VĚDA: Jak se bránit poléhání obilí

aneb Žně u Krejzlů a genové inženýrství

Žně v hospodářství Krejzlových, někdy v roce 1915 (obr. 1). Nejsem autorem toho obrázku. Zkopíroval jsem si jej z alba dokumentujícího život v malé obci Čánka, kousek od Opočna. Tedy více než před sto lety. Při pohledu na něj však na mne sáhlo i moje vlastní dětství či mládí.

Také jsem u dědy pomáhal sklízet žita, dnes již tak u nás vzácná. Stavěl panáky, na vrcholu své zemědělské kariéry dokonce krmil snopy hučící mlátičku. Takže si dobře pamatuji i výšku těch snopů. Ve vzrostlém žitném poli mohlo nejen dítě snadno zabloudit, málem jak dnes v kukuřici.

Když svým studentům přednáším o šlechtitelských základech tzv. Zelené revoluce šedesátých/sedmdesátých let, samozřejmě vysvětluji i příčiny úvodní celosvětové expanze „mexických“ krátkostébelných odrůd. A pro srovnání ukazuji i obrazy holandských mistrů šestnáctého století, zejména pak Pietera Breughela staršího. Tedy ty letní, žňové, s pracujícími či vyspávajícími sekáči kol lánů obilí dosahujícího jejich výšky (obr. 2).

Zřetelně nešlo jen o uměleckou licenci. V raných dobách evoluce kulturních travin, zejména obilovin, taková stébla představovala konkurenční výhodu v soutěži s různými nízkými plevely o sluneční svit, byla užitečná pro „větrosnubnou“ strategii opylování. Pro zemědělské civilizace se pak obilná sláma stala významnou surovinu technickou i důležitým krmivem pro hospodářská zvířata. Dlouhá stébla byla nezbytná pro výrobu levné střešní krytiny, tedy došků, právě tak jako na výrobu různých rohoží, nádob, tašek, ba i obuvi.

Agrotechnický i celospolečenský pokrok však postupně spěl k snížení jejího významu. Mizely doškové střechy, snižovala se potřeba podestýlky pro lidi i hospodářská zvířata. Zprvu intuitivní a poté cílené šlechtění na výnos zrna vedlo k nepoměru mezi mechanickými vlastnostmi stébla a tíhou klasu. Poléhání lánů vlivem lijáků či větrného počasí velmi znesnadňovalo jak sklizeň ruční, tak strojní. Polehlé obilí předčasně klíčilo, bylo napadáno různými chorobami.

Agrochemie postupně nabídla farmářům nejrůznější typy tzv. retardantů, tedy látek působících proti přirozeným rostlinným hormonům zodpovědným za dloužení rostlinných buněk, a tedy i růst pletiv a orgánů. Cílovými procesy účinku retardantů jsou tak zejména metabolické dráhy gibberellinů, auxinů, případně etylénu. Tyto přípravky zpomalují růst, zpevňují a zkracují obilná stébla na začátku „sloupkování“, podporují tvorbu celulózy a ligninu. Včas a správně postříkané lány jsou tak k poléhání odolnější.

Zásadním vstupem do soutěže „stéblo : klas“ se však v moderní době stala již zmíněná Zelená revoluce sedmdesátých let minulého století. Zejména díky úsilí Normana Borlauga byl svět postupně obohacen o nejrůznější odrůdy „miracle“, tedy zázračné, pšenice (známá Norin 10), kukuřice či rýže. Odrůd krátkostébelných, ukládajících podstatně větší objem svých asimilátů do tvorby zrna.

Výchozími materiály tohoto šlechtění byly zvláště nejrůznější genoví mutanti v citlivosti rostlin k fytohormonům ze skupiny gibberellinů (obr. 3).

Ono konstatování „mimo jiné“ není v tomto kontextu bez významu. Úloha gibberellinů v růstu a vývoji rostlin je totiž převelice rozsáhlá. A četné mutace tohoto typu tak vedle vítaného zkrácení stébla měly i důsledky nežádoucí. ̈

Takže ona nejznámější „Miracle Rice IR 8“ byla spíše jednou z výjimek. U jiných rýžových mutantů bylo zkrácení stébla provázeno také nežádoucím zmenšením velikosti zrn či květní laty.

I nadále tedy pokračoval výzkum alternativních cest ke snížení délky stébla a současně zvýšení jeho mechanických parametrů. Vědecký tým z Huazhong Agricultural University – Fan C. et al. v publikaci

Ectopic expression of a novel OsExtensin-like gene consistently enhances plant lodging resistence by regulating cell elongation and cell wall thickening in rice.- Plant Biotechnology Journal 2017

věnoval pozornost tzv. extensinům, představujícím hlavní, zejména hydroxyprolinem bohatou, složku rostlinných buněčných stěn. Vyskytují se v nejrůznějších pletivech, uplatňují v buněčném růstu a dodávají buňkám i orgánům potřebnou pevnost i pružnost.

Autoři s pomocí rýžové genomové databáze nejprve definovali různé extensinové geny a následně izolovali nový „extensinu podobný“ (extensin-like ) gen označený jako OsEXTL. Poté vytvořili potřebné vektory s tímto genem umístěným pod dvěma různými promotory (jedním „rýžového“, druhým „kukuřičného“ původu), zajišťujícími jeho nadprodukci v různých pletivech transgenních rostlin.

Tři vybrané transgenní linie byly následně jednak testovány v tříletých polních podmínkách, jednak pečlivě analyzovány technikami morfologickými, anatomickými i biochemickými. Všechny, byť v různé míře, vykázaly zvýšenou odolnost k poléhání (10-48%) při nezměněné produkci zrna i celkové biomasy. Buňky jejich internodií byly kratší a jejich stěny silnější. Obsahovaly méně pektinu, zato více celulosy, nezměněny byl hladiny hemicelulos či ligninu. Laicky řečeno, sláma byla pevnější, ne však „dřevnatá“ a tedy méně stravitelná.

Práce tak přinesla i řadu nových poznatků o funkci extensinů v rostlinách. Jaké však bude jejich využití nejen v čínské zemědělské praxi?

V nacházejícím čase extrémních klimatických změn provázených prudkými přívalovými dešti to ani moderní krátkostébelné obiloviny nemají moc snadné. Geneticky podmíněná odolnost k poléhavosti se opět stává komerčně významným znakem.

Bude tato extensinová strategie použitelná i pro jiné plodiny? Akceptuje také současná či blízce budoucí Evropa tyto přínosy molekulárního šlechtění?

Inu, uvidíme.