Dzikie pomidory pokazują, w jaki sposób korzenie roślin radzą sobie z niekorzystnymi warunkami środowiskowymi
Korzenie roślin wykształciły mechanizmy kontroli przepuszczalności dla wody i substancji w niej rozpuszczonych. Przykładem tego może być modyfikacja ściany komórkowej w specyficznych rodzajach komórek korzeni, które stanowią fizyczną barierę na potrzeby kontroli poboru substancji z gleby. Modyfikacje te bazują, między innymi, na polimerach ligniny i suberyny. Jednym z tego typu komórek są komórki endodermy, która tworzy przypominającą pierścień ligninową strukturę zwaną pasemkiem Caspary’ego. Stopień odkładania się ligniny i suberyny jest regulowany, aby pomóc roślinom reagować i dostosowywać się do panujących warunków. Proces różnicowania endodermy (wzrostu i rozwoju jej komórek) oraz geny, które go kontrolują, były w ostatnich latach przedmiotem badań wykorzystujących Arabidopsis thaliana jako system modelowy. Jednakże większość roślin dysponuje także innym rodzajem komórek, tworzących tzw. egzodermę, która również tworzy bariery stworzone z ligniny i suberyny. Ponieważ gatunek Arabidopsis nie wytwarza egzodermy, niewiele obecnie wiadomo o molekularnym poziomie mechanizmów kontrolujących różnicowanie egzodermy i jej odpowiedź na stres abiotyczny. Porównanie typów dzikich i hodowlanych W ramach finansowanego ze środków UE projektu ROOT BARRIERS próbowano uzupełnić tę lukę w wiedzy, wykorzystując w tym celu dwa gatunki pomidorów jako modelowy system do badania procesu różnicowania egzodermy. „Naszym celem było określenie, czy jest on podobny, czy odmienny od procesu zachodzącego w endodermie oraz sprawdzenie, w jaki sposób zasolenie wpływa na różnicowanie tych komórek na poziomie molekularnym”, mówi koordynator projektu, dr Juan Carlos del Pozo. Badania w ramach projektu przeprowadzono dzięki wsparciu programu „Maria Skłodowska-Curie”. Naukowcy badali różnicowanie endodermy i egzodermy u hodowlanych i dzikich pomidorów, odpowiednio z gatunku Solanum lycopersicum i Solanum pennellii. Porównano także dane dotyczące ekspresji genów, aby odkryć, w jaki sposób te rodzaje komórek reagują u S. pennellii, gatunku endemicznego dla regionu Andów w Ameryce Południowej, który w toku ewolucji przystosował się do warunków suszy. Zespół zbadał zdolność tych dwóch gatunków do tolerowania stresu solnego i potwierdził, że S. pennellii jest w stanie rosnąć przy wysokich stężeniach soli. „Odkryliśmy, że proces tworzenia barier korzeniowych jest różny u tych dwóch gatunków. Ustaliliśmy też, w jaki sposób stres solny wpływa na ich zróżnicowanie”, wyjaśnia dr Siobhan Brady, badaczka z ramienia instytucji partnerskiej – Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis. Ważne nowe dane Uzyskane metodą mikroskopii konfokalnej obrazy warstw ligniny w korzeniach pomidorów pozwoliły badaczom w pełni opisać ramy rozwojowe procesu różnicowania egzodermy. Naukowcy stworzyli też mutanty genów CRISPR/Cas9, jako potencjalnych genów zaangażowanych w proces różnicowania egzodermy. Fenotypowe analizy, które wskazywały na defekty w procesie odkładania ligniny, pomogły dowieść roli tych genów w formowaniu barier w egzodermie. Ponadto badacze wykorzystali najnowocześniejszą technologię oczyszczania opartą na powinowactwie rybosomów translacyjnych, aby uzyskać specyficzny profil mRNA endodermy i egzodermy w warunkach kontrolnych i warunkach stresu solnego. „Daje to pewne pojęcie o genach, odpowiadających na warunki stresu solnego w celu zmodyfikowania barier korzeniowych w tych dwóch rodzajach komórek. Będzie to pierwszy dotąd zbiór danych, w którym mRNA z określonych rodzajów komórek zostało pozyskane z gatunków uprawnych profilowanych w warunkach stresu abiotycznego”, wskazuje dr Concepcion Manzano, badaczka i stypendystka programu „Maria Skłodowska-Curie”. Projekt ROOT BARRIERS pokazał, że proces różnicowania endodermy i egzodermy przebiega inaczej w odniesieniu do etapu odkładania ligniny, dzięki czemu lepiej rozumiemy, w jaki sposób dwa istotne rodzaje komórek korzeniowych kontrolowane są na poziomie molekularnym. Ponadto wyniki dotyczące genów zaangażowanych w różnicowanie endodermy i egzodermy mogą zostać zastosowane do innych gatunków roślin uprawnych. Dr del Pozo dodaje na koniec: „Społeczność akademicka będzie bardzo zainteresowana tymi wynikami, gdyż pomogą one poprawić zdolność wzrostu roślin w niekorzystnych warunkach”.
Słowa kluczowe
ROOT BARRIERS, egzoderma, różnicowanie, endoderma, stres solny, mRNA, pomidor, Solanum pennellii, CRISPR/Cas9, oczyszczanie oparte na powinowactwie rybosomów translacyjnych
