Zadanie 4.3

Zadanie 4.3

Tytuł projektu: Poprawa wytrzymałości mechanicznej źdźbła w jęczmieniu ozimym przy użyciu technologii CRISPR/Cas9 – edycja genów warunkujących procesy syntezy składników ścian komórkowych.
Kierownik projektu: dr Yuliya Kloc

 

Szczegółowy opis zakresu rzeczowego zadań w 2025r.:

Cel zadania: Zwiększenie wytrzymałości mechanicznej źdźbła jęczmienia ozimego poprzez zastosowanie technologii CRISPR/Cas9 do ukierunkowanej mutagenezy genów związanych z biosyntezą ligniny, celulozy i hemicelulozy. Planowanym efektem końcowym będzie uzyskanie mutantów, charakteryzujących się zmienionym składem ściany komórkowej, co umożliwi uzyskanie roślin o zwiększonej tolerancji na wyleganie.
  1. Analiza bioinformatyczna in silico genów jęczmienia warunkujących procesy syntezy składników ścian komórkowych (w tym: rodziny genów CESA, IRX, PAL).
  2. Eksperymentalna weryfikacja obecności sekwencji nukleotydowych tych genów w wybranych trzech genotypach jęczmienia ozimego pochodzącego z firm hodowlano nasiennych – Hodowli Roślin Strzelce, Poznańskiej Hodowli Roślin, Hodowli Roślin Smolice.
  3. Konstruowanie wektorów CRISPR/Cas9 do edytowania dwóch wybranych genów kandydujących.
  4. Transformacja niedojrzałych zarodków jęczmienia (Agrotransformacja i/lub metoda biolistyczna).
  5. Regeneracja roślin pokolenia T0.

Opis zadania:
Wytrzymałość mechaniczna źdźbła jest jednym z kluczowych czynników warunkujących tolerancję zbóż na wyleganie. Brak tej cechy stanowi istotne zagrożenie dla stabilności plonów i efektywności produkcji rolnej. Choć wysokość roślin, istotna dla ich architektury i adaptacji do środowiska oraz zwiększa potencjał plonowania, wyższe rośliny są bardziej podatne na wyleganie. Wprowadzenie odmian półkarłowych, uzyskanych dzięki modyfikacjom genów związanych z syntezą lub sygnalizacją hormonów giberelin (GA) i brasinosteroidów (BR), skutecznie ograniczyło ryzyko wylegania, stając się jednym z kluczowych osiągnięć „Zielonej Rewolucji”.

Jednocześnie badania przeprowadzone na różnych gatunkach zbóż wykazały, że istnieją genotypy, które cechuje zwiększona wytrzymałość mechaniczna źdźbła, niezależna od długości źdźbła (wysokości rośliny). Wytrzymałość ta jest efektem odpowiedniego składu oraz struktury ścian komórkowych, w tym m.in. ligniny, celulozy i hemicelulozy. Dodatkowo, stopień polimeryzacji czy wskaźnik krystaliczności celulozy wpływa na daną cechę. Dlatego rozwój odmian odpornych na wyleganie wymaga poznania wielu szlaków odpowiedzialnych za syntezę tych składników ścian komórkowych.

Jęczmień ozimy, ze względu na delikatną budowę źdźbła, wykazuje większą podatność na wyleganie w porównaniu z innymi gatunkami zbóż. Strategiczne zastosowanie technologii CRISPR/Cas9 umożliwia precyzyjną manipulację genami odpowiadającymi za biosyntezę składników ścian komórkowych, otwierając nowe możliwości poprawy mechanicznej wytrzymałości źdźbła przy jednoczesnym zachowaniu wysokiego potencjału plonowania i efektywności produkcji biomasy. W 2024 roku, w ramach Zadania 4.3, przeprowadzono badania nad opracowaniem i optymalizacją protokołów kultury in vitro oraz regeneracji roślin z niedojrzałych zarodków jęczmienia ozimego dla ośmiu genotypów pochodzących od trzech firm hodowlano-nasiennych: HR Strzelce, Poznańskiej HR oraz HR Smolice. Na podstawie wyników wybrano trzy genotypy charakteryzujące się najlepszą zdolnością regeneracji, dla których opracowano indywidualnie dobrane składy pożywek, zapewniające najwyższą efektywność kultury in vitro i regeneracji roślin. W związku z tym, w bieżącym roku, do dalszych prac będą wykorzystywane te genotypy, które uzyskały najwyższy wskaźnik regeneracji spośród dotychczas przetestowanych.

W ramach Zadania 4.3 planowanego na rok 2025 zostaną zrealizowane następujące prace:

  1. Analiza bioinformatyczna genów jęczmienia warunkujących procesy syntezy składników ścian komórkowych (w tym genów z rodzin CESA, IRX, PAL) z wykorzystaniem baz genomowych EnsemblePlants, NCBI i/lub EMBL-EBI. Celem tej analizy będzie identyfikacja sekwencji nukleotydowych wybranych do edycji genów oraz projektowanie odpowiednich starterów.
  2. Weryfikacja eksperymentalna sekwencji wybranych genów kandydujących w materiale hodowlanym (w trzech genotypach jęczmienia ozimego z HR Strzelce, Poznańskiej HR i HR Smolice). W tym celu zostanie przeprowadzona izolacja DNA genomowego, amplifikacja regionów tych genów oraz ich sekwencjonowanie (Sangera).
  3. Projektowanie komponentów systemu CRISPR/Cas9, konstruowanie wektorów do edycji 2 wybranych genów.
  4. Transformacja niedojrzałych zarodków jęczmienia z zastosowaniem metody Agrotransformacji i/lub metody biolistycznej.
  5. Regeneracja roślin pokolenia T0.