Kiedy pierwszy raz po obronie pracy magisterskiej świeżo upieczeni magistrowie spotykają się w swoim gronie, pytania, jakie padają w trakcie rozmowy, najczęściej dotyczą szczegółów podjętej pracy. Znajomi wiedzieli, że po studiach zdecydowałam się na pracę naukową związaną z genetyką molekularną, jednak nie wiedzieli, czym konkretnie się zajmuję. Właśnie z pierwszego zjazdu studenckiego mam zabawne wspomnienie – wyraz twarzy znajomych, kiedy na pytanie: „A ty nad czym pracujesz?”, usłyszeli odpowiedź: „Nad odpornością ziemniaka”.

Utarło się jakoś przekonanie, że badania naukowe to zajęcie wzniosłe i oderwane od przyziemnej codzienności, a konfrontacja tej mylnej opinii z obiektem moich badań, potocznie zwanym pyrą, grulą lub kartoflem i kojarzącym się głównie jako dodatek do kotleta schabowego, niejednego już wprawiła w zdziwienie. Tym większe, im bardziej słuchacz zakłada, że ziemniak nie może mieć w sobie nic ciekawego.

Obiektem moich badań jest odmiana ziemniaka Sárpo Mira, która ze względu na cechę odporności na patogen Phytophthora infestans jest fenomenem na skalę światową.

Grzybopodobny organizm P. infestans , powodujący chorobę zwaną zarazą ziemniaka, stanowi ogromne zagrożenie upraw tej rośliny na całym świecie. Możliwość, że powierzchnia rośliny uniknie kontaktu z zarodnikami P. infestans właściwie nie istnieje: ogromne ilości cytrynokształtnych sporangiów są przenoszone wraz z wiatrem i w warunkach wysokiej wilgotności, która sprzyja rozwojowi choroby, w ciągu zaledwie kilku dni nać ziemniaka zostaje przerośnięta strzępkami najeźdźcy i całkowicie zniszczona.

Roślina tylko w jeden sposób jest w stanie przeciwstawić się inwazji: jeśli posiada skuteczne geny odporności. Gen to fragment DNA odpowiedzialny za powstawanie białka. Produkt takiego genu, białko, jest w stanie rozpoznać charakterystyczne substancje, które wydziela patogen wdzierający się do tkanek gospodarza. Wykrycie jego obecności uruchamia w roślinie łańcuch reakcji zmierzających do unicestwienia własnych komórek. Taktyka ta jest jak najbardziej zasadna i skuteczna. Obumarcie grupy komórek gospodarza wokół miejsca, gdzie rozrasta się strzępka grzybni jest równoznaczna z jej rychłą śmiercią. Sprawca zarazy ziemniaka jest w stanie rozrastać się jedynie w żywej tkance, otoczenie go murem martwych komórek odcina go od źródła pożywienia i zamyka w więzieniu, gdzie ginie z głodu.

Czym jest poświęcenie przez roślinę odporną paru swoich komórek w porównaniu z sytuacją, kiedy roślina niemająca genów odporności w wyniku infekcji traci prawie wszystkie asymilujące liście i łodygi i obumiera? Dla rośliny ziemniaka korzyść z posiadania odporności jest oczywista. Dla rolników uprawiających takie rośliny korzyść ta ma konkretną wartość: 5,2 miliarda euro. Tyle właśnie wynosi roczny koszt ponoszony w skali całego świata z powodu strat plonów ziemniaka oraz nakładów na ochronę chemiczną pól przed P. infestans . Jednocześnie jest to suma, którą można byłoby zaoszczędzić, uprawiając odmiany odporne na zarazę ziemniaka, które nie wymagają częstych oprysków fungicydami.

Szpieg i złodziej

Rośliny gatunków, które stały się protoplastami odpornej Sárpo Miry, zostały odkryte przez radzieckiego uczonego Mikołaja Wawiłowa. Badacz zakładał, że największą różnorodność cech ziemniaka można odnaleźć tylko w miejscu naturalnego pochodzenia tej rośliny, a dzięki temu, że cechy te są dziedziczne, będzie je można wprowadzić na drodze krzyżowania do już istniejących odmian uprawnych. Faktycznie w górskich dolinach Ameryki Południowej odnalazł prymitywne formy z rodzaju Solanum , które nie były infekowane przez zarazę ziemniaka. Prace nad krzyżowaniem roślin zakłóciło aresztowanie Wawiłowa przez NKWD w sierpniu 1940 r. Zasługi w dziedzinie nauki oddane ojczyźnie (w 1926 r. odebrał Nagrodę Leninowską) straciły znaczenie w momencie, kiedy Wawiłow skrytykował popierane przez propagandę radziecką antygenowe teorie Trofima Łysenki negujące zjawisko dziedziczenia cech z rodziców na potomstwo.

Pod fałszywym zarzutem szpiegostwa Wawiłow został skazany na karę śmierci, którą później zamieniono na 20 lat łagru. Wyroku nigdy nie odbył, zmarł jeszcze w więzieniu w 1942 r. W tym samym czasie również nad losem jego spuścizny zawisły czarne chmury. Kolekcja roślin ziemniaka znajdowała się w osaczonym przez Niemców Leningradzie. Odcięcie miasta kordonem wojsk okupanta wywołało jedną z najstraszliwszych epidemii głodu notowanych w historii, na porządku dziennym były akty kanibalizmu. Ludzie sprawujący pieczę nad kolekcją doskonale jednak zdawali sobie sprawę z jej wartości i woleli raczej umrzeć z głodu niż zjeść drogocenne bulwy. Rośliny zostały także „docenione” przez Niemców. Rozkaz przejęcia i zabezpieczenia roślin został wydany oddziałowi SS „Russland– Sammelkommando”, który utworzono specjalnie do tego celu, a Heinz Brücher, hodowca na usługach Himmlera, pisał: „Prymitywne formy roślin uprawnych zgromadzone przez Wawiłowa są tym, co określa się jako najważniejsze we współczesnej genetyce roślin”.

Szczęśliwym trafem kolekcja odpornych dzikich ziemniaków nie została całkowicie zaprzepaszczona wśród dziejowej zawieruchy i przetrwała wojnę.

W 1950 r. węgierski hodowca, dr Istvan Sárvári, kierujący katedrą rolnictwa na Uniwersytecie Panońskim, otrzymał od komunistycznego rządu swojego kraju zadanie: stworzyć „superziemniak”. Odmianę tak odporną na zarazę ziemniaka i wirusy, aby można było ją uprawiać na terytorium całego ZSRR, nawet na obszarach, które nie sprzyjały wzrostowi ziemniaków. Mimo obiecujących efektów, rząd wycofał się wkrótce z projektu, co spowodowało sytuację bez precedensu: dr Sárvári zabrał wyhodowane przez siebie ziemniaki oraz księgi hodowlane i rozpoczął własną działalność. Postępowanie to jest różnie oceniane. Jedni twierdzą, że ziemniaki zostały ukradzione, ponieważ według prawa należały do jednostki naukowej, w której pracował, inni, że hodowca ratował swój dorobek, aby nie został on roztrwoniony.

Kiedy w latach 90. ubiegłego wieku szkocko-duński zespół hodowców w wyniku kontraktu z rodziną Sárvárich wszedł w posiadanie odmiany Sárpo Mira, wiadomo było jedynie, że jej rodowód sięga roślin zgromadzonych jeszcze przez Wawiłowa.

Ujawnienie informacji o istnieniu odmiany o tak wysokiej i trwałej odporności na P. infestans wzbudziło zainteresowanie wielu europejskich jednostek badawczo-hodowlanych. Chciano znaleźć odpowiedź na pytanie, jakie geny leżą u podłoża odporności tej odmiany i wykorzystać je w hodowli nowych odmian.

Naukowcy nie mają dostępu do ksiąg hodowlanych Sárváriego. Dziś jednak zespoły badawcze dysponują technikami i wiedzą, o jakiej Wawiłow bądź Sárvári nawet nie marzyli.

Chorągiewki na mapie

Dzięki finansowaniu otrzymanemu z NCBR, jako pierwsi w Europie znaleźliśmy lokalizację obszaru DNA, który warunkuje odporność odmiany Sárpo Mira, a także opracowaliśmy dla niego markery molekularne, które są użyteczne w niedawno rozpoczętym programie hodowlanym. W jakim celu hodować kolejne odmiany, jeśli Sárpo Mira jest tak doskonała?

Cecha odporności jest wprawdzie zawsze pożądana, ale o przydatności odmiany ziemniaka decyduje ogół jego wszystkich właściwości kulinarnych i agronomicznych: ziemniaki o innych parametrach są poszukiwane do bezpośredniej konsumpcji, inne na chipsy, jeszcze inne na frytki. We współpracującej z naszym ośrodkiem firmie Hodowla Ziemniaka Zamarte trwają prace, aby uzyskać odmianę tak bardzo odporną na zarazę ziemniaka, jak Sárpo Mira, ale smaczniejszą. Linie potomne niespełniające tych kryteriów zostają w trakcie cyklu hodowlanego wyeliminowane z dalszych krzyżowań.

Tradycyjny cykl hodowlany, w którym obecność pożądanej cechy ziemniaka określało się poprzez obserwacje roślin w polu, przechodzi do lamusa. Aby uzyskiwanie nowych odmian przebiegało bardziej efektywnie, cechy określa się w laboratorium na podstawie DNA roślin.

Zbadanie DNA rośliny pod kątem obecności szukanej cechy wymaga jednak narzędzia – markera molekularnego. W aspekcie DNA marker to charakterystyczny fragment genomu, który jak punkt orientacyjny w topografii pozwala nam łatwo odnaleźć lokalizację pożądanego genu. Pełni rolę znacznika, wyraźnie widocznej chorągiewki zatkniętej w pobliżu lub w obrębie ważnego genu. Kiedy badanie DNA rośliny wykryje obecność markera, z dużym prawdopodobieństwem można przypuszczać, że jest obecny i gen, a co za tym idzie – cecha, którą warunkuje.

Zbadanie DNA jest możliwe już w stadium siewki. Nie trzeba czekać aż roślina urośnie, a to skraca czas pracy. Negatywny wynik obecności markera znaczy, że roślina nie ma szukanej przez nas cechy i można ją wyrzucić.

Znalezienie wzdłuż całego chromosomu wielu markerów, punktów orientacyjnych, z których każdy towarzyszy jakiemuś genowi i jest odnośnikiem do niego, umożliwia stworzenie mapy. Ta z kolei jest bardzo przydatna do poznania sekwencji genu.

Wawiłow podejmował dyskusje ze swoim oponentem, czy geny istnieją. My, dzięki opracowanym przez nas mapom, możemy je precyzyjnie zlokalizować na chromosomach.

Miejsce cięcia

Znalezienie markera towarzyszącego odporności Sárpo Miry było niezwykle czasochłonne. Należało odszukać charakterystyczny fragment DNA, obecny w roślinie odpornej, leżący w sąsiedztwie jej genu. W roślinie podatnej odpowiedni fragment DNA będzie się znacznie różnił budową lub będzie nieobecny. Brzmi to banalnie, ale w praktyce wcale już takie nie jest. Ziemniak jadalny jest tetraploidem, tzn. jego DNA jest upakowane w postaci chromosomów, z których każdy występuje w czterech kopiach. Dwanaście chromosomów. Cztery chromosomy I, cztery chromosomy II itd. Wszystkich razem 48. Na którym z nich jest szukany gen wraz z markerem?

Zabawę w ciuciubabkę ułatwiły nam przesłanki, że rodowód Sárpo Miry sięga kolekcji Wawiłowa. W Solanum demissum , dzikim krewnym ziemniaka, który był szeroko wykorzystywany w hodowli nie tylko przez Wawiłowa, najwięcej genów odporności znajduje się na chromosomie XI. Niby nic, ale intuicja naukowca zrobiła swoje. Tak ograniczyliśmy rejon swoich poszukiwań tylko do czterech chromosomów XI. Owo „tylko” to dłuuuuuuugie cztery nici DNA, zawierające nie jeden, a tysiące genów.

W sukurs przyszedł mechanizm podpatrzony u bakterii. W warunkach naturalnych, kiedy wirus chce zaatakować komórkę bakterii, jej enzym restrykcyjny tnie DNA wirusa na kawałki, unieszkodliwiając go. Co ważne, nie tnie przypadkowo, lecz zawsze w tych samych określonych miejscach. Enzym nie rozróżnia, czy tnie DNA wirusa, czy jakiekolwiek inne DNA – jeśli „widzi” miejsce cięcia, fragmentuje w tym miejscu DNA. Naszym zadaniem było znalezienie tak unikalnego miejsca cięcia, aby występowało wyłącznie w Sárpo Mirze i korespondowało z jej cechą odporności. Po wizualizacji wyników znaleziony przez nas marker wygląda tak jak na zdjęciu (Fot. 1).

Przedstawiona przeze mnie historia badań nie uwzględnia oczywiście serii niepowodzeń, jakie spotkały nasz zespół. W żargonie hodowców ziemniaka w przenośni mówi się, że prace nad wyhodowaniem ziemniaka odpornego na zarazę ziemniaka to jak pogoń za króliczkiem: cel jest wciąż widoczny na horyzoncie, choć rzadko komu udaje się go osiągnąć. Chlebem powszednim są raczej porażki w tej dziedzinie, choć zamiast zniechęcać tylko zaostrzają apetyt na sukces. Nie opisałam ich, ponieważ i tak nie zmieniają faktu, że praca naukowca sprawia frajdę. W dodatku jest wciągająca także dla ludzi postronnych, o czym mogą świadczyć ciekawskie pytania znajomych: „A co tam słychać na kartoflisku?”.