Dnešní zemědělství se neobejde bez herbicidů – přípravků hubících plevely. Mnoho takových látek působí na plevele stejně jako vysoké dávky rostlinného hormonu auxinu.

Vědci z našeho ústavu a z britské University of Warwick nyní prozkoumali transport těchto herbicidů i dalších podobných sloučenin do rostlinných buněk. Z dat pak odvodili, jaké vlastnosti musí mít molekuly, aby se účinně vázaly na bílkovinu AUX1, hlavní přenašeč auxinu do buňky.

Výsledky, které publikoval renomovaný časopis New Phytologist, umožní lépe pochopit toky auxinu v rostlině. Mohou také přispět k vývoji účinnějších herbicidů s menšími dopady na životní prostředí.

Hormon auxin je pro rostliny nepostradatelný. Zajišťuje správný vývoj orgánů, prodlužování buněk, ohyb stonků za světlem i řadu dalších procesů. Když ale rostlině dodáme velké množství auxinu (například postřikem), můžeme narušit regulaci těchto pochodů a rostlina uhyne. Toho využívají takzvané auxinové herbicidy – syntetické látky s obdobnými účinky, jaké má přirozený hormon.

Používání těchto herbicidů je na vzestupu, protože jsou účinné, mají relativně malý vliv na životní prostředí a plevele si vůči nim jen zřídkakdy vytvářejí odolnost. Dosud však chyběly přesné informace o tom, jak pronikají do rostlinných buněk.

Auxin mohou do buněk aktivně transportovat speciální bílkovinné přenašeče, nebo může samovolně pronikat difúzí. Důležitější je aktivní transport, který obstarává hlavně protein AUX1. Ten byl objeven už v 90. letech minulého století, zatím však nebyly dostatečně popsány jeho biochemické vlastnosti.

Mikroskopický snímek buněčné kultury tabáku pojmenované BY-2, na které probíhala velká část pokusů. Kulturu tvoří krátké řetízky složené z několika buněk. Foto Kateřina Malínská.

Odborníci z České republiky a Velké Británie se proto rozhodli důkladně prostudovat vztahy mezi auxinovými herbicidy a AUX1. Hlavními autory výzkumu byli Klára Hoyerová a Petr Hošek z naší Laboratoře hormonálních regulací u rostlin a Mussa Quareshy z týmu profesora Richarda Napiera na University of Warwick.

Doktorka Hoyerová s kolegy měřila, jak silně se auxinové herbicidy a další podobné látky vážou na bílkovinu AUX1. Vazba je totiž nutným předpokladem k přesunu do buňky.

Naši vědci využili buněčnou kulturu tabáku pěstovanou v živném roztoku. Do něj přidávali radioaktivně značený syntetický auxin (sloučeninu nazývanou 2,4-D) a sledovali, kolik ho tabákové buňky přijmou. Pokud zároveň přidali testovanou látku, příjem 2,4-D se snížil – a to tím více, čím silněji se daná látka vázala na přenašečový protein.

Pro vyhodnocení výsledků bylo ale nutné sestavit podrobný matematický model transportu 2,4-D do buněk. Úkolu se ujal doktor Petr Hošek: „Vyšel jsem ze svých dřívějších modelů pro pohyb auxinu mezi buňkami a okolním prostředím. Na jejich základě jsem sestavil rovnice, z nichž lze velmi přesně stanovit parametry vazby na protein AUX1.“

„Díky Petrovu modelu a elegantně jednoduchému systému tabákových buněk, který se nám už mnohokrát osvědčil, jsme dokázali otestovat 36 sloučenin včetně zástupců šesti skupin auxinových herbicidů. Naše výsledky byly v dobrém souladu s těmi, které získali britští kolegové jinou metodou – měřením růstu kořenů. Tak rozsáhlou studii dosud nikdo nezpracoval,“ říká doktorka Hoyerová.

Nejzajímavějším zjištěním bylo, že řada látek s herbicidními účinky se na transportní bílkovinu AUX1 váže jen slabě nebo vůbec ne. Do buněk se tedy musí tyto sloučeniny dostávat jinak, pravděpodobně difúzí. Pro vývoj nových herbicidů je to cenný poznatek.

Snímek ukazuje, že tento protein se nachází převážně u povrchu buněk. Konkrétně je zanořen do plazmatické membrány pod buněčnou stěnou, což je typické pro bílkoviny zajišťující transport látek mezi buňkou a jejím okolím. Foto Martina Laňková.

Na práci s buňkami navázal doktor Mussa Quareshy, odborník na chemickou informatiku. Z experimentálních dat se snažil odvodit, jak musí vypadat molekula, aby se co nejlépe vázala na auxinový přenašeč AUX1. S pomocí pokročilých softwarových nástrojů získal trojrozměrné mapy znázorňující tvar, rozložení elektrických nábojů a další vlastnosti „ideální“ molekuly.

„Mapy skvěle vysvětlují, proč se část herbicidů netransportuje přes AUX1. Zjednodušeně řečeno se nevejdou do prostoru, který je na povrchu proteinu k dispozici pro navázání auxinu. Tyto poznatky se určitě uplatní při navrhování herbicidů, které by snáze pronikaly do buněk. Mohly by tak být účinné v nižších dávkách, což by prospělo životnímu prostředí,“ shrnuje doktorka Hoyerová a dodává:

„Výsledky studie jsou důležité i pro pokrok v rostlinné biologii. Máme teď díky nim lepší představu o transportu auxinu na úrovni buňky. Trojrozměrné mapy navíc ukazují, jak by mohla zhruba vypadat ‚kapsa‘ pro auxin na molekule bílkoviny AUX1. To v budoucnu pomůže určit prostorové uspořádání celého proteinu.“

Příklad výstupu, který vznikl analýzou dat z experimentů. Bílý trojrozměrný „oblak“ znázorňuje průměrný tvar molekul, jež se vážou na auxinový přenašeč AUX1. Do tohoto prostoru je na ukázku vložena molekula syntetického auxinu 2,4-D. Autor Mussa Quareshy.

Pyren-1-octová kyselina je aktivní (váže se na přenašeč) a do vymezeného prostoru se vejde celá. Ostatní sloučeniny aktivní nejsou. Jak ukazují šipky, části jejich molekul vyčnívají ven. Autor Mussa Quareshy.

*   *   *

Citace článku a odkaz na něj:

Hoyerová K, Hošek P, Quareshy M, Li J, Klíma P, Kubeš M, Yemm AA, Neve P, Tripathi A, Bennett MJ, Napier RM (2017): Auxin molecular field maps define AUX1 selectivity: many auxin herbicides are not substrates. New Phytol. doi:10.1111/nph.14950.