Přelomový úspěch: Vědci přečetli celý genom pšenice. Klíčovou roli hráli experti z Olomouce

Po třinácti letech intenzivní mezinárodní spolupráce se dvěma stovkám vědců z dvaceti zemí podařilo získat velmi přesný a hlavně kompletní genom nejrozšířenější zemědělské plodiny: pšenice seté. Informovalo o tom Mezinárodní konsorcium pro sekvenování genomu pšenice (IWGSC) v článku publikovaném v prestižním vědeckém časopise Science. Zásadní roli ve výzkumu hráli i vědci z České republiky.

Tento objev poslouží vědcům i šlechtitelům, kteří díky němu budou moci rychleji šlechtit odrůdy pšenice s lepšími vlastnostmi - může to výrazně pomoci například s přizpůsobením rostlin na klimatickou změnu. Velký podíl na tomto úspěchu mají olomoučtí vědci z Ústavu experimentální botaniky Akademie věd ČR:

Přečtení dědičné informace pšenice seté bylo dlouho považováno za nemožné kvůli její enormní velikosti, která je představována téměř sedmnácti miliardami písmen dědičného kódu. Složitost dědičné informace pšenice, která je pětkrát větší než u člověka, je dána tím, že se skládá ze tří navzájem podobných subgenomů a také tím, že většina genomu je tvořena mnohokrát se opakujícími úseky DNA.

To a také fakt, že ji vědci musí číst po malých úsecích, podle vedoucího Centra strukturní a funkční genomiky rostlin ÚEB AV profesora Jaroslava Doležela velmi ztěžuje správné sestavení dědičné informace:

„Můžeme to přirovnat k situaci, kdy bychom rozstříhali tři vydání stejné knihy ve velmi podobných jazycích na úseky kratší než jedna věta, tyto kousíčky smíchali a museli knihy sestavit do původní podoby. Jsem nesmírně rád, že se to u tak velkého genomu, jaký má pšenice, podařilo. Nebylo by to samozřejmě možné bez rozsáhlé mezinárodní spolupráce. Na tomto výzkumu se podílelo 73 vědeckých pracovišť, která využívala různé metody, sdílela výsledky a vyměňovala si zkušenosti,“ uvedl rostlinný genetik Jaroslav Doležel.

K čemu to? Pšenice jako stavebnice

Dokončená referenční sekvence genomu pšenice poskytuje šlechtitelům nové možnosti pro řešení závažných problémů souvisejících s potravinovou bezpečností. Pšenice je základní potravinou pro více než třetinu světové populace. V roce 2050 stoupne počet obyvatel zeměkoule na 9,6 miliard a pro zajištění jejich výživy je nutné každoročně zvyšovat výnos pšenice o 1,6 procenta. Protože ale ubývá půdy a mění se klima, nebude toho možné dosáhnout bez nových odrůd s lepšími vlastnostmi.

Díky podrobné znalosti dědičné informace pšenice mohou nyní šlechtitelé rychleji rozpoznat geny odpovídající za výnos, kvalitu zrna, odolnost vůči chorobám a škůdcům a také geny umožňující lépe překonávat období sucha. V budoucnu bude mít tento výsledek velký význam při využívání nových metod genetických modifikací - s pokročilými metodami genetického inženýrství bude možné využít písmena abecedy pšenice jako stavebnici, z níž si vědci vezmnou vždy tu kostičku, kterou potřebují.

Získání referenční sekvence genomu pšenice je také důležité pro základní výzkum, jehož cílem je objasnit funkci jednotlivých částí dědičné informace a jejich vliv na růst a vývoj této plodiny. První výsledky získané díky referenční sekvenci byly zveřejněny v dalších šesti publikacích, které byly publikovány ve stejný den jako hlavní článek; jedna ve stejném čísle časopisu Science, jedna v časopise Science Advances a čtyři v časopise Genome Biology.

Video Profesor Doležal o genetické úpravě rostlin
video

Profesor Doležel o genetické úpravě rostlin

Významný podíl vědců z Olomouce: bez nich by to nešlo

Olomoucké pracoviště bylo v roce 2003 jedním ze zakládajících členů mezinárodního konsorcia IWGSC a v obrovském mezinárodním projektu hrálo klíčovou roli. Celý výzkum byl totiž postavený na metodě třídění chromozomů pomocí průtokové cytometrie, kterou vyvinuli právě olomoučtí vědci a kterou rutinně používají jako jediní na světě. Tento postup umožnil rozdělit velkou a složitou dědičnou informaci na menší části – chromozomy, což velmi zjednodušilo čtení DNA a následovné uspořádávání přečtených úseků. Olomoucká laboratoř tak dodávala DNA jednotlivých chromozomů spolupracujícím laboratořím v různých částech světa.

Dalším přínosem české vědy byla příprava takzvaných BAC knihoven, díky kterým bylo možné číst delší úseky textu dědičné informace, což velmi usnadnilo sestavování genomu. Také v přípravě BAC knihoven z izolovaných chromozomů drží olomoučtí vědci světový primát a dosud jsou v jejím využívání považováni za nejlepší na světě. Ve speciálních mrazících boxech uchovávají při teplotě –80° C na 2,5 milionu klonů DNA pšenice.

V neposlední řadě se olomoučtí vědci úspěšně věnovali i samotnému sekvenování tří z jednadvaceti chromozomů pšenice. Během posledních let se do výzkumu zapojili také jinými moderními metodami, například optickým mapováním.

Modelovou odrůdou byla pšenice setá „Chinese Spring“

Cílem dlouholetého projektu bylo získat celou takzvanou referenční sekvenci pšenice odrůdy „Chinese Spring“. Nová zjištění doplňují mnoho bílých míst v genomu pšenice, jehož pracovní verze byla publikována v roce 2014. Nyní vědci znají sekvence všech 21 chromozomů pšenice, stejně jako přesné umístění 107 891 genů a více než 4 milionů molekulárních markerů.

Detaily průtokového cytometru
Zdroj: ÚEB

Nejnovější zjištění mezinárodní vědecké komunity považuje profesor Jaroslav Doležel za mimořádný úspěch: „Získali jsme celý a velmi přesný text dědičné informace pšenice. Nyní máme k dispozici sekvenci jedné odrůdy, se kterou můžeme snadno porovnávat sekvence jiných odrůd. Nemusíme je tedy znovu pracně sestavovat, rozdíly zjistíme velmi jednoduše.“

Před vědci nyní stojí další výzvy. Dosud genom zkoumali spíše jako lineárně seřazený sled písmen dědičného kódu. Ve skutečnosti je ale dědičná informace nesená molekulou DNA uspořádaná v trojrozměrném prostoru buněčného jádra o průměru asi několik tisícin milimetru a některé její části spolu interagují. Toto uspořádání lze přirovnat ke klubíčku, smotaném ze 42 třiceticentimetrových vláken. Najít oblasti vláken, které spolu interagují, je obtížné, ale vědci již mají vypracované postupy, jak je nalézt a blíže charakterizovat.