Coraz częstsze susze i niedobór wody, pociągające za sobą ogromne straty w plonach, spędzają sen z powiek rolnikom z całego świata. Niestety nie jest to chwilowy problem. Przyszłość, z zapowiadanym postępem zmian klimatycznych, nie wygląda obiecująco. Światowe rolnictwo musi przystosować się do tych niekorzystnych warunków. Jednym z budzących nadzieję pomysłów jest hodowla roślin oszczędnie wykorzystujących wodę i odpornych na wysokie temperatury. W ostatnim dziesięcioleciu osiągnięto wielkie postępy w kierunku powstania takich odmian. Jednym z sukcesów jest niedawno opublikowane odkrycie u jęczmienia genu odporności na suszę.
Co dzieje się w roślinie podczas suszy?
Susza wyniszcza organizm rośliny nie tylko poprzez zmniejszenie ilości wody dostępnej dla jej korzeni. Wysokie temperatury powodują równocześnie intensywniejszą transpirację, a więc tracenie wody poprzez parowanie z liści. W efekcie tkanki rośliny tracą odpowiednie napięcie, a ich zdolność do przeprowadzania efektywnej fotosyntezy spada. Wzrost rośliny zostaje upośledzony, a rolnik zauważa wyraźnie obniżone plony i spadek ich jakości.
To jednak nie wszystkie szkodliwe efekty suszy. Brak wody i wysokie temperatury sprawiają, że w roślinie wytwarzają się duże ilości reaktywnych form tlenu (wolnych rodników), które uszkadzają wiele ważnych struktur w komórkach. Jednak nie wszystkie rośliny reagują identycznie.
Gdzie tkwi sekret odpornych roślin?
Od dawna zauważano, że część roślin w obrębie danego gatunku czy odmiany radzi sobie w suchym klimacie lepiej od innych. Wykorzystuje wyrafinowane mechanizmy adaptacyjne działające na poziomie molekularnym, komórkowym i zmieniającym całą fizjologię i rozwija się pomimo ekstremalnych warunków. Wypuszcza korzenie głębiej od innych roślin, uparcie zatrzymuje wodę i oszczędnie nią gospodaruje, efektywnie fotosyntetyzuje, nie obawiając się zbyt intensywnego słońca.
Naukowcy próbują przyjrzeć się tym procesom i znaleźć geny za nie odpowiedzialne. Mają nadzieję, że dzięki temu uda się stworzyć odmiany roślin odporne na suszę, które wraz ze zmieniającym się klimatem stają się coraz częstsze i coraz bardziej uciążliwe.
Pięć lat poszukiwań
W jednym z najnowszych badań naukowcom z Heriot-Watt University w Edynburgu po niemal pięciu latach badań udało się wyizolować z ponad 39 000 genów jęczmienia jeden konkretny gen – nazwany skrótem HvMYB1. W eksperymentach wykazali, że te rośliny, u których gen poddawany jest silniejszej ekspresji, są w stanie przetrwać długie okresy niedoboru wody i wysokich temperatur.
Odkryli, że gen ten w liściach i korzeniach rośliny regulowany jest przez warunki pogodowe wskazujące na suszę. Pomaga jej zatrzymywać wodę w organizmie i rozkładać powstające szkodliwe wolne rodniki.
Co warte podkreślenia, wpływ odnalezionego genu został przetestowany w warunkach symulujących suszę. Nierzadko bowiem zdarza się, że obiecujące odkrycie z laboratorium w warunkach polowych okazuje się nie mieć wielkiego znaczenia.
Naukowcy uważają, że w przyszłości będzie można stworzyć odmiany jęczmienia, u których gen odporności na suszę będzie podlegał silniejszej ekspresji. W efekcie pomimo niekorzystnego klimatu uzyskiwać będzie można opłacalne plony.
Grunt to korzenie
Badanie dotyczące jęczmienia nie jest pierwszym tego typu. W ostatnich latach naukowcy opublikowali wiele odkryć dotyczących odporności na suszę u takich gatunków jak ryż, kukurydza, jęczmień, pszenica durum, pszenica ozima, ciecierzyca, bawełna i słodka papryka.
Jedną z cech możliwą do wykorzystania w hodowli, występującą u odmian odpornych na niekorzystne warunki klimatyczne jest odpowiednia architektura korzeni. Przykładowo ryż może występować w formie płytko lub głęboko zakorzenionego.
Grupa badaczy z Chin w oparciu o serię analiz i eksperymentów stwierdziła, że kluczowym czynnikiem który wpływa na formę ukorzenienia jest synteza ATP, cząsteczka będąca nośnikiem energii u wszystkich żywych organizmów.
Spośród 18 odnalezionych genów mających znaczenie w rozwoju głębokiego ukorzenienia wszystkie biorą również udział w metabolizmie energetycznym rośliny. Naukowcy stwierdzili, że produkcja ATP w głęboko sięgających korzeniach jest znacznie szybsza niż w powierzchownych systemach.
Odkrycie to dostarcza cennych wskazówek do znalezienia genetycznych podstaw odpornego na suszę ukorzenienia u roślin.
Tyle różnych genotypów, tak mało czasu
Jedną z powszechnych trudności na jakie natykają się naukowcy w badaniach odporności na suszę jest wiarygodna ocena i porównanie cech poszczególnych roślin o wielu różnych genotypach w warunkach polowych.
W tym celu tworzą narzędzia i platformy ułatwiające fenotypowanie (określanie wydajności i produktywności roślin) setek różnych odmian roślin. W jednym z ostatnich badań udało się w ten sposób określić stopień odporności na suszę u 248 różnych genotypów pszenicy durum.
Tego typu porównania pomagają wskazać te rośliny, które rzeczywiście najlepiej radzą sobie w niekorzystnych warunkach.
Nawożenie wpływa na odporność roślin
Niektórzy badacze zajmujący się zwiększaniem odporności roślin na suszę podkreślają, że genetyka to nie wszystko. Aby uzyskiwać opłacalne plony w coraz suchszym klimacie konieczne jest dobre poznanie wszystkich czynników wpływających na rośliny i odpowiednie zarządzanie uprawami.
Przykładowo u niektórych roślin odporność na suszę, transport wody w roślinie i wiązanie azotu z gleby są ze sobą ściśle fizjologicznie powiązane. Dobre zarządzanie nawozami amonowymi na polach ryżu może pomagać oszczędzać wodę i poprawiać odporność roślin na suszę.
Potencjalne powiązania pomiędzy odżywieniem roślin a ich odpornością na suchy klimat to temat, który przyciąga uwagę coraz większej liczby naukowców. Być może nie trzeba sięgać do inżynierii genetycznej, aby zdecydowanie poprawić wydajność upraw.
Na podstawie:
The Guardian
Alexander, R. D., Wendelboe-Nelson, C., & Morris, P. C. (2019). The barley transcription factor HvMYB1 is a positive regulator of drought tolerance. Plant Physiology and Biochemistry, 142, 246-253.
Luo, L., Xia, H., & Lu, B. (2019). Crop breeding for drought resistance. Frontiers in Plant Science, 10, 314.
