pobierz plik - Wydział Biologii UW

Autoreferat rozprawy doktorskiej mgr. Macieja Jończyka
Molekularne mechanizmy reakcji kukurydzy na chłód ostry (<10 °C)
Promotor:
Prof. dr hab. Paweł Sowiński, Wydział Biologii, Uniwersytet Warszawski
Recenzenci:
Dr hab. Marta Koblowska, Wydział Biologii, Uniwersytet Warszawski
Prof. dr hab. Zofia Szweykowska-Kulińska, Wydział Biologii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza
w Poznaniu
Praca doktorska wykonana w Zakładzie Ekofizjologii Molekularnej Roślin, Instytut Biologii
Eksperymentalnej i Biotechnologii Roślin, Wydział Biologii, Uniwersytet Warszawski.
Kukurydza jest wydajną rośliną o fotosyntezie C4. Gatunek ten wyewoluował w klimacie
subtropikalnym, został udomowiony 9 000 lat temu w Meksyku, a zakres jego upraw rozszerzył się
na Ameryki, a następnie na inne kontynenty. Mimo postępu w hodowli kukurydzy jej dalsza
adaptacja do warunków klimatu umiarkowanego, w tym Europy Środkowo-Wschodniej, jest
ograniczona przez chłodowrażliwość tego gatunku. Temperatura 15 °C powoduje zahamowanie
wzrostu kukurydzy, choć indukuje też procesy aklimatyzacyjne. Natomiast w chłodzie ostrym (ok.
8 °C) zatrzymane są wzrost i fotosynteza, a przetrwanie roślin zależy od mechanizmów
minimalizujących uszkodzenia. Pomimo intensywnie prowadzonych badań przyczyny wrażliwości
kukurydzy na chłód, w szczególności na poziomie molekularnym, pozostają wciąż słabo poznane.
Głównym celem niniejszej pracy było wytypowanie genów i grup genów odpowiedzialnych
za wczesne reakcje kukurydzy na chłód.
Weryfikowano hipotezę, że chłód ostry wpływa na ekspresję genów bezpośrednio,
a także przez zaburzenia cyklu dobowego.
Szczegółowe cele pracy były następujące:
1. określenie czasowego wzoru ekspresji genów kukurydzy w chłodzie ostrym;
2. wydzielenie grupy genów o ekspresji zmienionej bezpośrednio przez chłód,
a niewynikającej z zaburzenia cyklu dobowego;
3. wytypowanie genów lub grup genów o ekspresji specyficznie indukowanej w stresie
chłodu ostrego.
1
W referowanej pracy, za pomocą techniki mikromacierzy, porównano dobowy wzór
ekspresji genów chłodowrażliwej linii kukurydzy CM109 w chłodzie ostrym (<10 °C)
i w warunkach kontrolnych. Sondom na mikromacierzy przypisano geny zgodnie z najnowszymi
danymi pochodzącymi z projektu sekwencjonowania genomu linii kukurydzy B73 uzupełnionymi
o dane dotyczące dziewięciu innych linii kukurydzy.
Analiza statystyczna pozwoliła wydzielić grupy genów o ekspresji zmienionej bezpośrednio
przez chłód oraz o zaburzonym dobowym wzorze ekspresji, co może być skutkiem zaburzeń
ekspresji genów endogennego zegara kukurydzy. Odnosi się to do dwóch pierwszych celów pracy.
Dobowe profile ekspresji genów poddano klastrowaniu, a otrzymane grupy przeanalizowano pod
względem funkcjonalnym. Globalna analiza funkcjonalna obejmowała nadreprezentację kategorii
Gene Ontology (GO) i domen białkowych opisanych w systemie InterPro, a także potencjalne
zmiany w szlakach metabolicznych.
W stresie chłodu zaburzeniu uległa transkrypcja głównych genów zegara biologicznego oraz
genów związanych z metabolizmem węgla, w tym fotosyntetycznych. Analiza globalna dla grupy
genów reprymowanych w ciągu doby w chłodzie wykazała nadreprezentację kategorii GO
związanych z fotosyntezą. Pewne zmiany transkryptomu mogły mieć charakter aklimatyzacji,
w szczególności zwiększona ekspresja genów związanych z dostosowaniem osmotycznym,
przeciwutleniaczami, flawonoidami, fenylopropanoidami i składnikami ściany komórkowej.
Przejawem procesów aklimatyzacji mogła być też nadreprezentacja kategorii InterPro „chaperonin”
w grupie genów indukowanych w ciągu doby w chłodzie. Chłód wpływał również na ekspresję
elementów przekaźnictwa sygnału wewnątrz komórki, w tym ścieżki specyficznej dla stresu.
Aby zrealizować trzeci cel pracy przeprowadzono metaanalizę (wspólną analizę wielu
eksperymentów). Wyniki otrzymane w niniejszej pracy i w innych projektach transkryptomicznych
dotyczących chłodu ostrego porównano z wynikami eksperymentów mikromacierzowych
dotyczących wpływu chłodu umiarkowanego (ok. 14 °C) i infekcji patogenem grzybowym na
ekspresję genów kukurydzy. Dane pobrano z ogólnodostępnych baz danych Gene Expression
Omnibus i ArrayExpress. Metaanaliza pozwoliła określić zmiany transkryptomu niespecyficzne
i specyficzne dla chłodu ostrego. Wspólne dla porównywanych stresów zmiany ekspresji genów
dotyczyły wzmożenia procesów katabolicznych (utlenianie kwasów tłuszczowych, oddychanie).
Także indukcja ekspresji genów syntezy flawonoidów i fenylopropanoidów była reakcją
niespecyficzną. Pozostałe, wspólne dla badanych stresów zmiany transkryptomu dotyczyły syntezy
prekursorów ściany (mannoza, fukoza), syntezy kwasu askorbinowego i odwracalnej inaktywacji
2
auksyn. Zmianami specyficznymi dla chłodu ostrego była indukcja genów związanych ze szlakiem
pentozofosforanowym, a także z syntezą likopenu i stachiozy. Ciekawym wynikiem była
specyficzna dla stresu chłodu ostrego indukcja ekspresji genów degradacji kwasu abscysynowego.
Być może zmiana ta jest związana z wrażliwością na chłód badanej linii kukurydzy. Indukcja
ekspresji genów związanych zarówno z syntezą, jak i z degradacją trehalozy może oznaczać
złożone zmiany w sygnalizacji stanu energetycznego komórki.
Wnioski z referowanych eksperymentów są następujące:
1. chłód ostry silnie zmienia u kukurydzy skoordynowaną transkrypcję genów zegara;
2. chłód ostry wpływa bezpośrednio na ekspresję wielu genów kukurydzy, zmiany te mają
jednak z reguły małą amplitudę i wydają się dotyczyć genów niepowiązanych ze sobą
funkcjonalnie;
3. ważną funkcję w reakcji kukurydzy na stres chłodu mogą spełniać ściana i błona
komórkowa;
4. wiele zmian na poziomie transkryptomicznym jest wspólnych dla stresów abiotycznych
i biotycznych, ale pewne reakcje kukurydzy na chłód mogą być specyficzne dla chłodu
ostrego.
Przedstawione reakcje na chłód ostry odnoszą się do transkryptomu i jedynie potencjalnie
dotyczą proteomu i metabolitów. Pozwalają jednak wskazać dalsze kierunki badań i procesy warte
weryfikacji na poziomie białek i metabolitów.
W szczególności są to:
1. zaburzenia endogennego zegara biologicznego kukurydzy;
2. zmiany dotyczące metabolizmu ABA i szlaku sygnalizacji związanej z tym hormonem;
3. rola trehalozy w reakcji kukurydzy na stres chłodu.
3