Rośliny do walki z głodem

Według statystyk obecnie liczba ludzi na świecie przekracza 7,5 mld osób i każdego roku zwiększa się o kolejne 88 mln. Już teraz 11% całej naszej populacji cierpi z powodu głodu. Problem ten dotyka nie tylko ludność z miejsc objętych konfliktami zbrojnymi, ale również żyjącą w niesprzyjających warunkach środowiskowych, m.in. na terenach nawiedzanych przez susze czy powodzie. Niestety, wraz z ludźmi nie przybywa obszarów, na których można by uprawiać rośliny, co znacznie ogranicza wydajność rolnictwa. Co więcej, intensyfikacja produkcji żywności nie będzie łatwym zadaniem, skoro w ciągu 20 lat zaobserwowano jej jedynie procentowy wzrost. Aby wyżywić ludność w 2050 r., musielibyśmy wytwarzać aż o 70% więcej pożywienia. Dlatego już dziś naukowcy pracują nad roślinami nowej klasy, odpornymi na niedobór wody, wysokie temperatury czy szkodniki.

Odporne na suszę

Woda bez wątpienia jest substancją niezbędną do życia. Umożliwia przebieg wielu reakcji metabolicznych, a odwodnienie prowadzi do rychłej śmierci organizmu żywego. Ludzie czy zwierzęta znajdują się jednak w uprzywilejowanej sytuacji, bo mogą samodzielnie uzupełniać jej niedobory w organizmie. Z kolei rośliny uzależnione są od opadów lub sztucznego nawadniania. Dlatego natura zaopatrzyła je w specyficzne mechanizmy obronne. Na przykład zmartwychwstanki potrafią znieść utratę aż 90% wody. Są wtedy wysuszone, lecz nie martwe. W stanie takiej wegetacji mogą żyć miesiącami, a nawet latami. A potem wystarczy niewielka ilość wody i zmieniają się jak za dotknięciem czarodziejskiej różdżki. Odradzają im się zielone liście, łodygi i kwiaty. Niestety, podobnymi zdolnościami szczyci się jedynie 135 gatunków roślin.

Sprawdzono, co odpowiada za taką niesamowitą odporność na suszę. Zbadano DNA, białka, lipidy, enzymy i metabolity zmartwychwstanek. Okazało się, że mają one cały zestaw odpowiednich genów. Podobne występują w roślinach uprawnych, ale pozostają w uśpieniu. Ich aktywacja następuje jedynie w nasionach. Kiedy takie geny zostają wybudzone? Znaczenie mają tu konkretne związki chemiczne i specyficzne warunki środowiskowe. W wypadku zmartwychwstanek jest to susza.

Trwają poszukiwania sposobu na włączenie uśpionych genów w roślinach uprawnych, aby uczynić je odpornymi na niedostatek wody. Na razie udało się tylko aktywować u kukurydzy geny kodujące przeciwutleniacze, które walczą z nadmiarem wolnych rodników (ich ilość znacznie wzrasta w czasie suszy, co stopniowo wyniszcza roślinę). Okazało się, że zmodyfikowane okazy po 3 tyg. niedoboru wody były w o wiele lepszej kondycji niż te z genami uśpionymi. Jeśli badaczom uda się wyhodować wytrzymałe na suszę zboża, będzie to prawdziwa rewolucja, umożliwiająca ich uprawę nawet w najgorętszych środowiskach na Ziemi.

Specjalny mechanizm pozwalający oszczędzać wodę wykształcił się też u roślin typu CAM (ang. crassulacean acid metabolism). Należą tu gatunki rosnące w gorących środowiskach, np. ananas czy storczyki. Ich aparaty szparkowe, przez które przenika dwutlenek węgla potrzebny do fotosyntezy, otwierają się jedynie nocą. W ciągu dnia pozostają zamknięte, aby zapobiec parowaniu wody. Dzięki temu rośliny te potrzebują do życia znacznie mniej wody niż inne gatunki. Gdy zbadano DNA ananasa i storczyka, znaleziono 60 genów związanych ze specyficzną fotosyntezą, która może zachodzić w warunkach skrajnej suszy. Przy długotrwałym niedoborze wody aparaty szparkowe mogą pozostać zamknięte zarówno w dzień, jak i w nocy, a roślina korzysta z własnych zapasów dwutlenku węgla do prowadzenia fotosyntezy. Co ważne, gdy tylko w środowisku pojawi się woda, rośliny te wykazują zdolność do bardzo szybkiego wzrostu. Badacze chcą teraz wprowadzić geny odpowiedzialne za CAM do roślin uprawnych, takich jak soja czy ryż, aby i one przeprowadzały podobny proces. Wówczas mogłyby rosnąć nawet w suchym, nieprzyjaznym środowisku.

Odporny na zalanie ryż

Szacuje się, że ryż stanowi podstawę wyżywienia przynajmniej 1/3 ludności świata. Jego roczne plony wynoszą prawie 500 mln t, a liderem produkcji są Chiny. Niestety przez szkodniki i patogeny marnuje się ok. 40% zbiorów. Do tego dochodzą straty powstałe wskutek zmian klimatycznych, np. powodzi, nękających ok. 70 mln rolników uprawiających tę roślinę. Ryż może rosnąć w stojącej wodzie, ale w warunkach całkowitego zanurzenia większość odmian przetrwa jedynie trzy dni. Naukowcy zajęli się tym problemem i przyjrzeli się jego starożytnej odmianie (FR13A), uprawianej w Indiach, która ku ich zdumieniu doskonale radziła sobie nawet po 17 dniach zanurzenia w wodzie. Zaczęły się gorączkowe poszukiwania genu odpowiedzialnego za ten efekt. Odnaleziono go po latach badań. Był to gen Sub1. Gdy metodami inżynierii genetycznej wprowadzono Sub1 do tradycyjnej odmiany ryżu, po 18 dniach zanurzenia w wodzie miała się ona świetnie, podczas gdy odmiana niezmodyfikowana obumarła. Odporną odmianę z genem Sub1 udało się także wyprowadzić poprzez krzyżowanie odmian o pożądanych cechach, unikając tym samym bezpośrednich modyfikacji DNA. Ryż wyposażony w Sub1 wytwarza 3,5 raza więcej ziaren niż jego tradycyjny odpowiednik. Dzięki wsparciu fundacji Billa Gatesa 3,5 mln rolników miało szansę uprawiać tę „wodoodporną” odmianę powstałą drogą krzyżowania.

Gatunki walczące z wirusami

Rośliny, podobnie jak ludzie, zmagają się z infekcjami wirusowymi. Wtedy rolnicy muszą wyzbyć się wszystkich roślin i wyczyścić maszyny, które miały z nimi styczność. Nie pomogą tu ani antybiotyki, ani pestycydy. Dlatego planuje się stworzenie odpornych na wirusy szczepów dzięki wprowadzeniu zmian w strukturze roślinnego DNA.

Do namnażania wirusy często wykorzystują geny gospodarza, m.in. eIF4E, kodujący białko niezbędne podczas tworzenia kopii wirusa. Żeby nie pojawiało się ono w komórce, naukowcy dokonali zmian w sekwencji DNA manioku. Roślina rozwijała się prawidłowo, ale dodatkowo wzrosła jej odporność na tzw. wirus mozaiki kassawy, atakujący bulwy i ograniczający ich wzrost. Ochrona tej rośliny przed szkodnikami jest bardzo ważna, gdyż stanowi ona podstawę wyżywienia 2/3 ludności Afryki i Ameryki Południowej.

Innym mechanizmem obrony przed wirusem jest dezaktywacja jego cząsteczek RNA. Obecne w komórkach roślinnych białko Argonaute rozpoznaje obcy materiał genetyczny i tnie go na kawałki, co uniemożliwia powielanie się patogenu. Wykorzystując ten mechanizm, badacze uporali się z wirusem pierścieniowej infekcji papai, który spowodował w latach 50. milionowe straty na Hawajach. Spalono wtedy wszystkie chore lub podejrzane o nosicielstwo wirusa papaje. To wymusiło prace nad uzyskaniem odpornych odmian. Udało się je wytworzyć dzięki wprowadzeniu do komórek rośliny jednego z genów wirusa, a w konsekwencji pojawiły się w niej również cząsteczki jego RNA. Papaja, podobnie jak po zastosowaniu szczepionki, wykształciła w sobie odporność na patogen, gdyż nauczyła się rozpoznawać i ciąć jego RNA.

Korzeniowy mikrobiom

Ale nie tylko wirusy odgrywają w życiu roślin niebagatelną rolę. Równie ważne są bakterie, obecne na liściach czy korzeniach, a nawet w tkankach. Choć wiadomo, że regulują one szereg procesów życiowych, to rola roślinnego mikrobiomu dopiero niedawno wzbudziła szczególne zainteresowanie badaczy. Być może z wykorzystaniem odpowiednich ich szczepów uda się stworzyć odporne i wydajne odmiany roślin bez wykorzystywania technik inżynierii genetycznej i manipulacji w DNA.

Korzenie roślin bytują w jednym z najbogatszych rezerwuarów bakteryjnych na świecie – glebie. W zaledwie 1 jej gramie żyją tysiące gatunków tych mikroorganizmów. Okazuje się, że na skład korzeniowego mikrobiomu w największym stopniu wpływają właściwości samej gleby. Podobnie jak w przypadku bakterii jelitowych u ludzi, bakterie korzeniowe roślin mają bezpośredni kontakt z pobieranymi przez nie z gleby substancjami. Co więcej, zaburzenia w składzie ilościowym oraz gatunkowym mikrobiomu grożą roślinom srogimi konsekwencjami – mogą stać się bezpośrednią przyczyną występowania chorób.

Naukowcy próbują wykorzystać zachodzące między roślinami i bakteriami interakcje, aby zwiększyć plony i umożliwić efektywną uprawę roślin w warunkach znacznego niedoboru wody. Przez 16 tyg. hodowali rośliny w warunkach odpowiadających suszy i normalnemu nawadnianiu. Następnie dokonali analizy mikrobiomu z podziałem na dwie strefy: endosferę (mikroby żyjące w korzeniach) i rizosferę (mikroby żyjące w glebie otaczającej korzenie). Okazało się, że warunki uprawy wpływają na obecność 30 gatunków bakterii. Najbardziej istotne są mikroby z rodziny Actinobacteria, które ułatwiły roślinom przetrwanie okresu suszy. Naukowcy mają nadzieję, że wzbogacanie gleby w szczepy tych bakterii nie tylko pozwoli roślinom przeżyć długotrwały niedobór wody, ale i zwiększy plony oraz ograniczy występowanie chorób. Taka naturalna ochrona wydaje się kuszącą perspektywą.

Złoty ryż

Z danych opublikowanych przez Światową Organizację Zdrowia wynika, że aż 250 mln dzieci cierpi z powodu niedoboru witaminy A. Większość z nich zamieszkuje ubogie rejony krajów rozwijających się. Niewystarczająca ilość witaminy A w diecie powoduje tzw. ślepotę zmierzchową. Choroba ta powstaje na skutek upośledzenia czynności komórek znajdujących się w siatkówce oka (pręcików), a cierpiące na nią osoby mają problemy z widzeniem w warunkach słabego oświetlenia. Na dodatek u chorych często dochodzi do spadku odporności, który może nawet doprowadzić do śmierci. Naukowcy z Johns Hopkins University ustalili, że zwiększenie zawartości witaminy A w diecie może zmniejszyć liczbę zgonów wśród niemowląt i dzieci w wieku przedszkolnym o 1,2–1,3 mln przypadków rocznie. W tym celu wyhodowali złoty ryż, którego nazwa nawiązuje do koloru pozbawionych łupiny ziaren. Uzyskane przez badaczy rośliny wytwarzały b-karoten, który w naszym organizmie przekształca się w witaminę A. Odmiana powstała na drodze inżynierii genetycznej – do szczepu wyjściowego wprowadzono trzy geny odpowiedzialne za syntezę b-karotenu wyizolowane z DNA żonkila. Miska ugotowanego ryżu zaspokaja ok. 60% dziennego zapotrzebowania na witaminę A u dzieci.

Koń trojański

Ogromnym wyzwaniem rolnictwa w nadchodzących latach będzie wyżywienie ciągle wzrastającej populacji bez niszczenia środowiska naturalnego. Aby ograniczyć straty w plonach spowodowane przez szkodniki, tworzy się odmiany odporne. Jest to szczególnie istotne z tego względu, że większość środków ochrony roślin (insektycydów) szkodzi ludziom. Dobrym rozwiązaniem okazało się zastosowanie tzw. insektycydów Bt opartych na białkach izolowanych z bakterii Bacillus thuringiensis, bytującej w glebie i przewodzie pokarmowym larw motyli. Białka te są niezwykle toksyczne dla larw owadów i całkowicie bezpieczne dla ludzi i innych zwierząt, w tym ryb i ptaków. Szacuje się, że są nawet mniej szkodliwe niż sól kuchenna. Jednak terapia Bt jest stosunkowo droga i niedostępna dla ludności zamieszkującej ubogie rejony globu. Dlatego naukowcy postanowili pójść krok dalej i stworzyć rośliny, których nie trzeba będzie opryskiwać mieszanką Bt, bo cenne białka będą przez nie produkowane. Gen kodujący szkodliwe dla owadów białka z rodziny Cry wycina się metodami inżynierii genetycznej z DNA bakterii i wprowadza do DNA rośliny. Nieświadome owady, żerując na takich okazach, pochłaniają konia trojańskiego w postaci białka Cry, które w ich jelitach przekształca się w formę aktywną. Nabłonek jelit zostaje uszkodzony, a owad umiera, bo nie jest w stanie przyswoić składników pokarmowych. W ten sposób powstała odmiana kukurydzy Bt MON810 odporna na niektóre gatunki owadów i ich larwy (szkodnikami są np. larwy stonek kukurydzianych), ale i odmiany bawełny, ziemniaków i pomidorów.

***

Rośliny u lekarza

Każdego roku owady, bakterie i wirusy przyczyniają się do gwałtownego spadku uzyskiwanych przez rolników plonów. Dlatego w Kenii można spotkać się z nietypowym gabinetem lekarskim. Pacjentami nie są tu ludzie, lecz rośliny. Doskonale wyszkoleni fachowcy precyzyjnie diagnozują chorobę i doradzają rolnikom, jak z nią walczyć. Diagnoza jest stawiana na podstawie oględzin przyniesionych próbek i wywiadu. Obecnie w Kenii znajduje się 89 takich klinik. Co ciekawe, również w Polsce można podjąć studia na kierunku medycyna roślin, aby w przyszłości pomagać np. rolnikom.

***

Recepta na superroślinę

Co ciekawe, przy tworzeniu nowych superroślin naukowcy wykorzystują urządzenia stosowane w diagnostyce chorób… ludzi. Dzięki nim mogą zbadać, co dokładnie dzieje się z zaatakowanymi osobnikami, by wyhodować odmiany odporne na szkodniki. Jedną z technik jest pozytonowa tomografia emisyjna (PET), dzięki której po zastosowaniu odpowiednich znaczników można śledzić ruch hormonów w obrębie rośliny. I tak zbadano efekty inwazji stonki kukurydzianej, której larwy uszkadzają korzenie, co ułatwia wnikanie patogenów i zaburza pobieranie wody oraz substancji odżywczych. W podobny sposób zobrazowano ruch kwasu jasmonowego w liściach tytoniu. Dzięki PET ustalono, jak szybko przemieszcza się on po tkankach roślinnych, stanowiąc sygnał do uruchomienia mechanizmów obronnych. Naukowcy mają nadzieję, że otrzymane wyniki przyczynią się do wyhodowania odmian kukurydzy odpornych na działanie szkodnika. Opracowana technika pozwoli też zidentyfikować substancje pomocne w odparciu ataku.

***

Apetyt dobroczynka

Równocześnie z produkcją nowych odmian roślin naukowcy pracują nad alternatywnymi sposobami ich ochrony, tak by nie szkodzić przy okazji ani środowisku naturalnemu, ani ludziom. Taką metodą jest kontrola biologiczna upraw. Należące do roztoczy dobroczynki szklarniowe likwidują inne roztocze zwane przędziorkami chmielowcami, które są szkodnikami wielu gatunków roślin (atakują ich aż 100, w tym fasolę, paprykę, truskawki i ogórki). Ponieważ przędziorki wysysają soki z roślin, po pewnym czasie na zajętych liściach pojawiają się żółte plamy, a w końcu usychają i liście, i cała roślina. Na szczęście mamy dla nich godnego przeciwnika. Dobroczynek ze swoim olbrzymim apetytem (wysysa zawartość ciała ofiary) likwiduje w ciągu doby pięć dorosłych przędziorków i ok. 20 jaj. Warto też wspomnieć o jego efektywności. 1 g roztoczy, czyli ok. 80 tys. osobników, może chronić 0,4 ha upraw przez cały rok. W Izraelu zredukowano w ten sposób o 75% ilość pestycydów stosowanych w hodowli papryki i aż o 80% w uprawie truskawek. Nowej klasy superroślin nie da się metodami inżynierii genetycznej uodpornić na wszystkie szkodniki, dlatego wykorzystanie dobroczynka i jemu podobnych pomoże bezpiecznie chronić rośliny i w konsekwencji jeszcze bardziej zwiększyć uzyskiwane plony.