Kvetoucí jílek vytrvalý (Lolium perenne L.) Kredit: Molecular Plant Breeding / ETH Zürich

Šlechtění trav je z jistého hlediska obtížné. Stejně jako mnoho jiných, semeny se rozmnožujících rostlin, i trávy si v průběhu evolučního vývoje vyvinuly mechanismus, který odborníci označují pojmem autoinkompatibilita (self-incompatibility). Zajišťuje, že pyl vlastní, případně od blízce příbuzného jedince nemůže vrůst do semeníku a oplodnit tam vaječnou buňku. Tím se rostlina brání inbreedingu a jeho možným negativním důsledkům.

Problém pro šlechtitele. Autoinkompatibilita komplikuje tvorbu geneticky homogenních („čistokrevných“) linií i cílené křížení příbuzných rostlin. Jak pak ale lze u travin geneticky posílit a upevnit požadované znaky? U chovaných zvířat se to dosahuje i cíleným příbuzenským křížením jejich nositelů. Právě tomu se mnohé, pro nás důležité rostliny brání. Aby vědci mohli problém řešit, musí dobře rozumět, jak funguje mechanizmus chránící některé rostliny před samooplozením. Znát detaily až na nejhlubší úrovni jednotlivých genů a souhry jejich aktivit.

Vedoucí studie prof. Bruno Studer z Oddělení molekulárního šlechtění rostlin Ústavu zemědělských věd Spolkové vysoké školy technické v Curychu Kredit: Molecular Plant Breeding / ETH Zürich

Tým rostlinných genetiků Oddělení molekulárního šlechtění rostlin Ústavu zemědělských věd Spolkové vysoké školy technické v Curychu (ETH Zürich) vedený Brunem Studerem ve spolupráci s několika zahraničními kolegy si pro výzkum vybrali jílek vytrvalý (Lolium perenne L.), běžně divoce rostoucí travinu, která se pěstuje i jako velice hodnotná pícnina a důležitá složka směsi semen pro trávníky. U jílku vědci poprvé identifikovali tři konkrétní geny chránící před samoopylením a osekvenovali je, tedy stanovili pořadí jednotlivých bází jejich DNA. Geny se nacházejí na dvou specifických místech (lokusech) genomu, o jejichž existenci se ví již od roku 1960. Před těmi více než šedesáti lety však vědci neměli k dispozici metody, jak geny určit a zkoumat.

Schéma samičího orgánu květu krytosemenných rostlin. Oplození pylovým zrnem Kredit: Mgr.Iveta Bartošová, ZŠ Hradec Králové, z ppt prezentace Opylení a oplození

Studer s kolegy z Dánska, Walesu a USA spolupracuje na výzkumu hospodářsky důležitých travin již více než 15 let. V roce 2006 pátrali po genech, které zvyšují výnosy pícnin. Dopracovali se však k opaku – objevili geny, které ho snižují. Jak se ukázalo, nacházejí se v genomu právě na těch dvou lokusech odpovědných za autoinkompatibilitu. Koncem loňského roku Studerův tým zveřejnil v časopisu Molecular Biology and Evolution podrobný popis příslušných tří genů.

A znáte-li detailně konkrétní geny pro autoinkompatibilitu, můžete je pomocí nástrojů genetického inženýrství ovlivnit, například vypnout, nebo modifikovat. "Znalost těchto genů nám poskytla důležitý základ pro kontrolu tohoto mechanismu a jeho využití při šlechtění," poznamenává Bruno Studer.

Zjednodušeně: autoinkompatibilita u některých druhů čeledi lipnicovitých je v podstatě založena na interakci dvou genových oblastí (Z-lokus a S-lokus) ležících na různých chromozomech. Tvoří je tři geny - genetické recepty, podle nichž buňka rostliny dle potřeby vyrábí příslušné proteiny. Jsou to součástky mechanismu, odborně nazývaného gametofytická inkompatibilita, který rozeznává, jestli zrníčko pylu, jež dopadlo na bliznu, má stejný, nebo velmi příbuzný genetický profil jako samotná rostlina.

Zkouška opylování in vitro pro testování autoinkompatibilitu jílku vytrvalého (Lolium perenne L.). Červovité pylové láčky prorůstají tkání blizny. Kredit: Molecular Plant Breeding / ETH Zürich

Když nevhodný pyl „vyklíčí“ a jeho pylová láčka proroste bliznou do čnělky, dojde k její destrukci dřív, než by mohla svůj genetický náklad odevzdat vajíčku v semeníku. Studerův tým ve výzkumu pokračuje a s využitím umělé inteligence odhaluje prostorovou strukturu geny kódovaných molekul proteinů zajišťujících tuto obranu. Pomocí modelů se snaží vypátrat, jak spolupracují při rozlišování vlastního a cizího pylu.

Je férové dodat, že gametofytická autoinkompatibilita je známá již nějakou dobu. Mechanismy u rostlin z jiných čeledí jsou ale založeny pouze na genech situovaných do jednoho místa v genomu. Je tedy pravděpodobné, že v evoluční historii trav se tento lokus zduplikoval a jeho novější verze se časem četnými mutacemi výrazně změnila, zatímco ta původní byla evolučně stabilnější.

Porovnání sekvencí příslušných genů nacházejících se na obou zmíněných lokusech mezi různými druhy lipnicovitých rostlin umožňuje upřesnit fylogenezi trav, odhadnout, kdy došlo k duplikaci původního lokusu a kdy se jednotlivé druhy od sebe evolučně oddělily. Fylogenetický strom zobrazuje, které trávy neprodělaly zdvojení lokusu a které druhy v důsledku mutací autoinkompatibilitu ztratily.

Literatura: Molecular Biology and Evolution, ETH Zürich

Kredit: OSEL.

Kdo to ví, odpoví, odpoví mi na otázku:

Tato poznámka pod čarou je otázkou. Ne kvízovou, protože odpověď neznám. V roce 2010 prof. Jaroslav Petr psal o zvláštní čínské stromové orchideji Holcoglossum amesianum, která se prý rozmnožuje výhradně samoopylením (zde). Nakonec nemusíme letět až do Číny, i o jedné z našich orchidejí, okrotici bílé (Cephalanthera damasonium) se uvádí: „Okvětní listy jsou k sobě navzájem těsně skloněné. Květ bývá jen zřídka otevřený, naprostou většinou dochází k samoopylení uvnitř květu, semena se tvoří téměř ze všech, tedy i neopylených květů.“

Představme si, že máme rostlinu výhradně samosprašné čínské orchideje. Vysejeme dvě její semena. Od každé ze dvou nových rostlin pak pro další pěstování použijeme jen jedno semínko. Ze třetí generace tvořené dvěma „vnoučaty“ také k výsadbě použijeme jen jedno semínko od každého. Tak postupujeme po řadu dalších generací. Pro jednoduchost představy tedy budeme mít vždy jenom dvě rostliny (viz náčrt vpravo).

Stromová orchidej Holcoglossum amesianum z čínské provincie Yunnan. Má zajímavý mechanismus samooplození, který brání přenosu pylu i mezi sousedními květy stejné rostliny. Jak si jedinci této výhradně samosprašné rostliny udrží stejné charakteristické znaky po dlouhou řadu generací? Kredit: Elena Gaillard, Wikimedia Commons , CC-BY-2.0

Protože jsou výhradně samosprašné, vzájemně se nekříží. V průběhu mnoha generací vlivem akumulace náhodných mutací tak nutně dostaneme rostliny s genomy netypicky rozdílnými pro jedince stejného druhu. A dříve nebo později by se tyto odlišné mutace měly projevit i na vnějších znacích rostliny.

Takže ta otázka: Mohou výhradně samosprašné rostliny existovat po delší dobu jako jednoznačně identifikovatelný druh? (Samozřejmě, že jen některé mutace poskytují evoluční výhodu, některé mohou být naopak nepříznivé nebo fatální. Jde ale o zjednodušený myšlenkový experiment, v přírodě je mnoho jedinců, kteří mají statisticky vzato i více než jednoho „potomka“. Takový myšlenkový experiment by ale byl příliš složitý. Okrotici se možná občas podaří křížit se s jiným jedincem. Ve Wikipedii se uvádí: „Mezidruhoví kříženci v rámci rodu nebyli v ČR nalezeni, ačkoliv se mimo ČR druhy tohoto rodu kříží.“ Bylo by zajímavé vědět, jestli se kříženci určují podle znaků (což je pravděpodobnější), nebo porovnáváním genomů. Jestli A je správné, nemohly by být v tomto případu znaky kříženců vnějším projevem časem naakumulovaných vlastních mutací?)