Zahlavi

Čeští botanici pomohli rozklíčovat DNA žita o osmi miliardách písmen

22. 03. 2021

Olomoučtí vědci z Ústavu experimentální botaniky AV ČR spolu s kolegy ze třinácti zemí světa odhalili dědičný kód již třetí obiloviny – po pšenici a ječmenu už znají i genom žita. Tato znalost otevře dveře novým možnostem v jejich šlechtění. Průlomové informace najdou uplatnění nejen v zemědělství a potravinářství, ale třeba i ve farmacii. O objevu píše prestižní vědecký časopis Nature Genetics.

Vzhledem připomíná slavnou vizuální kompozici z filmu Matrix, založenou na ideji, že svět, jak ho známe, je optický klam a ve skutečnosti ho tvoří jen nepřetržitý proud číselných kódů. I následující obrázek znázorňuje kód, není na něm ale ani trochu science fiction. Představujeme vám dědičnou informaci žita.

Korálky na niti aneb zobrazení vybraných úseků DNA
Vypadá jako matrixovská scéna, ve skutečnosti to jsou úseky dědičné informace na natažených molekulách DNA – vědci je přezdívají korálky na niti.

Rozluštit genom žita se podařilo mezinárodnímu týmu expertů po čtyřech letech bádání a je to opravdový průlom. Vědecká obec teď totiž zná genetickou informaci všech tří nejdůležitějších evropských obilovin: vedle žita také pšenice a ječmene.

Sýpky plné obilí
Světová produkce pšenice v roce 2019 podle Organizace pro výživu a zemědělství při OSN (FAO) činila 765 milionů tun, přičemž asi třetina pocházela z Evropy. Úroda ječmene se předloni vyšplhala na 159 milionů tun – téměř dvě třetiny se sklidily na evropských polích. Naproti tomu žito se téměř výhradně pěstuje jen na starém kontinentu: v roce 2019 se ho tu vyprodukovalo 13 milionů tun, ve zbytku světa pak ještě jeden milion tun.

Ačkoli oblíbenost žita v průběhu 20. století spíše klesala, v minulosti patřilo k tradičním obilovinám, bez níž by se žádná domácnost neobešla. Žito bylo základem placek a chlebů, používalo se ale i k výrobě alkoholických nápojů: piva či pálenek. Odtud také název jedné z nich: podstatnou složkou režné byla rež, staročesky žito.

Žitný chléb
Žitný chléb opět přichází do módy. Z našich stolů ho během 20. století vytlačilo bílé pečivo s větším obsahem pšeničné mouky.

I díky obratu ve výzkumu má tato plodina šanci dostat se opět na výsluní. „Je neoddiskutovatelné, že má velký význam a nezastupitelnou roli v pekárenství, zvlášť při pečení chleba. Navíc má skvělé výživové vlastnosti, obsahuje hodně rozpustné vlákniny, takže dokáže zasytit na delší dobu,“ říká Jaroslav Doležel, vedoucí Centra strukturní a funkční genomiky rostlin v Ústavu experimentální botaniky AV ČR.

Jak se luští genetický kód
Přečíst DNA obilnin je těžký úkol. Jejich dědičná informace je totiž násobně delší než u člověka, například pšenice se skládá ze sedmnácti miliard písmen, což je pětkrát více, než má lidský genom. Jako první se složitou genetickou hádanku podařilo rozlousknout u ječmene a jeho pěti miliard písmen, po desetiletém úsilí slavil mezinárodní tým vědců – včetně českých – úspěch v roce 2017.

O rok později se to podařilo i u pšenice, opět svým dílem přispěli i čeští odborníci. A olomoučtí badatelé z Ústavu experimentální botaniky AV ČR nyní jásají do třetice: dešifrovali žitný, osmimiliardový genom. Stejně jako u zbývajících dvou plodin se i u žita museli vypořádat s repetitivními sekvencemi, tedy jakýmisi kopiemi kódu, které se v obilné DNA vyskytují.

Přístroj pro optické mapování
Přístroj pro optické mapování zobrazuje krátké úseky dědičné informace na molekulách DNA.

„Vyřešili jsme to konstrukcí optické mapy Díky ní jsme mohli sestavit obtížné úseky, ověřit správnost vytvořené sekvence a opravit případné chyby,“ upřesňuje Hana Šimková, vedoucí výzkumné skupiny v Centru strukturní a funkční genomiky rostlin při Ústavu experimentální botaniky AV ČR. Je přitom nutno zmínit, že ve vývoji a využití této metody u rostlin patří olomoucká laboratoř ke světové špičce.

Genetické inženýrství
Jak už bylo řečeno, produkce zmíněné trojice obilovin je celosvětově velmi významná, více se pěstuje už jen kukuřice, pšenici pak na paty šlape rýže, jež je doménou pro asijské státy. Spolu se zvyšujícím se počtem lidí na Zemi se musí řešit i to, jak je nakrmit. A planeta ani zemědělské plochy nejsou nafukovací.

Naděje se proto upínají ke šlechtění nových odrůd plodin, které by byly méně náchylné na životní podmínky, lépe by odolávaly škůdcům a poskytovaly co nejlepší kvalitu zrn. Slibným adeptem je už několik desetiletí kříženec žita a pšenice, tzv. žitovec neboli tritikále, jehož celosvětová produkce je v současné době srovnatelná s žitem.

Pěstování tritikále
Tritikále se vyznačuje velkými klasy, ustojí i horší pěstitelské podmínky než pšenice, hojně se pěstuje například v Polsku.

Zlepšovat vlastnosti obilí – ať už původních odrůd, nebo moderních kultivarů – lze ale jen v případě, že známe každičký jeho kousek, každé písmenko v jeho DNA. I pouhá změna jednoho písmene z mnoha milionů či miliard může ovlivnit výsledek.

Příkladem může být zmíněná rýže, která má 390 milionů písmen genetického kódu, přičemž změna jediného z nich způsobila, že zrníčka domestikované rýže přestala vypadávat. Nedávno zase čeští vědci objevili pšeničný gen Ph2, který odpovídá za správné chování chromozomů v průběhu tvorby pohlavních buněk rostliny. Ostatně, jeden ze způsobů, jimiž lze do DNA zasahovat, je metoda CRISPR, umožňující vypnutí či opravu genu nebo změnu jeho sekvence. Objev těchto „genetických nůžek“ loni získal Nobelovu cenu za chemii.

Téma genetického modifikování organismů stále čeří vlny. I proto je mu věnována velká pozornost, pravidelně se konají konference o příležitostech a rizicích genového inženýrství, vědci z různých oborů nad nimi bádají v rámci programu Strategie AV21 Potraviny pro budoucnost.

Žito jako lék
Obilí, jež máme spojené především s moukou a pečivem, má ovšem využití i jinde než jen v potravinářství. „Žito se pěstuje také pro farmaceutické účely. Na poli se uměle infikuje houbou paličkovicí nachovou, která tvoří podhoubí v obilkách žita a mění je v tmavý tvrdý útvar, takzvaný námel. Ten obsahuje látky pro výrobu důležitých léčiv,“ upozorňuje Jaroslav Doležel, držitel ocenění Česká hlava 2018. Našly uplatnění především v gynekologii, porodnictví a interním lékařství.

Detektivní práci se podobalo hledání genu zodpovědného za správné rozmnožování pšenice. Informovali jsme o tom v článku Objev genu umožní šlechtit odolnější a zdravější odrůdy pšenice.

Nad GMO neboli genetickým modifikováním organismů vědci pravidelně debatují na konferencích napříč obory i s politickými představiteli. V článku Odborníci hovořili o potenciálu a rizicích genetických modifikací jsme shrnuli závěry předloňského setkání.

O výzkumu světového formátu, jež probíhá na olomouckém pracovišti AV ČR, jsme psali v časopise A / Věda a výzkum v článku Světová věda z Hané aneb Jak šlechtit plodiny budoucnosti.

A / Věda a výzkum 3/2017

Text: Jana Bečvářová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Shutterstock, archiv Ústavu experimentální botaniky AV ČR

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