Klíč k chladové toleranci kukuřice objeven

Pokud by se dala u kukuřice překonat její citlivost na nízké teploty, pak by mohla být prodloužena vegetační doba, tím nejenom zvýšen její výnos ve stávajících oblastech pěstování, ale napomohlo by to jejímu rozšíření i do chladnějších území, kde se dosud nedá pěstovat. Zdá se, že vědci už jsou řešení na stopě.

Poptávka po kukuřici – světové jedničce mezi potravinářskými obilninami a základní surovině pro mnoho odvětví – převyšující nabídku vede k velkému nárůstu cen a je předpovídáno další pokračování tohoto růstu i během následujících několika let.

Doktoři Dafu Wang, Archie Portis, Steve Moose a Steve Long z Department of Crop Sciences a Institute of Genomic Biology na University of Illinois asi uskutečnili průlom na této „frontě“ a své výsledky publikovali v zářijovém vydání časopisu Plant Physiology.

Rostliny mohou být podle své strategie při využívání světelné energie rozděleny do dvou skupin: C4 a C3. Skupina C4 zahrnuje mnoho z hlavních známých zemědělských plodin, jako například kukuřice, čirok a cukrová třtina. Všechny další plodiny, například pšenice a rýže, jsou rostliny C3. Rostliny ve skupině C4 se od těch v C3 liší „přídavkem“ čtyř biochemických reakcí, které tyto rostliny činí efektivnějšími v přeměně sluneční energie na rostlinnou hmotu.

Miscanthus x giganteus

Donedávna se myslelo, že nejvyšší produktivity bylo možné dosahovat u rostlinných druhů typu C4 pouze v teplém prostředí. A tak zatímco pšenice, jakožto C3 rostlina, může být pěstována i na severu Švédska a v Albertě, u C4 kukuřice tomu tak není. Dokonce i mezi zeměmi, které by mohly být nazvány „kukuřičnými státy“ nemůže být kukuřice vysévána o mnoho dříve než na počátku května, a z toho důvodu nemůže využít intenzivní sluneční záření na jaře.

Nedávno se zjistilo, že ozdobnice (Miscanthus x giganteus), C4 tráva příbuzná kukuřici, je mimořádně produktivní navzdory chladnějšímu podnebí. O možnostech průmyslového využití této rychle rostoucí trávy jsme se již na Oslu zmiňovali, a to v souvislosti s hledáním nových zdrojů biomasy pro výrobu biopaliva (Cesta k biopalivům se jmenuje ozdobnice).

Výzkumníci z Illinois začali provádět pokusy, aby objevili podstatu tohoto rozdílu, který odlišuje tyto C4 rostliny od těch C3, a zaměřili se na čtyři zvláštní biochemické reakce. Každá z těchto reakcí, jak už to v biochemii bývá, je katalyzována konkrétním enzymem.

Enzym PPDK jehož koncentrace v listech může ovlivnit odolnost různých rostlin proti chladu.

Enzym pro jednu z těchto reakcí se jmenuje, pyruvát fosfát dikináza (PPDK) a je tvořen ze dvou částí. Při nízkých teplotách byl pozorován rozpad enzymu na tyto části, což jej odlišovalo od ostatních třech enzymů umožňující ostatní tři reakce specifické pro C4 rostliny. Výzkumníci testovali DNA sekvenci genu kódujícího tento enzym u obou rostlin, tedy kukuřice a ozdobnice, ale nedokázali objevit žádný rozdíl, nezjistili ani žádný rozdíl v chování tohoto enzymu ve zkumavce. Nicméně zaznamenali, že když byly listy kukuřice umístěny do chladu, PPDK pomalu zmizelo, souběžně s poklesem schopnosti listů přijímat oxid uhličitý do fotosyntézy. Když byly do chladu umístěny ozdobnice, vyrobily více PPDK, což způsobilo, že listy byly nadále schopné udržet fotosyntézu i v tomto chladném prostředí. Ale stejně nebylo jasné proč?

Výzkumníci vzali gen kódující PPDK z obou těchto rostlin, tedy kukuřice a ozdobnice, a dali ho do bakterie, což umožnilo izolaci velkého množství tohoto enzymu. Tak objevili, že rezistence na chlad není dána odlišnou vnitřní strukturou proteinových složek enzymu, ale tím jak je enzym v listech koncentrovaný.

Tyto objevy naznačují, že taková genová modifikace kukuřice, která by dokázala „přesvědčit“ kukuřici, aby syntetizovala více PPDK během chladného počasí, by mohla dovolit pěstování kukuřice, stejně jako je tomu u ozdobnice, i v chladnějších podnebních oblastech a prodloužit její vegetační sezónu v tradičních oblastech jejího pěstování. Obdobný přístup by mohl být použit i u cukrové třtiny, která však může být přímo křížena s ozdobnicí, a tak by se dalo propracovat se ke zlepšení její chladové tolerance obyčejnou hybridizací – tedy šlechtěním – a nemuselo by se přikročit ani ke genové manipulaci.