Marcello Malpighi na listech rostlin objevil průduchy v roce 1675. Jejich funkce mu ale zůstala utajena. Kredit:The History of Biology. Watts and Co.

S tím, jak je nás víc a víc roste i potřeba potravin a zvyšuje se tlak na  intenzifikaci  zemědělské výroby. Velká část lidské populace je odkázána na rýži jako hlavní zdroj potravy. Žel to je plodina zvláště náročná na vodu. Na jeden kilogram rýže jí „padne“ 2500 litrů. Téměř polovina celosvětové produkce této plodiny pochází z míst, kde hrozí sucho a kde i krátkodobá změna klimatu může přivodit hladomor a dát do pohybu milionové masy migrantů.

Zatím se stratégové udržitelného rozvoje zaměřovali na eliminaci rizik budováním sofistikovanějších zavlažovacích systémů. Zemědělští inženýři ale přichází s nápadem, který je ze zcela jiného soudku. Začali s tím na univerzitě v Sheffieldu a svou představu jak řešit sucho si Angličané již měli možnost ověřit na pozemcích Mezinárodního institutu pro výzkum rýže na Filipínách.

Tak vypadají průduchy travin (obilovin) ve světelném mikroskopu. Svěrací buňky mají tvar tyčinek. Zdroj: Wikiedia, volné dílo.

V loňském roce zveřejnili výsledky svého bádání v časopise New Fytologist. Popisují v něm pokusy s vysoce výnosovým kultivarem rýže IR64, u něhož nadměrně exprimovali epidermální faktor OsEPF1. Získali tím rostliny lépe odolávající suchu a vysokým teplotám. Navzdory tomu, že zákrok rostlině snížil rychlost fotosyntézy, dávala ve zhoršených podmínkách buďto ekvivalentní, nebo lepší výnos. Zdálo by se, že jde o informaci dosti podstatnou, přesto zapadla. Nejspíš proto, že podobných článků z řad šlechtitelských institucí, které se k odolnosti na sucho snaží dospět klasickým šlechtěním, vychází habaděj, a tak v nánosu bezvýznamností se novinka jaksi ztratila.   Teď se britští výzkumníci k problému vrátili znovu. Prakticky totéž předvedli na hexaploidní jarní potravinářské pšenici. I když už se nejedná pro lidstvo o tak důležitou plodinu, je našim zvyklostem bližší a asi proto začíná objev konečně budit zasloužený rozruch.

Průduchy měla již Cooksonia - nejjednodušší cévnatá rostlina. Její větvené stonky jsou zakončeny kulovitými výtrusnicemi. Rekonstrukce rostliny je z dílny Matteo De Stefano/MUSE  Science Museum of Trento. Wikimedia Italia.

O co jde?

Odborně se tomu říká, že připravili transgenní rostliny se sníženou expresí endogenních EPF genů.  Laicky přeloženo, vědátoři rostliny mírně poničili. Nabourali se do jejich genetického systému optimálního nastavení hustoty průduchů a jejich tvorbu rostlině omezili.

Co jsou průduchy a k čemu jsou dobré?

V odborné literatuře se jim říká stomata z řeckého στόμα–ústa. Jde jen setiny milimetru a struktury pouhým okem neviditelné. Má je většina vyšších rostlin a slouží jim k výměně plynů (především CO2 a O2) mezi rostlinou a okolím. Proto se někdy o nich píše jako o provětrávacích pletivech.  Na jednom milimetru čtverečním jich bývá padesát až tři stovky (méně jich mívají suchomilné rostliny). Průduchy nejsou otvory kulaté, ale jsou to štěrbiny, které je rostlina, do jisté míry, schopna pomocí svěracích buněk regulovat.

V krizových situacích je evolucí nastavená optimální hustota průduchů nevýhodou, připravuje rostlinu o nedostatkovou vodu.

K jejich vzniku mělo dojít v době, které říkáme prvohory a tedy před stovkami milionů let. Víme to proto, že průduchy jsou patrné už na fosilii silurské rostliny Cooksonia. Na Oslovi jsme o jejím objevu psali v článku „Sto milionů“ (zde). 
Rostliny nemají průduchy jen na listech, ale i jinde. Například na vrcholech stonků. Tam ale mají v popisu práce zcela jiné a donedávna ještě netušené funkce. Například fototropismus. Tím, že na straně, kam dopadají paprsky, více odpařují vodu, rozbíhají i buněčný metabolismus tamních struktur na vyšší obrátky (v porovnání s těmi ve stínu). To je základ mechanismu, kterým se rostlina umí otáčet za Sluncem.

Profesorka Julie Gray, molekulární bioložka: "Naše upravené rostliny jsou lépe připravené na změnu klimatu“. Kredit: University of Sheffield.

Pravdou je, že rostliny umí své „díry“ do listů, k omezení ztráty vody, regulovat. Hlavní roli u svěračů průduchů v tom hraje koncentrace kladných iontů draslíku. Otevřené průduchy ale s sebou nesou i jisté riziko - jsou vstupní branou pro patogeny. I na ně rostliny umí zareagovat, ale některé z bakterií přišli na trik, kterým si i zavřený průduch dokážou otevřít. Vyrábí si k tomu účelu „paklíč“ zvaný koronatin. Po jeho vyloučení rostlina v dané lokalitě své průduchy doširoka otevírá.

Jak vidno, udržení rovnováhy mezi příjmem CO2 pro fotosyntézu a výdejem vody pro pohánění transpiračního proudu rostlinou není jednoduchou záležitostí. Jde v ní vždy o jistý kompromis. Proto se této regulaci také dostalo  odborného označení „fotosynteticko–transpirační kompromis“.

Tento obrázek má doložit to nejpodstatnější. Za běžných podmínek obě transgenní linie (vpravo) rostou normálně a nevykazují v porovnání s kontrolou vlevo (označena Fielder) rozdíl. Svými přednostmi se pochlubí, až když jsou přinuceny růst v nedostatku vody. Kredit: Jessica Dunn et al.,Univ sheffield.

Jak kdysi Osgood Felding ve filmu  „Někdo to rád horké“ poznamenal, „nikdo nejsme dokonalý“. Platí to i pro rostliny a jejich hustotu průduchů na listech. Evoluce jim hustotu průduchů nastavila na jakési optimum vyhovující většině situací. V dobách krizových už ale toto „přednastavení“ přestává vyhovovat. V dobách extrémního sucha, ať už z něj budeme vinit změnu klimatu, nebo kulturně změněnou krajinu, se geneticky zakotvená direktiva, nebo chcete-li lpění na tradici, stává rostlině přítěží.

Geneticky upravené rostliny s menší hustotou průduchů zvládají hospodařit s nedostatkovou vodou šetrněji a vystačí i s o 40 procent menším množstvím vody. Pokusy na huseníčku, rýži a nově i pšenici ukázaly, že upravené rostliny jsou i při nepřízni počasí schopny dávat vyšší výnosy. Dá se tedy říci, že se výzkumníkům podařilo dostihnout a předběhnout evoluci. I ta by časem dospěla k závěru, že  s rostoucí hladinou CO2 v ovzduší už tolik  vstupních bran do listu netřeba a že výhodnějším se stává, důsledně si hlídat odpar vody. A to i v případě, že se toho dosáhne za cenu přehřívání listů a nedodržení optimální teploty pro maximální výkon fotosyntézy. Rozdíl je jen v tom, že evoluci by zavést to do praxe trvalo o nějaké to století, nebo tisíciletí déle.

Otázkou je, zda svůj postoj k pěstování pozměněných rostlin změní nátlakové skupiny ekologických aktivistů z řad Greenpeace a jejich sympatizantů. Jakou moc jim společnost svěří a jak to ovlivní legislativu. Z historie víme, že hloupým opatřením racionální argumentace dostatečnou protiváhou není. A že s arogancí moci nehne ani smrt tisíců následkem hladomoru, jak zmiňujeme v článku „Ztichly bubny v Siamungale“.

Literatura

Robert S. Caine, et al.: „Rice with reduced stomatal density conserves water and has improved drought tolerance under future climate conditions“, New Phytologist, 24 July 2018. https://doi.org/10.1111/nph.15344

Jessica Dunn et al.: „Reduced stomatal density in bread wheat leads to increased water-use efficiency“, Journal of Experimental Botany (2019). DOI: 10.1093/jxb/erz248

Christian Dutton et al. Bacterial infection systemically suppresses stomatal density, Plant, Cell & Environment (2019). DOI: 10.1111/pce.13570