Sharon L. Doty, mikrobioložka University of Washington, Seattle

I rostliny mají mikrobiom

O lidském zažívacím traktu píšeme na Oslovi často. Hlavně v souvislosti s breberkami, které se tetelí v našich útrobách. Jsou jich myriády a povětšinou jsou k nám přátelští. Plní roli našich zachránců. Bez nich bychom se k mnoha živinám, z toho co sníme, jinak neměli šanci dostat a ani přežít. Podobné zoo, jaké máme ve střevech, máme i na kůži. I tam jsou „naši“ mikrobi stejně  důležití. Spolu s potem nám dělají jakési kyselé brnění. Kde selže, pouští se do nás exémy a doktorka na kožním nám řekne, ať si to myjeme jen vlažnou vodou. Mýdlo je totiž zásadité povahy a tak v dobré víře prováděná hygiena, návratu k normálu brání a stává se spíš cestou do pekel. Stále více se ukazuje, že rostliny, co do mikrobiomu, se od nás moc neliší. Pravda, nemají střeva, ale mají kořeny a ty se v tomto směru chovají stejně. I na nich, podobně jako my ve střevních kličkách, si hýčkají šiky mikrobů. A také i u nich mohou být dobré, horší, případně vyloženě špatné.

Také jste se někdy podivovali nad tím, kde všude se rostlinám daří?

Mnohdy jde jen o hromadu kamení, kde „ke snědku“ není téměř nic a přesto se zdá, že i tam jsou nadmíru spokojené. Vrtalo to hlavou i Sharon Dotyové, mikrobioložce z University of Washington. K řešení této záhady nadchla i své studenty a ze společného bádání je článek, který vyšel 19. května v časopise PLOS ONE. Popisuje  v něm něco, co by mohlo mít potenciál bezpracně uživit mnoho hladových krků.

Za objev dosud neznámého způsobu výživy rostlin mohou vrby a topoly v nivách říčky Snoqualmie. (Kredit: Sharon L. Doty)

Jak jsme kdysi dávno na Oslovi psali, lze lidi podle jejich mikrobiomů dělit do skupin. Ze složení mikrobů, aniž by mikrobiolog o nás cokoliv předem věděl, pozná na co jsme alergičtí, zda budeme mít sklon k obezitě, z které země pocházíme a jaké potraviny dokážeme využít a které nám přivodí společenské faux pas.  Mikrobiom každého z nás je vlastně takový náš občanský průkaz. V pořadí už třetí. Ten první, nám vystavuje ministerstvo a je krajně ledabylý. Vyčíst se z něj dá  jen zlomek toho, co o nás vnitro eviduje. Druhý občanský průkaz nám vystavili rodiče. Respektive náhoda, když se svými geny „hráli v kostky“.  Tuto občanku nikdy neodkládáme a její duplikáty nosíme ve všech buňkách. Učí se v ní číst genetici, ale jde to ztuha, protože na objem dat představuje skoro dva miliony stránek textu psaného na A4 formát velikostí písma 12.

Mikrobiom představuje jakousi naší třetí občanku. Je sepsána stejným jazykem jako ta  druhá, která má podobu chromozomů v jádrech našich buněk.  I ta třetí je psána jen čtyřmi písmeny (A,C,T,G). Asi proto, že jsme kdysi dávno, byli také jen takovými malými  breberkami. Občanka vystavená mikrobiomem ale není tak rigidní, jako ta jaderná. Je do jisté míry flexibilní. Mění se částečně podle toho v jakém kolektivu žijeme a také jak moc se snažíme si ji vylepšit, nebo naopak.

Mikrobiologové, kteří neměli zrovna nic užitečnějšího na práci a počítali  počty genů, došli k zajímavému zjištění.  Ten náš lidský genom, jehož čtení nás v projektu HUGO stálo miliardy dolarů trvalo dvanáct let, je doslova chudinkou ve srovnání s „genomem“ všeho toho, co roste v nás a na nás. A protože bychom bez těchto souputníků nemohli existovat, začínají mnozí říkat jejich genetickému vybavení „externí genom“. Nejen, že bychom bez něj (respektive jeho nositelů) nemohli přežít, ale také  bychom nebyli ani tím, čím jsme. Jeho prsty zasahují i do takových záležitostí, jakými jsou stav imunitního systému, naše nálady, sportovní výkonnost,... Jsou i tací výzkumníci, kteří raději než „externí genom“, dávají přednost výrazu „naše druhé já“.  Těmito úvahami bychom ale dospěli k nelichotivým závěrům.  Z ryze matematického pohledu (pokud bychom důležitost hodnotili počtem genů),  se stane diskutabilním, kterému z těch „já“ je správnější říkat to „první já“.

Hrachor se svou pavézou (1), Křídly (2) a člunkem. Na kořenech mají tyto rostliny hlízky s bakteriemi, které rostlině dodávají vzdušný dusík. (Kredit: Rasbak, Wikipedia, CC BY SA 3.0)

Ve studiu mikrobiomů rostlin ještě tak daleko, jako jsme u živočichů, nejsme. Nicméně z toho, co už víme lze tušit, že komunity mikrobů spolupracujících s rostlinami, budou podobně rozmanité a také že budou pro rostliny charakteristické. Takže ho mohou mít jako my mikrobiom dobrý nebo špatný.

Konečně se dostáváme k tomu, co je doménou Dotyové a na co vlastně přišla. Původně výzkumnice řešila, jak se rostlinám daří vypořádávat s chemickými postřiky proti hmyzu (insekticidy). Výzkumně procházkové trasy, které podnikala s adepty na vysokoškolský titul, jí zavedly  na břehy říčky Snoqualmie. Tam jsou dominantními rostlinami vrby a topoly. Zarážející na nich je, že se jim daří i v nivách na podloží ze samých valounů. Zachytila si to na fotografiích. Jsou z let  2002, 2006 a 2015 (viz výše vlevo). Prosperují tam v prostředí s naprostým nedostatkem dusíku v půdě i vodě.  A dusík, jak známo, je limitujícím prvkem pro všechny živé organismy. Bez něj si nedovedou vyrobit aminokyseliny a bílkoviny, pyrimidinové, purinové báze nukleových kyselin, enzymy. Rostliny bez něj nemohou vytvořit dokonce ani chlorofyl.

Topoly neumí to co rostliny motýlokvěté, přesto patří k nejrychleji rostoucím dřevinám. Dusíku se domohou díky bakteriím, které místo v kořenech, hostí ve svých korunách. (Kredit: www.public.asu.edu)

S jistou dávkou nadsázky se dá říci, že Dotyová na topolech přišla na kloub tomu, co se u nás traduje v pořekadlu: „Čím hloupější sedlák, tím větší brambory“.  Poctivý farmář, který  v našich končinách přemýšlel, jak vyřešit když se mu nedostávalo hnoje a zachraňoval to alespoň tím co měl po ruce a zaorával rostlinné zbytky z úrody a slámu v domnění, jak činí dobře. Příroda se mu za to ale pomstila. Sklidil méně brambor, než soused, co místo toho čas probendil v hospodě. Dnes už víme, že za to mohou půdní bakterie. Ke svému růstu potřebují dusík. Jakmile jim sedlák slámou dopřál dostatek celulózy, což je svým způsobem cukr, množily se jako o závod. Jak šel mikrobiální život do obrátek, spotřeboval veškeré dostupné zdroje dusíku. Ten se pak nedostával rostlinám a i když měly všeho ostatního dost, byly slabé a neduživé.

Lidová moudrost hovoří jen o bramborách. I to je na ní chytré. Nejde totiž o obecně platné pravidlo. Tak třeba rostliny, které mají v květu pavézu, křídla a člunek (motýlokvěté alias bobovité), těm se daří  i v místech, kde je dusíku v půdě jako šafránu. Poznáme je nejen podle květů ale i podle kořenů. Mají na nich něco, co připomíná malé nádory. Ty se jim vytvářejí tam, kde si je najdou hlízkové bakterie. Ty malé brebery totiž jdou „po čichu“ (řídí se ve směru koncentračního spádu flavonoidů)  ten je přivede do kontaktu s rostlinou. Tehdy začnou syntetizovat speciálními lipooligosacharidy. Těmi pak zaklepou na dveře a rostlina na ten „zvuk“ slyší. Nejen, že v daném místě jim povolí vstup, ale začne tam extrémně množit buňky. Z překotného množení většinou vzniká nádor. Tady to ale vyústí jen v podobu nádoru. Ve skutečnosti to je ubytovna s mnoha komůrkami, kde se s hostem sjedná oboustranně výhodný obchod. Směňuje se vzdušný dusík (přetransponovaný do organických sloučenin). Rostlina za něj platí molekulami s uskladněnou energií (sacharidy).

Když vědci provedli bilanční pokusy a spočítali fixační kapacitu spolupráce, vyšlo jim, že si rostliny za rok takto přijdou až na 500 – 600 kg dusíku na každém hektaru plochy. 
Dusík je pro všechny rostliny lákavou komoditou, ale ne všechny mají obchodního ducha aby dovedli s hlízkovými bakteriemi obchodovat. Nouze je naučila brutálnostem, těm říkáme masožravky.

Andrew Sher, spoluautor objevu, při sběru „hnojiva“ z listů topolů. (Kredit: Sharon L. Doty)

Na topoly od říčky Snoqualmie ale nic z výše jmenovaného neplatí. Nemají hlízky, neumí lapat hmyz a v místech, kde dusíku je evidentně více než poskrovnu, se místo toho aby byly neduživé a zakrnělé, staly dominantními. Něco tady nehrálo a Dotyová přišla na to co.  Podobnou symbiózu, jako provozují některé rostliny s hlízkovými bakteriemi pod zemí, provádí topoly a vrby s jinými mikroby. Kupodivu tam, kde to zatím nikdo nehledal – na  listech a nejspíš i v nich.     

Poznatek, jak se některé rostliny hnojí a že to je zcela zadarmo, má všechny předpoklady k nějakému rozumnému cílenému zúročení. Možná není daleko doba, kdy zemědělské plodiny budeme stříkat bakteriemi původem z topolů a vrb  a cíleně jim tak jiným rostlinám zasahovat do jejich mikrobiomů. Z takového počinu by mohly těžit a poskytovat vyšší výnosy například rajčata, saláty, kukuřice, a mnoho dalších kulturních plodin. Nejspíš to nepůjde jen tak, že bychom k tomu použili topolové bakterie přímo, ale bude je potřeba upravit, aby obstály v komunitách, které jsou pro danou rostlinu charakteristické (byly by kompatibilní s jejich občankami číslo 2).  Pro genetiky, s jejich novým udělátkem zvaným CRISPR, s nímž začínají přenášet geny jak se jim zachce, by to nemuselo představovat tak velký problém.

Za nový poznatek vděčíme nejen Sharon Dotyové, ale i filantropické nadaci Byrona a Alice Lockwoodových, která výzkum spolufinancovala.

Problém by to ale nejspíš vyvolalo u zastánců přirozenosti, odmítajících geneticky modifikované organismy.  Eko-zemědělství, které je spíše náboženskou ideologií, než čímkoli jiným, uplatňování nových vědeckých poznatků nakloněno není a ti, kteří by na svých pozemcích  zmutované hnojivo aplikovali, by za své kacířství přišli o svůj certifikát. Dotyová, aniž by to tušila,  Evropanům s jejich fundamentalistickým přístupem ke GMO, zadělala na pořádný problém.

Literatura

Sharon L. Doty et al, Variable Nitrogen Fixation in Wild Populus, PLOS ONE (2016). DOI: 10.1371/journal.pone.0155979