Časopis NOVÁ BOTANIKA

BONUS: Jaká bude budoucnost šlechtění rostlin?

Moderní kultivary pěstovaných rostlin jsou výsledkem tisíce let probíhajícího šlechtění. Klasické šlechtění však má své limity a nově vyvinuté metody úprav dědičné informace jsou možností, jak šlechtit rychleji, lépe a s menším dopadem na životní prostředí.

Každá lidská civilizace stojí a padá s dostatkem kvalitní potravy. Již rozvoj raných světových civilizací byl neodbytně spjat se schopností produkovat dostatek potravin pomocí primitivního zemědělství. Jako klíčové plodiny schopné uživit velké množství obyvatel se ukázaly „trávy“ s velkými a výživnými semeny: rýže, kukuřice, ječmen a pšenice. V různých oblastech světa pak jídelníček zpestřily lokální plodiny, jako jsou rajčata, papriky, dýně a brambory ve Střední a Jižní Americe nebo luštěniny a olivy ve Středozemí. Mnoho plodin se postupně rozšířilo po celém světě a tvoří základ naší dnešní bohaté stravy. Pěstování rostlin tak lze považovat za jeden z neviditelných pilířů lidské společnosti.

Šlechtění je nikdy nekončící proces, jehož cílem je stále zlepšovat nebo upravovat vlastnosti dané plodiny pro potřeby člověka. To zahrnuje nejen výběr odrůd s lepší chutí nebo výživovými hodnotami, ale často také odolnost vůči nemocem. V současnosti používané plodiny se tak od svých divokých předků liší v řadě vlastností. Již první zemědělci vybírali rostliny s vhodnými znaky, které zvyšovaly výnos nebo zmenšovaly ztráty v průběhu sklizně. Dobře zdokumentováno je potlačení rozpadavosti klasu u ječmene (Obr. 1a). U divokých variant se zralý klas láme na jednotlivé květy obsahující obilky, které se mohou snadno šířit do okolí v srsti zvířat. Pro zemědělství je však tento znak nevýhodný, protože vede při sklizni ke ztrátám. Velmi vzácně se může v populaci objevit rostlina, u které dojde ke změně dědičné informace v DNA vedoucí k nerozpadavosti klasu. Takováto změna byla natolik významná, že raní zemědělci semena zachovali a dále šířili (Obr. 1b). Genetické analýzy dokonce ukazují, že ječmeny s nerozpadavými klasy byly domestikovány nejméně dvakrát. Takovýto výběr náhodně vzniklých jedinců s odlišnými znaky byl hlavní metodou šlechtění rostlin prakticky až do konce 19. století. Přestože se jedná o přístup prověřený tisíciletími, jeho hlavním omezením je časová náročnost, která je dána velmi nízkou frekvencí změn DNA v přírodních podmínkách.

Obr. 1a. Klasy kultivovaných ječmenů (vlevo) se liší od planě rostoucích předchůdců (vpravo) mimo jiné svou nerozpadavostí, která umožnila menší ztráty během sklizně. Divoké ječmeny jsou naopak uzpůsobeny k roznášení jednotlivých semen v srsti zvířat a rozpadavý klas spolu s dlouhými osinami jsou pro ně výhodné. b. Ječmen obecný (Hordeum vulgare).

Bouřlivý rozvoj přírodních věd korunovaný ve druhé polovině 19. století objevem evoluce a dědičnosti zcela změnil pohled na přenos znaků mezi rodiči a potomstvem a možnosti jejich výběru. Z neměnných entit se najednou staly postupně se vyvíjející druhy, které se adaptují v prostoru a čase. Díky pokusům s rostlinami hrachu setého objevil mnich augustiniánského kláštera v Brně Johann Gregor Mendel, že některé znaky, které mizí v hybridním potomstvu prvního řádu, se znovu objevují s předpověditelnou frekvencí v dalších generacích. To položilo základy moderní genetiky a v první polovině 20. století otevřelo nové možnosti šlechtění rostlin.

Paralelně s vědeckým pokrokem se rozvíjelo zemědělství, které stále více zapojovalo mechanizaci urychlující a usnadňující polní práce. Masivní aplikace minerálních hnojiv poskytla rostlinám velké množství živin a nově vyvinuté pesticidy a herbicidy pomáhaly odstraňovat škůdce a plevel. Tento mix větších a menších faktorů se stal základem takzvané zelené revoluce, během které byla dramaticky navýšena zemědělská produkce, která umožnila nasytit velké části rychle rostoucí světové populace - z 1,6 miliardy v roce 1900 až na současných 7,7 miliardy lidí.

Náš svět se rychle mění a v mnoha ohledech se stává křehčím a zranitelnějším. Předpokládaný počet obyvatel naší planety dosáhne v polovině 21. století 10 miliard. Spolu se zvyšujícími se nároky na množství a kvalitu to znamená nutnost produkovat stále více potravin. To vyžaduje rozšiřování zemědělských ploch, které se často děje na úkor přírody. Tento trend je nejvýraznější v některých rozvíjejících se zemích, jako je například Brazílie nebo Indonésie, kde jsou rozsáhlé plochy původních lesů nahrazovány poli sóji nebo plantážemi palmy olejné. Vysoké produktivity zemědělských ploch je prakticky dosaženo přehnojováním, část hnojiv je však splachována do povrchových i podzemních vod, což snižuje jejich kvalitu a podporuje růst sinic, které v letním období způsobují časté úhyny ryb. V průběhu sezony jsou plodiny mnohokrát ošetřovány chemickými prostředky proti houbovým onemocněním anebo škůdcům, což může vést k otravám užitečných živočichů, jako jsou například včely nebo jiné druhy opylovačů. Ke všem těmto výzvám se pak zvláště v posledních letech přidává stále citelnější změna klimatu. Jakkoliv naše území patří v celoplanetárním měřítku k málo zasaženým oblastem, i my pociťujeme zvýšení teploty, které se projevuje mírnějšími zimami, časnějším nástupem obvykle suššího jara a suchým létem. To vedlo v posledních létech v různých částech České republiky k lokálním ztrátám výnosů řady plodin. Pokud má být v budoucnu zemědělství schopné čelit všem těmto výzvám a produkovat dostatek potravin, bude nutné provést celou řadu opatření.

Obr. 2. Obrázek CRISPR. Jak fungují molekulární nůžky CRISPR? Protein Cas9 a tzv. naváděcí RNA spolu nejprve vytvoří nukleoproteinový komplex, který vyhledá DNA sekvenci komplementární k sekvenci naváděcí RNA. Na daném místě se nukleoproteinový komplex připojí a Cas9 přestřihne oba řetězce DNA. Buňka přestřiženou DNA opraví, ale v některých případech může dojít k chybě, a to buď ke vložení, nebo vymazání části původní DNA sekvence a tím porušení či pozměnění funkce dané oblasti. Přidáním hybridní DNA molekuly obsahující sekvenci shodnou s okolím přestřiženého místa, ale také kus nové DNA, může dojít k nahrazení dědičné informace procesem homologní rekombinace a získání nových vlastností.

Jakým způsobem může napomoci šlechtění? Moderní šlechtitelé využívají celou řadu klasických nástrojů, jako jsou křížení, genové zdroje divokých druhů poskytující různé rezistence nebo tvorba rostlin regenerací pylu (mikrosporovou embryogenezí), což zajišťuje stabilní vlastnosti dané rostliny. Tyto metody umožňují zvyšovat výnosy například u kukuřice o zhruba 1-2 % ročně. Pro uspokojení dlouhodobé poptávky však bude potřeba zvyšovat výnosy zhruba dvojnásobně. Proto se do šlechtitelské výbavy zařazují novinky ve formě masivního čtení velkých úseků rostlinné dědičné informace (tj. sekvenování), které pomáhají rychleji vybírat žádané jedince, a tak urychlovat nástup nových odrůd. Dále se jedná o metody genového inženýrství. V průběhu 20. století bylo zjištěno, že působení některých chemických látek či radiace výrazně zvyšuje frekvenci změn dědičné informace, tzv. mutací. Přestože je pojem mutace nebo mutant chápán veřejností jako něco negativního, v odborné terminologii se jedná o jakoukoliv změnu dědičné informace, negativní, pozitivní či neutrální, která může zahrnovat různě velké úseky DNA od jednotlivých nukleotidů až po celé chromozomové sady.

Vlivem působení mutačních činidel na rostliny a hodnocením jejich pozměněného potomstva bylo celosvětově vyšlechtěno okolo 3500 odrůd mnoha různých plodin, na území našeho státu například ječmen ´Diamant´ (1965), hořčice setá ´Zlata´ (1995) nebo jablko ´James Grieve Double Red´ (1995). Odrůdy vzniklé mutačním šlechtěním jsou často základem moderního zemědělství. Velkou nevýhodou chemických a radiačních mutagenů je náhodnost vytvořených změn a vysoký počet (stovky až tisíce) nechtěných změn v každém takto vytvořeném kultivaru.

Proto byl v roce 2012 odbornými kruhy s nadšením přijat objev takzvaných molekulárních nůžek CRISPR (z anglického Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) (Obr. 2). Jedná se o bakteriální obranný systém proti virům, kdy krátký úsek naváděcí ribonukleové kyseliny (RNA) vytvoří komplex s enzymem Cas9, tento komplex vyhledá homologní virovou dědičnou informaci, kterou Cas9 přestřihne, čímž zamezí množení viru. V laboratorně upravené verzi lze Cas9 navést na jakékoliv místo v dědičné informaci a tam provést požadované změny. Uvedená metoda se rychle rozšířila a již se začíná uplatňovat při editaci dědičné informace plodin. Příkladem mohou být úpravy genomu rajčat, melounů, banánů a jiných plodin tak, aby byly rezistentní vůči virovým, bakteriálním nebo houbovým chorobám. Elegantní vlastností systému CRISPR je, že po vytvoření změny lze tyto nůžky z rostlinného genomu odstranit a nastalá změna je tak prakticky nerozeznatelná od výsledku mutačního šlechtění, avšak bez nežádoucích vedlejších mutací a při použití zlomku prostředků a času. Přesto se však s CRISPR modifikovanými plodinami v našich obchodech nesetkáme, protože tato technologie nebyla v rámci Evropské unie schválena pro běžné použití při produkci potravin nebo krmiv.

Pro účely zemědělství je někdy výhodné šlechtit rostlinné „supermany”, kteří budou mít „nadpřirozené“ vlastnosti. Toho však často nelze dosáhnout pomocí přepisu dědičné informace jednoho druhu a na pomoc musí být povolána dědičná informace jiných druhů, například bakterie. Takové organismy se pak nazývají transgenozní či transgenní. Jakkoliv může být tento typ genového inženýrství z lidského pohledu udivující, tak je součástí přírodních procesů a části „cizí” dědičné informace (především půdních bakterií rodu Agrobacterium) byly při bližším výzkumu nalezeny v genomu řady rostlin. Prvním celosvětovým úspěchem použití transgenoze byla výroba lidského inzulinu v bakteriích Escherichia coli (1982) a podobným způsobem je dnes připravováno několik set terapeutických proteinů, např. lidských hormonů či vakcín. Známým příkladem jsou u rostlin takzvané Bt plodiny, do jejichž genomu byl vložen gen bakterie Bacillus thuringiensis (odtud Bt), který produkuje toxin účinný proti některým hmyzím škůdcům, který je však neškodný pro jiné živočichy. Takto vytvořené odrůdy kukuřice jsou rezistentní vůči larvám můry zavíječe kukuřičného, které dokáží v teplejších oblastech (např. Španělsko) zničit velkou část úrody. Použití Bt plodin může výrazně snížit použití toxických pesticidů, které jsou v rozvojovém světě aplikovány bez nutných ochranných pomůcek a mohou vést k řadě vážných onemocnění. Příkladem je pěstování lilku v jižní Asii, kdy je nutné aplikovat koktejl 4-5 pesticidů v 3-5denních intervalech. I přes nadšené reakce farmářů však dosud není pěstování Bt lilků ve většině zemí jihovýchodní Asie, vyjma Bangladéše, povoleno.

Pohled na geneticky modifikované plodiny se vyvíjí. Část odborné i laické veřejnosti přistupuje k tématu změn dědičné informace obezřetně. Tento názor je logický, pramení však často z neznalosti nebo je vytvářen na základě neodborných či přímo manipulativních zdrojů. Proto bych rád závěrem zmínil některé nejčastěji uváděné obavy a posoudil jejich racionalitu. Řada odborníků z řad ekologů považuje geneticky modifikované plodiny za významné riziko pro životní prostředí a genofond populací volně žijících druhů. Toto je založeno na předpokladu, že může dojít k přenosu dědičné informace mezi plodinou a volně žijící příbuznou rostlinou, která pak získá nové vlastnosti a bude se v přírodě šířit. Asi nejčastěji je zmiňována možnost přenosu genu rezistence vůči herbicidům. Je nutno uvést, že toto je reálná možnost, která se však výrazně liší pro jednotlivé druhy a regiony. U nás prakticky nehrozí pro většinu plodin, např. obilniny, kukuřici, brambory, rajčata, papriky a podobně, protože se tyto druhy u nás nekříží s divokými druhy. Riziko naopak existuje například u řepky olejky, která má v západní Evropě divoké příbuzné. Toto riziko by tedy mělo být posuzováno jednotlivě pro různé plodiny a typy modifikací. Časté jsou obavy o zdraví v důsledku konzumace geneticky pozměněných plodin. Jakkoliv jsou takovéto obavy pochopitelné, tak zcela postrádají oporu v realitě. Geneticky modifikované plodiny patří k těm nejvíce sledovaným, za více než 20 let jejich používání však není znám jediný věrohodný příklad, kdy by takováto plodina způsobila konzumentovi vážné zdravotní problémy či dokonce smrt. Naopak, přijetí geneticky modifikovaných plodin by mohlo výrazně přispět k ochraně zdraví a životního prostředí. Situace například z Bangladéše vyvrací rozšířený názor, že z takovýchto plodin budou bohatší pouze nadnárodní firmy, protože pěstování Bt lilku zvedlo nuzné zisky chudých farmářů na dvojnásobek. V současnosti se trh s geneticky modifikovanými plodinami dynamicky rozvíjí a na mnoha místech se upravují legislativní pravidla. Některé oblasti, jako je Severní Amerika (USA, Kanada), Čína a překvapivě také Rusko, mají na použití geneticky modifikovaných plodin liberální pohled, a tak získávají na tomto novém trhu v mnoha rovinách cenné zkušenosti a potenciální výhodu do budoucna. Evropská unie se k zavádění GMO naopak staví zdrženlivě a trh je regulován výrazně přísněji než ve výše uvedených zemích. Následkem toho již řada velkých šlechtitelských firem přesunula tento typ činnosti mimo Evropskou unii a pro menší šlechtitele prakticky nemá smysl do tohoto segmentu investovat. Otázkou zůstává, nakolik je tento postoj Evropské unie dlouhodobě udržitelný, protože oslabuje schopnost produkovat dostatek kvalitních potravin. Navíc by tím Evropa prakticky opustila celý nový sektor moderní ekonomiky a stala by se šlechtitelským skanzenem.

Autor:
Mgr. Aleš Pečinka, Ph.D.
Ústav experimentální botaniky AV ČR a Centrum regionu Haná pro biotechnologický a zemědělský výzkum, pecinka@ueb.cas.cz

Celý článek ke stažení v pdf zde: Pečinka, NB 2020/1

Další zajímavé informace z vědeckého výzkumu si přečtete v sekci Bonusy on-line nebo v tištěné či e-verzi časopisu Nová Botanika.

Objevujte praktické zajímavosti z výzkumu rostlin

s časopisem Nová Botanika

O nás

O časopise

Předplatné