Zadanie 3.19

Zadanie 3.19

Szczegółowy opis zakresu rzeczowego zadań w 2025r.:

Opis zadania:
Ziemniak uprawny (Solanum tuberosum L.) jest czwartą, zaraz po kukurydzy, ryżu i pszenicy rośliną uprawną na świecie. Charakteryzuje go wysoki poziom plonowania, dlatego jest obiecującą rośliną, która potencjalnie może zaspokoić głód i zmniejszyć ubóstwo na świecie. Niestety narażony jest na różne stresy biotyczne i abiotyczne, które powodują znaczące obniżenie plonu. Przeciwdziałać temu można poprzez tworzenie nowych odmian w drodze konwencjonalnej hodowli oraz przy wykorzystaniu metod inżynierii genetycznej.
Zsekwencjonowany i obecnie dobrze poznany genom ziemniaka stwarza duże możliwości ulepszenia jego cech jakościowych poprzez modyfikację genetyczną i edycję genomu. Jednak zastosowanie nowych technik genomowych czy transformacji z zastosowaniem wektorów bakteryjnych wymaga regeneracji roślin w kulturach in vitro. W przypadku wielu genotypów pojawia się problem słabej i/lub długotrwałej regeneracji roślin z pędów. Pomimo dużej liczby dostępnych odmian ziemniaków, niewiele zostało wykorzystanych w procesach transformacji oraz edycji genomu. Najczęściej wykorzystuje się odmiany Desiree i Bintje, ze względu na ich wysoki potencjał regeneracyjny. Etap regeneracji jest największym wąskim gardłem w procesie transformacji i edycji genomu. Regeneracja roślin in vitro polega na odróżnicowaniu i przeprogramowaniu komórek w celu wytworzenia całych narządów. Może zachodzić dwojako: poprzez organogenezą de novo i embriogenezę somatyczną. Obydwa szlaki obejmują skomplikowane mechanizmy molekularne. Szczegółowo zbadano molekularne determinanty obu szlaków na gatunkach modelowych, ale niewiele wiadomo na temat mechanizmów molekularnych kontrolujących organogenezę pędów de novo ziemniaka. Wiadomo, że regeneracja in vitro jest w dużym stopniu zależna od genotypu. Parlament Europejski zaopiniował, że rośliny wyhodowane przy użyciu nowych technik edycji genomów (tzw. NGT) nie powinny być objęte typowymi regulacjami dla roślin genetycznie modyfikowanych (GMO). Otwiera to dużą szansę na wykorzystanie technik inżynierii genetycznej i stworzenie nowych odmian ziemniaka o ulepszonych cechach agronomicznych.

Wzrost i rozwój roślin opierają się na trzech podstawowych procesach przebiegu cyklu komórkowego: mitozie, endoreplikacji (replikacja DNA bez cytokinezy) i mejozie. Namnażanie komórek poprzez mitozę ma kluczowe znaczenie w procesie wzrostu narządów. Cykl komórkowy składa się faz (G1, S, G2, M), które podlegają ścisłej kontroli. Głównymi strażnikami punktów kontrolnych są cykliny (CYC) i kinazy zależne od cyklin (CDK). Punkty kontrolne cyklu komórkowego to mechanizmy nadzoru, które monitorują kolejność, integralność i wierność głównych etapów cyklu komórkowego. Kontrolują one wzrost do odpowiedniego rozmiaru komórki, replikację i integralność chromosomów oraz ich dokładną segregację podczas mitozy. Poziom ekspresji tych genów może świadczyć o stopniu zaawansowania różnicowania komórek, a tym samym o stopniu regeneracji rośliny. Tłumienie aktywności tych kompleksów może skierować cykl komórkowy na alternatywną drogę – endoreplikacji, polegającej na wielokrotnych rundach replikacji DNA bez mitozy i cytokinezy, produkujących komórki poliploidalne. Endoreplikacja jest siłą napędową różnicowania komórek. Różne genotypy ziemniaka w różny sposób reagują na warunki kultur in vitro i tym samym wykazują różną zdolność do regeneracji.

Wyselekcjonowaliśmy grupę 20 genotypów ziemniaka o różnych cechach agronomicznych na poziomie di- i tetraploidalnym, utrzymywane w kulturach in vitro. W proponowanym projekcie będziemy analizować przebieg cyklu komórkowego w liściach wytypowanych roślin przy użyciu cytometru przepływowego. Analizie podlegać będą fazy G1, S oraz G2. Każda analiza cytometryczna wykonana zostanie w co najmniej 3 powtórzeniach (3 probówki na genotyp). Będą określane parametry cyklu komórkowego (stosunek G2/G1, współczynnik endoreduplikacji, procentowy udział komórek w fazie S), będzie oceniana morfologia roślin (liczba korzeni, ich długość; kształt, kolor i powierzchnia liści). Analizy zostaną przeprowadzone w kilku różnych punktach czasowych w trakcie regeneracji. Zostanie oznaczona ekspresja 2-3 genów związanych z regulacją punktów kontrolnych tzw. check points cyklu metodą real-time PCR. Na tej podstawie zostaną wytypowane genotypy ziemniaka o najwyższym potencjale regeneracyjnym (wyższa wartość współczynnika G2/G1, wysoka frekwencja jąder w fazie S, wysoki współczynnik endoreduplikacji, poziom ekspresji genów regulacji punktów kontrolnych cyklu), które z powodzeniem mogą zostać w przyszłości użyte do modyfikacji i edycji genomu.