Pokrok v genetice zrychluje, na polích se mohou objevit nové plodiny

Například v Ústavu genetiky a vývojové biologie v Pekingu pracuje výzkumná skupina na rychlé přeměně jednoho druhu divoké rýže Oryza alta na domestikovanou plodinu. Tato rostlina produkuje velmi výživná a chutná semena, která se ale nedají dobře sklízet. Po dozrání totiž okamžitě padají na zem a nezůstávají na rostlině, na rozdíl třeba od zrn pšenice.

V minulosti by biologové museli spoléhat na to, že objeví mutanty, kterým semena zůstávají na rostlině déle, a pak je křížili. Ale dnešní vědci to zkouší jinak a přímější cestou: Snaží se rychle a jednoduše upravit DNA rostliny.

Porovnali proto genomy divoké a domestikované rýže, aby našli rozdíly, které mohou pěstování zjednodušit. Pak vytipované geny s pomocí nové generace přesných nástrojů genového inženýrství změnili, aby divoká rýže získala vlastnosti té domestikované.

Zatím se jim to povedlo jen částečně. Podle výzkumníků, kteří mluvili s reportérem časopisu Nature, semena stále padají příliš brzy. Ovšem na problému se prý dále pracuje.

Tato úprava je jen jedním z mnoha příkladů pokusů o rychlou domestikaci nových plodin pomocí tzv. editace genomu. Tato „zrychlená“ domestikace by mohla výrazně přispět k rozšíření naší potravinové základny.

Dodejme, že domestikace je i podle biologů dost neurčitý pojem. Přesně určit, co je domestikovaná plodina a co už není, není vždy snadné. Obecně lze však podle biologů říct, že domestikované jsou ty rostliny, které se buď v přirozeném prostředí nedokážou rozmnožovat a přežít, nebo takové, které v přírodě přežijí jen za cenu ztráty lidmi ceněných vlastnosti.

Na druhou stranu mají divoké rostliny řadu vlastností, které bychom u plodin ocenili. Například potřebují méně úrodné půdy nebo mohou lépe snášet následky změny klimatu. Zmíněná divoká rýže například zajímá čínské vědce proto, že je odolná vůči vyšším koncentracím soli, suchu a některým závažným a nebezpečným chorobám.

Jsou tu ovšem i četná úskalí. Technické problémy spojené s tímto typem domestikace („domestikace de novo“) jsou obrovské. Většina planě rostoucích rostlin není příliš dobře popsána. Přitom bez pochopení jejich základní biologie není možné určit, co se v jejich DNA musí přepsat, aby se daly domestikovat.

Cílená editace genů pomocí nástrojů jako je CRISPR-Cas9 je sice účinná a přesná, ale domestikované plodiny postupně získaly tisíce mutací na různých místech DNA. Zatím je těžko představitelné, že by se dnešními metodami dal takový výsledek napodobit. I když se tak o tuto problematiku už podle vědců zajímají i komerční společnosti z oboru, žádná se veřejně nepřihlásila k podobnému projektu.

Komerční společnosti i výzkumníci v zemědělství stejně jako v minulosti stále spoléhají primárně na šlechtění výběrem vhodných jedinců. Dnes je proces ovšem rafinovanější.

Šlechtitelé se zaměřují na konkrétní vlastnosti a často semena vystavují vlivům, které zvyšují množství mutací – a tím i pravděpodobnost objevení nějakého žádoucího znaku. Může to být například škodlivé záření nebo různé chemické látky.

Navzdory těmto pokrokům je mnoho metod zavádění znaků do plodin nebo produkce zcela nových plodin do jisté míry závislých na náhodě. Šlechtitelé nemohou určit, jaké mutace vzniknou. Vytváří podmínky, ve kterých vznikne co nejvíce mutantů, které pak lidé pečlivě prověřují v naději, že mezi tisíci škodlivých mutací se najde několik užitečných.

Editace genů umožňuje cílené změny. Genetici již desítky let pomocí zavedených metod přidávají do organismů celé geny. Tak vznikají „transgenní“ plodiny, jako je např. kukuřice nebo sója odolná vůči hmyzu nebo herbicidům.

Nové nástroje pro úpravu genů však dávají více možností a umožňují výzkumníkům přesně (byť ne vždy úplně přesně) upravovat stávající genom na vybraných místech. Nejvýznamnější technika využívá sekvenci DNA CRISPR-Cas9, která byla původně součástí „imunitního systému“ bakterií a může být přeprogramována k úpravě genomu.

První úspěšné pokusy domestikace prostřednictvím editace genomu proběhly v roce 2018. V jednom případě výzkumníci domestikovali divoká jihoamerická rajčata. Jejich plody jsou malé, ale jedlé, se sladkokyselou a pikantní chutí. Tým modifikoval šest klíčových oblastí genomu. Vznikla tak rostlina vytvářející desetkrát více plodů, které byly třikrát větší než plody divokých rostlin.

V jiné práci pak tým řízený z Cornellovy univerzity v USA upravil druh mochyně. Tato rostlina patří do stejné čeledi jako rajčata, brambory a papriky, a pěstuje se v některých oblastech Ameriky pro své sladké, zlatavé plody. Jejich sklizeň je však složitá: Plody rychle odpadávají a rostlina mívá husté listoví. Vědci obě vlastnosti upravili (přesto se upravená plodina zatím v praxi nevyužívá).

Ve stejném roce začala genetička Sofia Gerasimová, tehdy působící na ústavu v ruském Novosibirsku, pracovat na domestikaci divokých brambor. V roce 2022 jako řada jiných ruských vědců po invazi na Ukrajinu skončila ve vědeckém ústavu v brazilském Campinas, ale v práci pokračovala.

Její tým zkoumal genomy divokých brambor. Vybral jeden druh (Solanum chacoense), který je velmi odolný vůči virům a škůdcům, vytváří kompaktní rostliny a jeho plody v chladu nesládnou, jak se stává běžným bramborám. Produkuje ovšem jen malé a hořké hlízy, a právě to chtěli Gerasimová a její kolegové změnit.

Tým určil pět důležitých genů, jejichž „přepsání“ by podle nich vlastnosti mělo zlepšit. Ovšem realizace potřebných úprav se ukázala jako problém. Zatím se povedlo jen upravit DNA jednotlivých buněk, ale nepodařilo se dosáhnout toho, aby se mutace rozšířily do celé rostliny.

Tento příklad ukazuje, že pouštět se do editace nových druhů není jednoduché. Genetické nástroje je pro ně zapotřebí nejprve upravit a některé alespoň do určité míry vyvinout znovu.

Platí také to, co už jsem zmiňoval v úvodu: Domestikované rostliny mají v genomu tisíce změn, jejichž individuální přínos je malý, dohromady je ale zásadní. A provádět s dnešními metodami tak rozsáhlé změny v DNA je nemožné. Dá se proto předpokládat, že tradiční šlechtitelské metody jen tak z praxe nevymizí. Budoucnost možná spočívá v kombinaci nových a starších přístupů.

Obohacení našeho jídelníčku a repertoáru zemědělců brání i naše neznalost. O planě rostoucích rostlinách toho nevíme tolik, kolik byste si mohli myslet. Většina poznatků o rostlinách pochází z několika dopodrobna prozkoumaných druhů, které se v laboratořích používají už desetiletí.

Typickým příkladem je huseníček rolní, malá plevelná rostlina, kterou většina z nás nezná, ale bez které se výzkum biologie rostlin neobejde. „Technologie daleko předstihly naše znalosti základní biologie,“ shrnula současnou situaci pro časopis Nature Madelaine Bartlettová z univerzity v americkém státě Massachusetts.

Překážky se ale postupně daří překonávat a někteří vědci doufají, že v příštích desetiletích vývoj postoupí natolik, že budeme moci vytvářet plodiny alespoň do určité míry „na přání“. Tedy kombinovat vlastnosti, včetně například chuti plodů, podle předem zadaných požadavků.

Při dnešním tempu pokroku se to zdá jako vzdálený cíl, ale i tak už je možná na čase přemýšlet, jaká je plodina vašich snů. Pokud tedy naše část světa podobné biotechnologické „čáry“ přijme za své.

V plné verzi newsletteru TechMIX toho najdete ještě mnohem víc. Přihlaste se k odběru a budete ho dostávat každou středu přímo do své e-mailové schránky.