Niektóre rośliny mogą przetrwać miesiące bez wody, tylko po to, by po krótkiej ulewie znów się zazielenić. Niedawne badanie przeprowadzone na uniwersytetach w Bonn i Michigan pokazuje, że nie jest to spowodowane „cudownym genem”. Ta zdolność jest raczej konsekwencją całej sieci genów, z których prawie wszystkie są obecne również w bardziej wrażliwych odmianach. Wyniki pojawiły się już w Internecie w Dziennik Roślin.
W swoich badaniach naukowcy przyjrzeli się bliżej gatunkowi, który od dawna był badany na Uniwersytecie w Bonn — zmartwychwstającej roślinie Craterostigma plantagineum. Nosi swoją nazwę całkiem słusznie: w czasie suszy można by pomyśleć, że jest martwa. Ale nawet po miesiącach suszy wystarczy trochę wody, aby je ożywić. „W naszym instytucie od wielu lat badamy, jak roślina to robi” – wyjaśnia prof. dr Dorothea Bartels z Instytutu Fizjologii Molekularnej i Biotechnologii Roślin (IMBIO) Uniwersytetu w Bonn.
Jej zainteresowania to m geny które są odpowiedzialne za tolerancję na suszę. Stawało się coraz bardziej jasne, że ta zdolność nie jest wynikiem pojedynczego „cudownego genu”. Zamiast tego zaangażowanych jest wiele genów, z których większość znajduje się również u gatunków, które nie radzą sobie tak dobrze z suszą.
Roślina ma osiem kopii każdego chromosomu
W bieżącym badaniu zespół Bartela wraz z naukowcami z University of Michigan (USA) przeanalizował cały genom Craterostigma plantagineum. Jest to dość skomplikowane: podczas gdy większość zwierząt ma dwie kopie każdego chromosomu – jedną od matki, drugą od ojca – Craterostigma ma osiem. Taki „ośmiokrotny” genom nazywany jest również oktoploidem. Natomiast my, ludzie, jesteśmy diploidami.
„Takie zwielokrotnienie informacji genetycznej można zaobserwować u wielu Rośliny które wyewoluowały pod ekstremalne warunki– mówi Bartels. Ale dlaczego tak jest? Prawdopodobny powód: jeśli gen występuje w ośmiu kopiach zamiast w dwóch, można go w zasadzie odczytać cztery razy szybciej. Genom oktoploidalny może zatem umożliwić bardzo szybką produkcję dużych ilości wymaganego białka. Zdolność ta wydaje się być również istotna dla rozwoju tolerancja na suszę.
U Craterostigmy niektóre geny związane z większą tolerancją na suszę są jeszcze bardziej replikowane. Należą do nich tak zwane ELIP – akronim oznacza „białka indukowalne światłem wczesnym”, ponieważ są one szybko włączane przez światło i chronią przed stresem oksydacyjnym. Występują w dużej liczbie kopii u wszystkich gatunków odpornych na suszę.
„Craterostigma ma blisko 200 genów ELIP, które są prawie identyczne i znajdują się w dużych skupiskach po dziesięć lub dwadzieścia kopii na różnych chromosomach” – wyjaśnia Bartels. Rośliny odporne na suszę mogą zatem prawdopodobnie czerpać z rozległej sieci genów, które mogą szybko regulować w górę w przypadku suszy.
Gatunki wrażliwe na suszę zwykle mają te same geny – choć w mniejszej liczbie kopii. To również nie jest zaskakujące: nasiona i pyłki większości roślin często są zdolne do kiełkowania nawet po długich okresach bez wody. Mają więc też program genetyczny chroniący przed suszą. „Jednak ten program jest zwykle wyłączany podczas kiełkowania i nie można go później ponownie aktywować” – wyjaśnia botanik. „W przeciwieństwie do roślin zmartwychwstania pozostaje aktywny”.
Większość gatunków „może” tolerować suszę
Zatem tolerancja na suszę jest czymś, co zdecydowana większość roślin „może zrobić”. Geny nadające tę zdolność prawdopodobnie pojawiły się na bardzo wczesnym etapie ewolucji. Sieci te są jednak bardziej wydajne w przypadku gatunków odpornych na suszę, a ponadto nie są aktywne tylko na pewnych etapach cyklu życiowego.
To powiedziawszy, nie każda komórka w Craterostigma plantagineum ma ten sam „program suszy”. Wykazali to naukowcy z Uniwersytetu w Düsseldorfie, którzy również brali udział w badaniu. Na przykład inne geny sieci suszy są aktywne w korzeniach podczas wysychania niż w liściach. To odkrycie nie jest nieoczekiwane: na przykład liście muszą chronić się przed szkodliwym działaniem słońca. Pomagają im w tym na przykład ELIP-y. Przy wystarczającej wilgotności roślina tworzy pigmenty fotosyntetyczne, które przynajmniej częściowo pochłaniają promieniowanie. Ta naturalna ochrona w dużej mierze zawodzi podczas suszy. Korzenie natomiast nie muszą martwić się oparzeniami słonecznymi.
Badanie poprawia zrozumienie, dlaczego niektórzy gatunek tak mało cierpią z powodu suszy. W dłuższej perspektywie może więc przyczynić się do hodowli roślin takich jak pszenica czy kukurydza, które lepiej sobie radzą susza. W dobie zmian klimatycznych prawdopodobnie w przyszłości będzie na nie większe zapotrzebowanie niż kiedykolwiek.