Oczekiwany przełom w hodowli winorośli

W poprzednim artykule („Czy wyhodujemy winorośl doskonałą?” – Wiadomości Uniwersyteckie, nr 5/123, 2017) wspomniałem, że obecna uprawa winorośli opiera się na bardzo wąskim zakresie odmian, co jest powodem małej odporności na choroby, szkodniki oraz niekorzystne warunki środowiska. Dlatego w ostatnich europejskich programach COST zajęto się niewykorzystaną zmiennością genetyczną niedocenianych i prawie już zapomnianych odmian, które powstawały w procesie udomowienia dzikiej winorośli. Na blogu wydziałowym przedstawiłem również mapy pierwotnych i wtórnych ośrodków udomowienia dzikiej winorośli, w których otrzymywano uprawne formy Vitis vinifera. Należy podkreślić, że zachowanie i wykorzystanie dawnych odmian, przystosowanych do różnych warunków geograficznych ma wielkie znaczenie dla aktualnych programów hodowlanych winorośli. Zdjęcie przedstawia sadzonki winorośli poddawane stresom abiotycznym w celu zbadania odporności poszczególnych odmian na różne niekorzystne warunki środowiskowe, przeprowadzane w szklarni Wydziału Biologii i Biotechnologii UWM w Olsztynie. W Katedrze Biochemii wspomnianego wydziału od wielu lat prowadzone są badania nad odpowiedzią roślin na niekorzystne czynniki abiotyczne (mróz, wysoką i niską temperaturę, suszę, zasolenie gleby, nadmierne promieniowanie), w celu poznania zaangażowanych w to zjawisko genów i mechanizmów biochemiczno-molekularnych.

Naukowcy badają zachowanie się roślin w różnych warunkach, a następnie metodą manipulacji próbują tworzyć odmiany odporniejsze od innych na niekorzystne warunki klimatyczne, a także pleśnie, bakterie lub owady. Jednak środowiska winiarskie protestują przeciwko takiemu podejściu. Wprowadzanie na plantacje odmian wyhodowanych w laboratoriach jest dla nich zaprzeczeniem wielowiekowej tradycji produkcji wina. Winorośl przez kilka tysięcy lat była selekcjonowana przez hodowców w taki sposób, aby otrzymać owoce, z których można wyrabiać najlepszej jakości wino. Okazało się jednak, że im szlachetniejszy otrzymano szczep, tym okazywał się bardziej wrażliwy na choroby i niekorzystne warunki środowiska. Przyczynę upatruje się między innymi w zmianie rozmnażania płciowego (z nasion) na wegetatywny (przez sadzonki). Przez to roślina utraciła wiele ze swoich zdolności adaptacyjnych. Działalność człowieka spowodowała bowiem, że zamiast naturalnego krzyżowania się krzewów winorośli, rozmnaża się od tysięcy lat wegetatywnie ciągle te same szczepy, których genom ulegał w tym czasie tylko nieznacznym modyfikacjom w wyniku mutacji. Stopniowe zwiększanie plonów na plantacjach winorośli musiało również wpłynąć na fizjologię krzewów i ich odporność na choroby. Najgroźniejsza z chorób wspomniana również w poprzednim artykule filoksera spustoszyła europejskie winnice pod koniec dziewiętnastego wieku. Najszlachetniejsze odmiany przetrwały tylko dlatego, że nowe krzewy zaczęto szczepić na tzw. amerykańskich podkładkach. Z odpornej na filokserę winorośli amerykańskiej pochodzi tylko korzeń z krótką łodyżką i dopiero na niej szczepi się szlachetną europejską odmianę. Aby zapobiec różnym chorobom, krzewy winorośli poddawane są aktualnie intensywnej ochronie chemicznej. Warto podkreślić, że plantacje winorośli zajmują zaledwie osiem procent powierzchni upraw w Europie, a na intensywne opryskiwanie krzewów zużywa się aż ok. 70% stosowanych w rolnictwie fungicydów. W związku ze zmieniającym się klimatem i możliwością pojawienia się patogenów odpornych na aktualnie stosowane preparaty chemiczne (co mogłoby spowodować klęskę podobną do tej, którą spowodowała w przeszłości filoksera), w wielu laboratoriach podejmowane są próby manipulacji genami w celu otrzymania doskonałej odmiany, odpornej na choroby i niekorzystne warunki, a jednocześnie nadającej się do wyprodukowania dobrej jakości wina.

Rozwój badań nad odpowiedzią roślin na niekorzystne warunki środowiska przyczynił się do poznania zaangażowanych w to zjawisko genów. Wśród genów, które biorą udział w reakcji roślin na stresy abiotyczne można wyróżnić zaangażowane w przekazywanie sygnałów podczas stresu i kontrolę transkrypcji oraz bezpośrednio uczestniczące w odpowiedzi na stres. Wspomniane wyniki są podstawą modyfikacji genetycznych, zapewniających odpowiednią reakcję roślin na stres. Jeżeli chodzi o zwiększenie odporności na choroby grzybowe i bakteryjne to u wielu roślin uzyskuje się dobry efekt przez wprowadzenie transgenu kodującego enzymy, takie jak glukanaza i hitynaza, które niszczą ich ścianę komórkową. Inny transferowany gen, koduje osmotynę. Jest to białko wiążące się z błoną komórkową, powodując jej zniszczenie. Odporność na wirusy można otrzymać przez wprowadzenie do rośliny genów białek płaszcza (kapsydu) danego wirusa, a także jego enzymów, takich jak replikazy i proteazy. Obecność tych białek powoduje, że późniejsza infekcja tym wirusem jest dużo słabsza. Gen Bt, który izoluje się z bakterii glebowej Bacillus thuringensis odpowiada za odporność na owady (szkodniki). Wspomniany gen koduje białko Cry, które jest toksyczne dla owadów. Białko to uzyskuje swoją toksyczność tylko wewnątrz przewodu pokarmowego określonych szkodników, lecz nie jest toksyczne dla człowieka i innych organizmów. Warto wspomnieć, że winogrona bez pestek, to jeden z przykładów roślin transgenicznych, czyli genetycznie modyfikowanych.

Przełomem w badaniach okazało się zsekwencjonowanie genomu winorośli. Uzyskaniem pełnej sekwencji genomu winorośli zakończyły się badania francusko-włoskie. Zdobyto wiedzę na temat wielu genów związanych między innymi ze smakiem winogron oraz odpornością krzewów na choroby. Okazało się, że genom winorośli zawiera dwukrotnie więcej genów związanych z aromatem niż jakikolwiek zsekwencjonowany genom roślinny. Wykazano, że smak winogron można zmieniać na poziomie genów. Odkryto również zespoły genów bezpośrednio powiązanych z cechami smakowymi wina, szczególnie z zawartością tanin i terpenów. Taniny (garbniki) występują głównie w skórce, nasionach i łodydze winogron. Mają właściwości antyutleniające i nadają winu odpowiedni smak. Terpeny (izoprenoidy), to związki organiczne o silnym aromacie, które są głównym składnikiem wielu olejków roślinnych. Odkryto również geny związane z produkcją resveratrolu. Związkowi temu przypisuje się większość prozdrowotnych właściwości czerwonego wina. Warto wiedzieć, że wino powinno się pić powoli, przetrzymując je długo w ustach. Spiesząc się tracimy nie tylko wiele doznań smakowych, ale również wspomniany wyżej najcenniejszy związek, który między innymi opóźnia starzenie się naszych komórek. Ostatnie badania pokazują, że resveratrol doskonale wchłania się przez śluzówkę ust, natomiast w jelitach jest szybko inaktywowany i normalnie tylko niewielka jego część z wina dociera do krwiobiegu. Od lat prowadzone są prace nad zwiększeniem zawartości resveratrolu w winie. Warto również wspomnieć ostatnie dane WHO, gdzie eksperci obniżyli bezpieczną dla zdrowia dawkę dla panów na dwa, a dla pań – na jeden kieliszek wina dziennie.

W najbliższych latach należy się spodziewać prawdziwego przełomu w hodowli winorośli. Raczej nie będą to winorośla genetycznie modyfikowane, choć nad nimi się też intensywnie pracuje. Manipulacje genetyczne to dla winiarzy zamach na tradycję, natomiast konsumenci wina obawiają się, że wina otrzymane z odmian, takich jak Cabernet Sauvignon Pinot Noir czy Syrach i innych nie będą już smakowały tak samo. Metodę hodowli polegającą na krzyżowaniu roślin można jednak teraz znacznie usprawnić, gdy znamy już funkcję poszczególnych genów odpowiedzialnych za odporność na choroby oraz niekorzystne warunki środowiska. Dotąd krzyżówki przypominały loterię. Teraz można już znacznie trafniej dobierać rodziców, aby zwiększyć prawdopodobieństwo wystąpienia niektórych cech potomstwa. Łatwiej też wyselekcjonować materiał pochodzący z takich krzyżówek. Gdy młode siewki wypuszczą pierwsze listki można na podstawie analizy DNA i białek określić sporo istotnych cech przyszłej rośliny i do dalszej obserwacji wybrać jedynie kilka najlepiej rokujących. Sprawdzanie nowej krzyżówki, zanim się ją wprowadzi do komercyjnej uprawy trwało dotychczas 20 – 30 lat, teraz czas ten może być skrócony nawet o połowę.

Stanisław Weidner