Proč se vědci zaměřili zrovna na genom pšenice?
Patří mezi nejzákladnější zemědělské plodiny, živí lidstvo. Pěstuje se na největší části obdělávané plochy, poskytuje více než pětinu kalorií a bílkovin, v některých zemích to může být až polovina. Její role při výživě lidstva je nezastupitelná. Lidí na zeměkouli však přibývá a blíží se okamžik, kdy pšenice nebude stačit. Je třeba šlechtit ještě výnosnější odrůdy, které se budou umět přizpůsobit současnému klimatu. Šlechtění klasickými technikami už musí být doplněno novými moderními technikami, které však můžeme uplatnit pouze tehdy, pokud známe dědičné informace. A to se nyní stalo.
Je to dosud největší sekvence DNA přečtená vědci?
Ne tak úplně, některé organismy mají dokonce větší dědičnou informaci, patří mezi ně třeba borovice. Ale je důležité říct, co rozumíme slovem přečtená. Dnešní technologie umožní "přečíst" cokoliv, záleží jen na tom, kolik máte peněz. Genom se čte po malinkých částech a čím víc jich budete chtít přečíst, tím víc to bude stát. Problém spočívá v tom, jestli sekvenci sestavíte tak, aby odpovídala pořadí písmen dědičného kódu tak, jak jsou v genomu uspořádané.
Jak si to máme představit?
Je to podobné, jako když mám v knize text, který se skládá z vět a kapitol. My umíme přečíst velmi krátké úseky genomu. Takže si představte, že byste rozstříhala text na 150písmenkové kousky, smíchala je a váš úkol je sestavit je zpátky tak, aby věty šly správně za sebou. Čili problém je sestavit sekvenci genomu. A pšenice je zdaleka největší genom, který kdy byl v této kvalitě přečtený, a tím rozumíme i sestavený.
Proč je to sestavení tak důležité?
Kdybych vám dal směs kousíčků z knihy o sto padesáti písmenkách, tak byste si nepočetla. Nedostala byste informaci, která v knize je - například návod na fungování nějakého přístroje. To přirovnání sedí, protože dědičná informace je instrukce pro organismus, jak má vypadat buňka, tělo organismu, jak má růst, reagovat na vnější podmínky, kdy má začít rostlina kvést, vytvářet semena, jak je má vytvářet. To vše musí být v dědičné informaci zapsané.
Takže teď u pšenice známe na toto všechno odpověď díky tomu, že jste přečetli genetický kód?
V principu ano, ale je to s výhradami. Odpověď máme napsanou, ale nerozumíme funkci některých částí toho textu. A to je další etapa studia, kdy se budeme zabývat tím, jak dědičná informace rostlinu skutečně ovlivňuje. O některých částech už víme, ale je jich minimum. To vše už je ale mnohem jednodušší než gigantický úkol, kdy jsme museli přečíst několik miliard písmen a sestavit je za sebou. Navíc, v této oblasti možná ještě zůstávají bílá místa - odhaduje se, že to, co jsme dokázali v konsorciu s vědci ze zahraničí, představuje 90 až 95 procent dědičné informace pšenice. Rozhodně to není 100 procent, to nemáme ani u člověka.
Když máte výsledek v rukou, co to znamená? Jak dlouho bude trvat, než se začnou výsledky uvádět do praxe? Než začne vznikat třeba geneticky modifikovaná pšenice?
Genetické modifikace Evropa opět pohřbila. Přestože jednoznačná budoucnost moderních technik šlechtění je genová editace pomocí metody CRISPR-Cas, Evropský soudní dvůr nedávno řekl, že se musí řídit přísnými regulacemi. Zatímco v USA dostala metoda zelenou, Evropě bohužel ujíždí vlak. Genové editace jsou přitom naprosto cíleným, přesným zásahem. Na rozdíl od mutantů získaných klasickým technikami, tedy radioaktivním zářením nebo chemomutageny. Takže geneticky modifikovaná pšenice je asi v nejbližší době iluze.
A co další využití?
Je obrovské. Najednou máme dědičnou informaci organismu, jsme schopni najít oblasti, které odpovídají za určité vlastnosti, můžeme izolovat geny. Pokud jsou to geny, které odpovídají za určitou vlastnost, je to dálnice k tomu, abychom rychle vyšlechtili odrůdy odolné vůči některým chorobám a škůdcům. Už dnes se podílíme na izolaci mnoha genů.
O jaké geny třeba jde? Jak by se mohla pšenice vylepšit?
Moderní odrůdy pšenice jsou nízké, polozakrslé. Taková pšenice šetří energii, nevydává ji na růst rostliny, ale ukládá ji v semenech, takže je výnosnější. Tyto odrůdy mají odmalička zpožděný vývoj. Problém je, že rostou pomalu. Kolegové v Austrálii zamapovali gen, který má podobný efekt. Bude to polozakrslá pšenice, ale ten efekt se dostavuje později, na začátku rostlina roste rychle. Takže na jaře, kdy je ještě vláha, se rostlina rychle vyvine, vyroste víc a sucho pak na ni nebude mít takový negativní dopad.
Co dalšího nám genetická informace rozkrývá?
Článek zmiňuje gen, který odpovídá za to, jestli je stéblo plné nebo duté. To má zásadní význam pro zabránění poléhavosti, a dokonce brání infekci tím druhem hmyzu, jehož larvy se vyvíjejí uvnitř stébla. Také jsme popsali geny pro zásobní proteiny - ty, na které někteří lidé reagují celiakií, pekařským astmatem nebo podobnými příznaky.
Takových genů bylo v sekvenci identifikováno přes 300, z toho 120 nově. To umožní diagnostikovat odrůdy, takže budeme mít lepší představu o tom, jak na ně mohou lidé reagovat. Snad by to také mohlo dát naději upravit sekvence genů tak, aby proteiny postrádaly oblasti vyvolávající alergickou reakci a zároveň si zachovaly vlastnosti co do pekařské kvality. Možností je celá řada. Je to, jako kdybyste v místnosti rozsvítila. Najednou víme, co v dědičné informaci je.
Genetická modifikace je bez rizika
O genetické modifikaci mluvíte pozitivně, nemá však v sobě skrytá úskalí? Když řeknete laikovi o genetické modifikaci, představí si mutanty, zhrozí se…
Není tam žádné riziko, zejména u moderních metod genové editace. To, co se vyčítalo klasickým technikám genetických modifikací, bylo, že v dědičné informaci zůstaly vnesené části sekvencí, které tam dřív nebyly. Mohly tam být části, které umožnily třeba rezistenci vůči antibiotikům. Techniky genomových editací skončí jako "čistý výsledek" a neexistuje technika, kterou byste dokázala, že došlo k jiné změně než té, kterou jste zamýšlela.
Dá se říct, že se takto modifikované organismy neliší od spontánních mutací, k nimž dochází normálně v našem těle. Navíc, mutanty běžně používáte, klasickým příkladem jsou naše ječmeny, které získáte ozářením zubařským rentgenem. Máme spoustu odrůd pšenice, které obsahují cizorodou dědičnou informaci, která se tam dostala z žita, nikomu to nevadí, chleba jíme denně.
Kdo bude uvádět vaše poznatky do praxe? Bude se tím zabývat vaše aplikační laboratoř, která vznikla loni?
Chceme se rozhodně podílet na tom, že budou výsledky dál použité v praxi. Dnešní šlechtitelské podniky si uvědomují, že bez molekulárních technik se bude šlechtění pohybovat mnohem pomaleji, možná nebudou konkurenceschopní. Protože máme techniky zavedené a máme přístroje, ustanovili jsme aplikační laboratoř určenou pro přenos poznatků, ale i pro školení šlechtitelů, máme společné projekty. Ve všech oblastech nejnovější poznatky používáme. V Česku situace začíná vypadat dobře, ve světě už šlechtitelské firmy tyto techniky používají.
A kdo se chytil nových poznatků o pšenici?
Nerad to říkám, ale bude to pomalejší. Máme u nás úspěšné firmy, které se zabývají šlechtěním pšenice, ale jsou relativně malé a některé metody přeci jen vyžadují investice a větší rozsah experimentů. Zrovna u pšenice to nevidím na rozsáhlé aplikace. Spousta šlechtitelských firem je ze zahraničí a dělají výzkum u sebe. Ale spolupracujeme s celou řadou velkých zahraničních firem a univerzit se šlechtitelským programem. Dnes jsme možná vytíženější než v průběhu projektu sekvenování genomu pšenice. Dnes se podílíme na víc než desítce projektů, kde izolujeme geny odpovědné za důležité vlastnosti, většinou jsou to choroby.
Nejtěžší bylo genom sestavit
Co bylo na celém procesu přečtení genomu nejtěžší?
Právě jeho sestavení. V době, kdy mezinárodní vědecké konsorcium vznikalo, zhruba od roku 2003, se primární diskuse vedly o tom, jestli je vůbec něco takového reálné. Panoval jednoznačný názor, že to, co jsme dnes dokázali, není reálné. Že není možné získat sekvenci genomu pšenice.
Právě proto, že je těžké informace sestavit…
Ano. Kousíčky jsou si totiž navzájem podobné. Genom pšenice je tak velký i proto, že se skládá ze tří takzvaných subgenomů. Normální rostlina má jeden genom, ale pšenice má tři. To proto, že postupně vznikla křížením tří různých druhů trav, které přinášely svou dědičnou informaci. Pšenice má všechny tři balíky tří prarodičů v sobě. Sestavení bylo alfa a omega.
A v tom jste přispěli právě vy, jako vědecká skupina z Olomouce?
Ano, jednoznačně. Už jsme uměli rozdělit genom na chromozomy, tak jsme navrhli, že se mohou sekvenovat každý zvlášť, pšenice jich má dvacet jedna. Tím jsme tu pomyslnou knihu rozdělili na dvacet jedna kapitol, takže nebylo pochyb, zda je sekvence z kapitoly jedna nebo dva. Máme z jednání krásné poznámky. Jeden z manažerů, který inicioval sestavení konsorcia, řekl, že po shlédnutí mé přednášky začíná věřit tomu, že je projekt reálný. Pak projekt začal, byla vybraná naše chromozomová strategie, okolo ní byly diskuse, ne všem se to líbilo.
Proč se jim to nelíbilo?
Hlavní účastníci byly bohaté státy - USA, Kanada, Velká Británie, Francie, Německo - a ne všem se líbilo, že bude projekt postavený na něčem, co vzniklo v České republice. Bylo náročnější si to obhájit.
Čím jste je přesvědčil?
Snažím se být komunikativní a ukazovat reálné výsledky. Hodně nám pomohlo, že jsme byli z dřívější doby v kontaktu se skupinou ve Francii, a s nimi jsme udělali první experiment, kdy jsme ukázali, jak by se dalo postupovat.
Když se vrátíme úplně na začátek, jaká byla počáteční kapitola příběhu?
První setkání s vědci z "mapovacího" konsorcia bylo v roce 2003 ve Washingtonu. Diskutovalo se o tom, zda by se měla pšenice sekvenovat, pokud ano, tak jaká pšenice a jakou technikou. Iniciovali to ti, kteří studovali genetiku pšenice, zabývali se dědičností, genetickým mapováním a podobně. Celá komunita došla k názoru, že by sekvenci pšenice potřebovala.
Bylo to v době, kdy už byla hotová sekvence huseníčku rolního jako modelové rostliny a první verze rýže. Pak proběhla další dvě setkání této iniciativy a roku 2005 jsme měli v Montaně zakládající jednání, od té doby počítáme vznik konsorcia. Měl jsem to štěstí, že jsem byl s komunitou na začátku a už v roce 2000 jsme vypracovali metodu izolace pšenice, takže my jsme byli nachystaní. Když jsem dostal pozvání na tato jednání, snažil jsem se jim naše metody představit.
Popsali jste také genom ječmene, prý popisujete i žito. Kdy bude hotovo?
Žito má jen jeden genom, ale je zdaleka největší, má osm miliard písmen. Komunita, která se věnovala sekvenování ječmene a pšenice, měla žito v hledáčku také a přišel na něj čas. Výhodou je, že už máme všechny zkušenosti, které jsme nabrali při sekvenování genomu ječmene a pšenice, takže projekt jde velmi rychle dopředu. Publikovali jsme pracovní verzi genomu sekvence žita kolem roku 2011 a do této doby je to jediná, nejkvalitnější sekvence genomu žita, která existuje. Identifikovaly se geny, byly lokalizovány na jednotlivé chromozomy, to poskytlo velmi cenný nástroj pro využití molekulárních metod šlechtění.
Úplná sekvence je cílem relativně nového konsorcia. Kromě sekvenování chromozomů a izolace, což už jsme použili, máme velmi moderní metodou, které se říká optické mapování. To nám pomáhá sestavovat krátké úseky DNA do velkých a dlouhých úseků. Žito je v podstatě osekvenované a koncem roku nebo příští rok určitě bude publikovaná sekvence genomu žita. Takže trojice základních obilovin bude přečtená. Mám z toho radost, je to pro všechny krásné období.
