Opus 20 – granty dla naukowców z UPWr

Najwięcej na swój projekt zdobył prof. Robert Kupczyński, bo aż 1 287 608 złotych – zajmie się poszukiwaniem zastosowań związków naturalnych, takich jak olejki eteryczne, czy związki polifenolowe w profilaktyce zwierząt, żywieniu i ochronie środowiska.

– Olejki eteryczne to lotne hydrofobowe mieszaniny wtórnych metabolitów otrzymywanych z roślin. Znamy właściwości biologiczne tych związków, nauka potwierdziła, że ich działanie bakterio- i grzybobójcze jest efektem budowy chemicznej. I oczywiście olejki eteryczne mają zastosowanie w ochronie zdrowia, przemyśle spożywczym, czy kosmetologii, ale coraz częściej wykorzystuje się je także w produkcji zwierzęcej – tłumaczy prof. Robert Kupczyński z Katedry Higieny Środowiska i Dobrostanu Zwierząt UPWr.

Olejki wykorzystywane są więc jako środki przeciwdrobnoustrojowe i przeciwpasożytnicze, poprawiają strawność pasz, ale też redukują emisję metanu. Prof. Kupczyński w realizowanym projekcie zajmie się oddziaływaniem wybranych olejków eterycznych i ich mieszanin, ennacjomerów i tiopochodnych na mikrobiom żwacza krów, biouwodorowanie kwasów tłuszczowych, metanogenezę (in vitro i in vivo) oraz metabolizm i cechy funkcjonalne mleka, w tym profil kwasów tłuszczowych i jego aromat.

Mamy szansę na odkrycie najnowszej metody redukcyjnej emisji metanu od przeżuwaczy, a to z kolei będzie istotne zarówno dla rozwoju podstaw naukowych zootechniki, czy mikrobiologii, jak i chemii produktów naturalnych

– Wiemy, że istnieje proste przełożenie pomiędzy profilem mikroorganizmów żwacza, a ilościowym i jakościowym składem kwasów tłuszczowych mleka. Ale my po raz pierwszy zbadamy wpływ odpowiednich olejków eterycznych, dominujących w ich składzie składników optycznie czynnych, jak i ich tiopochodnych na mikrobiom żwacza krów. Będziemy też izolować kluczowe szczepy bakterii żwacza, hodować je w warunkach beztlenowych i potwierdzać ich przynależność gatunkową. Uzyskany w ten sposób bank modelowej mikroflory żwaczowej będzie następnie badany pod kątem reakcji na poszczególne olejki eteryczne i ich enancjomery – mówi prof. Robert Kupczyński i dodaje, że prowadzone badania mają przekierować profil mikrobiomu wpływając na liczebność wybranych szczepów bakterii.  W efekcie dzięki zmianie mikrobiomu zmieni się biouwodorowanie kwasów tłuszczowych, a w konsekwencji ich zawartość w mleku, a przy okazji krowy będą produkować mniej metanu, który jest produktem ubocznym fermentacji przebiegającej w żwaczu.

– Mamy szansę na odkrycie najnowszej metody redukcyjnej emisji metanu od przeżuwaczy, a to z kolei będzie istotne zarówno dla rozwoju podstaw naukowych zootechniki, czy mikrobiologii, jak i chemii produktów naturalnych – uśmiecha się prof. Kupczyński.

Dr Piotr Stępień Instytutu Nauk o Glebie i Ochrony Środowiska na badania dostanie 751 740 złotych. Jego projekt zajął w kraju pierwsze miejsce na liście rankingowej NCN panelu NZ9 – Podstawy stosowanych nauk o życiu. Aktualnie przebywa na uniwersytecie w Manchesterze, a jego zainteresowania naukowe dotyczą odpowiedzi roślin na stresy środowiska takie jak susza, zasolenie czy ekstremalne temperatury oraz poszukiwania sposobów, które mogą ograniczać negatywne skutki działania takich czynników stresowych.

Jak przypomina dr Stępień, globalne zmiany klimatyczne oznaczają coraz cieplejsze zimy, suche lata, wzrost częstotliwości ekstremalnych zjawisk pogodowych, z jednej strony susz i fal upałów, a z drugiej burz i powodzi. Przy rosnącym zapotrzebowaniu na żywność oznacza to nowe wyzwania dla rolnictwa i zmiany w dotychczasowych systemach upraw.

– Mówiąc wprost, będziemy potrzebować roślin, które dają większe plony, a jednocześnie są w stanie przetrwać ekstremalne warunki środowiskowe. Roślina reaguje na stres wzrostem produkcji reaktywnych form tlenu (RFT), cząsteczek, które uszkadzają białka, lipidy i DNA. Głównym źródłem RFT u roślin w warunkach stresu jest proces fotosyntezy, podczas którego elektrony z fotosystemów mogą w wyniku zaburzeń zostać przekierowane na tlen cząsteczkowy – tłumaczy dr Stępień i dodaje, że organizmy roślinne wykształciły kompleksowy system obrony antyoksydacyjnej, który chroni je przed uszkodzeniami, jednocześnie jednak działanie tego systemu wiąże się z wysokim obciążeniem energetycznym. Alternatywną strategią mogłoby być unikanie tworzenia RFT, osiągane na drodze regulacji fotosyntetycznego transportu elektronów.

– W ramach dotychczasowych badań prowadzonych z użyciem Eutrema salsugineum, odpornego na stres gatunku modelowego, blisko spokrewnionego z Arabidopsis thaliana, dostarczyliśmy dowody na funkcjonowanie w chloroplaście białka zwanego plastydową oksydazą końcową (PTOX). Białko to działa jako alternatywny szlak dla fotosyntetycznego transportu elektronów w warunkach stresowych, chroniący rośliny przed wzmożoną generacją reaktywnych form tlenu i uszkodzeniami fotooksydacyjnymi – mówi dr Piotr Stępień, przyznając, że mechanizm ten nie jest powszechnie obserwowany u innych gatunków roślin. Naukowcy z UPWr wyprodukowali jednak transgeniczne rośliny z nadekspresją białka PTOX pochodzącego z Eutrema i jako pierwsi na świecie wykazali nie tylko jakie procesy są konieczne do aktywacji tego białka, ale też wskazali kierunek dalszych badań, dzięki którym uzyska się wzrost tolerancji  na stres gatunków uprawnych.

Potrzeba zapewnienia stałego bezpieczeństwa żywnościowego w obliczu zmieniającego się klimatu jest jednym z tematów wiodących wśród priorytetów zarówno Unii Europejskiej, jak i światowych organizacji zajmujących się zagadnieniami produkcji żywności

W projekcie realizowanym w programie Opus 20 dr Stępień będzie badał rolę i funkcjonowanie białka plastydowej oksydazy końcowej, a w szczególności czynników, które umożliwiają jego redystrybucję w obrębie chloroplastu i skuteczne pełnienie funkcji „zaworu bezpieczeństwa” dla fotosyntetycznego transportu elektronów. Zespół dr. Stępnia sprawdzi też, czy kompletną aktywność PTOX można z powodzeniem przenieść genetycznie na inny gatunek, zwiększając jego poziom tolerancji na stres.

– I co ważne z punktu widzenia naszych badań, potrzeba zapewnienia stałego bezpieczeństwa żywnościowego w obliczu zmieniającego się klimatu jest jednym z tematów wiodących wśród priorytetów zarówno Unii Europejskiej, jak i światowych organizacji zajmujących się zagadnieniami produkcji żywności – podsumowuje dr Piotr Stępień.

Dr inż. Jarosław Waroszewski to kolejny naukowiec z Instytutu Nauk o Glebie i Ochrony Środowiska, który w ramach programu Opus 20 będzie realizował projekt badawczy – 792 160 złotych pozwoli sfinansować badania na wulkanicznej Islandii, a dokładniej oszacować tempo denudacji gleb.

Jak tłumaczy dr Waroszewski, krajobraz Islandii po wycofaniu się lodowców był intensywnie przekształcany za sprawą powodzi lodowcowych, działalności wiatrów katabatycznych oraz okresowej depozycji popiołów wulkanicznych (tefr), uwalnianych w wyniku erupcji wulkanów. Wycinka lasów i wzmożony wypas zwierząt, które rozpoczęły się wkrótce po zasiedleniu Islandii, przybrały na intensywności w trakcie małej epoki lodowej (1570-1900r.), przyczyniły się do szerokiej erozji gleb, która dodatkowo była potęgowana przez procesy masowe w trakcie chłodniejszych faz klimatycznych. W pokrywie glebowej Islandii przeważają andosole – względnie młode gleby wykształcone z materiałów piroklastycznych.

– Ich specyficzne właściwości fizyczne (w tym tiksotropia) sprawiają, że są bardzo podatne na erozję wodną i wietrzną, szczególnie na zboczach. Znane są też z nadbudowywania materiałem transportowanym przez wiatr i teframi z erupcji wulkanicznych. Jednocześnie choć erozja gleby jest jednym z największych problemów środowiskowych Islandii, dane dotyczące jej konkretnych wartości, szczególnie z czasów sprzed zasiedlenia, są bardzo ograniczone. W projekcie stawiamy hipotezę, że tempo erozji w islandzkich andosolach jest większe niż tempo akumulacji – mówi dr Waroszewski i dodaje, że szybkość erozji wzmożona jest intensywnymi, naturalnymi anomaliami środowiskowymi i zmianami wynikającymi z działalności człowieka, co dodatkowo modyfikuje ewolucję gleb.

Zespół badawczy realizujący projekt przyjął założenie, że globalne zmiany klimatyczne wzmocniły intensywność erozji i zdarzeń katastrofalnych. Dlatego też śledzenie przeszłych zdarzeń i ich skali w andosolach jest cennym źródłem wiedzy, która pozwoli na ocenę przyszłego ryzyka związanego z erozją we wrażliwym środowisku wulkanicznym w różnych regionach Ziemi.

– A to już jest kwestia światowej wagi, bo gleby wulkaniczne to nie jest tylko domena Islandii – przyznaje dr Jarosław Waroszewski.

Multidyscyplinarny zespół będzie więc wykorzystywał w swojej pracy narzędzia geomorfologiczne, geofizyczne, pedologiczne i geochemiczne, ale też paleobotaniczne, dzięki którym zostaną odtworzone przeszłe zjawiska klimatyczno-krajobrazowe, w tym i zdarzenia katastroficzne zapisane w andosolach.

– Ustalimy nie tylko skalę czasową tych zdarzeń, ale też zrekonstruujemy rozwój krajobrazu po wycofaniu się lodowców. Znajomość tempa denudacji andosoli jest istotna, gdyż gleby te zawierają znaczną pulę materii organicznej, która może być wyraźnie szybciej uwalniana wskutek wzmożonej erozji i znacząco przyczynić się do emisji gazów cieplarnianych. Globalne ocieplenie i związane z nim gwałtowne zjawiska pogodowe o charakterze katastroficznym będą prowadzić do wzrostu powierzchni gleb zagrożonych procesami erozyjnymi na całym świecie, a nie tylko na Islandii, dlatego też wiedza na temat tempa redystrybucji gleb jest kluczowa w planowaniu rekultywacji terenów naruszonych oraz całkiem, bądź w znacznej mierze, niepokrytych roślinnością. Islandia z jednej strony da nam wiedzę o procesach z przeszłości, ale też stanie się swoistym poligonem doświadczalnym na przyszłość – mówi dr Jarosław Waroszewski.

 kbk