Πώς τα φυτά θα (ξανα)σώσουν τον κόσμο!

Ο πληθυσμός του πλανήτη αυξάνεται διαρκώς και η κλιματική αλλαγή μάς απειλεί με απρόβλεπτες συνέπειες. Ποια είναι τα δικά μας όπλα για την επιβίωση; Μελετώντας τη διαδικασία δημιουργίας των φύλλων, η ομάδα έλληνα ερευνητή αποκαλύπτει άγνωστους ως τώρα μηχανισμούς. Και δίνει ελπίδες για τη δυνατότητα προστασίας των φυτών που μας θρέφουν, προκειμένου να μην πεινάσουμε εμείς.
Τα βλέπουμε ακίνητα και αμίλητα, ριζωμένα στο χώμα και έρμαια των καιρικών συνθηκών και μας είναι δύσκολο να φανταστούμε τι συμβαίνει στις ζωές των φυτών. Ξεχνούμε δε παντελώς ότι σε αυτά χρωστούμε την ύπαρξή μας. Ναι, ναι, μη σας κάνει εντύπωση! Εξελικτικά η ύπαρξη των φυτών υπήρξε προϋπόθεση για τη δική μας ύπαρξη, ενώ στη συνέχεια τα φυτά υποστήριξαν και συνεχίζουν να υποστηρίζουν την επιβίωσή μας. Πάρτε για παράδειγμα την πράσινη επανάσταση που έλαβε χώρα στα μέσα του 20ού αιώνα. Αμφιβάλλει κανείς ότι η δημιουργία σταριού και ρυζιού με κοντύτερους βλαστούς και αυξημένη παραγωγή καρπού επέτρεψε τη σίτιση της ολοένα αυξανόμενης παγκόσμιας οικογένειας των ανθρώπων; Σήμερα, καθώς ο πληθυσμός της Γης αυξάνει εκρηκτικά, φαίνεται πως θα ξαναχρειαστούμε τη συνδρομή των σιωπηλών συντρόφων μας. Θα μπορέσουν άραγε τα φυτά να ξανακάνουν το ίδιο θαύμα; Τα τελευταία επιστημονικά δεδομένα δείχνουν πως ναι, το θαύμα μπορεί να ξανασυμβεί. Μόνο που αυτή τη φορά μάλλον θα προκύψει από τα φύλλα και όχι τους βλαστούς των φυτών.

Το μυστικό της ζωής κρύβεται στα φύλλα

Ακόμη και αν δεν έχει κανείς το παραμικρό ενδιαφέρον για τα φυτά, πιθανότατα έχει προσέξει ότι τα φύλλα τους εμφανίζουν μεγάλη ποικιλομορφία. Φανταστείτε τις βελόνες των πεύκων, τα φύλλα του πλάτανου, τα φύλλα της ελιάς ή της δάφνης, τα φύλλα του σπανακιού, του σέλινου, της φτέρης... Η εξελικτική ανάγκη που γέννησε τα διάφορα σχέδια στα φύλλα των φυτών είναι μάλλον προφανής: διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες ασκούν διαφορετικές πιέσεις στα φυτά τα οποία ανταποκρίνονται προσαρμόζοντας το σχήμα των φύλλων τους (και φυσικά όχι μόνο αυτό). Είναι λοιπόν αναμενόμενο ότι τα φύλλα των φυτών που είναι αναγκασμένα να μεγαλώνουν στη σκιά υψηλότερων συντρόφων τους στα τροπικά δάση, θα έχουν σχήμα ικανό να εκμεταλλευτεί το λιγοστό φως που δέχονται. Ομοίως, αναμενόμενες είναι οι προσαρμογές των παχύφυτων που αναπτύσσονται σε ερήμους κ.ο.κ.
Πώς όμως δημιουργούνται τα διαφορετικά σχήματα φύλλων; Μην υποτιμήσετε αυτό το ερώτημα! Η απάντησή του όχι μόνο δεν είναι εύκολη, αλλά προϋποθέτει την αποκάλυψη βασικών μυστικών της ζωής. Την πρόκληση να φωτίσει κατά το δυνατόν αυτά τα μυστικά, έθεσε στον εαυτό του ο έλληνας καθηγητής Αναπτυξιακής Γενετικής των Φυτών στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης κ. Μίλτος Τσιάντης, ο οποίος εξήγησε στο «ΒΗΜΑScience» το ενδιαφέρον του για τα φυτά και το σχήμα των φύλλων τους. « Τα φύλλα ως

ΤΑ ΣΤΟΜΑΤΑ ΠΟΥ ΜΑΣ ΘΡΕΦΟΥΝ ΟΛΟΥΣ!

Οι ποσότητες νερού και διοξειδίου του άνθρακα στα φύλλα των φυτών υπόκεινται σε αυστηρές ρυθμίσεις.Βασικός «τροχονόμος» των μετακινήσεών τους προς και από τα φύλλα είναι τα στόματα-δομές στις επιφάνειες των φύλλων (φωτογραφία αριστερά) που λειτουργούν ως πόροι που ανοιγοκλείνουν.Τα φυτά ανοίγουν τα στόματά τους προκειμένου να μειώσουν τη θερμοκρασία τους μέσω της αποβολής νερού και κλείνουν τα στόματα προκειμένου να συγκρατήσουν το νερό που τους χρειάζεται.Ετσι,ο έλεγχος του ανοίγματος και τους κλεισίματος των στομάτων είναι καθοριστικής σημασίας για τη φυσιολογία του φυτού και κατ΄ επέκταση για την επιβίωσή του.
Καθώς τα ανησυχητικά σενάρια για την υπερθέρμανση του πλανήτη και τις συνέπειές της πληθαίνουν,οι επιστήμονες που ασχολούνται με τη φυσιολογία των φυτών θεωρούν ότι η μελέτη και η καλύτερη κατανόηση της λειτουργίας των στομάτων είναι ζωτικής σημασίας στην περίπτωση που χρειαστεί να επέμβουμε για να στηρίξουμε την επιβίωση των φυτών.Παραδείγματος χάριν, έχει παρατηρηθεί ότι τα φυτά μειώνουν τον αριθμό των στομάτων τους ως ανταπόκριση στις αυξημένες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα (οι οποίες πάνε «χέρι χέρι» με την υπερθέρμανση).Αλλά η μείωση του αριθμού των στομάτων μειώνει την ικανότητά τους να διατηρούν τη θερμοκρασία τους σε χαμηλά επίπεδα,πράγμα το οποίο σε ακραίες περιπτώσεις μπορεί να αποβεί μοιραίο.
Θα βρεθούμε άραγε στην ανάγκη να αυξήσουμε τεχνητά τους αριθμούς των στομάτων στα φύλλα των φυτών,προκειμένου να ενισχύσουμε την ικανότητά τους να προσαρμοστούν στην αύξηση της θερμοκρασίας; Φαίνεται πως αν συμβεί το πρώτο,πιθανότατα θα είμαστε σε θέση να κάνουμε το δεύτερο,αφού πολλά από τα μοριακά μυστικά της δημιουργίας των στομάτων έχουν ήδη αποκαλυφθεί.Πρόσφατο παράδειγμα αποτελεί η απομόνωση του γονιδίου stomagen το οποίο,σύμφωνα με άρθρο ιαπώνων επιστημόνων στην επιθεώρηση «Νature» (τεύχος 462,14 Ιαν.2010,σελ 241-244),δρα αυξάνοντας τον αριθμό των στομάτων ανά φύλλο.
όργανα αποτελούν πολύ καλό υλικό για τη μελέτη της μορφογένεσης. Μελετώντας πώς τα φύλλα αποκτούν το τελικό σχήμα τους,μπορεί κανείς να διερευνήσει ορισμένα από τα πλέον θεμελιώδη ερωτήματα της βιολογίας. Σκεφτείτε το:από μερικά αδιαφοροποίητα κύτταρα προκύπτουν περίπλοκα όργανα και ιστοί, είτε πρόκειται για ανθρώπινα έμβρυα είτε για φύλλα δένδρων. Το ζητούμενο λοιπόν είναι να διερευνηθούν οι μηχανισμοί μέσω των οποίων καθορίζεται η τύχη των κυττάρων σε σχέση με το ευρύτερο πρόγραμμα ανάπτυξης του οργανισμού.Πρακτικά,αυτό που θελήσαμε εμείς να διερευνήσουμε είναι πού, πώς, πότε και προς ποια κατεύθυνση αυξάνουν τα κύτταρα στα φύλλα των δένδρων».

Ευελιξία στην ακινησία

Οι μελετητές της ανάπτυξης των φυτών πρέπει να λάβουν υπόψη στις εργασίες τους τη βασική ιδιαιτερότητα των φυτών που είναι η έλλειψη κίνησης. Αυτή δεν περιορίζεται μόνο στο ίδιο το φυτό, αλλά και στα κύτταρά του. Σε αντίθεση δηλαδή με τα έμβρυα των ζώων στα οποία παρατηρείται μεγάλη μετακίνηση κυττάρων κατά τη διάρκεια της ανάπτυξής τους, τα εμβρυϊκά κύτταρα των φυτών έχουν μια συγκεκριμένη θέση. Σύμφωνα με τον κ. Τσιάντη: «Η ακινησία τόσο των ίδιων των φυτών όσο και των κυττάρων τους έχει καθορίσει τον τρόπο που αναπτύσσονται και λειτουργούν τα φυτά. Τα έχει επίσης καταστήσει περισσότερο εξαρτημένα από το περιβάλλον τους. Παραδείγματος χάριν,ένα ζώο μπορεί να τρέξει και να κρυφτεί σε περίπτωση καταιγίδας. Ενα δένδρο που δεν μπορεί να μετακινηθεί,πρέπει να διαθέτει ευλυγισία».
Τα διαφορετικά όργανα των φυτών προκύπτουν από ομάδες αδιαφοροποίητων κυττάρων τα οποία δημιουργούν το μερίστωμα. (Τα μεριστωματικά κύτταρα αποτελούν το φυτικό αντίστοιχο των βλαστικών κυττάρων των ζωικών οργανισμών). Τα μεριστώματα από τα οποία προκύπτουν τα φύλλα στο φυτό Cardamine hirsuta, έναν εξάδελφο του μπρόκολου, μελέτησε η ερευνητική ομάδα του κ. Τσιάντη προκειμένου να διαλευκάνει τους μοριακούς μηχανισμούς που οδηγούν τα αδιαφοροποίητα μεριστωματικά κύτταρα να δημιουργήσουν τις χαρακτηριστικές δομές του φύλλου. Αν και με γυμνό μάτι τα φύλλα ενός φυτού μπορεί να φαίνονται ίδια, ιδωμένα με τη βοήθεια μικροσκοπίου αποκαλύπτουν ότι αποτελούνται από διαφορετικά κύτταρα: άλλη μορφή και διάταξη στον χώρο έχουν τα κύτταρα στο πάνω μέρος του φύλλου, άλλη στο κάτω και άλλη εκείνα που βρίσκονται στη μέση. Τις δυνάμεις που οδηγούν στη δημιουργία αυτών των διαφορετικών κυτταρικών τύπων αναζήτησε λοιπόν η ομάδα Τσιάντη και όπως αποδεικνύεται από σειρά εργασιών οι οποίες δημοσιεύθηκαν σε επιστημονικά περιοδικά τα τελευταία χρόνια ανακάλυψε πολλά: όχι μόνο εντόπισε μια σειρά από γονίδια τα οποία σχετίζονται με τη μορφογένεση των φύλλων (π.χ. γονίδια ΚΝΟΧ) αλλά διαλεύκανε και τους μηχανισμούς μέσω των οποίων επιτυγχάνεται αυτό. Ειδικότερα, αποκάλυψε ότι ο κυτταρικός τύπος καθορίζεται μέσω ενός αμοιβαίου ανταγωνισμού κατά τη διάρκεια της αύξησης των φύλλων.

Ανταγωνισμός και συνεργασία

Τα μυστικά του καθορισμού της κυτταρικής ταυτότητας των φύλλων του φυτού Cardamine hirsuta διερευνά ο έλληνας βιολόγος Μίλτος Τσιάντης στην Οξφόρδη « Η ανάπτυξη ενός φύλλου είναι προϊόν ενός εσωτερικού ανταγωνισμού μεταξύ διαφόρων κυτταρικών πληθυσμών ο οποίος πάντως φαίνεται απαραίτητος για τη μορφογένεση» λέει ο έλληνας ερευνητής και εξηγεί: «Τα κύτταρα στην πάνω επιφάνεια των φύλλων υιοθετούν τη συγκεκριμένη ταυτότητα έπειτα από ενεργό αποσιώπηση των γονιδίων που απαιτούνται για τη δημιουργία κυττάρων της κάτω επιφάνειας. Αντίστοιχα, στα κύτταρα της κάτω επιφάνειας λαμβάνει χώρα αποσιώπηση των γονιδίων που απαιτούνται για τη δημιουργία κυττάρων της πάνω επιφάνειας ». Αξίζει να σημειωθεί ότι ο ίδιος «ανταγωνιστικός» μηχανισμός βρέθηκε να ισχύει και κατά την ανάπτυξη βλαστών και ριζών. Με άλλα λόγια, η ομάδα του έλληνα ερευνητή έφερε στο φως έναν γενικευμένο μηχανισμό ελέγχου της τύχης των κυττάρων των φυτών.
Οσο για το αρχικό ερώτημα της εξωτερικής μορφολογίας των φύλλων, οι ερευνητές ανακάλυψαν το εξής: τα ίδια γονίδια ενεργοποιούνται είτε πρόκειται για τη δημιουργία ενός απλού είτε για τη δημιουργία ενός περίπλοκου φύλλου. Βασικοί πρωταγωνιστές είναι τα γονίδια της οικογένειας Κnox η δράση των οποίων, σύμφωνα με τα ευρήματα του κ. Τσιάντη και των συνεργατών του, αποτελεί ικανή και αναγκαία συνθήκη για τον σχηματισμό σύνθετων φύλλων. Το πότε και πού θα εκφραστούν τα γονίδια αυτά ελέγχεται από τη δράση ενός άλλου γονιδίου, του ΑRΡ. Ετσι, γονίδια τύπου ΚΝΟΧ τα οποία στα απλά φύλλα εκφράζονται μόνο στο μερίστωμα, στα φύλλα της Cardamine hirsuta εκφράζονταιι και μέσα στο αναπτυσσόμενο φύλλο με αποτέλεσμα να του δίνει τη σύνθετη μορφολογία. Αξίζει να σημειωθεί ότι τα ΚΝΟΧ γονίδια δρουν και στις δύο περιπτώσεις μέσω της ορμόνης αυξίνης η οποία προωθεί την κατευθυνόμενη αύξηση συγκεκριμένων κυττάρων. Αυτό σημαίνει ότι ένας μηχανισμός που επινοήθηκε εξελικτικά για τη δημιουργία απλών φύλλων επαναχρησιμοποιήθηκε για να δώσει σύνθετα φύλλα.
Η επόμενη πράσινη επανάσταση
Μπορούν άραγε τα ευρήματα του κ. Τσιάντη και των συνεργατών του να αξιοποιηθούν για τη δημιουργία φυτών με μεγαλύτερη αποδοτικότητα; Ολα δείχνουν πως ναι. Σύμφωνα με τον δρα Αndrew Fleming του Πανεπιστημίου του Σέφιλντ στο Ηνωμένο Βασίλειο, ο οποίος ασχολείται επίσης με τη μελέτη του σχήματος των φύλλων των φυτών, « βρισκόμαστε σε ένα στάδιο όπου μπορούμε να συναρμολογήσουμε το παζλ της δημιουργίας των φύλλων των φυτών. Αυτό ανοίγει τον δρόμο για πειράματα αλλαγής του σχήματοςμε κατευθυνόμενο τρόπο. Φυσικά, όχι για να δημιουργήσουμε φυτά με περίεργα ή αισθητικά ενδιαφέροντα φύλλα! Από τα ευρήματά μας μπορεί να προκύψει η επόμενη πράσινη επανάσταση,η δημιουργία φυτών με σημαντικά αυξημένη απόδοση και πιθανότατα καλύτερα προσαρμοσμένων στην ολοένα αυξανόμενη θερμοκρασία του πλανήτη ».
Σχετικά με αυτή την προοπτική ο κ. Τσιάντης αισθάνεται την ανάγκη να επισημάνει: « Πιθανόν οι έρευνές μας να έχουν εφαρμογές.Θα ήθελα όμως να τονίσω ότι η αναπτυξιακή βιολογία αποτελεί μια ανεξάρτητη περιοχή γνώσης η οποία βοηθά να κατανοήσουμε τον κόσμο γύρω μας και μπορεί να έχει εφαρμογές, όχι κατ΄ ανάγκη με προβλέψιμο τρόπο. Εκτιμώ ότι η έρευνα δεν πρέπει να γίνεται χρησιμοθηρικά, διότι έτσι αποκλείονται περιοχές γνώσης που δεν φαίνονται επωφελείς σε μια δεδομένη χρονική στιγμή, αλλά που θα μπορούσαν να φανούν πολύ χρήσιμες αργότερα ».
Ανεξάρτητα πάντως από το αν γίνεται χρησιμοθηρικά ή όχι, φαίνεται ότι το πεδίο της αναπτυξιακής βιολογίας των φυτών θα είναι εγκαίρως έτοιμο για μια δεύτερη πράσινη επανάσταση.

«C4 RICE PROJECT» ΓΙΑ ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΟ ΡΥΖΙ!

Στο ρύζι βασίζεται η διατροφή της πλειονότητας των ανθρώπων. Εύλογες λοιπόν οι προσπάθειες των επιστημόνων να αυξήσουν την αποδοτικότητά του Το ρύζι αποτελεί τη βασική πηγή υδατανθράκων για τεράστιο τμήμα του ανθρώπινου πληθυσμού.Δεν είναι λοιπόν περίεργο το γεγονός ότι μια σειρά επιστημονικών προγραμμάτων στοχεύει στην αύξηση της απόδοσής του.Ισως το πλέον φιλόδοξο από αυτά να είναι το Πρόγραμμα Ρύζι C4 (C4 rice project) το οποίο υποστηρίζεται από το Ιδρυμα Βill and Μelinda Gates και για το οποίο εργάζεται πλήθος επιστημόνων ανά τον κόσμο.
Η ιδέα είναι να ενισχυθεί η φωτοσύνθεση,η διαδικασία μέσω της οποίας τα φυτά αξιοποιούν την ηλιακή ακτινοβολία προκειμένου να μετατρέψουν το διοξείδιο του άνθρακα που δεσμεύουν από την ατμόσφαιρα σε σάκχαρα.(Ο λόγος που τα φυτά ονομάζονται αυτότροφοι οργανισμοί είναι ακριβώς αυτός: η ικανότητά τους να εκμεταλλεύονται την ηλιακή ακτινοβολία για την παραγωγή τροφής.Περιττό να πούμε ότι εμείς οι ετερότροφοι οργανισμοί δεν θα είχαμε ποτέ εμφανιστεί σε αυτόν τον πλανήτη αν δεν είχαν προϋπάρξει τα φυτά.)
Κεντρικής σημασίας για την αποδοτικότητα της φωτοσύνθεσης είναι το ένζυμο rubisco,πάνω στο οποίο δεσμεύεται το διοξείδιο του άνθρακα.Το πρόβλημα με αυτό το ένζυμο είναι ότι μπορεί επίσης να δεσμεύσει το οξυγόνο,πράγμα που μειώνει την αποδοτικότητα της φωτοσύνθεσης.Η πλειονότητα των φυτών φωτοσυνθέτει με τον μηχανισμό που ονομάζεται C3 και ο οποίος είναι ο αρχαιότερος εξελικτικά.Ωστόσο κάποια τυχερά φυτά αξιοποιούν τον μηχανισμό C4,με τον οποίο μειώνονται οι πιθανότητες το ένζυμο rubisco να έλθει σε επαφή και άρα να δεσμεύσει οξυγόνο.
Βασική προϋπόθεση για τη C4 φωτοσύνθεση είναι η μορφολογία των φύλλων και η χωροταξία των κυττάρων μέσα σε αυτά.Ειδικότερα,ενώ στα C3 φυτά το διοξείδιο του άνθρακα διαχέεται σε κάθε κύτταρο και «συλλαμβάνεται» από το rubisco,τα φυτά C4 διαθέτουν ομόκεντρους κύκλους κυττάρων τα οποία κατευθύνουν το διοξείδιο του άνθρακα σε εξειδικευμένα κύτταρα τα οποία είναι γεμάτα rubisco.
Καθώς το ρύζι είναι ένα φυτό C3, στόχος του προγράμματος είναι η μετατροπή του σε φυτό C4, πράγμα το οποίο θα βελτιώσει την αποδοτικότητά του. Προς το παρόν οι ερευνητές αναζητούν τα γονίδια τα οποία ευθύνονται για την κυτταρική χωροταξία στα φύλλα του ρυζιού.