Česká vědkyně odhalila původ genomu a vývoj důležité plodiny

Terezie Mandáková a její kolegové Milan Pouch a Martin Lysák z výzkumné skupiny Martina Lysáka ze Středoevropského technologického institutu (CEITEC) Masarykovy univerzity odhalili předky a nejbližší příbuzné druhy ekonomicky významné plodiny lničky seté a dospěli k překvapivým poznatkům. Předchozí studie založená na sekvenování genomu ukázala, že genom lničky seté se skládá ze tří subgenomů sloučených hybridizací mezi neznámými rodičovskými druhy. Terezie Mandáková a její kolegové se zaměřili na identifikaci nejpravděpodobnějších rodičovských genomů tohoto hexaploidního druhu a také na rekonstrukci genomové struktury a vývoje všech ostatních známých druhů z rodu Camelina. Nové poznatky o historii genomu rodu Camelina nyní poskytují informace potřebné k prozkoumání možností budoucího šlechtění této starověké a ekonomicky významné plodiny. Unikátní studie Mandákové a jejích kolegů byla publikována v listopadu 2019 v prestižním časopise Plant Cell (IF 8.6) a uvedena také v rubrice In Brief.

Přínosy pro zdraví a ekonomický význam lničky seté

Většina vědců provádí experimenty na modelové rostlině huseníčku rolním (Arabidopsis thaliana) z čeledi brukvovitých. Mandáková a Lysák se rozhodli studovat genomický vývoj rostliny lnička setá (Camelina sativa), ekonomicky významném příbuzném druhu pocházejícím ze stejné čeledi jako huseníček. Lnička setá je starobylá olejnatá plodina, která se v Evropě pěstovala již v roce 4000 před naším letopočtem. Lnička byla jednu dobu jako plodina opomíjena, ale nedávno se díky svým jedinečným vlastnostem začala znovu využívat. Lničkový olej extrahovaný ze semen má velmi vysoký obsah omega-3 mastných kyselin (39 %). Jeho hlavním přínosem je velmi vysoký obsah nenasycených mastných kyselin. Tyto „dobré tuky“ jsou nezbytné pro zdravé fungování buněk v našem těle a vedou například ke snížení rizika srdečních chorob. Lničkový olej má také vynikající účinky na kůži a vlasy, a to díky velkému množství vitamínu E a omega mastných kyselin. Lnička setá je v neposlední řadě známá svými antioxidačními a protizánětlivými vlastnostmi, díky kterým je ideální podporou našeho imunitního systému. Lničkový olej lze použít na vaření, jako čistý olej, potravinový doplněk nebo biopalivo. Tento olej je stále populárnější jako potenciální obnovitelné průmyslové palivo. Lnička setá je mimo jiné známá svou velmi dobrou odolností vůči suchu a lze ji pěstovat téměř všude, což vzhledem ke klimatickým změnám činí tuto rostlinu ještě cennější. Tato rostlina byla rovněž zkoumána s cílem vyvinout olej pro tryskové palivo a další vysoce hodnotné chemikálie. V současnosti se lnička setá pěstuje zejména ve Spojených státech amerických, Kanadě, Slovinsku, Ukrajině, Číně, Finsku, Německu a Rakousku.

Srovnávací malování chromosomů jako nástroj pro analýzu genomu rostlin

Kanadští vědci za pomoci sekvenování genomu lničky seté v roce 2014 zjistili, že její genom je hexaploidní a skládá se ze tří různých subgenomů – podobného genomického složení jako například řepka olejka nebo pšenice. Mandáková a Lysák výrazně zlepšili současné poznatky o této plodině pomocí speciální cytogenetické metody zvané srovnávací malování chromozomů. I když je tato metoda běžně používána ve výzkumu zvířat a člověka, jen několik vědců na celém světě ji používá pro studium rostlinných genomů. Jak chromozomové malování funguje? Základem je podobnost mezi genomy modelového druhuhuseníčku a jinými rostlinami z čeledi brukvovitých. Genom huseníčku se pomocí restrikčních enzymů naštípe na malé fragmenty, ty se následně zaklonují do bakteriálních plasmidů, čímž  se vytvoří takzvané umělé bakteriální choromosomy (BAC). Tyto BAC „koktejly“ jsou označeny fluorescenčními barvivy a hybridizovány na chromozomy studovaného druhu z čeledi brukvovitých. Tento přístup vědcům umožňuje rekonstruovat strukturu genomu  daného druhu a porovnávat různé genomy mezi sebouidentifikovat nejrůznější chromozomové přestavby, ale také například odhalit rodičovské genomy hybridů.

Díky kombinaci několika cytogenetických metod, jakými jsou srovnávací malování chromozomu a genomická in situ hybridizace (metoda, která umožňuje identifikaci rodičovských genomů v rámci genomu potenciálního hybrida) a fylogenetických analýz, odhalila Mandáková a její kolegové strukturu genomu známých diploidních, tetraploidních a hexaploidních druhů z rodu lnička. Diploidní Camelina genomy (C. hispida, n = 7; C. laxa, n = 6; a C. neglecta, n = 6)  vznikly z původního (ancestrálního) genomu se sedmi páry chromozomů (n = 7). Allotetraploidní genom C. rumelica (n = 13, N6H genom) vznikl hybridizací mezi diploidy C. neglecta (n = 6, N6) a C. hispida (n = 7, H). Allohexaploidní genomy C. sativa a C. microcarpa (n = 20, N6N7H) vznikly hybridizací mezi auto-allotetraploidem genomově podobným druhu  C. neglecta (n = 13, N6N7) a C. hispida (n = 7, H), a jeho tři subgenomy  zůstaly celkově stabilní od doby vzniku hexaploidního genomu dodnes.

Používané cytogenetické metody jsou extrémně přesné a cytogenetické mapy vytvořené skupinou Martina Lysáka používají jiné známé vědecké instituce jako základ pro skládaní genomů nebo specifikaci konkrétních genetických struktur a přestaveb. Mandákové se podařilo zrekonstruovat rodičovské genomy hexaploidní lničky seté a objasnit její evoluční historii a mechanismy zodpovědné za současnoustukturu studovaných genomů v rodu Camelina. Vědkyně úspěšně vysledovala historii genomu této rostliny až miliony let do minulosti a odhalilamezidruhová křížení, ke kterým v minulosti došlo bez zásahu člověka. Žádný jiný vědec dosud nepopsal genom lničky seté tak detailně jako Terezie Mandáková a její kolegové.

Tento jedinečný objev byl možný díky standardnímu tříletému grantu GA ČR s názvem Chybějící souvislosti: evoluce genomu v tribu Camelineae (brukvovité) (GA17-13029S), který Terezii Mandákové udělila Grantová agentura České republiky – GA ČR.

Další výzkum a očekávaný dopad na společnost

Průlomový objev Mandákové a Lysáka má mnoho uplatnění s pozitivním dopadem na společnost. Šlechtitelé rádi vylepšují výnos semen, obsah oleje a další agronomické vlastnosti ekonomicky významných plodin jako je lnička setá. Toho lze dosáhnout vytvořením nových linií lničky křížením nyní identifikovaných rodičovských druhů této plodiny. Nově odhalená struktura genomů diploidních a tetraploidních příbuzných lničky seté by měla usnadnit celogenomové sekvenování těchto druhů a tak pomoci najít klíčové geny ovlivňující výnos a další požadované agronomické vlastnosti.

Celý článek jak byl publikován ve vědeckém časopise Plant Cell si můžete přečíst ZDE. Shrnutí článku v rubrice In Brief najdete ZDE.

Zdroj: CEITEC
Úvodní foto: pixabay.com