Badania cytogenety czne w Katedrze Anatomii i Cytologii Roślin

Brachypodium distachyon - "modelowa trawa"

Pierwszą trawą modelową był ryż, wykorzystywany w badaniach genomicznych ze względu na niewielką zawartość jądrowego DNA. Jest on jednak dość odległy filogenetycznie od uprawianych w Polsce zbóż i innych traw użytkowych.

Prof. UŚ dr hab. Robert Hasterok jest pracownikiem Katedry Anatomii i Cytologii Roślin Wydziału Biologii i Ochrony Środowiska UŚ, kierowanej przez prof. dr hab. Jolantę Małuszyńską. Badania w niej prowadzone dotyczą szeroko pojętej cytogenetyki roślin, czyli analizy genomów na poziomie mikroskopowym. Praca naukowców plasuje się na pograniczu takich nauk, jak cytologia, genetyka oraz biologia molekularna. Duże znaczenie dla właściwej analizy i prezentacji wyników ma także nowoczesna, cyfrowa obróbka obrazu mikroskopowego.

- Badania prowadzone są w kilku kierunkach - mówi profesor Hasterok. - Część kolegów zajmuje się analizą struktury roślinnego genomu jądrowego i do nich zalicza się mój zespół. Badania takie można wykonywać na bardzo wielu gatunkach dzikich bądź uprawnych, my szczególną uwagę poświęcamy trawom. Inni koledzy zajmują się analizą stabilności genomu, przykładowo napromieniowują nasiona badanej rośliny albo działają na nią różnego rodzaju czynnikami chemicznymi. Później obserwuje się chromosomy i ich zachowanie podczas podziałów komórkowych, analizując, czy na przykład nie zaszła jakaś translokacja, inaczej mówiąc, czy kawałek jednego chromosomu nie „przeskoczył” na inny chromosom. Trzeci kierunek badawczy realizowany w Katedrze to analiza tzw. regulacji epigenetycznych w genomie, czyli wyjście poza badanie sekwencji DNA, a skoncentrowanie się na różnorakich chemicznych modyfikacjach chromatyny, mających istotne znaczenie dla jej struktury, a co za tym idzie, także dla jej funkcji.

Zespół prof. Hasteroka jest szczególnie zainteresowany analizą struktury genomu jądrowego traw, a zwłaszcza Brachypodium distachyon, czyli kłosownicy dwukłoskowej. Od lat poszukiwano rośliny modelowej, która pozwoliłaby na łatwiejsze i dokładniejsze badania najważniejszej grupy roślin uprawnych, jaką stanowią zboża strefy klimatu umiarkowanego, takie jak pszenica, jęczmień, żyto czy owies. Organizm modelowy charakteryzuje się zestawem cech, które czynią go bardziej użytecznym do badań naukowych, niż ma to miejsce w przypadku innych organizmów grupy, którą reprezentuje.

- Warto zaznaczyć, że pierwszą trawą modelową był ryż, wykorzystywany w badaniach genomicznych ze względu na niewielką zawartość jądrowego DNA. Ryż jest jednak dość odległy filogenetycznie od uprawianych w Polsce zbóż i innych traw użytkowych. Trzeba było zatem znaleźć taką roślinę modelową, która byłaby bliżej spokrewniona z naszymi trawami uprawnymi – mówi profesor Hasterok.

Oprócz małego genomu jądrowego o niskiej zawartości powtarzalnego DNA i niewielkiej liczbie chromosomów, od rośliny modelowej wymaga się takich cech, jak m.in.: pochodzenie ze strefy klimatu umiarkowanego, niewielkie rozmiary organizmu, krótki cykl życiowy, samopylność oraz nieskomplikowane wymagania odżywcze. Na pytanie, dlaczego nie przeprowadza się niektórych istotnych badań genomicznych bezpośrednio na ważnych gospodarczo zbożach, np. na pszenicy czy życie, profesor odpowiada: - Wiele z nich ma bardzo dużo DNA w swoich jądrach komórkowych, ze znaczącym lub wręcz przeważającym udziałem DNA niekodującego, zaś frakcja informacyjna DNA stanowi relatywnie niewielką część genomu. Cała reszta, niemająca funkcji kodującej, to coś, co niektórzy nazywają „śmieciowym DNA”. Aby znaleźć sekwencje kodujące w tak dużych genomach, należy zazwyczaj wykonać ogromną i bardzo kosztowną pracę. Brachypodium distachyon tym się różni od wielu innych traw, że posiada bardzo mały genom jądrowy, o niewielkiej zawartości sekwencji powtarzalnych i składzie genów zbliżonym do tych, które posiadają niezwykle dla nas ważne gatunki zbóż i wielu innych traw o charakterze użytkowym. Dla tych roślin gatunek ten stał się więc niezwykle użyteczną „trawą modelową”.

Szerzej zakrojone badania nad Brachypodium distachyon zaczęły się około 10 lat temu na Uniwersytecie Aberystwyth w Wielkiej Brytanii. Szefem jednej z tamtejszych grup badawczych jest profesor John Draper, który jako pierwszy zaproponował tę roślinę jako modelową.

- Na tym etapie było to bardziej w sferze naukowych życzeń i marzeń, niż konkretów - wspomina prof. Hasterok. - Wobec wcześniejszego zaakceptowania Arabidopsis thaliana i ryżu w roli roślinnych organizmów modelowych, wielu badaczy nie widziało większego sensu we wprowadzaniu kolejnego modelu, ale z czasem coraz więcej osób przekonywało się do tego pomysłu. Podczas kilkunastu miesięcy pracy w Aberystwyth zajmowałem się między innymi pierwszymi badaniami genomu Brachypodium, a następnie „zaraziłem” tą rośliną niektórych kolegów w Katowicach. Warto wspomnieć też o corocznych konferencjach Plant and Animal Genome w San Diego, na których spotyka się kilka tysięcy naukowców zajmujących się genetyką i biologią molekularną. Właśnie tam, w 2006 roku, temat Brachypodium po raz pierwszy zaistniał na szerokiej arenie międzynarodowej. Wtedy też postanowiono, że genom jądrowy tej rośliny poddany będzie sekwencjonowaniu, czyli zostanie poznany „litera po literze”, co ostatecznie nastąpiło w roku 2009. Wiele wiodących laboratoriów z USA czy Wielkiej Brytanii niemal z dnia na dzień zajęło się badaniami nad Brachypodium. Obecnie temat ten staje się bardzo popularny, roślinie tej poświęcane są odrębne sesje tematyczne na międzynarodowych konferencjach, gdzie wygłaszane są specjalistyczne wykłady. Szybko rośnie też liczba publikacji naukowych, poświęconych nowemu organizmowi modelowemu.

Grupa prof. Hasteroka stale współpracuje z ośrodkami badawczymi w Wielkiej Brytanii i w USA, zaś w projekcie sekwencjonowania genomu jądrowego uczestniczyło aż kilkanaście ośrodków naukowych z Europy i Stanów Zjednoczonych. Dzięki wspólnym zainteresowaniom i celom, międzynarodowa sieć współpracy łączy wielu naukowców, umożliwiając z jednej strony realizację indywidualnych zainteresowań badawczych, a z drugiej na ich interdyscyplinarną integrację.

Pracownicy Katedry Anatomii i Cytologii Roślin reprezentują cytogenetykę, będącą dziedziną z pogranicza genetyki i biologii komórki. W przeciwieństwie do typowych analiz molekularnych, badania cytogenetyczne uchodzą za bardzo żmudne i trudne na poziomie metodycznym, dodatkowo wykorzystywane metody charakteryzują się stosunkowo niską wydajnością. W cytogenetyce roślin naukowcy napotykają na rozmaite przeszkody metodyczne, związane ze specyfiką materiału roślinnego, przykładowo obecnością ścian komórkowych.

- Czasem to niemal zegarmistrzowska i wymagająca iście anielskiej cierpliwości robota - żartuje prof. Hasterok. - Jednakże ze względu na możliwość powiązania z analizą na poziomie mikroskopowym wielu skomplikowanych badań molekularnych, dotyczących struktury jądrowego genomu roślinnego, składu i rozmieszczenia wchodzących w jego skład sekwencji DNA, rozmieszczenia poszczególnych chromosomów w okresie międzypodziałowym oraz ich zachowania w trakcie podziałów, badania te są bardzo potrzebne. Ponieważ zaś, z racji wspominanych uwarunkowań i trudności metodycznych, zajmuje się nimi stosunkowo niewielu naukowców, specjaliści w tej dziedzinie na ogół nie narzekają na nudę czy brak pracy. W naszej Katedrze, oprócz badań naukowych, rzecz jasna bardzo ważny jest także aspekt dydaktyczny - kształcimy i przygotowujemy do pracy nowych badaczy, na to właśnie ukierunkowane są projekty doktorskie oraz magisterskie. Część naszych absolwentów znajduje zatrudnienie w służbie zdrowia, wszak na świecie badania cytogenetyczne stanowią podstawę wielu klinicznych analiz diagnostycznych, daje się też zauważyć coraz większe ich znaczenie w krajowej praktyce medycznej.

Zespół profesora Hasteroka od kilku lat prowadzi badania dzięki stałemu wsparciu finansowemu ze strony Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Są one bardzo kosztowne, wymagające specjalistycznej aparatury i odczynników. W najbliższym czasie okaże się, czy w ich finansowaniu pomoże naukowcom także Unia Europejska w ramach 7. Programu Ramowego.

- Większość projektów kierowanych do tego programu ma silny wydźwięk aplikacyjny, tzn. nie mogą być one tylko „sztuką dla sztuki”, ale przede wszystkim muszą wnieść coś nowego, wymiernego i wartościowego do nowoczesnej uprawy roślin - mówi prof. Hasterok. - Unię interesuje to, co konkretnie z tego typu badań może mieć Wspólnota Europejska, co z tego będzie miał przeciętny Europejczyk. Naszym celem jest przekonać Unię, że podobnie jak miało to niedawno miejsce w USA, także w Europie z wielu względów warto postawić na badania na Brachypodium distachyon.

Autorzy: Julia Korus
Fotografie: Agnieszka Szymala