Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

W naturalnych warunkach mikrospory rozwijają się w dojrzałe ziarno pyłku, a do rozmnożenia rośliny niezbędny jest proces zapylania polegający na przenoszeniu ziaren pyłku na słupek. Biolodzy mogą jednak zmienić tę drogę rozwoju ziarna pyłku poprzez zadziałanie na niedojrzałe ziarna pyłku odpowiednimi czynnikami stresowymi. To spowoduje, że mikrospory nie dojrzeją i będą mogły rozwinąć się w roślinę.

Istnieją dwa rodzaje czynników stresowych, którym zostaje poddany niedojrzały kłos jęczmienia. W pierwszym przypadku dochodzi do przechłodzenia ściętych źdźbeł, które naukowcy wkładają do lodówki na dwa tygodnie. Po tym czasie następuje izolacja mikrospor – niedojrzałe kłosy są delikatnie wyciągane z pochewki, a następnie blendowane w specjalnie przygotowanym do tego urządzeniu. Kolejny etap to inicjacja kultury in vitro polegająca na dostarczaniu odpowiednich składników odżywczych w pożywce, w której wówczas dochodzi do rozwoju zarodków jęczmienia. Następnie zarodki przenosi się na pożywkę regenerującą w celu rozwoju roślin.

W przypadku zastosowania drugiego czynnika stresowego proces wygląda nieco inaczej – nie dochodzi do przechłodzenia komórek, lecz do ich głodzenia. Naukowcy wyciągają ze świeżo ściętego źdźbła jęczmienia niedojrzały kłos z mikrosporami. Następnie są one izolowane i wkładane do odpowiednio przygotowanej pożywki dostarczającej jedynie wybranych składników odżywczych.

Aby badacze mogli odpowiednio kierować rozwojem rośliny, muszą kilkukrotnie zmieniać pożywkę. Zabieg ten pozwala po około sześciu tygodniach zaobserwować kiełkujące zarodki. W obu przypadkach zastosowania różnych czynników stresowych dochodzi do przeprogramowania, w wyniku którego z mikrospory można uzyskać od razu nową roślinę, a nie dojrzałe ziarno pyłku, co występuje w naturalnie zachodzącym procesie.

Podczas prowadzonych badań naukowcy musieli rozwiązać istotny problem związany z zaburzeniami rozwojowymi chloroplastów występującymi na wczesnym etapie różnicowania w roślinach powstających w kulturze in vitro. Rośliny te, żeby mogły przeprowadzać proces fotosyntezy, powinny być zielone. Zdarza się jednak, że organizmy są albinotyczne, białe, pozbawione chlorofilu. To powoduje, że nie mogą one samodzielnie pobierać substancji odżywczych poza ściśle kontrolowanym środowiskiem kultury in vitro. Rozwój roślin albinotycznych uzależniony jest od genotypu.

Biologom udało się jednak opracować sposób izolacji i inicjacji kultury in vitro mikrospor, który pozwala na produkcję roślin zielonych wszystkich odmian, także tych wykazujących we wcześniejszych badaniach bardzo wysoki poziom regeneracji roślin albinotycznych. Najistotniejsze okazało się stadium rozwoju mikrospor, w którym dochodzi do ich izolacji i poddania ich działaniu czynnika stresowego w celu ich przeprogramowania.

Intensywnie przeprowadzane eksperymenty w końcu doprowadziły do przełomu i umożliwiły odkrycie, co w rzeczywistości warunkuje u roślin regenerację roślin albinotycznych. Okazuje się, że ważną funkcję pełnią w tym procesie plastydy. Badacze inicjowali kulturę in vitro w określonych momentach rozwoju roślin. Regeneracja roślin albinotycznych zachodziła wtedy, kiedy plastydy zdążyły już różnicować się w amyloplasty. Ale w sytuacji gdy jeszcze do tego nie doszło, uzyskiwano rośliny zielone. Poznanie tej kluczowej zależności umożliwiło biologom wskazanie odpowiedniego momentu inicjacji kultury in vitro.

Rozwiązania zaproponowane przez badaczy odgrywają istotną rolę w hodowli roślin – naukowcy mogą w ten sposób przyspieszyć czas potrzebny na wprowadzanie nowych odmian zbóż, między innymi jęczmienia. Skrócenie ośmioletniego procesu produkcji do dwóch lat jest możliwe dzięki pominięciu zapłodnienia i kilkuletniego cyklu krzyżowań, czyli jednego z kluczowych etapów rozmnażania roślin.

Opracowane na podstawie wieloletnich badań rozwiązania zostały objęte ochroną patentową. Autorami wynalazków są naukowcy z Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach: dr Monika Gajecka, prof. dr hab. Iwona Szarejko, dr Beata Chmielewska, mgr Janusz Jelonek i Justyna Zbieszczyk.

Opracowano na podstawie artykułu pt. „Patenty przyspieszające hodowlę nowych odmian jęczmienia”, zamieszczonego na stronie: https://us.edu.pl/patenty-przyspieszajace-hodowle-nowych-odmian-jeczmienia/.