Elliot Meyerowitz: všichni fyzikové by se měli věnovat rostlinám

Elliot Meyerowitz vede laboratoř rostlinné biologie v Kalifornském technologickém institutu. V sedmdesátých a osmdesátých letech byl jedním z vědců, kteří z huseníčku udělali dnes slavný modelový organismus. Při studiu rostlin kombinuje pokročilé mikroskopovací techniky s matematickým modelováním. A věří, že lepší poznání vývoje rostlin je nezbytné pro vyšší efektivitu zemědělství.

Podvýživou trpí 800 milionů lidí, z toho 511 milionů připadá na Asii, 232 milionů na Afriku. Ročně v důsledku nedostatečné výživy umírá 3,1 milionu dětí. Za pětadvacet let přitom bude na Zemi žít o 1,2 miliardy lidí více než dnes. Výnosy většiny klíčových plodin se přitom zvyšují jen pozvolna nebo stagnují a zemědělské půdy nepřibývá.

Nelitujete, že jste si ke studiu zvolil právě huseníček a rostliny obecně? Není s živočichy přece jen větší zábava? — Rostliny se vyvíjejí jiným způsobem než zvířata, ale nejsou o nic méně živé. Stačí si film s jejich vývojem přehrát zrychleně. Nemají svaly, ale reagují na prostředí růstem do různých tvarů a forem. Pořád přesně nevíme, jak to dělají. A koho by nefascinovaly geometrické struktury, do nichž jsou uspořádány okvětní lístky nebo semena v květu slunečnice?

Různí mutanti huseníčku.
Detlef Weigel/Max Planck Institute for Developmental Biology.

Ve svých přednáškách zdůrazňujete i význam poznání vývoje rostlin pro zemědělství. — Zemědělství je staré tisíce let, ale nedrží krok s růstem lidské populace a změnami klimatu. Více lidí umírá na podvýživu a s ní spojené nemoci než na malárii, tuberkulózu a AIDS dohromady. I proto potřebujeme lepší fundamentální pochopení toho, jak rostliny rostou. Kdybychom významně zvýšili výnosy plodin pěstovaných v oblastech sužovaných nedostatkem základních potravin, zachránili bychom více životů, než kdybychom zcela vymýtili malárii, tuberkulózu a AIDS.

Snímek CEITEC.

Vy jste ale nezačínal u rostlin, původně jste se zabýval octomilkou. Proč jste oblast svého zájmu změnil? — Jako postdok jsem se jako jeden z prvních zabýval molekulárním klonováním DNA octomilky. V té době, v polovině sedmdesátých let, to byla nová metoda. A protože o rostliny jsem se zajímal už od studentských dob, hned mne napadlo, že by bylo zajímavé použít metody molekulárního klonování právě na geny rostlin. Kolem rostlinné genetiky panovala řada tajemství. Nebylo jasné, co stojí například za epigenetickými efekty, ale i za velmi jednoduchými procesy, například za skutečností, že k úspěšnému vývoji semene jsou u řady rostlin potřeba samčí a samičí buňky ze dvou různých rostlin. Co tuto nekompatibilitu vlastních pohlavních buněk způsobuje? Zkrátka přišlo mi zajímavé použít nové metody molekulárního klonování u úplně jiné říše organismů. Získali bychom tím i nový evoluční vhled, protože rostliny mají posledního společného předka s živočichy někde na úrovni jednobuněčného organismu. To znamená, že rostliny se vyvíjely úplně nezávisle na linii živočichů, takže je zajímavé zjistit, co mají na genetické úrovni společného a čím se liší.

Huseníček rolní (Arabidopsis thaliana), modelový organismus rostlinných genetiků, biochemiků a fyziologů.

Snímek University of Leeds.

A proč padla vaše volba právě na huseníček rolní (Araidopsis thaliana)? — Huseníček k experimentům využíval už Friedrich Laibach ve čtyřicátých letech minulého století. Nám huseníček imponoval tím, že bylo velmi snadné pěstovat ho ve velkém a vytvářet jeho mutanty (viz titulní snímek, pozn. red.). Je to malá a nenáročná rostlinka, která vytváří hodně semen. Kdyby Mendel pracoval s ním a ne s hrachem, mohl toho stihnout dvakrát tolik. První, co jsme udělali, bylo změření velikosti jeho genomu. Zjistili jsme, že je podobně malý jako u octomilky. Je diploidní a má jen pět malých chromozomů. To znamenalo, že jsme byli schopni klonovat jeho geny i tehdejší nedokonalou technologií. Klonovat geny z kukuřice nebo pšenice by tehdy bylo nemyslitelné, jejich genomy jsou obrovské. Zjistili jsme, že existuje malá skupina vědců dělajících na huseníčku biochemii, začali jsme s nimi spolupracovat a vytvořili jsme modelový systém. Dnes je o něm každoročně publikováno více prací než o octomilce.

Právě. Je snadné získat dojem, že huseníček je s námi jako modelový organismus odjakživa. — Většina modelových organismů není tak stará, jak by se mohlo zdát. Třeba s háďátkem Caenorhabditis elegans začal Sydney Brenner pracovat také až v sedmdesátých letech. Lidé mají tendenci mluvit o „pokusných králících“ (v orig. guinea pigs – morčata, pozn. red.). Ale používá dnes někdo králíky (morčata)? Ne. Byl to modelový organismus, který si odpracoval svoje, ale patří minulosti. Huseníček je teď na vrcholu, ale i on jednou ustoupí do pozadí.

Apikální meristém huseníčku (dělivé pletivo na vrcholu výhonku, z něhož vznikají listy a květy) sestává z několika set buněk, mezi nimiž funguje složitá síť zpětných vazeb. Podílejí se na nich rostlinné hormony, transportní proteiny i fyzikální faktory. Jakými metodami to studujete? — Původně jsme studovali mutanty a dívali se, jak různé mutace ovlivňují chování meristému a vývoj rostliny jako celku. To bylo v osmdesátých a devadesátých letech. Ale rozvoj technik fluorescenčního značení a laserové konfokální mikroskopie nám postupně umožnil sledovat v reálném čase a ve třech rozměrech chování jednotlivých buněk, genovou expresi, lokalizaci jednotlivých proteinů. Získali jsme dynamický pohled na souhru oněch zpětných vazeb. A zatímco se díváme, můžeme měnit aktivitu jednotlivých genů a v reálném čase pozorovat důsledky. Díky tomu a díky znalosti genomu se pomalu daří popisovat jednotlivé mechanismy na molekulární úrovni.

A nejen popisovat, že? — Ano, pomocí genových manipulací lze vlastnosti apikálního meristému měnit, a tím ovlivnit například frekvenci tvorby květů nebo úhel, pod kterým ze stonku vyrůstají listy. Podle jedné studie by například geneticky podmíněnou úpravou uspořádání listů u sóji šlo lépe využít slunečního záření, což by vedlo ke zvýšení výnosů o 8,5 % a snížení spotřeby vody o 13 %.

Vývoj květů u huseníčku: a) Snímek z konfokálního mikroskopu zobrazuje nově vznikající květní pupeny okolo apikálního meristému (zeleně plazmatická membrána, červeně chloroplasty). b) Prostorové rozložení proteinu PIN 1, který slouží jako přenašeč rostlinného hormonu auxinu (viz rozhovor s Jiřím Frimlem: Vesmír 2016/1). Šipky naznačují směr, kterým auxin proudí. c) Výstup matematického modelu simulujícího zakládání nových květů.Snímky: a) Roeder et al., 2010, b) Heisler et al., 2005, c) Jönsson et al., 2006.

Takže genové modifikace nemusí vést jen k odolnosti vůči škůdcům nebo herbicidům, ale výnosy mohou zvýšit i zásahem do vývoje a ovlivněním morfologie rostliny. Myslíte, že GMO představují budoucnost zemědělství? — Je to součást budoucnosti, jeden nástroj z mnoha. Měli bychom tu technologii používat, generalizované námitky vůči ní nedávají smysl, těžko se mi chápou. Měli bychom být šťastni, že jsme schopni provádět velmi malé a cílené zásahy do genů, které mohou vést k odrůdám užitečných vlastností. Vyhneme se tím velkým neznámým spojeným se slepým křížením rostlin, při kterém se míchají všechny geny, změna se netýká jen jednoho nebo dvou. Lidé milují biopotraviny, přitom nevidím důvod, proč platit farmáři za to, aby potraviny vypěstoval pomocí primitivních metod. Představa, že jídlo je pak v nějakém směru lepší, nemá žádný vědecký základ. Přesto se zdá, že tomu každý věří. Kolem potravin vládne spousta magického myšlení.

Spolupracujete s fyziky a matematiky, na Caltechu jste spoluzaložil centrum pro biologické modelování. Myslíte, že by biologové měli více využívat matematických nástrojů? — Ano, například právě meristémy jsou sice menší než průměr lidského vlasu, ale přesto z nich vyrůstá celá rostlina, obří strom. Jsou to nádherné, ale nesmírně složité malé strojky. Kdybychom dopravní letadlo zmenšili na jejich rozměr při zachování jeho vnitřní složitosti a ještě bychom dokázali zařídit, aby si samo vyrábělo letecký benzín a vyrábělo vlastní kopie, bylo by to něco podobného. V meristému spolu v řádu milisekund komunikují tisíce různých proteinů a dalších molekul. Je to systém tak složitý, že si ho v hlavě neumíme představit. Musíme ho popsat matematicky, nakrmit počítače rovnicemi a podívat se na jejich řešení, abychom tu složitost zpětných vazeb zachytili.

Věříte, že jednou dokážeme v počítači simulovat do všech detailů vývoj celé rostliny? — Rozhodně. Když to dokáže tak hloupé stvoření jako rostlina, proč bychom to nedokázali my?

Podílíte se na vývoji programu Cellerator, který by měl matematické modelování zpřístupnit i těm biologům, kteří mají před složitější matematikou respekt. — Hodně nám s tím pomáhají fyzikové. V rostlinách je hodně šumu a náhody, to je zvláště fyzikům zabývajícím se komunikačními technologiemi povědomé. Možná právě zde leží budoucnost fyziky. Jasně, všechna ta tajemství vesmíru, rozpínání, temná energie, to jsou zajímavé věci, ale přesto si myslím, že by se všichni fyzikové teď měli vrhnout na to, aby nám pomohli pochopit, jak fungují rostliny (směje se).