Biotechnologia i biologia eksperymentalna roślin

Opis kierunku badawczego

Prace naukowe w zakresie biotechnologii i biologii eksperymentalnej roślin koncentrują się na następujących tematach badawczych:

1. Analiza struktury i ewolucji genomu roślinnego na poziomie cytomolekularnym.
Badania te obejmują analizę struktury chromatyny w różnych fazach cyklu komórkowego, analizę wielkości genomów jądrowych u różnych gatunków oraz fizycznej lokalizacji genów i niekodujących sekwencji DNA, w tym genów odpowiadających za ważne cechy użytkowe u roślin uprawnych. Przedmiotem badań jest również detekcja i charakterystyka przemian chromosomowych, zachodzących podczas procesów filogenetycznych, ontogenetycznych i w wyniku zabiegów biotechnologicznych. Oceniana jest także stabilność genomu roślinnego poddanego działaniu fizycznych i chemicznych czynników mutagennych. Badania prowadzone są często na gatunkach uznanych za modelowe, co zwiększa interdyscyplinarność i złożoność analiz.

2. Genomika funkcjonalna roślin uprawnych i modelowych.
Prowadzone badania mają na celu identyfikację i określenie roli genów związanych z wybranymi procesami rozwojowymi roślin oraz genów kontrolujących reakcję roślin na stresy abiotyczne. Podstawowymi obiektami badań są: gatunek uprawny (Hordeum vulgare) oraz modelowy (Arabidopsis thaliana). U H. vulgare badania dotyczą identyfikacji i charakterystyki działania genów: (1) kontrolujących rozwój systemu korzeniowego, ze szczególnym uwzględnieniem włośników; (2) związanych z metabolizmem brassinosteroidów i strigolaktanów w aspekcie ich roli w rozwoju pędu; (3) związanych z reakcję roślin na stresy abiotyczne ze szczególnym uwzględnieniem stresu niedoboru wody; (4) odpowiedzialnych za procesy naprawy DNA. Prowadzone są także prace nad określeniem roli epigenetycznych modyfikacji, w szczególności metylacji DNA, w adaptacji roślin do warunków stresowych. Odrębnym przedmiotem badań są genetyczne i epigenetyczne mechanizmy kontrolujące procesy regeneracji roślin w kulturze in vitro, badane u A. thaliana w aspekcie identyfikacji kluczowych genów determinujących plastyczność rozwojową roślin oraz ich regulacji na poziomie transkrypcyjnym i potranskrypcyjnym. U jęczmienia prowadzone są prace nad identyfikacją molekularnych mechanizmów prowadzących do albinizmu w kulturze izolowanych mikrospor in vitro.

3. Analizy morfogenetyczne i matematyczne modelowanie wzrostu i rozwoju organów roślinnych.
Badania dotyczą regulacji morfogenezy organów i tkanek roślinnych ze szczególnym uwzględnieniem morfogenezy wierzchołka korzenia i pędu oraz powstawania organów bocznych. Modelowanie oraz ilościowa analiza wzrostu i geometrii organów wzbogacone są badaniami biomechanicznych podstaw wzrostu, w tym roli cytoszkieletu i właściwości mechanicznych ściany komórkowej w regulacji wzrostu merystemów apikalnych i bocznych. Modelowanie matematyczne wzrostu z uwzględnieniem ukierunkowanych podziałów komórek i symulacje komputerowe oparte są na danych empirycznych. Umożliwia to w ujęciu biomechanicznym rozpoznawanie cech fenotypowych ważnych w hodowli roślin użytkowych.

4. Geneza i funkcja potencjałów elektrycznych u roślin.
Powstawanie elektrycznych gradientów jest fundamentalnym przejawem przekazywania sygnałów  u roślin. Badania dotyczą zmian potencjału membranowego plazmalemmy i modulacji aktywności wolnych kanałów wakuolarnych (SV channels) w odpowiedzi na światło, temperaturę, metale ciężkie, hormony i inne czynniki. W badaniach zastosowane są dwie podstawowe techniki – technika patch‑clamp i elektrod wewnątrzkomórkowych.

5. Analizy komunikacji symplastowej oraz udziału fizyko-chemicznych zmian ściany komórkowej w różnicowaniu komórek.
Mechanizmy różnicowania komórek roślinnych poznawane są w aspekcie komunikacji symplastowej oraz zmian fizyko-chemicznych ściany komórkowej. Badania komunikacji symplastowej dotyczą analizy tworzenia domen symplastowych w rozwoju roślin od zarodka do siewki oraz ich roli w powstawaniu tkanek i organów a także zmian tego procesu, wymuszanych warunkami środowiska. Analizy tego typu mogą się przyczynić się do pełniejszego poznania roli symplastu i apoplastu w rozwoju roślin, a co za tym idzie wykorzystania w przyszłości tej wiedzy do „projektowania” roślin o wymaganych cechach.

W badaniach wykorzystuje się następujące metody badawcze:

♦ cytometrię przepływową i obrazową;
♦ techniki cytogenetyki molekularnej, m. in. fluorescencyjną hybrydyzację DNA-DNA in situ i immunobarwienia;
♦ testy genotoksyczności (TUNEL, kometowy);
♦ techniki obrazowania 3D z wykorzystaniem mikroskopii konfokalnej i zaawansowanych metod cyfrowej obróbki obrazu;
♦ techniki edycji genomu i mutagenezy ukierunkowanej (system CRISPR/Cas9)
♦ transmisyjną i skaningową mikroskopię elektronową;
♦ markery molekularne (AFLP, SSR, SNP);
♦ klonowanie i sekwencjonowanie i DNA, w tym sekwencjonowanie z wykorzystaniem NGS;
♦ analizy transkryptomów z wykorzystaniem mikromacierzy DNA, Real-Time qPCR; RNA-seq
♦ metody analizy różnicowej proteomów;
♦ strategię TILLING;
♦ techniki bioinformatyczne;
♦ techniki kultur in vitro roślin, kultury pylnikowe, kultury izolowanych mikrospor i kultury protoplastów;
♦ techniki transformacji genetycznej z wykorzystaniem Agrobacterium;
♦ klasyczne pomiary elektrofizjologiczne; pomiary techniką patch clamp; komórkową sondę ciśnieniową;
♦ badania tensometryczne z wykorzystaniem testów reologicznych;
♦ modelowanie komputerowe wzrostu i rozwoju organów roślin z zastosowaniem metody tensora wzrostu w ujęciu biomechanicznym z wykorzystaniem metod numerycznych;
♦ immunohistochemia na poziomie mikroskopu świetlnego i elektronowego
♦ wykorzystanie fluorochromów do analizy komunikacji symplastowej w warunkach in vivo i in vitro na poziomie mikroskopu świetlnego (jasne pole i mikroskop konfokalny).