Jak se vyvinul důmyslný systém, který ovlivňuje růst rostlin a jejich reakce na podněty? A jak se v evolučním „dávnověku“ transportoval klíčový rostlinný hormon auxin? Odpovědi hledali naši biologové.

Vědci od nás z Ústavu experimentální botaniky AV ČR (ÚEB) na výzkumu spolupracovali s kolegy z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy (PřF UK), brněnského institutu CEITEC, Centra regionu Haná pro biotechnologický a zemědělský výzkum a zahraničních institucí z několika evropských zemí.

Projekt vedl profesor Jiří Friml – český rodák působící nyní v Rakousku, který letos získal Cenu Neuron za svou celoživotní vědeckou práci v oboru rostlinných hormonů.

Auxin je dominantním regulátorem růstu vyšších rostlin. Jejich buňky si tento hormon předávají prostřednictvím několika bílkovin. Ty se vyskytují rovněž u řas a nyní tým českých a zahraničních vědců prokázal, že také u nich dokážou přenášet auxin.

Molekulární systém zajišťující působení auxinu tedy začal vznikat ještě před tím, než se z řas vyvinuly vyšší rostliny. Výsledky studie publikoval vysoce prestižní odborný časopis Nature Plants.

Stejně jako lidé, také rostliny mají své hormony, tedy regulační látky ovlivňující fyziologické reakce i další životní pochody. Jedním z nejdůležitějších rostlinných hormonů je auxin. Kontroluje především růst a vývoj – ohyb stonků za světlem či kořenů směrem dolů, prodlužování buněk, zakládání postranních kořenů i nadzemních orgánů a podobně.

Auxin je neustále v pohybu. Specializované bílkoviny transportují jeho molekuly mezi buňkami, čímž v rostlině vytvářejí směrované toky tohoto hormonu a oblasti s jeho zvýšenou nebo sníženou koncentrací. Právě toky auxinu a jeho hladiny v konkrétních místech rozhodují o reakci rostliny.

Zelená řasa Klebsormidium, která byla objektem výzkumu. Vlevo fotografie z běžného mikroskopu; uvnitř buněk vidíte zelené chloroplasty. Foto Eva Medvecká. Vpravo snímek z fluorescenčního mikroskopu. Chloroplasty v buňkách zde světélkují červeně. Foto Roman Skokan. Bílá úsečka odpovídá 0,01 mm.

Jak se ale takový důmyslný systém vyvinul během evoluce? Autoři studie v Nature Plants se zaměřili na bílkoviny zvané PIN. Ty u cévnatých rostlin tvoří asi desetičlennou rodinu, přenášejí auxin ven z buněk a jsou nezbytné pro správný růst a vývoj. Nedávno se zjistilo, že hrají důležitou roli také u druhé evoluční větve vyšších rostlin, u mechorostů.

Nyní šli vědci ještě hlouběji do evoluční minulosti. Studovali běžnou půdní vláknitou řasu Klebsormidium flaccidum a ukázali, že její bílkovina PIN funguje podobně jako příbuzné bílkoviny cévnatých rostlin: taktéž transportuje auxin ven z buněk a vyskytuje se hlavně v plazmatické membráně, která odděluje buňku od okolí.

Z řas příbuzných rodu Klebsormidium se před půl miliardou let vyvinuly vyšší rostliny a je zřejmé, že bílkoviny PIN – nezbytné pro hormonální působení auxinu – měly již jejich řasové předchůdkyně.

„Funkce PIN nejsou u různých skupin řas a vyšších rostlin zcela totožné, v některých ohledech se liší. Bude fascinující v budoucnu odhalovat, jak se role těchto bílkovin vyvíjela během evoluce,“ říká spoluautor výzkumu doktor Jan Petrášek, který v našem ústavu vede Laboratoř hormonálních regulací u rostlin a zároveň působí na PřF UK.

Buňky tabáku, které produkují řasovou bílkovinu PIN, protože do nich vědci vnesli příslušný gen z řasy. Bílkovina byla navíc označena „svítícím“ zeleným fluorescenčním proteinem. Bílá úsečka odpovídá 0,01 mm. Foto Jan Petrášek.

Klebsormidium má na rozdíl od cévnatých rostlin pouze jednu bílkovinu PIN. Její funkce by ovšem bylo velmi komplikované studovat přímo v řasových buňkách. Vědci proto vnesli gen pro bílkovinu PIN z řasy do několika suchozemských rostlin a dokonce i do vajíček žáby drápatky, čímž se stal výzkum podstatně snazším. 

Pracovat s řasou molekulárněbiologickými technikami bylo i tak dost náročné. „V podstatě všechny metody, které rutinně používáme u zavedených pokusných organismů, jsme museli přizpůsobit řasám. Byla to velká sázka na nejistotu – věděli jsme, že buď objevíme něco nového, nebo také vůbec nic,“ vysvětluje doktor Stanislav Vosolsobě z PřF UK.

Hlavními autory článku o výsledcích výzkumu, který vyšel v časopise Nature Plants, jsou Roman Skokan (ÚEB a PřF UK) a Eva Medvecká (CEITEC).

* * *

Citace článku:

Skokan, R., Medvecká, E., Viaene, T. et al. (2019): PIN-driven auxin transport emerged early in streptophyte evolution. Nature Plants 5, 1114–1119. doi:10.1038/s41477-019-0542-5

Text: Jan Kolář, Ústav experimentální botaniky AV ČR, ve spolupráci s Markétou Růžičkovou, Odbor mediální komunikace Kanceláře AV ČR.