Čas květů

Ovocné stromy rozkvétají zjara, řed kvička, špenát či salát vykvetou v létě, ocúny na podzim a čas kvetení chryzantém přichází kolem Všech svatých. Jak rostlina pozná správný čas pro kvetení? Důležitost odpovědi na tuto otázku podtrhuje fakt, že s ní stojí a padá produkce potravin pro několik miliard lidí.

Doba kvetení odráží reprodukční strategii rostliny. Na jedné straně se rostlina přizpůsobuje sezonnosti klimatu, rozmarům počasí. Na druhé straně se snaží růstem vegetativních částí i květenství zaručit maximální produkci semen či plodů. Již starověké civilizace si uvědomovaly, že pro kvetení je nezbytná určitá kritická délka dne, která je pro danou zeměpisnou šířku nejpřesnější fyzikální veličinou. V raných dobách experimentální biologie rostlin byly zjištěny i další druhově specifické požadavky na kvetení, např. působení chladu (Vesmír 83, 190, 2004/4).

Jak rostliny vnímají délku dne

Některé rostliny kvetou jen na jaře či na podzim, kdy je den kratší, proto jim říkáme krátkodenní. Jiné vyžadují pro tvorbu květů delší letní den a označujeme je jako dlouhodenní. Na základě těchto poznatků byl definován fotoperiodizmus čili vnímání délky dne a noci, jež je společné rostlinám i živočichům. Jako první jej podrobněji prostudovali američtí biologové W. W. Garner a H. A. Allard, když ve dvacátých letech minulého století odhalili u tabáku mutaci nazvanou Maryland Mammouth, která byla schopna vykvést až během krátkých dní koncem prosince.

Vliv délky dne nebo chladové periody během zimních měsíců patří k důležitým „klíčům otevírajícím brány kvetení“, ale zdaleka nejsou jediné. V zásadě lze tyto „klíče“ rozdělit na dvě velké skupiny. Do první patří vnitřní, autonomní regulační mechanizmy, nezávislé na vnějších podmínkách, například vytvoření minimálního počtu listů či dosažení určitých šířkových a výškových poměrů samotného vzrostného vrcholu (meristému). Do druhé skupiny patří vyhodnocení signálů přicházejících z vnějšího prostředí a odpověď na sezonní změny klimatu. Oba systémy regulace působí ve vzájemné souhře. Například většina našich obilovin je citlivá na změnu délky dne, až když dosáhne minimálního počtu listů.

Jsou-li pro rostlinu světlo, chlad či stupeň vývoje klíčem, kde je v ní „zámek“? Existuje jediný univerzální zámek pro mnoho klíčů? Anebo otevírá každý klíč svůj vlastní zámek? A kde se následně rozhodne o výsledném efektu, o kvetení?

Biochemici a genetici objevili u rostlin skupinu fotoreceptorů, molekul odpovědných za přijetí světelného signálu. Fotoreceptory označované jako kryptochromy jsou citlivé na modrou část spektra. Fytochromy reagují na červenou složku spektra o vlnové délce 660 nm (převládající během dne), která je převádí do aktivní formy. Světlo o vlnové délce 730 nm (typické při soumraku) fytochrom naopak inaktivuje. Při podzimním prodlužování nocí je tak stále více fytochromu v neaktivní formě. Naopak jarní prodlužující se dny fytochrom aktivují. Tak může rostlina vnímat délku nocí a dní. Pomocí biologických hodin je pak měřena denní rytmicita (Vesmír 75, 27, 1996/1).

V centru pozornosti badatelů studujících regulaci kvetení se možná trochu překvapivě neocitl nejprve růstový vrchol, ale list. Snažili se nejprve rozluštit příjem fotoperiodického signálu pomocí specializovaných pigmentů (fytochromu a kryptochromu), jež se nalézají v zelených částech rostliny, především v listech. Teprve pak studovali kaskádu reakcí, která převádí změny ve stavu pigmentů v květní signál, jenž nastartuje nový vývojový program meristému. Na tyto snahy navázali v pokusech identifikovat květní signál a pochopit změny ve vrcholovém meristému, které byly vyvolány signály pro kvetení přicházejícími z listů.

Květní stimul – florigen

Za otce konceptu květního hormonu se považuje žák českého velikána Jana Evangelisty Purkyně, německý botanik Julius von Sachs (1832–1897). Tento světový zakladatel rostlinné fyziologie experimentoval se zatemňovanými listy lichořeřišnice a povijnice a odvodil existenci substance, jež vzniká v listech a vyvolává kvetení ve vzrostném vrcholu rostliny. Na Sachse navázal arménský rostlinný fyziolog Michail Čalachjan. Roku 1937 zjistil, že kvetení krátkodenních rostlin lze vyvolat tím, že se příslušné délce dne (fotoperiodě) vystaví jediný list. Navíc prokázal, že naroubování nekvetoucí rostliny na kvetoucí podnož vyvolá u roubu kvetení. Stimul, který se roubováním přenášel, se zdál být univerzální. Fungoval spolehlivě při „přenosu“ kvetení mezi rostlinou krátkodenní a dlouhodenní i mezi příbuznými druhy. Čalachjan na základě těchto pokusů formuloval hypotézu o mobilní květní substanci zvané florigen. Tímto okamžikem začala honba za identifikací mysteriózního florigenu, jež zaměstnala celé generace rostlinných biologů.

Proti pravověrným florigenistům, zastávajícím představu o univerzálním květním stimulu, vystupovali biologové, kteří tvrdili, že florigen neexistuje. Podle nich se kvetení spouští při určitém poměru mezi některými hormony a dalšími látkami. Postupem času získal převahu náhled G. Berniera z belgického Liege. Uváděl, že květní stimul má více složek a že teprve jejich přesně časovaná sekvence mění morfogenetický program vrcholového meristému. Za klíčové komponenty květního signálu považoval rostlinné hormony, cukry i polyaminy.

Vstup genetiky a molekulární biologie do ringu fyziologie kvetení

Výrazný posun nastal v osmdesátých letech minulého století díky molekulární biologii. K pokusům se na jedné straně využívaly mohutné rostliny jako tabák a řepeň (Xanthium), protože z nich lze získat dostatek materiálu na biochemické analýzy. Na straně druhé se stále více prosazovaly i miniatury jako huseníček (Arabidopsis, viz Vesmír 78, 256, 1999/5 a také snímky na s. 228), jenž se stal díky krátkému generačnímu cyklu a nevelkému genomu modelovou rostlinou. Při studiu jeho genomu byly objeveny a popsány celé hierarchie regulačních genů odpovědných za přechod z vegetativní do generativní fáze a za formování květního meristému. Tato síť genů vyústila v popis čtyř drah kontrolujících kvetení: fotoperiodické, vernalizační, autonomní a závislé na giberelinech.

Zbývalo zjistit, co je jejich integrujícím prvkem. Florigen zůstával i nadále bezmála bájným objektem. Stále nebylo zřejmé, který gen by se na jeho funkcích mohl podílet a jak by to dělal. Díky analýzám mutantů huseníčku zůstaly nakonec ve hře jen dva geny – CONSTANS (CO) a FLOWERING LOCUS T (FT). Ani jeden se nespouští v růstovém vrcholu. Oba usilovně pracují v listech a ostatních vegetativních částech, jak se na správné florigenové kandidáty sluší a patří. Pokud byla činnost genu CO v těchto částech rostliny zvýšena, nástup kvetení se urychlil. Aby byl mechanizmus funkční i při krátkodobých výkyvech prostředí, protein CO rytmicky osciluje, a nastavuje tak vnitřní biologické hodiny. Gen CO se významně podílí na regulaci kvetení jak u dlouhodenních rostlin, jako je huseníček, tak u rostlin krátkodenních, k nimž patří například rýže. Působí však u každého z obou typů opačně. Zatímco u huseníčku aktivuje gen FT na světle, u rýže provádí totéž za tmy.

Gen FT byl identifikován již r. 2003, jako gen regulovaný nadřazeným genem CO. Kóduje protein velký jen 23 kDa, jenž se zdál jako vhodný kandidát látky, která by dokázala putovat rostlinou mezi buňkami prostřednictvím zvláštních kanálů, plazmodesmat. Ze sekvence genu FT nebylo možné vyčíst jeho funkci. Přesto se v něm podařilo identifikovat cílového partnera pro transkripční faktor FD, o němž je známo, že spouští kaskádu dalších regulátorů, které mění vzrostný vrchol na květní meristém.

Záhada florigenu se zdála rozřešena již r. 2005, kdy T. Huang s kolegy popsal u hu seníčku pohyb RNA syntetizované podle genu FT z listů do vzrostných vrcholů. Je tato RNA dlouho hledaným florigenem? Záhy se o tom začalo pochybovat, protože v jiných laboratořích se RNA z genu FT ve vzrostném vrcholu rostlin před kvetením nenašla. Spíše se zdálo, že mobilním signálem přinášejícím z listů do vzrostného vrcholu pokyn pro kvetení není RNA, ale protein, který se v listech podle této RNA vyrábí. Potvrzení přišlo v dubnu roku 2007. Vědci vložili do huseníčku gen, podle něhož se v rostlině vytvářel protein FT spojený se zeleně svítícím proteinem GFP. Díky tomu mohli na živém huseníčku pozorovat „v přímém přenosu“ putování proteinu FT cévními svazky až do vzrostného vrcholu. V téže době se také zjistilo, že obdoba proteinu FT označovaná jako protein Hd3a plní roli květního stimulu i u jednoděložné krátkodenní rýže. Vzápětí byla role proteinu FT a nikoli jeho RNA potvrzena i dalšími experimenty a jen o měsíc později vyšel v časopise Plant Cell článek, dokládající putování proteinu FT na velmi dlouhé vzdálenosti u dýně Cucurbita moschata. Aby bylo vítězství úplné, ukázalo se, že práci ztotožňující florigen s RNA z velké části zfalšoval hostující čínský biolog a její autoři ji byli nuceni dementovat.

Florigenová smršť se nevyhnula ani stromům.

Mají na tom lví podíl skandinávští biologové, kteří používají jako modelovou rostlinu topol. Ten za normálních okolností vykvete až po 8, či dokonce 20 letech vývoje. Pokud je v něm ale zvýšena činnost genu, který odpovídá huseníčkovému genu FT, vykvetou rostlinky pěstované v laboratorních podmínkách už za 4 týdny. Topol roste od mírného pásu až za polární kruh a k růstu i kvetení potřebuje dlouhý den. Topoly se zvýšenou produkcí genu FT na to však nehledí. Analýza geograficky odlišných ekotypů topolu od jižního Německa (51° severní šířky) až po sever Švédska (63°) ukázala, že maximum proteinu FT produkují německé topoly, když se den prodlouží nad 15 hodin. U švédských je zapotřebí prodloužení dne nad 21 hodin. Podobně reaguje i regulační gen CO. Že tady dráha je velmi prastará, dokazují poznatky o úloze proteinu FT při regulaci kvetení u evolučně starších nahosemenných smrků.

U topolu už známe základní osu pro regulaci kvetení. Strom vnímá délku dne prostřednictvím fytochromu A, který reguluje činnost genu CO. Tento gen následně spouští „florigenový“ gen FT. Tím je dána kaskáda přesně regulovaného projevu genů, od rozeznání délky dne až po signál navozují anatomické změny v růstovém vrcholu, vedoucí k založení květů a reprodukčních orgánů.

Antiflorigen

M. Čalachjan byl přesvědčen, že proti florigenu působí jeho antagonista anthesin. Zdá se, že ani v tom se nemýlil. Gen TERMINAL FLOWER-LIKE1 (TFL) se velice podobá genu FT, ale jeho činnost nástup kvetení blokuje. O odlišných funkcích „florigenu“ (proteinu FT) a „antiflorigenu“ (proteinu TFL) rozhoduje záměna jediné aminokyseliny, jež má za následek změnu struktury proteinu. Ukazuje se tak rafinovanost a specificita regulace rozhodujících biologických procesů. Je možné předpokládat, že právě studium opačných rolí genů FT a TFL přinese další zajímavé výsledky i další otázky.

Výčet „bratrů a bratranců“ genu FT tím ale nekončí. Příroda nemohla ponechat tak důležitou funkci, jako je reprodukce a rozhodnutí, kdy nastane tento zásadní vývojový přelom, bez záložní pojistky. V genomu huseníčku se nachází dvojče genu FT označované jako TWIN SISTER OF FT (TSF). Podobní „záložníci“ jsou s vysokou pravděpodobností i v genomech ostatních rostlin a je docela možné, že se během evoluce postupně odlišili a rozdělili si funkce. Například rovnováha mezi florigenem a antiflorigenem je důležitá k tomu, aby celý vrcholový meristém nebyl hned přetvořen v květ. Přechod do reproduktivní fáze vývoje v konečném důsledku znamená (u bylin) ukončení činnosti vrcholového meristému a zánik rostliny. Tento fenomén byl mnohdy využit při domestikaci rostlin a moderním šlechtění. Podařilo se tak získat rostliny s determinovaným konečným růstem a kvetením, anebo naopak rostliny s růstem neukončeným, kde alespoň část meristému obě dvě aktivity a funkce periodicky střídá.

2007, rok florigenu

Dá se bez nadsázky říci, že rok 2007 byl alespoň v oblasti biologie rostlin naprosto zlomový „florigenový rok“. Po mnoha desetiletích marného pátrání ¹⁾ lze spokojeně vydechnout a konstatovat, že bájný zlatý grál květních biologů – florigen – skutečně existuje. Mnohé otázky přesto zůstávají nezodpovězeny. Jakým mechanizmem jsou proteiny FT doručeny z pletiva do cévních svazků? Co řídí expresi proteinu FT u dlouhodenních a krátkodenních rostlin? Je to skutečně univerzální gen CO, jak naznačují současné výsledky? A co přinese lákavý exkurz nazpět evolucí, do říše kapradin, mechů a přesliček, kde již také byly nalezeny geny velmi podobné genu CO?

Obecněji o růstových vrcholech, větvení a kvetení viz rovněž článek Fridety Seidlové - Vesmír 87, 224, 2008/4.