Geny určující výnos zrna kukuřice

Dvě formy jednoho enzymu ovlivňují počet semen a jejich velikost. Vypadá to, že by kukuřice mohla dávat vyšší úrodu s menšími dávkami dusíkatých hnojiv. Vědci odhalili geny, které významně spolurozhodují o počtu a velikosti zrn v kukuřičném klasu. Není velkým překvapením, že tyto geny regulují metabolismus dusíku. Dostupnost dusíku do značné míry určuje jak růst, tak i výnos zemědělských plodin. Rostliny čerpají z vnějšího prostředí dusík v několika formách, ale rychle jej mění na amonné ionty, které obratem zabudovávají do organických sloučenin. Přitom sehrává důležitou roli enzym glutamin syntetáza, který katalyzuje vznik aminokyseliny glutaminu z amonných iontů a molekul kyseliny glutamové. Atom dusíku může tímto procesem projít opakovaně s tím, jak rostlina „přestavuje“ svá pletiva.

Nakonec může být atom dusíku použit pro tvorbu zásobních bílkovin uložených v semenech. Proto je glutamin syntetáza považována za enzym s rozhodujícím vlivem na růst rostlin jejich výnos.

Francouzští vědci Antoine Martinová a Bertrand Hirel z Národního centra pro zemědělský výzkum ve Versailles spolu s kolegy z Velké Británie, Španělska a Japonska nyní odhalili celkem nečekaný efekt dvou forem enzymu glutamin syntetázy na výnos kukuřice. Zvýšená aktivita těchto enzymů by mohla napomoci k lepšímu využívání dusíku rostlinami. To by znamenalo zvýšení výnosů s menšími nároky na dusíkatá hnojiva. Snížení dávek dusíkatých hnojiv by mělo nejen ekonomický ale i ekologický dopad.

Každá ze dvou zkoumaných forem glutamin syntetázy je v rostlině vyráběna podle jiného genu, konkrétně podle genů označovaných jako Gln1-3 a Gln1-4. Vědci testovali mutované rostliny kukuřice, které měly narušen jeden ze studovaných genů. Rostliny s poškozeným genem Gln1-3 měly snížený počet zrn v palici. Rostliny ochuzené o gen Gln1-4 měly zrna menší. Pokud byl získán mutant postrádající oba geny, nesl menší zrna v menším počtu. Celková produkce biomasy nebyla u mutantů nijak snížena.

Ukazuje se, že geny Gln1-3 a Gln1-4 hrají významnou roli přednostně při tvorbě semen. V mutovaných rostlinách stoupala produkce asparaginu. Rostlina se tak zřejmě snažila vyrovnat se zvýšenými koncentracemi čpavku, který nebyl zpracováván chybějící glutamin syntetázou. Asparagin se ale dostával do vznikajících semen jen v omezené míře a to zřejmě mělo za následek sníženou produkci zrna.

Zajímavé výsledky přinesly pokusy, při nichž byla zvýšena aktivita genu Gln1-3. U rostlin, jejichž gen pracoval „nad plán“, došlo ke zvýšení počtu zrn v palici o třetinu. Působení genu Gln1-3 se v listech omezuje na mezofyl. Gen Gln1-4 pracuje v buňkách, které v listech vytvářejí pochvy cévních svazků. Rozložení aktivity obou genů zjevně souvisí s metabolismem uhlíku.

Kukuřice patří k C4 rostlinám, které přijímají prostřednictvím pórů v listech oxid uhličitý a vytvářejí z něj čtyřuhlíkatou sloučeninu oxalacetát. Tato sloučenina je transportována do buněk tvořících pochvy cévních svazků, kde se z ní uvolní oxid uhličitý. Tyto buňky jsou vybaveny enzymy, které využívají k fotosyntéze rostliny C3. Mohou tedy uvolněný oxid uhličitý zpracovat na fosfoglycerát a ten využít pro další metabolismus. Tento mechanismus umožňuje rostlinám C4 získávat dostatečné množství oxidu uhličitého i v horkých dnech, kdy rostliny uzavírají póry v listech, aby neztrácely vodu. Dělba práce mezi mezofylem listů a buňkami pochev cévních svazků se zjevně netýká jen metabolismu uhlíku, ale i dusíkového metabolismu, jak dokazuje odlišný výskyt aktivních genů Gln1-.3 a Gln1-4

Výsledky výzkumu mezinárodního týmu vedeného Martinovou a Hirelem zveřejnil přední vědecký časopis The Plant Cell a jsou příslibem pro další šlechtění zemědělských plodin. Zdaleka nenajdou uplatnění jen při šlechtění kukuřice. Velmi podobný mechanismus zřejmě funguje i v dalších důležitých plodinách.

Nové možnosti se otevírají i pro metody genového inženýrství, kterými by bylo možné zvýšit výnosy plodin z okruhu rostlin C4. Ty jsou pěstovány především v oblastech s teplým klimatem a měly by velký význam pro obyvatele zemí třetího světa. Pro zvýšení aktivity genů Gln1-3 a Gln1-4 by nebylo nutné vnášet do geonomu rostlin geny pocházející z jiných organismů. Genoví inženýři by vystačili jen s úpravou stávajícího geonomu rostliny. Takové rostliny označujeme jako cisgenní (na rozdíl od transgenních, tj. nesoucích cizí gen). Pro spotřebitele by měly být cisgenní rostliny z ryze psychologického hlediska přijatelnější než transgenní odrůdy.

Pramen: The Plant Cell, INRA