REKLAMA


 

REKLAMA


 

Kostrzewa łąkowa Kostrzewa łąkowa T.Voekler/Wikimedia Commons

Zboża uprawne – to im przypisujemy największą wartość. Są jednak „zwykłe” trawy, które można wykorzystać zarówno jako materiał hodowlany do wytwarzania odmian uprawnych, jak i model do molekularnych badań tolerancji niskiej temperatury i suszy. To życica (Lolium) i kostrzewa (Festuca), które często określane są jako kompleks Lolium-Festuca


Kosmala_Arkadiusz

Autorem tekstu jest Arkadiusz Kosmala
Instytut Genetyki Roślin, Polska Akademia Nauk, Poznań
e-mail: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.  

 

Dr hab. Arkadiusz Kosmala jest kierownikiem Zespołu Cytogenetyki i Fizjologii Molekularnej Traw w Zakładzie Biologii Stresów Środowiskowych IGR PAN w Poznaniu. Za zespołowe badania nad molekularnymi mechanizmami tolerancji stresów abiotycznych u traw kompleksu Lolium--Festuca otrzymał w 2013 roku nagrodę Wydziału II Nauk Biologicznych i Rolniczych PAN. 

 

 


W centralnej i wschodniej Europie, także w Polsce, dominuje klimat umiarkowany, kontynentalny. Niskie temperatury w styczniu i lutym oraz okresowe mrozy w marcu mają negatywny wpływ na plonowanie roślin uprawnych. Podobnie jak bardzo częste okresy wysokich temperatur bez jednoczesnych opadów deszczu. Susza glebowa w niektórych rejonach (np. Wielkopolska) niszczy nawet 70% upraw. Pełne wykorzystanie potencjału paszowego traw pastewnych jako głównych komponentów użytków zielonych (łąk i pastwisk) jest więc uzależnione nie tylko od poziomu ich produktywności i jakości paszowej, lecz również od ich stopnia tolerancji stresu suszy i niskiej temperatury, jaki poszczególne gatunki traw i wytworzone z nich na drodze hodowli odmiany są zdolne osiągnąć.

 

Biorąc to pod uwagę, życice i kostrzewy należy uznać za wyjątkowy materiał roślinny zarówno w badaniach podstawowych, jak i w pracach hodowlanych ukierunkowanych na wytwarzanie nowych, produktywnych i tolerujących stresy środowiskowe odmian uprawnych.

Życica trwała. Fot. Rasbak/Wikimedia Commons 

Dwa najważniejsze gatunki pastewne z rodzaju życica – życica wielokwiatowa (Lolium multiflorum) oraz trwała (Lolium perenne) – to trawy o wysokiej produktywności, czyli plonie zielonej i suchej masy, oraz jakości, na którą składa się m.in. wysoka zawartość rozpuszczalnych węglowodanów i strawność paszy. Niestety, wykazują one niską tolerancję stresów abiotycznych i biotycznych. Z kolei gatunki z rodzaju kostrzewa, w tym kostrzewa łąkowa (Festuca pratensis) i trzcinowa (Festuca arundinacea), odznaczają się dużym stopniem tolerancji mrozu, suszy i wysokiego zasolenia gleby, jednak nie dorównują życicom pod względem wartości paszowej. Gatunki te krzyżują się ze sobą, tworząc międzyrodzajowe mieszańce, z których wiele pozostaje płodnych dzięki temu, że chromosomy gatunków rodzicielskich swobodnie u nich koniugują i rekombinują. Dzięki temu możliwe jest przenoszenie na drodze krzyżowania korzystnych cech z gatunków jednego rodzaju do gatunków drugiego rodzaju.

 

Takie połączenie można osiągnąć albo przez amfiploidyzację – łączenie kompletnych genomów dwóch gatunków rodzicielskich i podwojenie liczby chromosomów (np. przy użyciu kolchicyny) u mieszańca międzyrodzajowego, albo introgresję – przeniesienie genów z jednego gatunku do drugiego na drodze krzyżowań wstecznych mieszańca międzyrodzajowego z jednym z jego gatunków rodzicielskich. Gatunki Festuca i Lolium wykorzystywane są w celu otrzymywania diploidalnych i poliploidalnych (czyli posiadających podwojony garnitur chromosomów) mieszańców, a następnie do tworzenia form amfiploidalnych i/lub introgresywnych, często nazywanych Festulolium. Festuca arundinacea wykorzystywana jest jako źródło genów tolerancji suszy oraz niskiej temperatury, z kolei Festuca pratensis to podstawowe źródło genów tolerancji mrozu.

 

Po pierwsze: badać

 

Odpowiedź rośliny na czynniki stresowe na poziomie molekularnym analizować można m.in. w oparciu o ekspresję wybranych genów, akumulację wybranych białek i parametry fizjologiczne związane np. z funkcjonowaniem aparatu fotosyntetycznego. Badania w tym zakresie prowadzone od wielu lat w Instytucie Genetyki Roślin PAN, w Zespole Cytogenetyki i Fizjologii Molekularnej Traw. Koncentrują się głównie na poznaniu niektórych elementów reakcji kostrzewy łąkowej na niską temperaturę oraz kostrzewy trzcinowej na suszę, w oparciu o analizy fizjologiczne – obejmujące m.in. pomiar relatywnej zawartości wody w liściach, wycieku elektrolitów, pobierania wody, parametrów fluorescencji chlorofilu i wymiany gazowej (transpiracji i intensywności fotosyntezy) oraz proteomiczne – wykorzystujące elektroforezę dwukierunkową (2-D) i spektrometrię mas.

 

U wielu gatunków roślin, w tym u traw, indukcja tolerancji mrozu pojawia się pod wpływem hartowania w niskich temperaturach. Podczas badań molekularnych zidentyfikowano białka, których poziom akumulacji w warunkach hartowania na mróz był odmienny dla genotypów kostrzewy łąkowej o różnym potencjale tolerancji stresu. Były to m.in. kinaza fosfoglicerynianowa i RuBisCo aktywaza beta – enzymy zaangażowane w cykl Calvina i proces asymilacji CO2 w trakcie fotosyntezy. Zidentyfikowano również białka chloroplastowe, których poziom akumulacji w warunkach deficytu wodnego i/lub po powtórnym nawodnieniu roślin był odmienny dla genotypów kostrzewy trzcinowej o różnym potencjale tolerancji suszy. Wśród zidentyfikowanych białek były m.in. metaloproteaza FtsH2, cyklofilina CYP 38, fibrylna i lipokalina, a więc białka zaangażowane w ochronę aparatu fotosyntetycznego przed skutkami działania deficytu wody. Poziom akumulacji tych białek obserwowany u kostrzew może być kluczowy dla potencjału ekspresji tolerancji stresów abiotycznych także u życic.

 

Formy introgresywne Festulolium, obok opisanych wcześniej obu modelowych gatunków traw, są również doskonałym, unikatowym materiałem roślinnym do prowadzenia badań nad podłożem molekularnym tolerancji stresów środowiskowych u roślin. Z jednej strony charakteryzują się one tym samym tłem genetycznym, z drugiej zaś mogą reprezentować różną odpowiedź na ten sam czynnik stresowy. Na szczególną uwagę w kontekście poznania reakcji komórki roślinnej na stres deficytu wody zasługują nasze badania prowadzone w oparciu o tetraploidalne formy introgresywne życicy wielokwiatowej z genami kostrzewy trzcinowej. Wskazano potencjalny mechanizm regulujący poziom intensywności fotosyntezy w warunkach stresu suszy, niezależny od stopnia otwarcia aparatów szparkowych, lecz związany prawdopodobnie z intensywnością cyklu Calvina i poziomem akumulacji chloroplastowej aldolazy.

Z lewej: struktura genomu Festulolium. Z prawej: elektroforeza traw.Z lewej: struktura genomu Festulolium. Z prawej: elektroforeza traw.

Formy Festulolium stanowią także niezwykle interesujący materiał roślinny do badań cytogenetycznych związanych m.in. z mapowaniem segmentów chromosomowych z genami dla pożądanych cech użytkowych, w tym tolerancji stresów abiotycznych. Wykorzystując technikę genomowej hybrydyzacji in situ (GISH) i fluorescencyjnej hybrydyzacji in situ (FISH) z sondami rDNA, zlokalizowano w krótkim ramieniu chromosomu nr 2 niektóre geny związane z zimotrwałością i tolerancją mrozu u diploidalnych form introgresywnych życicy wielokwiatowej z genami kostrzewy łąkowej lub kostrzewy trzcinowej.

 

Po drugie: hodować

 

Przenoszenie genów dla ważnych cech rolniczych między gatunkami życic i kostrzew zarówno poprzez amfiploidyzację, jak i introgresję jest szeroko wykorzystywane w programach hodowlanych. Osiągnięcia na polu prac badawczych i hodowlanych, związanych z transferem genów pomiędzy gatunkami życic i kostrzew, były i są owocem wieloletniej już współpracy pomiędzy Instytutem Genetyki Roślin PAN, Hodowlą Roślin Szelejewo (obecnie DANKO Hodowla Roślin, Oddział w Szelejewie) i Katedrą Fizjologii Roślin Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie. Z mieszańców międzyrodzajowych, a zwłaszcza z tetraploidalnych mieszańców kostrzewy łąkowej i życicy wielokwiatowej (Festuca pratensis × Lolium multiflorum) wyprowadzono już, głównie w Europie, wiele odmian uprawnych Festulolium, w tym cztery odmiany amfiploidalne (Felopa, Sulino, Rakopan i Agula) uzyskano w Polsce.

Trawy Festulolium 

Jak już wspomniano wcześniej, chromosomy homeologiczne życic i kostrzew wykazują zdolność do koniugacji w metafazie I mejozy, są one jednak na tyle różne, że można je identyfikować u mieszańców i ich form pochodnych (amfiploidalnych i introgresywnych) przy użyciu techniki GISH. Na podstawie analizy struktury genomowej wybranych form amfiploidalnych Festulolium w kolejnych pokoleniach generatywnych wykazano wysoki poziom rekombinacji homeologicznej i dominację genomu życicy nad genomem kostrzewy. Przypuszcza się, że cechy te mogą być jedną z przyczyn niestabilności genetycznej często obserwowanej u mieszańców oddalonych.


 

Dalsze nasze badania wykazały, że introgresja wybranych tylko genów kostrzewy do życicy na drodze krzyżowania wstecznego mieszańca międzyrodzajowego z diploidalną lub tetraploidalną formą rodzicielską życicy może być bardziej wydajną drogą uzyskania stabilnych i dostatecznie płodnych genotypów o wyższym potencjale tolerancji stresów środowiskowych. W wyniku współpracy z Hodowlą Roślin DANKO (Oddział w Szelejewie) i Katedrą Fizjologii Roślin Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie uzyskano formy introgresywne życicy wielokwiatowej: diploidalne – z genami kostrzewy łąkowej lub kostrzewy trzcinowej, o istotnie wyższym poziomie mrozoodporności, oraz tetraploidalne – z genami kostrzewy trzcinowej, o istotnie wyższym potencjale tolerancji suszy, w porównaniu z aktualnie uprawianymi diploidalnymi/tetraploidalnymi odmianami życicy wielokwiatowej. Uzyskane formy introgresywne zostały włączone do programów hodowlanych, których celem jest wyprowadzenie nowych odmian życicy wielokwiatowej o poprawionych parametrach tolerancji stresów abiotycznych.

 

 

Chcesz wiedzieć więcej?

Ghesquire M., Humphreys M.W., Zwierzykowski Z. (2010). Festulolium. In: B. Boller, U.K. Posselt and F. Veronesi (eds.), Fodder Crops and Amenity Grasses. pp. 288-311. Series: Handbook of Plant Breeding, Vol. 5. Springer Science+Business Media.
Kosmala A., Bocian A., Rapacz M., Jurczyk B., Zwierzykowski Z. (2009). Identification of leaf proteins differentially accumulated during cold acclimation between Festuca pratensis plants with distinct levels of frost tolerance. Journal of Experimental Botany, 60, 3595-3609.
Kosmala A., Perlikowski D., Pawłowicz I., Rapacz M. (2012). Changes in the chloroplast proteome following water deficit and subsequent watering in a high and a low drought tolerant genotype of Festuca arundinacea. Journal of Experimental Botany, 63, 6161-6172.


Academia nr 2 (38) 2014

 

Oceń artykuł
(0 głosujących)

Tematy

agrofizyka antropologia kultury antropologia społeczna archeologia archeometalurgia architektura Arctowski arteterapia astrofizyka astronomia badania interdyscyplinarne behawioryzm biochemia biologia biologia antaktyki biologia płci biotechnologia roślin borelioza botanika chemia chemia bioorganiczna chemia fizyczna chemia spożywcza cywilizacja demografia edukacja ekologia ekologia morza ekonomia energia odnawialna etnolingwistyka etnomuzykologia etyka ewolucja fale grawitacyjne farmakologia filozofia finansowanie nauki fizyka fizyka jądrowa gender genetyka geochemia środowiska geoekologia geofizyka geografia geologia geologia planetarna geoturystyka grafen historia historia idei historia literatury historia nauki historia sztuki humanistyka hydrogeologia hydrologia informatyka informatyka teoretyczna internet inżynieria inżynieria materiałowa język językoznawstwo kardiochirurgia klimatologia kobieta w nauce komentarz komunikacja kosmologia kryptografia kryptologia kulinaria kultoznawstwo kultura lingwistyka literatura literaturoznawstwo matematyka medycyna migracje mikrobiologia mineralogia mniejszości etniczne mniejszości narodowe modelowanie procesów geologicznych muzykologia mykologia na czasie nauka obywatelska neurobiologia neuropsychologia nowe członkinie PAN 2017 oceanografia ochrona przyrody orientalistyka ornitologia paleobiologia paleontologia palinologia parazytologia PIASt politologia polityka społeczna polska na biegunach prawo protonoterapia psychologia psychologia zwierząt punktoza Puszcza Białowieska robotyka rozmowa „Academii” seksualność smog socjologia szczepienia sztuka technologia wieś w obiektywie wulkanologia zastosowania zdrowie zoologia zwierzęta źródła energii żywienie

Komentarze

O serwisie

Serwis naukowy prowadzony przez zespół magazynu Academia PAN.Academia Zapraszamy do przysyłania informacji o badaniach, aktualnie realizowanych projektach naukowych oraz imprezach popularyzujących naukę.

 

Dla użytkowników: Regulamin

Pliki cookies

Informujemy, że używamy ciasteczek (plików cookies) w celu gromadzenia danych statystycznych, emisji reklam oraz prawidłowego funkcjonowania niektórych elementów serwisu. Pliki te mogą być umieszczane na Państwa urządzeniach służących do odczytu stron, a korzystając z naszego serwisu wyrażacie Państwo zgodę na używanie cookies, zgodnie z aktualnymi ustawieniami przeglądarki.

Więcej informacji o celu używania i zmianie ustawień ciasteczek w przeglądarce: TUTAJ

Wydanie elektroniczne

Kontakt

  • pisz:

    Redakcja serwisu online
    Academia. Magazyn Polskiej Akademii Nauk
    PKiN, pl. Defilad 1, pok. 2110
    (XXI piętro)
    00-901 Warszawa

  • dzwoń:

    tel./fax (+48 22) 182 66 61 (62)

  • ślij:

    e-mail: academia@pan.pl