Postęp biologiczny MRiRW

dr inż. Magdalena Wójcik-Jagła

W związku z coraz bardziej zauważalnym ocieplaniem się klimatu na świecie mogłoby się wydawać, że problem zimotrwałości i różnych jej elementów będzie tracił na znaczeniu. Jest to jednak błędne wyobrażenie – prawdopodobnie zmienią się jedynie najistotniejsze elementy zimotrwałości w danym rejonie. W strefie klimatycznej, do której należy Polska o przezimowaniu roślin decyduje przeważnie mrozoodporność i to na tej cesze koncentrowały się badania. Dlatego można znaleźć wiele publikacji na ten temat, znane są niektóre geny związane z mrozoodpornością u wielu gatunków i mechanizmy wpływające na ekspresję tej cechy. O odporności na rozhartowywanie natomiast niewiele wiadomo, a dotychczas prowadzone badania dotyczyły głównie roślin drzewiastych. Właściwie wyróżnia się dwa typy rozhartowywania, o potencjalnie odmiennym podłożu genetycznym i fizjologicznym: 1) „Bierne” rozhartowywanie niezależne od warunków środowiskowych – najwyższy poziom mrozoodporności występuje u większości roślin w środku zimy i od tej pory mrozoodporność stopniowo maleje. Może mieć to związek z rozpoczęciem rozwoju generatywnego lub ze zużywaniem się substancji zapasowych zgromadzonych przez rośliny przed zimą. 2) „Aktywne” rozhartowywanie – rośliny rozhartowują się w wyniku wyższych temperatur, np. podczas okresów ocieplenia w zimie.

Dzięki niniejszemu projektowi zostanie uzyskanie charakterystyki reakcji na aktywne rozhartowywanie u 600 rodów/odmian jęczmienia ozimego oraz 600 rodów/odmian pszenicy ozimej. Określone zostaną mechanizmy fizjologiczne tolerancji i wrażliwości na aktywne rozhartowanie. Przeprowadzone zostanie również porównanie, czy cechy tolerancji rozhartowywania aktywnego (w trakcie zimy) i biernego (tolerancja przymrozków wiosennych) są ze sobą powiązane fenotypowo, a w przypadku jęczmienia również czy mają one podobne podłoże genetyczne.

W związku z przesłankami o  związku tolerancji rozhartowywania z aktywnością antyoksydacyjną uzyskana zostanie charakterystyka aktywności antyoksydacyjnej w odpowiedzi na rozhartowywanie u 10 najbardziej wrażliwych i 10 najbardziej tolerancyjnych rodów/odmian pszenicy i jęczmienia oraz opracowany zostanie prosty test diagnostyczny pozwalający na badanie aktywności antyoksydacyjnej siewek w celu określenia stopnia tolerancji rozhartowywania. W wyniku realizacji projektu zostaną również zidentyfikowane geny kandydujące potencjalnie związane z reakcją na aktywne rozhartowywanie u pszenicy. Otrzymane zostaną również markery tolerancji aktywnego rozhartowywania dla każdego badanego gatunku.

Cel badań:

Dotychczas prace hodowlane w kierunku tolerancji rozhartowywania nie były w Polsce prowadzone. Pewna selekcja w tym kierunku następowała, jeśli przyjmiemy, że zjawiska rozhartowywania miały wpływ na zimowanie, czy plon (przymrozki wiosenne). Zróżnicowanie polskich zaawansowanych linii hodowlanych pszenicy i jęczmienia pod względem tej cechy jest (pszenica, patrz Rapacz i in. 2017) lub może być (jęczmień) podobne jak w przypadku cechy mrozoodporności. Dlatego pierwszym celem projektu jest zbadanie zróżnicowania pod względem tolerancji aktywnego rozhartowywania u różnych rodów i odmian pszenicy ozimej. Ponadto, mimo, że posiadamy dane o zróżnicowaniu kilkudziesięciu Europejskich odmian oraz polskich linii hodowlanych (39 linii pochodzących z Hodowli Danko sp. z o.o.) jęczmienia ozimego, w ramach projektu planujemy rozszerzenie wiedzy na temat zróżnicowania pod względem tej cechy o dane dotyczące zaawansowanych rodów hodowlanych i odmian pochodzących z różnych polskich spółek hodowlanych. Dodatkowo planujemy ocenę tolerancji biernego rozhartowywania (odporności na wiosenne przymrozki) u części tych samych rodów i odmian pszenicy oraz jęczmienia w celu sprawdzenia, czy cecha ta rzeczywiście nie pokrywa się z tolerancją aktywnego rozhartowywania. Dane uzyskane w ten sposób pozwolą również na zrealizowanie drugiego celu, jakim jest określenie fizjologicznych podstaw tolerancji na rozhartowywanie u jęczmienia i pszenicy.

Zakładamy, że u jęczmienia istnieje zależność pomiędzy niską aktywnością antyoksydacyjną po wzroście temperatury (aktywnym rozhartowaniu), a wysoką tolerancją rozhartowywania oraz, że podobna zależność może występować również u pszenicy. W związku z tym, trzecim celem planowanych badań jest dokładne zbadanie aktywności antyoksydacyjnej rodów i odmian jęczmienia oraz pszenicy różniących się pod względem tolerancji rozhartowywania, a na podstawie wyników tych badań opracowanie prostego testu diagnostycznego pozwalającego na selekcję odmian/rodów tolerancyjnych na rozhartowywanie.

2021

Prezentacja wyników uzyskanych w temacie badawczym nr 12

Sprawozdanie merytoryczne

2022

Prezentacja wyników uzyskanych w temacie badawczym nr 12

2023

Prezentacja wyników uzyskanych w temacie badawczym nr 12

Postery

 Hodowla roślin w coraz szerszym wymiarze jest wspomagana przez zastosowanie nowoczesnych technologii, wykorzystujących osiągnięcia genetyki molekularnej, genomiki i bioinformatyki. Wymaga to jednak wcześniejszego przeprowadzenia badań podstawowych z zakresu genomiki strukturalnej i funkcjonalnej. Głównym celem projektu będzie identyfikacja polimorfizmów DNA, w tym wariantów strukturalnych oraz substytucji nukleotydowych w oparciu o wyniki resekwencjonowania genomów wybranych przedstawicieli populacji hodowlanych buraka cukrowego i pastewnego, jak również porównanie tych danych z dostępnymi publicznie wynikami sekwencjonowania innych roślin buraka. Warianty strukturalne posłużą od opracowania panelu markerów DNA, które będą mogły zostać zastosowane do weryfikacji homozygotyczności podwojonych haploidów uzyskanych w toku gynogenezy. Populacje buraka cukrowego segregujące pod względem jedno/wielonasienności oraz zdolności do przywracania płodności zostaną poddane wysokowydajnemu genotypowaniu w celu skonstruowania map genetycznych. Następnie, w powiązaniu z wynikami fenotypowania cech jedno/wielonasienności oraz męskiej sterylności roślin z tych samych populacji podejmiemy próbę identyfikacji rejonów genomu obejmujących odpowiednio gen jednonasienności oraz geny przywracające płodność u roślin ze sterylizującą cytoplazmą. Kolejnym etapem będzie wskazanie genów kandydujących, opracowanie ściśle z nimi sprzężonych markerów molekularnych oraz weryfikacja skuteczności genotypowania tymi markerami populacji hodowlanych w celu określenia ich przydatności do selekcji wspomaganej markerami. Cel ten zostanie osiągnięty poprzez porównawcze sekwencjonowanie genomów i ilościową analizę poziomu ekspresji w populacjach roślin segregujących w odniesieniu do analizowanych cech. W oparciu o wyniki analiz bioinformatycznych wytypowane zostaną polimorfizmy posiadające wartość diagnostyczną, a na ich podstawie zostaną zaprojektowane markery miejscowo-specyficzne. Markery te zostaną przetestowane na materiałach roślinnych buraka cukrowego i pastewnego o różnym pochodzeniu, co pozwoli określić poziom ich uniwersalności i zweryfikować przydatność do selekcji materiałów o konkretnym pochodzeniu.

1. Globalna charakterystyka wariantów strukturalnych w genomach buraka oparta na założeniu kluczowej roli ruchomych elementów genetycznych w generowaniu tego typu zmienności. W obrębie tej części projektu cele szczegółowe będą obejmowały:

• identyfikację i charakterystykę ilościową rodzin ruchomych elementów genetycznych obejmujących retrotranspozony LTR oraz miniaturowe ruchome elementy genetyczne (MITE) w oparciu o złożenia genomów buraka cukrowego dostępne w domenie publicznej,
• identyfikację wariantów strukturalnych wynikających z insercji tych elementów w resekwencjonowanych genomach buraka cukrowego i pastewnego,
• weryfikację częstości występowania tych wariantów w kolekcji akcesji buraka o różnym pochodzeniu.

2. Identyfikacja rejonu genomu obejmującego gen jednonasienności oraz próba wskazania genu kandydującego w oparciu o wysokowydajne genotypowanie i mapowanie genetyczne populacji F2/F3 segregujących pod względem tej cechy.

3. Analiza molekularnych podstaw cytoplazmatycznej męskiej sterylności (CMS) będzie zmierzała do realizacji następujących celów badawczych:

• poznanie sekwencji nukleotydowej różnych wariantów locus X/x (Rf1/rf1),
• ustalenie, czy przywracanie płodności przez gen X (Rf1) jest związane ze zwiększoną akumulacją produktów jego ekspresji,
• identyfikacja genu odpowiadającego restorerowi Z (Rf2),
• weryfikacja przydatności markerów opracowanych dla buraka cukrowego do wnioskowania o statusie cechy CMS u buraka pastewnego,
• opracowanie nowych markerów DNA do identyfikacji alleli dopełniających i restorerowych.

Prezentacja wyników uzyskanych w temacie badawczym nr 23

Prezentacja wyników uzyskanych w temacie badawczym nr 23

Plakaty z Polskiego Kongresu Genetyki

Prezentacja wyników uzyskanych w temacie badawczym nr 23

Poster  - Plant Biology Europe 2023

Proces gametycznej embriogenezy (GE) pozwala otrzymać formy homozygotyczne na drodze podwajania genomu roślin haploidalnych, uzyskiwanych poprzez rozwój komórek generatywnych. Problem oporności na GE nie jest ściśle zdefiniowany i poznany. Jako główną przyczynę wskazuje się efekt genotypowy, ale również różną wrażliwość eksplantów na warunki wzrostu i kultury, objawiającą się brakiem indukcji podziałów lub zahamowaniem dalszego rozwoju otrzymanych struktur. Oporność może dotyczyć całej rodziny (np. Fabaceae) lub pojedynczych linii czy nawet roślin (np. Brasssicaceae, Solanaceae). W niniejszym projekcie planuje się wykonanie badań na 4 gatunkach samopylnych roślin warzywnych o dużym znaczeniu gospodarczym, ale zaliczanych do opornych na indukcję GE t.j. bób (Vicia faba L., Fabaceae), pomidor (Solanum lycopersicum L., Solanaceae), papryka (Capsicum annuum L., Solanaceae) i sałata (Lactuca sativa L., Asteraceae). Stosunkowo nieliczne próby indukcji GE u w/w gatunków wskazały na istnienie barier związanych z brakiem odpowiedzi komórek generatywnych w kulturze, lub niską frekwencją ich rozwoju. Z tych względów, bardzo istotna jest identyfikacja czynników warunkujących haploidyzację zarówno na etapach indukcji jak i regeneracji.

Celem proponowanego projektu jest kompleksowa analiza czynników wpływających na GE u w/w gatunków roślin warzywnych opornych na indukcję tego procesu oraz podjęcie próby jej przełamania. Projekt obejmuje analizę możliwości zastosowania różnych technik do pobudzenia rozwoju komórek gametofitowych oraz ustaleniu optymalnych warunków fizycznych i chemicznych procesu indukcji rozwoju komórek generatywnych oraz ewentualnej konwersji w rośliny. W niniejszym projekcie proponujemy również dogłębną analizę procesu GE (cytologia, histologia, cytometria przepływowa) oraz analizę biochemiczną (endogenne poliaminy i hormony). Proponujemy również opracowanie zestawu markerów molekularnych stanowiących system do weryfikacji genetycznego statusu form (kalus, zarodki, rośliny) uzyskanych w wyniku kultury. Ponadto planowane jest przeprowadzane badań umożliwiających wskazanie genów zaangażowanych w proces GE na wybranych etapach rozwoju np. w momencie zmiany szlaku rozwoju komórki generatywnej z drogi gemetofitycznej na sporofityczną lub w czasie formowania zarodka. Realizacja niniejszego projektu pozwoli poszerzyć wiedzę na temat cytologicznego, biochemicznego i molekularnego podłoża procesu GE u gatunków opornych na haploidyzację.

2021

Prezentacja wyników uzyskanych w temacie badawzym nr 35

Streszczenie wyników badań uzyskanych w roku 2021

Prezentacja wyników uzyskanych w temacie badawczym nr 35

Postery

Prezentacja wyników uzyskanych w temacie badawczym nr 35

Postery

Somatyczna hybrydyzacja to złożone narzędzie biotechnologiczne, polegające na łączeniu komórek somatycznych dwóch różnych odmian, gatunków czy rodzajów w celu wygenerowania nowej zmienności. Tym samym technika ta może prowadzić do wytworzenia wartościowych materiałów wyjściowych dla hodowli, których nie można otrzymać metodami konwencjonalnymi bądź ich otrzymanie jest długotrwałe. Dlatego celem niniejszego projektu jest określenie czynników determinujących proces somatycznej hybrydyzacji u wybranych roślin warzywnych. Proces hybrydyzacji będzie ukierunkowany na wprowadzenie cechy cytoplazmatycznej męskiej sterylności do pietruszki i cebuli z gatunków pokrewnych oraz na otrzymanie nowych form fenotypowych czosnku, jarmużu oraz kapusty pekińskiej lub brukselskiej. Badania będą obejmować fuzje protoplastów na poziomie międzyrodzajowym, międzygatunkowym oraz wewnątrzgatunkowym w układzie symetrycznym lub asymetrycznym. Szczególnie wartościowe będzie określenie czynników sprzyjających reaktywacji pierwszych podziałów mitotycznych w kulturach protoplastów, w tym tych uważanych za oporne na kulturę. Interesujące będzie określenie reakcji protoplastów różnych gatunków/tkanek na działanie pola elektrycznego i ustalenie takich jego parametrów, które inicjując fuzje komórek nie skutkują spadkiem żywotności i ograniczeniem zdolności podziałowych. Opracowane zostaną nowe markery molekularne różnicujące genomy jądrowe-organellowe komponentów fuzji w celu selekcji pożądanych kombinacji mieszańcowych Ponadto w toku realizacji badań zostanie zsekwencjonowany mitochondrialny i plastydowy DNA kilku gatunków i odmian warzyw, co przyczyni się do zrozumienia trendów w ewolucji genomów organellowych u roślin wyższych.

Celem podjętych badań jest określenie przydatności somatycznej hybrydyzacji do wytworzenia unikatowych form fenotypowych, które będą mogły być wykorzystane w hodowli twórczej (1) pietruszki, (2) warzyw kapustnych (jarmużu, kapusty pekińskiej/kapusty brukselskiej) oraz (3) warzyw amarylkowatych (cebula, czosnek). Cel ten będzie realizowany poprzez:

1. Wprowadzenie cechy CMS do pietruszki z pasternaku i do cebuli z czosnku niedźwiedziego;
2. Wytworzenie nowych form liściowych jarmużu poprzez somatyczną hybrydyzację z kapustą galicyjską lub sałatą;
3. Wytworzenie nowych form liściowych kapusty pekińskiej lub kapusty brukselskiej poprzez somatyczną hybrydyzację z kapustą czerwoną;
4. Wytworzenie nowych form fenotypowych czosnku (wielkość główki, plenność, wielkość ząbków, jednostrzałkowość, zimotrwałość) poprzez somatyczną hybrydyzację z odmianami komercyjnymi czosnku lub formami pozyskanymi z banku genów.

Prezentacja wyników uzyskanych w temacie badawczym nr 36

Prezentacja wyników uzyskanych w temacie badawczym nr 36

Abstrakt - Polski Kongres Genetyki

Prezentacja wyników uzyskanych w temacie badawczym nr 36

Postery - 11th biennial PSEPB Conference

Publikacja

Cele badań:

 Ogólnym celem projektu jest poznanie sekwencji nukleotydowej lub blisko-sprzężonych markerów DNA dla genów kontrolujących trzy cechy związane z kwitnieniem buraka ćwikłowego. Przewiduje się realizację poniżej wymienionych celów szczegółowych.

1. Identyfikacja genu warunkującego cechę jednonasienności.
2. Określenie sekwencji nukleotydowej locus X/x (Rf1/rf1) oraz charakterystyka akumulacji produktów jego ekspresji.
3. Określenie statusu allelicznego genów związanych z występowaniem pośpiechowatości.
4. Opracowanie blisko-sprzężonych markerów dla badanych cech.

 2021

 2022

 2023

Prezentacja wyników uzyskanych w temacie badawczym nr 37

Poster - 5th Congress of Polish Bioscience BIO2023

 W ramach niniejszego projektu są zaplanowane cztery zadania badawcze. Pierwszym jest identyfikacja loci restorerowych dla cytoplazm Sa oraz Sp marchwi. Zadanie to będzie realizowane przy użyciu genotypowania poprzez sekwencjonowanie chromosomów 3 i 9, na których są zlokalizowane te geny (wykazali to wnioskodawcy w toku wcześniejszych badań). Analizom będą poddane populacje segregujące na rośliny męskosterylne oraz rośliny z przywróconą płodnością. Zakłada się, iż identyfikacja blisko-sprzężonych polimorfizmów sekwencyjnych umożliwi wskazanie odpowiednich genów kandydujących. W ramach kolejnego zadania zostanie wykonana charakterystyka otoczenia genomowego restorerów męskiej sterylności u cebuli. Do mapowania genetycznego planuje się wykorzystać detekcję polimorfizmów DNA bazującą na nisko-pokryciowym sekwencjonowaniu transkryptomu – (ang.) genotyping-by-sequencing-transcriptomics (GBS-t). Genotypowaniu będą poddane rośliny z populacji segregujących pod względem przywracania płodności. Zidentyfikowane polimorfizmy wraz z cechą przywracania płodności zostaną użyte do wygenerowania wysoko-rozdzielczych map sprzężeń, w których gen restorerowy zyska kontekst sąsiadujących markerów DNA. Celem kolejnego zadania jest charakterystyka skutkujących samozgodnością mutacji lub rearanżacji S-locus kapusty głowiastej. W ramach tego zadania zostanie również przeprowadzona analiza ekspresji S-locus przy wykorzystaniu technik RT-PCR oraz northern blot. Analizom zostaną poddane samoniezgodne i silnie samozgodne rośliny z segregujących populacji. Dane sekwencyjne uzyskane w ramach każdego zadania, posłużą do opracowania markerów PCR pozwalających na wnioskowanie o składzie allelicznym loci kontrolujących CMS u marchwi i cebuli oraz samozgodność u kapusty.

Ogólnym celem projektu jest poznanie sekwencji nukleotydowej lub blisko-sprzężonych markerów DNA dla genów kontrolujących przywracanie płodności u marchwi i cebuli oraz samozgodność u kapusty głowiastej. Przewiduje się realizację poniżej wymienionych celów szczegółowych.

1. Identyfikacja restorerów CMS u marchwi.
2. Charakterystyka otoczenia genomowego restorerów CMS u cebuli.
3. Poznanie sekwencji nukleotydowej S-locus u form samozgodnych kapusty oraz charakterystyka jego ekspresji.
4. Opracowanie blisko-sprzężonych markerów dla badanych loci.

2021

Strzeszczenie wyników badań uzyskanych w 2021 roku

2022

Prezentacja wyników uzyskanych w temacie badawczym nr 38

Plakat z LIX Zjazdu Polskiego Towarzystwa Botanicznego

2023

Prezentacja wyników uzyskanych w temacie badawczym nr 38

Poster - 11th biennial PSEPB Conference