Čtení v knize života

Přečtení genomu pšenice mezinárodním konsorciem za vydatného přispění olomouckých vědců otevírá cestu k efektivnějšímu šlechtění nových odrůd. Ty mohou pomoci zajistit potravinovou bezpečnost lidstva a přispět k trvalé udržitelnosti zemědělství. V Evropě však dostává příběh pšenice poněkud absurdní kontext. Kniha o sedmnácti miliardách písmen se ocitá na indexu librorum prohibitorum svého druhu. Číst v ní lze dle libosti, ale běda, pokusí-li se někdo změnit tu a tam nějaké písmenko ve snaze o její vylepšení. Náhodné škrtání, přepisování i vytrhávání celých stránek přitom nikomu nevadí.

Pšenice patří k nejdůležitějším potravinám sytícím lidstvo, pro třetinu světové populace je hlavní složkou potravy. Globálně lidem poskytuje 19 % všech kalorií, a přestože ji vnímáme především jako zdroj sacharidů, pochází z ní i 20 % lidmi zkonzumovaných proteinů. Průměrný člověk jí ročně sní 65 kilogramů, ve střední Asii je to dokonce 143 kilogramů. Dost důvodů pro to, zabývat se efektivitou jejího pěstování a snažit se zvyšovat výnosy. A to bez moderních šlechtitelských metod nepůjde.

Dnes je nás na Zemi 7,7 miliardy, do roku 2050 se podle odhadů OSN lidská populace zvětší na 9,6 miliardy. Rozloha obdělávané půdy přitom stagnuje, od roku 1984 kolísá okolo 1,4 miliardy hektarů (pšenice se pěstuje na 220 milionech z nich). Její výraznější rozšiřování je možné pouze za cenu ničení životního prostředí v rozsahu, který si naše nemocná planeta nemůže dovolit. Takže vlastně možné není.

Nezbývá než zvýšit výnosy. Jenomže i zde je háček. Nebo spíše několik háčků. Intenzivní zemědělství je spojeno s rostoucím zatížením životního prostředí hnojivy a pesticidy, se ztrátou vody z krajiny a s erozí. A výnosy ani tak nerostou dostatečně rychle. U pšenice by bylo třeba, aby se zvyšovaly alespoň o 1,6 % ročně, skutečný růst se pohybuje kolem jednoho procenta. V některých oblastech výnosy dokonce stagnují, například na severozápadě Evropy. Regiony, které se stávajícími odrůdami podle všeho už vyčerpaly možnosti růstu, přitom zajišťují 27 % světové produkce pšenice (Vesmír 95, 400, 2016/7).

Bezútěšný stav dále zhoršují postupující klimatické změny, které s sebou nesou jak extrémní výkyvy počasí, tak šíření patogenů. Další intenzifikace proto musí být chytrá.

Smart je dnes kdeco, od mobilů po města. A zemědělství není výjimkou. Rostoucí znalosti genetiky a fyziologie klíčových plodin spolu s novými technikami cílených zásahů do genomů umožňují šlechtění odrůd, o nichž si naši předci mohli nechat jen zdát. Odrůd odolných vůči chorobám a škůdcům, zvládajících sucho i zasolení půdy, lépe využívajících živiny i sluneční energii… V Evropě však jejich zavádění stojí v cestě legislativa, která až tak chytrá není.

17 miliard písmen

Mezinárodní konsorcium pro sekvenování genomu pšenice (IWGSC)¹⁾ zveřejnilo v srpnu v časopise Science referenční sekvenci genomu této obilniny s vyznačením polohy 107 891 genů a s více než čtyřmi miliony markerů využitelných pro šlechtění.²⁾ 

Je to obrovský úspěch, který by se nepodařil, nebýt zásadního přispění týmu prof. Jaroslava Doležela z Centra strukturní a funkční genomiky rostlin Ústavu experimentální botaniky AV ČR, který je v Akademii věd ČR garantem programu Potraviny pro budoucnost.³⁾ Ke zdaru projektu olomoučtí vědci pomohli především vývojem techniky třídění chromozomů pomocí průtokové cytometrie a přípravou knihovny kratších úseků genomu, které umožnily tvorbu fyzických map chromozomů (viz rámeček Jak se četla pšenice).

Přečíst genom pšenice bylo mimořádně náročné. Tvoří ho 17 miliard párů bází, což je pětkrát více než genom člověka a pětatřicetkrát více než genom rýže (obr. 3).

Srovnání velikosti genomu různých organismů. Svislá osa: miliardy párů bází.Zdroj: IWGSC

Ale nejde jen o velikost. Genom je hexaploidní, dnešní pšenice setá (Triticum aestivum ssp. aestivum) je totiž výsledkem křížení tří různých trav. Má 21 párů chromozomů – od každého z předků sedm. A protože rodičovské trávy si byly vzájemně blízce příbuzné, trojice subgenomů si je dosti podobná, což snahy o sekvenování komplikovalo. U fragmentů DNA totiž není při celogenomovém sekvenování snadné poznat, ke kterému z chromozomů patří (Vesmír 88, 561, 2009/9). Situaci dále komplikuje skutečnost, že více než 80 % genomu tvoří repetitivně sekvence. Geny okupují jen asi dvě procenta.

Princip fungování cytometru při třídění chromozomů.Kresba Ústav experimentální botaniky AV ČR, v. v. i.

K čemu je „čínské jaro“?

„Znalost genomu je velmi důležitá pro pochopení podstaty biologických dějů včetně interakcí rostlin s prostředím, symbionty, patogeny a parazity,“ říká prof. Zdeněk Opatrný z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy.

Není ale pšenice jako pšenice. Dokonce není ani Triticum aestivum ssp. aestivum jako Triticum aestivum ssp. aestivum. Konsorcium sekvenovalo genom jedné konkrétní odrůdy: Chinese Spring. „Ta je naprosto k ničemu,“ komentuje Jaroslav Doležel lakonicky její význam v moderním zemědělství. A dodává: „Byla zvolena, protože se s ní už dávno předtím experimentovalo a vědecká komunita o ní měla k dispozici spoustu informací. Začínat od nuly by bylo pošetilé.“

Tím pádem ale v jejím genomu mnohé důležité geny chybějí. Nejen konkrétní alely z pestré palety variant vyskytujících se v různých odrůdách, ale i celé sekvence DNA. Strukturní variabilita mezi odrůdami není zanedbatelná. „Mohlo dojít k rekombinaci, při níž nějaký úsek vypadl. Nebo se do jiných odrůd naopak dostal introgresí z genomu jiné trávy a v Chinese Spring nikdy nebyl,“ vysvětluje Jaroslav Doležel.

Znamená to, že je přečtený genom nepoužitelný?

Vůbec ne. Důkazem budiž, že za dva roky, během nichž byly dílčí informace ještě před publikací v Science volně přístupné, vyšla více než stovka vědeckých článků, které z referenčního genomu pšenice vycházejí. A další přibývají. Referenční genom umožňuje rychlé porovnávání dílčích sekvencí z jiných odrůd a odhalování genetického pozadí znaků, které jsou pro zemědělce z nejrůznějších důvodů důležité.

Chromozomy pro třídění v cytometru olomoučtí vědci izolovali z kořenových špiček pšenice. Pro přípravu jedné BAC knihovny bylo třeba získat několik milionů chromozomů. Na posledním snímku je výběr kolonií E. coli, které ve svém genomu nesou vložené sekvence pšeničné DNA.Snímky Ústav experimentální botaniky AV ČR, v. v. i., IWGSC

Šlechtění pomocí markerů

Šlechtitelé musí obvykle čekat, až rostliny vyrostou, a hledat mezi nimi ty, které jsou nositelkami žádané vlastnosti. Přečtený genom umožňuje tuto fázi významně urychlit. Po jeho délce jsou rozesety už čtyři miliony markerů – specifických sekvencí spojených s určitým znakem, například odolností vůči některému ze škůdců. „Čím blíže je marker k příslušnému genu, tím klesá pravděpodobnost, že se od něj kvůli rekombinaci s druhým chromozomem během meiózy odpoutá. Takže zjistíme-li, že například rezistentní rostliny mají vždy nějaký konkrétní marker, můžeme drze předpokládat, že má-li rostlina tento marker, nese i příslušný gen pro rezistenci,“ vysvětluje Jaroslav Doležel.

Potom už není třeba studovat fenotypy vzrostlých rostlin, ale semenáčky nebo dokonce už semena stačí otestovat na přítomnost markeru, abychom zjistili, zda nesou gen, který nás zajímá.

Díky DNA čipům lze navíc takto zjišťovat přítomnost více různých markerů najednou, takže se lze rychleji dobrat k liniím nesoucím kombinaci požadovaných znaků (tzv. pyramidování). „Velké firmy mohou dělat obrovské série křížení a vybírat vhodné potomstvo. A je jen otázka času, kdy sekvenování bude tak levné, že tato technika bude běžně dostupná komukoli,“ říká Jaroslav Doležel. Čas mezi identifikací genu a uvedením nové odrůdy na trh se tak může zkrátit z obvyklých dvanácti až patnácti let na tři až pět let.

I tento postup však má svá úskalí. Gen zajišťující rezistenci u jedné odrůdy nemusí v jiném genetickém kontextu fungovat. Jeho aktivitu mohou ovlivňovat například epigenetické faktory, kterým zatím dostatečně nerozumíme. „Teď máme na stole zrovna jednu takovou záhadu. Dvě odrůdy, jedna rezistentní, druhá nerezistentní, se v sekvenci nijak neliší. Bude za tím určitě nějaká regulace, vliv 3D organizace chromatinu nebo něco takového. Práce tohoto druhu nás čeká spousta,“ vysvětluje Doležel. Složitější to je i u vlastností, které jsou podmíněny souhrou více genů.

Výpůjčky odjinud

Při šlechtění pomocí markerů není nezbytně nutné využívat metody, které by výslednou odrůdu zařadily do kategorie GMO. Totéž platí i pro odrůdy, které si nějakou užitečnou vlastnost vypůjčily od jiných druhů obilí nebo dokonce od planě rostoucích trav.

Existují například linie pšenice obsahující geny pro odolnost vůči škůdcům a plevelům, které pocházejí z mnohoštětu Aegilops speltoides. Ten je příbuzný jednoho z předků pšenice seté, z ní ale příslušné geny vymizely a nyní do ní byly introgresí vráceny. „Není to genetická manipulace, ale šlechtění, jen velmi sofistikované,“ vysvětloval v loňském rozhovoru chemický ekolog John Pickett (Vesmír 96, 484, 2017/9).

„Často křížíme pšenici s něčím, s čím se nikdy sama od sebe křížit nebude, protože je nutno měnit ploidii nebo třeba dokultivovat embryo, které by jinak nebylo vitální. Z tohoto pohledu to je nepřirozený proces, ale takto se pšenice běžně šlechtí, ty odrůdy jsou na trhu a nikomu to nevadí,“ doplňuje Jaroslav Doležel, který nevidí jasnou hranici mezi „přirozeným“ a „nepřirozeným“, na kterou se často odvolávají odpůrci GMO.

Markery jednak usnadňují pátrání po dávných introgresích, které se šlechtitelům podařily, aniž si byli vědomi jejich molekulární podstaty, jednak pomáhají lépe kontrolovat dnešní vědomé snahy o vnesení užitečných vlastností z jiných druhů.

Pátrání po genech

Jak rychle izolovat gen zodpovědný za studovanou vlastnost? Řešení před dvěma lety publikoval britsko-švýcarský tým opět za vydatného přispění olomouckých vědců.⁴⁾ Metoda dostala jméno MutChromSeq, což je zkratka ze „sekvenování chromozomů mutantů“.

Máme odrůdu vyznačující se nějakým znakem, který je pro nás cenný, ale nevíme, který gen ho podmiňuje. Pomocí chemické nebo radiační mutageneze připravíme sérii mutantů, z nichž vybereme ty, kteří příslušný znak ztratili, a tudíž je pravděpodobné, že je u nich mutací poškozen právě hledaný gen.

Pomocí už dříve dostupných metod není tak těžké určit, na kterém chromozomu se tento gen nachází. „Z výchozí odrůdy tento chromozom vytřídíme a totéž uděláme i s vybranými mutanty. Chromozomy se osekvenují a jejich srovnáním lze odhalit společnou mutaci,“ vysvětluje Doležel a dodává: „Funguje to za předpokladu, že se jedná o znak určený jediným genem. U rezistencí, které se teď zkoumají nejčastěji, to tak ale většinou bývá.“

Práce, která by dříve trvala několik let, je nyní hotova za tři měsíce. Už v publikaci představující metodu MutChromSeq autoři demonstrovali její sílu na odhalení genu Pm2, který pšenici zajišťuje rezistenci proti padlí travnímu – patogenu schopnému při napadení chemicky neošetřeného pole zlikvidovat až 80 % rostlin.

Editace genomu

Plnohodnotné využití znalosti genomu však přichází až v kombinaci s nasazením moderních technik editace genomu, především pomocí CRISPR/Cas9 (Vesmír 96, 576, 2017/10). Ty umožňují dostáhnout přesněji a rychleji téhož, co dovedou dnes už tradiční metody indukované mutageneze, ale lze s jejich pomocí docílit i takových úprav, které by se jinak dělaly jen obtížně nebo by vůbec nebyly možné.

Editační techniky mohou sloužit k tvorbě odrůd odolných vůči škůdcům a patogenům (například deaktivací genu, který je pro patogen nezbytný), lze jimi zvýšit odolnost rostlin vůči abiotickému stresu, zasahovat do nutričního složení, odstraňovat toxiny nebo alergeny…

Jeden z článků publikovaných souběžně s referenčním genomem se podíval na proteiny, které jsou v pšenici zodpovědné za různé alergie a nesnášenlivosti včetně celiakie.⁵⁾ Autoři identifikovali 828 genů majících nějaký vztah k proteinům, na něž reaguje lidský imunitní systém. Ukázalo se například, že teplotní stres během kvetení může zvýšit expresi genů pro glykoproteiny gliadin a glutein – složky lepku.

Podobné poznatky mohou vést k přípravě hypoalergenních odrůd. Třeba tím, že se podaří modifikovat strukturu proteinů tak, aby si lepek zachoval vlastnosti důležité pro kvalitu mouky, ale přestal dráždit imunitní systém citlivých jedinců.

„Lze si představit i vývoj odrůd schopných fixovat vzdušný dusík nebo efektivněji využívajících sluneční záření díky úpravě enzymů řídících fotosyntézu. Vím, že to je zatím sci-fi, ale pokud o tom nebudeme uvažovat a studovat potřebné techniky, nikdy to nedokážeme,“ říká Jaroslav Doležel.

CRISPR usnadňuje i introgresi znaků vypůjčených z genomů příbuzných rostlin. Není pak nutno složitým zpětným křížením odstraňovat škodlivé vlastnosti, které se nechtěně přenesly s tou žádoucí.

Otevírá se tak cesta k trvale udržitelnému intenzivnímu zemědělství. „Vstupujeme do éry genomiky plodin,“ doufá Doležel.

Jaroslav Doležel se nevěnuje pouze genomu pšenice, zabývá se mimo jiné i genomikou banánovníku, viz Vesmír 94, 700, 2015/12.Snímek Pavlína Jáchimová, SSČ AV ČR

Koho straší CRISPR

Jenomže v Evropské unii zatím editaci genomu (GE) pšenka nepokvete. Evropský soudní dvůr v létě rozhodl, že plodiny připravené technikou CRISPR/Cas9 a podobnými metodami patří mezi GMO, a vztahují se na ně tedy přísné regulace definované evropskou směrnicí z roku 2001 (Vesmír 97, 490, 2018/9).

Zástupci téměř devadesáti evropských výzkumných institucí (včetně několika českých) na to koncem října reagovali společným prohlášením, v němž varují, že toto rozhodnutí bude mít negativní důsledky pro zemědělství, společnost a ekonomiku.⁶⁾ 

O tradiční indukované mutagenezi, která v EU žádnému zvláštnímu režimu schvalování nepodléhá, se v prohlášení píše: „Tato metoda vyvolává stovky nebo dokonce tisíce náhodných mutací s neznámými důsledky. […] Nové techniky editace genomu pracují na stejném principu, ale s vyšší efektivitou a přesností, protože dávají vzniknout pouze jedné nebo několika cíleným mutacím. Jde o změny, které mohou nastat i přirozeně.“

A prohlášení pokračuje: „Z vědeckého hlediska to rozhodnutí nedává smysl. Plodiny s drobnými úpravami genomu jsou přinejmenším stejně bezpečné jako plodiny získané klasickou mutagenezí. Rozhodnutí považujeme za nezodpovědné, tváří v tvář obrovským výzvám, kterým světové zemědělství čelí.“ Signatáři považují současnou unijní legislativu za zastaralou a vyzývají evropské politiky k její urychlené změně.

„Budou sice říkat, že přece nic nezakázali, že jen chtějí zajistit bezpečnost, ale ta směrnice je tak přísná, že od roku 2001 získala povolení pouze jedna odrůda brambor. A té to trvalo tak dlouho, že v okamžiku schválení byla beznadějně zastaralá a na jejím pěstování neměl nikdo zájem,“ říká Dr. Tomáš Moravec z Ústavu experimentální botaniky AV ČR.

„Nejde jen o sejmutí ‚GM cejchu‘ z většiny editačních technik. Za nezbytnou považuji naprostou revizi evropského anti-GM přístupu. S čímž úzce souvisí i revize přístupu k biopotravinám, pro něž je zákaz používání GM (a nyní i GE) technologií jednou ze tří hlavních manter – vedle zákazu pesticidů a průmyslových hnojiv,“ říká Zdeněk Opatrný.

S tím souhlasí i Jaroslav Doležel: „Odrůdy odolné proti chorobám a škůdcům, které nemusíte ničím stříkat, by přece měly být skvělou zprávou. Občas mám dojem, že se společnost posouvá do středověku. Rozum nad tím zůstává stát.“ Tomáš Moravec přitakává: „Všichni chtějí snižovat zátěž pesticidy, ale zároveň omezí jednu z mála technologií, které by k tomu mohly směřovat. Herbicidy dejme tomu můžete nahradit roboty nebo lidmi s motyčkami, ale fungicidy nebo insekticidy omezíte jen nasazením odolných odrůd.“

„Striktní regulace přesné šlechtění extrémně prodraží a v důsledku se tato metoda stane výsadou několika nadnárodních společností,“ píše se dále v prohlášení. Tomáš Moravec upozorňuje: „Snažíme se omezit nadnárodní korporace, ale ty jediné z tohoto rozhodnutí mohou mít prospěch. Malé firmy jsou ze hry. Šlechtitelé se nových technik bojí, protože nikdo nechce utopit deset let práce a spoustu peněz a talentu na něco, co potom skončí v šuplíku. Podobná rozhodnutí bohužel často mívají opačné důsledky, než většina jejich podporovatelů doufá. Ti, kteří se nad ním radují, věří, že chrání přírodu, udržitelné zemědělství. Ale je to naopak.“

Jaroslav Doležel varuje: „Evropa se stává muzeem zemědělství. V USA vznikají start-upy, dělá se a plánuje se dělat spousta věcí směřujících k nové generaci plodin. A my je tu nebudeme mít.“ (Pozn. red.: viz také s. 697.) „Mladí talentovaní lidé se budou přesouvat do Ameriky, možná do Asie. Chceme budovat ekonomiku založenou na inovacích, ale děláme vše pro to, abychom se stali třetím světem,“ doplňuje Moravec.

„V reklamách na mobily a auta se výrobci chlubí nejmodernější technikou, reklamy na potraviny naopak zpravidla bývají v retro barvách, snaží se vyvolat dojem tradice a neměnnosti. Pobavila mne reklama, v níž prababička vzpomíná, jak v mládí vařila na řepkovém oleji – stejném jako je ten dnešní. Jenže řepkový olej nebyl do sedmdesátých let minulého století poživatelný, dokud se radiační mutagenezí nepodařilo snížit obsah toxické kyseliny erukové,“ uzavírá Tomáš Moravec.