Česká technologická platforma pro potraviny


INFORMACE

Vědci objevili gen dlouhověkosti u rostlin
04.06.2020

Kurzy vaření pro alergiky od Společnosti pro výživu
04.06.2020

Invazní sršeň asijská se blíží k českým hranicím
04.06.2020

Vědci objevili gen dlouhověkosti u rostlin
04.06.2020

Ctpp >


Rostliny odolné vůči vysokým teplotám
Datum: 20.05.2020
Biotrin.cz
‎18. ‎května ‎2020, ‏‎0:00:00Přejít k úplnému článku

 

V poslední době se vytváří souvislá období tropických dní. To je problémem samozřejmě i pro rostliny, neboť dochází k jejich přehřívání. Vědci proto zkoumají různé cesty, jak upravit rostliny tak, aby se staly odolnější vůči extrémnímu teplu.

Výskyt horkých dní, které z klimatologického hlediska nazýváme jako „tropické“ je tehdy, kdy maximální teplota vzduchu dosáhne či překročí magických 30°C. Jejich počet v čase narůstá i v ČR: 2002 – 12 dní, 2009 – 22 dní, 2017 – 32 dní, 2018 – 46 dní, 2019 - 39 dní (+ 86 letních dní).

Před 50 lety bylo těchto dnů poskrovnu a to jen v průměru okolo 4-8/rok. V roce 2018 se stala rekordmanem stanice Doksany, kde těchto dní bylo neskutečných 56.

„Takové roky jsme si už mohli odzkoušet v letech 2015 a 2018, kdy počty tropických dnů byly dokonce vyšší, než předpokládají klimatické modely v nejpesimističtější variantě pro konec století“, prohlásil klimatolog Pavel Zahradníček 31. 7. 2019 pro iROZHLAS. 

Přehřívání rostlin až na 42 °C bylo opakovaně zjištěno bezkontaktním teploměrem. Zároveň s tím narůstá i dodávka energie zářením do rostlin. Zjistit to lze pyranometrem (solarimetrem), který měří souhrn záření dopadajícího na rostliny jako přímé sluneční záření + záření rozptýlené atmosférou + záření odražené od mraků. (Název pyranometr vychází z řeckých slov "pyr", znamenajícího oheň a "ano" označující oblohu.)

K řešení situace přímo v rostlinách je možné přistupovat několika různými cestami.

 

Rýže odolná teplu 

Jednu z nich využil výzkumný tým z Čínské akademie věd, který geneticky upravil rýži tak, aby odolávala extrémnímu teplu; vedlejším efektem pak bylo i zvýšení produkce zrna až o 20 %.

Když jsou rostliny vystaveny světlu, bílkovinný komplex fotosystém II (PSII) produkuje elektrony, aby umožnil fotosyntézu. Teplo nebo příliš intenzivní světlo však může poškodit jeho klíčovou podjednotku, známou jako D1, a zastavit tak jeho práci. Ta pak znovu začne fungovat, až se vytvoří a začne fungovat nový D1 komplex. To znamená, že fotosystém je průběžně ovlivňován erozí/postupnou likvidací vedlejšími produkty fotosyntetických reakcí.

Chloroplasty mají svou vlastní DNA, včetně genu pro D1, a většina biologů předpokládá, že se tam musí protein vyrobit.

Výzkumný tým vedený rostlinným molekulárním biologem Fang-Qing Guo z Čínské akademie věd se domnívá, že D1 vytvořený jaderným genem by mohl fungovat stejně dobře a může být vyroben efektivněji, protože by jeho syntéza probíhala v cytoplazmě místo v chloroplastu, a byla by chráněna před výše uvedenou erozí jeho součástí.

Guoův tým otestoval svou myšlenku v rostlinách huseníčku (Arabidopsis). Vzal z chloroplastu jeho gen pro D1, připojil ho k úseku DNA, který se běžně zapíná během tepelného stresu, a přesunul jej do jádra buňky.

Tým zjistil, že upravené sazenice huseníčku mohou v laboratoři přežít extrémní teplo - 8,5 hodiny při 41°C, které zahubilo většinu neupravených, kontrolních rostlin. Zjistili, že stejný přesun genu huseníčku chrání proti teplu také tabák a rýži.

Nejpozoruhodnější objev byl ale učiněn při normálních teplotách. Upravené rostliny všech tří druhů (huseníček, tabák a rýže) při průměrných teplotách vykazovaly daleko aktivnější fotosyntézu. Její rychlost u tabáku se zvýšila o 48 % oproti kontrolním rostlinám. Modifikovaný huseníček vyprodukoval o 80 % více biomasy než kontroly. A v polních podmínkách vyprodukovala takto upravená rýže až o 20 % více zrna.

 „Opravdu nás to překvapilo! Cítil jsem, že jsme chytili velkou rybu.", ohodnotil objev Guo.

 

Pšenice odolná teplu 

Jiný přístup k problému s nadměrným teplem u rostlin použili na Lancasterské Universitě. Vědci pracující na odezvách na molekulární úrovni u plodin učinili krok blíže ke svému cíli, kterým je produkce pšenice odolnější vůči (celosvětově) stoupajícímu teplu.

Rostlinný aktivátor enzymu Rubisco (Rca) funguje stejně jako technické inteligentní termostaty, které říkají klimatizačním jednotkám, aby se zapínaly, když slunce v letních dnech zapadá. Rca říká, že rostlinný enzym Rubisco produkující energii začíná pracovat, když svítí slunce, a signalizuje, že se zastaví, když je list zbaven světla, aby šetřil energii. 

Vědecký tým z University of Lancaster, vedený Dr. Elizabete Carmo-Silvou, uvádí v časopise The Plant Journal, že stačí výměna pouze jednoho molekulárního stavebního bloku z celkových 380, které tvoří Rca v pšenici, a to mu umožňuje aktivovat Rubisco rychleji při vyšších teplotách. Naznačuje to tedy příležitost chránit plodiny před rostoucími teplotami.

Výzkumný projekt byl nazván Realizace zvýšené fotosyntetické účinnosti (= RIPE).

Projekt RIPE se zabývá technickými plodinami, které mají být produktivnější díky vylepšené fotosyntéze. RIPE je podporován nadací Bill & Melinda Gates, Nadací USA pro výzkum potravin a zemědělství (FFAR) a Ministerstvem pro mezinárodní rozvoj vlády Spojeného království (DFID).

U pšenice jsou následující regulační systémy: přirozeně se vyskytující pšenice Rca 1β má aminokyselinu isoleucin, pracuje až do 39 °C, ale není dobrá při aktivaci Rubisco. Zatímco přirozeně se vyskytující 2β má aminokyselinu methionin, působí sice jen asi do 30 °C, ale je velmi dobrá v aktivaci Rubisco.

Tým vytvořil novou verzi 2β s aminokyselinou isoleucin, která pracuje až do 35 °C a zůstává velmi dobrá při aktivaci Rubisco. Tuto verzi pšenice označili jako 2.0 2β. 

„V zásadě je 1β je málo funkční enzym a 2β je citlivý na vyšší teploty,“ řekla Dr. Carmo-Silva. „Skvělá věc je, že jsme ukázali, jak pouze jedna aminokyselinová změna může Rca aktivovat při vyšších teplotách, aniž by skutečně ovlivnil jeho efektivitu pro aktivaci Rubisco, což by mohlo pomoci plodinám nastartovat fotosyntézu při teplotním stresu, a tím dosáhnout vyšších výnosů.“

Tato práce byla zpočátku prozkoumána in vitro na Escherichia coli, taktéž v Lancasterském environmentálním centru.

Tato zjištění vedou v rámci projektu RIPE k úsilí charakterizovat a vylepšit Rca dalších potravinářských plodin, jako je sója nebo vigna (Vigna unguiculata) – známá také jako fazolka černé oko nebo dlouhatec, každá s více různými formami Rca.

"Když se podíváme na oblasti pěstování vigny např. v Africe, je pěstována v celé jižní Africe s průměrem teplot kolem 22 °C, ale také v Nigérii s asi 30 °C a v oblasti dále na sever, dostanou se až ke 38 °C," řekla Dr. Carmo-Silva. "Pokud můžeme pomoci aparátu Rubisco aktivovat se při těchto teplotách efektivněji, je to opravdu silné zjištění a mohlo by nám to pomoci vyrovnat mezeru mezi potenciálem výnosu a realitou pro zemědělce, kteří jsou závislí na těchto plodinách z hlediska jejich výživy."

Zdroje:

https://www.sciencemag.org/news/2020/04/rice-genetically-engineered-resist-heat-waves-can-also-produce-20-more-grain

An isoleucine residue acts as a thermal and regulatory switch in wheat Rubisco activase:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.14766

ČHMÚ, 5. 10. 2018, 14.22  Autor: Pavel Zahradníček:

https://chmibrno.org/blog/2018/10/05/ohlednuti-za-teplym-pulrokem-tropicke-dny/

https://www.biolib.cz/cz/main/