Zásadní průlom ve výzkumu toho, jak na rostliny působí hormony cytokininy, se podařil českým vědcům spolu se zahraničními kolegy. Na objevu se velmi významně podílela naše Laboratoř růstových regulátorů.

Badatelé prokázali, že receptory cytokininů, které jsou nezbytné pro spuštění molekulárněbiologických pochodů v rostlině, se nacházejí také na povrchu buněk. Díky několika inovativním postupům a s využitím pokročilých mikroskopických metod tak padlo letité dogma, že tyto receptory je třeba hledat výhradně v nitru buněk. Výsledky publikoval prestižní odborný časopis Nature Communications.

Aby mohl hormon spustit potřebné fyziologické reakce, musí se nejdříve navázat na speciální bílkovinu – takzvaný receptor. Receptory cytokininů byly identifikovány po roce 2000 a dalších deset let trvalo, než vědci zjistili, kde se v buňkách nacházejí.

Ukázalo se, že jsou umístěny hlavně uvnitř buňky, na povrchu složité soustavy váčků a trubiček nazývané endoplazmatické retikulum. Existovaly ale indicie, že odpovědi na působení cytokininů v rostlinách by nemusely zprostředkovávat pouze receptory uvnitř buněk, ale že by se funkční receptory mohly nacházet také na jejich povrchu – na takzvané plazmatické membráně.

„Proto jsme intenzivně hledali nástroj k tomu, abychom to mohli prokázat. Výsledek je průlomový, jako první jsme dokázali zdokumentovat, že receptory cytokininů se skutečně vyskytují na povrchu některých typů buněk. Podařilo se také rozklíčovat, za jakých okolností se tak děje a jakými drahami se receptory pohybují z nitra buňky na její povrch a naopak,“ uvedl Lukáš Spíchal z Centra regionu Haná pro biotechnologický a zemědělský výzkum (CRH) v Olomouci, korespondenční autor jednoho ze dvou článků, které se problematice věnují.

Ukázka jedné z metod použitých při výzkumu. Kořeny huseníčku s vneseným genovým konstruktem, který ukazuje aktivitu genů „spouštěných“ působením cytokininů. U neošetřené kontroly (vlevo) je aktivita nízká a omezená hlavně na vrchol kořene. Po přidání cytokininu nastává výrazné zvýšení (uprostřed). Cytokinin s připojenou fluorescenční značkou se váže na receptor, ale genovou aktivitu stimuluje pouze málo (vpravo). Zdroj Nature Communications, autor Juan Carlos Montesinos, licence CC BY 4.0, creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Cytokininy patří mezi klíčové hormony, které jsou zcela nezbytné pro život rostlin. Čeští vědci mají v jejich studiu dlouholetou tradici a patří v této oblasti ke světové špičce. Právě na předchozí výsledky badatelé navázali.

Cytokininy a jejich receptory tentokrát „stopovali“, ve spolupráci se zahraničními kolegy, pomocí svítících (fluorescenčních) značek a dalších důmyslných metod. Pracovali přitom s kořeny a izolovanými kořenovými buňkami modelové rostliny huseníčku rolního. Získané výsledky výrazně mění představy o mechanismech působení cytokininů.

„Vizualizace rostlinných hormonů v místě účinku je nutná pro pochopení jejich funkce. Náš přístup je unikátní v tom, že pro zobrazení využívá přímo molekulu hormonu, k níž je pomocí krátkého raménka připojena fluorescenční značka. Také jsme použili upravené cytokininy chemicky navázané na velké gelové částice. Ty nemohou projít do buňky a mohou tedy aktivovat pouze receptory na povrchu,“ řekl Ondřej Plíhal z olomoucké Laboratoře růstových regulátorů, společného pracoviště Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci a Ústavu experimentální botaniky AV ČR (ÚEB).

Dosažení závěrů by nebylo možné bez využití pokročilých mikroskopických metod vyvinutých a využívaných v CRH a ve spolupráci s prof. Evou Benkovou z Institute of Science and Technology v Rakousku.

„Detekovat receptory a jejich fluorescenční ligandy v živých buňkách je velmi složité, ale s využitím superrezolučních metod v mikroskopii se k tomuto náročnému cíli postupně přibližujeme. Důležitou úlohu hraje také výběr správné metody přípravy biologického vzorku,“ objasnila Olga Šamajová z CRH. Na mikroskopických pozorováních se v rámci své doktorské práce dále podílela studentka Katedry biochemie Univerzity Palackého v Olomouci Karolina Kubiasová, hlavní autorka jednoho z článků.

Umístění cytokininového receptoru v buňkách z kořene huseníčku. Studovaný receptor byl označen zelenou fluorescenční značkou (vlevo). Červeně fluoreskující sloučeninou vědci obarvili plazmatické membrány na povrchu buněk (uprostřed). Kombinovaný obrázek vpravo ukazuje, že receptor se nachází jak uvnitř buněk (zeleně), tak na plazmatické membráně (žlutě). Zdroj Nature Communications, autor Karolina Kubiasová, licence CC BY 4.0, creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Další výzkum by měl objasnit, zda a jak rozdíly v umístění receptorů pomáhají rostlině „vyladit“ působení cytokininů. Nové objevy především umožní lépe porozumět funkcím cytokininů v rostlinách. V budoucnu však mohou být důležité i pro praxi.

„Role těchto hormonů při vývoji kořene stále není dostatečně objasněna a naše výsledky naznačují, že existuje řada regulačních mechanismů, které dosud nebyly zmapovány. Vliv velikosti a architektury kořenového systému na výnos plodin či kvalitu sklizně je přitom jedním z objektů zájmu současného šlechtitelství. Bližší pochopení regulační úlohy cytokininů může být užitečné i pro vývoj nové generace sloučenin odvozených od těchto hormonů, které by byly využitelné v zemědělství,“ vysvětlil Ondřej Novák z Laboratoře růstových regulátorů.

Výsledky zhruba šestiletého bádání zveřejnil vědecký časopis Nature Communications ve dvou na sebe navazujících článcích. Na projektu se výrazně podíleli vědci z Laboratoře růstových regulátorů a z několika dalších pracovišť Centra regionu Haná pro biotechnologický a zemědělský výzkum, které sdružuje týmy Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého, olomouckých pracovišť Ústavu experimentální botaniky AV ČR a Výzkumného ústavu rostlinné výroby.

Další autoři výzkumu jsou z Regionálního centra pokročilých technologií a materiálů Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého, Středoevropského technologického institutu CEITEC v Brně a vědeckých institucí ve Švédsku, Rakousku a Velké Británii.

Hlavní autorka jednoho z článků Karolina Kubiasová na stáži v rakouském institutu IST (Institute of Science and Technology). Foto: Dorota Jaworska.

* * *

Citace článků a odkazy na ně:

Antoniadi I., Novák O., Gelová Z., Johnson A., Plíhal O., Simerský R., Mik V., Vain T., Mateo-Bonmatí E., Karády M., Pernisová M., Plačková L., Opassathian K., Hejátko J., Robert S., Friml J., Doležal K., Ljung K., Turnbull C. (2020) Cell-surface receptors enable perception of extracellular cytokinins. Nat. Commun. 11:4284; DOI: 10.1038/s41467-020-17700-9

Kubiasová K., Montesinos J.C., Šamajová O., Nisler J., Mik V., Semerádová H., Plíhalová L., Novák O., Marhavý P., Cavallari N., Zalabák D., Berka K., Doležal K., Galuszka P., Šamaj J., Strnad M., Benková E., Plíhal O., Spíchal L. (2020) Cytokinin fluoroprobe reveals multiple sites of cytokinin perception at plasma membrane and endoplasmic reticulum. Nat. Commun. 11:4285; DOI: 10.1038/s41467-020-17949-0

Text tiskové zprávy Jan Kolář (ÚEB) a Martina Šaradínová (CRH), úpravy pro web ÚEB Jan Kolář.