Mnohé ohrožené a vzácné druhy rostlin se těžko množí přirozenou cestou. Proto dnes nastupuje kultivace rostlin nebo jejich částí v umělých podmínkách. Na celosvětovém výzkumu se významnou měrou podílejí i naši vědci.
Les je místo, kam řada z nás chodí za odpočinkem, načerpat novou sílu a energii. Je také domovem mnoha živočišných, ale i rostlinných druhů. V neposlední řadě je zdrojem dřevní hmoty pro stavební či papírenský průmysl. Udržení všech těchto a řady dalších funkcí lesa však ohrožují změny životního prostředí. Nejvíce ohroženou částí lesa jsou rostliny, které jsou k těmto změnám citlivé a řada z nich již není schopna dalšího přizpůsobení.
Je možná záchrana lesa?
Získávání rostlin ze semen je v řadě případů velmi obtížné, zdlouhavé a v konečném výsledku nejisté. Výrazným způsobem se tak snižuje množství především vzácných a ohrožených lesních dřevin, které jsou jinak schopny přirozenou cestou vyprodukovat dostatečné množství sazenic pro obnovu lesních porostů. Z tohoto důvodu je třeba hledat cesty, jak tomuto nepříznivému stavu zabránit. Jednou z takových možností je kultivace rostlin anebo jejich částí v umělých podmínkách.
Rostliny i „ze zkumavky“
Život nové rostliny začíná, stejně jako u lidí, oplozením, tedy splynutím samčí (spermatické) a samičí (vaječné) pohlavní buňky. Vzniká tím jediná buňka (zygota), která si do života nese genetickou výbavu obou rodičů. Dělením zygoty pak vzniká embryo, neboli zárodek, který je základem nové rostliny. Tento proces se nazývají odborníci embryogeneze. Zralé embryo je poté uloženo v semenu a jeho vyklíčením je dán základ novému životu, rostlině.
K vyvolání embryogeneze ovšem není ve všech případech potřebná právě zygota. Embrya totiž mohou vznikat i z jiných rostlinných buněk, jako například z tělních (somatických) buněk rostliny. V takovém případě pak mluvíme o somatické embryogenezi. Spontánní somatická embryogeneze je v přirozených podmínkách (in vivo) známa například u citroníku, mangovníku či hřebíčkovce. Pomocí somatické embryogeneze lze tedy v umělých podmínkách (in vitro – ve zkumavce) stvořit velké množství geneticky naprosto totožných rostlin.
I naši vědci…
Experimentálně v laboratoři byla somatická embryogeneze potvrzena až v roce 1958 Reinertem (Německo) a Stewardem (Cornell University, USA) u plané mrkve (Daucus carota). Od té doby byla v podmínkách in vitro dokázána u mnoha dalších druhů.
U jehličnanů byla tato zázračná schopnost rostlin poprvé popsána až v roce 1985, kdy ji nezávisle na sobě dokázali Švéd Inger Hakman a náš Vladimír Chalupa.
V České republice se somatickou embryogenezí intenzivně zabývá Laboratoř explantátových kultur Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity (MZLU) v Brně pod vedením Prof. Ladislava Havla, který již dlouhá léta spolupracuje právě s Prof. Durzanem.
Jak se dá pěstovat smrk?
Pojem kultivace „in vitro“ (ve zkumavce) se používá v medicíně či biologii pro organismy pěstované na živném médiu za předem definovaných podmínek. Důležité je zachování striktně sterilních podmínek jak pro kultivaci, tak pro samotné množení.
Základem každé kultury „in vitro“ je explantát, což je část rostliny, která byla získána z celistvé rostliny. V případě somatické embryogeneze smrku se jako explantátu nejčastěji využívá samotné zygotické embryo, ze kterého se za příslušných kultivačních podmínek „pěstují“ somatická embrya, která se pak mohou prakticky neomezeně dělit.
Klonování rostlin
Abychom tedy dosáhli zdárného růstu a množení nově získané kultury, je zapotřebí vybrat vhodné kultivační médium, na kterém se pak pěstuje. Jednou z nejdůležitějších součástí takového kultivačního média jsou rostlinné hormony (fytohormony), díky nimž jsou embrya schopna se dělit a růst.
Změnou množství fytohormonů v kultivačním médiu lze pozastavit dělení již vytvořených embryí a dosáhnout tak jejich dozrávání. Z kultury nezralých (raných) somatických embryí lze vypěstovat zralá embrya, která jsou pak svou stavbou podobna embryím, jež vznikla v přirozených podmínkách. Z těchto izolovaných zralých embryí lze při vhodném složení kultivačního média získat rostliny, které mají stejnou genetickou výbavu jako původní rostlina, ze které byl explantát pro přípravu kultury odejmut. Jedná se tedy o klony původní rostliny.
Kromě kultivačního média se všemi jeho složkami potřebnými pro růst kultury, je rovněž zapotřebí dodržet i fyzikální podmínky, za kterých se kultury pěstují. K tomuto účelu slouží speciálně vybavené kultivační místnosti s přísně a přesně sledovanou teplotou či intenzitou osvětlení.
Příroda se brání!
Tým Prof. Havla se již několik let snaží odpovědět na zásadní otázku, zda těžké kovy ohrožují vývoj embrya smrku. Právě somatická embrya smrku jsou totiž pro toto studium zvlášť vhodná, protože během svého vývoje procházejí stejnými vývojovými fázemi jako embrya vytvořená v přirozených podmínkách. I jejich fyziologická odpověď na jakékoliv ohrožení je tudíž podobná.
A právě studium neživých (abiotických) faktorů, jako jsou těžké kovy, může odpovědět na otázky vlivu znečištění životního prostředí na rostlinné organismy jako celku. Pokud jsou rostliny vystaveny takovým vlivům, např. UV záření, chladu, vysoké teplotě, solím těžkých kovů, změnám kyselosti prostředí a řadě dalších, začnou se rostlinné buňky bránit „výrobou vlastních zbraní“, tedy produkci obranných sloučenin (glutathion, fytochelatiny apod.).
Například právě fytochelatiny, peptidy (malé bílkoviny), mají schopnost vázat na sebe těžké kovy a odklidit je do těch partií buňky, kde svou toxicitou rostlinný organismus již bezprostředně neohrožují.
Význam těchto obranných prostředků je především v zachycování a rozkladu nebezpečných látek. To je základem fytoremediačních technologií, které rostliny využívají jako své zbraně proti toxickým látkám z životního prostředí. Pro finanční nenáročnost a především šetrnost k prostředí jsou proto tyto technologie stále častěji využívány při rekultivaci krajiny.
Záchrana ohrožených druhů
V laboratořích na MZLU v Brně bylo v nedávné době prokázáno, že se stoupající koncentrací těžkých kovů v prostředí roste množství vytvořených obraných peptidů. Ty dokáží v rostlinném organismu vliv těžkého kovu zmírnit, popř. úplně zamezit jeho zhoubnému působení.
Právě tyto poznatky budou v budoucnosti využitelné při výzkumu genů odpovědných za tvorbu obranných látek, chránících rostlinu před nebezpečím změn prostředí. To může vést až k získání proti těžkým kovům odolných (rezistentních) klonů.
Kromě výše zmíněných výzkumů pokračují vědci ve studiu embryogeneze i u dalších rostlin. Například somatická embryogeneze javoru dlanitolistého (Acer palmatum) byla poprvé popsána v roce 1999 právě vědci z laboratoře Prof. Havla. Práce zdejších vědců má mimořádný význam při zkoumání vlivu abiotických stresů rostlin na tvorbu ochranných sloučenin a jejich následného využití při ochraně porostů. Důležitá je i pro další využití kultur somatických embryí při zachování vzácných genotypů jednotlivých druhů rostlin, produkci farmaceuticky významných látek, při komerčním množení vzácných odrůd apod.
Několik miliónů sazenic
Většímu využití moderních technologií in vitro v produkci rostlin zatím brání jejich poměrně vysoké náklady. Přesto je již v současné době metodami in vitro každoročně vyprodukováno několik miliónů sazenic lesních dřevin, jak listnatých (především Evropa), tak jehličnatých (USA, Kanada). Předpokládá se, že v budoucnosti tento způsob množení ještě nabude na významu. I proto je práce českých vědců na zdokonalení metod klonování pomocí somatické embryogeneze, ale i pochopení vlivů na samotnou embryogenezi, velice důležitá a potřebná.
Unikátní vlastnost
Poprvé vyslovil základní předpoklad pro somatickou embryogenezi rakouský vědec Gottlieb Haberlandt v roce 1902, když předpovídal unikátní vlastnost rostlinné buňky, totipotenci. To znamená, že jediná rostlinná buňka má schopnost dát vznik jakémukoliv pletivu či celému rostlinnému organismu.
