Wszyscy jesteśmy odkrywcami, pragnienie eksploracji popycha nas do zdobywania najwyższych szczytów, a nawet ku poznawaniu tajemnic odległych gwiazd i krańców wszechświata. Tymczasem niezgłębione sekrety wciąż skrywają się na zwykłym, przydomowym trawniku. Kosmos pod naszymi stopami próbuje zrozumieć grupa badaczy z Zakładu Fizjologii i Biochemii Roślin Wydziału Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii UJ, których praca skupia się wokół poznania odpowiedzi na pozornie prozaiczne pytanie – jak zielenieją rośliny.

Jeśli zasmakowałeś w daniach kuchni włoskiej lub francuskiej to zapewne nieobce Ci są szparagi – niegdyś trudnodostępny składnik wyrafinowanych dań, a dziś obecne w każdym większym supermarkecie. Właściwie wystarczy tylko sięgnąć na sklepową półkę... i tu sprawa się komplikuje. Bo przed włożeniem do koszyka trzeba wybrać - białe czy zielone? Niby ta sama roślina, a jakże dwa różne oblicza, jakby były to dwa zupełnie różne warzywa. I częściowo rzeczywiście tak jest – w każdym z przypadków uruchamiane są inne zestawy genów, zmieniając cenionego doktora Jekyll'a w mrocznego pana Hyde'a. Mrok odgrywa kluczową rolę w tej zaskakującej przemianie roślin. Wbrew pozorom rośliny nieustannie patrzą, bo choć nie mają oczu, to każdy liść, niemal każda komórka ich ciała zawiera fotoreceptory, podobne do tych w siatkówce naszych oczu. Rośliny rozróżniają barwy, intensywność, a nawet kierunek padania promieni świetlnych.

Zatem gdy gasną wszystkie światła, one to czują. A wtedy zaczyna się problem, bo bez światła nie jest możliwa fotosynteza – proces, w którym okiełznana moc Słońca pozwala na produkcję cukrów – słodkiego pokarmu – a dla roślin także budulca, z którego utkane są wszystkie liście, konary i gałęzie. Brak światła to czas głodu. A w przypadku roślin okrytonasiennych (zatem wszystkich tych, które rodzą owoce) oznacza błyskawiczną mobilizację, zaciskanie pasa i bardziej racjonalne gospodarowanie zasobami. Mroczny pan Hyde nie jest szalony, jest do bólu przezorny i zdeterminowany by przetrwać. I dlatego zakopane w ziemi pędy szparagów są białe – nie warto inwestować w produkcję zielonego barwnika, chlorofilu, gdy

fotosynteza i tak nie może zachodzić. Znacznie bardziej istotny jest szybki wzrost – w warunkach naturalnych przedłużający się brak światła zachodzi, gdy roślina jest zagrzebana w ziemi, więc logicznym rozwiązaniem jest jak najszybsze przebicie się na jej powierzchnię. Zbędne są przy tym liście, które tylko zawadzałyby po drodze i mogłyby w dodatku ulec uszkodzeniu. Wystarczy przypomnieć sobie, jak wyglądają rosnące w ciemnościach piwnic pędy składowanych na zimę ziemniaków. Mając na uwadze cel tych wszystkich przemian, ich dziwny pałąkowaty kształt nagle staje się oczywisty. I właśnie w nawiązaniu do tej formy badacze roślin ukłuli kalambur skotomorfogeneza – w języku greckim oznaczający dosłownie kształt przyjmowany w ciemności. W obecności światła dochodzi natomiast do fotomorfogenezy, a zatem rozwoju kształtowanego jasnością promieni słonecznych.

 

Więc chodź, pomaluj mój świat na… żółto i na zielono

A co się stanie, gdy rozwijająca się skotomorfogenetycznie (czyli etiolowana) roślina w końcu uzyska dostęp do światła? Zaczyna się trudna i niebezpieczna transformacja, zwana zielenieniem lub de-etiolacją. By rozwinęły się liście, w odpowiedniej kolejności muszą zostać uruchomione odpowiednie geny i białka. Jednocześnie następuje zahamowanie aktywności innych białek, odpowiedzialnych np. za szybki wzrost łodygi. W tym samym czasie następuje akumulacja barwników – chlorofilu oraz karotenoidów (żółtych i pomarańczowych pigmentów pomagających w fotosyntezie) i składanie kompleksów fotosyntetycznych, molekularnych elektrowni komórki. Wszystko musi działać sprawnie i na czas. Powstaje więc pytanie, w jaki sposób biosynteza obu grup barwników oraz produkcja białek przebiega w sposób tak dobrze skoordynowany? Okazuje się, że cała roślina funkcjonuje wręcz jak korporacja, kierowana przez świetnie wykwalifikowany zarząd, w którym zasiadają tzw. białka regulatorowe optymalizujące i sterujące pracą pozostałych protein.

 

W związku z tym, że - jako przykładni szefowie – białka te pełnią zwykle wiele funkcji jednocześnie, warto podglądnąć ich działania i dowiedzieć się, które z nich wpływa na interesujące nas procesy rozwojowe. Jak to zrobić najłatwiej? Po prostu pozbyć się jednego z nich i zobaczyć, co się stanie. O tym, jak cenny jest konkretny pracownik można się przekonać, gdy go zabraknie – bez dobrego managera po prostu wszystko się sypie. Nie inaczej jest, gdy braknie białkowego regulatora. Hodując w warunkach laboratoryjnych mutanta, roślinę pozbawioną jednego z białek regulatorowych, można sprawdzić, które procesy w trakcie zielenienia są zaburzone, a więc co należało do obowiązków danego białkowego regulatora oraz co wchodziło w zakres jego kwalifikacji w tej białkowej korporacji.

Na tej podstawie badacze z UJ wyjaśniają rolę dwóch kolejnych białkowych managerów zarządzających pracą innych protein i zapewniających zrównoważoną produkcję różnych typów barwników. Badana jest także rola pewnego kluczowego dla okrytonasiennych białka, które ze zgromadzonego w ciemności surowca jedynie w obecności światła może produkować bardzo ważny składnik, z którego później wytwarzany jest chlorofil. Białko to działa jak pracownik działu finansowego – uważnie czyta fakturę lub zamówienie, a następnie przybija pieczątkę (dokonując modyfikacji otrzymanego obiektu) i dopiero taki zatwierdzony dokument posyłany jest dalej. Losy faktury, podobnie jak i losy barwników w roślinie łatwo śledzić, ale zarejestrowanie dokumentu uruchamia przecież proces angażujący innych pracowników, który na koniec prowadzi np. do przelania funduszy z odpowiednich kont. Badacze z WBBiB sprawdzają zatem, czy działania biochemicznej księgowej wyzwalają dodatkowe, niezbadane wcześniej procesy istotne dla zielenienia roślin.

Co cię nie wzmocni, to cię zabije

Rzekł niebieski: „Słów mi szkoda. Każdy z czasem wypłowieje”. A zielony tylko dodał: „Mam nadzieję… Mam nadzieję…”. Przed latami Jan Brzechwa nietuzinkowym rymem uwydatnił jeszcze jedno oblicze zielenienia – pod wpływem światła chlorofil może blaknąć. Bo choć ten zielony barwnik jest niezbędny w procesie fotosyntezy, to jest też substancją niebezpieczną – w obecności światła może inicjować powstawanie szkodliwych, reaktywnych form tlenu, niszczących wszystko z czym się zetkną. Światło jest dla roślin nie tylko źródłem energii koniecznej do życia, lecz także zagrożeniem. Podobnie jak zbyt silny prąd przepala obwody urządzeń elektrycznych, zbyt mocne światło uszkadza komórki, mogąc osłabić lub zabić roślinę. Problem ten jest szczególnie ważny właśnie na wczesnych etapach rozwoju rośliny – w stadium siewki, gdy nawet niewielki stres może okazać się zabójczy. Roślina nie jest jednak całkiem bezbronna – już w ciemności przygotowuje cały arsenał środków ochronnych, przede wszystkim antyutleniaczy. Czy jednak będzie ich wystarczająco dużo? Jak wiele światła jest w stanie znieść roślina? I jak radzi sobie ze stresem? Dlatego ten kluczowy moment jest osobnym zagadnieniem badawczym realizowanym w Zakładzie Fizjologii i Biochemii Roślin, gdzie próbuje się znaleźć odpowiedzi na te właśnie pytania.

Wszelkie te zagadnienia, podejmowane obecnie przez badaczy są próbą wyjaśnienia, w jaki sposób kształtowane są mechanizmy ochronne i jak można wspomagać proces poprawnego zielenienia roślin.

 

Badania zielenienia są finansowane z grantu UMO-2013/10/E/NZ3/00748 ufundowanego przez Narodowe Centrum Nauki (NCN).

 

Autorzy:

dr hab. Beata Myśliwa-Kurdziel

dr Paweł Jedynak

 

----------------------------------------------------------------------------

Ciekawe? Przeczytaj także:

• Czym jest krzyżowanie roślin? Gatunki dzikie i stworzone przez człowieka
• Fascynujący Świat Roślin na UJ
• 1pytanie: Jak rośliny radzą sobie ze skrajnościami pogodowymi?