Olomouc (5. ledna 2022) – Belgičtí, čeští a britští vědci významně přispěli k pochopení, jak se vyvíjejí cévní svazky v kořenech rostlin. Prokázali, že klíčovou roli v tomto složitém procesu hrají interakce mezi rostlinnými hormony cytokininy a proteiny, které regulují jejich koncentraci v buňkách. Získané poznatky mohou v budoucnu pomoci například při šlechtění plodin odolnějších vůči suchu.
Na výzkumu se podíleli odborníci z Laboratoře růstových regulátorů, společného pracoviště Ústavu experimentální botaniky Akademie věd ČR a Univerzity Palackého v Olomouci. Výsledky práce mezinárodního týmu vědců zveřejnil prestižní časopis Nature Plants.
Studie se zaměřila na cévní svazky v kořenech huseníčku rolního. „Cytokininy řídí růst a vývoj cévních svazků v kořenech. V olomouckém týmu jsme dokázali identifikovat molekulární procesy, které přímo ovlivňují obsah těchto rostlinných hormonů,“ říká Ondřej Novák z Laboratoře růstových regulátorů.
Kořeny ušité na míru
Vědci zjistili, že pro vývoj cévních svazků jsou podstatné určité regulační bílkoviny – proteiny, které ovlivňují aktivitu genů pro enzymy, jež produkují nebo odbourávají rostlinné hormony cytokininy. „Precizně vyladěné hladiny cytokininů pak v různých částech vznikajícího cévního svazku určují jeho anatomickou strukturu,“ upřesňuje Ondřej Novák, podle nějž jsou právě kořeny rostliny výborným objektem pro studium vývojové biologie.
„Každý kořen kryje takzvaná čepička, v níž dělením vznikají nové buňky. Ty se postupně specializují na různé funkce a vytvářejí jednotlivé anatomicky rozlišitelné části kořene,“ vysvětluje Ondřej Novák. Znalost mechanismů, které řídí vývoj cévních svazků v kořenech, může podle něj mít v budoucnu i praktické využití. „Úpravami příslušných genů by bylo možné získat plodiny s kořenovým systémem ‚ušitým na míru‘ požadavkům pěstitelů. Nové odrůdy by díky tomu například lépe vzdorovaly suchu, protože by dokázaly čerpat z půdy více vody nebo by efektivněji získávaly minerální živiny,“ dodává vědec.
Nové dílky do skládačky
Cévní svazky probíhají středem kořene po celé jeho délce a skládají se ze tří částí. Dřevo (xylém) dopravuje vodu s minerálními živinami z kořenů do stonku a listů. Lýko (floém) transportuje hlavně cukry a další organické látky. Mezi těmito dvěma částmi se u mladých kořenů nachází prokambium, jehož buňky se později začnou dělit a produkovat nové buňky dřeva i lýka. Všechny složky cévních svazků se musí vyvíjet na správném místě a ve správný čas. Biologové již znají některé „hráče“, kteří se na tomto procesu podílejí. V pomyslné skládance však stále chybí mnoho dílků. Cílem nové studie bylo některé z nich doplnit.
Vědci vyšli z toho, že pro vývoj cévních svazků jsou důležité rostlinné hormony cytokininy a také proteiny TMO5 a LHW. Oba proteiny patří mezi transkripční faktory, což znamená, že řídí aktivitu vybraných genů. Výzkum se proto zaměřil na hledání genů, které mají spojitost s cytokininy a zároveň jsou regulovány dvojicí TMO5/LHW.
Rozsáhlá analýza odhalila dva geny pro enzymy zapojené do metabolismu cytokininů. Jeden se podílí na jejich syntéze, zatímco druhý je odbourává. Každý přitom pracuje v jiné části cévního svazku. „Kombinovali jsme různé experimentální přístupy, které umožnily mapovat aktivitu identifikovaných molekulárních hráčů na úrovni jediné buňky,“ uvádí Federica Brunoni z olomouckého týmu.
Další experimenty umožnily popsat vztahy mezi zúčastněnými geny, proteiny a hormony. Bílkoviny TMO5 a LHW jsou aktivní pouze v místě vznikajícího xylému, zhruba uprostřed cévního svazku. Spouštějí zde tvorbu cytokininů, jejichž vysoká hladina poté podporuje vývoj xylému.
Sousedící prokambium však ke svému vývoji potřebuje méně cytokininů. I to zajišťuje dvojice TMO5/LHW, ovšem nepřímo. „Zapíná“ totiž gen pro další regulační protein, který z xylému putuje do oblasti prokambia a aktivuje tam naopak gen pro cytokinin dehydrogenázu, tedy enzym odbourávající přebytečné cytokininy.
„Konkrétně naše laboratoř přispěla k prokázání toho, že změna aktivit regulačních genů ovlivňuje obsah cytokininů ve špičce kořene, kde se buňky intenzivně dělí. Prokázáno bylo také to, že korektní zapínání a vypínání těchto molekulárních modulů je nezbytné pro správné formování rostlinného pletiva,“ doplňuje Federica Brunoni.
Kromě odborníků z Laboratoře růstových regulátorů se výzkumu zúčastnili také Klára Hoyerová z Laboratoře hormonálních regulací u rostlin Ústavu experimentální botaniky AV ČR, belgičtí vědci z univerzity v Gentu a výzkumného institutu VIB a britští vědci z univerzity v Nottinghamu.
Publikace:
Yang, B., Minne, M., Brunoni, F., Plačková, L., Petřík, I., Sun, Y., Nolf, J., Smet, W., Verstaen, K., Wendrich, J. R., Eekhout, T., Hoyerová, K., Van Isterdael, G., Haustraete, J., Bishopp, A., Farcot, E., Novák, O., Saeys, Y., & De Rybel, B. (2021). Non-cell autonomous and spatiotemporal signalling from a tissue organizer orchestrates root vascular development. NATURE PLANTS, 7(11), 1485–1494. https://doi.org/10.1038/s41477-021-01017-6
Kontaktní osoba:
doc. Mgr. Ondřej Novák, Ph.D. | Laboratoř růstových regulátorů
Přírodovědecká fakulta Univerzity Palackého & Ústav experimentální botaniky AV ČR
E: ondrej.novak@upol.cz | M: 777 646 360