jednak dość odległy filogenetycznie od uprawianych w Polsce zbóż i innych traw użytkowych. Trzeba było zatem znaleźć taką roślinę, która byłaby bliżej spokrewniona z naszymi trawami uprawnymi - wyjaśniają biolodzy.

Naukowcy potrzebowali rośliny, która - oprócz małego genomu jądrowego o niskiej zawartości powtarzalnego DNA i niewielkiej liczbie chromosomów - pochodziłaby ze strefy klimatu umiarkowanego, byłaby niewielka, miała krótki cykl życiowy i cechowała ją samopylność oraz nieskomplikowane wymagania odżywcze.

Jak wyjaśniają naukowcy, niektórych istotnych badań genomicznych nie przeprowadza się bezpośrednio na pszenicy czy życie, ponieważ tego rodzaju rośliny mają bardzo dużo DNA w swoich jądrach komórkowych ze znaczącym lub wręcz przeważającym udziałem DNA niekodującego, zaś frakcja informacyjna DNA stanowi relatywnie niewielką część genomu.

Aby znaleźć sekwencje kodujące w tak dużych genomach, należy zazwyczaj wykonać ogromną i bardzo kosztowną pracę. Brachypodium distachyon tym się różni od innych traw, że posiada bardzo mały genom jądrowy, o niewielkiej zawartości sekwencji powtarzalnych i składzie genów zbliżonym do tych, które mają ważne dla nas gatunki zbóż i trawy o charakterze użytkowym. Gatunek ten stał się więc niezwykle użyteczną "trawą modelową".

Szerzej zakrojone badania nad Brachypodium distachyon zaczęto prowadzić ok. 10 lat temu na Uniwersytecie Aberystwyth w Wielkiej Brytanii. Szefem jednej z tamtejszych grup badawczych jest profesor John Draper, który jako pierwszy zaproponował tę roślinę jako modelową.

Jak wspomina prof. Hasterok, początkowo wielu badaczy nie widziało większego sensu we wprowadzaniu kolejnego modelu, ale z czasem coraz więcej osób przekonywało się do tego pomysłu. Podczas kilkunastu miesięcy pracy w Aberystwyth Hasterok zajmował się m.in. pierwszymi badaniami genomu Brachypodium, a następnie "zaraził" tą rośliną kolegów w Katowicach.

Kilka tysięcy naukowców z zakresu genetyki i biologii molekularnej spotyka się co roku na konferencjach "Plant and Animal Genome" w San Diego. Właśnie tam w 2006 roku temat Brachypodium po raz pierwszy zaistniał na szerokiej arenie międzynarodowej. Wtedy też postanowiono, że genom jądrowy tej rośliny poddany będzie sekwencjonowaniu, czyli zostanie poznany "litera po literze", co ostatecznie nastąpiło w 2009 roku.

Wiele wiodących laboratoriów z USA czy Wielkiej Brytanii niemal z dnia na dzień zajęło się badaniem tej rośliny. Obecnie temat Brachypodium staje się bardzo popularny, poświęcane są tej roślinie odrębne sesje tematyczne na międzynarodowych konferencjach, gdzie wygłaszane są specjalistyczne wykłady. Szybko rośnie też liczba publikacji naukowych, poświęconych nowemu organizmowi modelowemu.

Dziś grupa prof. Hasteroka stale współpracuje z ośrodkami badawczymi w Wielkiej Brytanii i w USA, zaś w projekcie sekwencjonowania genomu jądrowego uczestniczyło aż kilkanaście ośrodków naukowych z Europy i Stanów Zjednoczonych. Zespół Hasteroka od kilku lat prowadzi badania dzięki stałemu wsparciu finansowemu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Są to badania bardzo kosztowne, wymagające specjalistycznej aparatury i odczynników. W najbliższym czasie okaże się, czy w finansowaniu badań pomoże naukowcom także Unia Europejska w ramach tzw. 7. Programu Ramowego.

Prof. Hasterok zdaje sobie sprawę, że większość projektów kierowanych do tego programu nie może być sztuką dla sztuki. "Unię interesuje to, co konkretnie z tego typu badań może mieć Wspólnota Europejska, co z tego będzie miał przeciętny Europejczyk. Naszym celem jest przekonać Unię, że podobnie jak miało to niedawno miejsce w USA, także w Europie z wielu względów warto postawić na badania na Brachypodium distachyon" - podsumowuje profesor.