Kolonizace souše rostlinami patří k nejpůsobivějším příběhům evoluce. Mezinárodní tým, jehož součástí byli biologové z Ústavu experimentální botaniky Akademie věd ČR, v prestižním časopise Nature Plants popsal, jak tento proces probíhal na genetické úrovni.

Důležitým zjištěním je, že suchozemské rostliny během své evoluce často využívaly již existující geny k novým účelům. Ukázalo se také, že samčí pohlavní buňky a s nimi související reprodukční struktury slouží jako „přírodní laboratoř“ pro evoluci nových genů.

První rostliny, které začaly osidlovat souš před zhruba 470 miliony lety, byly drobné a měly jednoduchou stavbu těla. Postupně se z nich však vyvinuly kapradiny i další výtrusné rostliny včetně obřích stromových forem, nahosemenné, k nimž patří jehličnany či cykasy, a nakonec i krytosemenné (tedy kvetoucí) rostliny. Při kolonizaci souše se rostliny musely dalekosáhle přizpůsobit novému prostředí a vytvořit zcela nové struktury – listy, stonky, kořeny či rozmnožovací orgány.

O evoluci suchozemských rostlin donedávna informovaly jen paleontologie a rostlinná anatomie. Moderní techniky molekulární biologie ji však nyní umožňují studovat i na úrovni genů, což může přinést nové důležité poznatky.

Zralý prašník citlivky (Mimosa) s uvolněnými pylovými zrny. Snímek z rastrovacího elektronového mikroskopu, kolorováno. Foto David Honys.

Staré geny, nové funkce

Mezinárodní tým vědců ze Singapuru, USA a šesti evropských zemí proto zkoumal aktivitu tisíců genů u deseti vybraných druhů – od mechorostů a plavuní po jednoděložné a dvouděložné byliny. Vědci navíc mezi sebou porovnávali jednotlivé části rostlin (listy, stonky, kořeny, samčí a samičí pohlavní orgány apod.), čemuž se dosud žádná studie v tak velkém rozsahu nevěnovala.

Biologové identifikovali geny, které jsou přednostně aktivní v konkrétních orgánech, a mohly tedy hrát roli v jejich vzniku či dalším evolučním vývoji. Na základě podobnosti konkrétních genů mezi jednotlivými druhy dokázal tým také určit, kdy se příslušné geny během evoluce suchozemských rostlin nejspíš objevily, nebo kdy naopak z genetické informace zmizely.

Jak se při tom ukázalo, rostliny často „učí staré geny novým kouskům“ – geny v jejich DNA zůstávají, ale získávají nové funkce.

Pylové zrno máku. Úkolem pylového zrna je doputovat (s pomocí opylovačů nebo větru) na bliznu a přenést samčí genetickou informaci k vajíčku. Snímek z rastrovacího elektronového mikroskopu, kolorováno. Foto David Honys.

Pyl jako evoluční laboratoř

Na výzkumu se podíleli také vědci a vědkyně z Laboratoře biologie pylu v Ústavu experimentální botaniky Akademie věd ČR. Jejich tým vedl profesor David Honys, který je i vedoucím této laboratoře. Biologové analyzovali aktivitu genů v samčím gametofytu – zjednodušeně řečeno v různých vývojových stadiích pylu – u pokusné kvetoucí rostliny huseníčku rolního.

„V této studii se nám podařilo získat solidní molekulárněbiologická fakta o evoluci pohlavních orgánů u krytosemenných rostlin. Potvrdili jsme, že samčí gametofyt je velmi specializovaná a unikátní část rostlinného organismu. Poměrně velké procento genů totiž vykazuje aktivitu výhradně v jeho buňkách. Mnoho z nich jsou navíc geny evolučně mladé. Samčí gametofyt tak zastává funkci jakési laboratoře, v níž může evoluce vyvíjet nové geny,“ vysvětluje David Honys z Ústavu experimentální botaniky AV ČR.

Po dosednutí na bliznu vyrůstá z pylového zrna specializovaný vláknitý útvar zvaný pylová láčka. Na snímku jsou láčky huseníčku rolního prorůstající pestíkem (ve směru zleva doprava). Bojují mezi sebou o to, která jako první doroste k některému z vajíček a oplodní jej. Snímek z fluorescenčního mikroskopu, foto Jan Fíla.

Odkaz pro budoucnost

Obsáhlá databáze s údaji o genové aktivitě, která vznikla v rámci této studie, najde využití i v budoucnu. Autoři ji zpřístupnili celé vědecké komunitě a lze tedy očekávat, že z ní biologové vytěží ještě další cenné poznatky o evoluci suchozemských rostlin. Ty mohou mít rovněž praktický význam.

„Semena a plody jsou výchozí surovinou pro většinu potravin, které lidstvo zkonzumuje. Pokud lépe pochopíme molekulární mechanismy řídící vývoj pylu, opylení a oplození, budou naše poznatky využitelné v zemědělství, například při šlechtění výnosnějších plodin,“ říká David Honys.

* * *

Citace článku: Julca, I., Ferrari, C., Flores-Tornero, M. et al. Comparative transcriptomic analysis reveals conserved programmes underpinning organogenesis and reproduction in land plants. Nature Plants (2021).

Publikováno online na https://doi.org/10.1038/s41477-021-00958-2 (placený přístup).

Autoři z Ústavu experimentální botaniky AV ČR: Lenka Steinbachová, Christos Michaelidis, David Honys.

Text: Jan Kolář (Ústav experimentální botaniky AV ČR) a Eliška Zvolánková (Středisko společných činností AV ČR), úprava pro web Jan Kolář