Jak wychodować rośliny odporne na suszę?

Rośliny o korzystnych dla człowieka cechach - np. odporne na suszę, choroby lub drastyczne zmiany temperatury - da się być może uzyskać dzięki badaniom nad "skaczącymi" fragmentami DNA. O tych niezwykłych częściach genomu, które prawdopodobnie pochodzą od wirusów, mówi prof. Jerzy Paszkowski.

Prof. Paszkowski realizuje swoje badania "Ewolucyjna strategia dla hodowli roślin" na Uniwersytecie Cambridge w ramach Advanced Grants z Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych.

Nasze własne, oswojone wirusy?

Tylko niewielka część genomu zwierząt czy roślin to geny - przepisy na białka, które tworzyć będą organizm. Naukowcy badając pozostałą część informacji genetycznej zwrócili uwagę na coś bardzo dziwnego: działanie wielu fragmentów DNA przywodzi na myśl wirusy, które mogły kiedyś - dawno w trakcie ewolucji - skolonizować genom nosicieli. - Takie "oswojone" wirusy stanowią u człowieka aż 45 proc. informacji genetycznej, a u kukurydzy - aż 90 proc. - mówi prof. Jerzy Paszkowski. Podkreśla jednak, że te fragmenty kodu genetycznego nie są już dla organizmu szkodliwe. Stały się przenoszoną na dalsze pokolenia częścią informacji genetycznej.

- Przez długi czas określano je jako DNA śmieciowe. Ale jeśli to byłby tylko śmieć, to organizm ma mechanizmy, które pozwoliłyby elementy te wyrzucić z genomu - opowiada Paszkowski. Zaznacza, że rola tych fragmentów może mieć spore znaczenie w regulacji działania genów. Jeśli bowiem jakiś element położony jest blisko pewnego genu, może wpływać na to, z jaką intensywnością gen ten działa.

Easy riderzy

Badacz przyznaje, że fragmenty te to tacy "easy riderzy". Kiedy ich nosiciel ma dobre warunki do życia, pozostają w uśpieniu. Kiedy jednak dzieje się coś złego, mogą zacząć przeskakiwać z jednego miejsca DNA na inne. Dlatego też fragmenty te nazywa się elementami mobilnymi lub transpozonami. Transpozony przeskakując w nowe miejsce mogą zmienić działanie różnych genów, co czasem decydować może o przeżyciu organizmu i jego potomków. - Dzięki transpozonom może następować szybsza dywersyfikacja organizmów, które podlegają selekcji - mówi biolog.

- Jest taki jeden transpozon, który wyżywia cały świat. W pewnym miejscu genomu kukurydzy znalazł się kiedyś pewien element mobilny, który zmienił regulację genu obok siebie. Dzięki temu kukurydza zaczęła wyglądać jak kukurydza. Bo ona wcześniej wyglądała jak trawa - opowiedział badacz. Przyznał, że dzięki działaniu transpozonu zmieniła się architektura rośliny, m.in. kształt kolby i dostępność nasion. - Dawno temu Indianie wyselekcjonowali roślinę o takiej właśnie mutacji. I do tej pory selekcja kukurydzy jest prowadzona przez człowieka tak, by zachować tamtą mutację - opowiada naukowiec.

Grzecznie obudzić śpiącego pasażera

Badacze z zespołu prof. Paszkowskiego prowadzą badania nad mechanizmami uśpienia tych mobilnych elementów. Chcą wymusić ruch na transpozonach w genomie pomidorów, kukurydzy i ryżu. Badacze liczą na to, że dzięki temu będzie można uzyskiwać rośliny o niespotykanych wcześniej cechach - m.in. odporne na suszę, na szybkie zmiany klimatyczne czy na zanieczyszczenia środowiska.

Jerzy Paszkowski przyznaje jednak, że ważne jest to, by wybudzać transpozony w sposób kontrolowany. - Bo jeśli na raz obudzi się 50 proc. genomu i zacznie się go chaotycznie przemieszczać, to nie ma szans, żeby organizm przeżył - zaznacza naukowiec. Przyznaje, że wyniki badań są obiecujące. - Okazało się, że jesteśmy w stanie obudzić tylko małą grupkę tych transpozonów, a nie wszystkie jednocześnie. Tak, jak to się działo się w ewolucji - mówi.

Objaśnia, że wymuszenie ruchu na transpozonach jest dość skomplikowane, bo organizm nosiciela nie chce dopuścić do tego, by elementy w jego DNA się przemieszczały. - Trzeba złamać dwa, trzy zamki, żeby uwolnić te transpozony. A każdy typ tych elementów mobilnych ma inny zestaw zamków, więc trzeba wiedzieć, które zamki otworzyć, żeby transpozon zaczął się poruszać - opisuje prof. Paszkowski. Wyjaśnia, że wśród "kluczy", które otwierają te zamki, jest m.in. wysoka temperatura czy inne warunki stresowe występujące w środowisku. O ile jednak naukowcy wiedzą już, jak wprawić transpozony w ruch i jak ten proces zahamować, to nie można przewidzieć, w które miejsce w genomie mobilny fragment DNA wskoczy i do jakich zmian w organizmie doprowadzi.

Czerwone (zielone) pomidory

- Nawet jeśli nie będziemy mogli dokładnie przewidzieć, jakie rośliny wyhodujemy, to dzięki temu procesowi będziemy mogli wygenerować całe "pole" roślin, w których transpozony przemieściły się w nowe miejsce. To próba przyspieszenia ewolucji - powiedział biolog. - Hodowcy dostaną od nas populację roślin, której nikt nigdy wcześniej nie miał - zaznacza badacz. Przyznaje, że to już zadanie hodowców, by spośród tych nowych roślin wybrać te, których cechy będą najbardziej pożądane.

- Jeden jedyny egzemplarz rośliny wystarczy hodowcy, żeby stworzyć całą populację roślin - mówi naukowiec i zwraca uwagę, że pomidory, które kupujemy w sklepach, nie smakują tak, jak smakowały pomidory jeszcze przed kilkudziesięciu laty. A wszystko to przez jedną mutację, która nie pozwala pomidorowi dojrzewać. - To, co kupuje się w sklepie, to zielony pomidor, wyglądający czerwono. On bardzo wolno dojrzewa, a przez to łatwiej go przechowywać. Pomidory o takich cechach - sprzedawane na całym świecie - uzyskano z jednego, jedynego krzaczka o takiej mutacji - opowiada Paszkowski.

- Ewolucja jest niesamowicie nieprecyzyjna i rozrzutna. Generuje zmienność, a zmienność jest poddawana selekcji. Nasza metoda nie pozwoli na precyzyjne zaprojektowanie rośliny. Zwiększy jednak znaczne prawdopodobieństwo otrzymania rośliny, która mogłaby powstać w naturze, ale trzeba by było czekać setki tysięcy lat. My chcemy przyspieszyć te procesy, poznając mechanizmy występujące w naturze - zaznacza.

Badacz precyzuje, że jego badaniami zainteresowane są już duże firmy nasienne w USA. - Ale na razie jesteśmy w fazie badań podstawowych, w fazie poznawania natury. Musimy się sporo jeszcze nauczyć, żeby procesy te wykorzystać w hodowli - opowiada.

PAP - Nauka w Polsce