Przekształcenie duplikacji genomu w narzędzie hodowli roślin
Rośliny mają niezwykłą zdolność do powielania całego swojego genomu w ramach procesu zwanego poliploidyzacją. To zjawisko odegrało kluczową rolę w ewolucji roślin – wszystkie rośliny nasienne przeszły przynajmniej jedną rundę duplikacji całego genomu. Rośliny poliploidalne często posiadają doskonalsze cechy w porównaniu do ich diploidalnych przodków, w tym lepszą odporność na stres i elastyczne strategie reprodukcyjne. Zalety te od dawna przyciągają uwagę hodowców roślin, jednak leżące u ich podstaw mechanizmy genetyczne i epigenetyczne pozostają słabo poznane.
Przekształcenie siły ewolucyjnej w strategię hodowlaną
Celem finansowanego przez UE projektu POLYPLOID(odnośnik otworzy się w nowym oknie) było zbadanie zjawiska poliploidyzacji w szerokim zakresie gatunków roślin uprawnych i modelowych. Podstawowym zamysłem było przełożenie wiedzy ewolucyjnej na praktyczne narzędzia hodowlane. W tym kontekście zespół projektu połączył interdyscyplinarną wiedzę z zakresu genomiki, epigenomiki, transkryptomiki i fenotypowania różnych roślin. „Zastosowaliśmy podejście wielogatunkowe, które pozwoliło na bezpośrednie porównania niemożliwe do przeprowadzenia w ramach pojedynczego laboratorium”, stwierdza koordynator projektu Emidio Albertini.
Jak duplikacja genomu zmienia kształt roślin?
Badacze z projektu POLYPLOID zbadali wpływ duplikacji genomu na genetykę i fenotyp roślin. Zaobserwowali oni u różnych gatunków modelowych strukturalne zmiany genomu, selektywną utratę lub zachowanie genów(odnośnik otworzy się w nowym oknie) oraz ukierunkowane modyfikacje epigenetyczne zachodzące niemal bezpośrednio po poliploidyzacji. Analizy transkryptomu i metylacji(odnośnik otworzy się w nowym oknie) wykazały skoordynowane zmiany w ekspresji genów wpływające na tolerancję na stres, regulację cyklu komórkowego, rozwój reprodukcyjny i architekturę ściany komórkowej. U kilku gatunków liczba genów o zróżnicowanej ekspresji wzrastała wraz z poziomem ploidalności, podkreślając, jak potężnym czynnikiem napędzającym innowacje regulacyjne jest duplikacja genomu. „Zidentyfikowaliśmy zestaw genów »wrażliwych na ploidalność«, których ekspresja konsekwentnie zmienia się wraz z duplikacją genomu”, podkreśla Albertini. „Geny te tworzą molekularną sygnaturę poliploidalności”. Zespół zbadał również, w jaki sposób duplikacja genomu przyczynia się do apomiksji(odnośnik otworzy się w nowym oknie) – formy bezpłciowego rozmnażania przez nasiona, która pozwala roślinom na produkcję potomstwa bez zapłodnienia. Ta strategia reprodukcyjna, często powiązana z genomami poliploidalnymi, budzi duże zainteresowanie hodowców, ponieważ pozwala na efektywne przenoszenie pożądanych cech między pokoleniami. Dzięki identyfikacji potencjalnych szlaków i markerów molekularnych związanych z apomiksją, projekt utorował drogę do hodowlanych strategii łączących poliploidalność z klonalnym wytwarzaniem nasion.
Przezwyciężenie blokady triploidalnej
Główną przeszkodą w wykorzystaniu poliploidalności w hodowli jest blokada triploidalna(odnośnik otworzy się w nowym oknie) – mechanizm post-zygotyczny, który zapobiega tworzeniu się żywotnych nasion po skrzyżowaniu roślin o różnych poziomach ploidalności. Zespół projektu POLYPLOID sprostał temu wyzwaniu, analizując krzyżówki między osobnikami diploidalnymi i tetraploidalnymi. Badacze skupili się na zaburzeniach rozwoju bielma, które stanowią jedną z głównych przyczyn utraty nasion. Choć badacze nie przełamali jeszcze w pełni blokady triploidalnej, udało im się zidentyfikować kluczowe szlaki, w tym metabolizmu cukrów i lipidów oraz epigenetycznego wyciszania genów. Geny kandydujące zidentyfikowane w badaniach nad Arabidopsis(odnośnik otworzy się w nowym oknie) są obecnie analizowane jako potencjalne regulatory stabilizujące rozwój nasion.
W kierunku zrównoważonego, odpornego rolnictwa
Najważniejszym osiągnięciem projektu POLYPLOID jest stworzenie bezprecedensowego, wielowarstwowego zbioru danych, łączącego strukturę genomu, regulację genów, reprodukcję i wydajność w terenie. Te nowe odkrycia stworzą podstawy dla hodowli poliploidalnej, umożliwiając rozwój upraw o większej odporności na stres, wyższej jakości i niższych wymaganiach dotyczących nakładów. „Hodowla oparta na poliploidach może istotnie wpłynąć na przyszłe europejskie systemy żywnościowe, umożliwiając wytwarzanie roślin uprawnych o cechach jakościowych precyzyjnie dostosowanych do potrzeb”, podsumowuje Albertini. Ponieważ zmiany klimatu nasilają presję na europejskie rolnictwo, projekt POLYPLOID zapewnia plan wykorzystania duplikacji genomu jako celowej strategii hodowlanej, a nie losowego zdarzenia.
