Roślina idealna byłaby odporna na wszelkie stresogenne czynniki zewnętrzne, takie jak: ciepło, zimno, zasolenia, susza czy szkodniki. I m.in. w poszukiwaniu takich roślin pomaga biologia strukturalna, która jest nauką na styku biologii, chemii, fizyki, nauk komputerowych i matematyki. 

Chociaż przeciętnemu człowiekowi inżynieria genetyczna kojarzy się z GMO i zagrożeniami jakie mogą wynikać z modyfikacji genomu, to jej stawka jest wysoka. Nauka staje się coraz doskonalsza i pozwala na otrzymywanie nowych i wartościowych odmian roślin. Nie ma powodu do obaw o ich bezpieczeństwo, laboratoria dbają o jak najbardziej odpowiednie środki bezpieczeństwa. Wykorzystywane obecnie metoda CRISPR/Cas9 w badaniach roślin oraz w hodowli roślin uprawnych pozwala na precyzyjne modyfikowanie genomu i uzyskanie roślin, które będą dobrze plonowały w warunkach silnie rosnącej presji patogenów oraz niekorzystnych zmian środowiska.

Tworzenie nowych odmian roślin wydaje się o tyle ważne, jeśli weźmiemy pod uwagę coraz bardziej restrykcyjne obostrzenia w stosowaniu środków chemicznych. Odmiany roślin odporne na susze i chwasty są ważne z powodu rosnącego zapotrzebowanie na żywność, której produkcje może opóźnić zmiany klimatyczne. Biologia strukturalna jest zgodna z założeniami rolnictwa zrównoważonego i produkcji rolnej.

Rośliny modelowe w służbie rolnictwu

W laboratorium naukowcy zajmują się roślinami hodowlanymi i jednocześnie modelowymi dla nauki, ponieważ na ich temat można znaleźć wiele badań i opracowań. Mimo, że do pracy potrzebują wiedzy szczegółowej, to wnioski płynące z badań są uniwersalne i można je odnieść na wiele sposobów.
Sporo badań opiera się na Arabidopsis thaliana (rzodkiewnik pospolity). Innym obiektem jest np. Medicago truncatula, która jest rośliną modelową w badaniach roślin bobowatych (Fabaceae). 

Arabidopsis thaliana pochodzi z rejonu Morza Śródziemnego, ale obecnie zasięg tej rośliny jest znacznie większy. Wyróżnia się niewielkimi rozmiarami i odpornością, dzięki czemu może go łatwo uprawiać w warunkach laboratoryjnych. Ma krótki cykl rozwojowy, mały genom, a prosta budowa materiału genetycznego ułatwia identyfikację, poznanie usytuowania i mechanizmu działania rozmaitych genów.

Medicago truncatula jest jednoroczną rośliną, która naturalnie występuje w rejonie Morza Śródziemnego i jest spokrewniona z lucerną siewną (Medicago sativa). Jest ważną rośliną pastewną uprawianą w Australii. Wchodzi w symbiozę z bakteriami Sinorhizobium meliloti i Sinorhizobium medicae oraz z grzybami mikoryzowymi, w tym Rhizophagus nieregularnis. Jest ważnym narzędziem do badania tych procesów. Medicago truncatula ma małe wymagania dotyczące światła, temperatury, składu podłoża oraz szybki rozwój wegetatywny. Ze względy na mały genom i łatwość wywoływania modyfikacji genetycznych lub pojedynczych mutacji jest dobrym obiektem modelowym w badaniach nad roślinami bobowatymi, do których należą również np. groch, fasola czy soja.

Poszukiwanie nowych substancji biologicznie czynnych to proces złożony i wieloetapowy

Poznańscy naukowcy zajmują się poznawaniem mechanizmów molekularnych i możliwością projektowania środków biologicznie czynnych. Jest to złożony i wieloetapowy proces, do którego jest kilka podejść. Najpierw badacze zdobywają wiedzę o strukturze trójwymiarowej poszczególnych białek po to, by wykorzystać tę wiedzę w dopasowaniu (zaprojektowaniu) cząsteczek biologicznie czynnych. Można to porównać do poznawania budowy zamka w drzwiach, by dopasować do niego klucz. Proszę sobie wyobrazić jak bardzo dokładna wiedza o budowie zamka może pomóc w stworzeniu pasującego klucza.

Dodatkowo zespół dr Ruszkowskiego próbuje stworzyć takie odmiany roślin uprawnych, które będą miały zwiększoną odporność na suszę i będą w stanie przywrócić użyteczność ziem zanieczyszczonych metalami ciężkimi. I wdrażać je do użytku. 

Przeczytaj także: Polscy naukowcy pracują nad uprawami odpornymi na suszę i chwasty

W tego typu badaniach drzemie ogromny potencjał, ponieważ wiele mechanizmów molekularnych w komórkach roślinnych jest do tej pory niewystarczająco poznanych. Ich poznanie umożliwi projektowanie nowych cząsteczek, które będą wstanie modyfikować funkcjonowanie białek. Tym samym umożliwią ich praktyczne wykorzystanie na wiele sposobów, np. przy tworzeniu nowych środków zwalczających chwasty.

W jaki sposób naukowcy poszukują nowych herbicydów?

Miłosz Ruszkowski podkreśla, że znajomość struktur odpowiedzialnych za regulację odpowiedzi na suszę, pozwoli wprowadzać takie modyfikacje, które mogą poskutkować zwiększoną odpornością roślin. Innymi słowy, szukają podstaw molekularnych procesów zachodzących w komórce roślinnej, które potem są kojarzone z fenotypem.

Prace zaczynają się od przeglądu literaturowego, który pozwala wyszukać takie rośliny o pożądanych cechach, np. są one odporne na suszę i zasolenie oraz herbicydy. Dzięki takim roślinom można poznać:

• jak wygląda dane białko, także w strukturze 3D, co daje duże pole do wyobraźni i modelowania,
• jakie są zależności pomiędzy białkami a ekspresją genów,
• jakie mechanizmy rządzą tymi procesami.

Poszukiwania na etapie badań podstawowych pozwalają poznać na jakie gatunki może dana substancja działać. Szukają w puli dostępnych cząsteczek takich, które wiązałyby się do tego białka na zasadzie wspomnianego wyżej dopasowania klucza do zamka. Poznanie struktury białek, zapobiega przypadkowości w badaniach. 

Wielkość plonu roślin uprawnych zależy od dużej liczby genów regulujących procesy związane z plonowaniem. Są to m.in. regulacja kwitnienia, wielkość kwiatów lub kłosów, wielkość i liczba nasion, rozwój systemu korzeniowego, pobieranie i wykorzystanie składników mineralnych, homeostaza hormonalna. 

Edytowanie określonych genów faktycznie pozytywnie wpływa na pożądane cechy

Edycja genów pozwala uzyskać pożądane cechy, np. lepsze pobieranie składników mineralnych i związków azotowych czy pozwala na uzyskanie roślin tolerancyjnych na niekorzystne warunki. Zmiany środowiska rolniczego, takie jak:

• degradacja gleby,
• zasolenie,
• znaczne ograniczenia zasobów wody,
• oraz sprawiają, że naukowcy poszukują gatunków dzikich, których udomowienie mogłoby uzupełnić listę gatunków obecnie uprawianych.

 

Oprac. Natalia Marciniak-Musiał

Fot. Pixabay