Už od počátku zemědělství lidé vybírali k dalšímu pěstování jen ty nejlepší rostliny nebo jejich semena. Postupně pak člověk začal tyto nejlepší kusy mezi sebou úmyslně křížit s cílem nakombinovat nejlepší vlastnosti křížených odrůd do jedné. To je ale poměrně zdlouhavý a ne vždy úspěšný proces. Moderní člověk se proto nespokojil s vlastnostmi, které rostliny už měly, a začal je zkoušet vylepšit pomocí změn (mutací) v genech, které tyto vlastnosti kódují – např. ozařováním nebo pomocí chemických mutagenů. „Dnes je registrováno a využíváno přes 3000 druhů takto vyšlechtěných odrůd, např. sladovnický ječmen Diamant, jahodník Vanda s odolností k plísni šedé, jabloň James Grieve Double Red, nebo třeba Bor – radiační odrůda chmele,“ vysvětluje Tomáš Kocábek, který se na Ústavu molekulární biologie rostlin BC AV ČR výzkumu genetických modifikací chmele věnuje. Tento typ šlechtění připomíná ale spíše střelbu na slepo, protože mutace vznikají náhodně ve všech genech, což výběr nově vylepšené a zároveň životaschopné odrůdy ohromně ztěžuje.

S rozvojem molekulárních technik se proto věda snažila o to nejen poznat, které geny jsou za tu kterou vlastnost zodpovědné, ale také vymyslet techniku, která by umožnila precizní změny pouze v jednom konkrétním genu. V roce 2012 bylo ukázáno, že právě takovou možnost nabízí bakteriální „imunitní“ systém CRISPR/Cas, se kterým je možno v konkrétním genu provést změnu do posledního písmenka přesně. Seznam rostlin upravených touto technologií se dnes neustále rozrůstá od modelových rostlin až po hospodářsky využitelné plodiny, jako je rajče, pšenice či ovocné dřeviny. „Chmel však doposud na seznamu chyběl,“ dodává dr. Kocábek. A právě chmel otáčivý (Humulus lupulus L.) se vědcům z Ústavu molekulární biologie rostlin BC AV ČR podařilo jako prvním s použitím technologie CRISPR/Cas upravit. Za svůj první cíl si vybrali modelový gen pro klíčový enzym zajišťující výrobu listových barviv – jeho vypnutí je totiž na rostlině ihned vidět.

Rostlina chmele otáčivého (vlevo) a experimentální rostlina s upraveným genem.  Foto: Tomáš Kocábek, BC AV ČR

Pokusné rostliny měly zcela bílé, případně mozaikovité listy, a úspěšnost prvního testu a zacílení do genu potvrdily i molekulární analýzy. „Jsem rád, že se nám povedlo tuto metodiku zavést i pro chmel, u kterého navíc představuje určitou komplikaci fakt, že se jedná o vegetativně množenou plodinu“, říká Praveen Awasthi, indický post-doktorand na Biologickém centru a hlavní autor studie, který tuto technologii již dříve použil u banánovníku.  Výsledky vědci publikovali v lednu 2021 v mezinárodním vědeckém časopise Plant Physiology and Biochemistry. Nyní se tým zaměří na cílené změny v genech zodpovědných za tvorbu hořkých kyselin, důležitých v pivovarnictví, nebo tzv. prenylovaných flavonoidů, které působí mimo jiné proti rakovině, bakteriím a zánětům.

„Technika CRISPR je zcela univerzální systém pro vše živé od mikroorganismů až po lidské buňky a přinese jistě spoustu zajímavých výsledků do budoucna, protože takto lze upravovat specificky zcela konkrétní geny, aniž bychom zasahovali do jiných oblastí genomu,“ vysvětluje přínosy nové metody Praveen Awasthi. Nesporné výhody přináší tato metoda rovněž v tom, že se do organismu nemusí vnášet cizí geny, jako je tomu u GMO. V Evropské unii jsou však od roku 2018 rozhodnutím Evropského soudního dvoru veškeré organismy vytvořené inovativními biotechnologiemi, včetně CRISPR, regulovány dle právních nařízení vztahujících se ke GMO, a restriktivní předpisy EU tak prakticky znemožňují komerční využití takto upravených rostlin. Biologické centrum AV ČR se v roce 2019 připojilo k iniciativě evropských vědců, kteří znovu žádají Evropský parlament a Evropskou komisi o legislativní změnu, která by použití těchto metod umožnila. 

Laboratorní experiment probíhal v kontrolovaných podmínkách in vitro. Foto: Tomáš Kocábek, BC AV ČR

Výzkum Praveena Awasthiho byl umožněn díky podpoře z programu PPLZ (podpora perspektivních lidských zdrojů) AV ČR. Dále je výzkum financován z grantů CZ.02.2.69/0.0/0.0/16_027/0008357 (MEMOBIC), 19-19629S (GAČR).  

Publikace

Awasthi, P., Kocábek, T., Mishra, Sukumari Nath, V., Shrestha, A.,Matoušek, J. (2021). Establishment of CRISPR/Cas9 mediated targeted mutagenesis in hop (Humulus lupulus). Plant Physiology and Biochemistry, 160, 1-7. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2021.01.006.

Zdroj: Biologické centrum AV ČR