Znajdź zawartość

Dyskusje nad efektem cieplarnianym i jego skutkami koncentrują się w zasadzie na wzroście globalnej temperatury i podnoszeniu poziomu wód. Inne zagrożenia niemal nie istnieją nie tylko w społecznej świadomości, ale i w naukowych dyskusjach. A tymczasem wzrost poziomu dwutlenku węgla, niezależnie czy wierzymy że to człowiek za niego odpowiada, może mieć bardzo przykre konsekwencje dla roślin uprawnych. Więcej dwutlenku węgla? To co, rośliny będą rosły - mówi wiele osób bagatelizując sprawę. Okazuje się, że nie mają racji. Dowodzą tego badania przeprowadzone na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis. Wielokrotne doświadczenia z roślinami uprawnymi: pszenicą i rzodkiewnikiem, wykazały coś całkiem odwrotnego. Do pewnego momentu owszem, wyższy poziom dwutlenku węgla sprzyja fotosyntezie, jak to się przyjęło uważać. Jednak już wzrost powyżej 50% w stosunku do poziomu obecnego zaczyna wywierać odwrotny skutek: rośliny wytwarzają mniej białek i rosną gorzej. Dzieje się tak, ponieważ wyższe stężenie dwutlenku węgla upośledza fotooddychanie roślin - proces, w którym łączą one atmosferyczny tlen z węglowodorami. Zwiększona fotosynteza początkowo nadrabia te straty, ale wraz ze wzrostem stężenia CO2 rośliny przystosowują się i spowalniają wzrost. Innym problemem staje się przyswajanie azotu, pierwiastka niezbędnego do wytwarzania protein i wzrostu rośliny. Większość azotu jest przez rośliny przyswajana przez system korzeniowy z gleby, w postaci azotanów. Te są głównym składnikiem nawozów, naturalnych i sztucznych. Mechanizm ten nie został jeszcze dokładnie przebadany, ale wiadomo, że to upośledzenie fotooddychania roślin hamuje przyswajanie azotu. Zależnie od szacunków, stężenie dwutlenku węgla do końca wieku wzrośnie od 40% do nawet 140%, więc problem nie jest akademicki. Stoi przed nami wizja poważnego spadku produkcji roślinnej i jakości pożywienia. Być może dodatkowe nawożenie częściowo rozwiązałoby problem, ale to oznacza dodatkowe koszty i niestety dodatkowe problemy ekologiczne, w tym wzrost koncentracji szkodliwego amoniaku w roślinach. To także prawdopodobny wzrost strat spowodowanych przez szkodniki. Znalezienie rozwiązania tego problemu wymagać będzie jeszcze wielu badań, w tym nad dokładnym procesem przyswajania azotanów i amoniaku przez rośliny uprawne. Praca, której autorami są: Martin Burger (UC Davis' Department of Land, Air and Water Resource), Jose Salvador, Rubio Asensio (UC Davis' Department of Plant Sciences) oraz Asaph B. Cousins (School of Biological Sciences at Washington State University) ukazała się 14 maja w czasopiśmie Science.

Nowe, nieznane dotąd mechanizmy obronne roślin zostały zidentyfikowane przez badaczy z University of California. Wykorzystanie zdobytej wiedzy może posłużyć hodowcom pracującym nad stworzeniem odmian odpornych na ataki szkodników. Odkrycia dokonano podczas badania nad rzodkiewnikiem pospolitym (Arabidopsis thaliana). Naukowcy starali się zidentyfikować białka, które pozwalają temu gatunkowi na wykrywanie mikroorganizmów i blokowanie im drogi do wnętrza jego liści. Nadziemne organy rzodkiewnika są pokryte szczelną warstwą kutyny, czyli woskowatej substancji tworzącej szczelną barierę chroniącą m.in. przed inwazją mikroorganizmów i utratą wody. Ten ochronny płaszcz jest dość skuteczny, lecz utrudnia organizmowi pobieranie i odprowadzanie wody oraz wymianę gazową. Aby umożliwić wymianę kluczowych dla przeżycia substancji, na spodzie liści wytwarzane są aparaty szparkowe, czyli otwory utworzone przez pary komórek zdolnych do zmiany własnej objętości. Pęczniejąc, blokują one przepływ wody i gazów, zaś ich kurczenie prowadzi do otwarcia szczeliny. W centrum zainteresowania badaczy znalazło się białko RIN4. Od pewnego czasu wiadomo było, że bierze ono udział w mechanizmach obronnych, lecz niewiele było wiadomo na temat sposobu jego działania. Teraz okazuje się, że proteina ta, wbudowana w ścianę komórkową m.in. właśnie w aparatach szparkowych, współpracuje z aż sześcioma innymi białkami, spośród których najważniejszym wydaje się cząsteczka nazywana AHA1. Dopiero kompleks powstały z wszystkich siedmiu cząsteczek pozwala na skuteczne wykrywanie i eliminowanie zagrożenia związanego z inwazją mikroorganizmów. Te odkrycia pokazują, jak ważna jest regulacja [funkcji] aparatów szparkowych dla funkcji obronnych rzodkiewnika, tłumaczy główny autor badania, Gitta Coaker. Jej zdaniem, jeżeli okaże się, iż podobne mechanizmy funkcjonują u innych gatunków, hodowcy mogą wejść w posiadanie potężnej broni potencjalnie zwiększającej odporność roślin uprawnych na liczne patogeny.

Naukowcy z Uniwersytetu Nottingham donoszą o dokonaniu odkrycia, które może wyjaśniać molekularny mechanizm powstawania nowych gatunków. Jak pokazują na przykładzie roślin żyjących w naturalnych warunkach, przyczyną zjawiska może być przemieszczanie się fragmentów DNA pomiędzy różnymi fragmentami genomu. Odkrycia dokonano podczas badania rzodkiewników pospolitych (Arabidopsis thaliana) - pospolitych roślin zielnych, występujących także w Polsce. Jak dowiedli naukowcy z Uniwersytetu Nottingham, w genomach różnych odmian tego gatunku zdarza się, że pojedyncze geny zmieniają swoje położenie na niciach DNA. Efektem tych zmian może być brak zdolności do tworzenia płodnych krzyżówek osobników należących do dwóch populacji. Przyczyną komplikacji jest struktura DNA, które w typowej komórce nie składa się z jednej cząsteczki, lecz z wielu osobnych tworów zwanych chromosomami. Jeżeli jeden z nich otrzyma lub utraci duży fragment DNA, a następnie zostanie przekazany do komórek rozrodczych, powstałe w taki sposób potomstwo może wykazywać "niezgodność" informacji genetycznej pochodzącej od obojga organizmów rodzicielskich. Może to powodować albo natychmiastowe obumarcie takich krzyżowek, albo uniemożliwienie im dalszego rozmnażania. Hipotetyczną możliwość zajścia takiego zjawiska przewidywano od dawna, lecz nigdy dotąd nie udało się go zaobserwować w naturze. Przełom nastapił podczas badania osobników A. thaliana należących do dwóch odmian: Columbia (Col) oraz Cape Verde Island (Cvi). Zajmujących się rzodkiewnikami naukowców zastanawiało, dlaczego nie krzyżują się one ze sobą, mimo iż przynależność do jednego gatunku powinna gwarantować taką możliwość. Dokładne analizy wykazały, że przyczyną było właśnie przeniesienie jednego z ważnych genów pomiędzy dwoma chromosomami. Gdy rośliny ewoluują, ich geny mogą być kopiowane, przenoszone w obrębie genomu i inaktywowane. Ogranicza to ich zdolność do tworzenia płodnych krzyżówek, a także, z biegiem czasu, może zakończyć się powstaniem odrębnego gatunku. Jesteśmy zachwyceni, że nasze studium zademonstrowało to zjawisko w akcji, tłumaczy prof. Malcolm Bennett, szef zespołu badającego to zagadnienie. O swoim odkryciu badacze z Uniwersytetu Nottingham poinformowali na łamach czasopisma Science.

Zablokowanie zaledwie dwóch genów wystarcza, by rośliny jednoroczne uzyskały zdolność do wieloletniego przeżycia. O odkryciu informują badacze pracujący dla belgijskiego instytutu VIB. W swoim życiu rośliny dojrzewają według jednego z trzech scenariuszy. Rośliny jednoroczne rosną, kwitną i giną w jednym roku. Gatunki charakteryzujące się życiem w cyklu dwuletnim w pierwszym sezonie gromadzą substancje odżywcze, zaś rozmnażają się dopiero w drugim. Z kolei rośliny wieloletnie, jak sama nazwa wskazuje, żyją przez wiele lat i każdą kolejną zimę spędzają w stanie "uśpienia" w formie przetrwalnej. Wydaje się, że każda z tych taktyk jest wyraźnie odmienna od pozostałych, lecz badania pokazują, że proste modyfikacje mogą zupełnie zmienić cykl rozwojowy danego gatunku. Dużą korzyścią dla roślin jednorocznych jest oszczędność energii. Ponieważ nie muszą one przetrwać zimy jako "pełny" organizm (nowe osobniki wyrastają na wiosnę z nasion), nie jest im potrzebne wytworzenie trwałych organów spichrzowych, pozwalających na przechowanie zapasu substancji odżywczych oraz ochronę materiału genetycznego. Taki system ma jednak także swoje wady, wynikające m.in. z niskiej trwałości pędów oraz niewielkiego odsetka dożywających do kolejnego sezonu w dobrej kondycji. Rośliny wieloletnie wypracowały mechanizm, który jest co prawda bardziej skomplikowany i wymaga zużycia znacznej ilości energii, lecz pozwala na przetrwanie osobnika aż do kolejnego sezonu. Aby to osiągnąć, organizmy takie gromadzą znaczną ilość substancji zapasowych i wytwarzają pulę niewyspecjalizowanych komórek, które po przezimowaniu pozwalają roślinie na odtworzenie wszystkich potrzebnych jej organów. U roślin jednorocznych cała pula niewyspecjalizowanych komórek jest wykorzystana na wytwarzanie kwiatów, z których powstają następnie nasiona. Okazuje się jednak, że wystarczy zablokować zaledwie dwa geny odpowiedzialne za ten proces, by znacznie opóźnić powstanie organów generatywnych (tzn. odpowiedzialnych za rozmnażanie) lub nawet całkowicie zapobiec temu procesowi. Genetyczną zagadkę rozwiązał zespół Toma Beeckmana z współpracującego z VIB uniwersytetu w belgijskim Gent. Badacze przeprowadzili swój eksperyment na rzodkiewniku (Arabidopsis thaliana), "ulubionej" roślinie naukowców zajmujących się genetyką roślin. Studium przeprowadzone przez badaczy z VIB potwierdza, że zablokowanie dwóch genów odpowiedzialnych za wytwarzanie kwiatów u tej rośliny pozwala na znaczne wydłużenie czasu życia pojedynczego osobnika. Co więcej, osobniki A. thaliana przybrały charakterystyczną dla wielu roślin wieloletnich formę krzewiastych, zdrewniałych pędów. Badacze z VIB nie ukrywają zaskoczenia i zafascynowania faktem, że przekształcenie rośliny jednorocznej do formy zdrewniałej może wymagać zmiany w zaledwie dwóch genach. Ich zdaniem może to oznaczać, że tak drobna zmiana genetyczna mogła zajść w historii ewolucji wielokrotnie.

Rośliny tylko z pozoru są pasywnymi, mało "żywymi" organizmami. Kolejnego dowodu na poparcie tej tezy dostarczają amerykańscy naukowcy, który wykazali, że w wyniku infekcji korzenie aktywnie wabią odpowiednie bakterie, zdolne do zniszczenia patogenu powodującego chorobę. Badania poprowadzili wspólnie eksperci z Uniwersytetu Delaware oraz Teksańskiego Uniwersytetu Technicznego. Polegały one na analizie zachowania modelowej rośliny, rzodkiewnika (łac. Arabidopsis thaliana), podczas infekcji bakteriami z gatunku Pseudomonas syringae, pospolitego patogenu liści. W wyniku ataku mikroorganizmu liście rosliny żółkły i nabierały charakterystycznego wyglądu. Okazało się jednak, że gdy badacze po kilku dniach zaszczepili glebę wokół rośliny bakteriami Bacillus subtilis, doszło do błyskawicznego wyzdrowienia okazów rzodkiewnika. Jednocześnie zaobserwowano, że podczas infekcji szkodliwymi mikroorganizmami korzenie rośliny zaczęły wydzielać kwas jabłkowy - związek pełniący funkcję "sygnału zagrożenia" i wabiący dobroczynne bakterie do miejsca infekcji. Obserwacja zmian zachodzących podczas ataku P. syringae była możliwa dzięki wykorzystaniu dwóch zaawansowanych technik laboratoryjnych. Pierwsza z nich to uprawa hydroponiczna, czyli hodowanie roślin w roztworze substancji odżywczych, bez dostępu do gleby. Umożliwia to bardzo precyzyjne regulowanie składu pożywki, a także zapewnia możliwość stałej obserwacji korzeni i ich otoczenia. Drugą zastosowaną techniką była laserowa mikroskopia konfokalna - wyjątkowo precyzyjna technika optyczna. Zaledwie kilka instytutów badawczych na świecie może się pochwalić posiadaniem tak zaawansowanego modelu mikroskopu, jak ten zainstalowany na Uniwersytecie Delaware. Jak oceniają autorzy odkrycia, pokazuje ono, że rośliny nie są tylko pasywnymi organizmami zdanymi na łaskę i niełaskę patogenu. Rośliny są znacznie sprytniejsze, niż zwykliśmy uważać, tłumaczy dr Harsh Bais, jeden z naukowców zaangażowanych w badania. Dodaje: ludzie myślą, że rośliny, zakorzenione w glebie, są po prostu unieruchomione i bezsilne, gdy dochodzi do ataku szkodliwych grzybów lub bakterii. Odkryliśmy jednak, że rośliny posiadają sposoby na przywołanie pomocy z zewnątrz. Obecnie trwają dalsze badania, których celem będzie zdefiniowanie związków obecnych na powierzchni komórek bakterii, które odpowiadają za wywołanie odpowiedzi rzodkiewnika. Naukowcy chcą także poznać dokładny sposób przekazywania informacji z zakażonych liści od korzeni wydzielających kwas jabłkowy oraz substancji pełniących w tym procesie rolę nośnika informacji. Istnieje nadzieja, że dokładnie zrozumienie interakcji pomiędzy roślinami i sprzyjającymi im bakteriami pozwoli na "zacieśnienie" tej współpracy, co może mieć niebagatelne znaczenie przede wszystkim dla rolnictwa.

Umiejętne "projektowanie" enzymów odpowiedzialnych za smak i zapach mogłoby być dla ludzi bardzo przydatne. Pozwoliłoby na poprawę smaku żywności lub zwalczanie szkodników upraw w bezpieczny dla ludzi sposób. Jest to zadanie bardzo złożone, lecz naukowcy ze szkoły medycznej Uniwersytetu Teksańskiego twierdzą, że uczynili ważny krok naprzód ku jego realizacji. Eksperyment, prowadzony przez dr. C.S. Ramana, polegał na modyfikacji genetycznej rzodkiewnika (Arabidopsis thaliana) - rośliny powszechnie stosowanej w badaniach naukowych. Badacze wprowadzili zmiany w genie kodującym enzym syntazę tlenków alkenów (AOS, ang. allene oxide synthase), odpowiedzialną za produkcję związków zapachowych z grupy jasmonianów. W wyniku modyfikacji uzyskano białko o właściwościach identycznych z innym enzymem, liazą wodoronadtlenkową (HPL, ang. hydroperoxide lyase), zdolną do produkcji związków lotnych odpowiedzialnych za zapach owoców i warzyw. Przeprowadzone przez naukowców badania mają nie tylko wartość czysto poznawczą. Jak tłumaczy dr Raman, substancje wytwarzane po modyfikacji genetycznej mogą być korzystne dla roślin: pamiętajmy, że rośliny nie mogą uciec przed robakami i innymi szkodnikami. Muszą sobie z nimi radzić. Jednym ze sposobów jest wydzielanie lotnych związków wabiących naturalnych wrogów tych szkodników. Oznacza to, że możliwe jest genetyczne modyfikowanie roślin w taki sposób, by zwalczały one robaki w sposób całkowicie bezpieczny dla człowieka. Opanowanie sztuki "projektowania" enzymów pozwoli także m.in. na wydajne wytwarzanie pożądanych związków odpowiedzialnych za smak roślin mających zastosowanie w przemyśle spożywczym. Kluczem do przeprowadzenia udanej modyfikacji genetycznej były precyzyjne dane na temat struktury enzymów. Dzięki zastosowaniu technik komputerowych możliwe było zaplanowanie modyfikacji genetycznej w taki sposób, by wzajemne ułożenie atomów w cząsteczce AOS zmienić tak, by białko to nabrało właściwości enzymu HPL. Obie te proteiny są ze sobą spokrewnione - należą do grupy tzw. cytochromów P450. Enzymy z tej grupy występują także w organizmie człowieka, gdzie odpowiadają m.in. za metabolizm niemal połowy przyjmowanych przez nas leków oraz ogromnej liczby innych wchłanianych przez nasze organizmy związków. Przełożony dr. Ramana, prof. Rodney E. Kellems, podkreśla istotę odkrycia: ważną zaletą tej pracy jest zastosowanie dziedziny biologii strukturalnej i ewolucyjnej w celu pogłębienia wiedzy na temat funkcji enzymów. Wiedza ta umożliwiła nam zademonstrowanie, że zmiana pojedynczego aminokwasu [cząsteczki budulcowej wchodzącej w skład łańcucha białkowego - przyp. red.] powoduje zamianę jednego enzymu w inny. Pokazuje to, że nawet pojedyncza mutacja może wpływać na ewolucję nowych szlaków biosyntezy. Zaczynamy w ten sposób odpowiadać na pytanie, w jaki sposób pojedynczy związek może być przekształcany w zupełnie różne produkty za pomocą uderzająco podobnych do siebie enzymów. Eksperci z Uniwersytetu Teksańskiego dokonali jeszcze jednego odkrycia. Zaobserwowali, że enzymy odpowiedzialne za produkcję bardzo podobnych związków zapachowych są wytwarzane także w organizmach zwierząt morskich. Na razie nie wiadomo jednak, jaką dokładnie pełnią u nich funkcję.