Szybka uprawa pszenicy
Na świecie jest około 800 milionów ludzi, którzy nie mają wystarczającej ilości pożywienia. Aby zaradzić tej sytuacji, rolnicy będą musieli wyhodować tyle pszenicy, ile zostało wyhodowane od czasu zapoczątkowania praktyk rolniczych ponad 100 000 lat temu. Pszenica, jak większość ważnych roślin uprawnych, jest poliploidem, co oznacza, że ma więcej niż dwa zestawy chromosomów. Właściwie, uprawiana współcześnie pszenica zwyczajna ma sześć zestawów chromosomów. W przypadku procesu wytwarzania nasion, stwarza to trudności, ponieważ wszystkie zestawy muszą zostać sparowane, aby w trakcie podziału komórek (mejozy) powstał żywotny pyłek i komórki jajowe. W toku ewolucji pszenica wykształciła mechanizmy genetyczne na potrzeby stabilizacji stanu poliploidalnego. Projekt Crossover control miał na celu wprowadzenie nowych genów pochodzących z dzikich odmian pszenicy, aby zwiększyć wydajność upraw. W tym celu naukowcy musieli ułatwić proces parowania między chromosomami dzikich odmian pszenicy i ich bardziej współczesnymi krewnymi. Ponadto, zwiększono także częstotliwość procesu krzyżowania, umożliwiającego mieszanie starożytnych genów z nowoczesnymi. W celu utrzymania zdolności tej rośliny uprawnej do wytwarzania nasion, w trakcie procesu wytwarzania komórek płciowych lub produkcji gamet w toku mejozy musi dojść do zbilansowanego parowania chromosomów. Nowe narzędzie do upraw – Ph1 Naukowcy z projektu Crossover control odkryli kilka mechanizmów pozwalających osiągnąć taki efekt, z których jeden angażuje kluczowy gen Ph1. „Wykorzystywanie szczepów pszenicy z różnymi delecjami wykazało, że gen Ph1 zwiększa ilość mieszańców krzyżowych między pszenicą i jej dzikimi odmianami. Co więcej, wydajność parowania, a tym samym wysoka płodność u uzyskanej w ten sposób odmiany pszenicy zwyczajnej, została jedynie nieznacznie zmieniona”, wyjaśnia profesor Graham Moore, koordynator projektu. Zespół projektu Crossover control zgłębiał następnie mechanizm działania genu Ph1. Pierwszym krokiem było wygenerowanie mutantów genu ZIP4 z zastosowaniem metody wykorzystującej metanosulfonian etylu, zwanej metodą TILLING. „Wiemy, że u niektórych gatunków gen ZIP4 zmniejsza wydajność procesu krzyżowania lub całkiem go eliminuje, dlatego jest dobrym kandydatem do kontrolowania fenotypu Ph1”, zwraca uwagę prof. Moore. Aby potwierdzić wyniki uzyskane przy pomocy procesu TILLING i doprowadzić do specyficznej delecji genu ZIP4, badacze wykorzystali technikę CRISPR (zagregowanych, regularnie oddalonych od siebie powtórzeń palindromowych). Podobnie jak wcześniej, mutanty ZIP4 wykazały wzrost odsetka mieszańców pszenicy z dzikimi odmianami oraz niski poziom nieprawidłowego parowania, co wskazuje na dobrą płodność roślin z gatunku pszenicy zwyczajnej. Niezbędne składniki odżywcze nasilają transfer genu Podczas doświadczeń na mutantach Ph1, badacze zbadali również wpływ obecności różnych składników odżywczych w podłożu hodowlanym. Aby dostarczyć wszystkie niezbędne dla wzrostu roślin składniki odżywcze, badacze wykorzystali roztwór Hoaglanda i zaobserwowali nasilenie poziomu krzyżowania w trakcie mejozy. „Dalsze badania wykazały, że specyficznie odpowiedzialny za ten wzrost był jon Mg2+”, zauważa prof. Moore. Nawadnianie roślinnych mieszańców pozbawionych genu Ph1 roztworem Hoaglanda o stężeniu 1 mM zwiększyło częstotliwość krzyżowania. Wyniki dotyczące mutantów Ph1 zostały opublikowane w czterech wzajemnie zrecenzowanych publikacjach, co potwierdza ich wysoką wartość. Prace badawcze ukazały się w takich czasopismach, jak Chromosoma, Molecular Breeding, Nature Plants i Frontiers in Plant Science. Postępy w badaniach nad roślinami uprawnymi – chleb wraca na stół Wpływ projektu widoczny jest między innymi w tym, jak wielu hodowców roślin, zarówno w UE, jak i poza nią, zwróciło się z prośbą o przekazanie materiału hodowlanego TILLING ZIP4. Projekt Crossover control dostarczył te linie komórkowe bez ograniczeń własności intelektualnej i obecnie są one wykorzystywane w programach hodowlanych. „Ponad 70% roślin to poliploidy, w tym większość najważniejszych na świecie roślin uprawnych, takich jak kawa, truskawki czy banany”, zwraca uwagę prof. Moore. Wykorzystanie obecnie dostępnego materiału hodowlanego TILLING ZIP4 dostarczy informacji na temat mechanizmów genetycznych i wydajności produkcji nasion innych poliploidów. „Ciekawie będzie sprawdzić, ile innych poliploidów wykorzystuje ten gen, aby ustabilizować swoje procesy mejotyczne”, dodaje na koniec prof. Moore.
