Vědci z Přírodovědecké fakulty UK popsali, jakým způsobem se rostliny přizpůsobují toxickým půdám. „Zjistili jsme, že rostliny s duplikovanými genomy s oblibou využívají již dříve vyzkoušené genetické varianty, zároveň ale umí tvořit mutace i zcela nové, které jim přináší funkční výhody,“ říká Veronika Konečná, první autorka nové studie publikované v časopise Nature Communications.
Modelová rostlina huseníčku rostoucí na hadcové lokalitě v Rakousku. Foto: Doubravka Požárová.
„Evoluci přizpůsobení toxickému prostředí si lze představit jako kuchařku, která využívá již odzkoušené recepty (genetické varianty), jež se ukázaly jako úspěšné. Když se ale změní strávník (dojde ke změně podmínek prostředí), je potřeba experimentovat a přijít s novým receptem, mutací, který se může stát ještě úspěšnější než ty předchozí. Zjistili jsme, že organismy s duplikovanými genomy mají dostatek ingrediencí, tedy genetické variability, aby mohly takto kuchařsky experimentovat,“ přirovnává Konečná výsledky nové studie publikované v renomovaném odborném časopise Nature Communications.
Ze vzácných hadcových lokalit
Vědecký tým Evoluční genomiky pod vedením Filipa Koláře z katedry botaniky Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy spolu s dalšími kolegy z Česka, Anglie a Švýcarska zkoumal přizpůsobení rostliny huseníčku toxickému prostředí hadcových půd. Hadec je metamorfovaná hornina, jež vznikla za mimořádně vysokých tlaků a teplot. Výskyt hadcových lokalit je ale poměrně vzácný a v krajině se vyskytují jako izolované oblasti, v ČR se nachází například na jihu Čech, v přírodní rezervaci Dolnokralovické hadce u Želivky, v okolí Mohelna nebo Šumperka. Větší hadcové oblasti lze nalézt na Balkáně nebo v Kalifornii.
Hadcový bor — místo výskytu planě rostoucích huseníčků. Foto: Doubravka Požárová.
„Pro hadcové půdy je typický zvýšený obsah těžkých kovů a hořčíku, a naopak kritický nedostatek vápníku, což pro rostliny představuje opravdovou výzvu – musejí se přizpůsobit, aby tam mohly přežít,“ vysvětluje pro Forum první autorka studie. Hadcové lokality jsou prý často poznat na první pohled: „Bývají tam viditelné skalky a svahy hadcových lokalit jsou často vystaveny erozi. V oblasti bývá sucho a rostliny se krom těžkých kovů, především niklu, kobaltu, chromu, musí vyrovnávat i s nedostatkem vody. Vegetace je obecně chudá, často tam rostou borovice a specifické druhy rostlin, jako například kapradina sleziník hadcový.“
Hadcové půdy se v krajině vyskytují izolovaně, což vědcům umožnilo studovat různé populace huseníčku. „Tyto izolované ostrovy nám slouží jako přírodní laboratoře, ve kterých opakovaně a nezávisle probíhá adaptace planě rostoucích populací huseníčku toxickým hadcovým půdám,“ vysvětluje Veronika. Vědci nejprve pomocí klasických ekologických pokusů zjistili, že hadcové rostliny (na fotografii vpravo) oproti kontrolním nepřizpůsobeným rostlinám v toxických hadcových půdách rostou mnohem lépe. „Zjistili jsme, že přizpůsobené hadcové rostliny se vypořádávají s těžkými kovy tak, že je dokáží vylučovat,“ líčí vědci.
Pomocí dalších genomických metod identifikovali 61 genů pravděpodobně zodpovědných za toto přizpůsobení toxickým půdám: „Pro to, abychom mohli ověřit, že dané genetické varianty či konkrétní geny jsou opravdu důležité pro hadcovou adaptaci – jsou pod takzvaným přírodním výběrem, je potřeba je nalézt u několika nezávislých populací. Pokud dojde k výběru stejných genů opakovaně, není to náhodou, ale je za tím konkrétní evoluční proces, čemuž se říká paralelní přizpůsobení.“
Otázkou výzkumů bylo i to, jaké zdroje genetické variability huseníček pro efektivní přizpůsobení toxickému prostředí využívá. „Potvrdili jsme předpoklad, že huseníček využívá bohatou genetickou variabilitu plynoucí ze svého polyploidního (zdvojeného) genomu – využívá již dříve ověřených fungujících genových variant – proč by znovu ‚vynalézal kolo‘? Překvapením ovšem bylo, že kromě již odzkoušených variant huseníček využívá i nových mutací, které vznikají nezávisle a přinášejí mu funkční výhody, například lepší využití vápenatých iontů,“ popisuje vědkyně z PřF UK.
Část výzkumného týmu při terénních sběrech (zleva): Magdalena Bohutínská, Levi Yant a Veronika Konečná. Foto: Filip Kolář, PřF UK
V dalších výzkumech chce tým Evoluční genomiky najít linku mezi genetickou informací a konkrétními způsoby přizpůsobení. „Jako v každém výzkumu i zde zůstávají nezodpovězené otázky. My jsme teď identifikovali seznam kandidátních genů pro adaptaci, ale nevíme, zda jsou tyto geny skutečně zodpovědné za fitness rostlin – zda zvyšují schopnost organismu získat výhodu oproti konkurentům a lépe se tak přizpůsobit prostředí; tomu se teď budeme dále věnovat,“ nastiňuje doktorandka Veronika Konečná.
