Jęczmień dający wysoki plon, a przy tym odporny na suszę i patogeny – brzmi jak science fiction? Wcale nie – takich odmian zbóż potrzebujemy już teraz. Prof. Piotr Ziółkowski, kierownik Pracowni Biologii Genomu (Wydział Biologii) prowadzi badania, które mogą wspomóc nowe inteligentne strategie hodowli roślin użytkowych.
Prof. Piotr Ziółkowski razem z zespołem prowadzi fascynujące projekty, które mają szansę otworzyć nieznane wcześniej możliwości przed współczesnym rolnictwem. Naukowcy pracują nad identyfikacją czynników kontrolujących rekombinację mejotyczną. Badania zmierzają w kierunku tworzenia strategii inteligentnej hodowli, a ich wyniki mogą mieć praktyczne znaczenie.
Biolodzy doskonale wiedzą, co to znaczy „rekombinacja mejotyczna”, potocznie zwana crossing-over, ale skoro artykuł będą czytać nie tylko specjaliści w tej dziedzinie na wstępie wyjaśnimy, czym ona jest. Bez mejozy, jak pamiętamy z lekcji biologii, nie byłoby możliwe powstanie gamet (komórek rozrodczych). Wszystkie komórki organizmów eukariotycznych, w tym ludzi, posiadają dwa zestawy chromosomów – od matki i od ojca, które łączą się ze sobą podczas zapłodnienia. Gdyby nie było mejozy, z każdym pokoleniem liczba chromosomów podwajałaby się, co doprowadziłoby do chaosu. Dzięki mejozie liczba chromosomów w gametach zmniejsza się o połowę, przez co w kolejnych pokoleniach garnitur chromosomowy nie zmienia się.
Czemu zatem służy rekombinacja? Prowadzi do przetasowania i właściwej wymiany genów w chromosomach, które uzyskaliśmy od matki i ojca. Dzięki temu chromosomy, które później trafią do gamety są mozaiką fragmentów chromosomów pochodzących od obu rodziców.
Zobacz też: Prof. Jacek Radwan. Wyprzedzić wroga
Rekombinacja jest ściśle kontrolowana, co oznacza, że u niemal wszystkich eukariotów każda para chromosomów przechodzi nie więcej niż 2-3 zdarzenia crossing-over.
Selekcja kontra zmienność
Zmiennością genetyczną prof. Piotr Ziółkowski bliżej zainteresował się na stażu na Uniwersytecie w Cambridge. Prowadząc badania z dr. Ianem Hendersonem szukał odpowiedzi m.in. na pytania: czy osobniki jednego gatunku wykazują duże różnice w częstości rekombinacji mejotycznej? Jak zwiększyć częstość rekombinacji i jak ją kierować w określone miejsce na chromosomie? Są to ważne zagadnienia z punktu widzenia np. hodowców roślin, którym zależy na wytworzeniu gatunków o specyficznych cechach np. dających wysokie plony i jednocześnie odpornych na suszę. Nie jest to proste zadanie, bo na przeszkodzie stoi bardzo silne zawężona zmienność genetyczna roślin uprawnych, wynikająca z tysięcy lat sztucznej selekcji prowadzonej przez człowieka.
– Łany pszenicy tej samej odmiany pochodzące z różnych pól są identyczne. Rolnicy krzyżowali zboża kierując się przede wszystkim plonem i nie zdając sobie sprawy, że sztuczna selekcja w kierunku jednej cechy, automatycznie eliminuje zmienność w obrębie innych cech, np. odporności na suszę. Jeśli klimat w danym okresie historycznym był wilgotniejszy, takie zmiany w strukturze populacji nie były przez hodowców dostrzegane. Jednak wraz z nastaniem suchych lat uwidaczniał się brak odpowiedniej zmienności w uprawach, której nie ma już jak uzupełnić. W naturalnych, dzikich populacjach bardzo wysoka zmienność sprawia, że bez względu na warunki część osobników z tych populacji przetrwa, zapewniając tym samym trwanie gatunku. – wyjaśnia prof. Piotr Ziółkowski.
Inteligentna hodowla
Dlatego też hodowcy starają się wzbogacić zmienność wprowadzając nowe wersje genów (allele genowe) z niespokrewnionych linii bądź z populacji dzikich. Problem w tym, że przy okazji mogą stracić wysokość plonowania, a także przenieść do upraw szereg innych prymitywnych cech, które są niepożądane np. sposób połączenia plewy z ziarnem, co utrudnia proces obróbki. Dobrym rozwiązaniem wydaje się zwiększenie częstości rekombinacji, dzięki czemu rośnie szansa, że uda się przenieść tylko pożądany fragment chromosomu. Druga strategia to nakierowanie rekombinacji w określone miejsce na chromosomie, gdzie zlokalizowany jest interesujący hodowcę gen. Obie strategie byłyby przełomowe szczególnie w hodowli zbóż, mających bardzo duże genomy. W przypadku zbóż okazuje się bowiem, że 2-3 zdarzenia rekombinacyjne, przypadające na jedną parę chromosomów, to zdecydowanie za mało, by prowadzić efektywną hodowlę.
W rezultacie hodowca tworzy nową odmianę przez kilkanaście lat, posługując się do tego celu olbrzymimi populacjami, w których poszukuje odpowiedniej kombinacji alleli! Często proces ten kończy się porażką, ponieważ nie dość, że rekombinacja jest losowa, to jeszcze w wielu przypadkach zachodzi na samych końcach chromosomów. Jeśli zdamy sobie sprawę, że ok. 80 procent długości chromosomu u zbóż w ogóle nie wchodzi w rekombinację, to okaże się, że nie mamy fizycznej możliwości ich przeniesienia między różnymi liniami.
Na postęp w tej dziedzinie być może wpłynie nowy projekt poznańskich naukowców, który ma na celu zbadanie, jakie czynniki determinują zachodzenie rekombinacji. Chodzi o to, żeby rekombinacja nie była losowa – naukowcy chcą ją kierować w konkretne miejsce na chromosomie.
– Moglibyśmy przenieść określone warianty genowe z linii dzikich do linii uprawnych dzięki „targetowaniu rekombinacji”. Byłoby to po pierwsze efektywne, bez konieczności wykorzystywania gigantycznych populacji, co generuje olbrzymie koszty. Projekt zmierza w kierunku inteligent breeding (inteligentna hodowla), czyli kierujemy procesami hodowli w sposób, który do tej pory był niemożliwy. Wiemy, co chcemy przenieść i to robimy.
Ewolucja się nie spieszy
Jak już wspomnieliśmy, natura dba o jak największą zmienność w populacji. Służą temu odpowiednie mechanizmy, które kierują rekombinację do najbardziej zmiennych rejonów chromosomowych. Oznacza to, że jeśli jeden fragment chromosomu jest prawie identyczny u obojga rodziców, a drugi znacząco się między nimi różni, to crossing-over będzie kierowany do tego drugiego. To jedno z głównych odkryć, których dokonał prof. Piotr Ziółkowski. Naukowiec zidentyfikował również gen kodujący enzym, którego zwiększenie w komórce powoduje proporcjonalny wzrost częstotliwość rekombinacji w mejozie.
– Ewolucja nie spieszy się, dla niej, w przeciwieństwie do nas, nie ma znaczenia, z jaką prędkością następuje mieszanie genów. Co więcej, proces ten w naturze nie może odbywać się zbyt szybko, bo powoduje rozbicie korzystnych ewolucyjnie kombinacji alleli. Inaczej jest w przypadku hodowli prowadzonej przez człowieka, gdzie chcemy jak najszybciej uzyskiwać nowe odmiany. Dlatego kilkukrotne podniesienie częstości rekombinacji w skali globalnej ma kolosalne znaczenie. Trwają prace, żeby wykorzystywać zidentyfikowany czynnik pro-rekombinacyjny w hodowli jęczmienia i pszenicy.
Ostatnio nastąpił duży postęp w zrozumieniu zjawiska rekombinacji. Kolejny etap będzie polegał na kierowaniu nią. Biolodzy z UAM stworzyli narzędzia, które pozwalają na mierzenie rekombinacji w bardzo krótkich odcinkach na chromosomie. To tak zwany system reporterowy. – Jak statystycznie zmierzyć, w którym miejscu zachodzi crossing-over, jeśli częstość rekombinacji jest tak niewielka? Żeby to ustalić, trzeba byłoby przetestować miliony osobników, zmapować miejsca crossing-over i rozrysować uzyskany w ten sposób układ – wyjaśnia prof. Ziółkowski. – Zamiast tego stworzyliśmy system opierający się na genach reporterowych, oddzielonych od siebie niewielką odległością na chromosomie. Kodują one białka fluorescencyjne, zielone GFP i czerwone dsRed, które wywołują efekt fluorescencyjnego świecenia nasion. Kierując czynniki stymulujące rekombinację do miejsca znajdującego się pomiędzy tymi dwoma genami reporterowymi, wpływamy na crossing-over w tym miejscu, a potem mierzymy jego częstość poprzez pomiar segregacji fluorescencyjnych reporterów. Dzięki temu możemy szybko określić, który czynnik stymuluje rekombinację i w jakim stopniu. Testując różne czynniki i różne strategie ich dostarczania do chromosomu będziemy w stanie znaleźć te najbardziej obiecujące, warte zastosowania w nowoczesnej hodowli.
Rekombinacja a GMO
Kupując dorodne pomidory w sklepie, nie myślimy o tym, dlaczego warzywa wyglądają właśnie tak. Postęp, którego dokonujemy od tysięcy lat, spowodował duże zmiany. Odpowiedzialna jest za to hodowla tradycyjna, która na poziomie genetycznym nie różni się znacząco od GMO, choć nie wywołuje tylu kontrowersji. Również i w tym wypadku żonglujemy genami z różnych odmian, układając je w wybrany przez nas sposób. Wyobraźmy sobie, że u przodka kukurydzy jedna kolba zawierała maksymalnie do 7 ziaren, ryż w naturze natychmiast rozsypuje nasiona, jak tylko się rozwiną, uniemożliwiając ich zbiór, a dzikie pomidory są wielkości jagód. Kukurydza, jaką dziś znamy, to kukurydza hybrydowa, uzyskiwana dzięki każdorazowemu krzyżowaniu dwóch odległych linii, po to by zwiększyć plon. Jako GMO traktowane jest nie tylko wprowadzanie nowych genów z innego gatunku, ale też samo zwiększenie ekspresji czynników naturalnie występujących w danych organizmie, tymczasem podobne zjawiska występują w naturalnej selekcji. Mimo to GMO w Europie obwarowano wieloma przepisami utrudniającymi korzystanie z niego.
Zwiększenie częstości rekombinacji w regionach chromosomowych różniących się pomiędzy rodzicami, jest naturalnym procesem, nie wymagającym genetycznych modyfikacji. Naukowcy z UAM testują, czy zjawisko to występuje w roślinach uprawnych, innych niż modelowa Arabidopsis. Może ono stać się strategią hodowlaną, wykorzystującą dobór odpowiednich rodziców do krzyżówek. Natomiast strategia polegająca na kierowaniu rekombinacji do konkretnych miejsc na chromosomie, wymaga zastosowania techniki CRISPR, która prawdopodobnie będzie uznana przez Unię Europejską za GMO.
– Prowadzimy głównie prace podstawowe, dowiadujemy się, jakie są mechanizmy działania różnych czynników. Aspekt aplikacyjny jest dla nas bardzo ciekawy, ale w takiej sytuacji mamy trochę związane ręce. Być może w przyszłości uda się rozwiązać ten problem – podsumowuje prof. Piotr Ziółkowski.
