Jak se rodí odrůdy

Odrůda je termín zajištěný zákonem. A také směrnicí Evropské unie. Tento titul může získat jen taková linie plodin, která splňuje určité požadavky a je zaregistrovaná na národní a evropské úrovni. Nejdůležitější požadavky jsou: aby byla odlišná, tj. proti existujícím odrůdám vykazovala nejméně jednu novou vlastnost; aby byla uniformní a stabilní.

Přeložíme-li si tyto požadavky do biologické řeči, musí linie, která kandiduje na statut odrůdy mít v činnosti (exprimovat) gen, který u existujících odrůd činný není. To znamená, že musí mít buď nový gen, případně jeho dosud neprojevenou alelu, nebo se v ní musí stále a homogenně exprimovat gen, který byl u existujících odrůd trvale v klidu.

Plodiny mají kolem 30 tisíc genů, hexaploidní pšenice asi 120 tisíc - pro srovnání - člověk 25 tisíc. Obecně platí, že „zapnuty", exprimovány jsou jen některé geny. Buňky mají třeba geny, který řídí jejich naprogramovanou smrt. Ty samozřejmě jsou až na zvláštní případy v klidu. Podobně geny, které opravují poškozenou DNA. Ty bychom mohli obecně řadit do velké skupiny genů stesových.

Různé vlivy způsobují rostlinám jako i jiným organismům stres. Může to být nízká nebo vysoká teplota, sucho, požer hmyzem, působení herbicidu nebo i šlápnutí či přejezd traktorem a samozřejmě poškození DNA třeba zářením nebo chemikálií. Na takový stres reagují organismy expresí genů, které jsou naprogramovány k řízení funkcí dovolujících rostlině stresový zásah přežít. Některé stromy začnou jako odpověď na sucho vylučovat methylsalicylát. Jiné rostliny začnou syntetizovat a vylučují jiné látky, např. jasminonovou kyselinu po požeru hmyzem. Ta plní jednak funkcí varování ostatních rostlin a také se zjistilo, že hmyz odpuzuje.

Tyto geny se tedy exprimují jen jako odpověď na určitý podnět a jen dočasně. Jsou indukovatelné, nikoli konstitutivní. Jejich indukci ovládají zvláštní systémy, které byly již před půl stoletím popsány u bakterií jako represe a indukce. Nyní se ukazuje, že klíčovou úlohu v nich hrají krátké molekuly RNA. V podstatě fungují jako vypínač. Stejně jako u vypínače se nedopatřením může stát, že se zkratuje a zůstane stále ve stavu zapnuto; tak se může stát, že indukovatelný systém se stane konstitutivním. Pokud představuje selekční výhodu (o které u plodin rozhoduje šlechtitel), pak má linie novou homogenní a stálou vlastnost a může se stát novou odrůdou.

Důvodem takovéto fixace indukovatelné vlastnosti snad může být i „efekt matky", to znamená předání exprimované indukovatelné vlastnosti potomstvu, ale takový mechanismus vyžaduje ještě podrobný výzkum. Obvykle je příčinou změna v genetickém zápisu - tedy mutace - v regulačním úseku. Tím se dostáváme k nejčastějšímu procesu vzmiku nových odrůd. Jsou to mutace v genech.

Mutace probíhají běžně v přírodě, jak známo od dob Darwina jsou uznávány za podstatu celé biologické evoluce. A také šlechtitelství. Jenže evoluce zajistila genetický aparát značně důkladně, takže poruchy vedoucí k mutacím jsou dosti řídké. V dnešní uspěchané době nemá šlechtitel čas čekat na přirozenou mutaci, a tak si pomáhá. Nejčastěji gama zářením produkovaným izotopem kobaltu, nebo rentgenem. Zubařským rentgenem docent Bouma v v šedesátých letech minulého století vyvolal mutace ječmene odrůdy Valtický, které se staly základem slavné (dělá se z ní i skotská whisky) odrůdy Diamant.

Záření je proud fotonů, jakýchsi „balíků" energie. Ta je u rentgenu i gama dostatečně velká, aby porušila chemické vazby. Zasáhne-li foton DNA, poruší její strukturu. V organismech  je hodně vody, a proto častým potrefeným je molekula vody. Z té vznikne radikál, který je vysoce reaktivní a porušuje dále molekuly okolo. Včetně DNA.

Jak jsem uvedl, pro organismus je to stres a aktivují se stresové funkce - mezi nimi systém enzymů, který pracuje na opravě poškození DNA: Jenže většinou není možné obnovit původní strukturu a vzniká odlišná informace, která se pak případně projeví změnou vlastnosti. Splňuje-li podmínky pro odrůdu, radiomutant se může stát novou odrůdou. Tak jako ječmen Diamant nebo halotolerantní rýže, kterou kupujeme, či plnokvětá květina v truhlíku za našim oknem.

Radiační mutagenese je velice účinný nástroj šlechtitelů. Mezinárodní agentura pro atomovou energii IAEA ve Vídni ve svých zprávách uvádí, že v praxi je dnes přes 2000 radiomutantů. Jako vše má své stinné stránky. Mutace obecně - přirozené i umělé - jsou chemickou změnou ve struktuře DNA, která pochopitelně nemá žádný příčinný vztah k funkci poškozeného úseku. Proto vzniklé změny vlastností (fenotypu) jsou ryze náhodné. Daleko nepříjemnější vlastností radiační (a podobně i chemické) mutagenese je vznik celé plejády mutací, při čemž víme jen o těch, které se při odrůdových zkouškách projeví. Zda vznikly jiné, schopné vyvolat zdravotní či ekologické důsledky při běžném a dlouhodobém používání, nevíme.

Linie, které jsou navrženy na nové odrůdy, procházejí zkouškami, které zpravidla trvají tři roky. U nás je provádí ÚKZÚZ, Ústřední kontrolní a zkušební ústav zemědělský. Cílem je hlavně ověřit, že linie splňuje výše uvedené požadavky na odrůdu. Samozřejmě se sledují i další agrotechnické znaky, třeba náchylnost k polehání, chorobám a podobně. U plodin s významnými tzv. antinutrienty, se testuje, zda jejich úroveň není na závadu. Třeba obsah solaninu v bramboru. Podrobnější analýzy jsou už záležitostí případných zpracovatelů, protože ti nesou odpovědnost za nezávadnost potravin.

Náhodnost mutací a neznámé doprovodné změny vyvolané radiační či chemickou mutagenesí odstraňuje přenos genů. Takový postup je možný díky univerzálnosti genetického slovníku, který je stejný u všech organismů. Proto vhodnou technikou můžeme uměle přenášet geny mezi organismy, které s nekříží. Je k tomu v prvém stupni třeba gen identifikovat a ve funkčním stavu izolovat. Druhý stupeň metody spočívá v úpravě povelových úseků na počátku genu a na konci.

Začátek části DNA představující gen, od kterého začíná její čtení (přepis do RNA), označuje úsek zvaný promotor. Ten však je skupinově specifický, tj. povel „začni přepis" je jiný u rostliny než u živočicha nebo bakterie. Podobně je to s koncem, který označeným úsekem zvaným terminátor; ten říká „dost".

Třetí krok je včlenění takto upraveného genu do buňky příjemce. U rostlin jsou běžné dva způsoby: jeden kopíruje bakterii zvanou Agrobacterium tumefaciens, která získala své jméno proto, že dokáže prostřednictvím své kratší DNA (plasmidu) do rostliny vnést geny, které přimějí rostlinné buňky k tomu, aby se množily. Vytvářejí pak útvar podobný nádoru - odtud to jméno.

Jestliže na plasmidu vyměníme původní geny za přenášený gen (transgen), pak máme požadovaného Trojského koně. U rostlin, kde tento trik nefunguje, se používá poněkud násilná metoda: na mikrokuličky zlata se sorbuje upravený gen a kuličky se nastřelí do buňky.

Nutné jsou ještě metodické pomůcky. Popsané postupy nejsou příliš účinné, takže počet buněk, které přijmou transgen, je malý. Získat je z množství netransformovaných buněk není snadné. Proto se k transgenu ještě připojuje selekční gen. Dříve, podobně jako v mikrobiologii, to byl gen zajišťující necitlivost na antibiotika.

V přítomnosti antibiotika v živné půdě se vyvíjely jen buňky, které spojené geny přijaly a exprimovaly. Dnes, z důvodu jistých námitek, se používají geny chránící buňku třeba před herbicidem. Někdy se ještě přidává signální gen, vyvolávající barevnou reakci v tkání, kde jsou vnesené geny exprimované. Tyto pomocné geny lze v případě potřeby molekulárními postupy později odstranit.

Přenášení genů, čili metoda rekombinantní DNA, čili genové inženýrsví, nejsprávněji transgenose, má pro šlechtitelství řadu výhod. Nicméně se stalo nástrojem konkurenčních a politických bojů, což brání ve využití těchto výhod. Ale o tom až někdy jindy.

Autor: Jaroslav Drobník