Kolik druhů rostlin znáš?
Maria Logacheva je bioložka, kandidátka biologických věd, docentka ve Skoltech Center for Life Sciences, specialistka na genetiku rostlin. Rozhovor byl zveřejněn jako součást série „Conversations for Life“, společného mediálního projektu Skoltech, Russian Science Foundation a Naked Science.
Marii Logačevovou. Zdroj: Evgeny Gurko
– Maria, ahoj! Existuje názor, že evoluce funguje jako opilý instalatér: systém se nerozpadá – a to je v pořádku. jaký z toho máš pocit?
— Máte na mysli, že mnohé struktury a fungující mechanismy, které vznikají jako výsledek evoluce, nejsou optimální? Ano, skutečně je to tak. Pokud se uchýlíte k vtipným přirovnáním, můžete si vzpomenout na vtip o dvou lidech, kteří utíkají před medvědem, a je důležité běžet ne rychleji než medvěd, ale rychleji než váš přítel.
Abyste byli evolučně úspěšní, nemusíte být nejúspěšnější. Musíte být lepší než vaši konkurenti. To se stane. Ve skutečnosti však některé struktury a mechanismy mohou z našeho pohledu vypadat neoptimálně.
Například mnoho rostlin má neuvěřitelně velké genomy. Lidský genom má velikost přibližně tři miliardy nukleotidů, u rostlin je obvykle pětkrát větší. Rekord je 150 miliard nukleotidů, což je 50krát více než lidský genom.
A upřímně řečeno, na tak velkém genomu není nic dobrého. Je tam spousta prvků, bez kterých se snadno obejdete. Z velké části takovou velikost genomu zajišťují takzvané mobilní prvky, které jsou příbuzné virům, to znamená, že jde o stopy po nějakém virovém útoku, který zažili vzdálení předkové těchto organismů.
Mobilní elementy existují semiautonomně – jsou umístěny v genomu, lze je aktivovat, produkovat proteiny a jejich genetické kopie, které se v budoucnu také integrují do genomu, ale obecně je tělo nepotřebuje.
— Takže to prostě není vyčištěná informace?
– Vlastně ano. Některé mobilní prvky ale mohou být pro člověka užitečné. Pokud se mobilní prvek integruje do genu, zabije gen a rostlina se stane mutantem. Některé z těchto mutantů potřebují chovatelé. Například jedna rostlina má plody, které opadávají, a to je pro nás špatné, protože nám to neumožňuje efektivně sklízet. Pokud narušíte gen, který je zodpovědný za padání plodů, přirozeně padat přestanou. To není dobré pro rostlinu, ale je to dobré pro lidi, kteří chtějí jíst plody rostliny.
— Jsou mobilní prvky jediným důvodem, proč se rostlinný genom zvětšuje do obscénních velikostí?
– Je tu ještě jeden. Kromě transponovatelných prvků rostliny velmi rády zdvojují svou DNA – tomu se říká celogenomová duplikace. To je pro zvířata destruktivní. Člověk nebo myš, jakýkoli savec s takovým zdvojnásobením se s největší pravděpodobností ani nestihne narodit, zemře v prenatálním období, a pokud se narodí, bude žít špatně a krátkou dobu. Když má člověk jen jeden chromozom 21 navíc, je mu diagnostikován Downův syndrom. A pak je tu duplikace celého genomu – kdy se každý chromozom zdvojnásobí.
Rostliny s celogenomovou duplikací se však naopak stávají odolnějšími – díky tomu se mohou lépe přizpůsobit podmínkám prostředí. Například jednou z pěti nejběžnějších rostlin na Zemi je pastýřský měšec. Vyskytuje se na všech kontinentech a téměř ve všech klimatických pásmech. A pastýřská peněženka toho dosáhla pomocí duplikace celého genomu.
— Nebo možná počet genů naopak klesá?
— Ano, tento proces se nazývá redukční evoluce. To je velmi časté u rostlinných i živočišných parazitů. Paraziti jsou zcela nebo během některých fází svého životního cyklu závislí na svém hostiteli, takže se mohou snadno zbavit fragmentů genetických sítí, které volně žijící organismus potřebuje. Tímto způsobem získávají paraziti selektivní výhodu – nemusí plýtvat zdroji na replikaci extra DNA, expresi genů nebo produkci proteinů. Zdá se, že vyhazují zbytečné odpadky a díky tomu se mohou rychleji množit.
Další příklad. Když lidé myslí na rostliny, často myslí na něco zeleného. Zelená je chlorofyl, chlorofyl je fotosyntéza. To znamená, že rostlina a fotosyntéza jsou pro nás prakticky synonyma. Zároveň ale existují rostliny, asi 1–3 % z nich, které se zbavily fotosyntézy. Žijí buď parazitováním na jiných rostlinách, přichycují se k nim, pronikají do jejich vodivého systému a jakoby vysávají živiny, nebo symbiózou s houbami. A nemají celý ten obrovský počet genů, které produkují proteiny nezbytné pro fotosyntézu.
Díky této schopnosti si dokážou podmanit stanoviště, která jsou pro běžné fotosyntetické rostliny zcela nepřístupná, protože jsou temná. Je ale jasné, že jde o slepou uličku, protože jakmile se zbavíte takto složitého symptomu, už ho nevrátíte. To znamená, že je to jednosměrná jízdenka.
— Maria, řekni mi, proč tak pečlivě studuješ genom pohanky? Co se snažíte zjistit a jak nám tyto informace pomohou v budoucnu?
— Protože je to za prvé velmi složité. Rád bych se na něj nemusel tak dlouho soustředit, ale to je jaksi nemožné. Například všichni vědci zabývající se genetikou rostlin mají modelový objekt – Arabidopsis thaliana (můra Thalova – pozn. aut.), jeho genom byl zveřejněn před více než 20 lety, ale je pravidelně aktualizován. Nyní byla zveřejněna desátá verze tohoto genomu – vždy se objeví nějaké drobné chyby nebo nepřesnosti. A to se děje s genomy všech rostlin. Je nemožné dokonale sestavit jakýkoli genom najednou.
Podle rostlinných standardů není genom pohanky příliš velký, ale genom pohanky obsahuje mnoho transponovatelných prvků. Jsou nedávné, a pokud ano, jsou si navzájem velmi podobné. A to vytváří problémy pro programy, které sestavují genom.
Proč je vůbec tak těžké sestavit genom? Pokud bychom měli pouze jedinečnou sekvenci, nějaký kousek, který se v genomu vyskytuje jednou, pak by to bylo mnohem jednodušší. To ale v přírodě neexistuje. Místo toho existuje spousta sekvencí, které vypadají úplně stejně, ale nacházejí se na různých místech genomu. Assembler se snaží poskládat tyto kousky dohromady jako puzzle a zastavuje se znovu a znovu. Představte si, že v této hádance máte spoustu stejných věcí. Řekněme, že sbíráte oblohu a jsou na ní mraky a tyto mraky jsou úplně stejné. A vy nevíte, co s čím spojit.
Když sběratel na takové „mraky“ narazí, musí sestavu buď rozbít – a to bude spravedlivé, protože si nemůžeme být jisti, že tento „mrak“ by měl být v tomto rohu „nebe“ a ne v tomhle – nebo může pokračovat v sestavování, ale pak riskujeme vytvoření mnoha chybných spojení.
Za druhé studujeme genom pohanky, protože pohanka je velmi zajímavá z hlediska svého postavení v systému kvetoucích rostlin. Je izolován z jiných plodin, které jsou hodně studovány, především z obilovin: pšenice, žito, kukuřice, ječmen. Všechny tyto obiloviny jsou blízcí příbuzní. A když se o některé z kultur něco dozvíme, automaticky tyto znalosti přeneseme na její příbuzné. Ale pohanka je velmi daleko a není blízká nikomu, kdo nebyl dobře prostudován.
Za třetí studujeme genom pohanky, protože je to pro naši zemi velmi důležitá plodina. Možná jste si toho všimli: když začal Covid, všichni se okamžitě vrhli na nákup pohanky.
— A čím lépe porozumíme struktuře pohanky, tím efektivněji ji můžeme vylepšit?
— Ano, protože nyní na jedné straně velmi aktivně chováme pohanku, ale na druhé straně selekce není založena na moderních molekulárních metodách, a proto je proces delší a méně předvídatelný. Proč to nepoužívají? Protože ve skutečnosti o pohance víme málo.
A v takové situaci je vlastně jediné, co lze udělat, je křížit rostliny a podívat se na potomstvo, posoudit stav znaku, který nás zajímá, a pak s ním pracovat. A pokud známe molekulární základ pohanky, pak můžeme přijít na to, jaká rostlina bude v mnohem dřívější fázi.
– Jaká je ona, pohanka našich snů?
— Nejprve je třeba říci, že pohanka není pšenice, která má jeden kompaktní klas, na kterém květy kvetou víceméně současně a semena se tvoří současně. Pohanka je vysoká odnožující rostlina, jejíž doba květu je velmi prodloužená, proto semena spolu nedozrávají. A bez ohledu na to, kdy sklidíte, sklidíte, no, pět procent, víc ne.
Pohanka je také cizosprašná a opylovaná hmyzem. Na jednu stranu je to skvělé, protože nám to dává med. Na druhou stranu se stáváme závislými na rozmarech počasí a včelách, ale na tomto bychom záviset nechtěli. Vysněná pohanka proto musí být samosprašná, krátká, ale pevná, kompaktní a společně dozrávající.
V současné době se v tomto směru aktivně pracuje. Spolupracujeme se skupinou chovatelů z Federálního vědeckého centra pro luštěniny a obiloviny a doufám, že to přinese praktické výsledky.
— Předtím jste říkal o rostlinách, které se neuchylují k fotosyntéze. Můžeme vylepšit genom pohanky, abychom ji pěstovali třeba někde pod zemí?
– Být nefotosyntetickou rostlinou není moc dobré. Na jednu stranu to samozřejmě není špatné – nepotřebujete světlo, na druhou stranu problém nezmizí: energie je potřeba, jen je pro většinu rostlin zdrojem energie světlo a pro nefotosyntetické rostliny – jiné rostliny nebo houby. A pak budeme potřebovat rostlinu, nebo budeme potřebovat houby, nebo něco jiného jako externí zdroj energie.
Většina nefotosyntetických rostlin je navíc malá, protože parazitismus nemůže produkovat velkou biomasu. Mají spoustu semínek, ale jsou malá a prašná.
— Takže vy a vaši spolupracovníci sestavujete genom pohanky. Co dělají kolegové z jiných zemí? Existují nějaké obecné trendy v moderní molekulární biologii?
— Dříve byl příběh takový: máme nějaké druhy, které nás zajímají, například ovocné mušky, Arabidopsis nebo člověk – dáme mu genomovou sekvenci, bude to velký a důležitý úspěch. V roce 2003 byl zveřejněn lidský genom a jedním z nejneočekávanějších závěrů bylo, že obecně z něj nelze vyvodit závěry, které by člověk chtěl dělat. To je jen základ, odkaz, ke kterému potřebujeme přidat poznatky o genové aktivitě (profilu exprese) v různých tkáních, orgánech, v různých fázích vývoje, o diverzitě – protože rozdíly, byť ve zlomku procenta, jsou velmi důležité.
Bílí Evropané sekvenovali genom a vzali genom bílých Evropanů a kromě nich na planetě žije mnoho dalších lidí. Lidské genomy se mohou lišit v počtu genů, jejich složení a podrobnostech regulace.
A to vše se nyní aktivně studuje. To znamená, že vědci se snaží rozšířit vzorky v rámci jednoho druhu. Celosvětovým trendem je rozšiřování znalostí na základě existujících znalostí.
— Je to vidět i na průsečíku molekulární biologie a botaniky?
– Ano. Dříve jsme určili posloupnost druhů, o které jsme měli zájem, napsali článek do Nature – a to byl úspěch. A nyní se vědci snaží vybrat skupiny, které jsou nějakým způsobem kontrastní. Hovoříme-li například o pěstovaných obilninách, mnohé z nich se liší dobou květu: některé (tzv. ozimé obilniny) vyžadují období chladu: přečkají zimu a poté vyklíčí a vykvetou. A některé mohou být zasety na jaře a budou se vyvíjet a kvést normálně. Abychom lépe pochopili, jak je to řízeno, musíme tyto dvě kontrastní skupiny porovnat.
Vezmeme-li jen jednu z nich, pak s největší pravděpodobností nepochopíme nic – tedy pokud nebudeme mít neuvěřitelné štěstí, že se některá z našich hypotéz potvrdí. Pokud tomu tak není, pak musíme studovat více druhů, které se liší v nějaké vlastnosti, která nás zajímá. Některé druhy mohou například tolerovat extrémní stresové podmínky, jako je vysoká úroveň slanosti půdy, zatímco jiné ne. Jejich srovnáním lze pochopit, proč jsou toho schopni ti, kteří snášejí extrémní podmínky, díky jakým genům a vlastnostem jejich aktivity. A pak se to může genetickou modifikací přenést na jiné druhy.
Jde o poměrně složitý a zdlouhavý proces, protože rostlin existuje asi 300 000 druhů a každá z nich je v něčem jiná. Liší se od sebe mnohem více než třeba člověk od myši. A co funguje na jednoho, není fakt, že to bude fungovat na druhého. S největší pravděpodobností to určitě nepůjde, protože mnoho rostlin má své reprodukční vlastnosti, vlastní stavbu květenství a vlastní schopnost regenerace.
— To znamená, že obecným celosvětovým trendem na průsečíku molekulární biologie a botaniky je srovnávání různých rostlinných druhů.
– No, personalizace. Existuje takový koncept – pangenom. Dříve vědci uvažovali takto: pojďme určit genom – a budeme šťastní. A teď říkají, že zaprvé neexistuje jen genom, ale také transkriptom – ukazuje úroveň genové aktivity. Některé geny fungují po celý život, jiné se zapnou pouze v přesně definovaných časech a spouštějí procesy, které jsou v těchto obdobích potřeba. Například se prodlužuje délka dne – a něco cvakne, jakýsi spínač a spustí se geny, které vedou ke kvetení rostliny. Abychom pochopili, jak se to děje, potřebujeme podrobnou mapu aktivity genů během různých životních fází různých orgánů v těle.
Kromě toho existuje u každého druhu velká rozmanitost ve struktuře genomu. A vytvoření takového úplného, podrobného obrazu, porovnání genomů různých organismů, se nazývá pangenom. A to je nyní převládající pojem, prostupuje všechny oblasti vědy. Budují se pangenomy bakterií, pangenomy ječmene, pangenomy pšenice. Samozřejmě existuje spousta podobných prací i o zvířatech.
— Jaká díla vašich domácích a zahraničních kolegů stojí nyní za pozornost?
— Mluvíme-li konkrétně o genomice, zvláště pangenomech, pak, jak se říká, Bůh je na straně velkých praporů. V této oblasti existují velká konsorcia, kde příspěvky jednotlivých autorů nemusí být tak výrazné. Poznamenal bych ale práci kolegů z laboratoře Pavla Pevznera. Se svým týmem vytvořil sestavovač genomu – SPAdes, který vyvíjí a přizpůsobuje se novým technologiím. Mnoho významných prací o získávání nových genomových sekvencí nebo o pangenomickém srovnání, o srovnání mnoha genomů v rámci jednoho druhu, o technickém zdokonalování, vylepšení stávajících referenčních sekvencí jsou právě práce s jeho účastí nebo práce jeho studentů a spolupracovníků.
Maria Logacheva v kampusu Skoltech. Zdroj: Evgeny Gurko
– Když se posuneme o několik desetiletí dopředu, co bude lidstvo schopno dělat s pomocí molekulární biologie například v medicíně a zemědělství?
– Zde je samozřejmě zřejmá odpověď, kterou dává každý, a já se jí také nevyhnu – editace genomu bude široce používána. To potenciálně umožňuje dělat věci, které se donedávna zdály nemožné, totiž léčit dědičné choroby. To znamená, že můžeme upravit nějaký nukleotid, který způsobuje nepříznivý stav, a vytvořit normální verzi genu. To je potenciál, ale nyní bohužel existuje mnoho překážek pro použití této technologie pro terapeutické účely pro lidi.
Za prvé, je obtížné dodat editační systém do konkrétní buňky. Systém se skládá z proteinu a RNA: protein štěpí DNA a RNA jakoby říká tomuto proteinu, kde má štěpit DNA. To vše zní jednoduše, ale aby tento systém fungoval, musí být doručen do jádra. A jádro je v buňce. A pokud mluvíme o člověku, který se narodil, pak samozřejmě nemůžeme upravovat všechny jeho buňky.
A druhý problém souvisí s přesností – mohou vzniknout nejen změny, které chceme provést, ale i nějaké vedlejší. A stane se to, čemu se říká „lék je horší než nemoc“. I když se to všechno samozřejmě zlepší, chtěl bych popřát hodně štěstí kolegům, kteří to dělají. Jsem si jistý, že budou schopni vyvinout tuto technologii. Myslím si ale, že na takový postup půjdou ti lidé, kteří mají ještě horší alternativu.
– A co rostliny?
“Ale s rostlinami je všechno mnohem lepší, protože tady etická komise rozhodně nebude mít námitky a vláda vás za vaše experimenty nedá do vězení.” Celkově vzato se příliš neobáváme, že by se rostlinám mohlo stát něco nepříjemného. A pokud se při hledání požadovaného znamení dotkneme druhých, není to přinejmenším tak kritické jako v případě člověka.
Takže ano, tato technologie je velkým příslibem. A je vysoká pravděpodobnost, že taková technologie bude společností pozitivně přijata. Všichni víme, že mnoho lidí nemá rádo GMO. Bez ohledu na to, jak moc říkáte, že je to všechno bezpečné, no, lidé nemají rádi, když se do genomu stejné nativní pohanky, pšenice nebo něčeho jiného zavádějí cizí geny.
Nová technologie nám umožňuje nepřidávat žádné umělé konstrukty, žádné geny z viru nebo bakterií – pouze provádět změny podobné změnám, ke kterým neustále dochází během evoluce. Editace genů se lidem může zdát jako přirozenější běh událostí.
Škála věcí, které lze změnit, je velmi široká. Ale nejjednodušší věc, kterou lze udělat, je jednoduše vypnout nějaký gen, řekněme, ten, který určuje vylučování semen. V některých případech je naopak možné aktivovat gen a poskytnout mu vyšší úroveň exprese, vyšší úroveň aktivity. Tímto způsobem je dokonce možné vyrobit rostliny odolné vůči antibiotikům bez vnášení těžkých cizích struktur.
Jediná věc je, že je to technicky obtížné. Během příštích dvou let budeme vyvíjet pouze jeden protokol pro takové úpravy. Toto je první fáze: vytvoříme techniku, která umožní dalším vědcům pracovat s geny, které je zajímají. Jinými slovy, naším cílem nyní není vyrobit konkrétní produkt, který by dával větší výnos, ale jednoduše ukázat cestu – jak lze takový produkt vyrobit.
