Lepsze rośliny dzięki „skaczącym” fragmentom DNA
Rośliny o korzystnych dla człowieka cechach - np. odporne na suszę, choroby lub drastyczne zmiany temperatury - da się być może uzyskać dzięki badaniom nad "skaczącymi" fragmentami DNA. O tych niezwykłych częściach genomu, które prawdopodobnie pochodzą od wirusów, mówi PAP prof. Jerzy Paszkowski.
Prof. Paszkowski realizuje swoje badania "Ewolucyjna strategia dla hodowli roślin" na Uniwersytecie Cambridge w ramach Advanced Grants z Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych.
Nasze własne, oswojone wirusy
Tylko niewielka część genomu zwierząt czy roślin to geny - przepisy na białka, które tworzyć będą organizm. Naukowcy badając pozostałą część informacji genetycznej zwrócili uwagę na coś bardzo dziwnego: działanie wielu fragmentów DNA przywodzi na myśl wirusy, które mogły kiedyś - dawno w trakcie ewolucji - skolonizować genom nosicieli. "Takie >>oswojone<< wirusy stanowią u człowieka aż 45 proc. informacji genetycznej, a u kukurydzy - aż 90 proc." - mówi w rozmowie z PAP prof. Jerzy Paszkowski. Podkreśla jednak, że te fragmenty kodu genetycznego nie są już dla organizmu szkodliwe. Stały się przenoszoną na dalsze pokolenia częścią informacji genetycznej.
"Przez długi czas określano je jako DNA śmieciowe. Ale jeśli to byłby tylko śmieć, to organizm ma mechanizmy, które pozwoliłyby elementy te wyrzucić z genomu" - opowiada Paszkowski. Zaznacza, że rola tych fragmentów może mieć spore znaczenie w regulacji działania genów. Jeśli bowiem jakiś element położony jest blisko pewnego genu, może wpływać na to, z jaką intensywnością gen ten działa.
Easy riderzy
Badacz przyznaje, że fragmenty te to tacy "easy riderzy". Kiedy ich nosiciel ma dobre warunki do życia, pozostają w uśpieniu. Kiedy jednak dzieje się coś złego, mogą zacząć przeskakiwać z jednego miejsca DNA na inne. Dlatego też fragmenty te nazywa się elementami mobilnymi lub transpozonami. Transpozony przeskakując w nowe miejsce mogą zmienić działanie różnych genów, co czasem decydować może o przeżyciu organizmu i jego potomków. "Dzięki transpozonom może następować szybsza dywersyfikacja organizmów, które podlegają selekcji" - mówi biolog.
"Jest taki jeden transpozon, który wyżywia cały świat. W pewnym miejscu genomu kukurydzy znalazł się kiedyś pewien element mobilny, który zmienił regulację genu obok siebie. Dzięki temu kukurydza zaczęła wyglądać jak kukurydza. Bo ona wcześniej wyglądała jak trawa" - opowiedział badacz. Przyznał, że dzięki działaniu transpozonu zmieniła się architektura rośliny, m.in. kształt kolby i dostępność nasion. "Dawno temu Indianie wyselekcjonowali roślinę o takiej właśnie mutacji. I do tej pory selekcja kukurydzy jest prowadzona przez człowieka tak, by zachować tamtą mutację" - opowiada naukowiec.
Grzecznie obudzić śpiącego pasażera
Badacze z zespołu prof. Paszkowskiego prowadzą badania nad mechanizmami uśpienia tych mobilnych elementów. Chcą wymusić ruch na transpozonach w genomie pomidorów, kukurydzy i ryżu. Badacze liczą na to, że dzięki temu będzie można uzyskiwać rośliny o niespotykanych wcześniej cechach - m.in. odporne na suszę, na szybkie zmiany klimatyczne czy na zanieczyszczenia środowiska.
Jerzy Paszkowski przyznaje jednak, że ważne jest to, by wybudzać transpozony w sposób kontrolowany. "Bo jeśli na raz obudzi się 50 proc. genomu i zacznie się w chaotycznie przemieszczać, to nie ma szans, żeby organizm przeżył" - zaznacza naukowiec. Przyznaje, że wyniki badań są obiecujące. "Okazało się, że jesteśmy w stanie obudzić tylko małą grupkę tych transpozonów, a nie wszystkie jednocześnie. Tak, jak to się działo się w ewolucji" - mówi.
Objaśnia, że wymuszenie ruchu na transpozonach jest dość skomplikowane, bo organizm nosiciela nie chce dopuścić do tego, by elementy w jego DNA się przemieszczały. "Trzeba złamać dwa-trzy zamki, żeby uwolnić te transpozony. A każdy typ tych elementów mobilnych ma inny zestaw zamków, więc trzeba wiedzieć, które zamki otworzyć, żeby transpozon zaczął się poruszać" - opisuje prof. Paszkowski. Wyjaśnia, że wśród "kluczy", które otwierają te zamki, jest m.in. wysoka temperatura czy inne warunki stresowe występujące w środowisku. O ile jednak naukowcy wiedzą już, jak wprawić transpozony w ruch i jak ten proces zahamować, to nie można przewidzieć, w które miejsce w genomie mobilny fragment DNA wskoczy i do jakich zmian w organizmie doprowadzi.
Czerwone zielone pomidory
"Nawet jeśli nie będziemy mogli dokładnie przewidzieć, jakie rośliny wyhodujemy, to dzięki temu procesowi będziemy mogli wygenerować całe >>pole<< roślin, w których transpozony przemieściły się w nowe miejsce. To próba przyspieszenia ewolucji" - powiedział biolog. "Hodowcy dostaną od nas populację roślin, której nikt nigdy wcześniej nie miał" - zaznacza badacz. Przyznaje, że to już zadanie hodowców, by spośród tych nowych roślin wybrać te, których cechy będą najbardziej pożądane.
"Jeden jedyny egzemplarz rośliny wystarczy hodowcy, żeby stworzyć całą populację roślin" - mówi naukowiec i zwraca uwagę, że pomidory, które kupujemy w sklepach, nie smakują tak, jak smakowały pomidory jeszcze przed kilkudziesięciu laty. A wszystko to przez jedną mutację, która nie pozwala pomidorowi dojrzewać. "To, co kupuje się w sklepie, to zielony pomidor, wyglądający czerwono. On bardzo wolno dojrzewa, a przez to łatwiej go przechowywać. Pomidory o takich cechach - sprzedawane na całym świecie - uzyskano z jednego, jedynego krzaczka o takiej mutacji" - opowiada Paszkowski.
"Ewolucja jest niesamowicie nieprecyzyjna i rozrzutna. Generuje zmienność, a zmienność jest poddawana selekcji. Nasza metoda nie pozwoli na precyzyjne zaprojektowanie rośliny. Zwiększy jednak znaczne prawdopodobieństwo otrzymania rośliny, która mogłaby powstać w naturze, ale trzeba by było czekać setki tysięcy lat. My chcemy przyspieszyć te procesy, poznając mechanizmy występujące w naturze" - zaznacza.
Badacz precyzuje, że jego badaniami zainteresowane są już duże firmy nasienne w USA. “Ale na razie jesteśmy w fazie badań podstawowych, w fazie poznawania natury. Musimy się sporo jeszcze nauczyć, żeby procesy te wykorzystać w hodowli" - opowiada.
