Sciencemag.cz
Doporučujeme
Vrátili jsme se z pětileté cesty do pravěku, líčí vědci z Univerzity Karlovy.
“Lék na rakovinu ani levnější chleba to nepřinese: výzkum, který naplňuje jedinou věc, odvěkou lidskou touhu cestovat do minulosti”, shrnuje Stanislav Vosolsobě z Přírodovědecké fakulty UK v kostce výzkum, jehož výstupem je odborný článek v renomovaném britském časopise New Phytologist.
Cestování do minulosti za poznáním dávno vyhynulých organismů, není v poslední dekádě fantazií, ale realitou! Vděčíme za to pokrokům biologie. Zkameněliny samozřejmě znají lidé od pradávna. Ty byly nejen zdrojem poznání, ale i mnoha mýtů. A to i v paleontologii. Fosilie je sice unikátní doklad, ale asi podobné výpovědní hodnoty, jako fotka usměvavých vojáků z fronty, co jsme našli v krabici po pradědečkovi na půdě: víme, co přesně se dělo v onu jedinečnou chvíli, ale již nezjistíme, co se dělo předtím a potom… Zkameněliny vznikají zpravidla náhodnými procesy, třeba jako při pohřbení Pompejí výbuchem Vesuvu – dávají nám jedinečný podrobný obraz, ale už neposkytují třeba kontext nezbytný pro rekonstrukci evolučních procesů.
Existuje však nezávislý přístup k zkoumání minulých procesů, takzvaná evolučně-vývojová biologie. Ta zkoumá žijící organismy z různých skupin, v našem případě rostliny a řasy, a porovnává, jaké mají sdílené fyziologické znaky. To, co mají společného, se vyskytovalo velmi pravděpodobně i u jejich předka, který žil před půl miliardou let na přelomu starohor a prvohor, což byla přelomová epocha, kdy vznikly jak rostliny, tak i živočichové a houby, a společně začali osídlovat souš.
V intencích evolučně-vývojové biologie se vědci nad rekonstrukcí minulosti zamýšleli již v 19. století, ale pitevní miska a lupa nebyly dostatečným vybavením, aby se dal zjistit dostatek detailů pro vzájemné porovnávání organismů. Navíc mnoho společných znaků může vzniknout takzvanou konvergencí, příkladem je podobnost mezi rybami a vodními savci (velryby, delfíni,…). Ale až metody 21. století, založené na přečtených sekvencích genů, umožnily studium do nesrovnatelně větších detailů a spolehlivou detekci konvergentních znaků. S nimi se otevřela nová éra cestování v čase!
“Rostliny vyšly na souš ze sladkovodního prostředí a jejich sestrami jsou spájivé řasy (například šroubatky) či parožnatky,” přibližuje Vosolsobě. “Parožnatka se stala první sestrou rostlin, kterou jsme mohli začít zkoumat, díky přečtení jejího genomu, na kterém jsme se podíleli v roce 2018. Tím se odstartovala možnost jejího detailního studia.” Vedoucí výzkumného týmu, Jan Petrášek, pokračuje: “Dvacet let jsme zkoumali, jak v rostlině funguje její klíčový hormon, auxin. Ten teče jako signální látka z vrcholu rostliny až do špiček kořenů a tím reguluje zakládání nových výhonů, růst i ohýbání prýtu za světlem, a růst kořenů dolů. Tento výzkum má u nás stoletou tradici, náš profesor Bohumil Němec byl jedním z prvních na světě, kdo se tomu systematicky věnoval.” S. Vosolsobě doplňuje: “Auxin takto funguje u všech rostlin, včetně mechů. Z toho vyplývá, že když zjistíme, z čeho se tato regulace odvodila, pochopíme evoluci rostlin! Sice nebudeme přesně vědět, jak předchůdkyně rostlin vypadaly, ale budeme vědět, jak pravděpodobně fungovaly. A to je cennější, než sebelepší zkamenělina!”
Naprostou většinu výzkumu provedla v týmu doktorská studentka Katarina Kurtović. “Předtím absolvovala agronomicky orientované studium v Chorvatsku, takže evoluce hormonální regulace pro ni byl nový vesmír. Navíc záhy udeřila pandemie. Lockdown ale využila k tomu, že se za pár týdnů naučila plynně česky! Z toho jsme viděli jsme, že Katarina má odhodlání a trpělivost, které je pro doktorské studium nejdůležitější.” Pandemie ale nebylo jediné úskalí během projektu, jak Jan Petrášek dále vzpomíná, “parožnatku jsme si objednali z Japonska. Skončila zablokovaná na celnici a já musel jet na Ruzyni se všemi dokumenty, včetně kopie zakládací listiny Univerzity od Karla IV.!” Ani následující pěstování parožnatky nebylo triviální, jak popisuje Kurtović: “Médium pro rostliny ji nevyhovuje, má moc živin, přitom se ale nespokojí jen s prostým roztokem minerálů, jako běžná rostlina. Museli jsme jí přidávat do zkumavek sterilovaný kompost z botanické zahrady! Ani izolace jejích genů nebyla snadná. To, co by trvalo obvykle týden, zabralo v jednom případě celý rok. Pak se čtyři roky studia vůbec neznají dlouhé.” Parožnatky navíc potřebují i specifické osvětlení. “Zkonstruovali jsme si sofistikované kultivační boxy z obyčejné lednice a LED-pásků a tak ušetřili stovky tisíc z peněz, co nám poskytla grantová agentura ČR a Univerzity Karlovy,” doplňuje Vosolsobě.
Jak popsala Kurtović, projekt se neustále rozrůstal a nebylo by v moci jednoho člověka ho dokončit. Spolupracovali jsme tak s kolegy u Ústavu experimentální botaniky AV ČR, kteří měřili obsah hormonů v parožnatce. Také nám potvrdili, že protein zvaný PIN, který je příbuzný rostlinným přenašečům auxinu z buněk a který jsme z parožnatky izolovali, má také co do činění s auxinem. V tomto případě se nepracovalo jen s parožnatkou – protein jsme vložili genovou manipulací do tabákových buněk a k nim pak přidali radioaktivně značený auxin a pak měřili, jak to ovlivňuje akumulaci radioaktivity v těchto buňkách. To je léta zavedený systém, kdy tabákové buňky používáme jako “živé zkumavky”! Kolegové z Vídně a z Austrálie pak prokázali, že je protein PIN dokáže být na membráně buněk v rostlinách i mechorostech, tim se podobá těm rostlinným. Ale na druhou stranu už nedokáže nahradit funkci rostlinám vlastních proteinů, pokud byly odstraněny mutací. Nakonec přátelé z Holandska ukázali, že na přidání auxinu k parožnatce reagují během pouhých dvou minut proteiny ze stejných signálních drah, které jsou zcela fundamentální pro funkci živočišných buněk. V parožnatce se efekt projeví okamžitým zrychlením proudění v nitru buněk – ač jsou rostliny na první pohled statické, v jejich buňkách vše proudí, aby se dostaly potřebné látky na správná místa. Parožnatky jsou rekordmanky, mají obří buňky a nejrychlejší proudění z celé rostlinné říše, až centimetr za minutu, coz na poměry mikrosvěta není málo!
Shrneme-li výsledky, ukazuje se na příkladu auxinové regulace, že rostliny sdílí řadu podobností s řasami, ale konkrétní funkce proteinů se mohou lišit. “Představte si to tak, že rostliny při přechodu na souš prostě využili toho, co bylo k dispozici, ale pro mnohé našly zcela nový účel. Jako když najdete v kůlně dílnu po pradědečkovi a místo žebřiňáků tam stejným nářadím opravujete auto,” uzavírá Stanislav Vosolsobě. “A publikovanou studií výzkum nekončí, ve studiu buněčné biologie řas jsme v podstatě na začátku!”
Kurtović, K., Vosolsobě, S., Nedvěd, D., Müller, K., Dobrev, P.I., Schmidt, V., Piszczek, P., Kuhn, A., Smoljan, A., Fisher, T.J., Weijers, D., Friml, J., Bowman, J.L. and Petrášek, J. (2025), The role of indole-3-acetic acid and characterization of PIN transporters in complex streptophyte alga Chara braunii. New Phytol. https://doi.org/10.1111/nph.70019
