Úroda: Nová metoda urychlí šlechtění plodin

Vědci z olomoucké laboratoře Ústavu experimentální botaniky (ÚEB) Akademie věd ČR se věnují studiu dědičné informace rostlin už mnoho let a ve svém oboru patří ke světové špičce a tak mohou šlechtitelům pomoci s jejich nelehkou prací. Vyvinuli například novou metodu pro snazší izolaci genů rostlin, díky které bude možné urychlit šlechtění nových odrůd pšenice.

U pšenice bylo dosud velmi obtížné izolovat geny, protože má velký a složitý genom. Její dědičná informace je přibližně šestkrát větší než u člověka a izolace genů doposud zabrala mnoho let. Metoda, kterou jsme vypracovali jako jediní na světě a kterou rutinně používáme, může celý proces zkrátit až na pouhých několik měsíců,“ vysvětluje prof. Jaroslav Doležel, vedoucí olomouckého pracoviště ÚEB, které je součástí Centra regionu Haná pro biotechnologický a zemědělský výzkum (CRH). Nová metoda přispěje ke šlechtění odrůd odolných vůči chorobám, škůdcům a změnám klimatu a k zajištění dostatku potravin pro rostoucí světovou populaci.

Dostatek potravin pro rostoucí populaci

Chronickým hladem trpí více než tři čtvrtě miliardy lidí na světě a je příčinou vyššího počtu úmrtí než na tuberkulózu, malárii a AIDS dohromady. Zajištění dostatku potravin je i kvůli migračním krizím a hrozícím válečným konfliktům v zájmu vyspělých zemí. Většina naší stravy pochází přímo či nepřímo z třiceti druhů rostlin, které tvoří devadesát procent výživy světové populace. Dvě třetiny energie však lidstvo získává jen ze čtyř plodin, kterými jsou pšenice, rýže, kukuřice a sója. Málokdo si uvědomuje, že až do 19. století lidé pěstovali tyto plodiny tak, jak vznikly v době kamenné a příliš jejich vlastnosti neměnili. Mezi hlavní inovace, které přispívaly k postupnému zvyšování produkce potravin, byly změny ve způsobu obdělávání půdy a později také aplikace umělých hnojiv. Šlechtění odrůd s  vlastnostmi vylepšenými na vědeckých základech začalo až na začátku minulého století, a to po objasnění principů dědičnosti.  Pěstování nových odrůd obilovin odstartovalo v 60. letech minulého století takzvanou Zelenou revoluci, která odvrátila hrozbu hladomoru v Indii a dalších zemích Asie. Nové a výnosné odrůdy s kratším stéblem umožnily zdvojnásobení výnosů a zajištění dostatku potravin. Na začátku 21. století je však podle prof. Doležela potenciál Zelené revoluce vyčerpaný. „V období po Zelené revoluci se výnosy hlavních plodin zvyšovaly každý rok až o tři procenta, postupně však začaly klesat a dnes jsme na úrovni asi jednoho procenta. Pokud chceme nasytit všechny lidi, kteří na planetě přibudou, a do roku 2050 to budou nejméně dvě miliardy, musí výnosy stoupat nejméně dvojnásobně,“ upřesnil prof. Doležel, který spolu s kolegy přispěl k rozluštění genomu pšenice.

Za naše plodiny vděčíme domestikaci

Původ plodin důležitých pro člověka musíme hledat v mladší době kamenné, kdy lidé postupně měnili způsob života z lovectví a sběračství, začali se usazovat a tak postupně vznikalo zemědělství. Pro svoji výživu stále více využívali rostliny a semena planých trav, která sklízeli přednostně z rostlin s větším množstvím kvalitnějších semen. Odtud byl už jen krok k zakládání primitivních políček. Samovolné křížení mezi planě rostoucími a pěstovanými rostlinami a náhodné změny v jejich dědičné informaci, neboli mutace, vedly k výskytu rostlin s novými vlastnostmi, které člověku vyhovovaly. Vzácněji docházelo ke křížení i mezi příbuznými druhy rostlin, mezidruhové hybridizaci, a ke zdvojování dědičné informace. Takto vznikla i pšenice setá, která jako planý druh nikdy neexistovala. Změny dědičné informace vedly ke vzniku obilovin s nerozpadavými klasy, ze kterých semena samovolně nevypadávají, s obilkami bez pluch a plodícími zrny, která dozrávají rovnoměrně. Pro planě rostoucí rostliny jsou takové vlastnosti nevýhodné či dokonce letální, ale pro první zemědělce, stejně tak jako pro ty dnešní, jsou zásadní. Procesu, který vedl k přeměně planých druhů rostlin na kulturní plodiny, říkáme domestikace. Spočíval tedy v náhodném výskytu rostlin s novými vlastnostmi, které byly podmíněny novými kombinacemi genů či jejich mutacemi a výběrem takových rostlin člověkem. „To vlastně dělá i dnešní šlechtitel, ale s tím rozdílem, že variabilitu generuje cíleně a žádané typy rostlin vyhledává mnohem efektivněji,“ konstatoval prof. Doležel a dodal, že „proces přeměny planých rostlin na kulturní byl u našich hlavních plodin zakončen už asi 2000 roků před naším letopočtem. Od té doby člověk nevytvořil žádnou skutečně významnou kulturní plodinu“.

Rychlejší šlechtění rostlin

Otec genetiky a opat kláštera augustiniánů v Brně, Gregor Johann Mendel, nehodnotil vlastnosti organismu jako celek. Naopak, sledoval konkrétní znaky a díky tomu prokázal existenci dědičných elementů, kterým dnes říkáme geny. Každý gen kontroluje projev určitého dědičného znaku nebo vlastnosti a například genom pšenice obsahuje více než sto tisíc genů. Znalost dědičné informace a izolace genů umožňuje vědcům zjistit, která část DNA organismu (gen) odpovídá za určitý znak, či vlastnost rostliny. Mohou tak studovat molekulární mechanismy ovlivňující tento znak, například množství a složení zásobních látek v obilce. Důležité je, že molekulární techniky umožňují rychle identifikovat rostliny, které obsahují žádaný gen a tak urychlit šlechtění nových odrůd. V řadě případů ani není nutné znát odpovídající gen, mohou se používat molekulární markery, tedy malé úseky dědičné informace, které se dědí společně s geny, v jejichž blízkosti se nacházejí. Pokud má rostlina ve své dědičné informaci určitý marker, víme, že má i žádaný gen a bude například odolná vůči nějaké chorobě. Využití markerů velmi usnadňuje získávání rostlin s více žádanými geny a šlechtění odrůd s vlastnostmi, které by jinak bylo velmi obtížné získat.

Pokud geny pro požadovanou vlastnost nejsou v kulturním druhu přítomné, pak je možné ho křížit s planým příbuzným druhem a dědičnou informaci z něj do kulturní plodiny přenést. Také v tomto případě DNA markery usnadňují celý proces. Obvykle je žádoucí získat odrůdu jen s malou částí genomu planého druhu, která nese důležitou vlastnost. Toho je možné dosáhnout několikanásobným křížením. Bez markerů lze ale jen obtížně ověřovat, jaká část dědičné informace planého druhu v genomu šlechtěné plodiny zůstala. Pouze málo lidí ví, že asi polovina dnešních odrůd pšenice nese malou část dědičné informace žita, která jim dodává odolnost vůči negativním faktorům vnějšího prostředí. Jiné odrůdy nesou fragment dědičné informace planého druhu trávy z rodu mnohoštět, který jim dodává odolnost vůči závažným chorobám, jako je například rez travní. Zatímco výše popsané metody pracují s existující dědičnou informací, ať již plodiny, či planého příbuzného druhu, nejnovější biotechnologické metody navíc umožňují měnit samotnou dědičnou informaci úpravou genu, a zlepšit tak její funkci. Existují dvě možnosti této editace: buď dědičnou informaci opravíme, nebo vsadíme novou zvenčí, řekl dále. Klíčem k těmto modifikacím je však znalost genů odpovídajících za vlastnosti rostliny.

Unikátní metoda čtení dědičné informace a izolace genů

Dědičná informace mnoha plodin je obrovská, je však rozdělena na menší části, kterým říkáme chromozomy, například pšenice jich má celkem 21. „Nová metoda izolace genů je založena na izolaci chromozomu, na kterém se nachází požadovaný gen. Pátrání po něm je tak omezeno jen na malou část dědičné informace. Je to jako s kupkou sena, ve které bychom chtěli najít jehlu.  My ji rozdělíme na malé hromádky a snadno tak najdeme tu, ve které se jehla ukrývá.“ Při této metodě se chromozom izoluje jak z odrůdy, která má požadovanou vlastnost, tak z uměle získaných mutantů, kteří ji ztratili. Porovnáním sekvencí DNA určí vědci poškozenou oblast společnou všem mutantům a identifikují hledaný gen. Pokud pomineme čas potřebný ke zmapování genu na chromozom a získání mutantů, trvá celá práce namísto mnoha let pouhé tři měsíce,“ vysvětlil prof. Doležel, jehož pracoviště je centrální světovou laboratoří pro izolaci chromozomů rostlin a které spolupracovalo při vývoji metod izolace genů u obilovin se švýcarskou Universität Zürich a anglickým vědeckým ústavem John Innes Center ve městě Norwich.

Propojí vědce a šlechtitele

Šlechtitelské firmy ve vyspělých státech mají vlastní laboratoře, které využívají nejnovější metody molekulární biologie a genomiky. „Bez těchto nových metod by časem nebyli šlechtitelé v České republice schopni konkurovat zahraničním kolegům,“ konstatoval prof. Doležel s tím, že právě na jeho pracovišti se rozhodli neutěšený stav změnit. Letos tady vzniklo v rámci programu Potraviny pro budoucnost Strategie Akademie věd  první a dosud jediné pracoviště propojující vědce se šlechtiteli,  Aplikační laboratoř pro zemědělský výzkum Jejím cílem je urychlit předávání vědeckých poznatků a metod získaných v základním výzkumu do praxe. V laboratoři se tak mohou čeští šlechtitelé seznamovat s nejnovějšími výsledky molekulární genetiky a genomiky a využívat nejmodernější přístroje a techniky, účastnit se seminářů, školení i praktických workshopů. Aplikační laboratoř také nabízí analýzy na zakázku a je připravena podílet se na návrzích společných výzkumných projektů pro grantové agentury v České republice i v zahraničí.

Aplikační laboratoř ÚEB navazuje na dlouholetou tradici a zkušenosti se spoluprací se šlechtiteli, zejména pak s firmou DLF Seeds, s.r.o. v Hladkých Životicích, která loni dodala 88% světové produkce osiva festulolií. „Spolupráce s touto stanicí započala již dávno a odstartovalo ji použití tehdy nové metody průtokové cytometrie. Cílem šlechtitelů z Hladkých Životic bylo vytvořit hybridní odrůdu – festulolium, která by kombinovala vlastnosti špatně stravitelné ale extrémně suchovzdorné kostřavy a dobře stravitelného jílku“, upozornil prof. Doležel. Dnes jeho kolegové při této spolupráci využívají takzvaný DNA čip a metody nové generace sekvenování, které umožňují podrobně charakterizovat dědičnou informaci jednotlivých rostlin a přesně zjistit, kolik dědičné informace obsahují jednotliví kříženci kostřavy a jílku či nová odrůda festulolia. To je pro šlechtitele velmi cenná  informace.

Kam bude směřovat další výzkum?

„Měli bychom zvážit, zda i nadále vystačíme s plodinami, které jsme zdědili po našich předcích, či zda si „ochočíme“ jiné druhy rostlin. Nesmíme zapomenout na to, že Zelená revoluce uspěla také díky modernizaci zemědělství a zvýšenému použití umělých hnojiv, pesticidů a zavlažování. Intenzivní zemědělství však velmi zatěžuje životní prostředí a je třeba hledat nová řešení a radikálně změnit vlastnosti rostlin. Velkou výzvou je například upravení kořenového systému tak, aby byla rostlina schopná získávat více vláhy a živin z půdy, případně aby ze stejného množství slunečního záření, vody a kysličníku uhličitého vytvářela větší množství energeticky bohatých látek.  Už teď je jisté, že během několika let nastane ve šlechtění rostlin revoluce a začnou se využívat metody genové editace, tedy nová generace genetických modifikací. Šlechtění pomocí molekulárních metod tak bude postupně doplňováno o nové techniky. I s tím počítáme a v Aplikační laboratoři budeme nabízet odborné poradenství a expertízy i v této oblasti,“ dodal prof. Doležel s tím, že cílem olomouckých vědců je pomáhat českým šlechtitelům získávat nové odrůdy zemědělských plodin s požadovanými vlastnostmi a držet krok se světovým vývojem.

Více ZDE