Zalążki bardziej zaawansowanej genetycznie uprawy roślin iglastych
Jako największe, najwyższe i najdłużej żyjące nieklonalne organizmy na Ziemi, drzewa iglaste są szczególnie ważne dla ekologii – zdominowały wiele obszarów naszej planety i stanowią największy, lądowy biotop pochłaniający dwutlenek węgla. Są też bardzo istotnym elementem gospodarki, jako źródło drewna, surowca na papier czy biomasę. Nie mniej doniosły jest fakt, że ich genom wywiódł się z genomu okrytonasiennych ponad 300 milionów lat temu, przez co pozwalają inaczej spojrzeć na biologię genomu roślinnego i ewolucję. Około 30% genów roślin iglastych wykazuje niewielkie podobieństwo sekwencyjne do genów roślinnych o znanej funkcji lub nie wykazuje żadnego, a ponadto rośliny te wykształciły skuteczne układy przystosowania fizjologicznego. Mając na względzie tę ogromną wartość, zespół projektu PROCOGEN (Promoting a functional and comparative understanding of the conifer genome – implementing applied aspects for more productive and adapted forests) ma na celu przeniesienie programów rozpoczętych 50-70 lat temu na zupełnie nowy poziom poprzez sekwencjonowanie genomu dwóch podstawowych gatunków europejskich drzew iglastych. Konkretnie partnerzy projektu skoncentrowali się na sośnie zwyczajnej i nadmorskiej. Skąd taki wybór? Carmen Diaz-Sala / Maria Teresa Cervera: Projekt PROCOGEN przynosi informacje o genomie Pinus pinaster i Pinus sylvestris. To dwa europejskie gatunki sosny o dużym znaczeniu ekologicznym i sporej wartości gospodarczej, z kontrastującym rozmieszczeniem geograficznym i zdolnościami adaptacyjnymi. W trakcie projektu zanalizowaliśmy molekularną regulację procesów adaptacyjnych w różnych europejskich modelach gatunków drzew iglastych, które wykształciły mechanizmy adaptacyjne, jak te związane ze wzrostem w zmieniającym się środowisku czy odpowiedzi na stres suszy (Pinus pinaster) albo aklimatyzację do zimna (Pinus sylvestris oraz Picea abies). Jakie są waszym zdaniem inne ważne cele osiągnięte w ramach projektu? Jednym z głównych celów tego projektu było nawiązanie współpracy z innymi inicjatywami na świecie, które poświęcone są genomice roślin iglastych, tak aby poszerzyć naszą wiedzę o strukturze, funkcji i ewolucji genomu tych roślin. Nawiązywanie współpracy ułatwiał udział członków projektu PROCOGEN w różnych inicjatywach zajmujących się sekwencjonowaniem i opisywaniem genomu roślin iglastych. Studia porównawcze na podstawie genomiki i transkryptomiki pozwoliły uzyskać informacje o unikalnych cechach genomu iglaków. Dzięki nim zidentyfikowaliśmy rodziny genów nagozalążkowych i okrytozalążkowych na różnych etapach rozwoju, wywnioskowaliśmy powolniejsze tempo ewolucji u roślin iglastych na podstawie markerów typu COS (Conserved orthologus set), a także przestudiowaliśmy rolę ekspresji genów i naturalnej selekcji w kształtowaniu ewolucji genów kodujących białko, które należą do rodziny genów roślin iglastych (geny związane z biologią reprodukcyjną, stresem itp.). Poza tym wyniki porównawczego mapowania genetycznego pomogły zweryfikować statyczny obraz ewolucji genomu roślin iglastych, który został zasadniczo wydedukowany na bazie porównań gatunków Pinaceae. Poczynione ustalenia wspierają nową hipotezę o znacznych przegrupowaniach chromosomalnych pomiędzy rodzinami iglaków: w wyniku szeregu rożnych połączeń, zmiany te ukształtowały 12 chromosomów współczesnych gatunków Pinaceae i 11 chromosomów dzisiejszych gatunków Cupressaceae. Wspomniałyście o współpracy międzynarodowej. Z jakimi innymi projektami nawiązałyście kontakt i jaką wartość dodaną wniosło to do waszych badań? Projekt PROCOGEN nawiązał kontakt z takimi projektami współfinansowanymi z funduszy UE jak EVOLTREE, NOVELTREE, TREEBREEDEX czy FORESTTRAC, a także z innymi poświęconymi genetyce roślin iglastych, genomice, uprawie i gospodarce leśnej. Poszukiwania synergii zaprowadziły nas też do Ameryki Północnej i Kanady, gdzie prowadzone są podobne projekty. Współpraca przyniosła korzyści po obu stronach. Partnerzy projektu PROCOGEN zdobyli cenne informacje o populacjach hodowlanych i próbach eksperymentalnych, potrzebach badawczych oraz praktycznych problemach i wyzwaniach związanych z ochroną genów leśnych drzew. Wspólna praca pomogła nam wybrać geny, które mogą zapewnić cechy ważne z punktu widzenia gospodarki i ekologii. Po zgromadzeniu tych informacji opracowaliśmy nowe, referencyjne genomy sosny, obszerny katalog genów biorących udział w reakcjach adaptacyjnych, identyfikację adaptacyjnej wartości wariantów allelicznych oraz informacje pochodzące z porównawczych badań genomicznych. W ten sposób zbudowana została zintegrowana baza danych o roślinach iglastych. W celu dalszego zacieśnienia współpracy z innymi inicjatywami na świecie poświęconymi genomice roślin iglastych (w Rosji koncentrującymi się na Pinus sibirica i Larix sibirica, w Nowej Zelandii – na Pinus radiata i Japonii – na Cryptomeria japonica) uczestnicy projektu PROCOGEN organizowali otwarte spotkania także z przedstawicielami tych innych inicjatyw zajmujących się iglakami. Ten integracyjny projekt znacznie podniósł konkurencyjną wartość europejskich badań naukowych w zakresie genomiki i bioinformatyki. Oprócz informatycznej bazy danych, o której właśnie wspomniałyście, jakie inne narzędzia powstały w ramach projektu? W trakcie realizacji projektu PROCOGEN opracowano różne narzędzia, na przykład analityczne do badań podstawowych i stosowanych, zarówno w programach hodowlanych, jak i ochronnych. Stworzyliśmy też cały szereg narzędzi i technik molekularnych: systemy przechwytujące eksony, przeznaczone do docelowych gatunków roślin iglastych; zestaw genów typu COS i powiązane z nimi markery; referencyjna mapa aktywności transkrypcyjnej i reakcji adaptacyjnych tkanek sosny (w tym katalog genów podlegających ekspresji oraz elementy regulujące transkrypcję, jak czynniki transkrypcji, sRNA i elementy epigenetyczne); gęste mapy genetyczne bazujące na markerach ortologicznych; narzędzia do wstępnej selekcji hodowlanej (genotypowanie matryc do rekonstrukcji genealogii); oraz różne wysokowydajne systemy genotypowania SNP. Te ostatnie pozwalają ocenić różnorodność genomiczną w naturalnym zakresie gatunków i przedefiniować podstawowe zbiory. Wśród naszych narzędzi bioinformatycznych warto wymienić portal do eksperckich adnotacji strukturalnych i funkcjonalnych oraz wymiany danych nt. genomiki nagozalążkowych/informacji transkryptomicznych. Informacje z projektu PROCOGEN wprowadziliśmy też do naszej wewnętrznej platformy porównawczej online, PhylomeDB, w celu wstępnego wyliczenia drzew filogenetycznych dla każdego genu. Jak i kiedy zainteresowane strony będą w stanie skorzystać z opracowanych przez was danych i narzędzi? Jeżeli chodzi o dane nt. zmienności genomu, profilowania i regulacji aktywności transkrypcyjnej powiązanej z rozwojem i środowiskiem, specjalistyczne narzędzie molekularne już można projektować na potrzeby badania wzrostu i adaptacji zasobów genetycznych roślin iglastych. Dostępne są matryce na potrzeby decyzji hodowlanych, a narzędzia symulacyjne i predykcyjne do praktycznej uprawy są opracowywane. Zbudowane i przetestowane już zostały narzędzia symulacyjne do optymalizacji integracji danych genomicznych w praktycznej uprawie. Inne narzędzia są na ostatnim etapie opracowywanie przed wprowadzeniem ich do użytku. Informacje o dostępności narzędzi znaleźć można w witrynie projektu PROCOGEN. Jaki wkład wniesie waszym zdaniem projekt PROCOGEN w efektywność programów uprawy drzew? Większość programów upraw gatunków iglastych w Europie była wdrażana z zamiarem poprawy cech produkcyjnych i jakościowych drzew. Narzędzia PROCOGEN opierają się na tej tradycji, obejmując jednocześnie nowe kryteria doboru, a dzięki naszym osiągnięciom zapewniają zaawansowaną i szybszą uprawę. Przede wszystkim możemy teraz określić geny, których cechy będą odpowiadać na kilka ograniczeń środowiskowych. Potrafimy ustalić potencjał hodowlany ich wariantów allelicznych, tworzyć matryce hodowlane do precyzyjnego doboru tych gatunków, które cechują się najlepszymi odpowiedziami adaptacyjnymi i wreszcie zapewnić wysoki poziom różnorodności genetycznej, która jest kluczową strategią radzenia sobie z niepewnością co do przyszłych zagrożeń stwarzanych przez zmianę klimatu. Zajmowaliśmy się także molekularnym regulowaniem plastyczności gatunków zdrewniałych. Summa summarum, wyniki projektu wspomogą zrównoważony rozwój i długookresową konkurencyjność unijnego leśnictwa dzięki informacjom udostępnionym hodowcom i administratorom zbiorów genów roślin leśnych. Nasze zaawansowane narzędzia pozwolą na wykorzystanie w regeneracji lasów i sztucznych hodowlach materiału reprodukcyjnego bardziej odpornego na przewidywane zmiany i lepiej dostosowanego do konkretnych warunków. Jakie macie plany teraz, kiedy prace projektowe dobiegły końca? Partnerzy PROCOGEN są mocno zaangażowani w rozwój wiedzy o genomach roślin iglastych i ich funkcjonowaniu, jak również w transfer technologii. Nasz kolejny priorytet w tym względzie to dalsza analiza funkcjonalna genomów roślin iglastych i badanie mechanizmów regulujących geny kontrolujące te cechy w gatunkach iglastych, które są ważne z perspektywy gospodarczej i ekologicznej. Transfer technologii dotyczy nie tylko wiedzy i metod wypracowanych lub zatwierdzonych w czasie projektu, lecz także ogromnego wysiłku potrzebnego do przekucia podstawowych genomicznych wyników w praktyczne zastosowania, które umożliwią wspomaganą genomicznie uprawę i gospodarkę zasobami. PROCOGEN Dofinansowanie z programu KBBE 7PR Strona projektu w serwisie CORDIS Witryna PROCOGEN
Kraje
Hiszpania