Pro čtenáře webu spolku Biotrin nebude sousloví CRISPR/Cas nic nového. Tento (stále) revoluční systém pomohl výzkumníkům z Maďarské zemědělské a přírodovědecké univerzity a jejich partnerům charakterizovat v ječmeni gen, který řídí velikost zrna a obsah bílkovin. Výsledky svého výzkumu vědci zveřejnili v časopise Plant Science.

Význam stabilních výnosů plodin, které jsou ovlivněny klimatickými a půdními podmínkami, abiotickým a biotickým stresem a technologiemi produkce plodin, pro spolehlivou a efektivní produkci potravin je zřejmý. S rychlým nárůstem světové populace je ale nezbytné intenzivně pracovat na dalším šlechtění plodin, aby se zvýšila míra produkce plodin a aby se důležité plodiny adaptovaly na dopady klimatických změn. 

Cereálie, jako jsou pšenice, rýže, kukuřice a ječmen, jsou hlavním zdrojem potravin a poskytují více než 50 % potravinové energie. Kvalita a kvantita semen společně určují reprodukční úspěch (to „zajímá“ rostlinu jako takovou) a agronomický výkon plodin (to zajímá nás). U cereálií je nejcennější částí zrna endosperm s vysokým obsahem škrobu a bílkovin a výnos.

V posledních letech byla identifikována a studována řada molekulárních regulátorů nebo kvantitativních lokusů (QTL, quantitative trait loci) vlastností, které ovlivňují výnos zrna. U rýže byl jako QTL identifikován gen GW2 (Grain Width and Weight 2), který negativně reguluje velikost zrna a tedy potenciálně i výnos (OsGW2).

OsGW2 kóduje RING-typ E3 ubikvitin ligázu, která se konstitutivně exprimuje v listech, kořenech, květních orgánech a zrnech. Systém ubikvitin-26S proteazomu (UPS, ubiquitin-26S proteasome system) je zásadní cestou degradace proteinů v růstu a vývoji rostlin a je aktivně zapojen do regulace vývoje zrna. Proto bylo pro zvýšení produktivity obilovin navrženo vypnutí aktivity genu GW2. Další výzkumy ukázaly, že homology genu GW2 jsou funkčně konzervované u kukuřice, pšenice, prosa, ječmene, a dalších plodin. 

Funkce genu GW2 byla zkoumána také u ječmene, kde byly nalezeny dva ortologní geny – HvYrg1 (HvGW2.1) a HvYrg2 (HvGW2.2). Tato práce se zaměřila na objasnění rolí genu GW2.1 ve vývoji zrna ječmene. Výzkumníci použili technologii CRISPR/Cas9 pro generování nezávislých linií ječmene s knock-out mutací v genu GW2.1 s významně odlišnými agronomickými vlastnostmi oproti divokému typu. Další experimenty zahrnovaly růst upravených rostlin v kontrolovaných podmínkách skleníku, genotypizaci získaných linií a analýzu morfologie zrna a jeho složení. Byly sledovány změny ve velikosti zrna, hmotnosti tisíce zrn a proteinovém obsahu, což poskytlo přehled o dopadu mutací na agronomické vlastnosti ječmene.

Skleníková pozorování odhalila pouze okrajové zapojení GW2.1 během regulace raného vegetativního růstu. Další výsledky naznačují, že aktivita GW2.1 jemně ladí rovnováhu mezi různými vlastnostmi zrna a výnosem. Ukazují, že mutace v genu GW2.1 vedou k prodloužení zrna, ale zároveň k poklesu jeho šířky a celkové hmotnosti, což má ale negativní vliv na výnos. Zajímavě, ve srovnání s kontrolami je, že mutantní linie vykazovaly konzistentnější produkci napříč různými podmínkami pěstování (autoři aplikovali v pokusech na rostliny také tepelný stres), což naznačuje možnou roli GW2.1 v adaptaci rostlin na stresové podmínky. Dále byl pozorován výrazný nárůst proteinového obsahu v zrnech mutantních linií, což otevírá diskusi o využití těchto poznatků pro zlepšení nutriční hodnoty ječmene. 

Data tedy ukazují, že pleiotropní účinky mutantů GW2.1 ječmene silně ovlivňují základní vývojové procesy, což naznačuje možné omezení praktického využití mutantů GW2.1 ve šlechtitelských programech.

Podle autorů studie se nyní nabízí několik dalších otázek. Je důležité zjistit, jaká je specifičnost cílů genu GW2, které proteiny jsou jím specificky ubikvitinovány a degradovány. Rovněž je klíčové pochopit, jak je aktivita GW2 modulována fluktuacemi okolní teploty a jaké molekulární cesty GW2 regulují procesy vedoucí k vývoji zrna, k určení počtu klásků a zrn. Dále je třeba zkoumat, do jaké míry jsou efekty působení GW2 na obsah proteinů a vlastnosti zrna konzervované mezi různými jednoděložnými plodinami a jaká je nejlepší strategie pro modulaci exprese nebo aktivity GW2 pro agronomické využití.

Závěry studie tedy ukazují, že gen GW2.1 v ječmeni reguluje rovnováhu mezi výnosem a vlastnostmi zrna, což pravděpodobně v dlouhodobém horizontu optimalizuje evoluční zdatnost. Ztráta funkce GW2.1 však vyvolává významné pleiotropní účinky, které vedou k poklesu počtu zrn a snížení výnosu u mutantních rostlin. Je nutné provést další studie k odhalení složité molekulární sítě ovlivňující vývoj zrn v ječmeni, aby bylo možné využít potenciální ekonomické výhody spojené s inaktivací funkce GW2.1.

Tato práce tedy nepřináší žádné převratné novinky do oblasti genetických studií u ječmene či metodik molekulární biologie. Představuje ale důležitý příspěvek k rozsáhlejšímu úsilí o zlepšení zemědělské produkce a adaptaci na klimatické změny – každý nový střípek poznání nás posouvá blíže k cíli udržitelnějšího a produktivnějšího zemědělství.

Zdroje:

• https://www.isaaa.org/kc/cropbiotechupdate/article/default.asp?ID=20604
• https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168945223003850

Zdroj článku: BIOTRIN