Sciencemag.cz
Related Articles
Mezinárodní tým s účastí našich vědců /Ústavu experimentální botaniky AV ČR/ vytvořil rostliny, které svítí ve tmě. Intenzita světla přitom slouží jako informace o hladinách dvou hormonů klíčových pro reakce rostlin na patogeny a škůdce.
Výsledky projektu zveřejnil renomovaný časopis Nature Communications.
Některé organismy mají fascinující schopnost vytvářet světlo. Z naší přírody jistě znáte světlušky. A možná jste v nočním lese viděli svítící pařezy, u nichž má působivé světelné efekty na svědomí podhoubí dřevokazných hub. Svítí také mnoho mořských ryb, bezobratlých i prvoků. Některé ryby, zvlášť hlubokomořské, dokonce využívají služeb světélkujících bakterií, se kterými žijí v symbióze.
Produkce světla živými organismy se odborně nazývá bioluminiscence. Je založena na zvláštních chemických reakcích, při nichž se uvolňuje energie ve formě světla. K bioluminiscenci jsou potřeba dvě hlavní ingredience: organická látka luciferin a enzym luciferáza, který katalyzuje reakci luciferinu s kyslíkem spojenou se vznikem světla. Různé skupiny organismů přitom používají své vlastní luciferiny a luciferázy.
Geny z houby rozsvítily rostlinu
Zhruba před deseti lety objasnili ruští vědci molekulární detaily bioluminiscence u tropické houby Neonothopanus nambi. Identifikovali její geny pro luciferázu i pro enzymy zajišťující syntézu luciferinu.
Následně se jim podařilo přenést tyto geny do tabáku druhu Nicotiana benthamiana a vytvořit tak „svítící“ rostliny. Za výzkumem stály hlavně týmy vedené Iljou Jampolským a Karenem Sarkisianem, který teď působí v Londýně.
V roce 2019 oslovili ruští badatelé Jana Petráška, vedoucího naší Laboratoře hormonálních regulací u rostlin. Zaujala je totiž možnost využít bioluminiscenci při studiu rostlinných hormonů. Od roku 2021 vede v laboratoři tento výzkum Michael Karampelias.
„Spolupráce začala ještě před ruskou invazí na Ukrajinu v roce 2022. Válka ji prakticky úplně přerušila, takže náš tým teď pokračuje víceméně samostatně,“ říká.
Posviťme si na hormony
Aktuální článek v Nature Communications shrnuje výsledky práce vědců z našeho ústavu a z několika institucí v Rusku, Velké Británii a USA. Cílem bylo vytvořit pokusné rostliny fungující jako „svítící indikátory“: intenzita bioluminiscence by u nich byla úměrná hladinám kyseliny salicylové nebo kyseliny jasmonové v buňkách.
Tyto dvě látky jsou hormony, které řídí odpovědi rostlin na napadení původci chorob (patogeny) a škůdci. Biology proto velmi zajímá, kdy a kde se v napadené rostlině hromadí, aby koordinovaly její obranu.
Vědci spojili gen pro luciferázu s regulačním úsekem DNA, který je citlivý na koncentraci příslušného hormonu. Podle ní pak řídí aktivitu luciferázového genu – a tím také produkci světla.
Výsledkem byly rostliny tabáku Nicotiana benthamiana a huseníčku rolního (Arabidopsis thaliana), jejichž bioluminiscence vypovídá o hladinách kyseliny salicylové nebo jasmonové v různých orgánech a jejich částech. Oba hormony reagovaly na infekci patogeny nebo na sání hmyzích škůdců tak, jak už bylo známo z předchozích výzkumů. Badatelé tím potvrdili spolehlivost své nové metody.
Široké možnosti pro výzkum i aplikace
„Náš tým z Ústavu experimentální botaniky AV ČR měl za úkol přenést celý bioluminiscenční systém do huseníčku rolního, tedy zabudovat do jeho DNA všechny potřebné geny. To se nám skutečně podařilo. Protože je dnes huseníček nejčastěji používanou pokusnou rostlinou, otevřely se tím široké možnosti využití,“ říká Michael Karampelias.
Svítící huseníček citlivý na kyselinu salicylovou nebo jasmonovou je výborným nástrojem pro studium obranyschopnosti rostlin proti chorobám a škůdcům. Lepší porozumění jejím mechanismům může v budoucnu pomoci šlechtit odolnější odrůdy plodin a snížit spotřebu pesticidů.
Michael Karampelias však míří ještě dál. S kolegy teď pracuje na rostlinách, které by stejným způsobem detekovaly koncentrace dalších důležitých hormonů, zodpovědných za růst a vývoj i za reakce na různé vnější podněty.
Koncentrace rostlinných hormonů lze zviditelnit také druhou metodou založenou na světle – takzvanou fluorescencí. Používá se hlavně v mikroskopii, kde je již zavedená a dobře propracovaná. Proč se tedy zabývat ještě bioluminiscencí?
„Obě metody se podle mne skvěle doplňují. Fluorescenční techniky poskytují detailní informace až na úrovni buněk nebo vnitrobuněčných struktur. Mikroskopem však lze zkoumat pouze malé rostliny, například semenáčky, a jen po omezenou dobu.“
„Bioluminiscence je pro mikroskopii méně vhodná – alespoň prozatím. Zato je zcela neinvazivní a umožňuje studovat rostliny pěstované v přirozenějších podmínkách, třeba v půdě. Běžnými digitálními kamerami přitom dokážeme snímat i větší rostliny, a to nepřetržitě po mnoho týdnů. Mohli bychom tedy například sledovat proměny hormonálních hladin během kompletního individuálního vývoje, od klíčení po senescenci,“ vysvětluje Michael Karampelias.
Balakireva AV, et al. (2026): Non-invasive imaging of defence responses in plants. Nature Communications 17: 6393.
https://doi.org/10.1038/s41467-026-70075-1
