Fenotypovanie dnes patrí k trendom v rastlinných vedách. Nejde o „skúmavkové vedy“, ale o porozumenie celistvosti – foriem rastlín a procesov na úrovni celistvých rastlín. Výskumné centrum AgroBioTech/Katedra fyziológie rastlín Fakulty agrobiológie a potravinových zdrojov, Slovenskej poľnohospodárskej univerzity v Nitre sa fenotypovaniu (poľnohospodárskych rastlín) venuje dlhodobo.
Ide o interdisciplinárny výskum smerujúci k zlepšeniu vlastností plodín. Výskumný tím reaguje na jednu z najdôležitejších civilizačných výziev: zlepšenie vlastností plodín a úrodovú stabilitu počas klimatickej zmeny.
Prof. Ing. Marián Brestič, CSc. uvádza, že ich aktivity pri fenotypovaní rastlín vychádzajú z bohatých skúseností využívania neinváznych metód vo výskume a hodnotení rôznych genetických zdrojov. Sú zamerané najmä na prepojenie výsledkov štúdia mechanizmov tolerancie rastlín k stresom s praktickými aplikáciami v hodnotení fenotypu, zdokonalenie metód automatického vysoko-výkonného fenotypovania rastlín, so špeciálnym zreteľom na fotosyntézu a fyziológiu listu, ale aj využitie najsľubnejších genetických zdrojov plodín (moderné vs. krajové odrody a pôvodní predkovia), zeleniny a tradičných plodín s potravinárskym a farmakologickým použitím.
Cieľom fenomiky a jej nástrojov (fenotypovania) je premostenie genomiky, funkcií rastlín a poľnohospodársky významných a hodnotných znakov fenotypu (napr. veľkosť zŕn, tolerancia na abiotické stresy, kvalitatívne znaky či úrodový potenciál) tak, aby sa dosiahol rýchly pokrok vo fyziologickom šľachtení záujmových plodín založenom práve na identifikácii a využití znakov fenotypu a k nim zodpovedajúcich génov.
Analýza fenotypu rastlín a tvorba databáz fenotypových znakov môže pomôcť prepojiť identifikované sekvencie génov so štruktúrou rastlín, morfológiou, charakteristikami rastu a vývinu, ale aj výkonnosťou v určitom definovanom prostredí. Databázy fenotypových znakov musia obsahovať údaje presne a objektívne namerané, najlepšie matematicky popísané, ktoré je možné ľahko digitalizovať a vyhľadávať na základe určitého kľúča. Musia obsahovať aj presné informácie v štandardizovanom formáte, tzv. meta údaje o vykonanom experimente, biologickom materiáli a rastových podmienkach, čo je potrebné z hľadiska možnosti porovnávania celých súborov fenotypových údajov a ich vzťahovania k transkripčným alebo metabolomickým údajom.
Moderné techniky kvantitatívnej analýzy fenotypu na populáciách rastlín s úplne sekvenovaným genómom predstavujú potenciál pre vedcov na identifikáciu dedičných znakov a komplexu regulačných sietí genómu, ktoré podmieňujú adaptačné zmeny fenotypu. Kvantifikácia fenotypov v kombinácii s genetickou analýzou umožňuje identifikovať a predikovať výskyt dedičných znakov, pričom tieto predikcie je možné robiť pre rôzne rastové regióny (oblasti) s cieľom vyselektovať špecifické genotypy pre poľné pokusy. Veľkou výzvou je implementovať tieto techniky vo všetkých stupňoch (platformách) fenomiky na rôznych druhoch a odrodách rastlín a tiež premostiť laboratórne a poľné fenotypovanie.
Skríning a súčasne meranie požadovaných fenotypových znakov je tiež dôležité pre maximálne využitie možností, ktoré ponúka technológia identifikovania a využívania genetických markerov. Poznanie fyziológie a biochémie rastlín bude extrémne dôležité pre správne interpretovanie získaných fenotypových rastrov.
Bude preto potrebné získať selekčné postupy pre určitý rozsah znakov napr. produktivity alebo tolerancie na abiotické stresy a pod., ktoré budú efektívne diskriminovať medzi testovanými genotypmi tie najvhodnejšie a ktoré môžu byť tiež aplikované na veľké populácie.
Cieľom pracoviska fyziológie rastlín na SPU v Nitre je rozvíjať základný a aplikovaný výskum v oblasti ekofyziológie, stresovej fyziológie a produkčnej ekológie rastlín pre testovanie genetických zdrojov poľnohospodárskych plodín na ich vyššiu produktivitu a toleranciu k suchu a ďalším faktorom klimatickej zmeny spoluúčinkujúcich so suchom (vysoká teplota, deficity minerálnej výživy a pod.). Popri detailných meraniach fotosyntézy individuálnych listov, je skúmaný fenotyp celistvých rastlín ako prejav súboru štrukturálnych, fyziologických a výkonnostných znakov genotypu cestou tzv. fenotypovania, poskytujúceho kvantitatívne a kvalitatívne hodnoty týchto znakov, ktoré sú výsledkom interakcie genotyp x prostredie.
Nový systém fenotypovania rastlín je založený na simultánnom snímaní, viacrozmernom zobrazovaní (imaging) a analýze a vyhodnocovaní obrazu celistvých rastlín. Je charakteristický vysokou výkonnosťou analýz v čase, vysokým časovým a priestorovým rozlíšením (separáciou) obrazu celých rastlín, ale aj ich orgánov, pletív či buniek do elementárnych organizačných jednotiek charakterizujúcich merané znaky, ale aj multidimenzionalitou fenotypových znakov (rôzne kategórie znakov pri rôznej časovej a priestorovej rozlíšiteľnosti poskytujúce multi-D obrazy).
Pracovisko rozvíja projektovú činnosť smerujúcu do oblasti agrobiologického výskumu a genetických zdrojov vhodných pre poľnohospodárstvo, bioenergetiku, kvalitu a bezpečnosť potravín a pod. V súčasnosti je partnerom projektu Horizont 2020 „EPPN 2020: European Plant Phenotyping Network 2020” a asociovaným členom konzorcia projektu ESFRI „ EMPHASIS – European Infrastructure : Multi-scale Plant Phenomics and Simulation for Food Security in a Changing Climate“.
Formou COST projektu je riešený projekt Hľadanie tolerantných odrôd – fenotypovanie na úrovni rastliny a bunky. Ide o akciu COST FA 1306 „The quest for tolerant varieties – phenotyping at plant and cellular level“. Projekt, ktorý končí v máji 2018, je zameraný na štúdium fyziologických, biochemických a štruktúrnych spektov somatickej embryogenézy, a teda vývinu embryí zo somatických buniek rastlinného organizmu v podmienkach in vitro. Proces zahŕňa niekoľko etáp: indukcia embryogénnych kultúr, dozrievanie somatických embryí, ich klíčenie a prenos regenerovaných rastlín do pôdy.
Do akcie je zapojený aj výskumný tím zo Slovenskej poľnohospodárskej univerzity (Nitra), keďže „phenotyping“ je zamerané najmä na poľnohospodárske plodiny. Slovenským zástupcom je RNDr. Terézia Salaj, DrSc. z Centra biológie rastlín a biodiverzity SAV. Celkovo v rámci projektu spolupracuje asi 28 európskych krajín, koordinátorom je profesor Sebastien Carpentier z Katolíckej univerzity v Leuvene (Belgicko).
Odborný garant textu: prof. Ing. Marián Brestič, CSc., Výskumné centrum AgroBioTech/Katedra fyziológie rastlín Fakulty agrobiológie a potravinových zdrojov, Slovenskej poľnohospodárskej univerzity v Nitre
Spracovala: Slávka Cigáňová (Habrmanová), NCP VaT pri CVTI SR
Fotografie poskytol: prof. Ing. Marián Brestič, CSc.
Uverejnila: VČ