Plony soi można zwiększyć o jedną trzecią

Rośliny żyją i rosną dzięki promieniowaniu słonecznemu. Ale jego nadmiar jest dla niech niebezpieczny: może spowodować uszkodzenia liści. Dlatego ewolucja wyposażyła rośliny w mechanizm ochronny: kiedy natężenie światła jest zbyt duże, przekształcają je w ciepło uwalniane do otoczenia (fachowo nazywa się to niefotochemicznym gaszeniem energii – non-photochemical quenching, NPQ).

Jego działanie można porównać go do zakładania i zdejmowania przez człowieka okularów przeciwsłonecznych. Tyle że roślinom ich zdjęcie – gdy nie są już potrzebne, bo np. na niebie pojawią się chmury – zajmuje znacznie więcej czasu niż ich założenie. Nie dość więc, że wówczas przez zachmurzone niebo dociera do nich mniej światła, to nadal mają włączoną ochronę przed słońcem, która marnuje ich energię. Skutkiem jest spadek wydajności fotosyntezy, czyli procesu wykorzystującego światło do przekształcania dwutlenku węgla i wody w związki organiczne. Z szacunków naukowców wynikało, że w ciągu dnia straty w produktywności roślin spowodowane zbyt powolnym „wyłączaniem” NPQ mogą sięgać nawet 30 proc.

W 2016 r. grupa naukowców pracujących w USA, a wśród których znajdowała się Polka dr hab. Katarzyna Głowacka, postanowiła spróbować zaradzić temu problemowi. Badaczom udało się zidentyfikować trzy kluczowe geny odpowiedzialne za produkcję białek regulujących NPQ, a szczególnie za jego wyłączanie. Następnie metodami inżynierii genetycznej dołożyli dodatkowe kopie owych genów (uzyskane z rzodkiewnika pospolitego) tytoniowi. Dzięki temu w jego liściach powstawało więcej kluczowych białek związanych z procesem NPQ. Testy zmodyfikowanego tytoniu w szklarni i na poletkach doświadczalnych wykazały, że urósł on aż o 14–20 proc. bardziej w porównaniu ze zwykłym. Miał większe liście, łodygi i korzenie. Świat naukowy uznał to osiągnięcie za na tyle ważne, że trafiło ono na okładkę prestiżowego tygodnika „Science”.

Teraz zaś to samo czasopismo informuje o kolejnym wielkim sukcesie modyfikacji mechanizmu NPQ, ale już nie w doświadczalnym tytoniu, tylko w jednej z najważniejszych roślin uprawnych świata – soi, która m.in. stanowi podstawowe źródło białka w paszach dla zwierząt gospodarskich. Grupa naukowców z kilku amerykańskich uniwersytetów dokonała tej samej modyfikacji kilku genów związanych z NPQ. Dzięki temu plony na poletkach doświadczalnych rosły nawet o 33 proc., przy czym pod względem zawartości białka i tłuszczu nic się w soi nie zmieniło.

Jeśli tak zmodyfikowana roślina trafi do rolników, to będą mieli oni szanse na uzyskanie plonów wyższych nawet o jedną trzecią. A ponieważ mechanizm NPQ jest uniwersalny w świecie roślin, są spore szanse uzyskania podobnych efektów u innych gatunków, m.in. ryżu.

***

Kiedy w 2016 r. na okładce „Science” ukazała się praca o modyfikacji NPQ w tytoniu, przeprowadziliśmy wywiad z dr hab. Katarzyną Głowacką. Ponieważ rozmowa ta w dużym stopniu pozostaje aktualna, postanowiliśmy ją przypomnieć.

Bardzo rzadko zdarza się, że współautorem odkrycia reklamowanego na okładce „Science” jest polski naukowiec. W dodatku figuruje pani jako jeden z dwóch głównych autorów.
Pod tą publikacją podpisanych jest w sumie siedem osób, ale ja i mój przyjaciel Johannes Kromdijka występujemy jako jej równorzędni pierwsi autorzy.

W takim razie musiała pani wykonać sporo pracy w tym projekcie.
Z pominięciem etapu tworzenia tzw. plazmidu, czyli kolistej cząsteczki DNA użytej do przeniesienia genów z rzodkiewnika do tytoniu, byłam w większym lub mniejszym stopniu odpowiedzialna za wszystkie etapy związane z badaniami i przygotowywaniem publikacji dla „Science”. M.in. za modyfikację genetyczną tytoniu i wyselekcjonowanie tych roślin, u których się ona powiodła. Sprawdzałam też, jak sprawnie działa w nich mechanizm ochrony przed zbyt dużym natężeniem światła, tj. NPQ. Brałam również udział w zaprojektowaniu i przeprowadzeniu doświadczeń w szklarni i na poletkach doświadczalnych oraz analizie uzyskanych danych.

Mechanizm NPQ jest uniwersalny wśród roślin. Czy możliwe byłoby zatem jego usprawnienie inną metodą niż poprzez przenoszenie genów pomiędzy różnymi gatunkami, w tym wypadku rzodkiewnikiem i tytoniem?
Tak. Podobny efekt można uzyskać np. dzięki zwiększeniu ekspresji własnych genów danej rośliny, kodujących białka kluczowe dla sprawnego działania NPQ.

Jak można to zrobić?
Dysponujemy świetnymi nowymi narzędziami ułatwiającymi edycję DNA, np. techniką CRISPS/Cas9, o której od niedawna jest głośno.

Wasz tytoń z usprawnioną fotosyntezą urósł większy w porównaniu z niezmodyfikowanym. Czy w przypadku ryżu, ziemniaków lub kukurydzy możemy spodziewać się plonów wyższych nawet o 20 proc.?
Tak. Zaobserwowaliśmy, że każda część tytoniu, którą zebraliśmy, była większa – liście, łodygi i korzenie. Mimo że roślina ta na przestrzeni wieków i tak była już hodowana pod kątem uzyskania odmian o dużych liściach. Trzeba pamiętać, że użyta przez nas odmiana tytoniu ma wyjątkowo krótki okres wegetacji w warunkach klimatycznych stanu Illinois – zaledwie około pięciu tygodni. Większość roślin uprawnych znacznie dłużej pozostaje na polu, dlatego nasza modyfikacja może przynieść nawet większy wzrost plonów niż te 20 proc.

Mimo że naukowcy zgodni są co do tego, że uzyskiwanie nowych odmian roślin za pomocą metod inżynierii genetycznej jest bezpieczne, co potwierdzają również doświadczenia komercyjnych upraw GMO na świecie w ciągu ostatnich 20 lat, Europa cały czas patrzy z niechęcią na rolniczą biotechnologię. Czy ma to wpływ na badania naukowe? Innymi słowy: czy w USA jest pani łatwiej pracować niż w Polsce lub innym europejskim kraju?
Na pewno w Stanach Zjednoczonych łatwiej jest przeprowadzić doświadczenia z roślinami GMO w warunkach polowych. Choć też obowiązuje sporo regulacji, to jednak możemy liczyć na uzyskanie zezwolenia.

A jak pani ocenia ten równie silny, co irracjonalny lęk Europy przed GMO?
W 2050 r. będziemy musieli wyżywić ok. 10 mld ludzi. Jeśli zachowamy tę samą powierzchnię gruntów rolnych, a rośliny będą dawać takie same plony jak w ostatniej dekadzie, to jedzenia nie starczy dla wszystkich. Będzie go za mało aż o ok. 60 proc. A średni czas potrzebny na wprowadzenie do upraw nowej odmiany to 15–20 lat. Jeśli więc nie zaczniemy działać, i to szybko, w kwestii uzyskiwania nowych wydajnych odmian, wkrótce może być za późno. Dlatego nie tylko powinniśmy nie wstrzymywać prac nad GMO, ale wręcz je przyspieszyć. Nawet jeśli na razie nie zamierzamy korzystać z takich roślin.

Czy badania takie jak te prowadzone przez panią mogą pomóc zmienić nastawienie opinii publicznej do roślin GMO?
Mam nadzieję, że tak. Potrzebujemy pozytywnych przykładów, takich jak np. odporny na szkodniki bakłażan GMO, który od niedawna z sukcesem uprawiają rolnicy w Bangladeszu.

Dziś dr Głowacka kieruje własnym laboratorium biochemicznym w University Of Nebraska–Lincoln.