Laboratórium produkčnej fyziológie a ekofyziológie rastlín
19.05.2016
Zaistenie dostatku potravín pre narastajúcu populáciu ľudí na Zemi - 9 miliárd v roku 2050 - bude obrovskou výzvou pre rastlinné vedy, biotechnológie i samotných pestovateľov plodín, a to nielen z toho dôvodu, že priemerný ročný rast produkcie strategických plodín zaostáva za našimi predpokladmi (1,3 % namiesto 2,4 % v prípade pšenice).
Zaistenie dostatku potravín pre narastajúcu populáciu ľudí na Zemi - 9 miliárd v roku 2050 - bude obrovskou výzvou pre rastlinné vedy, biotechnológie i samotných pestovateľov plodín, a to nielen z toho dôvodu, že priemerný ročný rast produkcie strategických plodín zaostáva za našimi predpokladmi (1,3 % namiesto 2,4 % v prípade pšenice).
Významným dôvodom je aj to, že pestovateľské prostredie v rôznych častiach sveta musí riešiť problémy prejavujúcej sa zmeny klímy a pôsobenia stresových faktorov prostredia, ktoré negatívne ovplyvňujú rast a produkciu plodín a vytvárajú súčasne tlak na zlepšovanie ich vlastností pre tieto nepriaznivé pestovateľské podmienky. Prepojením analýzy genotypu a fenotypu rastlín možno skôr a efektívnejšie selektovať rastliny vysoko produkčné a súčasne odolné proti stresu. Za posledné roky nastali veľké pokroky v technikách sekvenovania DNA pri rôznych druhoch plodín, čo umožňuje uplatniť poznatky v molekulárnom šľachtení pri zlepšovaní plodín vo vzťahu k prostrediu. Napriek tomu však stále zaostávame v schopnosti odlíšiť, a tým aj využiť, genetiku kvantitatívnych znakov pre rast, úrodu a adaptácie rastlín na stresy prostredia.
Šľachtitelia a farmári selektovali fenotypy najlepších rastlín ešte dávno pred zavedením DNA a molekulárnych markérov. Keď však chceme dosiahnuť stanovené méty v produkcii a odolnosti budúcich plodín proti narastajúcim stresom pestovateľského prostredia, musíme zrýchliť a zvýšiť efektívnosť šľachtenia, lebo stále platí, čím viac krížení pre viac prostredí môžeme aplikovať, tým významnejšie zvyšujeme pravdepodobnosť identifikácie želaného znaku a jeho genetickú variabilitu. Pokroky v automatizovanom fenotypovaní znakov a vlastností rastlín ponúkajú relatívne dostupné a rýchle možnosti ocharakterizovania veľkého množstva geneticky zmeneného či upravovaného materiálu s výslednou identifikáciou markéra( ov) želaných komplexných znakov, ako sú znaky rastu, vývinu, morfologického utvárania rastlín, fotosyntetickej i metabolickej výkonnosti, tolerancie, rezistencie, úrody a ekológie úrody a pod., ktoré možno vyjadrovať použitím špecifických parametrov. Tieto parametre (markéry) sú nevyhnutné pre ďalšie pokračovanie genomickej selekcie materiálov v molekulárnom, resp. transgénnom šľachtení pri tvorbe nového biologického materiálu.
Poslanie laboratória
Cieľom Laboratória produkčnej fyziológie a ekofyziológie rastlín VC ABT bude rozvíjať základný a aplikovaný výskum v oblasti tzv. fenotypovania (popisovania, charakterizovania kvantitatívnych komplexných znakov) genetických zdrojov poľnohospodárskych plodín na ich vyššiu produktivitu, kvalitu produkcie a toleranciu k faktorom klimatickej zmeny ako je sucho, vysoká teplota, deficity v minerálnej výžive, tlak patogénov a pod. Automatizované vysokovýkonné fenotypovanie rastlín znamená, že súborom optických, ale i ďalších biofyzikálnych metód bude v prísne kontrolovanom prostredí laboratória skúmaný fenotyp rastlín ako prejav súboru štrukturálnych, fyziologických a výkonnostných znakov genotypu v danom prostredí, napr. to, akú tvorí biomasu, morfotyp koreňovej sústavy, aká je jeho fotosyntetická výkonnosť, hospodárenie s vodou, ako efektívne využíva minerálne látky pre tvorbu biomasy, aká je jeho interakcia s faktormi prostredia, napr. so suchom, vysokou teplotou, patogénmi a pod., ale napr. aj to, aké metabolické zlúčeniny produkuje z hľadiska ich využitia vo výžive ľudí, pre ich zakomponovanie do tzv. funkčných potravín a pod., nehovoriac tiež o využití technológie pre hodnotenie pozberovej stability a kvality produktov pre výživu. Príkladom takýchto priamo meraných parametrov je napr. veľkosť listovej plochy, kompaktnosť tela rastlín, fluorescencia chlorofylu, výška rastlín, koncentrácia pigmentov, dĺžka internódií, uhly listov, skrúcanie listov, rýchlosť predlžovacieho rastu, produkcia biomasy, čas kvitnutia, produkcia semien a pod.
Nový systém fenotypovania rastlín je založený na simultánnom snímaní celistvých rastlín v prísne kontrolovaných podmienkach metódami zobrazovania (imaging) reflektovaného svetla z rôznych rastlinných štruktúr po absorpcii svetla s určitými vlnovými dĺžkami, tvorbe jednoduchých multi-D obrazov s ich vysokým časovým a priestorovým rozlíšením, ktoré softvérovo vyhodnocuje počítač, pričom z ich analýzy je možné detegovať merané znaky a vlastnosti fenotypu. Analýza týchto obrazov by teda mala dať odpoveď šľachtiteľom, resp. rastlinným biotechnológom na to, či hodnotený zdrojový genetický materiál (odroda, genotyp, línia, a pod.) má požadované znaky a vlastnosti vhodné pre ich zakomponovanie do nových materiálov, príp. aké znaky a vlastnosti prejavuje už novovytvorený materiál. Systém je plne automatizovaný, riadený počítačom a vyznačuje sa relatívne vysokou výkonnosťou analýz v čase. Laboratórium ako celok má potenciál rozvíjať projektovú činnosť v oblasti agrobiologického výskumu a hodnotenia genetických zdrojov plodín vhodných pre poľnohospodárstvo, bioenergetiku, kvalitu a bezpečnosť potravín a pod. Riešenie projektov si bude vyžadovať rozvoj medzinárodnej spolupráce s partnerskými inštitúciami, ale aj funkčnú integráciu s materským pracoviskom - Katedrou fyziológie rastlín FAPZ a ďalšími laboratóriami v rámci VC AgroBioTech.