Vědci z CEITEC MU objevili nový rostlinný mechanismus

Dosud neznámý rostlinný mechanismus se podařilo objevit buněčným biologům Albertu Cairóvi, Karlu Říhovi a jejich kolegům z vědeckého centra CEITEC MU.

Výsledky tohoto výzkumu byly dnes publikovány v časopise Science, který patří z nejpřednějším odborným časopisům světa. Mechanismus objevený vědci z CEITEC MU je zodpovědný za přeprogramování genové exprese během buněčné diferenciace. Tento proces se odehrává na konci meiózy, specializovaného buněčného dělení, které je nezbytné pro sexuální reprodukci, a které umožňuje vývoj zárodečných buněk a pylu. Nově objevený mechanismus inhibuje tvorbu proteinů, přičemž dochází k dynamické lokalizaci klíčových regulačních složek do intracelulárních kondenzátů, které připomínají mikrokapénky. Tento proces je úzce spojen s produkcí semen a mohl by otevřít nové možnosti pro vývoj plodin lépe uzpůsobených změnám životního prostředí. 

V průběhu vývoje se buňky transformují z jednoho typu na jiný. Aktivace konkrétní sady genů určuje specializaci buňky, nebo také to, kdy se buňky dělí, nebo kdy se diferencují. Buněční biologové, jako je Albert Cairó a Karel Říha, kombinují různé pokročilé vědecké metody ke studiu těchto velmi složitých procesů v rostlinném mikrosvětě. Buněčná biologie v současnosti zažívá skutečnou revoluci a naše vnímání funkčního uspořádání buněk nabývá nových dimenzí.

Nyní víme, že buňka obsahuje nejen tradiční organely ohraničené membránou, ale mnoho molekulárních procesů se odehrává uvnitř méně definovaných bezmembránových organel, nazývaných biokondenzáty. Během posledních deseti let začala věda rozpoznávat význam těchto biokondenzátů. Naše práce do této oblasti přispěla tím, že ukázala funkci těchto biokondenzátů na konci meiózy, kde inhibují syntézu proteinů, vysvětluje Albert Cairó, první autor výzkumu. "Tento proces ukončuje meiózu, ale také spouští začátek geneticky odlišné generace buněk," dodává Cairó. Ale to není vše. Výzkumný tým věří, že podobné mechanismy se odehrávají také v jiných organismech a za jiných okolností, například během buněčné diferenciace nebo stresových reakcí.

i

Objev výzkumného týmu Karla Říhy by mohl mít velký celospolečenský dopad. Žijeme ve stavu klimatické krize. Přestože se rostliny dokáží vyrovnat s celou řadou stresových faktorů, včetně vysokých teplot a sucha, jejich rozmnožování je na tyto změny obzvláště citlivé. To znamená, že nám hrozí dramatické snížení výnosu plodin, právě když je třeba výnos zvýšit, aby byly uspokojeny lidské potřeby. A proto by nyní měl být výzkum rostlin jednou z priorit, vysvětluje hlavní autor studie a vedoucí výzkumné skupiny Karel Říha.

Primárním posláním laboratoře Karla Říhy je osvětlit základní biologické procesy úzce spojené s rozmnožováním rostlin a tvorbou semen, což se u mnoha plodin promítá do výnosu. Výsledky našeho výzkumu ukazují, že biomolekulární kondenzáty hrají důležitou roli v rozmnožování rostlin a jejich chování je také ovlivňováno stresovými podněty. Je tedy zřejmé, že náš objev může ukázat na nové strategie vedoucí k vývoji kultivarů plodin, které jsou lépe uzpůsobeny rychle se měnícím klimatickým podmínkám, vysvětluje Albert Cairó. Technologické postupy, které výzkumný tým provedl, jsou skutečně obdivuhodné a zveřejnění tohoto výzkumu v časopise Science potvrzuje, že bádání týmu Karla Říhy se ubírá správným směrem.

Studium rostlinné meiózy je obzvláště náročné. Buňky, v nichž k meióze dochází, jsou vzácné a ukryté v 0,1-0,4 mm malých květních poupatech. Navíc fáze meiotického dělení, na které se studie zaměřuje, probíhají relativně rychle celý proces trvá 5 až 6 hodin. Proto není snadné proces zachytit. Výzkumný tým musel k prozkoumání tohoto procesu využít nejmodernější technologie a značnou porci kreativity a představivosti.

i

Říhův tým proto vyvinul unikátní metodu pro kontinuální zobrazování meiotického dělení uvnitř pylového prašníku v reálném čase. Tým k tomu použil speciální mikroskop a stal se jednou ze dvou laboratoří na světě, která je schopná pozorovat meiózu rostlin naživo. Další, pro tento projekt zásadní know-how, bylo zvládnutí technologie protoplastů. Protoplasty jsou izolované rostlinné buňky zbavené buněčné stěny, což umožňuje jejich snadnou genetickou manipulaci a vizualizaci pod mikroskopem. Tato technologie umožnila týmu objasnit některé problémy rychleji a efektivněji než pomocí meiotických buněk.

Další členka týmu, Anna Vargová, významně přispěla k pochopení nově popsaného mechanismu. Specializovaná vědecká pracovnice Pavlína Mikulková poskytla odborné znalosti a své šikovné ruce při natáčení průběhu meiózy buněk pomocí mikroskopu typu Lightsheet. Výzkumný tým využíval moderní přístrojové zázemí sdílených laboratoří výzkumného centra CEITEC, které vědcům umožňuje dělat špičkovou vědu. Výzkum trval více než osm let a byl ze značné části financován grantovým projektem MŠMT s názvem REMAP. Bylo by extrémně obtížné vyvinout tak komplexní projekt bez dlouhodobého financování, které jsme naštěstí měli. Ve skutečnosti se v jednu chvíli zdálo, že naším limitem je jen naše představivost a jsem přesvědčen, že právě dlouhodobé financování bylo pro náš dalekosáhlý objev zásadní, říká Albert Cairó.

Zajímavé je, že tento projekt nezahrnoval žádnou externí spolupráci, což je u mezinárodních výzkumných ústavů, jako je CEITEC, spíše neobvyklé. V tomto případě se výzkumný tým ubíral zcela novým směrem a celý výzkum byl nakonec proveden výhradně členy výzkumné skupiny Karla Říhy.