Wpływ fitohormonów i genów wirusowych na interakcje w układzie roślina-owad-wirus

Rośliny stanowią podstawę życia na Ziemi, produkują tlen i stanowią pożywienie dla ludzi oraz zwierząt. Podobnie jak one mogą też chorować, gdy rosną w niesprzyjających warunkach. W czasie swojego rozwoju narażone są na bardzo wiele czynników stresogennych ze strony środowiska. Należą do nich m.in. nieodpowiednia temperatura, susza, czy różnego rodzaju szkodniki, w tym owady oraz patogeniczne mikroorganizmy, które porażają tkanki roślin i powodują choroby. Często wiele niekorzystnych czynników działa na rośliny jednocześnie. Niektóre owady nie tylko same uszkadzają rośliny, ale mogą również przenosić patogeny, w tym wirusy, wobec czego roślina musi radzić sobie z podwójnym zagrożeniem.

dr hab. Aleksandra Obrępalska-Stęplowska, fot. Michał Łepecki Jednakże przez wiele lat życia na Ziemi rośliny przystosowały się do występowania w ich otoczeniu czynników stresogennych, dzięki czemu często są w stanie odpowiednio na nie zareagować i zminimalizować straty. Jest to możliwe dzięki wewnętrznym procesom i sprawnym, złożonym mechanizmom obronnym, które uruchamia roślina.

Bardzo ważnym elementem regulującym funkcjonowanie roślin są związki nazywane hormonami roślinnymi (fitohormonami). Są one istotne dla procesów wzrostu, rozwoju, kwitnienia, a także reakcji obronnych roślin przed szkodnikami i patogenami. Regulacja poziomu  fitohormonów musi być bardzo precyzyjna, aby skoordynować odpowiedź rośliny na czynniki stresogenne pochodzące z otoczenia, w tym na jej interakcje z innymi elementami ekosystemu. W efekcie zaburzeń w poziomie każdego z fitohormonów, dochodzi do wielu zmian w fizjologii roślin.

Nie jest obecnie do końca jasne, w jaki sposób mutacje w genach roślin, które powodują nieprawidłową syntezę fitohormonów, wpływają na złożone interakcje w układach roślina-owad-wirus. Rola genów kodowanych przez wirusy w takim kontekście nie jest również dobrze znana. Dlatego celem projektu jest wyjaśnienie, jaki wpływ mają zaburzenia w syntezie fitohormonów oraz mutacje wybranych genów wirusów na procesy zachodzące w komórkach roślin, i jak przekładają się one na dalsze wieloczynnikowe interakcje roślin z innymi elementami ekosystemu.

Szczególnie ciekawe są dalekosiężne skutki takich mutacji, nie tylko ich wpływ na wrażliwość roślin na atakujące je wirusy i owady, ale również na zmiany w biologii tych owadów i ich konsekwencje. Zwiększenie populacji lub przyspieszenie tempa cyklu rozwojowego owadów będących wektorami wirusów może prowadzić do szybszego przenoszenia się wirusów w środowisku, co jest zjawiskiem bardzo niekorzystnym.

dr hab. Aleksandra Obrępalska-Stęplowska, fot. Michał Łepecki Wykorzystywany w projekcie patosystem składa się z roślin, mszyc i przenoszonych przez nie wirusów (CMV i PVY). Badaniom są poddawane rośliny z obniżonym poziomem fitohormonów (JA, ET, ABA), spowodowanym mutacjami w genach, które biorą udział w ich syntezie oraz z rośliny bez mutacji. Rośliny są eksponowane na kontakt z owadami, wirusami i owadami niosącymi wirusy. W takich układach prowadzone są analizy preferencji żywieniowych i zachowań orientacyjnych owadów, a także zmiany w wielkości ich populacji i efektywności przenoszenia przez nie wirusów. Wyjaśniane są także przyczyny specyficznych zachowań owadów na badanych roślinach z obniżoną syntezą wybranych fitohormonów, aby odpowiedzieć na pytanie, co wpływa na ich zróżnicowaną „atrakcyjność” dla owadów. Jest to możliwe dzięki podejściu łączącemu odwrotną genetykę, wirusologię, chemię, entomologię, analizy wysokoprzepustowe i metody biologii molekularnej. Przeanalizowane zostaną substancje lotne emitowane przez badane rośliny, zawartość metabolitów w komórkach roślin i ekspresja genów związanych z reakcjami obronnymi roślin. Dodatkowo badana jest rola wybranych genów kodowanych przez analizowane wirusy mająca na celu określenie, jak te geny wpływają na zachowania orientacyjne owadów w kierunku zakażonych wirusami roślin.

Wiedza na temat mechanizmów kształtujących badane interakcje może w przyszłości przyczynić się do przewidywania epidemii chorób roślin i rozprzestrzeniania się szkodników oraz opracowywania metod ograniczania powodowanych przez nie szkód.