Po třinácti letech intenzivní práce se dvěma stovkám vědců z dvaceti zemí podařil přelomový objev. „Přečetli“ genom, tedy kompletní dědičnou informaci, nejrozšířenější plodiny na světě – pšenice seté.

Odborněji řečeno, získali velmi přesnou referenční sekvenci genomu této obilniny. Informovalo o tom Mezinárodní konsorcium pro sekvenování genomu pšenice (IWGSC) v článku publikovaném v prestižním vědeckém časopise Science.

Objev poslouží vědcům i šlechtitelům, kteří díky němu budou moci rychleji šlechtit odrůdy pšenice s lepšími vlastnostmi. Velký podíl na tomto úspěchu mají olomoučtí biologové z Ústavu experimentální botaniky Akademie věd ČR (ÚEB), jejichž pracoviště je partnerem Centra regionu Haná pro biotechnologický a zemědělský výzkum (CRH).

Přečtení genomu pšenice seté bylo dlouho považováno za nemožné kvůli jeho enormní velikosti, protože ho tvoří téměř sedmnáct miliard písmen dědičného kódu. Genetická informace této plodiny je pětkrát větší než u člověka a zároveň je velmi složitá. Skládá se totiž ze tří navzájem podobných částí (subgenomů), a navíc většinu genomu představují mnohokrát se opakující úseky DNA.

Toto vše a také fakt, že vědci musí dědičnou informaci číst po malých úsecích, velmi ztěžuje její správné sestavení, jak říká vedoucí Centra strukturní a funkční genomiky rostlin ÚEB profesor Jaroslav Doležel:

„Můžeme to přirovnat k situaci, kdy bychom rozstříhali tři vydání stejné knihy ve velmi podobných jazycích na úseky kratší než jedna věta, tyto kousíčky smíchali a museli knihy sestavit do původní podoby. Jsem nesmírně rád, že se to u tak velkého genomu, jaký má pšenice, podařilo. Nebylo by to samozřejmě možné bez rozsáhlé mezinárodní spolupráce. Na výzkumu se podílelo 73 vědeckých pracovišť, která využívala různé metody, sdílela výsledky a vyměňovala si zkušenosti.“

Profesor Jaroslav Doležel, vedoucí olomouckého týmu „luštitelů genů“.

Rozluštění genomu poslouží šlechtitelům i dalšímu výzkumu

Dokončená referenční sekvence genomu pšenice poskytuje šlechtitelům nové možnosti pro řešení závažných problémů, které souvisejí s potravinovou bezpečností.

Pšenice je základní potravinou pro více než třetinu světové populace. V roce 2050 stoupne počet obyvatel zeměkoule na 9,6 miliard a pro zajištění jejich výživy je nutné každoročně zvyšovat výnos pšenice o 1,6 procenta. Protože ale ubývá půdy a mění se klima, nebude toho možné dosáhnout bez nových odrůd s lepšími vlastnostmi.

Díky podrobné znalosti dědičné informace pšenice mohou nyní šlechtitelé rychleji identifikovat geny odpovídající za výnos, kvalitu zrna, odolnost vůči chorobám či škůdcům a také geny umožňující lépe překonávat období sucha. V budoucnu budou mít tyto poznatky velký význam také při využívání nových metod genetických modifikací.

Získání referenční sekvence genomu je důležité i pro základní výzkum, jehož cílem je objasnit funkci jednotlivých částí DNA a jejich vliv na růst a vývoj pšenice. První výsledky získané díky referenční sekvenci byly zveřejněny v dalších šesti publikacích, které vyšly v tentýž den jako hlavní článek: jedna ve stejném čísle časopisu Science, jedna v časopise Science Advances a čtyři v časopise Genome Biology.

Nové odrůdy pšenice pomohou zajistit živobytí pro farmáře a potravinovou bezpečnost pro všechny. Zdroj Wikimedia Commons, autor INRA DIST, Jean Weber, licence CC BY 2.0.

Významný podíl vědců z Olomouce

Olomoucké pracoviště vedené profesorem Doleželem bylo v roce 2003 jedním ze zakládajících členů konsorcia IWGSC a v obrovském mezinárodním projektu hrálo klíčovou roli. Celý výzkum byl totiž postavený na technologii třídění chromozomů pomocí průtokové cytometrie. Metodu vyvinuli právě olomoučtí vědci a rutinně ji používají jako jediní na světě.

Tento postup umožnil rozdělit velkou a složitou dědičnou informaci na menší části – chromozomy –, což velmi zjednodušilo čtení DNA a následné uspořádávání přečtených úseků. Olomoucká laboratoř tak dodávala DNA jednotlivých chromozomů spolupracujícím týmům v různých částech světa.

Dalším přínosem české vědy byla příprava takzvaných BAC knihoven. Díky nim bylo možné číst delší úseky dědičné informace, což značně usnadnilo sestavování celého genomu. Také v přípravě BAC knihoven z izolovaných chromozomů drží olomoučtí vědci světový primát a dosud jsou v jejím využívání pokládáni za nejlepší na světě. Ve speciálních mrazicích boxech uchovávají při teplotě −80°C na 2,5 milionu klonů pšeničné DNA.

V neposlední řadě se olomoucký tým úspěšně věnoval i samotnému „čtení“ (sekvenování) tří z jednadvaceti chromozomů pšenice. Během posledních let se do výzkumu zapojil také jinými moderními metodami, například optickým mapováním DNA.

Detail průtokového cytometru – přístroje, kterým naši vědci třídí chromozomy pšenice a dalších rostlin.

Modelovou odrůdou byla ’Chinese Spring’

Cílem dlouholetého projektu bylo získat celou takzvanou referenční sekvenci pšenice seté, odrůdy ’Chinese Spring’. Nová zjištění vyplňují mnoho bílých míst v genomu pšenice, jehož pracovní verze byla publikována v roce 2014.

Nyní biologové znají sekvence všech 21 chromozomů pšenice, stejně jako přesné umístění 107 891 genů a více než 4 milionů molekulárních „značek“ neboli markerů. Nejnovější poznatky mezinárodní vědecké komunity považuje profesor Jaroslav Doležel za mimořádný úspěch:

„Získali jsme celý a velmi přesný text dědičné informace pšenice. Nyní máme k dispozici sekvenci jedné odrůdy, se kterou můžeme snadno porovnávat sekvence jiných odrůd. Nemusíme je tedy znovu pracně sestavovat, rozdíly zjistíme velmi jednoduše.“

Před vědci nyní stojí další výzvy. Dosud genom zkoumali spíše jako lineárně seřazený sled písmen dědičného kódu. Ve skutečnosti je ale genetická informace nesená molekulami DNA uspořádaná v trojrozměrném prostoru buněčného jádra o průměru několik tisícin milimetru a některé její části spolu interagují.

Toto uspořádání lze přirovnat ke klubíčku, smotanému ze 42 třiceticentimetrových vláken. Najít oblasti vláken, které mezi sebou interagují, je obtížné. Vědci ale již mají vypracované postupy, jak je nalézt a blíže charakterizovat.

Nezralý klas pšenice seté. Zdroj Wikimedia Commons, autor INRA DIST, Jean Weber, licence CC BY 2.0.

* * *

Vědecký článek v Science má název „Posun hranic ve výzkumu a šlechtění pšenice použitím plně anotovaného referenčního genomu“ a můžete si jej přečíst na webu časopisu.

Všechny zdroje referenčních sekvencí IWGSC jsou veřejně dostupné v úložišti dat IWGSC u URGI-INRA Versailles a v dalších mezinárodních vědeckých databázích, včetně GrainGenes a Ensembl Plant.

Mezinárodní konsorcium pro sekvenování genomu pšenice (IWGSC)

IWGSC je mezinárodní konsorcium, které v roce 2005 založila skupina pěstitelů pšenice, vědeckých pracovníků a šlechtitelů. Má 2 400 členů v 68 zemích.

Cílem IWGSC je získat a zveřejnit kvalitní sekvenci genomu pšenice seté a poskytnout tak podklady pro základní výzkum, jehož výsledky umožní šlechtitelům získávat nové odrůdy s požadovanými vlastnostmi.

IWGSC je nezisková organizace registrovaná v USA. Více informací najdete na www.wheatgenome.org.

Centrum strukturní a funkční genomiky rostlin, Ústav experimentální botaniky AV ČR, v. v. i.

Je partnerem Centra regionu Haná pro biotechnologický a zemědělský výzkum. Zaměřuje se na studium struktury i funkce dědičné informace rostlin, především obilovin, banánovníku a trav.

Využívá nejmodernější metody cytogenetiky, molekulární biologie a genomiky. Patří k pionýrům využití průtokové cytometrie v biologii rostlin. Účastní se mezinárodních projektů zaměřených na čtení dědičné informace významných plodin a na izolaci důležitých genů.

Jde o celosvětově uznávané pracoviště, které pod vedením profesora Jaroslava Doležela vyvinulo unikátní metody a postupy. Svými výsledky přispívá centrum ke šlechtění nových odrůd zemědělských plodin s požadovanými vlastnostmi.

Text: Radoslava Kvasničková, úpravy Jan Kolář

Foto: Wikimedia Commons, archiv ÚEB a Pavlína Jáchimová (Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR)