Natura w walce ze stresem u roślin – poszukiwanie odmian tolerujących stresy

(Autor, prof. dr hab. Stanisław Weindenr)

Rośliny rosnące w swoim naturalnym środowisku, charakteryzujące się brakiem możliwości aktywnego poruszania, są szczególnie narażone na działanie różnego rodzaju stresów, które zakłócają ich wzrost i rozwój. Zarówno zbyt niskie, jak i zbyt wysokie natężenie jakiegoś czynnika jest określane mianem stresu. Może nim być np. niedobór lub nadmiar światła, wody i składników pokarmowych, obecność substancji toksycznych, niekorzystna temperatura, czy też presja innych gatunków. Organizmy mogą tolerować nawet bardzo wysokie natężenie stresów środowiskowych, o ile zostaną u nich wykształcone specyficzne adaptacje (morfologiczne, anatomiczne i fizjologiczne).

Od dawna hodowlę roślin uprawnych prowadzono w kierunku zwiększenia produkcji, zwracając mniejszą uwagę na powszechnie występujące stresy (biotyczne i abiotyczne). Działania stresów łagodzono przez stosowanie nawadniania, nawozów i pestycydów. Takie postępowanie zmniejszyło użycie naturalnych zasobów genetycznych roślin przydatnych do przezwyciężania wspomnianych ograniczeń podczas wzrostu i rozwoju roślin uprawnych. Dlatego pewne gatunki/odmiany zawierające użyteczne cechy odporności na stresy zostały zapomniane. Jednak stosowanie nawozów, pestycydów i wody powinno być ograniczone i rolnictwo musi stać się bardziej zrównoważone. W odróżnieniu od modelu intensywnego rozwoju rolnictwa, aktualnie promowane rolnictwo zrównoważone (ang. sustainable agriculture) zakłada realizowanie wszystkich działań w zakresie rolnictwa z uwzględnieniem dobra przyszłych pokoleń.

Agenda ONZ ds. Wyżywienia i Rolnictwa szacuje, że w ubiegłym wieku, zniknęło trzy czwarte genetycznej różnorodności upraw rolniczych. Przemysłowy typ rolnictwa zachęcał rolników do korzystania z tych samych gatunków wysokowydajnych roślin. Gdy rolnicy rezygnują z różnorodności to pewne odmiany mogą zniknąć wraz z ich specyficznymi cechami genetycznymi. Obecnie w wielu krajach promuje się przechowywanie materiału genetycznego roślin, jako zbioru nasion (ang. plant germplasm collections). Powoduje to wzrost asortymentu materiału biologicznego, który może być badany w celu wyszukania genotypów odporniejszych na stresy. Komisja Europejska stara się zintegrować narodowe infrastruktury badawcze w celu przeanalizowania ogromnej ilości danych genomicznych dotyczących zwierząt, roślin i mikroorganizmów, a naukowcy próbują powiązać te dane z danymi fenomicznymi.

Ustalenie, jakim zmianom ulegają białka podczas stresów środowiskowych, może dostarczyć wielu ważnych informacji dotyczących adaptacji roślin do tych warunków. Konieczność analizy proteomu wynika z tego, że wiele jego cech nie można zbadać na innych poziomach (genomu, transkryptomu), ze względu na występowanie zmian potranslacyjnych, takich jak fosforylacja lub glikozylacja, które wpływają zarówno na strukturę, jak i na funkcję białka. Przedstawiony poniżej postęp w proteomicznych badaniach odpowiedzi roślin uprawnych na stresy oraz przykłady badań nad białkowymi wskaźnikami tolerancji na stresy mają duże szanse na praktyczne wykorzystanie.

W ostatnich latach prowadziłem,  wraz z zespołem doktorantek (Wioletta Brosowska, Sylwia Sadowska, Anna Badowiec, Agnieszka Mostek i Angelika Król), badania nad wykorzystaniem analiz proteomicznych do wyjaśnienia biologicznych podstaw tolerancji stresów u roślin oraz nad białkowymi biomarkerami stresów abiotycznych. Wspomniane prace były wykonywane w ramach Europejskich Programów Współpracy w Dziedzinie Badań Naukowo-Technicznych (COST Actions 828, 858, FA0603, FA0901, FA1003 i FA1306 – w wymienionych programach pełniłem funkcję przedstawiciela Polski oraz członka Management Committee). Badania te były finansowane przez Specjalne Programy Badawcze KBN oraz przez Narodowe Centrum Nauki. Uzyskane wyniki częściowo zostały już opublikowane w czasopismach o wysokim IF (J. Plant Physiol., Plant Physiol. Bioch., Int. J. Mol. Sci., Acta Physiol. Plant i Molecules). Podsumowanie tych badań przedstawiłem również w ostatniej pracy przeglądowej (Weidner S., Acta Sci., Pol., Biotechnologia, 14(2) 2015, 43 – 56). Zagadnienia te są bardzo ważne przy zwiększaniu produkcji roślinnej z wykorzystaniem naturalnych zasobów genetycznych roślin uprawnych do przezwyciężania stresów występujących podczas ich wzrostu i rozwoju. Do najważniejszych osiągnięć zespołu można zaliczyć między innymi: zidentyfikowanie białek, których ekspresja zmienia się pod wpływem stresów (białka te mogą służyć jako obiekty strategii inżynieryjnych, mających na celu powstanie odmian wykazujących większą odporność na niekorzystne warunki klimatyczne lub jako białka wskaźnikowe w diagnostyce); wykazanie, że białkiem obecnym wyłącznie w kiełkujących nasionach Pisum sativum L. w warunkach stresu osmotycznego i regeneracji po stresie był enzym metylotransferaza 6 α-hydroksymaakiainowa, biorący udział w syntezie pizatyny; wykazanie, że zwiększona tolerancja roślin na stres solny jest głównie wynikiem wzmożonej aktywności w przekazywaniu sygnałów w ich komórkach, co prowadzi do akumulacji białek chroniących przed stresem oraz zmian w strukturze ścian komórkowych; zbadanie (po raz pierwszy) molekularnego mechanizmu łagodzenia stresów u roślin przez kwas β-aminomasłowy (aminokwas niebiałkowy); wykazanie istnienia (poza wspólnymi) bardzo specyficznych dla poszczególnych stresów mechanizmów obronnych w winorośli, co ma ogromne znaczenie w tworzeniu nowych odmian uprawianych w warunkach klimatycznych północno-wschodniej Europy; wykazanie, że liście winorośli mogą służyć jako komercyjne źródło antyoksydantów.

Badania w dziedzinie biologii molekularnej są z pewnością bardzo fascynujące, należy jednak pamiętać, że w końcu liczy się fenotyp. Fenotypujące platformy powstały już w wielu krajach takich, jak: Australia, Belgia, Kanada, Francja, Niemcy, Węgry, Holandia, USA i Wielka Brytania. Jednakże zrozumienie zachowania roślin i powiązanie z reakcjami genetycznymi i komórkowymi jest dużym wyzwaniem i nie może być rozwiązywane tylko na poziomie narodowym. Naukowcy z różnych dyscyplin (genetycy, fizjolodzy roślin, biochemicy, biolodzy molekularni i inni) powinni połączyć siły w celu rozwiązania tych problemów. Konieczne jest również stworzenie sieci łączącej naukowców, hodowców i przemysł. Od lat bowiem hodowcy roślin szukają sposobów na polepszenie wydajności plonów w różnych warunkach środowiskowych. Ważna jest identyfikacja genetyczno- -fizjologicznych markerów oraz integracja danych fenotypowych z danymi „omicznymi”, co stanowiłoby konkretne wskazówki dla rolnictwa. Pozwoli to zminimalizować wpływ biotycznych i abiotycznych stresów na plonowanie i zwiększyć użycie dostępnych zasobów genetycznych.

Stanisław Weidner