Žmonija nuo neatmenamų laikų siekia pritaikyti augalų ir gyvūnų savybes savo poreikiams. Tokia kryptinga veikla lėmė, kad kultūriniai augalai kartais neatpažįstamai skiriasi nuo savo laukinių protėvių. Tačiau pastaraisiais dešimtmečiais, ypač išaugus ir žmonių skaičiui, ir vartojimui, pasaulyje būtini nauji postūmiai šiam procesui spartinti. Augalų selekcininkai bei genetikai visame pasaulyje vienija jėgas, kurdami naujus genetinius bei biotechnologinius metodus spartesnei augalų selekcijai.

Pastaruoju metu augalų genetikai ir biotechnologai sulaukia daug dėmesio, visuomenė domisi jų darbais, tačiau ne visuomet palankiai žvelgia į praktiškai taikomas genetikos mokslo naujoves.

Genetikos ir fiziologijos (GFL) laboratorijos mokslininkai nuo pat įkūrimo pradžios plėtoja daugiamečių žolių (svidrių, eraičinų, šunažolių, dobilų ir kt.) bei javų (kviečių, miežių) genetinius tyrimus, kurie padėtų modernizuoti selekciją. Šiuo metu GFL yra viena moderniausių Lietuvoje žemės ūkio srityje dirbančių laboratorijų. Vykdoma mokslinių tyrimų tematika bei šiuolaikiškų metodų įvairove GFL neatsilieka nuo panašaus profilio įstaigų užsienio šalyse.

Javai ir žolės – sudėtingi augalai

Javai ir ypač pašarinės žolės yra sudėtingas tyrimų objektas. Jie nepriklauso modeliniams augalams, naudojamiems genetikos ir fiziologijos tyrimuose. Sudėtingumą lemia genetinė prigimtis – dauguma tiriamų rūšių augalų yra daugiamečiai, kryžmadulkiai, o analizuojami požymiai kiekybiniai. Todėl genetiniai ir biotechnologiniai tyrimai reikalauja nuoseklių bandymų ir laiko. Reikia pažymėti, kad javai, o ypač daugiametės žolės, kaip „nepatogūs“ tyrimo objektai, yra mažai ištyrinėti, todėl visų laboratorijoje atliekamų tyrimų rezultatai yra svarbūs, nes papildo palyginti negausias molekulinės biologijos ir genetikos žinias šioje srityje. Manoma, kad tai, ką naujo šiandien atranda mokslas, žemės ūkio praktikoje bus naudojama maždaug po 10 metų.

Laboratorijos tyrimų tikslas – pageidaujama linkme keisti agronomiškai svarbius požymius (derlingumą, pašaro kokybę, atsparumą žiemojimui, sausrai, ligoms ir kt.) ir užtikrinti šių požymių paveldėjimą. Laboratorijos specifika yra ta, kad tradiciniai selekcijos metodai (atranka, vidurūšiniai kryžminimai, sintetinių populiacijų kūrimas, poliploidija, mutagenezė) derinami su naujais genetiniais-biotechnologiniais metodais: audinių ir organų kultūra, mikroklonavimu, tolimąja hibridizacija, genų introgresija, haploidų kūrimu, molekulinių žymenų taikymu, fluorescensine in situ hibridizacija (FISH) ir kitais.

Fundamentalieji ir praktiniai tyrimai

LŽI genetikų, kaip ir visų žemės ūkio srityje dirbančių genetikų, darbai susideda iš dviejų dalių. Viena dalis – tai fundamentalieji genetiniai ir biotechnologiniai tyrimai, kita – praktiškoji – kokybiškos naujos selekcinės medžiagos kūrimas.

Tradiciniai augalų selekcijos metodai neleidžia išsiveržti iš sistematikos nubrėžtų rėmų, todėl susiaurėja genetinio kintamumo galimybės. O juk selekcinio darbo sėkmė priklauso nuo pradinės selekcinės medžiagos įvairovės ir priemonių šiai įvairovei kurti. Modernių biotechnologinių metodų panaudojimas leidžia išplėsti kintamumo ribas ir sutrumpinti naujų veislių kūrimo laiką.

Didelė darbų dalis remiasi tarpgentine ir tarprūšine hibridizacija, kai tradiciškai kryžminamos dvi pakankamai tolimos rūšys. Kitas kelias sujungti skirtingų rūšių požymius yra pagal specialias kryžminimo schemas vykdoma genų introgresija. Daug metų atliekama svidrių ir eraičinų hibridizacija. Svidrės yra derlingos, geros kokybės pašarinės žolės, tačiau jos blogai žiemoja. Kryžminant su eraičinais, į svid­rių genomą buvo perkelti eraičinų genai, lemiantys atsparumą šalčiui. Šiuo metu jau yra sukurtos kelios eraičinsvidrių veislės – Punia‚ Pūga ir Vėtra (autoriai A. Sliesaravičius, St. Nekrašas, R. Dapkienė).

Laboratorijoje atliekami ir dobilų tarprūšiniai kryžminimai. Siekiama pagerinti raudonųjų dobilų sėklingumą, įvedant į jų genomą laukinių dobilų Trifolium diffusum (Lietuvoje natūraliai neauga) genus, lemiančius savidulką. Šiuo metu lauko bandymuose vertinamos tarprūšinių hibridų linijų agrobiologiniai požymiai. Nors pasaulyje dar nėra registruotų tarprūšinio kryžminimo metodu gautų dobilų veislių, šia kryptimi intensyviai dirbama užsienio šalyse, ypač Didžiojoje Britanijoje.

Kviečiai apdulkinami kukurūzų žiedadulkėmis

Laboratorijoje daug metų naudojama moderni dvigubų haploidų kūrimo metodika, leidžianti paspartinti kviečių selekcijos procesą 3–4 metais. Tam naudojamas tolimųjų kryžminimų metodas, kai kviečiai apdulkinami kukurūzų žiedadulkėmis. Susiformavusiame gemale kukurūzo chromosomos eliminuojasi, todėl išauginto kviečio augalas turi haploidinį (viengubą) chromosomų rinkinį. Vėliau šis haploidas yra veikiamas mutagenu kolchicinu, kuris sudvigubina chromosomas. Tokie augalai yra genetiškai gryni, nes ląstelių branduoliuose poras sudarančios chromosomos yra identiškos (vienodos).

Dvigubuose haploiduose iš karto išryškėja ir teigiamos, ir neigiamos savybės, nes visi genai yra homozigotinės būklės. Labai paranku tai, kad dvigubuose haploiduose nepasireiškia požymių skilimas, būdingas tradiciniais metodais kuriamoms veislėms. Laboratorijos darbuotojai selekcininkams kasmet perduoda kelis šimtus sukurtų grynųjų kviečių linijų. Per veiklos laiką GFL darbuotojai sukūrė ir perdavė selekcininkams derlingas poliploidines svidrių, eraičinų, šunažolių ir dobilų linijas.

Atradimai žolių evoliucijoje

Naują tyrimų kokybę laboratorijos darbai įgavo po to, kai prieš kelerius metus buvo įdiegtas fluorescensinis diferencialinis chromosomų dažymas (GISH). Šis metodas idealiai tinka tarpgentiniams hibridams ir introgresinėms linijoms tirti. Po sudėtingų manipuliacijų chromosomos (arba jų segmentai), priklausančios skirtingoms rūšims, nusidažo skirtingomis spalvomis. Taikant šį metodą, aptinkami genominiai naujadarai, nustatomi filogenetiniai rūšių ryšiai, identifikuojami chromosominiai segmentai, lemiantys svarbias savybes. Bendradarbiaujant su Didžiosios Britanijos mokslininkais, eraičinsvidrėse buvo lokalizuoti atsparumo sausrai genai, kurie buvo perkelti iš eraičino genomo į svidrės chromosomas. Pavyko atskleisti kai kuriuos esminius aspektus žolių evoliucijos srityje. Pavyzdžiui, įrodyta, kad natūralaus gamtinio hibrido nendrinio eraičino rūšies susidaryme dalyvavo ne tik dvi eraičinų rūšys, bet ir svidrės. Nustatyta, kad ši eraičinų rūšis savo genome yra „apgyvendinusi“ svidrių genomo blokus. Šie pastebėjimai svarbūs, aiškinant rūšių evoliucijos mechanizmus. Doktorantė Laisvė Lideikytė tiria, kokie yra tėvinių genomų sąveikos ir jų stabilizavimosi dėsningumai svidrių ir eraičinų hibriduose (eraičinsvidrėse).

GFL nuo 1997 m. plačiai naudojamos molekulinių-biocheminių žymenų sistemos: izofermentų ir DNR atspaudų analizė. Molekuliniai žymenys – tai elektros lauke išsidėstę polipeptidų arba DNR frag­mentai. Analizuojant jų pasiskirstymą, išskaitoma svarbi informacija apie genetinį polimorfiškumą, genotipų ar populiacijų giminingumą. Augalų selekcijai ypač svarbu, kad molekuliniais žymenimis atliekamas veislių bei atskirų genotipų identifikavimas ir požymių ženklinimas. Laboratorijos darbuotojams pavyko aptikti izofermentų ir DNR žymenų, specifiškai ženklinančių žolių ir javų rūšis, identifikuojančių veisles bei genotipus.

Europoje šiuo metu ypač padidėjo susidomėjimas ankštiniais (pupiniais) augalais, o jų genomas tyrinėtas dar labai mažai. GF laboratorijoje aptiktas izofermentų polimorfizmas, specifiškai ženklinantis skirtingas dobilų rūšis ir tinkantis hibridams identifikuoti. Gauti taip pat DNR ­žymenys dobilų rūšims ir tarprūšiniams hibridams identifikuoti. Ieškoma žymenų, tinkamų požymiams žymėti.

Susidomėjimas laukiniais augalais

GFL drauge su selekcininkais nuo 1997 m. dalyvauja Europos augalų genetinių išteklių išsaugojimo bei Šiaurės šalių ir Baltijos valstybių genetinių išteklių tyrimų programose. Kasmet organizuojamos ekspedicijos Lietuvoje ir kaimyninėse šalyse, kurių metu natūraliose augimvietėse renkamos laukinių augalų (svid­rių, eraičinų, šunažolių, dobilų, liucernų, garždenių, smilgų, motiejukų, miglių ir kitų) sėklos.

Dalis surinktų sėklų padedamos į Genų banko (įsikūrusio tame pačiame pastate kaip ir LŽI Augalų selekcijos centras) saugyklas ilgam saugojimui, dalis išsėjama į lauko bandymų laukelius. Tada augalai įvertinami, palyginami su kultūrinių augalų veislėmis. Pastaruoju metu mokslininkai tarsi iš naujo atrado laukines augalų populiacijas. Visame pasaulyje jaučiamas susidomėjimas jomis kaip vertinga selekcine medžiaga. Lietuvos žemdirbystės instituto selekcininkai laukinių populiacijų pagrindu jau išvedė eraičinų (Gludas), miglių (Gaja, Danė, Klotė‚ Galvė), liucernų (Arka) veisles.

Tarptautinių programų svarba

GFL darbuotojai kartu su kitomis mūsų šalies ir užsienio mokslo įstaigomis dalyvauja tarptautinėse programose. Ypač reikšmingas buvo dalyvavimas 2002–2006 m. Europos Sąjungos finansuojamame projekte EU Framework 5. Siekdamos praplėsti molekulinės biologijos metodų panaudojimą svidrių selekcijoje, aštuonios Europos mokslo bei viena verslo institucija inicijavo tarptautinį projektą kodiniu pavadinimu GRASP, kurio tikslas – identifikuoti maždaug šimtą daugiametės svid­rės genų bei sukurti molekulinius žymenis šiems genams ženklinti. Tai leistų automatizuoti svidrių atranką pagal norimą požymį.

LŽI užduotis GRASP projekte buvo identifikuoti penkis svidrės genus, atsakingus už pažastinių stiebų vystymąsi, ir sukurti SNP (vieno nukleotido polimorfiškumas) žymenis šiems genams ženklinti. Tyrimams buvo pasirinktas daugiametės svidrės mutantas VIROIZ, indukuotas poliploidizacijos metu. Šis mutantas formuoja šliaužiančiuosius stiebus, nebūdingus daugiametei svidrei.

Genams identifikuoti taikyti du metodai. Pagal pirmąjį, sekų homologijos metodą, buvo ieškoma panašią funkciją turinčių ir jau identifikuotų kitų augalų rūšių (kukurūzų, kviečių, ryžių) genų. Taikant antrąjį metodą, buvo lyginama genų raiška mutavusių ir kontrolinių svidrių augalų stiebuose. Pritaikius abu metodus, sėk­mingai identifikuoti penki genai, kurių reikšmė pažastinių ūglių vystymesi šiuo metu tikrinama populiaciniais tyrimais. Šiame projekte dalyvavo 8 Europos šalys, garsėjančios stipriais žolių selekcijos ir genetikos centrais: Danija, Didžioji Britanija, Nyderlandai, Belgija, Vokietija, Lietuva, Prancūzija, Norvegija.

Nuo 2001 iki 2006 metų laboratorijos specialistai dirbo projektuose COST851 „Gametinės ląstelės ir molekulinė selekcija kultūrinių augalų pagerinimui“ ir COST852 „Kokybiškos, turtingos ankštinių pašarų sistemos Europos kontrastingomis aplinkos sąlygomis“. 2003–2004 m. kartu su Norvegijos žemės ūkio universitetu buvo vykdomi tikrųjų eraičinų DNR polimorfizmo tyrimai. 2005–2007 m. kartu su Norvegijos mokslininkais genetiškai vertinami eraičinsvidrių hibridai.

GFL darbuotojai nuo 1999 m. kasmet vykdo biotechnologinius tyrimus, kuriuos finansuoja Lietuvos Valstybinis mokslo ir studijų fondas (LVMSF). Šiais metais fondas remia projekto „Tarpmikrosatelitinių (ISSR) žymenų taikymas daugiamečių pašarinių žolių požymiams ženklinti“.

Bendri darbai su selekcininkais

Naujų augalų veislių kūrimas yra ilgas procesas, reikalaujantis daug patirties bei pastangų. Genetikos ir fiziologijos laboratorijos mokslininkai, siekdami moderniais biotechnologiniais metodais paspartinti naujų veislių sukūrimą, glaudžiai bendradarbiauja su LŽI selekcininkais. Šiais metais parengtas bendras mokslinių tyrimų projektas „Kviečiai specialios paskirties biopolimerams (KVIETPOLIMER)“. Projektas, kaip puikiai atspindintis šių dienų aktualijas, LVMSF ekspertų buvo įvertintas teigiamai ir jam paskirtas finansavimas. Tyrimų tikslas – molekulinės biologijos ir kombinacinės selekcijos metodais sukurti kviečių veisles ir linijas, skirtas bioetanolio bei specializuoto krakmolo gamybai. Nors projekto įgyvendinimo laikas – treji metai – yra aiškiai per trumpas naujoms veislėms sukurti, tačiau jo metu bus identifikuoti nauji genai, kontroliuojantys krakmolo biosintezę, taip pat sukurta vertinga pradinė medžiaga selekcijai – nauji genotipai.

LŽI GFL darbuotojai ir doktorantai, siekdami kelti mokslinę kvalifikaciją, turi galimybių išvykti į stažuotes užsienio mokslo įstaigose. Nuo 1991 iki 2007 m. darbuotojai stažavosi Didžiojoje Britanijoje, Danijoje, Islandijoje, Lenkijoje, Prancūzijoje, Nyderlanduose ir Švedijoje.

Per visą gyvavimo laikotarpį GFL paruošta 13 daktaro ir 3 habilituoto daktaro disertacijos. Prieš penkerius metus laboratorijos mokslininkams už darbą „Tradicinės ir moderniosios genetikos sintezė, kuriant naujo tipo varpinių pašarinių žolių veisles“ autorių kolektyvui (I. Pašakinskienė, A. Sliesaravičius, H. Černiauskas) įteikta valstybinė premija. Tai labai aukštas GFL ir selekcininkų darbo įvertinimas.

***

Genetikos ir fiziologijos laboratorija (GFL) įkurta 1975 m. Lietuvos žemdirbystės institute kaip Augalų selekcijos centro padalinys. Įkūrėjas ir pirmasis vedėjas prof. habil. dr. Algirdas Sliesaravičius laboratorijai vadovavo nuo iki 1993 m. Vėliau ne kartą keitėsi laboratorijos pavadinimas ir vedėjai. Nuo 1998 m. GFL darbui vadovavo prof. habil. dr. Izolda Pašakinskienė, kuri 2007 m. vadovo vairą perdavė dr. Gintarui Brazauskui. Šiuo metu laboratorijoje dirba 4 mokslo darbuotojai, 3 doktorantai, keli laborantai. Diplominius darbus rengia universitetų bakalaurai ir magistrai.

Genetika – mokslas, tiriantis organizmų paveldimumą ir kintamumą, jų paveldimos informacijos įsikūnijimą

Genomas – genų visuma ląstelės branduolio viengubame (haploidiniame) chromosomų ­rinkinyje

Haploidas – organizmas, kūno ląstelių branduoliuose turintis viengubą chromosomų rinkinį

Homologija – organų, turinčių bendrą sandaros planą, išsivystančių iš panašių užuomazgų, bet atliekančių skirtingas funkcijas, panašumas

Homozigota – ląstelė arba organizmas, kurio abiejų homologinių chromosomų tame pačiame lokuse yra tas pats genas

Mutagenezė – organizmų paveldimų pakitimų (mutacijų) atsiradimo procesas

Poliploidas – individas, kurio ląstelių branduoliuose yra keli vienodi chromosomų rinkiniai