Když se řekne banka většina z nás si představí masivní budovu v níž sídlí instituce spravují peníze. Někteří si ještě představí banku krevní plasmy, krve. Banku jako instituci uchovávající genetickou rozmanitost, reprezentovanou semeny rostlin, si pak asi vybaví spíše jen biolog. A přeci genové banky se dotýkají každodenního života většina z nás aniž si to uvědomujeme.
Již od počátků zemědělství si lidé zprvu nevědomky, postupně pak cíleně, vybaveni vědomostmi, vybírali pro příští generaci zemědělských plodin, lepší – výkonnější rostliny. Slovem „lepší“ lze vyjádřit různé vlastnosti, jako jsou: kratší doba klidu semen (dormance), včasné klíčení, menší poléhavost, lepší odolnost k chorobám a škůdcům a mnoho dalších. Je zajímavé, že v současnosti se pouhých 20 druhů rostlin podílí na 90% produkce potravin na celé Zemi, a z toho pouhé tři obiloviny-trávy: pšenice, rýže a kukuřice poskytují 50% !
Řada druhů nenávratně zmizela
Takto bylo ještě poměrně nedávno pěstováno mnoho stovek velmi odlišných odrůd rýže, pšenice a ostatních plodin. Nicméně, se vstupem intenzivního šlechtitelského procesu do tvorby nových odrůd, se pěstitelé orientovali hlavně na výnos. Nemalý podíl na tom má samozřejmě používání hnojiv, pesticidů a závlahy.
Bohužel tak vzhledem k masivní, dá se říci téměř industrializaci zemědělství, došlo k odklonu od původní formy hospodaření a soužití s okolní krajinou, výstižně vyjádřenou latinským slovem „agri-cultura“. V důsledku, nejen u nás nechvalně známého procesu kolektivizace, bylo takto přibližně od 50. let minulého století, dnes již bohužel nenávratně ztraceno mnoho z původního bohatství. Mezinárodní organizace FAO odhaduje, že během posledního století bylo takto ztraceno až 75% genetické diverzity (rozmanitosti) zemědělských plodin.
V centru zájmu nejsou jen rostliny jež pěstujeme pro svou obživu, ale rovněž i jejich plané původní formy a příbuzné druhy, jež rychle mizí společně s redukcí jejich původního prostředí.
Potřebu zamezit ztrátám na genofondu, neboť jednotlivé odrůdy, druhy si můžeme představit jako nositele vždy unikátní kombinace genů, si jako první uvědomil již ve 20 letech minulého století, vynikající ruský botanik a genetik, N. I. Vavilov (1887-1943). Ten je známý především díky definování center původu a diverzity kulturních plodin, méně pak se ví, že právě během více jak sta expedic, osobně sesbíral tisíce položek nejrůznějších rostlin, a položil tak základy rozsáhlých sbírek (genové banky) současného Vavilova ústavu (The Vavilov Institute of Plant Industry) v ruském St. Peterburgu.
Důsledky zužování genetického základu
K čemu může vézt snížení diverzity, ukazuje známý příklad brambor, kdy v Irsku v letech 1846 – 51 byla úroda brambor zničena plísní v důsledku pěstování omezeného počtu odrůd, vedoucí tak ke snížení plasticity odrůd a tím vyšší zranitelnosti. Během následného hladomoru zemřelo přes milion lidí a ještě více bylo nuceno emigrovat do Spojených států; počet obyvatel Irska tak klesl na polovinu. Jiný příklad z 60.let minulého století, kdy rozšíření jednoho typu hybridní kukuřice vedlo k nevědomému rozšíření varianty genu náchylnosti k houbové chorobě, vedoucí opět ke katastrofální epidemii a neúrodě. A nakonec případ ze současnosti, kdy svět čelí po dlouhé době možné epidemii rzi pšeničné. V těchto případech se hovoří o zúžení genetického základu během procesu šlechtění tzv. „efekt nálevky“.
Královské zahrady jako první banky?
Historicky vzato lze za první genové banky považovat botanické zahrady, zakládané již na panovnických dvorech či klášterech, s nejstarší historicky doloženou zahradou krále Nebuchadnezzara v Babylóně (570 let před naším letopočtem). U nás např. Karel IV. (14. stol.) založil tzv. Andělskou zahradu (Angelus de Florentia) pro léčivé rostliny, nebo Rudolf II. Císařskou zahradu s oranžerií. Na tyto navázaly univerzitní botanické zahrady (Italie, od 16.stol) víceméně v dnešní podobě. Velmi čilá byla známá Východoindická společnost, od roku 1600 vystupující také jako šiřitel exotických a užitkových plodin, společně s britskou koloniální síť botanických zahrad (pod vedením Královské botanické zahrady Kew). Avšak tyto se zaměřují především na živé rostliny, respektive zajímavé, plané, okrasné a ohrožené druhy.
Nastupují genové banky
Dnes tyto tzv. genové banky, jichž je po celém světě více jak 1 300, nashromáždily více jak 6 miliónů položek, především kulturních rostlin. Toto je tzv. ex situ forma ochrany a uchování, tedy mimo původní biotop, který je např. ohrožen destrukcí. Umožňují tak soustředění velkého množství vzorků, genotypů na jednom místě. Naopak in situ ochrana, je spojená s ochranou celého biotopu, což je především realizováno v případě zvířat či „planých“ rostlinných druhů, celých ekosystémů. Zde je však často problémem uchování dostatečného počtu jedinců daného druhu, aby se zamezilo např. příbuzenskému křížení, tedy postupné genetické degeneraci.
Sesbírat, uložit a co dál?
Genové banky dnes tedy soustřeďují ohromné bohatství druhů a forem kulturních rostlin.
Prvotním a hlavním posláním genových bank, bylo shromáždění co největšího množství geneticky odlišných položek rostlinných druhů, především ve formě semen. S tím je samozřejmě automaticky spojeno zaručení podmínek umožňujících dlouhodobou životaschopnost uložených vzorků, neboť co by nám byla platná neklíčívá mrtvá semena. Dnes je tato podmínka umožněna a zaručena uchováním v prostředí nízkých teplot a vlhkostí. Nicméně přestože tyto podmínky zaručují životaschopnost po poměrně dlouhou dobu, neznamená to „navždy“. Jsou sice popsány případy, kdy např. v Číně, po více jak 1500 letech vyklíčila semena lotosu, nebo vyklíčila i 2000 let stará semena datlové palmy z Herodova paláce v Izraeli, ale to jsou spíše vyjímky. Většina semen především kulturních rostlin je přirozeně krátkověkých. Běžně je nutné, vždy s dostatečným časovým předstihem část semen vyjmout a vysít, pro získaní nové generace semene. Je nutné si však uvědomit, že každá taková manipulace zvyšuje pravděpodobnost ztráty části původní genetické sestavy, jelikož se například část jedinců se v daném prostředí hůře reprodukuje a jiná naopak postupně převáží.Také ne všechna semena rostlin snesou vysušení a uchování při nízkých teplotách (např. kakaovník nebo kaučukovník).
Přichází molekulární biologie
Každý stát, Českou republiku nevyjímaje, udržuje a financuje takové genové sbírky svých hlavních pěstovaných plodin. Tyto národní instituce jsou pak dále evropsky, celosvětově koordinovány pod hlavičkou Biodiversity International, pod patronací FAO. Všechny tyto instituce zaručují veřejnou dostupnost a upotřebitelnost svých sbírek, v dnešní době pomocí internetových databází. Jak tedy taková genová banka vlastně vypadá ? Je to prostora umožňující udržování nízké teploty +5oC, ale pro dlouhodobé vzorky až –20oC, kde jsou ve vzduchotěsných kontejnerech uložena semena rostlin vysušená na minimální vlhkost. V těchto kontrolovaných podmínkách, jsou životní funkce omezeny na minimum. Samozřejmě pro tisíce takových vzorků je zapotřebí vést pečlivou evidenci o původu, genotypu, klíčivosti a jiných dostupných informacích.
Vedle úkolu bank shromažďovat a uchovávat materiál, k tomu totiž dnes přistupuje neméně důležité a velmi aktuální hledisko popisu a hodnocení. Jednotlivé tzv. položky jsou proto hodnoceny jak v polních podmínkách, tedy jejich morfologické, agronomické znaky, tak dnes i stále více v laboratoři pomocí biochemických a především pak přesných molekulárních metod. Molekulární biologie výrazně vstoupila i do této oblasti a to díky přečtení celých genomů, včetně genomů kulturních rostlin. Počáteční, poměrně jednoduché analýzy DNA jednotlivých položek, s cílem zjištění jejich genetické příbuznosti, jsou nyní zpřesňovány studiem jednotlivých variant vybraných genů. Takto například na našem pracovišti analyzujeme kolekci téměř 2000 položek/odrůd hrachu, z nichž řada je možná i pamětníky dob J.G. Mendela.
Znovuzrození dinosaurů se asi nedočkáme
Od těchto DNA analýz, je pak již jen krůček k tzv. DNA bankách, tedy bankám uchovávajících izolovanou DNA daného organismu, tedy zjednodušeně řečeno soubor genů. Zde je již dnes možné zaručit téměř neomezenou trvanlivost a odpadá nutnost další manipulace. Nicméně, asi nikdy nebude možné zpětně vytvořit původní organismus, jako ve filmu Jurský park, i když pokusy o to existují. Přesto i tyto sbírky mají své místo a umožňují neocenitelný detailní pohled na soubor jednotlivých genových kombinací.
Noemova archa v Arktidě
Do obecného povědomí se genové banky dostaly i díky nedávné publicitě, které se dostalo unikátnímu projektu Arktické Archy Noemovy nebo také Arktické krypty posledního soudu. Jde o mezinárodní banku semen, vybudovanou v podzemí věčného ledu na Špicberkách, která byla otevřena v únoru letošního roku. Místo bylo vybráno záměrně, neboť i v případě výpadku energie je schopné uchovat semena při nízké teplotě a je rovněž mimo tektonická či politicky problematická území. Postupně má být v bance uloženo až 4,5 milionu položek semen. Hlavním cílem je pak fungovat právě jako bezpečná záloha genetické diverzity v případě selhání tradičních bank, tedy globálních katastrof.
Jiný známý případ, je Millenium banka semen, otevřená v roce 2000 ve známé Kew Garden v Londýně. Tam byla v loňském roce uložena již miliontá položka. Do roku 2010 je cílem sesbírat semena z 24 tisíc druhů známých rostlinných druhů, představující přibližně 10% světové suchozemské flóry, a především pak všech druhů rostoucích v Anglii.
Banky patří celému světu
Na nadnárodnost nakládání s biodiverzitou a to včetně velmi důležitého aspektu sdílení výhod, plynoucích z jejího komerčního využívání, dohlíží mezinárodní úmluva ( International Treaty on Plant Genetic Resources for Food and Agriculture) společně s Konvencí o biologické diverzitě. Takto je zaručeno, že právě řada rozvojových zemí, může sdílet zisky plynoucí z využívání rostlinného bohatství původně pocházejícího z druhů sesbíraných na jejich území. Úmluva uznává také tzv. Farmers Rights, tj. volnou dostupnost genetických zdrojů, neomezenou právy intelektuálního vlastnictví.
Zdá se tedy, že v současné době disponujeme mechanismy umožňující předat nahromaděné genetické bohatství i dalším generacím.
Pro semena se za války vydalo komando SS!
To, že i semena, resp. genové banky mohou představovat např. i velmi cennou válečnou kořist, dokládá příklad části kolekce sesbírané právě samotným N. I. Vavilovem. Ten se bohužel již v průběhu druhé světové války stal obětí politických čistek, v biologii organizovaných nechvalně známým T. Lysenkem. Na základě jeho obvinění byl N. I. Vavilov uvězněn a nakonec již v roce 1943 ve vězení umírá. Pro jeho sběry bylo vypraveno speciální SS komando, které zabavené vzorky semen z výzkumných stanic na obsazeném území Ruska a Ukrajina, dopravilo do zřízeného SS Institutu pro genetiku rostlin na zámku Lannach u rakouského Štýrského Hradce. Zde se měly postupně vyšlechtit nové odolné druhy rostlin pro ambiciózní světovládné plány nacistického Německa. Naštěstí se nepodařilo získat hlavní sbírku lokalizovanou v tehdejším Leningradě. Zajímavé je i to, že velitel komanda H. Bruecher byl expertem na genetiku rostlin, a dodnes je podezření, že při svém poválečném útěku do Argentiny, vzal podstatnou část kořisti – sbírky semen, s sebou. Jeho násilná smrt v roce 1991 dodnes vyvolává mnoho otazníků.
Příběhem recentnějším a o to smutnějším, je zničení cenné sbírky planých forem obilovin z oblasti Mezopotámie, tedy jedné z kolébek zemědělství, během války v Iráku.
Aby se zamezilo právě těmto nenahraditelným škodám, má složit zmíněná Arktická krypta posledního soudu na Špicberkách.
Genové banky nejsou muzea, nýbrž pokladnice pro šlechtitele
Mohlo by se snadno dojít k závěru, že genové banky jsou vlastně jakási živoucí muzea, kde místo obvyklého formalínu sloužícího k uchování exponátů, se používá nízká teplota. Jejich účelem je naopak poskytnout materiál pro další šlechtitelskou práci. A to ne jako pouhé oživení uložení položky, ale využití vybrané části uložené kombinace genů, jež byla v současných moderních odrůdách ztracena. Právě proto je nadmíru důležité mít k dispozici co nejrozsáhlejší popis všech vlastností včetně molekulárních dat.
Takto, již před více jak dvěmi sty lety, jako jeden z prvních, Emanuel Proskowetz (1848-1944) působící v Kvasicích u Kroměříže, proslul prací zaměřenou na zušlechtění moravského zlata – sladařského ječmene. Ten v době kdy J.G. Mendel formuloval své zákony dnešní genetiky, prováděl výběry nejlepších tehdejších krajových odrůd ječmene a jejich vzájemné křížení. Již v roce 1890 upozorňoval na nebezpečí ztráty původních krajových odrůd pro další šlechtění a vyzíval k vytvoření jejich sbírek, potřebě poznání genových center, sběru, dokumentaci a hodnocení genových zdrojů. Založil také jako první v Evropě, učenou Společnost pro šlechtění rostlin a byl také prvním kdo získal na Vídeňské universitě čestný doktorát z tohoto oboru (1906). To vše v době kdy svět teprve znovuobjevil Mendelovy zákony dědičnosti. Jeho šlechtitelská práce je dodnes pojmem a světoznámá odrůda ječmene Haná Pedigree, stojí za vznikem většiny současných sladařských ječmenů. Toto je jen jeden z prvních, z řady slavných českých šlechtitelů, vzpomínajíc dále např. na Pourovo zelí (Dobrovodské), Loudovi jabloně (odrůda Rubín, Bohemia), Horákovu vinnou révu (André), Osvaldův český chmel (Žatecký červeňák), Zapotilovu cukrovou řepu a mnoho dalších.
Také dnešní šlechtitelé, méně nápadní vzhledem k týmové práci, v míře ještě větší využívají ve své práci často původní sběrový materiál, plané a primitivní formy, nesoucí právě dříve opomíjené geny pro žádoucí vlastnosti, jako dnes žádané odolnosti k chorobám, škůdcům a stresům. Takto je tedy nashromážděné bohatství genových bank neustále dále zhodnocováno, používajíc terminologie finančního světa.
Botanické cesty a introdukce rostlin do českých zemí
Karel IV. (14. stol.) léčivé rostliny – např. Andělská zahrada (Angelus de Florentia) kuchyňské zelinářství – cibule, česnek, mrkev, křen, fazole, šalvěj, šafrán, kopr
Rudolf II. Císařská zahrada, skleník, oranžerie, fíkovna
Tadeáš Haenke (1761 – 1817) Jižní Amerika – viktorie královská
Jan Emanuel Presl (1782 – 1834) autor nedokončené květeny Čech, zmapování vnitrozemí Brazílie „Plantarum Brasiliae hucusque ineditarum icones et descriptiones“
Karel Bořivoj Presl (1794 – 1852) – kapradiny
Jan Vilém Helfer (1810 – 1838) botanické výpravy do Středomoří, Blízkého Orientu a Východní Indie
August Josef Corda (1809 – 1849) kníže Fr. Coloradus Mansfeld – Amerika, Texas
Benedikt Roezl (1824 – 1885) Mexiko, Brazílie – orchideje
Uchování genofondu rostlin – historické mezníky
• 1890 Vienna – International Agriculture and Forestry Congress, Emmanuel Ritter von Proskowetz, Kvasice u Kroměříže – význam krajových odrůd (landraces) pro šlechtění, potřeba poznání genových center, sběru, dokumentace a hodnocení genových zdrojů
• 1914 Baur (Německo) – varování před genetickou erozí v důsledku rozvoje šlechtění a zemědělské výroby
• 1920-30 N.I. Vavilov (Leningrad, Rusko) – definování genových center kulturních rostlin, sběrové expedice
• 1950 FAO – seznamy „genových zásob“ různých plodin, rozvoj aktivit k jejich využití a introdukci
• 1959 – 10. konference FAO – rezoluce o významu gen. zdrojů a o nebezpečí genetické eroze
• 1960 ustavení CGIAR – Consultative Group on International Agricultural Research
• 1961 Technical Meeting on Plant Exploration and Introduction- první mezinárodní akční plán – návrh na ustavení regionálních center výzkumu genetické diverzity
• 1967 FAO/IBPGR Technical Conference on the Exploration, Utilization and Conservation of Plant Genetic Resources (PGR)
• 1968 ustavení FAO Crop Ecology and Genetic Resources Unit
• 1968 ustavení EUCARPIA Genebank Committee – návrh na ustavení čtyř regionálních genových bank
• 1974 International Board for Plant Genetic Resources
• 1981 přijetí European Cooperative Programme on Plant Genetic Resources
• 1982 rezoluce FAO – International Undertaking on Plant Genetic Resources- vypracování globální strategie konzervace a využívání genových zdrojů
• 1992 UNCED- United Nations Conference on Environment and Development (Rio de Janeiro), Convention on Biological Diversity – první globální dohoda o ochraně biodiverzity a genových zdrojů
