Hlavní strana Autorské články a zajímavosti ze světa biotechnologií Vědci vrátili pšenici ztracený gen a vylepšili tak její...

Vědci vrátili pšenici ztracený gen a vylepšili tak její výnos na slaných polích

Datum: 12.7.2012

Pšenice patří spolu s kukuřicí a rýží mezi nejčastěji seté obiloviny na světě. Seje se na 225 miliónech hektarů a zabírá tak 15% světové orné půdy (Kiss 2011). Toto číslo zřejmě ještě poroste, protože do roku 2050 očekáváme světový růst požadavků na potravu o 70-110% (Tilman a kol. 2011). Naneštěstí pěstování zemědělských plodin na mnoha místech planety komplikuje vysoký obsah soli v půdě.

Slanost půdy je dána přítomností iontů Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ a Cl^-, které se do půdy dostávají různými způsoby, například zvětrávání hornin, kapilárními silami ze slaného podloží za intenzivního vodního odparu, nebo jsou do půdy zanášeny větrem a deštěm z oblastí s vysokou salinitou atd. Klimatické podmínky spolu s činností člověka a typem krajiny určují místa, na kterých se sůl na Zemi akumuluje. Mezi lidské činnosti, mající vliv na salinitu půdy patří hnojení. V současnosti je na světě zasaženo salinitou asi 800 milionů hektarů půdy a použití halotolerantních rostlin je často jedinou možností jak takovou půdu využít (Rengasamy 2010).

U běžných rostlin akumulace sodíkových iontů v listech vede k méně efektivní fotosyntéze a tím pádem k nízké asimilaci uhlíku, což má samozřejmě vliv na obsah škrobu v zrnech a jejich celkový výnos. Proto pokud by se podařilo zvýšit schopnost listů vylučovat sodíkové ionty z buněk, vedlo by to k výraznému zvýšení jejich tolerance vůči soli a vyššímu výnosu.

Pšenice prošla křížením a šlechtěním, které trvalo celá tisíciletí. Její genom je polyploidní (obsahuje několik chromozómových sad). Takto komplexní genom umožnil nahromadění řady výhodných znaků, ale zároveň způsobil ztrátu jiných, například i toleranci vůči soli.

Pšenice tvrdá (Triticum durum), která se používá na výrobu těstovin, kuskusu, bulguru a výjimečně i chleba je tetraploidní, obsahuje genomy A a B. Je mnohem citlivější na obsah soli v půdě než pšenice setá (Triticum aestivum), která se používá především k výrobě chleba. Je hexaploidní, nese genomy A, B a D. Halotolerance je dána více místy v genomu pšenice. Pšenici tvrdé chybí genom D, který nese lokus Kna I, zodpovědný za udržování nízké vnitrobuněčné koncentrace sodíkových iontů v listech. Proto je pšenice setá halotolerantnější než pšenice tvrdá. Za vylučování sodíkových iontů z buněk je dále zodpovědný lokus Nax 2, součást genomu A. Ten se nenachází ani u pšenice seté ani u pšenice tvrdé. Nachází se však u jejich společného předka, diploidní pšenice jednozrnky (T. monococcum), která rovněž nese genom A. Genomy této pšenice a kulturních variant se ale vyvíjely odděleně. Australským vědcům z organizace CSIRO (the Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) a Školy rostlinné biologie ze Západoaustralské univerzity se podařilo vyšlechtit moderní kultivar pšenice tvrdé Tamaroi, nesoucí lokus Nax 2 z pšenice jednozrnky.

Na základě podobnosti a porovnání se známými geny se stejnou funkcí u rýže a huseníčku rolního (Arabidopsis thaliana), se vědcům podařilo charakterizovat gen z lokusu Nax 2 pšenice jednozrnky. Náleží do rodiny HKT genů (high affinity potassium transporter), které jsou známé svou úlohou v regulaci Na⁺ a K⁺ transportu u vyšších rostlin. Byl pojmenován TmHKT1;5-A. S genem rýže, plnícím stejnou funkci, sdílí 66% aminokyselinovou identitu a pravděpodobně chybí u všech moderních kultivarů pšenice. Kóduje specifický vysokoafinitní transporter pro sodík, který vede k redukci obsahu sodíku v buňkách listu až o 50%.

Autoři studie testovali růst pšenice nesoucí gen TmHKT1;5-A na slaných australských polích. Pro studii byly vybrány půdy s rozdílným obsahem soli a byl zde srovnáván kultivar Tamaroi+ nesoucí gen TmHKT1;5-A s kultivarem Tamaroi- bez tohoto genu. Kultivary byly porovnávány v období zrání zrn pomocí stanovení obsahu sodíku v tzv. vlajkovém listu, nejvýše položeném listu pod vrcholem rostliny. Vývojové stádium, ve kterém dojde k omezení fotosyntézy, má vliv na celkový výnos zrn. Obsah sodíku se ve vlajkovém listu se zvyšujícím se obsahem soli v půdě u obou kultivarů zvyšoval. U Tamaroi+ byl 4-12x nižší než u Tamaroi-. Dokonce i při vysokém obsahu soli v půdě si Tamaroi+ byl schopen uchovat 100mM koncentraci sodíku ve vlajkovém listu oproti 326mM obsahu v listu Tamaroi-. Vyšší než 250mM koncentrace sodíkových iontů v listech je přitom pro fotosyntézu kritická.

Za standardních podmínek odpovídajícím střední salinitě a semiaridní půdě bez zavlažování, daly oba kultivary výnos kolem 2,5 tuny/ha. To je pro pšenici rostoucí za popsaných podmínek typické. V neslaných oblastech rovněž nebyl mezi kultivary rozdíl. Když se ale salinita půdy zvýšila, klesl výnos Tamaroi- o 50%, zatímco výnos Tamaroi+ klesl pouze o 36%.

Důležité je, že přítomnost genu nezpůsobila rostlinám snížení výnosu. Vědci ke šlechtění rostlin použili metodu selekce pomocí znaku (marker-assisted breeding), která nepatří mezi transgenní metody. Proto tato pšenice nebude klasifikována jako GMO a nebude podléhat restrikcím s GMO spojeným.

Jedná se pravděpodobně o první studii, která něco podobného prokázala i v polních podmínkách. Uveřejnil ji časopis Nature Biotechnology (Munns a kol. 2012).

Autor: RNDr. Klára Kazdová

Líbil se Vám tento článek? Doporučte jej svým známým.