ORCHIDOMICS

Zrozumienie metabolizmu storczyków w ich naturalnym środowisku - metody omiczne w badaniach adaptacji i symbiozy u storczyków

Projekt badawczy finansowany przez Narodowe Centrum Nauki w konkursie MAESTRO 7
Beneficjent: Uniwersytet Gdański
Kierownik projektu: prof. dr hab. Marc-André Selosse

Opis projektu

Storczyki są bardzo zróżnicowane pod względem liczby gatunków, a także sposobu odżywiania. Gatunki, które jako dorosłe prowadzą fotosyntezę, rozwijają się z drobnych nasion, niemal całkowicie pozbawionych substancji zapasowych. Ich kiełkowanie musi poprzedzić symbioza z odpowiednim gatunkiem grzyba, który dostarcza siewce składniki odżywcze. Ten sposób odżywiania nazywa się mykoheterotroficznym. Dojrzewając roślina staje się zielona i rozpoczyna proces fotosyntezy (jest autotrofem), ale nadal pobiera za pośrednictwem grzyba sole mineralne w zamian za związki organiczne. Storczyki są więc dobrymi organizmami modelowymi dla zrozumienia, jak sposób odżywiania i wzajemne relacje między partnerami zmieniają się podczas rozwoju rośliny.

Co ciekawe, niektóre storczyki pozostają częściowo mykoheterotroficzne również jako dorosłe. Wśród nich są gatunki bezzieleniowe, które nie prowadzą fotosyntezy, polegając w pełni na substancjach odżywczych dostarczanych przez grzybnię. Część gatunków, zwana miksotrofami, stosuje strategię pośrednią: prowadzą fotosyntezę, ale część związków odżywczych i mineralnych otrzymują od partnera grzybowego. Strategia ta jest przystosowaniem roślin do warunków dużego zacienienia. Występuje też u innych grup roślin, ale u storczyków wyewoluowała wielokrotnie, dlatego są one ciekawym modelem pozwalającym zrozumieć mechanizmy utraty fotoautotrofii roślin.

Wiele storczyków to rzadkie lub zagrożone gatunki, będące wskaźnikiem "stanu zdrowia" ekosystemów. Stąd wiedza o zależnościach rośliny – grzyby jest kluczowa dla ich ochrony. Paradoksalnie część gatunków storczyków występuje na glebach zanieczyszczonych, np. metalami ciężkimi, jak niektóre populacje z Polski południowej badane w niniejszym projekcie. Jednak mechanizm osiągania równowagi fizjologicznej w takich warunkach nie jest znany.

Celem ORCHIDOMICS jest lepsze zrozumienie różnych sposobów odżywiana roślin i roli, jaką pełni w nich organizm grzyba, z wykorzystaniem storczykowatych jako grupy modelowej. Projekt obejmuje badania procesów zachodzących w kiełkujących nasionach (in situ), mykoryzowych korzeniach i zielonych liściach dorosłych roślin wielu gatunków storczyków reprezentujących różne strategie odżywiania w okresie dojrzałości.

W projekcie ORCHIDOMICS zastosujemy najnowocześniejsze techniki i metody badawcze, uzyskując bardzo dużą ilość danych z małych objętościowo prób. z analiz RNA uzyskamy informacje, które geny rośliny są aktywne, a ekstrakcja i identyfikacja produktów metabolizmu dostarczy nam wiedzy o procesach metabolicznych przebiegających w badanych organach. Olbrzymią ilość wyników przeanalizujemy narzędziami bioinformatycznymi i statystycznymi, aby: (i) oddzielić istotne dane od tzw. szumu informacyjnego, (ii) zestawić i połączyć informacje o ekspresji genów i metabolizmie oraz (iii) porównać dane z różnych prób. Operowanie tak dużą ilością danych stanowi podstawowe wyzwanie projektu ORCHIDOMICS. Jest nim też analiza danych pochodzących z naturalnych populacji storczyków. Jednak dzięki takiemu podejściu naukowemu możliwe będzie poznanie fizjologii tych roślin w warunkach ich naturalnego występowania. Badania nie spowodują zagrożenia dla naturalnych populacji tych rzadkich roślin. Uzyskano niezbędne zgody na zbiór prób od właściwych instytucji zajmujących się ochroną przyrody.

ORCHIDOMICS bada zróżnicowane sposoby odżywiania u storczyków. Uwzględniono łącznie dziewięć gatunków autotroficznych, miksotroficznych oraz mykoheterotroficznych (w stanie dojrzałym). Porównane zostaną różnice metabolizmu w trakcie rozwoju: od zawsze mykoheterotroficznych siewek, do korzeni dorosłych roślin autotroficznych, miksotroficznych i mykoheterotroficznych. Dla siedmiu gatunków zbadane będą też zmiany metabolizmu spowodowane dostępnością światła i obecnością metali ciężkich w glebie.

W projekcie powstanie obszerny zbiór danych, ukazujący pełne zróżnicowanie sposobów odżywiania roślin w naturalnym środowisku. Jako unikalny model, pozwoli on na zrozumienie zmian strategii metabolicznej podczas rozwoju rośliny i w różnych warunkach siedliskowych, ale także w kontekście ewolucyjnym. Wyniki uzyskane w projekcie umożliwią w przyszłości bardziej precyzyjne analizy istotnych metabolitów i genów zaangażowanych w różne sposoby odżywiania u storczyków. Sam projekt inicjuje również bardziej szczegółowe analizy na poziomie genetycznym.

Publikacje

Galeria

Buławnik wielkokwiatowy - osobnik albinotyczny (fot. J. Gołębiewska)

Buławnik wielkokwiatowy - storczyk miksotroficzny (fot. J. Gołębiewska)

Gnieźnik leśny - storczyk mykoheterotroficzny (fot. A. Kuczyńska)

Kruszczyk rdzawoczerwony - storczyk miksotroficzny (fot. J. Gołębiewska)

Podkolan biały - storczyk autotroficzny (fot. J. Gołębiewska)

Storzan bezlistny - rzadki storczyk mykoheterotroficzny (fot. E. Krawczyk)

Prace terenowe, Trzebinia (fot. A. Robionek)

Prace terenowe, Wyżyna Miechowska (fot. A. Kuczyńska)

Wysiewanie nasion storczyków in situ (fot. J. Minasiewicz)

Strzępiak - gatunki z tego rodzaju są grzybami symbiotycznymi storzana bezlistnego (fot. J. Gołębiewska)

Wykład na imprezie “Święto storczyka”, Kalina Mała 05.2017 (fot. M. Jąkalski)

Stanowisko do zbioru prób w terenie (fot. M. Jąkalski)

Wysiew nasion storczyków w nylonowych torebkach (fot. M. Jąkalski)

Sprawdzanie stopnia kiełkowania nasion w terenie (fot. M. Jąkalski)

Kiełkujące w torebkach nasiona storczyków (protokormy) (fot. M. Jąkalski)

Stona stworzona przez w oparciu o technologię html5up.net