První krok na cestě k rýži C₄?

Rostliny s fotosyntézou typu C₄ dokážou fixovat oxid uhličitý účinněji než ty s běžnější a déle známou fotosyntézou C₃ a mají také vyšší výnosy. Podstatou je předběžná fixace oxidu uhličitého v cytoplazmě za vzniku organických kyselin se čtyřmi atomy uhlíku a jejich pozdější dekarboxylace (Vesmír 91, 35, 2012/1). Tím se v chloroplastech zvyšuje koncentrace CO2 a stoupá karboxylační aktivita klíčového enzymu rubisco na úkor aktivity oxygenační. Předběžná fixace probíhá nejčastěji v cytoplazmě buněk listového mezofylu a fixace v chloroplastech buněk pochev cévních svazků.

Fotosyntézu C₄ má z důležitých zemědělských plodin zejména kukuřice. V posledních letech jsme svědky velkého úsilí o „přenesení“ fotosyntézy C₄ do rýže (Vesmír 92, 264, 2013/5). Nejsme ale tak úspěšní, jak očekávali optimisté, i když nejnověji se zřejmě podařilo zopakovat klíčový krok. Vede k přeměně anatomické stavby listu typické pro rostliny C₃ na stavbu, jaká asi existovala na počátku evoluce rostlin C₄. Nazývá se „anatomie proto-Kranz“ („Kranz Anatomie“ je tradiční německý termín pro věnčitou anatomickou stavbu listů rostlin C₄). Cévní svazky v mezofylu listů rýže jsou obaleny vnitřní a vnější pochvou. Zatímco buňky mezofylu obsahují velké chloroplasty, v buňkách obou pochev jsou jen drobné chloroplasty a nepočetné mitochondrie.

Po genetické transformaci nezralých embryí rýže pomocí bakterie Agrobacterium tumefaciens roste objem chloroplastů a zvýší se počet mitochondrií v buňkách obou pochev. Hromadí se také fotosyntetické enzymy a zvyšuje se počet plazmodesmů – spojení mezi buňkami. U transformovaných rostlin se vytvoří listy s „anatomií proto-Kranz“. Dokazují to snímky ze světelného a elektronového mikroskopu i kvantifikace enzymu rubisco a jeho aktivázy.

Tak byl patrně učiněn první, klíčový krok k umělému vytvoření rýže C₄. Další pokusy ukázaly, že rychlost fotosyntézy se u transformované rýže nezvýšila. Poměr fotosyntetizujících pletiv pochev cévních svazků k mezofylu je zde ale nízký. S přechodem na „anatomii proto-Kranz“ se však výnosová zdatnost rostlin ani nesnížila. Snad proto může být tato cesta k vytvoření rýže C₄ slibná, i když bude asi ještě dlouhá.

Current Biology 27, 3278–3287, 2017, DOI: 10.1016/j.cub.2017.09.040