Zahlavi

Rostliny umí přeškolit geny, umožnily tak evoluci od kapradí po kvetoucí byliny

04. 08. 2021

Samci mají za úkol experimentování a pokrok vpřed, samice zase zajišťují stabilitu. Že to je genderově nevyvážená představa? Ve velice hrubých obrysech to tak ale opravdu funguje. Alespoň u rostlin. Čeští vědci z Ústavu experimentální botaniky AV ČR zapojení do mezinárodního projektu detailně popsali, jak fungují geny u huseníčku rolního, a přispěli tak do celosvětové databáze, v níž badatelé najdou informace i o dalších dvanácti druzích. Výzkum nejenže prozrazuje zajímavé skutečnosti o tom, jak se rostliny vyvíjely od chvíle, co před stovkami milionů let vystoupily z moře na souš, ale nabízí i nové poznatky využitelné například při šlechtění plodin.

Jako hlavní model si pražští experimentální botanici v čele s Davidem Honysem, vedoucím Laboratoře biologie pylu, vybrali huseníček rolní. Tato drobná, bíle kvetoucí bylina je v polích snadno přehlédnutelná, přitom roste skoro všude. A mezi biology dokonce platí za hvězdu – právě huseníček je hlavním předmětem zájmu molekulárních genetiků už od přelomu milénia, kdy se podařilo sekvenovat jeho genom, a to vůbec poprvé u zástupce rostlinné říše.

Huseníček rolní
Huseníček rolní má poměrně malý genom, což mu vysloužilo prvenství mezi rostlinami v sekvenování DNA.

Kvetoucí, tedy krytosemenné rostliny stojí na konci evoluční cesty, jsou ze všech nejmladší. Začaly dominovat během druhohor, zhruba v době, kdy se na Zemi objevili dinosauři. Předchozí vývojovou etapu představují rostliny nahosemenné – například jehličnany nebo cykasy. Před nimi tu byly výtrusné kapradiny a úplně na začátku kolonizace souše rostlinami před bezmála půlmiliardou let primitivní mechorosty.

„V průběhu evoluce je u rostlin možné pozorovat postupné ‚vynalézání‘ nových orgánů. Že se to děje, a to díky adaptaci genů, jsme tušili, ale ukázalo se, že stejné regulační dráhy využívají i nepříbuzné druhy vzdálené od sebe miliony či stovky milionů let. Překvapilo nás, jak moc jsou tyto strategie univerzální,“ říká David Honys. Výsledky mezinárodního výzkumu otiskl prestižní časopis Nature Plants.

Chybějící záloha umožňuje evoluci
Postupná „profesionalizace“ tedy dospěla až k současnému stavu, kdy vedle sebe na několika metrech čtverečních žijí potomci rostlin z různých vývojových etap. Jak si ale dokázaly přizpůsobit či vytvořit nové orgány s dalšími funkcemi, například kapradiny pravé listy či kořeny a semenné rostliny květy?

Lví zásluhu na tom mají právě samčí pohlavní buňky. Ty ze své podstaty mají pouze jednu sadu genů, podobně jako samičí. Liší se tak od ostatních buněk v těle, jež disponují vždy dvojitým genomem. Těží z toho obě skupiny. „Somatické buňky využívají dvou stejných sad genů pro vlastní ochranu – když jedna kopie zmutuje, pořád je k dispozici jakási záloha, která zabrání projevení chyby,“ vysvětluje vědec. A pohlavní buňky zase po splynutí samčí a samičí části dvojitý kód příští generace založí. Jinak by to ani nešlo.

Láčky huseníčku rolního
Pylové láčky huseníčku rolního prorůstající pestíkem. Bojují o to, která jako první doroste k některému z vajíček a oplodní jej. Snímek z fluorescenčního mikroskopu.

Skutečnost, že pohlavní buňky obsahují pouze jednu sadu genetické informace a žádnou zálohovou kopii, současně nahrává tomu, aby právě v nich probíhaly důležité vývojové změny. Jenže samičí buňky jsou příliš vzácné. Každý organismus jich má omezený počet, pro rozmnožování a tedy přežití je klíčová jejich stabilizační funkce, kdežto samčích pohlavních buněk je naopak přebytek, a tak je možné s nimi „plýtvat“ na evoluční experimenty. „I proto o nich v případě huseníčku rolního hovoříme jako o laboratoři pro vývoj nových genů,“ podotýká David Honys.

Zajímavé přitom je, že rostliny často „učí staré geny novým kouskům“ – geny v jejich DNA zůstávají, ale získávají nové funkce. Jinými slovy každá buňka organismu obsahuje stejný počet genů, aktivní je ale asi jen polovina – to pak definuje, jak buňka vypadá, co umí, s kým komunikuje a jak se bude vyvíjet. Jakmile evoluce postoupí do bodu, kdy je „potřeba“ vytvořit nový orgán, nastartuje procesy, které určité geny vypnou a jiné zapnou, případně je přeškolí pro nový úkol. „Není nutné nic vymýšlet znovu, ve skladu genů materiál je, jen se modifikuje způsob jeho užití,“ komentuje biolog genialitu evoluce.

Genový atlas
Drobnokvětá bylina, jež se považuje za plevel, je jen jednou z celkem třinácti detailně popsaných druhů rostlin v mezinárodní databázi CoNekT. Ta je k dispozici zdarma, a jak David Honys oceňuje, nabízí vědcům příjemné rozhraní a především rozsáhlou sbírku informací, z nichž vyčnívá zejména expresní atlas umožňující podívat se, které geny u konkrétní rostliny jsou aktivní v kterých orgánech, a dokonce jak moc. Přínosný je také nástroj pro hledání určité skupiny genů příbuzné napříč druhy.

David Honys
David Honys z Ústavu experimentální botaniky AV ČR

Informace shromážděné v databázi by vedle dalšího výzkumu mohly pomoci přímo v zemědělství třeba šlechtitelům nových odrůd plodin. Je známo, že některé geny způsobují mezidruhovou nebo i vnitrodruhovou bariéru a znesnadňují vzájemné křížení – květ nepřijme pyl, nenechá ho vyklíčit nebo nedojde k interakci s vajíčkem. „Určité druhy rostlin se brání oplození cizím druhem nebo i příliš příbuzným, například pylem z vlastního květu. Pokud bychom znali kód, bylo by možné bariéry obcházet,“ naznačuje vědec možnosti v aplikační sféře, k nimž je však ještě dlouhá cesta.

Text: Jana Bečvářová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Shutterstock; Jan Fíla, Ústav experimentální botaniky AV ČR

Licence Creative Commons Text je uvolněn pod svobodnou licencí Creative Commons. 

Přečtěte si také

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

-->