facebook twitter instagram issuu linkedin research gate youtube ustv

Nauka na wyciągnięcie ręki

Obszar nauk humanistycznych
Obszar nauk społecznych
Obszar nauk ścisłych
Obszar nauk przyrodniczych
Obszar nauk technicznych
Obszar sztuki

Droga do nowoczesnej uprawy roślin zaczyna się w laboratorium

Analiza struktury genomu jądrowego traw

O badaniach cytogenetycznych nad Brachypodium distachyon, coraz popularniejszej w świecie nauki, roślinie modelowej, jej cechach charakterystycznych i korzyściach płynących z sekwencjonowania jej genomu, a także o związanych z nią międzynarodowych projektach badawczych, opowiada prof. UŚ dr hab. Robert Hasterok z Katedry Anatomii i Cytologii Roślin.

Prof. UŚ dr hab. Robert Hasterok jest pracownikiem Katedry Anatomii i Cytologii Roślin na Wydziale Biologii i Ochrony Środowiska Uniwersytetu Śląskiego. Pracownicy z Katedry kierowanej przez prof. dr hab. Jolantę Małuszyńską zajmują się szeroko pojętą cytogenetyką roślin, czyli nauką pozwalającą na analizę genomów na poziomie mikroskopowym. To, czym zajmują się naukowcy Katedry Anatomii i Cytologii Roślin, plasuje się na pograniczu takich nauk, jak cytologia, genetyka oraz biologia molekularna. Duże znaczenie dla właściwej analizy i prezentacji wyników ma także nowoczesna, cyfrowa obróbka obrazu mikroskopowego.

Badania Katedry prowadzone są w kilku kierunkach ― mówi profesor Hasterok. ― Część kolegów zajmuje się analizą struktury roślinnego genomu jądrowego i do nich zalicza się mój zespół. Badania takie można wykonywać na bardzo wielu gatunkach dzikich bądź uprawnych. My szczególną uwagę poświęcamy trawom. Z kolei inni zajmują się analizą stabilności genomu, przykładowo napromieniowują nasiona badanej rośliny albo działają na nią różnego rodzaju czynnikami chemicznymi. Później obserwuje się chromosomy i ich zachowanie podczas podziałów komórkowych, analizując, czy na przykład nie zaszła jakaś translokacja, inaczej mówiąc, czy kawałek jednego chromosomu nie „przeskoczył” na inny chromosom. Trzeci kierunek badawczy realizowany w Katedrze to analiza tzw. regulacji epigenetycznych w genomie, czyli wyjście poza badanie sekwencji DNA, a skoncentrowanie się na różnorakich chemicznych modyfikacjach chromatyny, mających istotne znaczenie dla jej struktury, a co za tym idzie, także dla jej funkcji.

Jak już wspomniano, zespół prof. Hasteroka jest szczególnie zainteresowany analizą struktury genomu jądrowego traw, a zwłaszcza Brachypodium distachyon, czyli kłosownicy dwukłoskowej. Od lat poszukiwano rośliny modelowej, która pozwoliłaby na łatwiejsze i dokładniejsze badania najważniejszej grupy roślin uprawnych, jaką stanowią zboża strefy klimatu umiarkowanego, takie jak pszenica, jęczmień, żyto czy owies. Organizm modelowy charakteryzuje się zestawem cech, które czynią go bardziej użytecznym dla badań naukowych, niż ma to miejsce w przypadku innych organizmów grupy, którą reprezentuje

BAC clone-based probes ABR1-41-A8 (green fluorescence) and ABR1-47-F4 (purple pseudocolour),
ABR1-59-F9 (red fluorescence) and 25S rDNA-based probe (yellow fluorescence) hybridised to somatic metaphase chromosomes of Brachypodium distachyon (2n = 2x = 10)
www.biomedcentral.com

Warto zaznaczyć, że pierwszą trawą modelową był ryż, wykorzystywany w badaniach genomicznych ze względu na niewielką zawartość jądrowego DNA. Ryż jest jednak dość odległy filogenetycznie od uprawianych w Polsce zbóż i innych traw użytkowych. Trzeba było zatem znaleźć taką roślinę modelową, która byłaby bliżej spokrewniona z naszymi trawami uprawnymi – wyjaśnia biolog.

Cechy, których wymagali od rośliny modelowej naukowcy, to – oprócz małego genomu jądrowego o niskiej zawartości powtarzalnego DNA i niewielkiej liczbie chromosomów – m.in. pochodzenie ze strefy klimatu umiarkowanego, nieduże rozmiary organizmu, krótki cykl życiowy, samopylność oraz nieskomplikowane wymagania odżywcze. Na pytanie, dlaczego nie przeprowadza się niektórych istotnych badań genomicznych bezpośrednio na ważnych gospodarczo zbożach, np. na pszenicy czy życie, profesor Hasterok odpowiada:
― Wiele z nich ma bardzo dużo DNA w swoich jądrach komórkowych ze znaczącym lub wręcz przeważającym udziałem DNA niekodującego, zaś frakcja informacyjna DNA stanowi relatywnie niewielką część genomu. Cała reszta, nie mająca funkcji kodującej, to coś, co niektórzy nazywają „śmieciowym DNA”.

Aby znaleźć sekwencje kodujące w tak dużych genomach, należy zazwyczaj wykonać ogromną i bardzo kosztowną pracę. Brachypodium distachyon tym się różni od innych traw, że posiada bardzo mały genom jądrowy, o niewielkiej zawartości sekwencji powtarzalnych i składzie genów zbliżonym do tych, które mają ważne dla nas gatunki zbóż i trawy o charakterze użytkowym. Gatunek ten stał się więc niezwykle użyteczną „trawą modelową”.

Szerzej zakrojone badania nad Brachypodium distachyon zaczęto prowadzić ok. 10 lat temu na Uniwersytecie Aberystwyth w Wielkiej Brytanii. Szefem jednej z tamtejszych grup badawczych jest profesor John Draper, który jako pierwszy zaproponował tę roślinę jako modelową.
― Początkowe badania i założenia naukowe znajdowały się bardziej w sferze naukowych życzeń i marzeń, niż dotyczyły konkretów ― wspomina prof. Hasterok. ― Wobec wcześniejszego zaakceptowania Arabidopsis thaliana i ryżu w roli roślinnych organizmów modelowych, wielu badaczy nie widziało większego sensu we wprowadzaniu kolejnego modelu, ale z czasem coraz więcej osób przekonywało się do tego pomysłu. Podczas kilkunastu miesięcy pracy w Aberystwyth zajmowałem się między innymi pierwszymi badaniami genomu Brachypodium, a następnie niejako „zaraziłem” tą rośliną niektórych kolegów w Katowicach. Warto wspomnieć też o corocznych konferencjach Plant and Animal Genome w San Diego, na których spotyka się kilka tysięcy naukowców z zakresu genetyki i biologii molekularnej. Właśnie tam w 2006 roku temat Brachypodium po raz pierwszy zaistniał na szerokiej arenie międzynarodowej. Wtedy też postanowiono, że genom jądrowy tej rośliny poddany będzie sekwencjonowaniu, czyli zostanie poznany „litera po literze”, co ostatecznie nastąpiło w 2009 roku. Wiele wiodących laboratoriów z USA czy Wielkiej Brytanii niemal z dnia na dzień zajęło się badaniami nad Brachypodium. Obecnie temat Brachypodium staje się bardzo popularny, roślinie tej poświęcane są odrębne sesje tematyczne na międzynarodowych konferencjach, gdzie wygłaszane są specjalistyczne wykłady. Szybko rośnie też liczba publikacji naukowych, poświęconych nowemu organizmowi modelowemu.

Grupa prof. Hasteroka stale współpracuje z ośrodkami badawczymi w Wielkiej Brytanii i w USA, zaś w projekcie sekwencjonowania genomu jądrowego uczestniczyło aż kilkanaście ośrodków naukowych z Europy i Stanów Zjednoczonych. Dzięki wspólnym zainteresowaniom i celom międzynarodowa sieć współpracy łączy wielu naukowców, umożliwiając z jednej strony realizację indywidualnych zainteresowań badawczych, a z drugiej na ich interdyscyplinarną integrację.

Jak już wspomniano na początku, pracownicy Katedry Anatomii i Cytologii Roślin, reprezentują cytogenetykę, będącą dziedziną z pogranicza genetyki i biologii komórki. W przeciwieństwie do typowych analiz molekularnych, badania cytogenetyczne uchodzą za bardzo żmudne i trudne na poziomie metodycznym, dodatkowo wykorzystywane metody charakteryzują się stosunkowo niską wydajnością. W cytogenetyce roślin naukowcy napotykają na rozmaite przeszkody metodyczne, związane ze specyfiką materiału roślinnego, przykładowo obecnością ścian komórkowych.

Czasem to niemal zegarmistrzowska i wymagająca iście anielskiej cierpliwości robota ― żartuje naukowiec. ― Jednakże ze względu na możliwość powiązania z analizą na poziomie mikroskopowym wielu skomplikowanych badań molekularnych, dotyczących struktury jądrowego genomu roślinnego, składu i rozmieszczenia wchodzących w jego skład sekwencji DNA, rozmieszczenia poszczególnych chromosomów w okresie międzypodziałowym oraz ich zachowania w trakcie podziałów, badania te są bardzo potrzebne. Ponieważ z racji wspominanych uwarunkowań i trudności metodycznych zajmuje się nimi stosunkowo niewielu naukowców, specjaliści w tej dziedzinie na ogół nie narzekają na nudę czy brak pracy. W naszej Katedrze, oprócz badań naukowych, rzecz jasna bardzo ważny jest także aspekt dydaktyczny ― kształcimy i przygotowujemy do pracy nowych badaczy, na to właśnie ukierunkowane są projekty doktorskie oraz magisterskie. Część naszych absolwentów znajduje zatrudnienie w służbie zdrowia. Na świecie badania cytogenetyczne stanowią podstawę wielu klinicznych analiz diagnostycznych, daje się też zauważyć coraz większe ich znaczenie w krajowej praktyce medycznej.

Zespół prof. Hasteroka od kilku lat prowadzi badania dzięki stałemu wsparciu finansowemu ze strony Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Są to badania bardzo kosztowne, wymagające specjalistycznej aparatury i odczynników. W najbliższym czasie okaże się, czy w finansowaniu badań pomoże naukowcom także Unia Europejska w ramach tzw. 7 Programu Ramowego.

Większość projektów kierowanych do tego programu ma silny wydźwięk aplikacyjny, tzn. nie mogą być one tylko „sztuką dla sztuki”, ale przede wszystkim muszą wnieść coś nowego, wymiernego i wartościowego do nowoczesnej uprawy roślin ― mówi prof. Hasterok. ― Unię interesuje to, co konkretnie z tego typu badań może mieć Wspólnota Europejska, co z tego będzie miał przeciętny Europejczyk. Naszym celem jest przekonać Unię, że podobnie jak miało to niedawno miejsce w USA, także w Europie z wielu względów warto postawić na badania na Brachypodium distachyon ― podsumowuje profesor z Katedry Anatomii i Cytologii Roślin.

Prof. UŚ dr hab. Robert Hasterok oraz mgr Dominika Idziak

 

Skróty

Biuletyn Informacji Publicznej
Copyright © 2001-2019
Uniwersytet Śląski w Katowicach
Wszelkie prawa zastrzeżone.