Rostliny s dobrou pamětí. Vědci zkoumají, jaké strategie pro přežití si vyvinuly

Potomci pampelišek, které zažily strádání, jsou úspěšnější v boji o svůj životní prostor. Ukazují to výzkumy mezigenerační paměti, jimž se věnuje Vít Latzel z Botanického ústavu AV ČR. Jaká informační dědictví zanechávají rodiče svým ratolestem? A jak by poznatky z takzvané epigenetiky mohly pomoci s invazivními druhy či zhoršujícími se dopady klimatické změny? O paměťových strategiích rostlin píšeme v aktuálním čísle časopisu A / Věda a výzkum, který vydává Akademie věd ČR. 

Když se americká občanská válka v roce 1864 pomalu chýlila ke konci, byly podmínky v zajateckých táborech jižanské Konfederace otřesné. Cely byly přeplněné a nehygienické a vězni z řad unionistické severní armády museli každý den přežít jen s trochou kukuřice.

Mnoho jich zemřelo na vyčerpání průjmem a kurdějemi. Není divu, že ti, kteří se odtamtud nakonec dostali, se po válce vrátili domů s podlomeným zdravím, traumaty a pochmurnou vyhlídkou na další existenci v poválečné společnosti.

Překvapující je ale fakt, který popsala studie uveřejněná v roce 2018 v americkém vědeckém časopise PNAS. S chatrným zdravím a kratší délkou života se museli potýkat i potomci vojáků, kteří už vězení nezažili. Konkrétně šlo o přenos v mužské linii rodu, tedy z otce na syna. Dcery poznamenány nebyly.

Epigenetické znaky zřejmě vytvářejí jednoduchou „dědičnou paměť“.

Výzkumníci srovnali život dvou skupin synů vojáků z občanské války. V prvním případě šlo o vojáky, kteří si nesli zkušenost z internačních táborů, zatímco druzí sice ve válce byli, ale do tábora se nedostali. Synové vězňů se dožívali nižšího věku kvůli častější rakovině nebo mozkovým mrtvicím.

Američtí vědci se ujistili, že v odlišném sociálním statusu, rozdílných povoláních nebo dalších negenetických faktorech příčina nebyla. Našli ji v takzvaných epigenetických procesech, jež ovlivňují projev lidských genů. Některé se zapínají nebo vypínají v závislosti na životních podmínkách. Přenos v linii otec–syn podle badatelů nejspíš způsobila změna v chromozomu Y.

Silnější kořeny
Počet prací, které dokládají, že velké trauma se může propsat do životů dalších generací, stoupá. A nemluvíme jen o potomcích lidí, ale kupodivu i rostlin. Poznatky potvrzuje také mezinárodní výzkum, na němž se podíleli vědci z Botanického ústavu AV ČR. V sérii čtyř na sebe navazujících experimentů zkoumali geneticky totožné pampelišky druhu Taraxacum brevicorniculatum. Část z nich měla k růstu dostatek prostoru, druhou část výzkumníci zaseli hustě vedle sebe.

Právě jedinci rostoucí ve stísněném prostředí vyprodukovali zdatnější potomky, kteří v dospělosti dosáhli v průměru o čtyři centimetry větší výšky (až čtrnáct centimetrů). Vyvinuly se jim delší listy, jež fungují jako prevence proti stínění, a v kořeni měli o třicet procent více živin. Počáteční fáze růstu je důležitá. Když má rostlina možnost v této době rychleji růst, znamená to pro ni výhodu. „Potomci jedinců, kteří zažili všeho dostatek, byli naopak lenivější,“ říká Vít Latzel z Botanického ústavu AV ČR.

Pampelišky, které měly horší životní podmínky, tuto informaci předaly svým potomkům.

Odolnějším pampeliškám se jejich výhoda uložila do mezigenerační paměti, která funguje na epigenetickém principu. Ve zkratce jde o to, že totožná DNA se u různých jedinců projevuje jinak. Dochází ke změnám v expresi genetické informace zakódované v buňkách a tyto změny se pak mohou dědit.

Při prvním experimentu se ukázalo, že když se rostlinám epigenetická paměť odstraní, jejich potomci rostou úplně stejně, jako kdyby rodiče soupeření o životní prostor nezažili. K vymazání paměti vědci použili roztok chemické látky zvané 5-azacytidin, kterou rostlinám postříkali listy. Látka se vstřebala a doputovala až ke genetické informaci pokusné pampelišky. Jejím vlivem se pozměnila chemická stavba paměti (odstranila se metylová skupina, jež zajišťuje funkci epigenetické paměti).

Není stres jako stres
Rostliny se během svých životů musejí vypořádávat s nejrůznějšími, často stresujícími podmínkami. Stres působí negativně nejen na lidi, ale i na rostliny, které pak například hůře rostou. Přesto výše popsané srovnání epigenetické paměti lidí a rostlin, založené na strádání, vychází odlišně. Samozřejmě, jedná se o geneticky odlišné organismy, ale přesto – jak je možné, že potomci válečných zajatců měli chatrnější zdraví, zatímco namačkané pampelišky naopak plodily odolnější pokračovatele?

Možná záleží na míře stresu. Několik let před výzkumem na pampeliškách Vít Latzel s kolegy experimentovali na jeteli plazivém (Trifolium repens). Nechali ho růst jistou dobu v klidu a pak ho náhle vysušili, až téměř uhynul. Následně ho zavlažili a nechali být. Pak opět vysušili. Tak pokračovali několik měsíců. A potomci těžce zkoušeného jetele se přizpůsobili skutečnosti, že i když se daří, může zčistajasna přijít pohroma.

Vít Latzel z Botanického ústavu AV ČR (CC)

Adaptace se projevila v jejich kořenech, které se prodloužily, aby byly připravené na období sucha. Rostli také opatrněji, jako by čekali katastrofu. „I když jsme je přesadili do prostředí s dostatkem vláhy, odmítali růst,“ říká Vít Latzel. Naopak potomci stejně těžce trýzněného jetele, avšak s vymazanou epigenetickou pamětí, rostli bezstarostně, jako by nikdy předtím suché období nezažili. Dá se tedy říci, že velký stres ve formě intenzivního sucha se na růstu potomků jetele projevil negativně, kdežto v případě pampelišek pouhý nedostatek prostoru naopak pozitivně.

Invazní druhy
Vědci včetně Víta Latzela by rádi zjistili, zda se mezigenerační paměť přenáší i na více než jedno pokolení. Existují výzkumy na pokusných rostlinách rodu huseníček, které si teplotní šoky zapamatovaly i po více generací. Víta Latzela tato skutečnost překvapuje: „Říkám si totiž, proč si rostlina má pamatovat nějaké prostředí po více než dvě generace, když se dané podmínky za tak dlouhou dobu mohou změnit. Nebylo by to pro ni výhodné.“

Vědce z Botanického ústavu AV ČR zajímá, jak to tedy je. Rovněž chtějí rozklíčovat, jestli se mezigenerační paměť vytváří nejen díky interakcím mezi rostlinami, ale i s hmyzem, býložravci nebo patogeny.

Výsledky výzkumů by v budoucnu mohly posloužit například v zemědělství, při produkci výnosnějších osiv, která by se nemusela geneticky upravovat. Díky epigenetické plasticitě by šla nastavit tak, aby lépe klíčila v sušších podmínkách. Kdyby se rostliny produkující semena pěstovaly ve větším suchu, jejich potomci by mohli být na nedostatek vláhy lépe připraveni.

Zatím však tato úvaha naráží na praktickou překážku. „Problém je v tom, že potomci sice budou na sucho připravenější, ale rodiče sami v suchu nevytvoří moc semen. Ekonomicky by se to asi nevyplatilo,“ přiznává Vít Latzel.

Mezigenerační paměť vědci studují například u huseníčku. Konkrétně to, jak zkušenost rodičů s extrémními teplotami ovlivňuje koexistenci potomků. (CC)

Poznatky se dají vztáhnout také k problematice působení globální klimatické změny na vegetaci. Mohla by mezigenerační paměť zlepšit adaptaci rostlin? Ve sklenících Botanického ústavu AV ČR v pražských Průhonicích badatelé pomocí sucha, vyšší teploty i hladiny oxidu uhličitého v atmosféře modelují podmínky, které by mohly nastat během stovky let. Výsledky se snad dozvíme příští rok.

V souvislosti s klimatickou změnou se také čím dál víc mluví o invazních rostlinách. Některé cizokrajné druhy vytlačují ty původní. Navzdory tomu, že přicházejí zdaleka, dokážou se v cizím prostředí velmi dobře uplatnit. Například křídlatka japonská (Reynoutria japonica), která pochází z Asie, se od 19. století nekontrolovatelně šíří nejen po Evropě, expandovala i do Severní Ameriky, Austrálie nebo na Nový Zéland.

Jak to, že je navzdory odlišné epigenetické paměti tak úspěšná? „Je fakt, že když se rostlina dostane do cizího prostředí, její paměť tomu neodpovídá. Ovšem invaze nevznikají ze dne na den. Vlivem epigenetické regulace se postupně dokáže přizpůsobit.“

Epigenetické a genetické změny nejsou ani u rostlin, ani u lidí dány jednou provždy. Podle vědců je možné traumata otisknutá v buňkách postupně změnit. To skýtá naději i pro syny otců, kteří zažili válečná traumata podobná jako při americké občanské válce před více než sto padesáti lety.

Tento článek i další zajímavé texty najdete v časopise A / Věda a výzkum, který vydává Akademie věd ČR.

1/2021 (verze k listování)
1/2021 (verze ke stažení)

Text: Jan Klika, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Jana Plavec, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR; Shutterstock

Text a fotografie označené (CC) včetně úvodní fotografie jsou uvolněny pod svobodnou licencí Creative Commons.

Přečtěte si také

• Evoluce věčně živá. V čem tkví podstata biologické rozmanitosti?
• Pozor na klíšťata v městských parcích, jsou nebezpečná, varují odborníci
• Unikátní rozmnožování skokanů z Moravy potvrdili vědci i u dalšího druhu žáby
• Embrya parazitických ryb hořavek se naučila přemet, který jim umožňuje přežít
• Na světě klesá počet velkých šelem – vymírání čelí například levharti
• Vědec chce rozlousknout záhadu rozmanitosti přírody za pomoci mušek octomilek
• Rostliny se mohou přizpůsobit klimatickým změnám, aniž by změnily svoji DNA
• Ekosystémové stanice: tiší strážci zkoumají „dech“ krajiny a dopady změn klimatu
• Vědci předkládají zajímavou teorii: křídla hmyzu se mohla vyvinout z žaber
• Třetina světa v posledních dekádách citelně vysychá, zjistili vědci z CzechGlobe