Do skupiny těžkých kovů patří například měď, zinek, kadmium, rtuť, olovo a další. Mnoho z nich je nezbytných pro fungování rostlin, respektive všech živých organismů. Například měď hraje důležitou roli v přenosu elektronů během fotosyntézy a buněčného dýchání. Zinek se podílí na aktivaci řady enzymatických reakcí. Ovšem i tyto biologicky významné mikroelementy jsou pro většinu rostlin ve vysokých koncentracích toxické. Toxicita těžkých kovů spočívá často v chemické podobnosti s jinými prvky. Těžké kovy mohou nahrazovat jiné prvky v proteinech, především enzymech, a tím narušovat správnou funkci. Rostliny nemají možnost pohybu, proto jediný způsob, jak se vyrovnat se stresovými podmínkami, představuje adaptace.
Povrch haldy u obce Špania Dolina. Modré a zelené zbarvení kamenů je způsobeno minerály mědi
Toleranci rostlin k těžkým kovům poprvé popsal nestor české rostlinné fyziologie Silvestr Prát (1895–1990), který pozoroval geneticky podmíněnou toleranci silenky dvoudomé (Silene dioica) k vysokým koncentracím mědi v půdě. Jedná se o jeden z mála velkých objevů české vědy a původní Prátova práce z r. 1934 bývá dodnes citována v prestižních vědeckých časopisech.
Moderní metody molekulární a buněčné biologie přispěly k objasnění osudu těžkých kovů v rostlinných pletivech, a čím se odlišují metalofyty (rostliny schopné růst na půdách s vysokým obsahem těžkých kovů) od svých netolerantních příbuzných. Nápomocny byly především dva druhy z čeledi brukvovitých (Brassicaceae) – penízek modravý (Noccaea caerulescens) a řeřišničník Hallerův (Arabidopsis halleri). Oba druhy jsou blízce příbuzné huseníčku rolnímu (A. thaliana), pro který vytvořila vědecká komunita nespočetné množství nástrojů potřebných k detailnímu studiu.
Náš výzkum je zaměřený na vyhledávání genů zodpovědných za rezistenci k těžkým kovům nejen u modelových laboratorních druhů, ale též u ekonomicky významných plodin.
Rostliny pěstované v kontrolním roztoku (vlevo) a v médiu s přidaným kadmiem (vpravo)
Díky metodám analýzy transkriptomu pomocí NGS (Next-Generation Sequencing) jsme zjistili, že homolog genu PLANT CADMIUM RESISTACE 2 (HvPCR2) je součástí komplexní odpovědi transkriptomu na toxické koncentrace kadmia u ječmene. Navíc jsme zjistili, že tento gen existuje u ječmene v pěti kopiích, což zvyšuje schopnost rostliny reagovat na kadmium.Pomocí metod genového inženýrství bylo všech 5 kopií HvPCR2 exprimováno v kvasinkách Saccharomyces cerevisiae (obr. 5). Kvasinkové kultury exprimující geny HvPCR2 vykazovaly mnohem silnější toleranci vůči zvýšeným koncentracím kadmia než kultury bez HvPCR2. Zmíněná analýza nám umožnila pochopit roli těchto genů v odpovědi na stres způsobený těžkými kovy. Zároveň bylo díky použití jednobuněčných eukaryotických mikroorganismů demonstrováno, že geny HvPCR2 jsou schopny vykonávat funkci na úrovni jednotlivých buněk bez větší závislosti na komplexní regulaci celého rostlinného organismu.
Vlevo: Schéma genomového lokusu obsahujícího tandemově uspořádané kopie HvPCR2
Vpravo: Kvasinky exprimující jednotlivé kopie genu HvPCR2 na standartním médium a médiu s přidáním vysoké koncentrace kadmia
Celá problematika kontaminovaných půd souvisí nejen s absolutními hodnotami polutantů v půdě, ale s mnoha dalšími faktory. Naše data o schopnostech rostlin tolerovat těžké kovy získaná pomocí moderních metod genomiky jsou kombinována s informací o složení mikrobiomu půdy. Tyto metaanalýzy jsou základem naší spolupráce s mnoha zemědělskými společnostmi, které se snaží naše poznatky přenášet do praxe. Díky podpoře Strategie AV21 jsme schopni realizovat pilotní studie a předkládat nové objevy nejenom vědecké komunitě (část získaných dat byla publikována v prestižním časopise Frontiers in Plant Science), ale etablovat se jako partner pro spolupráci s aplikovanou (agrární) sférou.
Úvodní foto: Test tolerance k mědi .Nahoře kontrolní půda, dole půda se zvýšenou koncentrací mědi. Rostliny
silenky dvoudomé z populace Tišnov.
.jpg)
