Pośród chłodnej mgły i czarnej lawy lawy botanik Vicki Funk przycina łodygę hawajskiej rośliny o żółtych kwiatach zwanej „ilima” ( Sida fallax ). „Kiedy lawa wypływa do oceanu, to właśnie kolonizuje nowe wyspy” - wyjaśnia.
powiązana zawartość
- Co badania genomowe mogą nam powiedzieć o różnorodności biologicznej Ziemi
Funk, badacz z Smithsonian National Museum of Natural History, jest jednak daleko od Hawajów. Zamiast tego jest w pokoju w szklanym ogrodzie w amerykańskim oranżerii w Ogrodzie Botanicznym w Waszyngtonie. Po szybkim zwinięciu łodygi na czystą kartkę cienkiego papieru, Funk dodaje ją do swojego akordeonu z tłoczonych roślin. Każdy zachowany jest między papierem a kartonem, opatrzony drewnianymi listwami i związany jasnymi pomarańczowymi paskami. Tymczasem stażyści z liceum i college'u w jej laboratorium wycięli próbkę tkanki z tej samej rośliny i szybko włożyli ją do probówki, która jest przechowywana w bulgotanym kociołku z ciekłym azotem. Dla „ilima” szybkość jest najważniejsza. „DNA zaczyna się degradować niemal natychmiast”, wyjaśnia Funk.
W środę Funk i jej drużyna poruszały się po ogrodzie, pobierając próbki również z innych roślin - między innymi drzewa kakaowego, aloesu płatkowego i mrówki. Jej praca jest częścią Smithsonian's Global Genome Initiative (GGI), która zainicjowała wielki projekt ogrodu letniego w tym tygodniu.
Sida fallax lub 'ilima żyje w środowisku skał wulkanicznych w konserwatorium Ogrodu Botanicznego w USA, z dala od rodzinnego domu na Hawajach. (Hilary-Morgan Watt, Smithsonian Institution) GGI uruchomiono dwa lata temu, a jego celem jest zachowanie połowy światowej różnorodności biologicznej w repozytoriach na całym świecie. Aby osiągnąć ten cel, naukowcy pobrali próbki i skatalogowali rośliny, zwierzęta i owady podczas wypraw polowych na całym świecie. „Pomyśl o tym jako o biologii konserwatorskiej XXI wieku” - mówi Jon Coddington, entomolog z muzeum, który nadzoruje projekt.
W przypadku roślin oznacza to połączenie starej szkoły z nowymi szkolnymi technikami zbierania. Botanicy od dawna używają drewnianych pras do roślin do dokumentowania liści, kwiatów, a nawet korzeni w tradycyjnej próbce zielnika. Teraz, zawieszając próbki tkanek w żelu krzemionkowym i zamrażając je w ciekłym azocie, mogą lepiej zrozumieć sekrety genetyczne rośliny. Tłoczone próbki zostaną wysuszone, aby zabić wszelkie bezpańskie robaki, podczas gdy próbki tkanek będą przechowywane w gigantycznych komorach kriogenicznych w Centrum Wsparcia Muzeum w Suitland w stanie Maryland.
Prasowane próbki zielnika mogą nam tylko tyle powiedzieć o roślinach, ponieważ ich DNA z czasem ulega degradacji. Zachowanie genetyki rośliny otwiera wiele możliwości badawczych, ale „dostęp do materiału wysokiej jakości genomu jest najbardziej ograniczającym krokiem w genomice roślin”, mówi Coddington. Najlepszym sposobem na zachowanie DNA jest zamrożenie go w ciekłym azocie i przechowywanie go w obiektach takich jak repozytorium kriogeniczne instytucji - jedno z największych tego rodzaju.
Próbki tkanek z roślin w projekcie GGI Gardens będą przechowywane w wielkich kriogenicznych zbiornikach wypełnionych ciekłym azotem. Te zamrażarki o wartości poniżej zera mogą pomieścić do 4 milionów próbek. (Donald E. Hurlbert, Smithsonian) Naukowcy dużo wiedzą o roślinach przydatnych dla ludzi, ale w drzewie genealogicznym rośliny występują ogromne luki. Sekwencjonowanie wielu genomów roślin może wypełnić te luki. Na szczęście technologia, która to zrobiła, stała się znacznie tańsza i szybsza w ciągu ostatniej dekady. „Sekwencjonowanie ludzkiego genomu zajęło dziesięć lat. Teraz możesz to zrobić za około godzinę ”- mówi John Kress, botanik w muzeum i podsekretarz ds. Nauki Smithsoniana.
Obecnie naukowcy mają próbki genomowe z około trzech procent rodzajów roślin na całym świecie. W ciągu lata zespoły terenowe - po prostu zbierając w ogrodach i parkach w Waszyngtonie, DC - starają się pobrać próbki z połowy rodzin roślin na świecie. Następnie zabiorą projekt w drodze do innych ogrodów botanicznych. W ciągu najbliższych dwóch lat naukowcy mają nadzieję zebrać próbki z połowy rodzajów roślin zamieszkujących Ziemię. „Zwiększenie z trzech do 50 procent, to ogromna różnica”, mówi Coddington.
Sekwencjonowanie tak wielu roślin zajęłoby jednak trochę czasu. Na razie GGI chce po prostu pobrać próbki na lód. Aby ułatwić identyfikację, stworzą kod kreskowy DNA dla każdej próbki poprzez sekwencjonowanie dwóch genów różniących się w zależności od rośliny. Próbki zostaną zachowane w bazie danych online i będą dostępne dla entuzjastów roślin i badaczy z całego świata. Na razie ta biblioteka może pomóc w identyfikacji roślin na całym świecie, a naukowcy mogą wykorzystać ją do sekwencjonowania i badania całych genomów roślin.
Ogród botaniczny może wydawać się niezwykłym polem. Zazwyczaj wyobraża się sobie botaników przemierzających dżunglę i wspinających się na szczyty górskie, aby zbierać rzadkie i nieodkryte rośliny. Morgan Gostel, absolwent botaniki i botaniki, wędrował na wysokie wysokości w Andach, aby zebrać okazy roślin, czasem obozując w temperaturach poniżej zera i wyciągając zbiorniki z ciekłym azotem w góry. Ta wyprawa terenowa sprawia, że są znacznie bliżej domu, z zdecydowanie lepszą pogodą i mnóstwem opcji na lunch dla ciężarówek. Jednak „brudna robota tworzenia kolekcji tak naprawdę nie różni się od tego, co zrobiłbyś w terenie”, zauważa Gostel.
Sarah Gabler pobiera próbkę tkanki z goryczki różowatej ( Sabatia kennedyuana Fernald ). Probówki owinięto w folię i wrzucono do przenośnego zbiornika ciekłego azotu. (Amerykański ogród botaniczny) 
Kristen Van Neste i Vicki Funk wyciskają gencjanę z różowymi kwiatami plymouth rose. Rośliny wybrano do sezonowego kwitnienia opartego na próbkach. (Amerykański ogród botaniczny) 
Funk i jej zespół szukają roślin na próbce w USBG. (Helen Thompson) 
Vicky Funk wycina próbkę rzadkiego płatka aloesu ( Aloe rauhii ), który pochodzi z Madagaskaru. (Hilary-Morgan Watt, Smithsonian Institution) 
Próbka aloesu płatka śniegu czeka na spłaszczenie w prasie roślinnej Funk. Podczas tworzenia tłoczenia naukowcy starają się uwzględnić jak najwięcej części rośliny, od kwiatów po korzenie. (Helen Thompson) 
Sarah Gabler i Vicki Funk upuszczają probówkę zawierającą próbkę tkanki z rośliny mrówki ( Hydnophytum formicarum ) do zbiornika na ciekły azot. Małe mrówki zamieszkują łodygi tej rośliny. (Amerykański ogród botaniczny) 
Kurator roślin Bill McLaughlin z amerykańskiego Ogrodu Botanicznego trzyma sadzonkę z drzewa kakaowego ( Theobroma cacao ), jednej z kilku roślin pobranych podczas środowej demonstracji. Niektóre genomy roślin przydatne w rolnictwie ludzkim, takie jak kakao, zostały już zsekwencjonowane. (James Di Loreto, Smithsonian Institution) 
Stażyści (od lewej do prawej) Sarah Gabler, Asia Hill i Kristen Van Neste patrzą, jak Vicki Funk (z prawej strony) zaciska prasę, aby zachować próbkę rośliny bagiennej zwanej goryczką plymouth ( Sabatia kennedyuana Fernald ) w amerykańskim ogrodzie botanicznym 8 lipca 2015 r. Zespół zrobił też notatki i zdjęcia, aby przejść do kolejnego z zebranymi prasowanymi i zamrożonymi próbkami. (James Di Loreto, Smithsonian Institution) 
Sarah Gabler, Kristen Van Neste, Vicki Funk, Asia Hill i Morgan Gostel robią sobie przerwę od pobierania próbek roślin, aby pozować do zdjęcia grupowego przed oranżerią Ogrodu Botanicznego w USA. (James Di Loreto, Smithsonian Institution) Dlaczego więc nietypowe miejsce? Jako muzea żywych roślin, ogrody są idealnym miejscem do wypełnienia tych luk dobrze udokumentowanymi próbami przygotowanymi do sekwencjonowania genomowego. „Ogrody botaniczne gromadzą takie zbiory, w niektórych przypadkach od setek lat, sięgając nawet do renesansu, ” mówi dyrektor ogrodu Ari Novy. Ogrody służą również jako organizacje parasolowe dla grup zaangażowanych w odkrywanie gatunków. Niektóre z nich są również domem dla banków nasion i specjalizują się w określonych rodzajach roślin.
Badacze mogą uczyć się wszelkiego rodzaju rzeczy, od próbek nasion i tkanek, od identyfikacji gatunków inwazyjnych po odpowiedzi na duże pytania dotyczące ewolucji roślin. „To nieograniczone”, zauważa Félix Forest, biolog ewolucyjny roślin w Królewskich Ogrodach Botanicznych w Kew w Wielkiej Brytanii. Kew pracuje nad podobnym projektem zachowania próbek genetycznych 25% gatunków dzikich roślin do 2020 roku.
GGI i Kew są częścią większego ruchu mającego na celu zachowanie różnorodności roślin w biorepozytoriach, takich jak obiekt kriogeniczny Smithsona i sklepienie nasion Svalbarda na Antarktydzie. Połączyli siły z podobnymi organizacjami, aby utworzyć Global Genome Biodiversity Network (GGBN).
Co to za pośpiech? „Idealnie byłoby zachować żywy okaz, ale staje się to mniej wykonalne”, mówi Coddington. W zeszłym miesiącu naukowcy zasugerowali, że Ziemia jest już w trakcie szóstego masowego wyginięcia. Biorąc pod uwagę niszczenie siedlisk i szereg zagrożeń związanych ze zmianami klimatu na horyzoncie, naukowcy chcą zachować niektóre próbki, póki jeszcze mogą. „Jest w tym pilna potrzeba” - dodaje Kress.
Zachowanie tych genomów może teraz pomóc nam uczyć się od nich w przyszłości. Forest zgadza się: „Jeśli utrzymamy tę różnorodność genetyczną w jakiś sposób, możemy wrócić do niej za 20 lat.” Oprócz uczenia się na podstawie DNA roślin, badacze mogą nawet wskrzesić wymarłe rośliny. Pomysł przywrócenia gatunku ze śmierci rodzi oczywiście kontrowersje, ale nie wyprzedzajmy samych siebie. Las ostrzega: „To jeszcze nie jest Park Jurajski. Ale technologia rozwija się tak szybko, że kto wie, co możemy zrobić z tubką DNA za 20 lat. ”
