Vědecký průlom Čechů: „Odemkli“ genom pšenice

Lidstvo se ocitlo na prahu šlechtitelské revoluce - získalo přístup ke klíčové dědičné informaci pšenice. K objevu přispěli vědci z Ústavu experimentální botaniky AV ČR a z Centra regionu Haná.

Pšenice | na serveru Lidovky.cz | aktuální zprávy Pšenice | foto: Bluemoose
Pšenice | na serveru Lidovky.cz | aktuální zprávy

Tuzemští výzkumníci vyvinuli takzvanou chromozomovou strategii, která umožňuje poznání pšeničného genomu. To výhledově nabízí šlechtění výnosnějších odrůd plodiny, která živí třetinu nestále přibývajícího lidského pokolení: na světě bude brzy osm miliard hladových krků.

„Od této chvíle se otevírají dříve nepředstavitelné možnosti analýzy struktury a mapování velké a složité dědičné informace pšenice,“ řekl ČESKÉ POZICI profesor Jaroslav Doležel, vedoucí vědeckého týmu z Ústavu experimentální botaniky Akademie věd ČR a z Centra regionu Haná.

„Znalost takzvaného genetického plánu usnadní vývoj molekulárních značek (markerů), na nichž jsou založeny nové metody šlechtění využívající metody molekulární biologie a genomiky,“ vysvětluje Doležel. To představuje významný krok k dosažení konečného cíle Mezinárodního konsorcia pro sekvenování genomu pšenice (IWGSC), jímž je úplné přečtení dědičné informace. Ta je u pšenice, jež vznikla ze tří planě rostoucích travin, pětkrát větší než u člověka.

Práce vědců by měla přispět k usnadnění a urychlení šlechtění nových odrůd pšenice s požadovanými vlastnostmi: například druhů odolnějších vůči chorobám či škůdcům

Díky metodě vyvinuté v Česku by se tak mohlo stát do tří let. Nač to bude? „Znalost celé dědičné informace umožní nesrovnatelně rychlejší identifikaci a izolaci genů, které ovlivňují důležité vlastnosti, pochopení funkce genů a zároveň nabídne nebývalé možnosti tyto vlastnosti ovlivňovat,“ říká Doležel. Usnadní se vnášení genů z příbuzných druhů metodami genového inženýrství. „Bude možné ovlivňovat funkci genů pomocí editace dědičné informace,“ popisuje profesor Doležel, autor asi 200 článků se zhruba šesti tisíci citacemi.

Práce českých a zahraničních vědců by měla přispět k usnadnění a urychlení šlechtění nových odrůd pšenice s požadovanými vlastnostmi: například druhů odolnějších vůči chorobám či škůdcům. Pšenice má oproti rýži a kukuřici větší potenciál, neboť je u ní možné ještě posouvat výnosnost. 

Celý projekt, na jehož konci jsou nynější čtyři přelomové články, trval něco přes dva roky. Podílelo se na něm 37 laboratoří z konsorcia IWGSC, ale hlavní podíl měly tři. 

Tři klíčové laboratoře: Praha, Norwich, Mnichov 

Zaprvé česká laboratoř, jež původně navrhla způsob analýzy genomu pšenice a také izolovala všechny chromozomy pšenice pro sekvenování. Pod úspěchem jsou dle informací ČESKÉ POZICE též výrazně podepsány skupiny profesorky Jane Rogersové z Centra pro analýzu genomu v anglickém Norwichi a laboratoř Klause Mayera z Helmholtzova centra v německém Mnichově.

Poznatky jsou důležité pro rostlinné biology i šlechtitele. Poprvé totiž mají v rukou nástroj, který jim umožňuje rychle zjišťovat polohu konkrétních genů.

„Jde o neocenitelný nástroj pro mou laboratoř. Vývoj molekulárních značek specifických pro určité oblasti dědičné informace, který dříve vyžadoval týdny práce, zvládneme nově během několika hodin,“ říká Jorge Dubcovsky z University of California.

Infografika pšenice

V magazínu Science je též publikována úplná sekvence prvního z 21 chromozomů pšenice – chromozomu 3B. I na tomto projektu, vedeném badateli z francouzského Národního ústavu pro zemědělský výzkum, se podíleli zmínění Češi.

„Získáním plánu genetické informace každého chromozomu pšenice a první úplné sekvence chromozomu 3B jsme v naší práci dosáhli významného mezníku,“ prohlásila místopředsedkyně konsorcia IWGSC Catherine Feuilletová.

„Máme jasno, jak postupovat při získávání úplné dědičné informace zbývajících 20 chromozomů. Doufáme, že se nám podaří zajistit chybějící finanční prostředky nutné pro dosažení tohoto cíle,“ dodává Feuilletová.

Šlechtění nové generace odrůd pšenice s vyššími výnosy může zajistit dostatek potravin pro rostoucí populaci v měnícím se klimatu.

Další český pšeničný „zářez“ 

Před měsícem vydali jiní čeští vědci studii v dalším elitním časopise Nature Climate Change o rizicích změn klimatu na budoucí úrody pšenice v Evropě. Nižší výnosy by mohly být kolem roku 2060 zapříčiněny častějšími klimatickými extrémy a suchem.

„Hlavním přínosem studie je důraz na opomíjené riziko pro potravinovou bezpečnost, které je spojené se změnou klimatu,“ řekl ČESKÉ POZICI Miroslav Trnka z centra Czech Globe.

„Pšenice je pro Evropu strašně důležitá. Je to klíčová obilnina, takže získané poznatky mají obrovské důsledky pro agrobyznys,“ doplnil šéf centra Michal V. Marek. Pšenice je nejen klíčovou živinou, ale také exportním produktem EU.

Přelomové pšeničné léto

Přečtení genomu pšenice přišlo za pět minut dvanáct. Přijde „druhá zelená revoluce“? Ptá se v komentáři profesor Jaroslav Petr.

Zemědělci sledují s napětím porosty pšenice a letní oblohu. Jak dopadne letošní sklizeň? Tuhle otázku si kladou lidé rok co rok nejméně deset tisíc let. Přesto je letošní léto výjimečné. Genetici nahrubo přečetli kompletní dědičnou informaci pšenice. Pěstování této plodiny tak vstoupilo do zcela nové etapy. Velkou zásluhu na tom mají čeští vědci pod vedením profesora Jaroslava Doležela z Ústavu experimentální botaniky AV ČR.

Žádná jiná zemědělská plodina se nepěstuje na tak velké ploše jako pšenice. Zemědělci ji každoročně vysejí na 215 milionech hektarů. Se sklizní 700 milionů tun stojí pšenice za kukuřicí a rýží na třetím místě. Je však oproti nim bohatší na bílkoviny, a tak obě plodiny v produkci bílkovin trumfne. Oproti mnoha dalším zemědělským plodinám má pšenice i tu výhodu, že jejích 25 tisíc odrůd dává dobrou úrodu za velmi různorodých podmínek.

Tři balíčky karet v jednom paklu 

Genetici už přečetli dědičnou informaci řady zemědělských plodin i hospodářských zvířat. Pšenice setá jim však dlouho vzdorovala. Může za to její zvláštní původ. Vznikla jako hybrid tří planě rostoucích travin. Dědičná informace pšenice se proto podobá třem různým balíčkům karet smíchaných do jednoho obřího paklu. 

Kompletní genom pšenice tvoří sedmnáct miliard písmen genetického kódu, což je pětkrát víc, než kolik se skrývá v genomu „pána tvorstva“ člověka. Už to představuje při čtení genomu velkou komplikaci. Mnohem větší zádrhel ale tkví v její „ztrojené“ dědičné informaci – v onom „genetickém paklu“ smíchaném ze tří sice podobných, ale přece jen odlišných „balíčků“, z nichž každý obsahuje sedm „karet“.

Při čtení genomů se nejprve celá dědičná informace „trhá“ na malé kousky. Ty se jednotlivě přečtou a následně se z nich poskládá kompletní dědičná informace. V „natrhaném“ genomu pšenice se útržky jednadvaceti „karet“ ze všech tří „balíčků“ beznadějně promíchají. Vědci je jen těžko dávají dohromady. Když se jim dostane do rukou „útržek“ pocházející z genetické „červené sedmy“, je těžké rozhodnout, o kterou ze tří „červených sedmiček“ jde.

Tenhle zásadní problém vyřešili čeští genetici v čele s profesorem Jaroslavem Doleželem. Vyvinuli techniku, která dovoluje z „genetického paklu“ pšeničného genomu „vytáhnout jednotlivé karty“ – tzv. chromozomy. Světové konsorcium genetiků International Wheat Genome Sequencing Consortium (IWGSC) tak „trhalo“, po kouscích četlo a opět zkompletovalo každou „kartu“ – chromozom zvlášť. Z nich pak sestavili „pakl“ pšeničného genomu.

Výsledky práce IWGSC, jehož je tým profesora Doležela klíčovým členem, přinášejí hned čtyři studie publikované prestižním vědeckým časopisem Science. Z nich například vyplývá, že pšenice vděčí za své jedinečné vlastnosti zhruba 120 tisícům genů. I v tom nás hravě předčí, protože člověku dodává jeho vlastnosti pouhých 23 tisíc genů. „Načisto“ byla zatím přečtena jen jedna „karta“ pšeničného genetického „paklu“ – chromozom 3B. Ten je bezkonkurenčně největší. Tvoří ho plná miliarda písmen genetického kódu a je víc než sedmkrát větší než genom huseníčku – první rostliny s kompletně přečtenou dědičnou informací. Do tří let bude stejně podrobně přečteno zbývajících dvacet pšeničných „karet“ – chromozomů.

Nová etapa šlechtění a pěstování 

S pšeničným genomem vstupuje šlechtění a pěstování pšenice do nové etapy. Ta je svým významem srovnatelná s počinem neolitických zemědělců, kteří před mnoha tisíciletími začali kdesi na východě Turecka sít a sklízet „hříčku přírody“ v podobě hybrida tří planě rostoucích travin. Jedna ze studií publikovaných v Science popisuje aktivitu genů podílejících se na tvorbě pšeničného zrna. S těmito informacemi budou moci šlechtitelé rychleji a spolehlivěji získávat nové odrůdy s vyššími výnosy, kvalitnějším zrnem. Zefektivní se šlechtění pšenice na odolnost k nepříznivým klimatickým podmínkám (například k suchu), ale i k chorobám a škůdcům.

Pšeničný genom přichází doslova za pět minut dvanáct. Se sklizní pšenice stojí a padá obživa plné třetiny lidstva. Mezi roky 2000 a 2008 však klesla světová úroda především v důsledku nepřízně počasí o 5,5 procenta. Za poslední desetiletí se hned v pěti rocích nesklidilo ve světě tolik pšenice, kolik by jí lidstvo potřebovalo. S předpokládaným růstem světové populace na devět miliard do roku 2050 stojí před zemědělci naléhavá potřeba zvýšit do té doby sklizeň pšenice o 70 procent. 

Lidstvo se tak ocitá v podobně svízelné situaci, jaké čelilo v padesátých letech minulého století, kdy sklizeň obilí lidstvu rovněž nestačila. Tehdy vyřešila „pšeničnou krizi“ tzv. zelená revoluce, kterou odstartoval americký agronom Norman Borlaug. Letos, kdy by laureát Nobelovy ceny míru Borlaug oslavil sté narozeniny, se lidstvu přečtením genomu pšenice otevírá šance na „druhou zelenou revoluci“. Doufejme, že i díky českým genetikům zabrání návratu hladomorů, jaké prožíval svět po druhé světové válce.