W jaki sposób rośliny „zapamiętują” stres termiczny, aby wykształcić tolerancję
Uprawy rolne poddawane są działaniu wielu abiotycznych (niebiologicznych) czynników stresowych, w tym skrajnych temperatur, suszy i zasolenia, dlatego rośliny dostosowały swoje reakcje molekularne, by móc przewidywać te czynniki i przystosowywać się do nich. Czas reakcji rośliny ma decydujące znaczenie dla jej przetrwania, przy czym zmienne reakcje różnią się znacznie od tych wykształconych wobec powtarzającego się stresu. Jak podaje Isabel Bäurle, koordynatorka projektu CHROMADAPT: „nasze badania skupiły się głównie na natychmiastowej reakcji na stres, pomijając fakt, że w naturze stres jest zjawiskiem, które często powraca”. Zespół projektu CHROMADAPT, finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych, był szczególnie zainteresowany molekularnymi podstawami „primingu” u roślin, który wzmacnia reakcje na powtarzające się stresy. Kluczowym odkryciem było to, że rośliny wykazują zdolność do „zapamiętywania” stresu termicznego dzięki mechanizmowi obejmującemu czynniki transkrypcyjne i modyfikatory chromatyny. Naukowcy stwierdzili występowanie tego mechanizmu również w roślinach daleko spokrewnionych, takich jak jęczmień.
Pamięć stresu termicznego
Zespół projektu CHROMADAPT poddał badaniu małą roślinę kwitnącą z gatunku Arabidopsis thaliana, zwaną rzodkiewnikiem pospolitym. Poza występowaniem podobnych mechanizmów molekularnych jak u roślin uprawnych, gatunek ten oferował szeroki zakres istniejących wcześniej zasobów badawczych. W ramach projektu wykorzystano genetykę klasyczną i odwrotną, w tym CRISPR, do określenia czynników regulujących pamięć stresu termicznego. Genetyka klasyczna jest techniką molekularną, która pozwala na identyfikację genów odpowiedzialnych za określone fenotypy lub cechy. Genetyka odwrotna natomiast służy do określenia, czy dany gen pełni w badanym procesie jakąś funkcję. Po ustaleniu genów odpowiedzialnych za pamięć stresu termicznego na poziomie molekularnym zespół zasymulował stres termiczny w laboratorium, aby sprawdzić, czy geny te mają również znaczenie dla tolerancji termicznej całej rośliny. Sadzonki rzodkiewnika pospolitego poddano godzinnej inkubacji w temperaturze 37 stopni Celsjusza w celu aklimatyzacji do wysokich temperatur – proces ten zwany jest „primingiem”. Czynność tę powtórzono kilka dni później w temperaturze 44 stopni Celsjusza. „Sadzonki, których nie poddano primingowi, nie były w stanie przetrwać tego stresu. Ale ponieważ nasze doświadczalne sadzonki mają wykształconą pamięć stresu termicznego, szybko aktywują mechanizmy obronne, które trwają przez kilka dni”, mówi Bäurle. Wytłumaczenie tego zjawiska pamięci wydaje się tkwić w chromatynie.
Rola chromatyny
Chromatyna jest połączeniem DNA i białek, które tworzą chromosomy w komórkach. Jej organizacja jest zróżnicowana i wpływa na ekspresję genów, w tym tych odpowiedzialnych za pamięć stresu termicznego. Geny indukowane przez wysoką temperaturę produkują na ten przykład białka, które naprawiają uszkodzenia i chronią inne białka przed uszkodzeniem. Zespół projektu CHROMADAPT stwierdził, że chromatyna tych genów ulega wskutek indukcji termicznej zmianie i zachowuje te zmiany jako „przypomnienie” na wypadek powtórnego wystąpienia stresu. „Po wzbudzeniu pamięci stresu termicznego zmiany w chromatynie zapewniają dłuższą aktywność tych genów po ustąpieniu stresu lub szybszą i silniejszą reaktywację w odpowiedzi na nawracający stres termiczny”, wyjaśnia Bäurle. Zespół prowadzi teraz badania mające na celu sprawdzenie, co dzieje się z roślinami, gdy geny te zostaną wyłączone przez mutacje.
Bezpieczeństwo żywnościowe
W związku z prognozami, według których rosnące temperatury na świecie spowodują dalszy spadek plonów wszystkich głównych roślin uprawnych, przemysł rolno-spożywczy na całym świecie poszukuje rozwiązań. Jako modelu do badania upraw zbożowych w ramach projektu CHROMADAPT użyto jęczmienia, stawiając hipotezę, że geny istotne dla pamięci stresu termicznego u gatunku Arabidopsis są również istotne w przypadku jęczmienia, stwierdzając, że u obu gatunków za reakcję na wysoką temperaturę odpowiedzialny jest gen FORGETTER1. Zespół wykorzystuje obecnie technikę CRISPR do tworzenia mutacji wybranych genów jęczmienia, aby określić ich wpływ na chromatynę, inne geny, tworzenie białek i tolerancję na stres termiczny. „Nasze obserwacje dotyczące długotrwałego przystosowania roślin do stresu abiotycznego stwarzają pole do hodowli bardziej odpornych na stres roślin uprawnych jako proaktywnego działania na rzecz łagodzenia skutków obniżonej podaży żywności”, podsumowuje Bäurle.
Słowa kluczowe
CHROMADAPT, zmiana klimatu, roślina, uprawa, stres, chromatyna, rzodkiewnik pospolity, genetyka, plon
