Zahlavi

Biologové odhalili vztah klíčového rostlinného hormonu a buněčných membrán

13. 05. 2020

Hormon auxin ovlivňuje v rostlinách mnoho základních životních pochodů – dosud však není zcela jasné, jak každá buňka „ví“, kam ho přenášet. Biologové nyní zjistili, že důležitou roli při tom hraje propojení mezi klíčovým rostlinným hormonem a buněčnými membránami. Výsledky výzkumu, na němž se podíleli také odborníci z Ústavu experimentální botaniky AV ČR, zveřejnil ve svém aktuálním vydání prestižní časopis Nature Plants.

Hormony nemají pouze živočichové, ale i rostliny – navíc u nich hrají ještě větší roli v nejrůznějších fyziologických pochodech. Řídí nebo podstatně ovlivňují vývoj rostlin, jejich růst i interakce s prostředím, zejména odpovědi na různé stresy, jimž jsou rostliny vystaveny. Ať už jde o sucho, extrémní horko či mrazy, vysokou intenzitu světla a UV záření, zasolení půdy či napadení hmyzími škůdci, houbami, viry nebo dalšími patogeny.

Auxin jako klíčový rostlinný hormon

Dnes už známe celou řadu rostlinných hormonů neboli fytohormonů s rozmanitými účinky a čeští vědci patří v jejich výzkumu k nejlepším na světě.  Jedním z nejdůležitějších fytohormonů je auxin. Ovlivňuje v rostlinách množství procesů – je klíčový pro správný vývoj listů a stonků nebo pro růst a ohyb kořenů, ale i pro reakci na podněty z prostředí, například světlo či gravitaci. Díky působení auxinu se například rostlina nakloní ke světlu, když ji osvětlujeme z jedné strany. Je zajímavé, že působení tohoto hormonu závisí na velmi přesném vyladění jeho přenosu mezi buňkami. Právě ten totiž určuje koncentraci auxinu v jednotlivých místech rostliny i směr a intenzitu jeho transportu na delší vzdálenosti.


Huseníček rolní (Arabidopsis thaliana)

Úspěchy českých badatelů při studiu auxinu

Mezinárodní tým vědců, v jehož čele stál mimo jiných i český rodák Jiří Friml, zkoumal, jakým způsobem se řídí transport auxinu mezi buňkami. Do bádání se zapojili také odborníci z Ústavu experimentální botaniky AV ČR (ÚEB AV ČR) a výsledky nyní uveřejnil renomovaný časopis Nature Plants.

Badatelé popsali řetězec několika kroků, který vede od změn v membráně na povrchu buňky přes regulační bílkoviny až ke změnám v toku auxinu. „Je to důležitý krok v porozumění, jak tento hormon funguje na molekulární úrovni,“ říká Jan Petrášek, který vedl českou část vědeckého týmu.

Jiří Friml, který dlouhodobě působí v zahraničí, nyní v rakouském vědecko-technickém institutu IST, si získal světové jméno průlomovými objevy o funkci auxinu. Významně přispěl k poznání zásadní role bílkoviny označované zkratkou PIN, která přenáší hormony nezbytné pro správný vývoj všech orgánů v rostlině. Vědci z Ústavu experimentální botaniky AV ČR s ním na tomto tématu dlouhodobě spolupracují. V roce 2006 se podíleli i na průkopnické práci, která jako první na světě dokázala, že bílkoviny PIN opravdu fungují jako přenašeče auxinu.

Překvapení: klíčová role buněčných membrán

Bílkoviny PIN usměrňují toky auxinu v rostlině – zajišťují, aby mezi buňkami proudil například nahoru či dolů. Jak ale každá buňka „ví“, kam má auxin přenášet? Některé z dosud nezodpovězených otázek se rozhodl objasnit tým vědců z několika rakouských a čínských institucí a z ÚEB AV ČR. Vedli jej právě Jiří Friml společně s čínským badatelem Hong-Wie Xuem.

Biologové se zaměřili na regulační bílkoviny zvané kinázy, které se běžně vyskytují u všech organismů. Zesilují či tlumí aktivitu dalších bílkovin tím, že chemicky pozměňují jejich molekuly (připojují na ně skupiny obsahující fosfor).

Kaskádovité působení rozhodujících chemických látek

Výzkum probíhal především na pokusné rostlině huseníčku rolním. Vědci při něm využili řadu moderních molekulárněbiologických metod i současnou špičkovou mikroskopii a zjistili, že činnost auxinových přenašečů PIN řídí dvě kinázy. Obě pracují takříkajíc v kaskádě – první kináza aktivuje druhou a druhá následně aktivuje bílkoviny PIN.


Jedna ze zkoumaných regulačních bílkovin – kináz – v buněčné kultuře tabáku (zeleně). Převážná část bílkoviny se nachází uvnitř buněk v jejich cytoplazmě.

První z uvedených kináz zřejmě v buňce působí při regulaci mnoha životně důležitých procesů jako jakýsi „centrální přepínač“. O jejím velkém významu svědčí i skutečnost, že ji mají nejen rostliny, ale i živočichové, včetně lidí. A u člověka způsobují poruchy jejího fungování řadu chorob včetně rakoviny nebo cukrovky.

„Klíčovým objevem tohoto rakousko-čínsko-českého výzkumu je, že obě zúčastněné kinázy jsou propojené s biochemickými pochody v membráně na povrchu rostlinné buňky,“vysvětluje Jan Petrášek. Aktivitu kináz totiž ovlivňuje jak chemické složení membrány, tak specializované sloučeniny, které na membránách vznikají. Tyto látky se tvoří na základě různých podnětů a přenášejí informaci o nich dovnitř buňky. „Membrány tedy zřejmě hrají mnohem důležitější roli při řízení toku auxinu, než si biologové dosud mysleli.“

Úkolem české části týmu bylo prozkoumat, jak se kináza z huseníčku chová v buněčné kultuře tabáku. „U huseníčku je příslušná kináza částečně uvnitř buňky a částečně na povrchu – na buněčné membráně. V tabákových buňkách nás ovšem čekalo překvapení: naprostá většina se držela vevnitř buňky,“objasňuje Jan Petrášek. To podle jeho slov ukazuje, že umístění kinázy je u různých rostlin řízeno odlišně. „Případně mohou mít tabákové membrány jiné složení, které bílkovina huseníčku neumí adekvátně rozpoznat. Každopádně jde o zajímavé evoluční rozdíly, které by si zasloužily další studium.“


Dvojice tabákových buněk obarvená třemi různými „svítícími“ fluorescenčními značkami. Zleva doprava jsou označeny jedna ze studovaných kináz (zeleně), membrána na povrchu buňky (červeně) a buněčná stěna (modře). Vpravo pak je obrázek kombinující všechna tři barvení.

Jak je vidět, otevřených otázek ohledně rostlinných hormonů zůstává v současné biologii ještě dost a dost. Mimo jiné proto, že jeden hormon působí na vícero procesů v rostlinách a naopak jeden proces řídí celá škála hormonů. Rozklíčovat jejich vzájemné působení a propojení si proto vyžádá ještě hodně času a úsilí.

Připravila Jana Olivová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR, s využitím tiskové zprávy ÚEB AV ČR
Fotografie: Jan Petrášek, Shutterstock

Biologie a lékařské vědy

Vědecká pracoviště

Cílem výzkumu je poznávání procesů v živých organismech, a to na úrovni molekul, buněk i organismů. Biofyzikální výzkum se zabývá studiem vztahu DNA – protein a vlivu faktorů životního prostředí na organismy. V oblasti molekulární genetiky a buněčné biologie jsou studovány zejména signální cesty pro spouštění reakcí a odezvy cílových genů na tyto signály; zvláštní pozornost je věnována studiu buněčných mechanismů imunitních odpovědí. Sledovány jsou rovněž genomy mikroorganismů a procesy směřující k moderním technologiím přípravy látek s definovanými biologickými účinky. V oblasti fyziologie a patofyziologie savců a člověka je výzkum zaměřen na kardiovaskulární fyziologii, neurovědy, fyziologii reprodukce a embryologii s cílem vytvořit teoretické základy preventivní medicíny. V oblasti experimentální botaniky se výzkum věnuje genetice, fyziologii a patofyziologii rostlin a moderní rostlinné biotechnologii. Sekce zahrnuje 8 vědeckých ústavů s přibližně 1930 zaměstnanci, z nichž je asi 690 vědeckých pracovníků s vysokoškolským vzděláním.

Všechny výzkumné sekce