Mała, wielka roślina - co wolfia przekazała naukowcom?

Wolfia, jedna z przedstawicielek tzw. rzęsy wodnej, to najszybciej rosnąca roślina na Ziemi. Jednak powody genetyczne leżące u podstaw zjawiska były dotąd tajemnicą dla naukowców. Teraz, dzięki sekwencjonowaniu genomu, dowiadujemy się, co sprawia, że ​​ta roślina jest tak wyjątkowa, przy tym zdobywamy dodatkową wiedzę o zasadach biologii i wzrostu roślin.

Zespół badaczy z Salk Institute przedstawia nowe odkrycia dotyczące genomu wspomnianej rośliny, które wyjaśniają, w jaki sposób jest ona w stanie tak szybko rosnąć. Rzucają one również nowe światło na to, w jaki sposób dochodzi do kompromisu między wzrostem tych organizmów a innymi funkcjami, takimi jak ukorzenianie i obrona przed szkodnikami. Badania te mogą mieć również wpływ na projektowanie całkowicie nowych roślin, które będą zoptymalizowane np. pod kątem zwiększonej zasobności w węgiel, co przełoży się na skuteczną walkę ze zmianami klimatycznymi.

„Wiele postępów w nauce dokonało się dzięki organizmom, które są naprawdę proste, np. drożdżom, bakteriom i robakom” - powiedział Todd Michael, autor opublikowanego artykułu i profesor naukowy w Laboratorium Biologii Molekularnej i Komórkowej Salk. „Chodzi o to, że możemy użyć absolutnie podstawowej rośliny, takiej jak wolfia, aby zrozumieć podstawowe zasady działania tego, co sprawia, że ​​roślina jest rośliną”.

Wolfia, która rośnie w słodkiej wodzie na wszystkich kontynentach, oczywiście z wyjątkiem Antarktydy, wygląda jak małe unoszące się zielone cząstki. Każdy osobnik ma wielkość porównywalną do główki szpilki. Nie mają one korzeni i stanowią strukturę luźnokomórkową, której człony pędowe są hybrydami rozwojowymi pochodzącymi zarówno z zawiązków liści, jak i łodygi. Wolfia rozmnaża się troszkę podobnie do drożdży, nie tyle pączkując, co produkując człony potomne. Dzięki możliwości podwajania swojej masy w niespełna dzień, roślina ta jest typowana jako ważne źródło białka spożywczego. Zresztą już, spożywana w niektórych częściach Azji Południowo-Wschodniej, pod nazwą khai-nam, co tłumaczy się jako „wodne jajka”.

Aby zrozumieć, jakie cechy genomu wolfii odpowiadają za jej szybki wzrost, naukowcy hodowali rośliny w cyklach światło/ciemność, a następnie przeanalizowali, które geny były aktywne o różnych porach dnia. Wzrost większości roślin jest bowiem regulowany cyklem światła i ciemności, przy czym dochodzi do niego w głównej mierze rano.

„Co zaskakujące, w porównaniu z innymi roślinami, wolfia ma tylko połowę liczby genów regulowanych przez cykle światła i ciemności”  - stwierdził Todd Michael. „Uważamy, że właśnie dlatego rośnie tak szybko. Nie ma w niej regulacji, która ograniczałaby jej rozwój”.

Naukowcy odkryli również, że geny związane z innymi ważnymi elementami funkcjonowania roślin, takimi jak mechanizmy obronne i wzrost korzeni, nie są obecne w wolfii. „Ta roślina pozbyła się większości genów, których nie potrzebuje” - określił Todd Michael. „To tak, jakby ewoluowała, aby skupić się wyłącznie na niekontrolowanym, szybkim wzroście”.

„Dane na temat genomu wolfii mogą dostarczyć ważnych informacji na temat wzajemnych zależności między tym, jak rośliny rozwijają swój plan budowy ciała, a tym, jak rosną” - powiedział badacz z Howard Hughes Medical Institute i profesor, Joseph Ecker, który jest również dyrektorem Laboratorium Analiz Genomowych Salka i współautorem artykułu. „Ta roślina może stać się nowym modelem laboratoryjnym do badania głównych cech funkcjonowania roślin, w tym wpływu genów na różne aktywności biologiczne”.

Z kolei, jednym z celów laboratorium pod wodzą Tedda Michaela jest opracowanie metod tworzenia od podstaw nowych roślin, aby można je było zoptymalizować pod kątem określonych cech. Laboratorium jest pionierem ingerowania w zdolność roślin do magazynowania węgla z atmosfery w swoich korzeniach. Naukowcy ci chcą zoptymalizować rośliny, aby pomóc sprostać zagrożeniom związanym ze zmianami klimatu. Przytoczone dziś badanie, co ważne, poszerza wiedzę z zakresu podstawowej biologii roślin, a także oferuje potencjał w zakresie ulepszania upraw i rolnictwa. Tedd Michael planuje kontynuować badania nad wolfią, aby dowiedzieć się więcej o genomowej architekturze rozwoju roślin.

Opracowanie: 

Źródło:

Genome and time-of-day transcriptome of Wolffia australiana link morphological minimization with gene loss and less growth control 2020 Todd P. Michael i wsp. w GR

Genome Research 

Wayne Armstrong: Wayne Armstrong's Lemnaceae. Genus: Wolffia (ang.). Oregon State University Herbarium. [dostęp 2010-08-20].

PLANTS Profile for Wolffia brasiliensis

Zdjęcia:

1. i 2. Autor Christian Fischer

3. Autor Eric Guinther