Funkci nově objeveného genu, který ovlivňuje tvorbu a kvalitu semen, objasnili jako první na světě vědci z olomouckého pracoviště Ústavu experimentální botaniky Akademie věd ČR.

Připsali si tak další významný úspěch, který může pomoci při šlechtění kvalitnějších a odolnějších zemědělských plodin. Na výzkumu, o kterém informuje prestižní časopis Plant Cell, se podíleli také španělští odborníci z Complutense University of Madrid.

Vědecká skupina z Centra strukturní a funkční genomiky rostlin ÚEB AV ČR, které je součástí Centra regionu Haná pro zemědělský a biotechnologický výzkum, navázala pod vedením Aleše Pečinky na svůj dřívější výzkum jednoho z proteinových komplexů nazývaných SMC. Ty se podílejí na uložení chromozomů v buněčném jádře.

Už tehdy olomoučtí vědci objevili u huseníčku rolního gen související s tvorbou semen. Nyní, po dalších dvou letech bádání, dokáží přesně popsat proces, který je nutný ke vzniku kvalitních a životaschopných semen.

Vědce čekala náročná práce. „Nejprve jsme se snažili zjistit, jestli se vlohy ke špatnému vývoji semen dědí od obou rodičů nebo jenom od jednoho z nich. Překvapilo nás, že poškozená semínka vznikají pouze z otcovské strany, že je tedy způsobuje pouze dědičná informace otce.“

„To nás navedlo k dalšímu kroku – podrobně jsme se zaměřili na výzkum pylových zrn. Zjistili jsme, že zkoumané rostliny netvoří pravidelná oválná a stejně velká pylová zrna, ale naopak velmi různorodá, od poměrně malých až po hodně velká,“ vysvětluje Fen Yang z výzkumného týmu.

Fen Yang se věnuje výzkumu proteinového komplexu SMC huseníčku rolního již několik let

Tento výsledek nasměroval badatele dál, začali zkoumat meiózu  – takzvané redukční dělení buňky, snižující počet chromozomů na polovinu. A právě tehdy se objevily nesmírně zajímavé výsledky, které vedly podle vedoucího výzkumné skupiny Aleše Pečinky k průlomu:

„Ukázalo se, že při dělení buňky docházelo k chybám a přeskočení určitých procesů. Výsledkem bylo, že přibližně třetina nových pohlavních buněk získala deset otcovských chromozomů místo obvyklých pěti a pylová zrna, která je obsahovala, byla proto mnohem větší.“

Pokud došlo k oplodnění vajíčka, vzniklo podle Pečinky embryo, které mělo dvě kopie otcovské dědičné informace místo jedné. „Zjistili jsme, že takové semínko se pak většinou vůbec nevyvinulo. Pokud ano, bylo abnormálně velké a netvořilo zásobní látky.“

Nezralá semínka běžných rostlin huseníčku rolního a rostlin s mutací v genu NSE2. Standardní rostliny mají pravidelná zelená semena. Mutanti tvoří kromě toho i semena, která jsou zprvu bledá (naznačeno žlutými šipkami), později svraskalá a neživotná. Ta obsahují nadměrné množství otcovské dědičné informace.

Nové poznatky předčily podle vedoucího laboratoře a laureáta Národní ceny vlády Česká hlava profesora Jaroslava Doležela veškerá očekávání a budou mít velký dopad do zemědělské praxe: „Prohloubili jsme znalosti o fungování proteinového komplexu SMC 5/6, kterému se nyní ve světě věnuje velká pozornost. Díky tomuto objevu můžeme mnohem lépe pochopit mechanismus odpovídající za redukční dělení buňky, které přímo ovlivňuje tvorbu semen.“

„To je pro šlechtitele i zemědělce velmi důležitý proces, který nyní mají možnost ovlivnit. Studium tohoto zajímavého genu tak může přispět k tvorbě nových odrůd plodin s vyššími výnosy.“

Olomoučtí vědci budou ve výzkumu pokračovat. Podle Aleše Pečinky teď budou chtít zjistit, proč dochází k tomu, že neproběhne redukční dělení. „Zatím předpokládáme, že by na vině mohla být narušená organizace vlákének, která táhnou chromozomy nebo sesterské chromatidy k opačným pólům buňky.“

„Nebo je možné, že se chromozomy dělí hodně pomalu, takže se buňka rozhodne přistoupit k dalšímu kroku, aniž by k rozdělení došlo. To jsou zatím jen naše hypotézy, které budeme testovat.“

Nové vědecké poznatky z Olomouce však mohou vědci a šlechtitelé na celém světě začít využívat už nyní. Mohou například ověřovat, zda stejný mechanismus funguje i u jiných rostlin nebo živočichů.

Pylová zrna standardních a mutantních rostlin. Mutant v genu NSE2 má méně živých (zeleně nabarvených) zrn. Rozdílná velikost pylových zrn u mutanta je způsobena různým množstvím dědičné informace.

* * *

Citace článku: Fen Yang, Nadia Fernández-Jiménez, Martina Tučková, Jan Vrána, Petr Cápal, Mariana Díaz, Mónica Pradillo, Aleš Pečinka (2021): Defects in meiotic chromosome segregation lead to unreduced male gametes in Arabidopsis SMC5/6 complex mutants. The Plant Cell 33: 3104–3119.

Dostupné online na https://doi.org/10.1093/plcell/koab178.

Vědci z olomouckého Centra strukturní a funkční genomiky rostlin ÚEB AV ČR studují dědičnou informaci rostlin. Snaží se lépe poznat funkci buněčného jádra, chromozomů a genů, které určují důležité vlastnosti rostlin. Toto poznání je klíčové, protože pouze využíváním nejnovějších technologií bude možné získat zemědělské plodiny, které zvládnou změny klimatu, poradí si se suchem, škůdci nebo chorobami a přitom budou kvalitní a výživné.

* * *

Text: Radoslava Kvasničková (Ústav experimentální botaniky AV ČR), úprava pro web Jan Kolář (ÚEB AV ČR)

Foto: ÚEB AV ČR