Znajdź zawartość

Rośliny przewidują porę dnia, kiedy napadną na nie chmary głodnych owadów i przygotowują się, by je odstraszyć, uruchamiając hormonalną broń. Kiedy przechodzisz obok roślin, nie wyglądają, jakby cokolwiek robiły. Intrygująco jest obserwować całą tę aktywność na poziomie genetycznym. To jak przyglądanie się oblężonej fortecy w stanie pełnej mobilizacji - opowiada prof. Janet Braam z Rice University, dodając, że naukowcy od dawna wiedzieli, że rośliny dysponują zegarem biologicznym, który pozwala im mierzyć czas bez względu na warunki oświetleniowe. Liście niektórych roślin podążają np. za przesuwającym się po nieboskłonie słońcem, a nocą "resetują się", zwracając się w kierunku wschodu. Ostatnimi czasy biolodzy ustalili, że aż ok. 1/3 genów rzodkiewnika pospolitego (Arabidopsis thaliana) jest aktywowanych przez rytm okołodobowy. Zastanawialiśmy się, czy niektóre z tych regulowanych rytmem okołodobowym genów mogą pozwalać na przewidywanie ataków owadów w sposób analogiczny do przewidywania świtu - opowiada Michael Covington (obecnie z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis). Aby znaleźć odpowiedź na to pytanie, studentka Danielle Goodspeed zaprojektowała eksperyment. Wykorzystała 12-godzinny cykl świetlny. W ten sposób zaprogramowała zegary biologiczne roślin i gąsienic błyszczki ni (Trichoplusia ni), które żywią się liśćmi A. thaliana. Połowę roślin umieszczono z gąsienicami przyzwyczajonymi do regularnego i takiego samego jak one cyklu dzień-noc, natomiast reszta rzodkiewników stykała się z gąsienicami z przesunięciem faz - ich zegary były ustawione na dzień, który przypadał na porę będącą dla rzodkiewników nocą itd. Odkryliśmy, że rośliny wyregulowane na tę samą fazę co gąsienice błyszczki były stosunkowo oporne, natomiast okazy z przesunięciem faz ulegały zniszczeniu przez żerujące na nich gąsienice. Razem z Wassimem Chehabem Goodspeed badała akumulację hormonu jasmonianu, wykorzystywanego przez rośliny do wytwarzania metabolitów wpływających na żerowanie owadów (pod wpływem uszkodzenia mechanicznego następuje skok syntezy jasmonidów, a następnie uruchomienie biosyntezy enzymów odpowiedzialnych za gromadzenie się fitoaleksyn oraz inhibitorów proteinaz; blokują one aktywność proteinaz owadów, którym odcina się w ten sposób dostęp do białek rośliny). Naukowcy stwierdzili, że w ciągu dnia, gdy gąsienice T. ni są najbardziej napastliwe, rzodkiewniki nasilają produkcję hormonu. Okazało się, że rośliny wykorzystują zegar biologiczny do wytwarzania innych związków obronnych, np. zapobiegających infekcjom bakteryjnym.

Gdy niektóre rośliny zostaną uszkodzone przez żerujące zwierzęta, zaczynają rosnąć szybciej, stają się większe i odnoszą większy sukces reprodukcyjny niż w sytuacji, gdyby ich to nie spotkało. Biolodzy z Illinois odkryli, że dzieje się tak dzięki procesowi zwanemu endoreduplikacją. Pod wpływem traumy komórki roślinne zwiększają ilość DNA, nie przechodząc mitozy (Ecology). Jeśli rozmawiasz z biologami molekularnymi, mogą wiedzieć, czym jest endoreduplikacja, ale żadne z wcześniejszych badań nie spoglądało na nią z perspektywy sukcesu reprodukcyjnego całej rośliny. My próbowaliśmy połączyć jedno z drugim […] – wyjaśnia doktorant Daniel Scholes, który pracował pod nadzorem prof. Kena Paige'a. Amerykanie prowadzili eksperymenty na rzodkiewnikach pospolitych (Arabidopsis thaliana), czyli roślinach zielnych należących do rodziny kapustowatych, które w pewnych typach komórek wielokrotnie duplikują chromosomy. Początkowo w komórce znajduje się 10 chromosomów (po 5 od każdego rodzica), ale po jakimś czasie rekordzistki zawierają nawet 320 chromosomów. Scholes i Paige porównywali DNA dwóch kultywarów rzodkiewnika (kultywar to wyraźnie wyodrębniona, trwała odmiana hodowlana). W każdej z dwóch grup znajdowało się 160 okazów. Naukowcy symulowali działania zwierząt roślinożernych, obrywając połowie pęd centralny. Kultywar Columbia odżywał po wyskubaniu: odtwarzał pędy, liście i wytwarzał więcej nasion od nieuszkodzonych okazów. W przypadku drugiego kultywaru Landsberg erecta po uszkodzeniu tempo wzrostu się nie zmieniało i rośliny wytwarzały mniej nasion. Gdy biolodzy porównali liczbę chromosomów przed i po wyskubaniu pędu centralnego, zauważyli, że u Columbii dochodziło do przyspieszenia endoreduplikacji, a u L. erecta nie. Sądzimy, że sprzyja to sukcesowi reprodukcyjnemu Columbii – podkreśla Paige. Amerykanie uważają, że dodatkowy materiał genetyczny pozwala nasilić produkcję białek potrzebnych do wzrostu i rozmnażania, poza tym większa ilość DNA oznacza większe komórki. Wzrost wielkości pojedynczych komórek może ostatecznie prowadzić do wzrostu rozmiarów całej rośliny. Zwykle zakładamy, że jesteśmy uwięzieni w tym, co odziedziczyliśmy, ale odkryliśmy, że rośliny powiększają swój stan posiadania i po raz pierwszy zaczynamy rozumieć, jak to robią i dlaczego – podsumowuje Scholes.

Dzięki zależnemu częściowo od światła układowi odpornościowemu rzodkiewniki pospolite (Arabidopsis thaliana), rośliny zielne należące do rodziny kapustowatych, doskonale bronią się przed atakującymi je o świcie lęgniowcami z gatunku Hyaloperonospora arabidopsidis. Efektem działalności H. arabidopsidis jest pojawiający się na spodniej stronie blaszki liściowej białoszary, pleśniowaty nalot. Od górnej strony w tych samych miejscach widać brunatniejące plamy. Fachowo opisywany zespół objawów nazywa się mączniakiem rzekomym. Badaniem zależności patogen-rzodkiewnik zajął się zespół Xinnian Dong z Durham University. Okazało się, że gdy wyhodowano rośliny pozbawione 22 częściowo regulowanych przez światłoczułe zegary biologiczne genów, nie były one w stanie oprzeć się atakowi grzybopodobnego lęgniowca z rodziny Peronosporaceae. Dla odmiany okazy z genami radziły sobie świetnie. Lęgniowce atakują o świcie, dlatego rzodkiewniki muszą się "zbroić" nocą. Amerykanie potwierdzili, że rzeczywiście się tak dzieje, udowadniając, że do ekspresji wszystkich 22 genów dochodzi wieczorem. Odkryliśmy, że te geny odpornościowe mają swój rytm. Nigdy nie myśleliśmy o układzie immunologicznym roślin w ten sposób, ale jest w tym naprawdę dużo sensu.

Żywność, dowożona astronautom na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) kosztuje krocie, jak pisaliśmy niedawno, nie mówiąc o samych kosztach transportu. Co z dalszymi, załogowymi misjami, jakie są planowane w dalszej przyszłości? Będą musiały stać się przynajmniej częściowo samowystarczalne, do tego jednak wciąż za mało wiemy o hodowli roślin w warunkach kosmicznych. Dlatego na pokładzie ISS w przyszłym roku rozpocznie się kolejny naukowy eksperyment: MagISStra, mający zarazem cele edukacyjne. Paolo Nespoli, udając się na pokład stacji, zabierze ze sobą przenośną szklarnię, w której hodować będzie rzodkiewnika pospolitego (Arabidopsis thaliana) roślinę z rodziny kapustowatych, będącą modelowym gatunkiem eksperymentalnym. Oryginalnym konceptem ESA (Europejskiej Agencji Kosmicznej) jest jednoczesne prowadzenie tego samego eksperymentu przez młodzież szkolną z całej Europy. Kiełkowanie i wzrost rzodkiewnika w specjalnie zaprojektowanej miniaturowej szklarni będzie przez astronautę dokumentowany zdjęciami i filmami wideo. To samo będą robić uczniowie, którzy zgłoszą się do programu, wszyscy będą mogli dzielić się materiałami i spostrzeżeniami z zespołem ESA Human Space Flight education team, po zakończeniu dziesięciotygodniowego programu przyjdzie czas na podsumowanie i wnioski, a zespół przygotuje dodatkowe materiały edukacyjne na podstawie przeprowadzonych obserwacji. Różnice w cyklu rozwojowym tej samej rośliny na orbicie i w warunkach ziemskich dostarczą nie tylko wiedzy naukowej, ale będą miały cenny walor poznawczy na uczniów interesujących się biologią i pokrewnymi naukami. Eksperyment ruszy w lutym przyszłego roku, szkoły chcące uczestniczyć w programie mogą zamówić darmową szklarnię MagISStra na stronie edukacyjnej ESA's Human Spaceflight, ilość dostępnych egzemplarzy jest ograniczona.

Rośliny umieją rozpoznać rodzeństwo, a uczeni z University of Delaware zidentyfikowali mechanizm, dzięki któremu to robią. Tajemnica tkwi, i to dosłownie, w korzeniu i wydzielanych przez niego substancjach (Communicative & Integrative Biology). W 2007 roku zespół Susan Dudley z McMaster University zauważył, że po umieszczeniu w jednej doniczce sadzonki rukwieli (Cakile edentula) potrafią rozpoznać spokrewnione i obce osobniki. Z "nieznajomymi" zaczynają konkurować, na rodzeństwo, czyli rośliny pochodzące od tej samej rośliny macierzystej, zwracają natomiast większą uwagę i zostawiają mu więcej miejsca na rozrost korzeni. Prof. Harsh Bais z Delaware przeprowadził wiele badań na temat roślinnych systemów sygnałowych. Kiedy przeczytał opis kanadyjskiego studium, postanowił rozpracować mechanizm identyfikacji rodzeństwa. Rośliny nie mają widocznych znaczników, nie mogą też uciec z miejsca, gdzie zostały posadzone lub zasiane. Należało więc poszukać bardziej złożonych wzorców rozpoznawania. Bais i doktorantka Meredith Biedrzycki badali dziką populację rzodkiewnika pospolitego (Arabidopsis thaliana). Nie zdecydowano się na rośliny hodowane w laboratorium, bo te częściej są ze sobą spokrewnione. W serii eksperymentów młode sadzonki wystawiano na oddziaływanie płynnego podłoża zawierającego wydzieliny korzeni osobników "swoich" i "obcych" lub jedynie ich własne. Mierzono długość korzeni bocznych i hypokotylu – części podliścieniowej, stanowiącej strefę przejściową między korzeniem a łodygą. W jednym z eksperymentów para badaczy hamowała wydzielnictwo korzeniowe za pomocą ortowanadanu sodu, nie wpływając przy tym negatywnie na sam wzrost korzenia. Jak można się było spodziewać, kontakt z wydzielinami niespokrewnionych roślin powodował silniejszy wzrost korzeni bocznych niż kontakt z wydzielinami rodzeństwa. Po podaniu ortowanadanu sodu rozpoznawanie obcych zostało zniesione. Zajmowanie się korzeniami ponad 3 tysięcy rzodkiewników to prawdziwa syzyfowa praca. Biedrzycki tłumaczy, że u młodych roślin są one niemal przezroczyste, a po podniesieniu z podstawki często się ze sobą skręcają, więc ich mierzenie przez 7 kolejnych dni nie należało do łatwych zadań. Z podobnymi rezultatami studium powtórzono w laboratorium Dudley. Bais podkreśla, że posadzone obok siebie obce osobniki są zazwyczaj niższe, ponieważ dużo energii wkładają w konkurencyjny rozrost korzeni. Jako że z kolei rodzeństwo ze sobą tak nie współzawodniczy, system korzeniowy jest przeważnie o wiele płytszy. Co ciekawe, liście sadzonek spokrewnionych dotykają się i przeplatają, podczas gdy obcy rosną prosto do góry, unikając jakichkolwiek bezpośrednich kontaktów. W przyszłości Bais chce znaleźć odpowiedź na jeszcze kilka pytań. Zastanawia się m.in. nad losem spokrewnionych roślin w dużych monokulturach, np. polach uprawnych.

Rośliny, które mają ograniczoną zdolność poruszania się i dysponują mniejszym od zwierząt repertuarem zachowań, wcale nie są tak bezwolne, jak się zwykło uważać. Pewien ekwadorski badacz dociekał, jak rzodkiewniki pospolite (Arabidopsis thaliana) dobierają metodę obrony przed bakteriami czy mszycami i odkrył, że polegają one na "komunikacji" 3 hormonów. Dr Antonio Leon-Reyes wziął pod uwagę kwas salicylowy (SA), kwas jasmonowy (JA) oraz etylen (ET). Współpracują one ze sobą, by uruchomić najwłaściwszy w danych okolicznościach mechanizm obrony. JA jest kontrolowany przez SA, lecz jeśli JA współpracuje z ET, nie podlega już władzy SA. Przełączanie się z jednej metody obrony na drugą to bardzo energochłonny proces, co może zagrozić np. rozmnażaniu, dlatego tak ważne jest, by od razu zdecydować się na tę właściwą. Kwas salicylowy odpowiada za zmagania z najeźdźcami zagrażającymi żywej tkance, a kwas jasmonowy i etylen kontrolują walkę z niszczycielami martwej tkanki. Leon-Reyes zauważył, że jeśli reakcja SA była aktywowana tuż przed lub w tym samym czasie co reakcja JA, mechanizm obronny regulowany przez kwas jasmonowy ulegał wytłumieniu. Jeśli jednak reakcja JA była uruchamiana jednocześnie z mechanizmem ET, SA nie mógł już hamować JA. Choć praca Ekwadorczyka wydaje się czysto teoretyczna, to tylko pozory. Odkrycie mechanizmów obronnych roślin może znacznie ułatwić walkę ze szkodnikami upraw czy lasów.

Przytwierdzone do jednego miejsca, rośliny muszą sobie radzić ze szkodnikami i wieloma innymi problemami: zbyt dużą lub zbyt małą ilością światła, bakteriami, plagą owadów itp. Udało im się przeżyć zarówno dzięki zmianom w fizjologii, jak i w genomie. Teraz naukowcom udało się pokazać, że zdolność do zwiększania częstości mutacji genetycznych w odpowiedzi na stres jest przekazywana aż 4 kolejnym pokoleniom. Barbara Hohn z Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research w Bazylei i jej zespół wybrali do badań kilka okazów rzodkiewnika pospolitego (Arabidopsis thaliana). Poddali je działaniu silnego promieniowania ultrafioletowego lub patogenów bakteryjnych. Rośliny przeżyły ciężką próbę dzięki zwiększeniu częstości rekombinacji homologicznych, zwanych też uprawnionymi. Taki typ rekombinacji zachodzi między 2 cząsteczkami DNA w miejscu ich całkowitej lub częściowej komplementarności. Odbywa się to w ramach przygotowań do podziału komórkowego. Co ciekawe, rośliny przekazywały zwiększoną liczbę mutacji (2-4 razy większą niż u "niestresowanych" organizmów) swojemu potomstwu, nawet jeżeli nie musiało się ono zmierzyć z promieniowaniem UV i patogenami. Cecha ta występowała też wtedy, gdy tylko jedno z rodziców (bez względu na płeć) miało styczność ze stresującymi warunkami. Zwiększona liczba mutacji nie była wynikiem przypadkowych zmian w kodzie genetycznym, gdyż cała populacja stresowanych roślin odpowiadała w podobny sposób. Ujawnione zmiany epigenetyczne mogą być wpisane w cały genom, w określone locusy [miejsca] lub transgeny badanych roślin — spekulują naukowcy w artykule prezentującym odkrycie. Opublikowano go we wczorajszym (6 sierpnia) wydaniu on-line magazynu Nature. Proponujemy, by uznać, że wpływy środowiskowe, które prowadzą do zwiększenia dynamiki genomu, nawet u następnego, niestresowanego pokolenia, mogą zwiększyć szanse na ewolucję adaptacyjną [różnicującą].