Szybciej i taniej uzyskamy nowe odmiany roślin

Naukowcy zidentyfikowali geny odpowiadające za częstotliwość przetasowań genetycznych. Pokazali, jak można te geny zaprząc do tego, by rekombinacja zachodziła sprawniej, a potomstwo było bardziej różnorodne – miało bardziej “przetasowane geny”.

To świetna wiadomość np.: dla hodowców roślin, którzy chcą jak najszybciej uzyskiwać nowe odmiany roślin – takie, które będą łączyły w sobie najlepsze cechy swoich rodziców. – Dzięki podniesieniu częstości rekombinacji, można łatwiej przenosić cechy z jednych linii do innych – opowiada pierwszy autor publikacji, dr hab. Piotr Ziółkowski z Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu.

– W normalnych warunkach proces wyprowadzania nowej odmiany roślin użytkowych, np.: pszenicy czy jęczmienia, trwa ok. 10-12 lat. Jeśli zwiększamy częstość rekombinacji genetycznej, możemy pracować z mniejszymi populacjami roślin, a w dodatku nowych odmian doczekamy się w krótszym czasie, gdyż znacząco zwiększa się szansa na uzyskanie pożądanych kombinacji genów – dodaje biolog z UAM. Badania – kierowane przez dr. Iana Hendersona z Cambridge – ukazały się w najnowszym numerze czasopisma “Genes and Development”.

Przetasowania genów mamy i taty

Organizmy na Ziemi są niezwykle zróżnicowane – również w obrębie gatunków. Nawet potomstwo tych samych rodziców zwykle znacznie różni się między sobą. To zróżnicowanie ma swoje źródło w procesie rozmnażania płciowego, którego kluczowym elementem jest tworzenie komórek rozrodczych (to tzw. mejoza).

W materiale genetycznym zwierząt i roślin każdy gen występuje zwykle w dwóch kopiach: jedna kopia od matki, druga od ojca. Aby utworzyć gametę, trzeba ten materiał jakoś podzielić. Nie jest jednak tak, że geny ojca i matki po prostu grzecznie się rozdzielają i trafiają do różnych gamet. W procesie rekombinacji materiału genetycznego geny te są ze sobą tasowane – chromosomy od mamy i taty w dość przypadkowych miejscach zamieniają się fragmentami. W ten sposób do komórki rozrodczej trafia mieszanina wersji genów od każdego z rodziców, a poszczególne gamety różnią się między sobą.

Mała chęć do cięć

Liczba takich cięć w chromosomach i zamian materiału genetycznego jest jednak ograniczona. – U większości organizmów jeden chromosom jest cięty podczas mejozy średnio w 2-3 miejscach. A np. hodowcom roślin zależy na tym, by chromosomy były bardziej przetasowane – opowiada dr Ziółkowski. Wyjaśnia, że wtedy można by było uzyskać potomstwo o najbardziej pożądanych cechach. Np.: jeśli mamy odmianę dającą wysokie plony i drugą – odporną na choroby, to chcemy, żeby w kolejnych pokoleniach były obecne obie te cechy. A do tego może być potrzebnych więcej cięć podczas rekombinacji.

– Zidentyfikowaliśmy najważniejszy gen, który kontroluje częstość rekombinacji u roślin – to gen HEI10 – opowiada dr Ziółkowski. Badania przeprowadzono na roślinie modelowej – Arabidopsis, ale okazuje się, że ten sam gen obecny jest też u zwierząt czy człowieka – choć pełni trochę inną funkcję.

– Uzyskałem transgeniczne rośliny, które posiadają dodatkowe kopie tego genu. W ten sposób zwiększyłem produkcję kodowanego przez nie białka. Białko HEI10 stymuluje rekombinację w mejozie. W rezultacie otrzymaliśmy dwu- czy też trzykrotnie wyższą częstość rekombinacji – opowiada naukowiec.

Gramy w zielone

Aby naocznie przekonać się, jak bardzo gen HEI10 może wpłynąć na różnorodność potomstwa, badacze wyprowadzili transgeniczne linie Arabidopsis. Na jednym chromosomie, w niewielkiej odległości od siebie umieszczono tam dwa geny, które produkują białka fluorescencyjne. Jeden gen sprawia, że nasiona oświetlone światłem fluorescencyjnym świecą na czerwono, a drugi – że na zielono. Linię tę krzyżuje się następie z dowolną linią Arabidopsis, dla której chcemy zbadać częstość rekombinacji. Jeśli podczas powstawania gamet dojdzie do przecięcia i wymiany chromosomów w odcinku pomiędzy dwoma genami fluorescencji, czyli do rekombinacji, powstają nasiona jednokolorowe: czerwone bądź zielone. Natomiast nasiona powstałe z niezrekombinowanych gamet są dwubarwne i w świetle fluorescencyjnym świecą na żółto bądź są zupełnie bezbarwne. Określając stosunek nasion jednokolorowych do wszystkich obserwowanych nasion możemy precyzyjnie obliczyć częstość rekombinacji.

Metodę tę zastosowano zarówno do naturalnych linii Arabidopsis, jak i do linii z dodatkowymi kopiami genu HEI10. I okazało się, że w tym drugim przypadku zbiór w ten sposób uzyskanych nasion był o wiele bardziej kolorowy w świetle fluorescencyjnym niż nasiona z roślin, które nie miały dodatkowego genu HEI10. Wśród nasion były nie tylko żółte i bezbarwne – jak rodzice – ale było też sporo nasion, które świeciły na czerwono, a także takich, które świeciły na zielono. A to oznaczało, że dzięki nadwyżkowemu HEI10 chromosomy były częściej przecinane gdzieś pomiędzy genem “zielonym” i genem “czerwonym”. Materiał genetyczny był więc dokładniej potasowany, a co za tym idzie – bardziej różnorodny.

– Nasze rozwiązanie zostało już zgłoszone w urzędzie patentowym – mówi Piotr Ziółkowski.

Naukowiec badania prowadził na Uniwersytecie Cambridge, gdzie był w ramach stypendium Mobilność Plus. Teraz badania nad kontrolą rekombinacji kontynuuje w Polsce.

Źródło: PAP Nauka w Polsce