Luštění dědičné informace rostlin může na první pohled vypadat jako nudná a v dnešní době snad i rutinní záležitost. Ve skutečnosti se však za ním skrývá nejen nebývalé vědecké dobrodružství, ale zejména obrovský potenciál pro budoucnost lidstva.

Jen s malou nadsázkou se dá říci, že celý svět luští DNA obilovin pomocí technologie, kterou postupně vypracovali v olomouckém pracovišti Ústavu experimentální botaniky AV ČR.

Na výživě lidí na celé planetě se celými 35 % podílí pšenice. S touto klíčovou plodinou je však v posledních deseti letech problém – sklízí se jí méně, než se zkonzumuje. Aby se její zásoby dále neztenčovaly, je třeba, aby se její výnosy zvyšovaly každý rok nejméně o 1,7 %.

Současné výnosy všech světových polí dohromady však nedávají příliš důvodů k optimismu – tempo zvyšování výnosů je reálně asi o polovinu nižší, než by bylo třeba.

Nesmírně složitý genom

Zemědělští odborníci však vědí, že ve výnosech pšenice stále ještě existují skryté rezervy. Vědci, kteří by chtěli při šlechtění využívat znalost její DNA, se však musejí poprat s jednou velkou obtíží – genom, tedy soubor veškeré genetické informace pšenice, je totiž nesmírně rozsáhlý a složitý.

Jedna kopie dědičné informace se nachází na třech sadách chromozomů a je zapsána pomocí 17 000 000 000 písmenek genetického kódu. Počtem sad chromozomů tedy „trumfuje“ člověka 3x, počtem jednotlivých písmenek genetického kódu dokonce 5x! (Viz „Jak pšenice přicházela na svět“.).

Světový lídr z Česka

Žádný pokrok ve šlechtění výnosnějších a odolnějších rostlin dnes prakticky není myslitelný bez poznání struktury a funkce dědičné informace, zapsané v DNA. Pod vedením doc. Ing. Jaroslava Doležela, DrSc.

vznikla v Olomouci laboratoř, která se v průběhu posledních dvou desítek let stala v této důležité oblasti výzkumu jedním ze světových lídrů. Luští zde především dědičnou informaci pšenice, věnují se však i dalším obilovinám, některým travám a v neposlední řadě také banánovníku.

I toto pracoviště se přidalo k 60 dalším institucím z celého světa, které 18. května poprvé oslaví celosvětový Den fascinace rostlinami.

Metoda pro celý svět

Kvůli velikosti a složitosti genetické výbavy pšenice bylo klíčové zvolit metodu, která umožní takový genom dešifrovat a vytvořit seskupení vědeckých týmů, které by si s tak obtížným a rozsáhlým úkolem dokázalo poradit.

Mezinárodní konsorcium pro sekvenování genomu pšenice (vzniklo v roce 2005) si jako základ pro mezinárodní spolupráci vybralo postup, s nímž přišli olomoučtí vědci pod vedením Jaroslava Doležela.

V čem vlastně spočívá jedinečná výhodnost souboru metod, díky níž se metoda sekvenování neboli čtení genetické informace, s níž přišli na Hané, prosadila i v silné mezinárodní konkurenci? Odpověď zní na první pohled jednoduše:

Přišlo s metodou, která čtení genomu zjednodušuje tím, že umožňuje tvorbu tzv. fyzických map jednotlivých chromozomů. To v praxi znamená, že na konci celého procesu je určeno pořadí jednotlivých písmenek a „slov“ genetické řeči, včetně informace o tom, kde přesně jsou písmenka i slova genetického kódu na chromozomu umístěna.

Výsledek tedy připomíná knihovnu, v níž jsou jednotlivé svazky uspořádány a každý ví, kam sáhnout, chce-li si přečíst Švejka či Dášeňku.

Páni buněčného cyklu

Možnost analyzovat jednotlivé chromozomy stojí a padá s tím, že vědci dokážou chromozomy izolovat. Chromozomy se totiž nacházejí v jádře buňky, ze kterého je nelze uvolnit. Z jádra se dostávají jen v průběhu dělení buňky, kdy jsou v mikroskopu pozorovatelné jako kompaktní mašličkovité útvary o velikosti několika tisícin milimetru.

Protože se buňky obvykle nedělí všechny naráz a buněk, ze kterých lze získat chromozomy, je žalostně málo, museli se vědci nejprve stát „pány buněčného cyklu“. V praxi to znamená, že se jim podařilo donutit buňky kořenové špičky rostliny, aby se všechny dělily v jednom okamžiku.

Po zvládnutí tohoto úkolu se chromozomy z buněk kořene izolují do vodného roztoku, potom se v tzv. průtokovém cytometru roztřídí podle velikosti a z vytříděných chromozomů se izoluje DNA. „Tento popis zní jednoduše, ve skutečnosti je však za ním mnoho let vývoje nejrůznějších metod.

Na přípravě metody izolace DNA z chromozomů má velký podíl kolegyně ing. Hana Šimková, CSc. Celý proces je také velmi náročný na vybavenost laboratorní technikou, v současné době jsme na tom již velmi dobře,“ vysvětluje doc. Doležel.

Knihovny v bakteriích

Aby vědci zjistili, jaké informace jsou uloženy v jednotlivých chromozomech, musejí přejít k dalšímu důležitému kroku, a to k vytvoření tzv. knihoven DNA. Ty však nejsou zapsány na papíru, ale na médiu podstatně méně tradičním.

Genetickou informaci lze totiž uchovávat přímo v živých tvorech, konkrétně v bakteriích. Výhodou takových živých knihoven je, že je lze skladovat, množit, rozesílat a dále s nimi pracovat.

„DNA chromozomu rozdělíme na tisíce menších částí a metodami molekulární biologie je vložíme do bakterií Escherichia coli. Potomstvo každé bakterie (klon) je uchováváno odděleně a nese jinou část chromozomu,“ popisuje dnes již poměrně tradiční postup genových inženýrů doc. Doležel.

Kousky dědičné informace pšenice, uložené v knihovně DNA, jsou poté porovnány a uspořádány tak, aby to odpovídalo jejich původnímu pořadí na chromozomu. Jinými slovy – budeme vědět, kam sáhnout pro zmiňovaného Švejka či Dášeňku.

Takový plán chromozomu je kýžená fyzická mapa. Pak už zbývá jen jednotlivé části DNA chromozomu uchovávané v bakteriích přečíst jednu po druhé a stanovit pořadí písmenek genetického kódu.

Vlaječky na mapě

Přesvědčit vědce z celého světa, že tento pracný způsob je v konkurenci jiných metod pro pšenici ten nejvýhodnější, však trvalo poměrně dlouhou dobu. Řadě badatelů se totiž zdálo, že v éře, kdy je možno číst velké části genomů rychle a naráz (např. pomocí moderních sekvenátorů „nové generace“), je přístup čtení „klon po klonu“ příliš pomalý a pracný.

„Neuvědomili si, jak vážnou komplikaci představuje složitý a velký genom pšenice, na který tyto metody stále nestačí. Jako první se s námi spojili Francouzi, záhy se přidali Američané,“ vzpomíná doc. Doležel.

Český tým v současné době dokončuje přípravu knihoven DNA pro všechny chromozomy pšenice, které rozesíláme laboratořím do celého světa. Účast na takovém projektu je velmi prestižní a většina vědecky vyspělých států chce mít na mapě pšeničného genomu zapíchnutou svou vlastní vlaječku.

„My se na celém projektu podílíme přečtením tří chromozomů (3D, 4A a 7D), což znamená, že naše republika bude mít vlaječky hned tři,“ konstatuje s uspokojením doc. Doležel.

Na cestě k lepší pšenici

Vytvoření knihoven a map genů je jistě zajímavá záležitost, konečný cíl celé práce však leží jinde. Je jím přechod od genomiky strukturní, tedy od poznání struktury genů ke genomice funkční, tedy poznání toho, jakých pochodů v těle rostliny se dané geny účastní. I to je ovšem téměř sisyfovská práce.

Většina DNA, která tvoří genom pšenice, nekóduje žádné geny, a proto bývá poněkud zjednodušeně označována jako molekulární odpad, který v genomu zůstává a je přenášen do dalších generací. „Kódující sekvence představují jen asi 1 % –5 % genomu.

I přesto se horní odhady počtu genů pšenice blíží 160 000,“ přibližuje náročnost budoucí práce doc. Doležel.

Existuje však i relativně jednoduchá metoda šlechtění, která nemusí čekat na přečtení celého genomu a identifikaci všech genů, a přitom využívá poznatků molekulární biologie.

Jedince nesoucí výhodné geny mohou vědci rozpoznat podle jakési genové „visačky“, tzv. DNA markeru, který je v genomu přítomen společně s žádaným genem.

Ke šlechtění napomůže už jen to, že šlechtitel vyseje potomstvo vzniklé z křížení a mladé rostlinky otestuje na přítomnost této „visačky“. Ty, u kterých ji nenajde, zlikviduje a nechá si jen ty pozitivní. Tím sníží náklady a šlechtění urychlí.

Pátrání v minulosti

Lepší poznání genetické informace pšenice poskytne vědcům nejen pohled „dopředu“, tedy směrem k dosud neexistujícím odrůdám, ale i směrem zpět, tedy do historie. Dnešní pšenice je totiž relativně mladým druhem, který vznikl díky několikerému mezidruhovému křížení.

Jeho výzkum může proto chytit evoluci takřka při činu. Rozluštění struktury genomu napoví mnoho o způsobech, jakým v průběhu evoluce vznikají nové geny, které podmiňují důležité vlastnosti.

I když tato oblast patří dnes spíše do sféry základního výzkumu, v budoucnu by mohla také přinést praktické důsledky. Poznání, jak přesně vlastně pšenice přišla ke své klíčové roli při vzniku zemědělství a rozvoji naší civilizace, však také jistě není zanedbatelným výsledkem.

Svět fascinovaný rostlinami

*Poznání procesů v rostlinných organismech má pro lidstvo obrovský význam.

*Na šlechtění stále výnosnějších a odolnějších odrůd totiž závisí nejen blahobyt, ale často i holé přežití.

*Jelikož práce rostlinných biologů a šlechtitelů zůstává stále tak trochu mimo záři reflektorů, rozhodla se Evropská organizace rostlinné biologie se sídlem v Bruselu vyhlásit na den 18. 5. 2012 historicky první Den fascinace rostlinami.

*Účast na Dnu fascinace rostlinami dosud potvrdilo 27 zemí, většinou evropských.

*Více než 60 výzkumných institucí, univerzit, botanických zahrad, muzeí a firem už oznámilo, že zorganizují akce týkající se rostlin, které budou určeny pro veřejnost od předškolních dětí až po seniory.

*Česká republika pochopitelně nebude výjimkou.

*Veškeré informace budou postupně zveřejňovány na internetových stránkách www.plantday12.eu.

Jak pšenice přicházela na svět?

Čtení genů hospodářsky významných rostlin je důležité nejen kvůli využití ve šlechtitelství, ale i kvůli odhalení procesů, které vedly ke vzniku nových druhů a jejich genové výbavy.

Příběh pšenice je v mnoha ohledech mimořádný. Odborně řečeno jde o tzv. allopolyploidní druh. Toto složité slovo označuje takové druhy, které vznikly křížením různých druhů, tzv. vzdálenou hybridizací, která byla doprovázena zvýšením počtu sad chromozomů.

Počet sad chromozomů udáváme pomocí řecké předpony di- (2), tri- (3), tetra- (4), hepta- (5) a hexa- (6).

Velice dlouhá cesta

Pšenice setá má genom složený ze tří sad chromozomů po sedmi, tedy celkem z 21 chromozomů. Protože každý jedinec obdržel jednu kopii dědičné informace od matky a jednu od otce, má pšenice v  jádrech buněk šest sad chromozomů (celkem jej jich 42) a je tedy hexaploidní.

Cesta k tomuto složitému genomu začala před asi milionem let křížením dvou příbuzných diploidních druhů divokých pšenic s genomy označovanými AA a BB, každý se 7 páry chromozomů.

U křížence došlo ke zdvojení počtu chromozomů a vznikl tetraploidní druh se 14 páry chromozomů a genomem AABB, který je předchůdcem dnešní pšenice tvrdé. Teprve asi před 10 000 lety se tento druh zkřížil s dalším diploidním druhem se 7 páry chromozomů a genomem DD.

Po zdvojení počtu chromozomů vznikl hexaploidní předchůdce pšenice seté s 21 páry chromozomů a genomem AABBDD. Na dalším vývoji pšenice se pak významně podílel člověk, který si vybíral vhodné typy rostlin podle svých potřeb.

Nejen pšenicí jsou na Hané živi

Na olomouckém pracovišti Ústavu experimentální botaniky AV ČR se vědci zdaleka nevěnují jen pšenici.

Výběr objektů ke studiu však rozhodně nebyl nahodilý. Společným jmenovatelem je struktura genetické informace, v níž se vyskytují znásobené sady chromozomů (polyploidie) a k jejímuž vzniku přispělo mezidruhové křížení (hybridizace).

Poznávání genetické informace takových rostlin je velmi obtížné, olomoucká laboratoř však ušla obrovský kus cesty a dnes je k takovému úkolu vybavena jak kompetentními pracovníky, tak laboratorní technikou.

Kromě pšenice zkoumají i další obiloviny (ječmen, žito), ale i některé druhy trav (kostřavy, jílky), jejichž poznání nachází využití např. ve šlechtění pícních trav. Poslední velkou oblastí výzkumu je luštění genomu významné plodiny tropického a subtropického pásu – banánovníku.