Tajemství přežívání čiroku v toxických půdách

Toxicita hliníku významně snižuje výnosy plodin na velmi kyselých půdách, které tvoří téměř 50% orné půdy po celém světě. Ačkoliv mnoho kyselých půd v rozvojových zemích má hladinu hliníku, která je toxická pro rostliny, přežití drobných farmářů samozásobitelů je často závislé na těchto půdách. Mezinárodní tým vedený vědci ARS (Agricultural Research Service, USDA) a EMBRAPA (Maize and Sorghum Branch of Brasilian Agricultural Research Corporation) se pokusil nalézt gen čiroku, klíčové plodiny pro výživu lidí v Africe, který by ho ochránil v kyselých půdách před toxickým hliníkem.

Vědci věděli, že trávy, jako je kukuřice, rýže a pšenice, používají membránové transportéry organických kyselin (“effluxové pumpy“) při ochraně před hliníkem z půdního podloží. Proto je zařadili mezi kandidátní proteiny tolerance k hliníku, Když jsou hladiny hliníku vysoké, transportéry okamžitě uvolňují organické kyseliny ze vzrostného vrcholu kořenů. Organické kyseliny vytvářejí netoxické komplexy s hliníkovými ionty a zabraňují tak vstupu hliníku do kořenů.

U pšenice je tolerance k hliníku regulována membránovým transportérem kódovaným genem tolerance k hliníku ALTM1 (Aluminium Major Tolerance). Výzkumný tým našel v čiroku gen, který ho chrání před hliníkem v půdě prostřednictvím mechanismu, jež je velmi podobný aktivitě ALTM1.

K identifikaci genu kódujícímu zástupce rodiny extruze jedů a toxických látek (MATE), transportér aktivovaný kyselinou citronovou, který je zodpovědný za lokus tolerance k hliníku Alt_SB čiroku dvoubarevného (Sorghum bicolor), použili vědci poziční klonování. Polymorfismy v regulačních oblastech Alt_SB pravděpodobně přispívají k velkému účinku alel působících na zvýšení exprese Alt_SB v kořenových špičkách tolerantních genotypů. Mimoto, hliníkem indukovaná exprese Alt_SB je vázána s indukcí tolerance k hliníku prostřednictvím zvýšeného vylučování kyseliny citronové kořeny. Tato zjištění umožní identifikovat mimořádné  haplotypy Alt_SB které mohou být zahrnuty s pomocí molekulárního šlechtění a biotechnologií do šlechtitelských programů pro kyselé půdy, a tím pomoci zvýšit výnosy plodin v rozvojových zemích, kde mají kyselé půdy převahu.

Pšeničný gen ALTM1 kóduje proteinový transportér, který podporuje uvolňování kyseliny jablečné. U čiroku však gen tolerance k hliníku kóduje transportér, který dává podnět k uvolňování kyseliny citronové. Čirokový transportér označovaný SbMATE není příbuzný s pšeničným transportérem a je členem rodiny extruze jedů a toxických látek, jinak řečeno rodiny transportérů MATE (Multidrug And Toxic Compound Extrusion).

Gen SbMATE je aktivován v kořenech čiroku tolerantním k hliníku pouze, když je v půdě přítomný hliník. Za těchto podmínek je gen SbMATE nejvíce exprimován v prvním centimetru od kořenové špičky, což umožňuje ochranu kořenové špičky před hliníkem. Schopnost čiroku tolerovat půdní hliník významně vzrůstá, čím déle je exponován s tímto prvkem. Toto zjištění koreluje se zvýšeným uvolňováním organických kyselin z kořenů čiroku během času a zvýšené expresi genu SbMATE, která je důsledkem expozice s hliníkem v půdě.

Tato zjištění podporují identifikaci SbMATE, jako nového genu tolerance k hliníku. Gen SbMATE je hlavním determinantem tolerance k hliníku i u dalších genotypů čiroku. Je to současně důkaz koevoluce důležité rodiny znaků trav se zcela odlišnými geny.

ARS a EMBRAPA jsou nyní zapojeny do společných projektů se šlechtiteli rostlin v Africe s cílem získat odrůdy čiroku tolerantní k hliníku pro pěstování v místních půdách.

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

Líbil se Vám tento článek? Doporučte jej svým známým.

Použitá literatura

Sivaguru M., Liu J., Kochian L.V. (2013): Targeted expression of SbMATE in the root distal transition zone is responsible for sorghum aluminum resistance. Plant Journal, 76 (2): 297-307.

Shaff J.E., Schultz B.A., Craft E.J., Clark R.T., Kochian L.V. (2010): GEOCHEM-EZ: a chemical speciation program with greater power and flexibility. Plant and Soil, 330: 207–214.

Yang X.Y., Yang J.L., Zhou Y., Pineros M.A., Kochian L.V., Li G.X., Zheng S.J. (2011): A de novo synthesis citrate transporter, Vigna umbellata multidrug and toxic compound extrusion, implicates in Al-activated citrate efflux in rice bean (Vigna umbellata) root apex. Plant, Cell and Environment, 34: 2138–2148.