Irlandia, rok 1850. Deszcz bębni o szyby opustoszałej chaty. Ciemne okna wielu domów zioną pustką. Woń torfowego dymu jeszcze unosi się z wygaszonych palenisk. Późne lata 1840. to okres Wielkiego Głodu w Irlandii. Około milion osób zmarło wtedy z głodu, a dwa miliony były zmuszone do emigracji, głównie do Ameryki. Irlandzcy imigranci, jakże ważni dla historii Stanów Zjednoczonych, nie będą jednak tematem tego artykułu. Przyczyną klęski była zaraza ziemniaka, która pozbawiła tę wyspę 60 proc. pożywienia, wyniszczając uprawy ziemniaków kilka lat z rzędu.

Organizm, który powoduje zarazę ziemniaka, czyli Phytophthora infestans (Mont.) de Bary, nadal jest problemem w uprawach ziemniaka i pomidora na całym świecie, ekonomicznie szacowanym na 6 mld USD rocznie. Jest też jednym z głównych obiektów badań IHAR-PIB Młochów i moich. Celem naszych badań jest lepsze zrozumienie jak i dlaczego ziemniaki chorują oraz uzyskanie odmian trwale odpornych na tę chorobę. Przy obfitych opadach i chłodach na liściach ziemniaka pojawiają się czarne plamy (Fot. 1), które szybko się powiększają, atakują łodygi (Fot. 2) i zaraza zabija całą nadziemną część rośliny ziemniaka w ciągu tygodnia. Jeśli roślina zdążyła już wytworzyć bulwy, to również one mogą ulec zakażeniu i zgnić w czasie przechowywania. Natomiast jeśli epidemia wybuchnie na początku sezonu, gdy rośliny są młode, może zakończyć się całkowitą utratą plonu. Zarodniki zarazy ziemniaka są przenoszone z wiatrem na bardzo duże odległości, mogą nawet przybyć do nas ze Szwecji, lecąc nad Bałtykiem.

W naszych czasach zaraza ziemniaka jest zwalczana przy użyciu chemicznych środków ochrony roślin, czyli pestycydów. W Polsce stosuje się zazwyczaj od dwóch do trzech oprysków przeciw zarazie w sezonie, jednak w czasie chłodnego i deszczowego lata taka ochrona jest niewystarczająca. W krajach takich, jak Holandia czy Wielka Brytania, gdzie lata z reguły są zimne i mokre, oprysków może być aż kilkanaście. Ta metoda walki z zarazą ziemniaka jest kosztowna i szkodliwa dla środowiska, w którym żyjemy. Pestycydy mogą zatruwać glebę i przenikać do wód powierzchniowych i gruntowych. Co więcej, konsumenci coraz częściej poszukują żywności wyprodukowanej bez użycia pestycydów. Ziemniaki odporne na zarazę byłyby doskonałą alternatywą dla ochrony chemicznej, tańszą i zdrowszą zarówno dla nas, jak i dla środowiska. W poszukiwaniu takich ziemniaków udajemy się do ojczyzny tej rośliny, która w Europie jest popularna od zaledwie dwustu lat.

Gość mile widziany

Ziemniak (Solanum tuberosum L.) jest po ryżu, pszenicy i kukurydzy czwartą najważniejszą rośliną uprawną na świecie. Jego znaczenie wzrasta zwłaszcza w krajach takich, jak Chiny i Indie, które są dwoma największymi jego producentami. Przybył do Europy z Ameryki Południowej w XVI wieku. W swojej ojczyźnie był jadany przez ludzi już od 13 tys. lat, na co wskazują skórki ziemniaka odnalezione przez archeologów w szczątkach ognisk z tego okresu na terenie południowego Chile. Skamieniałe bulwy ziemniaka sprzed 10 tys. lat odkryto także w Peru. Ziemniak po raz pierwszy przebył Atlantyk na pokładzie hiszpańskiego żaglowca między rokiem 1550 a 1570, choć istnieją mało prawdopodobne legendy łączące jego podróż z nazwiskami piratów: sir Francisa Drake’a i sir Waltera Raleigha. Według innego przekazu, nieznany kapitan przywiózł bulwy ziemniaka do Anglii ok. roku 1590. Początkowo, gdy ziemniaków było w Europie „jak na lekarstwo”, to ceniono je właśnie za właściwości lecznicze. Dwory władców, klasztorne apteki i ogrody botaniczne przekazywały sobie po kilka bulw w charakterze kosztownego podarunku. Dopiero pod koniec XVIII wieku ziemniaki, przystosowane już do życia w Europie, zaczęły się rozpowszechniać. W połowie XIX wieku stanowiły podstawowe pożywienie wielu ludzi, m.in. w Irlandii, na terenach Niemiec, Polski i Rosji. W tym czasie były także uprawiane w Ameryce Północnej oraz w odległych zakątkach Imperium Brytyjskiego – w Afryce, Chinach, Indiach i Nowej Zelandii. Wtedy to właśnie błyskotliwą karierę ziemniaka zakłóciło pojawienie się zarazy ziemniaka.

Imigrant nieproszony

Phytophthora infestans , powodująca zarazę ziemniaka, była jednym z pierwszych organizmów, które udało się naukowcom zidentyfikować jako sprawców chorób roślin. Dokonał tego niemiecki uczony Heinrich Anton de Bary, który w 1860 roku jednoznacznie wykazał, że grzyb występujący w zakażonych ziemniakach jest przyczyną ich choroby. Organizm ten szerzy się, produkując bezpłciowo miliony zarodników w kształcie cytryn. Proces rozmnażania płciowego może u niego zachodzić jedynie pomiędzy osobnikami różnych płci. Tymczasem epidemie w Europie i Ameryce Północnej były powodowane przez szczepy tylko jednej płci, nazywanej A1. Dopiero ok. roku 1950 naukowcy odkryli rozmnażanie płciowe zarazy ziemniaka w miejscu jej pochodzenia, w Dolinie Toluca w Meksyku. Trzydzieści lat później, w roku nieurodzaju na ziemniaki w Europie, druga płeć A2 P. infestans zawitała na nasz kontynent wraz z bulwami nieopatrznie sprowadzonymi z Meksyku. Kłopotliwym skutkiem rozmnażania płciowego P. infestans , które obecnie najprawdopodobniej ma miejsce również w Polsce, jest fakt, że powstają w jego wyniku trwałe zarodniki, które mogą zimować w glebie. Dzięki temu choroba może pojawić się wcześnie na wschodzących ziemniakach, a szczepy wyrastające z takich zarodników mogą być bardziej różnorodne i niebezpieczne dla ziemniaka.

Mniej więcej wtedy, gdy szczepy A2 zarazy ziemniaka rozprzestrzeniały się po świecie, naukowcy odkryli, że organizm ten wcale nie jest grzybem. Doprowadziły do tego badania składu jego ściany komórkowej, która bardziej przypomina ścianę komórkową roślin, zbudowaną głównie z celulozy, niż ścianę komórkową grzybów, w której dominuje chityna. Innym ważnym elementem były badania genomu, czyli materiału genetycznego, zbioru wszystkich genów, w którym zakodowane są budowa i wszystkie właściwości P. infestans . Obecnie gatunek ten jest zaliczany do grupy Oomycetes w ramach Stramenopiles , gdzie obok licznych gatunków powodujących choroby roślin, zwierząt i człowieka, znajdują się także zupełnie nieszkodliwe glony, takie jak okrzemki.

Po okresie Wielkiego Głodu w Irlandii w uzyskanie ziemniaków odpornych na zarazę zaangażowały się najtęższe umysły. Karol Darwin wymienił na ten temat około 150 listów z irlandzkim przedsiębiorcą Jamesem Torbittem i innymi osobami. Darwin zachęcał do uprawiania ziemniaków nie z bulw, ale z nasion, które powstają w wyniku rozmnażania płciowego, a co za tym idzie – wyrastają z nich rośliny różnorodne i różniące się od rodziców. Rozmnażanie przez bulwy jest rozmnażaniem wegetatywnym, produkuje się w ten sposób klony genetycznie identyczne z rośliną mateczną. Wśród zróżnicowanych roślin wyrosłych z nasion Darwin miał nadzieję znaleźć takie, które przetrwają epidemię zarazy ziemniaka i których potomstwo będzie odporne. Jednak podatność obojga rodziców na zarazę ziemniaka uniemożliwiła uzyskanie odporności u potomstwa. Z pomocą przyszli tu dzicy krewni ziemniaka.

Zapraszamy krewnych

W Ameryce Południowej i Środkowej żyje około 240 gatunków spokrewnionych z ziemniakiem uprawnym. Tworzą one bulwy o przeróżnych rozmiarach, kształtach i kolorach. Zasiedlają strome stoki Andów i tropikalne siedliska u ich podnóża. Indianie uprawiają kilka takich gatunków. Są wśród nich osobniki odporne na zarazę ziemniaka, nie uprawiamy ich jednak, gdyż przeważnie mają bulwy wielkości króliczych bobków i do tego trujące. Mimo to ich odporność była wykorzystywana w hodowli ziemniaka już na początku XX wieku. W dzikim gatunku Solanum demissum zidentyfikowano aż 11 różnych genów głównych odporności (R1-R11 ), które przeniesiono do ziemniaka uprawnego przez krzyżowanie i żmudną selekcję osobników odpornych i jednocześnie wydających bulwy przypominające rodzica uprawnego. Niektóre z tych genów (R1, R3, R4, R10 ) zostały wprowadzone do odmian ziemniaka, które stały się popularne i były uprawiane na wielu hektarach. Odmiany takie, jak holenderski Escort, szkocki Pentland Dell czy polska Epoka, były bardzo odporne na zarazę ziemniaka, jednak nie trwało to długo. Już kilka lat po ich wprowadzeniu do uprawy pojawiły się szczepy P. infestans , które potrafiły pokonać odporność tych odmian. W efekcie hodowcy zrazili się do pojedynczych genów odporności i zaczęli poszukiwać takiego jej typu, który byłby dla zarazy ziemniaka trudniejszy do pokonania. Była to odporność polowa, za którą odpowiada współdziałanie wielu genów. Jednakże odporność polowa w programach hodowlanych także przyniosła rozczarowanie – nie była całkowita, dawała jedynie opóźnienie rozwoju choroby. Była też trudniejsza do wprowadzenia.

W latach 1990. raptowny rozwój biologii zaowocował stworzeniem pierwszych map genomu ziemniaka, poznaniem lokalizacji genów głównych odporności z S. demissum , a następnie sekwencji nukleotydowych tych genów i ich funkcji. Wróciła moda na geny główne odporności. Zidentyfikowano i sklonowano wiele nowych genów z różnych dzikich gatunków ziemniaka, takich jak S. bulbocastanum , S. venturii , S. stoloniferum . Stwierdzono, że te geny różnią się trwałością warunkowanej odporności i niektóre z nich będą dla zarazy ziemniaka trudne do pokonania. Wiemy dziś także, że geny te działają jak włączniki, które po wykryciu patogena włączają śmierć komórki. W ten sposób P. infestans , która potrzebuje do wzrostu żywych tkanek gospodarza, zostaje uwięziona w martwych komórkach i nie rozwija się dalej. Potrafimy także od niedawna przenosić geny z dzikich gatunków do ziemniaka nową metodą. Jest ona szybsza i bardziej wybiórcza niż wielokrotne krzyżowanie i selekcja, a polega na bezpośrednim przeniesieniu samego genu z jednego genomu do drugiego. Uzyskane w ten sposób ziemniaki, odporne na zarazę, nie są nazywane ziemniakami transgenicznymi, ale cisgenicznymi, dla podkreślenia, że wprowadzono do nich geny z pokrewnych gatunków, co możliwe byłoby także tradycyjną drogą krzyżowania. Takie ziemniaki są obecnie testowane w polu przez kilka europejskich ośrodków naukowych oraz niemiecką firmę BASF.

Odkąd pracuję w IHAR-PIB Młochów, zidentyfikowaliśmy trzy nowe geny odporności na zarazę ziemniaka. Pierwszy, Rpi-phu1 , pochodzi z gatunku uprawianego przez Indian, S. phureja . Rośliny tego gatunku otrzymaliśmy z Międzynarodowego Centrum Ziemniaka w Peru. Gen Rpi-phu1 warunkuje wysoką odporność liści i bulw na zarazę ziemniaka. Nie znaleźliśmy dotąd w Polsce szczepu zarazy, która byłaby w stanie go pokonać. Jedyny taki znany nam izolat pochodzi z Ekwadoru. Gen Rpi-phu1 wprowadziliśmy przez krzyżowanie do zaawansowanych linii hodowlanych, które zostały przekazane firmie hodowlanej. Co więcej, dzięki temu, że zlokalizowaliśmy ten gen na mapie genetycznej ziemniaka, hodowcy mogą stosować do selekcji osobników odpornych markery molekularne, co jest metodą szybszą, tańszą i bardziej wiarygodną niż testy odporności. Gen Rpi-phu1 ma szanse wkrótce zaistnieć w zarejestrowanej odmianie ziemniaka, trafić do uprawy i spożycia. Dwa kolejne geny zmapowane przez nas to Rpi-mch1 i Rpi-rzc1 z S. michoacanum i S. ruiz-ceballosii . Obydwa pochodzą z roślin z Kolekcji Instytutu Wawiłowa w Sankt Petersburgu w Rosji. Prowadzimy prace nad ich wprowadzeniem do ziemniaka uprawnego i wykorzystaniem ich w hodowli.

Badam dwa fascynujące organizmy, których migracje i wzajemne interakcje były i nadal są ważne dla ludzkości, przyczyniały się do rozkwitu społeczności, powodowały klęski, przynosiły zyski, ale i ogromne straty. Dzięki ludziom organizmy te zyskały globalny zasięg, choć tylko jeden z nich, ziemniak, podróżował z zaproszeniem. W roku 2009 poznano pełną sekwencję genomu zarazy, a w 2011 - ziemniaka, co stanowi kamienie milowe w badaniach nad tymi organizmami. W roku 2011 zebrano w Polsce 8,2 mln ton ziemniaków, a każdy z nas zje ich 113 kg w sezonie 2011/12, dlatego chcielibyśmy, by były zdrowe i wyprodukowane z jak najmniejszą dawką pestycydów.