Boj s mandelinkou bramborovou pomocí RNA

Mandelinka bramborová (Leptinotarsa decemlineata (Say, 1824)) je obávaným škůdcem bramboru po celém světě. Vzhledem k tomu že ve většině oblastí, kde se pěstují brambory, nemá přirozené nepřátele, pokoušejí se jí farmáři regulovat pesticidy. Tato strategie je však často neúčinná, protože si tento škůdce vyvinul resistence k téměř všem insekticidům.

Vědci z Max Planckových institutů (MPI) v Potsdam-Golmu a v Jeně nedávno prokázali, že rostliny bramboru mohou být ochráněny před herbivory (býložravci) pomocí mechanismu interference RNA (RNAi). Geneticky modifikovali rostliny bramboru, aby jejich chloroplasty mohly akumulovat dvouřetězcové RNA (dsRNA) namířené proti nepostradatelným genům mandelinky bramborové.

Interference RNA (RNAi) je typ genové regulace, která se přirozeně vyskytuje u eukaryotních organismů. U rostlin, hub a hmyzu je rovněž využívána v ochraně proti některým virům. Mnoho virových patogenů přenáší v průběhu infekce svou genetickou informaci do buněk hostitele jako dvouřetězcovou RNA. Replikace virové RNA má za následek velké množství dsRNA, která je rozpoznána systémem RNAi hostitele a je rozštěpena na malé fragmenty RNA nazývané siRNA (small interfering RNA). Buňka používá siRNA pro detekci a odbourání cizorodé RNA.

Mechanismus RNAi může však být také využit k redukci exprese jakéhokoliv požadovaného genu přizpůsobením dsRNA messenger RNA (mRNA) cílového genu. Když je cílová mRNA odbourána, je syntéza kódovaného proteinu snížena nebo úplně blokována. Zaměření se na nezbytný gen škůdce rostlin může z dsRNA udělat specifický a účinný insekticid.

Některé plodiny byly v poslední době upraveny modifikováním jejich jaderného genomu, tak aby produkovaly dsRNA proti určitému hmyzu. Toto nikdy nevedlo k úplné ochraně proti herbivorům, protože vlastní RNAi rostlin zabraňuje akumulaci dostatečného množství dsRNA. Místo toho obešli vědci z MPI tento problém produkcí dsRNA v chloroplastech. Tyto organely, ve kterých probíhá v zelených rostlinách fotosyntéza, jsou potomky původně volně žijících kyanobakterií, které jsou prokaryotní organismy, jež postrádají systém RNAi. Předpokládajíce že chloroplasty budou akumulovat velká množství dsRNA, se vědci rozhodli vytvořit takzvané transplastomické rostliny. V těchto rostlinách je chloroplastový genom cílem genetické modifikace místo jaderného genomu.

K otestování tohoto systému na skutečném hmyzím škůdci zvolili vědci mandelinku bramborovou. Tento hezký pruhovaný brouk byl neúmyslně zavlečen do Evropy na konci 19. století. Nyní je to škůdce po celém světě a může způsobit významné ztráty v zemědělství. Kromě bramborových listů se dospělí brouci a také jejich larvy živí na dalších plodinách z čeledi lilkovité (Solanaceae), jako jsou rajčata, papriky a tabák.

Mandelinku bramborovou je složité regulovat z důvodu širokého výskytu rezistence k insekticidům. Použitím transformace chloroplastů byly vytvořeny rostliny bramboru, které akumulují velká množství dlouhých stabilních dsRNA cílených na nezbytné geny tohoto brouka.

Účinnost dsRNA jako insekticidu byla testována v MPI v Jeně. Larvy byly krmeny utrženými listy bramboru a po devíti dnech byla sledována jejich mortalita. Listy byly odebírány z transplastomických dsRNA rostlin, konvenčních transgenních dsRNA rostlin s modifikovaným jaderným genomem a nemodifikovaných rostlin. Pro srovnání byly testovány dsRNA cílené na dva různé geny.

Transplastomické listy produkující dsRNA proti genu pro aktin způsobovaly po pěti dnech krmení mortalitu 100%. Gen pro aktin kóduje strukturální protein, který je nezbytný pro integritu buňky. Naproti tomu rostliny s modifikovaným jaderným genomem exprimovaly mnohem méně dsRNA a pouze nepatrně snižovaly růst brouků.

Tyto výsledky ukazují, že změna cíle transformace z jaderného genomu na chloroplastový genom překonává hlavní překážku pro využití RNAi v ochraně rostlin.

V důsledku toho že si stále více hmyzích škůdců vytváří rezistence proti chemickým pesticidům a Bt toxinům, představuje RNAi nadějnou strategii pro regulaci škůdců. Tato technologie umožňuje precizní ochranu bez chemikálií a bez produkce cizorodých proteinů v rostlině.

Autor: Dr. Ing. Jaroslav Salava, VÚRV, v.v.i.

Líbil se Vám tento článek? Doporučte jej svým známým.

Použitá literatura

Bock R.: Genetic engineering of the chloroplast: novel tools and new applications. Curr. Opin. Biotechnol., 26: 7-13 (2014).

Zhang J., Khan S. A., Hasse C., Ruf S., Heckel D. G., Bock R.: Full crop protection from an insect pest by expression of long double-stranded RNAs in plastids. Science, 347 (6225): 991-994 (2015).

Zhou W. B., Karcher D., Fischer A., Maximova E., Walther D., Bock R., Multiple RNA processing defects and impaired chloroplast function in plants deficient in the organellar protein-only RNase P enzyme. PLoS One, 10 (3), e0120533-e0120533 (2015).