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.
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.
Cały artykuł dostępny na uniwersyteckie.pl
Tekst: Ewa Konarzewska-Michalak
Fot. Adrian Wykrota
