Olomoučtí vědci umí díky nové metodě rychleji izolovat geny rostlin

Pěstování pokusných rostlin v zimním období pod umělým osvětlením.
Foto: Ota Blahoušek
čtvrtek 12. ledna 2017, 08:00 - Text: Martina Šaradínová, Radoslava Kvasničková

Vědci z olomoucké laboratoře Ústavu experimentální botaniky (ÚEB) Akademie věd ČR, která je součástí Centra regionu Haná pro biotechnologický a zemědělský výzkum, vyvinuli ve spolupráci s partnery ze Švýcarska a Velké Británie novou metodu pro snazší izolaci genů rostlin. Jejím přínosem je úspora peněz a času, zefektivnění vědeckého bádání i rychlejší šlechtění zemědělských plodin. Přispěje i ke šlechtění odrůd odolných vůči změnám klimatu a k zajištění dostatku potravin pro rostoucí světovou populaci.

U pšenice bylo dosud velmi obtížné izolovat geny, protože má velký a složitý genom. Její dědičná informace je asi šestkrát větší než u člověka, a proto u ní až doposud trvala izolace genů mnoho let. Olomoucká metoda mutačního chromozomového sekvenování může proces zkrátit až na pouhých několik měsíců.

„S pomocí nejnovějších molekulárních metod přispějeme k rychlejší izolaci genů a tím k rychlejšímu šlechtění rostlin. Tento úspěch navíc znamená další využití námi vypracovaných metod v době, kdy se dokončuje čtení dědičné informace pšenice. Na tomto gigantickém díle jsme se podíleli jako jeden z klíčových členů Mezinárodního konsorcia pro sekvenování genomu pšenice. Nyní tedy můžeme techniky, které jsme vypracovali původně pro tento projekt, začít používat při praktičtějších aplikacích,“ zdůraznil dopad nového postupu do praxe vedoucí laboratoře Jaroslav Doležel.

Bez izolace genů se neobejde věda ani šlechtitelé

Izolace genů je nesmírně důležitá pro výzkum a šlechtění rostlin. Díky ní vědci zjistí, který úsek dědičné informace (gen) odpovídá za určitý znak či vlastnost rostliny. Mohou tak studovat molekulární mechanismy projevující se na tomto znaku, například množství a složení zásobních látek v obilce. Pomocí molekulárních technik mohou rychle identifikovat rostliny, které obsahují daný gen či jeho variantu, čímž se velmi urychlí šlechtění nových odrůd. Nejnovější biotechnologické metody navíc umožňují měnit samotnou dědičnou informaci úpravou genu, a zlepšit tak její funkci. Je možné i kombinovat více vhodných genů v jedné rostlině a vyšlechtit odrůdy s vlastnostmi, kterých by jinak bylo velmi složité dosáhnout.

Metoda má velký potenciál

Obtížná izolace genů u pšenice brání širšímu využití molekulárních technik ve šlechtění tak, jak je tomu například u rýže a kukuřice. V posledních letech bylo sice vypracováno několik postupů, které měly celý proces zjednodušit, ale zatím nepřinesly žádané výsledky. Zásadním přelomem se stala až olomoucká metoda, která je založená na izolaci chromozomů představujících malé části dědičné informace. Právě tento přístup využívá Centrum strukturní a funkční genomiky rostlin ÚEB AV ČR, které patří v tomto oboru ke světové špičce. 

Nový postup izolace genů je kombinací několika technik. Po výběru odrůdy, která má požadovanou vlastnost a tedy i hledaný gen, následuje rentgenové ozáření obilek, případně jejich ošetření chemickým mutagenem. V potomstvu zmutovaných rostlin se hledají takové, které ztratily požadovanou vlastnost. Vědci totiž předpokládají, že právě u nich byl poškozen gen odpovědný za studovanou vlastnost. Paralelně s těmito aktivitami je určen chromozom, na kterém se nachází hledaný gen. Pak už jen zbývá najít poškozenou oblast v dědičné informaci, která je společná všem mutantům. Teoreticky by bylo možné porovnat dědičnou informaci odrůdy s požadovanou vlastností a dědičné informace několika mutantů. Protože je ale dědičná informace pšenice obrovská a složitá, byl by takový postup nesmírně nákladný a pracný. Navíc není jisté, že by fungoval.

Nová metoda je proto založena na izolaci chromozomu, na kterém se nachází hledaný gen.  Analýza dědičné informace rostlin je tak omezena jen na její malou část. Tento chromozom je izolován jak z odrůdy, která má požadovanou vlastnost, tak z mutantů. Porovnáním jejich sekvencí DNA určí vědci poškozenou oblast společnou všem mutantům, a identifikují tak velmi rychle žádaný gen. Pokud pomineme čas potřebný k získání mutantů, trvá tak celá práce namísto mnoha let pouhé tři měsíce.

Publikace v prestižním časopise

Článek Rapid gene isolation in barley and wheat by mutant chromosome sequencing otiskl prestižní časopis Genom Biology. Popisuje novou metodu a její využití při klonování dvou genů. Prvním z nich byl gen Eceriferum-q, který odpovídá za produkci vosku na povrchu listů ječmene. Tento gen byl nedávno izolován jinými autory a v  práci posloužil pro ověření nového postupu. Druhým genem, který se podařilo poprvé izolovat v tomto projektu, byl gen Pm2 rezistence vůči padlí travní, která patří k nejproblematičtějším chorobám obilnin. Bez chemické ochrany může dojít k předčasnému zaschnutí až 80 procent rostlin v porostu. Práce tedy nejen popisuje novou metodu izolace genů, ale dokonce vedla k izolaci nového genu, a to ve velmi krátkém čase a s podstatně nižšími náklady ve srovnání s tradičními postupy izolace genů.

Olomoucká laboratoř Ústavu experimentální botaniky AV ČR je centrální světovou laboratoří pro třídění chromozomů rostlin. Při vývoji metody spolupracovala se švýcarskou Universität Zürich a anglickým vědeckým ústavem John Innes Center ve městě Norwich. Nyní se stává ještě žádanějším partnerem. Novou metodu izolace genů už využívá v projektech s partnery v Austrálii, Číně, Kanadě, Švýcarsku, USA a Velké Británii. Očekává se, že zájem o spolupráci bude dále narůstat.