Největší přečtený genom rostliny
V roce 1994 došel americký Národní svaz pěstitelů kukuřice k závěru, že „budoucnost kukuřice je zapsána v její dědičné informaci“ a že „nejdůležitějším úkolem je zmapování kukuřičného genomu“. Americká National Science Foundation vzala čtení kukuřičného genomu za své. Investovala 31 milionů dolarů do čtyřletého výzkumného projektu, během kterého byla přečtena DNA hospodářsky významné linie kukuřice označované jako B73. Vědcům i zemědělcům je kukuřičný genom volně dostupný internetové databázi. Zevrubnou charakteristiku DNA kukuřice otiskly v sérii článků prestižní vědecké časopisy Science a PLoS Genetics.
Dědičnou informaci kukuřice B73 tvoří 2,3 miliardy písmen genetického kódu. V buněčném jádru je rozdělena do deseti úseků, tzv. chromozomů. Obsahuje více než 32 000 genů. Kukuřičná DNA je tedy menší než lidská dědičná informace, která má tři miliardy písmen genetického kód. Zároveň je však bohatší na geny. Počet lidských genů se pohybuje kolem 23 000. To není velké překvapení. Rostliny mají obecně více genů než živočichové, například proto, že si samy vyrábějí živiny fotosyntézou a musí k tomu být náležitě vybaveny.
Dědičná informace kukuřice je největším rostlinným genomem, jaký se zatím podařilo přečíst. První rostlina s kompletně přečtenou DNA byl drobný plevel huseníček polní. Jeho genom tvoří jen 120 milionů písmen genetického kódu a obsahuje 25 500 genů. Kompletně přečtenou dědičnou informaci rýže tvoří 400 milionů písmen genetického kódu a DNA vinné révy je jen o 100 tisíc písmen delší. Podobně velké jsou i přečtené genomy topolu chlupatoplodého a mechu čepenky odstálé. Genom sóji přečtený v loňském roce a právě „dočítaný“ genom řepky tvoří asi miliarda písmen genetického kódu.
Domestikace pod soptícími vulkány
Ve světle informací o kukuřičném genomu se začaly vyjasňovat letité záhady, které pěstování kukuřice provázely. Už samotná domestikace kukuřice z planě rostoucí teosinty je považována za jeden nejúžasnějších počinů v dějinách lidstva. Nyní vědci mohou tento proces zpětně rekonstruovat. V genomu dnešních kukuřic jsou jasně patrná místa, která pod tlakem ryze empirického šlechtění prvními jihoamerickými zemědělci podléhala dramatickým změnám. Mnohé ze zásahů dávných indiánů zocelily kukuřici proti drsným klimatickým podmínkám a toxickému účinku těžkých kovů. Ve srovnání s planě rostoucí teosintou mají i nejstarší pěstované odrůdy kukuřice navíc asi desítku genů s těmito funkcemi. To prozrazuje, že kukuřice zdomácněla před 8500 až 10 500 roků pod soptícími mexickými vulkány. Při sopečných erupcích se dostávalo do půdy velké množství těžkých kovů a indiáni vybírali mezi domestikovanou teosintou takové rostliny, které této zátěži nejlépe vzdorovaly.
Intenzitu šlechtění kukuřice dokládá i fakt, že dnešní odrůdy od sebe dělí větší genetické rozdíly, než jaké stačily přirozenou evolucí povstat za 5 milionů let mezi člověkem a šimpanzem. Například odrůda Palomero pěstovaná odnepaměti na mexické vysočině má ve srovnání s moderní linií B73 o 400 milionů písmen genetického kódu méně. Je to jako kdyby moderní odrůdy kukuřice postupně vstřebaly do své dědičné informace úseky DNA, jež jsou svou délkou srovnatelné s kompletní dědičnou informací rýže.
Objasněná záhada zdatných hybridů
Mezi zemědělskými plodinami je kukuřice přeborníkem v heterozi. To znamená, že vlastnosti kříženců nejsou pouhým průměrem vlastností rodičovských rostlin. Hybrid rodiče většinou v mnoha směrech překoná. Zemědělci toho hojně využívali k tvorbě tzv. hybridních linií s vlastnostmi, o jakých si dřívější pěstitelé kukuřice mohli nechat jenom zdát. Přitom však nikdo pořádně netušil, proč právě kukuřice reaguje na křížení tak dobře. Mnohé objasnily až analýzy dědičné informace hybridů a její srovnání s DNA výchozích rodičovských rostlin. V hybridní rostlině se sejdou chromozomy s odlišnými variantami genů mateřské a otcovské rostliny. Geny, jež přineslo pylové zrnko, mají schopnost zapínat a vypínat geny na chromozomech, jež dostal hybrid od mateřské rostliny. V různých křížencích se tedy širokému spektru „otcovských zapínačů“ nabízí pokaždé jiná konstelace „cílových genů“ z mateřské rostliny.
Jednotlivé linie kukuřice se liší i počtem genů a to je další „odrazový můstek“ pro vyšší kvalitu kříženců. Hybridní rostliny mohou získat i stovky genů, které jedné či druhé rodičovské rostlině chybí. Šlechtitelé si pak mohou z nepřeberného množství hybridů vybrat takové rostliny, který nejlépe vyhovuje jejich potřebám.
Kukuřice není jen významná zemědělská plodina. Představuje i významný model pro teoretické výzkumy. V minulosti už mnohokrát pomohla genetikům k významným objevům. Ve čtyřicátých letech například odhalila americká genetička Barbara McClintocková v dědičné informaci kukuřice „skákající geny“ čili transposony. Jde o úseky dědičné informace, které dokážou samy sebe kopírovat a které se následně vmačkávají na nová místa v řetězcích DNA. Na jedné straně hrozí transposony poškozením genů, do kterých se nabourají. Na druhé straně mohou dodat rostlině nové vlastnosti. Genom linie B73 je z plných 85% tvořen právě těmito „skákajícími geny“ a jejich pozůstatky.
Prameny:
Data o genomu kukuřice jsou volně dostupná na internetové adrese http://maizesequence.org/index.html
Vědecké články v PLoS Genetics:
http://www.plosgenetics.org/article/info:doi/10.1371/journal.pgen.1000715
http://www.plosgenetics.org/article/info:doi/10.1371/journal.pgen.1000716
http://www.plosgenetics.org/article/info:doi/10.1371/journal.pgen.1000728
http://www.plosgenetics.org/article/info:doi/10.1371/journal.pgen.1000711
http://www.plosgenetics.org/article/info:doi/10.1371/journal.pgen.1000734
http://www.plosgenetics.org/article/info:doi/10.1371/journal.pgen.1000740
http://www.plosgenetics.org/article/info:doi/10.1371/journal.pgen.1000737
http://www.plosgenetics.org/article/info:doi/10.1371/journal.pgen.1000733
http://www.plosgenetics.org/article/info:doi/10.1371/journal.pgen.1000732
http://www.plosgenetics.org/article/info:doi/10.1371/journal.pgen.1000743
Vědecké články v Science:
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/sci;326/5956/1118
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/sci;326/5956/1115
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/sci;326/5956/1112
http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/sci;326/5956/1078
Diskuze:
