Kukurydza, ryż, pszenica, trzcina cukrowa – rodzina traw obejmuje wiele gatunków, które są ważnym źródłem pożywienia dla ludzi i były hodowane i uprawiane od tysiącleci. Również zwierzęta dzikie i hodowlane są w dużym stopniu uzależnione od traw jako paszy: krowy, owce, konie, a także żubry, jelenie i zebry żywią się głównie trawą. Prawie 70 procent obszaru rolnego Szwajcarii to użytki zielone.

Naturalny mechanizm komplikujący hodowlę

Hodowla traw jest jednak z natury trudna. Podobnie jak wiele innych roślin kwitnących, trawy wykształciły mechanizm, który zapobiega chowowi wsobnemu po samozapyleniu. Eksperci nazywają ten mechanizm „samoniezgodnością”. Zapewnia to, że żaden pyłek z samej rośliny lub z blisko spokrewnionych osobników nie może rosnąć w kierunku zalążni i zapłodnić komórki jajowej. Zapobiega to chowowi wsobnemu ze wszystkimi jego konsekwencjami.

W przypadku hodowli roślin samoniezgodność może być wadą. Nie tylko komplikuje rozwój linii homozygotycznych, ale może również wpływać na zapylanie dwóch blisko spokrewnionych osobników. Utrudnia to osiągnięcie postępu hodowlanego dla pożądanych cech roślin poprzez krzyżowanie. Aby móc wykorzystywać różne strategie hodowli roślin, niezbędna jest dokładna wiedza na temat samoniezgodności.

Po raz pierwszy rozszyfrowano geny samoniezgodności w trawach

Jednak niewiele wiadomo na temat składu genetycznego samoniezgodności traw. W latach sześćdziesiątych badacze zajmujący się roślinami odkryli, że samoniezgodność jest kontrolowana przez dwa oddzielne regiony genomu (loci). Ale za pomocą dostępnych wówczas metod naukowcy nie byli w stanie określić, które geny są faktycznie zaangażowane.

Teraz po raz pierwszy badaczom pod kierunkiem Bruno Studera, profesora molekularnej hodowli roślin, udało się zidentyfikować geny odpowiedzialne za samoniezgodność i określić ich sekwencję kwasów nukleinowych. Zrobili to na życicy trwałej (Lolium perenne L.), jednym z najważniejszych gatunków traw pastewnych i darniowych na świecie.

Studer poświęcił temu tematowi ponad 15 lat wraz ze współpracownikami z Danii, Walii i USA. W 2006 roku odkrył geny, które zmniejszają plon nasion traw pastewnych. Szukał czegoś przeciwnego: genów zwiększających plon nasion. Okazało się, że geny, które zidentyfikował później, odgrywają rolę w samoniezgodności. W 2017 roku Studer i jego zespół zawęzili dwa loci do kilku potencjalnych genów kandydujących. Teraz dostarczyli dokładny opis trzech genów, które skutecznie tworzą loci i kontrolują samoniezgodność.

„Ten przełom był możliwy dzięki postępowi technologicznemu w analizie genomu. Dopiero w ostatnich latach umożliwiły one skuteczne sekwencjonowanie całego genomu pojedynczego organizmu” – mówi.

Odkrycia te otwierają nowe możliwości hodowlane nie tylko dla traw pastewnych, ale także dla ważnych, samozapylających się roślin trawiastych przeznaczonych do spożycia przez ludzi, takich jak ryż czy jęczmień. Jeśli znane są geny samoniezgodności, można nimi manipulować w określony sposób. Wyłączenie ich umożliwia rozwój linii wsobnych. Innym podejściem jest wstawienie genów do genomu traw, które utraciły samozgodność, aby wyhodować zróżnicowane genetycznie populacje. Dla Studera jedno jest pewne: „Znajomość tych genów dała nam ważną podstawę do kontrolowania tego mechanizmu i wykorzystania go do rozmnażania”.

Wzajemne oddziaływanie dwóch odległych loci

Zasadniczo samoniezgodność opiera się na wzajemnym oddziaływaniu dwóch loci – locus S i locus Z – które znajdują się na różnych chromosomach.

Geny są planem dla trzech różnych białek, które tworzą rodzaj mechanizmu zamka i klucza, który rozpoznaje, czy pyłek, który wylądował na znamieniu, jest genetycznie podobny, czy niepowiązany. Wywołuje to sygnał, że albo przerywa proces zapłodnienia, albo kontynuuje go do końca.

Studer i jego zespół badają obecnie struktury tych białek i ich interakcje w celu odróżnienia obcego pyłku od własnego pyłku rośliny. W tym celu wykorzystują specjalne metody sztucznej inteligencji do modelowania struktury odpowiednich białek w oparciu o sekwencję genów, wraz z modelami przewidującymi interakcje między tymi cząsteczkami.

Unikalny mechanizm samoniezgodności w ewolucji roślin

Ponadto naukowcy zbadali, w jaki sposób samoniezgodność oparta na dwóch loci mogła wyewoluować w rodzinie traw, ponieważ wszystkie inne mechanizmy znane z innych rodzin roślin opierają się tylko na jednym locus. Jest prawdopodobne, że w ewolucyjnej historii traw locus Z początkowo się duplikowało, a następnie kopia przechodziła liczne mutacje, prowadzące do dywersyfikacji.

„Zsekwencjonowaliśmy teraz dwa loci w bardzo wielu roślinach trawiastych. Odkryliśmy, że locus S ma tendencję do mniejszej zmienności sekwencji i wciąż się różnicuje, podczas gdy locus Z nie zmienia się tak bardzo. Na tej podstawie wnioskujemy, że locus Z może być starsze pod względem ewolucyjnym” – wyjaśnia Studer.

Śledząc filogenezę traw, naukowcy dowiedzieli się również, kiedy nastąpiła duplikacja locus i kiedy gatunki oddzieliły się od siebie. Co więcej, drzewo filogenetyczne ujawniło, które trawy nie uległy duplikacji locus, a które gatunki utraciły samozgodność, na przykład w wyniku mutacji.

Ale jaka jest ewolucyjna korzyść z samoniezgodności opartej na dwóch loci? „Na pierwszy rzut oka zakładamy, że umożliwiło to roślinom z rodziny trawiastych znacznie większe możliwości i elastyczność w rozpoznawaniu własnego pyłku” — mówi Studer. Mogło to być ważne dla rodziny traw, której 16 000 gatunków występuje na wszystkich kontynentach, co czyni ją jedną z największych i odnoszących największe sukcesy rodzin roślin.