Badania w ramach wartego 1 mln 347 tys. zł grantu Narodowego Centrum Nauki prowadzi zespół profesora Rafała Barańskiego z Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie, dyrektora Instytutu Biologii Roślin i Biotechnologii.

"Zasolenie gleb wzrasta tam, gdzie rozwija się nowoczesne rolnictwo. Nawadnianie upraw powoduje dostarczanie do gleby związków mineralnych, które nie są w całości wykorzystywane przez rośliny, a zatem poziom ich soli rośnie. Oczywiście jednorazowo taka dawka dostarczanej soli jest niewielka, ale w ciągu wielu lat sole akumulują się w glebie. Szacuje się, że zasolonych jest około 20 proc. nawadnianych gruntów przeznaczonych pod uprawę. W Egipcie nawet 30 proc. gruntów rolnych jest zasolone. Rośliny w takich warunkach mają zaburzony rozwój, ograniczony wzrost i dają niższy plon, często gorszej jakości" – tłumaczy w rozmowie z PAP prof. dr hab. Barański.

Jak wyjaśnia, w warunkach zasolenia pobieranie wody przez rośliny jest ograniczone. Dodatkowo zmiany klimatu sprawiają, że coraz częściej zdarzają się okresy suszy, więc rośliny są w coraz większym stopniu pozbawione łatwego dostępu do wody. Marchew bardzo źle reaguje na niedobór wody i zasolenie, jest to jeden z najbardziej wrażliwych gatunków warzyw na zasolenie gleby.

"A jednak udało nam się znaleźć w pewnych rejonach Azji takie odmiany, które dosyć dobrze tolerują zasolenie. Gleby, na których rosną, zawierają duże ilości soli, której kryształy można wręcz zaobserwować na powierzchni, jest to bezpośredni dowód, że ta marchew radzi sobie w takich trudnych warunkach. Dlaczego tam rośnie? Tego właśnie nie wiadomo. Nie znamy mechanizmu, który determinuje tolerancję marchwi na zasolenie, ale wiemy, że taki mechanizm istnieje. Dlatego będziemy starać się go poznać" – zapowiada profesor.

To, że marchew na niektórych terenach Azji jest tolerancyjna na zasolenie, wynika z faktu, że przez wiele pokoleń była uprawiana w niekorzystnych warunkach. Na rośliny działała presja selekcyjna faworyzująca osobniki lepiej genetycznie przystosowane do wysokiego zasolenia. Mogą one stanowić wartościowe źródło zasobów genowych dla takiej hodowli, która zmierza do podwyższenia tolerancji nowych odmian uprawianych w Europie i innych częściach świata.

"Wszystkie cechy organizmów determinowane są genetycznie, a następnie modyfikowane przez wpływ środowiska. Rośliny wykazują różny stopień przystosowania do określonych warunków stresowych. Odmiany marchwi, które obecnie można znaleźć na rynku, na zasolonej glebie nie rosną w ogóle albo znacznie słabiej. Chcemy lepiej zrozumieć proces tolerancji roślin na stres zasolenia i suszy. Spodziewamy się, że wyniki badań prowadzonych na marchwi będzie można przełożyć na inne gatunki z rodziny selerowatych, np. pietruszkę i selera" – mówi prof. Barański.

Kontrolowane doświadczenia będą w całości prowadzone w szklarniach Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie. Grupa roślin będzie traktowana wysokim stężeniem soli, inne będą rosły w warunkach normalnych. Porównane zostaną zmiany biochemiczne i fizjologiczne, jakie zajdą w roślinach oraz różnice w strukturze, regulacji i ekspresji genów.

Badaniu poddany zostanie cały obejmujący dziewięć par chromosomów genom, czyli pełna informacja genetyczna zapisana na DNA marchwi, którego wielkość wynosi ponad 400 milionów nukleotydów. Genom marchwi zawiera ponad 32 tysiące genów.

"Będziemy poszukiwać różnic w ekspresji genów, czyli które z nich są bardziej lub mniej aktywne u pochodzących z Azji roślin tolerancyjnych na zasolenie w porównaniu do roślin wrażliwych o europejskim pochodzeniu. Wskażemy też czynniki regulatorowe związane z reakcją na stres solny i kontrolujące ekspresję genów. Równolegle będziemy badać zmiany w składzie chemicznym i zdolności do fotosyntezy u badanych roślin. Na podstawie otrzymanych wyników wskażemy potencjalne mechanizmy warunkowane genetycznie pozwalające rosnąć roślinom tolerancyjnym na podłożu z podwyższoną zawartością soli" – zapowiada profesor.

W zespole będą pracowali specjaliści z zakresu żywienia roślin, genetycy, genomicy odpowiedzialni za analizę bioinformatyczną i analityczną ekspresji genów i sekwencjonowanie RNA oraz biotechnolodzy, którzy zajmą się modyfikowaniem genomu marchwi. W projekcie zastosowane zostaną wysokowydajne technologie, generujące bardzo dużą ilość danych. Analizy bioinformatyczne będą wymagały użycia komputerów o dużej mocy obliczeniowej.

Wynikiem projektu ma być wskazanie potencjalnych genów, które biorą udział w podnoszeniu tolerancji marchwi na stres. Kiedy już uczeni znajdą te geny, będą chcieli je zmodyfikować i eksperymentalnie dowieść, że biorą one udział w reakcji tolerancji.

Naukowcy usuną fragment genu, czyli wyłączą go w jednej z grup roślin. W drugiej grupie będą zwiększać ekspresję genów. Rośliny z tak zmodyfikowanymi genami będą poddane stresowi solnemu w warunkach laboratoryjnych i obserwowane pod względem zmiany ich wrażliwości lub tolerancji na zasolenie.

Marchew to jedno z najważniejszych warzyw, uprawianych na całym świecie na powierzchni ponad miliona hektarów. Jest ceniona ze względu na swoje walory dietetyczne. Może być dostępna cały rok do konsumpcji dzięki możliwości przechowywania korzeni. W Europie wytwarza się ok. 30 proc. produkcji światowej tego warzywa. Polska jest czwartym krajem na świecie pod względem produkcji marchwi. Dlatego badania mają ogromne znaczenie gospodarcze.

"Nasz projekt ma charakter poznawczy, ale w dalszej perspektywie wyniki pomogą doskonalić odmiany powszechnie uprawiane. Uzyskiwanie odmian tolerancyjnych na stres jest jednym z głównych kierunków doskonalenia gatunków uprawnych na drodze hodowli konwencjonalnej czy wspomaganej biotechnologią. Dotychczas było to dokonywane często intuicyjnie, metodą selekcji. My chcemy, żeby hodowla była precyzyjna i skuteczniejsza. Chcemy umożliwić wybór osobników charakteryzujących się obecnością ściśle określonych i opisanych genów. Tworzone w ten sposób odmiany pozwolą rolnikom uzyskać wyższy plon o lepszej jakości" – podsumowuje rozmówca PAP.

PAP - Nauka w Polsce, Karolina Duszczyk

kol/ mrt/