Już jedna komórka roślinna wystarczy, aby mógł powstać nowy organizm. Podczas embriogenezy komórka dzieli się i podlega procesom różnicowania. Tak powstaje zarodek, z którego rozwiną się wszystkie roślinne tkanki i organy. W warunkach laboratoryjnych zarodki te mogą być otrzymywane nie tylko z pominięciem fazy zapłodnienia, lecz również z praktycznie każdej tkanki somatycznej – z fragmentu liścia, korzenia czy łodygi. Oznacza to, że dana komórka roślinna ulega przeprogramowaniu i, zamiast pełnić pierwotną funkcję, bierze udział w rozmnażaniu rośliny. Tę niezwykłą plastyczność komórek bada dr Katarzyna Nowak, genetyk z Wydziału Biologii i Ochrony Środowiska Uniwersytetu Śląskiego.
Dr Katarzyna Nowak jest laureatką XII edycji stypendiów
przyznawanych przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego
młodym, wybitnym naukowcom
Fot. Julia Agnieszka Szymala
Embriogeneza somatyczna jest procesem, w wyniku którego dochodzi do rozwoju zarodka rośliny z dowolnej komórki roślinnej nie będącej jednostką generatywną. Oznacza to, że samoodtwarzanie materii organicznej może nastąpić bez fazy zapłodnienia (rozmnażanie wegetatywne) z fragmentu korzenia czy łodygi. Jak wyjaśnia dr Katarzyna Nowak z WBiOŚ, tego typu procesy zachodzą w warunkach naturalnych, np. u żyworódki, u której nowe osobniki gatunku powstają… na brzegach liści. Naukowcy opracowują metody rozmnażania roślin w warunkach laboratoryjnych, aby, docelowo, móc uzyskać bardziej liczebne i wytrzymałe na czynniki stresogenne plony roślin użytkowych.
Żyworódka jest gatunkiem roślinnym rozmnażającym się wegetatywnie. Nowe osobniki powstają na brzegach liści
Fot. Sekcja Prasowa UŚ
Aby osiągnąć ten cel, genetycy muszą najpierw poznać dokładnie mechanizmy zachodzące na poziomie regulacji ekspresji genów i wpływu różnych czynników na przebieg procesów rozmnażania. Tego typu badania od lat prowadzone są także w Katedrze Genetyki Uniwersytetu Śląskiego. Przedmiotem zainteresowań dr Katarzyny Nowak jest opis przebiegu embriogenezy somatycznej na poziomie genetycznym u trawy Arabidopsis – modelowego gatunku roślinnego wybranego m.in. ze względu na możliwość łatwego prowadzenia transformacji genetycznych.
– Fascynuje mnie plastyczność komórek roślinnych polegająca na zdolności do genetycznego przeprogramowania ich funkcji. Wyobraźmy sobie, że pod wpływem pewnych czynników pojedyncza komórka pełniąca rolę np. okrywającą zaczyna się dzielić, a następnie różnicować, w wyniku czego powstaje zarodek, a z niego – nowy roślinny organizm – mówi genetyk.
Zadaniem biolog jest sprawdzenie, jakie czynniki powodują tego typu genetyczne przeprogramowanie i próba ich odtworzenia z zastosowaniem różnych narzędzi w warunkach laboratoryjnych.
Somatyczne zarodki zregenerowane z niedojrzałego zarodka zygotycznego Arabidopsis thaliana.
Fot. dr Katarzyna Nowak
Tego typu badania są możliwe dzięki porównywaniu rozwoju wybranej rośliny z wykorzystaniem naturalnie występującego genotypu oraz w tzw. liniach transgenicznych. – Badając funkcje poszczególnych genów wybranego roślinnego gatunku, dokonuję ich modyfikacji. Tworzymy najpierw rośliny, w których ekspresja interesującego mnie genu zostaje wyciszona lub wzmocniona, a następnie obserwuję, w jaki sposób zmienia się rozwój rośliny w konkretnej linii transgenicznej. Na tej podstawie wnioskuję, jakie funkcje może pełnić wybrany gen – wyjaśnia biolog. W analizach wykorzystywane są także linie z tzw. genami reporterowymi pozwalające monitorować, w którym momencie cyklu rozwojowego rośliny uaktywnia się opisywany gen.
Siewka linii transgenicznej z indukowaną nadekspresją genu LEC2 produkująca zarodki somatyczne
Fot. dr Katarzyna Nowak
Prowadzenie genetycznych badań procesu embriogenezy somatycznej zaczyna się od przygotowania odpowiedniego materiału, czyli eksplantantu, który zostanie wprowadzony do kultury in vitro. Może to być fragment liścia, korzenia czy łodygi, przy czym w przypadku Arabidopsis, jak wyjaśnia naukowiec, najbardziej efektywnym materiałem są niedojrzałe zarodki zygotyczne w tzw. stadium zgiętych liśceni, ponieważ charakteryzują się niemal stuprocentowym rozwojem zarodków somatycznych. Aby uzyskać tak wysoką efektywność, potrzebna jest jeszcze sztuczna auksyna w odpowiednim stężeniu działająca jak roślinny hormon i zarazem silny stresor. – Zastosowanie niedojrzałych zarodków zygotycznych wraz z tym związkiem chemicznym sprawia, że każdy zarodek wyłożony na pożywkę tworzy od 5 do 10, z których powstać może nowa roślina – tłumaczy dr Katarzyna Nowak. – W prowadzonych przez nas badaniach najważniejsze jest zachowanie balansu pomiędzy wszystkimi czynnikami mającymi wpływ na rozwój rośliny w warunkach laboratoryjnych – dodaje.
Zarodki somatyczne z zaznaczonym biegunem pędowym i korzeniowym (linia reporterowa DR5:GUS)
Fot. dr Katarzyna Nowak
Badając funkcję danego genu, naukowcy rozpoczynają analizy z użyciem standardowej pożywki. Następnie wprowadzają nasiona z linii transgenicznych ze zmodyfikowanym genem i obserwują zachodzące zmiany, w tym efektywność i produktywność, czyli liczbę wytworzonych zarodków somatycznych przez eksplantanty i porównują je z genotypem kontrolnym. Jeśli widoczna jest różnica obu parametrów, wówczas można wnioskować, że ten gen ma znaczenie dla embriogenezy somatycznej.
Eksplantaty w 10. dniu indukcji embriogenicznej u linii transgenicznej pLEC2::GFP po traktowaniu w ClearSee
Fot. dr Anna Wójcik
– To dopiero początek badań, wiele genów wpływa na zmianę ilości różnych hormonów roślinnych pełniących określone funkcje w organizmie. Zmiana tych hormonów może z kolei wpływać na działanie innych genów, stąd dokładne rozpracowanie maszynerii transkrypcyjnej jest niezwykle skomplikowane – mówi biolog. Jak dodaje, chociaż modyfikacje genetyczne prowadzone w Katedrze Genetyki UŚ służą przede wszystkim poznaniu mechanizmów genetycznych determinujących plastyczność komórek roślinnych, w przyszłości mogą przyczynić się do tworzenia efektywniejszych odmian roślin użytkowych, np. jęczmienia, ryżu, papryki, winorośli czy tytoniu.
Dr Katarzyna Nowak – adiunkt w Katedrze Genetyki Wydziału Biologii i Ochrony Środowiska Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach. Genetyk zainteresowany mechanizmami genetycznymi determinującymi plastyczność rozwojową komórek roślinnych ze szczególnym uwzględnieniem tranzycji embriogenicznej komórek somatycznych. Podczas 7 lat pracy naukowej opublikowała 8 artykułów naukowych z zakresu genomiki funkcjonalnej roślin, była współautorką 8 doniesień konferencyjnych oraz kierownikiem grantu Preludium 1 finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki, a także kilkukrotnie uczestnikiem programu pn. „Granty Rektora Uniwersytetu Śląskiego” dla najlepszych studentów. Ponadto pełniła funkcję jednego z głównych wykonawców 3 grantów finansowanych przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego oraz NCN. W 2015 jej praca doktorska została wyróżniona nagrodą Rektora UŚ dla najlepszej pracy doktorskiej.