Olomouc (8. března 2023) – Mezinárodnímu týmu vědců z Česka a Velké Británie se podařilo najít v rozsáhlém genomu bobu obecného gen zodpovědný za produkci enzymu polyfenoloxidasy (PPO) v osemení. Enzym hraje důležitou roli při ochraně semene rostliny i jeho dormanci, tedy schopnosti vyčkat v klidovém stavu na vnější signál spouštějící klíčení. Na druhou stranu ale způsobuje tmavou pigmentaci a hořkou chuť semene. Tato nežádoucí vlastnost enzymu PPO zřejmě sehrála důležitou roli při postupném šlechtění nejen bobu obecného. Pěstitelé vybírali semena bez pigmentace pocházející z rostlin, u kterých tento gen nebyl funkční. Výsledky výzkumu zaměřeného na přečtení genetické informace dosud největšího genomu diploidního organismu, na kterém se podíleli odborníci z Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého (PřF UP) a University of Reading ve Velké Británii, publikoval prestižní časopis Nature.
Skupina vědců z olomoucké přírodovědecké fakulty při zkoumání rozsáhlého genomu bobu obecného využila své předchozí znalosti získané při hledání genu, který má na svědomí produkci PPO u planě rostoucího hrachu. Přítomnost charakteristických fenolických prekurzorů spolu s dostatečnou aktivitou obranného enzymu PPO podle zjištění vědců vedla u semen hrachu k typickému tmavému zbarvení tzv. pupku, což je pozůstatek po propojení s mateřskou rostlinou. Šlechtěné odrůdy hrachu, u kterých je tvorba PPO potlačena, pigmentaci postrádají. „I v případě bobu obecného existují semena s různou pigmentací pupku. V roce 2020, kdy jsme již částečně věděli, jak se chová gen PPO u hrachu, jsme proto naši společnou pozornost upřeli i na pátrání po PPO genu u bobu,“ říká profesor Petr Smýkal z katedry botaniky Přírodovědecké fakulty UP, který stojí v čele výzkumnému týmu.
Na vědce z kateder botaniky a analytické chemie ale čekala takřka detektivní práce. Obrovský genom bobu obecného je totiž z velké části (80 %) složen ze sekvencí retrotranposonů a transposonů a 34 tisíc genů kódujících proteiny. Zatímco u hrachu je za produkci enzymu PPO zodpovědný pouze jeden gen, tak bob obecný má v genomu hned 10 kopií tohoto genu vedle sebe. „Naším cílem tedy bylo najít ten pravý gen, což se nám nakonec podařilo,“ uvádí Petr Smýkal. V případě hrachu je nefunkčnost proteinu podílejícím se na produkci enzymu PPO způsobena bodovou mutací, u bobu obecného je proces zabraňující tvorbě PPO složitější. „Dochází k inzerci MITE retrotransposonu v oblasti promotoru, která vede k vypnutí daného PPO genu. To má za následek světlé pupky semen,“ popisuje Petr Smýkal. Na výzkumu se podíleli i odborníci z katedry analytické chemie, konkrétně experti ze skupiny doc. Petra Bednáře. „Prostudovali rozdíly v distribuci metabolitů v oblasti pupku semen a okolních pletiv pomocí zobrazovací hmotnostní spektrometrie,“ dodává botanik.
Nefunkčnost genu důležitého pro tvorbu enzymu PPO byla při postupné domestikaci zemědělských plodin preferována pěstiteli opakovaně, a to například u rýže a částečně také u ječmene či béru. „Dělo se to i navzdory tomu, že tato nefunkčnost může být spojena s určitou nevýhodou při obraně rostlin proti patogenům, jelikož jsou polyfenolické látky úzce spojeny s ochranou semen,“ upozorňuje Petr Smýkal. Vědcům tak zbývá najít uspokojivou odpověď na otázku, proč člověk upřednostňoval pěstování bobu a dalších plodin s nefunkčním genem zodpovědným za produkci ochranného enzymu PPO.
Jedním z možných vysvětlení podle Smýkala je, že při tvorbě enzymu PPO vznikají polymerizované fenolické látky patřící mezi třísloviny, které jsou hořké a negativně ovlivňují chuť semen. Dávní farmáři se semenům s tmavou pigmentací vyhýbali zřejmě i kvůli tomu, že lidská kultura tehdy preferovala světlou barvu jako symbol čistoty. „V případě bobu byla pigmentace pupku semene v minulosti používána jako vizuální znak při šlechtění této plodiny. Pěstitelé věděli, že tmavé zabarvení souvisí s obsahem anti-nutričních látek, které mají za následek hořkou chuť semene,“ míní Petr Smýkal.
Bob obecný postupně téměř vymizel z tuzemských polí a byl nahrazen importovanou sójou, která má ale nižší výnosy. „Bob je nicméně celosvětově důležitá plodina a je zajímavé, že její planý předek dosud není znám,“ dodává Petr Smýkal. I když hnědnutí pletiv a potravin je člověkem vnímáno jako negativní vlastnost, tak fenolické látky mají i příznivý dopad na zdraví. „Když nyní víme, jaký gen se podílí na obraně semen před negativními vlivy, tak máme možnost cíleného šlechtění odolnějších plodin,“ vysvětluje vědec.
Bob obecný představuje klasický cytogenetický model s velikostně odlišnými chromozomy. Byl využit například při prvních analýzách rostlinného genomu pomocí průtokové cytometrie a následně i při vývoji techniky třídění chromosomů na olomouckém pracovišti ÚEB AV ČR prof. Jaroslava Doležela. Tato skupina měla společně s vědci z ústavu MBR AV ČR v Českých Budějovicích, zásadní podíl na čtení a skládání sekvence takto obrovského 13 Gb genomu.
Olomoučtí vědci již dříve zjistili, že při domestikaci planě rostoucího hrachu byla výrazně oslabena funkce enzymu PPO v jeho osemení. Postupné šlechtění hrachu sice zvýšilo jeho užitnou hodnotu pro člověka, avšak zároveň mělo nepříznivý dopad na odolnost semen proti nepříznivým vnějším vlivům. „První studie na hrachu představuje výchozí milník na cestě za obecným poznáním podstaty aktivity genu PPO v souvislosti s domestikací rostlin. Zároveň se otevřela řada otázek, které jsou stimulem k dalšímu výzkumu,“ doplňuje Petr Smýkal.
Kontaktní osoby:
prof. Ing. Petr Smýkal, Ph.D. | katedra botaniky
Přírodovědecká fakulta Univerzity Palackého
E: petr.smykal@upol.cz | T: 585 634 827
Šárka Chovancová | redaktorka
Přírodovědecká fakulta Univerzity Palackého
E: sarka.chovancova@upol.cz | M: 776 095 547