Genetyka i biologia molekularna roślin

biologia
biotechnologia

obowiązkowe

Dlaczego rośliny potrafią przystosować się do ekstremalnych warunków, kwitnąć w odpowiednim momencie i reagować na stres środowiskowy? Jak naukowcy potrafią zmienić pojedynczy gen, by poprawić plony, zwiększyć odporność czy wzbogacić wartość odżywczą roślin?

Wykład poświęcony jest molekularnym podstawom funkcjonowania i ewolucji roślin, od struktury genomu po złożone sieci regulacji genów i sygnałów komórkowych. Studenci poznają nowoczesne narzędzia biologii molekularnej, takie jak technologia CRISPR/Cas9, a także dowiedzą się, jak współczesna biotechnologia wykorzystuje te odkrycia w praktyce.

Zajęcia laboratoryjne wprowadzają w techniki genetyki i biologii molekularnej roślin, w szczególności z użyciem podstawowego roślinnego organizmu modelowego - Arabidopsis thaliana. Studenci wykonują eksperymenty, w których analizują DNA, RNA oraz wybrane białka pochodzące z mutantów oraz linii transgenicznych Arabidopsis.

Opis wykładu:

Tematyka wykłądów:

1. Wprowadzenie do biologii molekularnej roślin:

Podstawowe koncepcje i metodologia biologii molekularnej; rośliny modelowe w badaniach

molekularnych.

2. Genomy roślin – struktura, ewolucja i różnorodność:

Organizacja genomów jądrowych, chloroplastowych i mitochondrialnych; rola duplikacji

genomu (WGDs – whole genome duplications) w ewolucji roślin; znaczenie transpozonów i

elementów ruchomych w kształtowaniu genomów roślinnych.

3. Omiki w badaniach roślinnych:

Genomika, transkryptomika, proteomika i metabolomika – zintegrowane podejście

systemowe; mikromacierze DNA, RNA-seq, globalna analiza ekspresji genów.

4. Badania funkcji genów i ich regulacji:

Genetyka klasyczna i odwrotna (reverse genetics) – od mutanta do genu i od genu do funkcji;

mutageneza insercyjna, T-DNA, RNAi, VIGS (virus-induced gene silencing); nowoczesne

techniki edycji genomu: CRISPR/Cas9, Cas12a.

5. Regulacja ekspresji genów jądrowych i organellarnych:

Współdziałanie genomu jądrowego i organellarnego w regulacji ekspresji genów.

6. Chromatyna i dziedziczenie epigenetyczne:

Modyfikacje histonów, metylacja DNA i niekodujące RNA; mechanizmy epigenetycznej

kontroli rozwoju i odpowiedzi na stres; dziedziczenie epigenetyczne w kontekście adaptacji

roślin.

7, 8. Regulacja rozwoju i odpowiedzi fizjologicznej:

Genetyczna kontrola procesów rozwojowych roślin.

9. Sygnalizacja komórkowa i hormony roślinne:

Główne klasy fitohormonów; hormonalne ścieżki sygnalizacyjne na przykładzie gibereliny

(GA) i kwasu abscysynowego (ABA); integracja sygnałów hormonalnych z regulacją ekspresji

genów.

10. Rodzaje i rola małych RNA (miRNA, siRNA, tasiRNA):

Mechanizmy biogenezy i działania małych RNA; ich funkcje w regulacji rozwoju i odpowiedzi

na stres; zastosowanie małych RNA w biotechnologii roślin.

11. Rośliny w zmiennym środowisku – odpowiedź na stresy biotyczne i abiotyczne:

Mechanizmy obronne wobec patogenów (PTI, ETI); reakcje na suszę, zasolenie, niską

temperaturę i niedobory składników mineralnych; sieci sygnałowe i geny odpowiedzi na stres

(stress-responsive genes).

12. Biotechnologia roślin i aspekty etyczne:

Inżynieria genomu i edycja genów; tworzenie roślin o zwiększonej odporności i wartości

odżywczej; kierunki rozwoju biotechnologii roślin w kontekście zmian klimatu.

13. Dyskusja i studia przypadków:

Przykłady badań translacyjnych i aplikacji biotechnologicznych w nauce o roślinach.

Opis ćwiczeń:

Zajęcia laboratoryjne umożliwiają zapoznanie się oraz nabycie praktycznych umiejętności w pracy z mutantami insercyjnymi, liniami otrzymanymi za pomocą systemu CRISPR/Cas9, a także liniami transgenicznymi Arabidopsis thaliana.

Studenci samodzielnie (indywidualnie lub w parach) wykonują eksperymenty obejmujące kluczowe aspekty biologii molekularnej roślin – od identyfikacji wprowadzonych zmian genetycznych, poprzez analizy poziomów mRNA i białek, aż po badanie interakcji białko–białko.

Podczas zajęć wykorzystywane są m.in. następujące techniki: izolacja kwasów nukleinowych z tkanek roślinnych (w szczególności DNA genomowego, całkowitego RNA oraz frakcji małych RNA), analiza poziomów transkryptów, izolacja białek jądrowych, obserwacja i detekcja białek fuzyjnych zawierających znacznik GFP, a także analiza interakcji białko–białko.

Zajęcia laboratoryjne obejmują następujące części:

1. Charakterystyka mutantów Arabidopsis w genach kodujących histony łącznikowe (H1).

Studenci zapoznają się z efektami fenotypowymi wywoływanymi przez mutacje insercyjne oraz delecje uzyskane przez edycję genomu CRISPR/Cas9 w Arabidopsis, a także z metodami identyfikacji tych mutacji.

Stosowane techniki: izolacja DNA genomowego, PCR, elektroforeza DNA w żelu agarozowym.

2. Badanie poziomów ekspresji genów H1.

Studenci analizują poziomy transkryptów H1 metodą RT-qPCR w liniach roślin typu dzikiego oraz w mutantach.

Stosowane techniki: izolacja całkowitego RNA, synteza cDNA, real-time PCR.

3. Analiza frakcji małych RNA

Studenci analizują poziomy małych RNA w liniach roślin typu dzikiego, mutantach h1 oraz mutantach w ścieżce syntezy małych RNA.

Stosowane techniki: izolacja frakcji małych RNA, rozdział małych RNA w żelu poliakrylamidowym.

4. Analiza poziomów białek fuzyjnych H1.1-GFP i H1.2-GFP

Studenci analizują poziomy białek fuzyjnych H1-GFP w transgenicznych liniach Arabidopsis metodą Western-blot, a także obserwują białka H1-GFP za pomocą mikroskopu fluorescencyjnego.

Stosowane techniki: izolacja białek jądrowych, rozdział białek SDS-PAGE, immunodetekcja (western blot), obserwacje w binokularze fluorescencyjnym.

5. Analiza interakcji białko-białko

Studenci analizują interakcję pomiędzy histonem H1, a histonem rdzeniowym H3 za pomocą metody ko-immunoprecypitacji.

Stosowane techniki: izolacja białek jądrowych, immunoprecypitacja białek, western blot.

1. Podstawy biologii molekularnej. Lizabeth A. Allison. Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego, 2011

2. Biochemistry and Molecular Biology of Plants. Buchanan, Gruissem, Jones. 2000

3. Biologia komórki roślinnej. T.1. Struktura. T.2. Funkcja. P. Wojtaszek, A. Woźny, L. Ratajczak (red.). PWN, 2006.

4. Skrypt Biologia molekularna roślin

5. Aktualne publikacje naukowe podane przez prowadzących.

Wiedza: absolwent zna i rozumie:

K_W02_Bi

że eksperyment jest podstawą naukowego poznania świata.

K_W03_Bi

budowę i właściwości podstawowych typów makrocząsteczek biologicznych i ich elementów składowych

K_W04_Bi

w stopniu zaawansowanym funkcjonowanie struktur komórkowych i przedstawia najważniejsze zależności funkcjonalne zarówno między składowymi komórki, jak i między komórkami

K_W14_Bi

podstawowe techniki laboratoryjne oraz pomiarowe i obrazowe, stosowane w badaniach chemicznych, mikrobiologicznych, genetycznych i biologii molekularnej

Umiejętności: absolwent potrafi

K_U01_Bi

stosować podstawowe techniki i narzędzia badawcze biologii doświadczalnej (w tym prac terenowych) oraz umie wyjaśnić zasady ich działania

K_U05_Bi

pod nadzorem opiekuna naukowego zaprojektować i przeprowadzić prosty eksperyment z zastosowaniem poznanych metod; umie zaproponować metody przeprowadzenia wskazanych oznaczeń

Kompetencje społeczne: absolwent jest gotów do

K_K01_Bi

poszerzania zainteresowania w obrębie nauk przyrodniczych

K_K03_Bi

rozpoznawania, na czym polega etyka badawcza oraz rzetelność w prowadzeniu badań i interpretacji uzyskanych wyników dla funkcjonowania społeczeństwa

K_K07_Bi

pracy w zespole i jest otwarty na nowe idee

Zaliczenie wykładu na podstawie egzaminu pisemnego, który składa się z pytań o charakterze otwartym i zamkniętym. Warunkiem dopuszczenia do egzaminu jest zaliczenie ćwiczeń na ocenę pozytywną. Zaliczenie ćwiczeń odbywa się na podstawie sprawdzianu w formie testu jednokrotnego wyboru lub prezentacji uzyskanych wyników.