Genetika rastlín

Snahou šľachtiteľov kultúrnych rastlín je dosiahnuť čo možno najväčšie výnosy s nízkymi vstupmi. Výsledkom je teda šľachtenie rastlín, ktoré majú nízke požiadavky na kvalitu životného prostredia, príp. sú schopné rásť v rozličných klimatických oblastiach bez straty na výnosoch. K tomu zaraďujeme aj schopnosť rastlín prirodzene sa brániť ochoreniam, ktoré ich postihujú, s čo možno najmenšou zásluhou človeka (pesticídy, herbicídy, fungicídy). Nemenej dôležité pri šľachtení odrôd je udržanie užitočných vlastností nových odrôd po mnoho generácií, čo možno docieliť len dôkladným poznaním genetiky týchto hospodársky významných rastlinných druhov.

Medzi najdôležitejšie oblasti genetického šľachtenia rastlín patria využívanie:

  • heterózneho efektu
  • geneticky podmienenej samčej sterility
  • prirodzených génov rezistencie voči patogénom
  • nepriamej transformácie rastlinného genómu pomocou baktérie Agrobacterium tumefaciens
  • biotechnologických metód za účelom syntézy GM (geneticky modifikovaných) rastlín

Heterózny efekt

Pojem heterózny efekt vyjadruje zvýšenie životaschopnosti (vitality) a zlepšenie vlastností krížencov (hybridov) oproti ich rodičom. Používa sa aj pojem hybridná sila. Dôsledkom heterózneho efektu u hybridov je v mnohých prípadoch kríženie dvoch rodičov, ktorí sú geneticky pomerne vzdialení. Faktom je, že u geneticky vzdialených rodičov je predpoklad prítomnosti odlišných genetických alel, čo vyústi u ich potomka v heterozygotnú konštitúcia na mnohých lokusoch. To je aj dôvodom pomenovania heterózneho efektu. Samostná podstata výhody heterozygotného stavu (heterózneho efektu) je však zatiaľ len hypotetická.

Jedna z hypotéz (hypotéza superdominancie) dôsledku heterózneho efektu vyzdvihuje práve výhodu heterozygotného stavu, ktorý je flexibilnejší voči meniacim sa podmienkam ako stav homozygotný. Typickým príkladom, ktorý sa v tomto zmysle uvádza, je existencia dvoch alel nejakého kľúčového enzýmu. Ak je enzým pochádzajúci z jednej alely funkčný pri 15-25°C a druhý pri 5-15°C, heterozygotná rastlina má širšiu teplotnú ekologickú varianciu (5-25°C), pretože produkuje enzýmy obidvoch typov. Všeobecne možno povedať, že sa u hybridov vyskytuje širšie spektrum izoenzýmov, ktoré je základom lepšej metabolickej aktivity. Letálne alely sú príkladom pre vysvetlenie heterózneho efektu podľa hypotézy dominancie. Letálne alely (recesívne) sa prejavia len v homozygotne recesívnom stave, zatiaľčo v heterozygotnom stave ostávajú skryté v dôsledku prítomnej vitálnej dominantnej alely. Pravdepodobne sa čiastočne uplatňujú obidve hypotézy.

Izoenzýmy sú enzýmy, ktoré katalyzujú rovnakú reakciu, ale majú odlišnú štruktúru. V genetickom ponímaní sú nimi produkty alel toho istého lokusu, pričom sú alely vo vzájomnom kodominantnom vzťahu, a preto sa neoznačujú malými a veľkými písmenami ale rovnako veľkým písmenom s číselným indexom; napr. I1, I2.

Heterózny efekt je v protiklade s inbrednou depresiou (niekedy nazývaná inzuchtná depresia), ktorá vyjadruje zníženie vitality hybridov vzniknutých krížením rodičov s príbuznou genetickou výbavou. Hybrid je v tomto prípade pre mnoho alel homozygotný. Takéto inbredné línie sa však spätne používajú pre tvorbu hybridných (heterozygotných) semien s heteróznym efektom.

Samčia sterilita

Pod pojmom samčia sterilita u rastlín sa rozumie neschopnosť tvorby alebo tvorba defektných samčích pohlavných orgánov (tyčiniek, peľníc) alebo neschopnosť produkcie funkčných gamét a peľu schopného úspešného oplodnenia. V prírode sa vyskytuje omnoho častejšie ako samičia sterilita, pretože samčí sporofyt a gametofyt nie je tak chránený voči vonkajšiemu prostrediu ako samičí. Okrem toho geneticky podmienená samčia sterilita nie je u obojpohlavných rastlín prekážkou pre tvorbu semien (obojpohlavná rastlina so sterilným peľom môže byť opelená inou rastlinou), kdežto pri samičej sterilite semená nevznikajú, takže voči nej pôsobí negatívna selekcia. Farmári využívajú geneticky podmienenú samčiu sterilitu na získavanie heterózneho efektu hybridov u samoopelivých druhov hospodársky významných plodín, vrátane kukurice, ryže, bavlny a mnohých obilnín. "Genetická kastrácia" je oveľa jednoduchšia a bezpečnejšia ako mechanická (zostrihávaním tyčiniek) alebo chemická kastrácia.

Geneticky podmienená samčia sterilita môže byť 3 typov:

  1. génová samčia sterilita - mutácie jadrových génov, mendelistická dedičnosť
  2. cytoplazmatická samčia sterilita - mutácie mitochondriálnych alebo chloroplastových génov, nemendelistická dedičnosť
  3. génovo-cytoplazmatická samčia sterilita - zahrnuté sú jadrové aj mimojadrové gény

Génová samčia sterilita

Bola identifikovaná u 175 rastlinných druhov (cit. http://www.public.iastate.edu/~mbhattac/bhattacharyya/MALE%20STERILITY.pdf ). Vo väčšine prípadov sa jedná o homozygotný prejav recesívnych alel. Najznámejším príkladom je gén samčej sterility ms identifikovaný u kukurice:

Cytoplazmatická samčia sterilita

Dedičnosť tohto typu samčej sterility sa neriadi podľa mendelistických pravidiel dedičnosti, lebo je viazaná na mimojadrové gény. Znak samčej sterility sa dedí maternálne. Pri cytoplazmatickej samčej sterility rozlišujeme cytoplazmu typu N (normálna) a typu S (sterilná):

Génovo-cytoplazmatická samčia sterilita

Tento typ samčej sterility je podobný cytoplazmatickej samčej sterilite v tom, že aj tu sa vyskytuje cytoplazma typu N (normálna) a typu S (sterilná). Okrem toho tu však pôsobí aj produkt jadrového génu, ktorý má odlišnú úlohu ako produkty génov zahrnuté v génovom (jadrovom) type samčej sterility. Má označenie Rf (angl. restorer of fertility = navodzovateľ plodnosti) a jeho dominantná alela zabezpečuje obnovu samčej plodnosti (fertility) aj v prípade, že cytoplazma je typu S. To znamená, že len cytoplazma typu S s recesívnym stavom rfrf je sterilná (z pohľadu samčej sterility). Výsledky krížení sú nasledovné:

Rezistencia rastlín voči patogénom

Neustále používanie chemikálií (pesticídov proti živočíšnym parazitom, herbicídov proti burinám, fungicídov proti hubovým ochoreniam) zaťažuje životné prostredie. Mnohé rastliny si však počas evolúcie vyvinuli prirodzené obranné mechanizmy voči ich prirodzeným patogénom. Charakter rezistencie môžeme deliť na základe viacerých kritérií:

  1. na základe genetickej podmienenosti:
    1. monogénna - podmienená 1 génom veľkého účinku
    2. polygénna - podmienená viacerými génmi malého účinku
  2. na základe fenotypového prejavu:
    1. kvalitatívna rezistencia - rastlina je buď úplne náchylná alebo úplne rezistentná
    2. kvantitatívna rezistencia - existuje mnoho fenotypových tried počnúc silnou náchylnosťou a končiac dobrou rezistenciu
  3. na základe špecificity vzťahu hostiteľ-patogén:
    1. špecifická rezistencia - evolúcia rezistencie rastliny koreluje s evolúciou virulencie patogéna
    2. nešpecifická rezistencia - bez špecifického hostiteľsko-parazitického vzťahu

Špecifická rezistencia

Úzke parazitické vzťahy hostiteľ-patogén vyústili do spoločnej evolúcie mnohých hostiteľov a ich patogénov, takže mohli vzniknúť špecifické R gény rezistencie rastliny a špecifické Avr gény avirulencie patogéna. Dalo by sa povedať, že ich produkty pôsobia proti sebe - hypotéza "gén proti génu", ktorej autorom je HAROLD HENRY FLOR (1955).

Gény avirulencie sú zodpovedné za virulenciu patogénu. Ak sa v rastline nenachádza špecifický produkt génu rezistencie, patogén zostane nerozpoznaný a infekcia prepukne. Ak rastlina obsahuje špecifický produkt génu rezistencie, dôjde k rozpoznaniu patogénu a spusteniu obrannej reakcie rastliny, ktorou je okamžitá smrť bunky. Tým pádom sa patogén nemôže šíriť ďalej a infekcia sa nerozvinie. V populácii patogénu však môže dôjsť u určitých spór k mutácii génu avirulencie. Takýto produkt potom rastlina nie je ďalej schopná detegovať a infekcia sa rozvinie. K prekonaniu infekcie je potrebný nový gén rezistencie.

Najnovšie experimenty dokázali, že počas infekcie hostiteľa patogénom nedochádza k priamej interakcii produktu génu rezistencie a avirulencie. Zistilo sa, že produkt R génu "stráži" určité proteíny v tom zmysle, že keď zaznamená interakciu produktu Avr génu s týmito proteínmi, aktivuje kaskádu biochemických reakcií vedúcich k navodeniu rezistencie rastliny. Tento nový model sa nazýva hypotéza "strážcu" a podstate hypotézy "gén proti génu" neodporuje.

V prírode existuje určitá rovnováha vo vzťahu hostiteľ-patogén, tzn. v oblastiach, kde sa pestuje plodina s určitým genotypom rezistencie, vyskytuje sa aj populácia patogénu s genotypom schopným napadnúť takúto plodinu. Genetickým monitoringom a cieľavedomým krížením odrôd s rôznymi génmi rezistencie možno docieliť rezistenciu rastlín voči ich prirodzenému patogénu na dobu, kým opäť v populácii patogénu na určitom území neprevládne pod vplyvom selekcie typ schopný danú odrodu napadnúť.

Z uvedeného možno povedať, že špecifická rezistencia je zároveň z hľadiska genetickej podmienenosti monogénna a z hľadiska fenotypového prejavu kvalitatívna.

Nešpecifická rezistencia

Pri nešpecifickej rezistencii je rastlina prirodzene odolná voči patogénom bez ohľadu na špecificitu vzťahu. Tento typ rezistencie možno do veľkej miery ovplyvniť zmenou vonkajších podmienok (vlhkosť, teplota). Jedná sa pri nej napr. o produkciu ochranných vrstiev na povrchu listov alebo indukciu lokálneho nahromadenia ochranných látok v mieste prieniku patogénu (na obr.), ktoré mechanicky alebo aj chemicky bránia rozvinutiu parazitického vzťahu.

Tejto rezistencii sa venuje len menšia pozornosť, pretože je zjavne pod vplyvom polygénneho systému (často neznámeho), ktorého šľachtenie je veľmi náročné a prakticky nemožné. Nešpecifická rezistencia je z hľadiska fenotypového prejavu kvantitatívna, pričom jej stupeň (slabá až dobrá rezistencia) možno pre každú odrodu, resp. populáciu rastlín určiť pomocou špeciálnych metód.

Využitie baktérie Agrobacterium tumefaciens

Baktéria Agrobacterium tumefaciens je prirodzeným patogénom mnohých dvojklíčnolistových rastlín, na ktorých indukuje tvorbu rastlinných nádorov. Unikátny infekčný cyklus tejto baktérie umožňuje pomocou cielených modifikácií bakteriálneho genómu vniesť do rastliny špecifickú cudzorodú DNA. Slúži tak ako účinný rastlinný vektor.

Geneticky modifikované rastliny

Geneticky modifikované rastliny (GM rastliny) sú najčastejšími komerčne využívanými geneticky modifikovanými organizmami (skratka GMO). Genetická modifikácia (zmena) predstavuje vedomý zásah človeka do genetickej výbavy živého organizmu. V užšom slova zmysle sa pod genetickou modifikáciou rozumie najčastejšie priama zmena genetickej informácie (DNA) buniek prostredníctvom techník genetického inžinierstva. Gén veľkého účinku, ktorý bol do organizmu vnesený a spôsobuje jeho zmenené vlastnosti (napr. produkciu protilátok), sa nazýva transgén. Rastliny s takto modifikovanou genetickou výbavou sa preto nazývajú aj transgénne rastliny. V širšom slova zmysle je genetická zmena spôsobená aj cieľavedomým výberom odrôd so želanými vlastnosťami, ktoré sa vzájomne krížia a ich vlastnosti sa kombinujú. Proces je však často časovo náročný s viac alebo menej úspešným výsledkom.

Genetická modifikácia v užšom slova zmysle predstavuje v súčasnosti kontroverznú problematiku. Takto geneticky zmenené rastliny predstavujú chiméru génov viacerých organizmov, ktorých dopad na ekosystém v prípade nekontrolovateľného rozmnožovania môže znamenať nepredvídanú hrozbu. Do úvahy prichádza aj únik génov (únik v zmysle kríženia GM rastlín s ich divožijúcimi príbuznými) do burinných foriem, ktoré by oproti prirodzeným rastlinám boli zvýhodnené. Takýto proces úniku génov sa nazýva génový tok. Výsledkom dlhodobého kríženia takýchto rastlín môže byť zabudovanie transgénov do príbuzných druhov, proces nazývaný introgresia. Na druhej strane výhodou GM rastlín je ich zvýšená úrodnosť a lepšie nutričné vlastnosti oproti nemodifikovaným prirodzeným odrodám.

Dôvodov umelej genetickej modifikácie rastlín je niekoľko:

  • zvýšenie kvality a úrodnosti pestovanej plodiny
  • možnosť pestovania na menej úrodných pôdach v neprirodzených klimatických podmienkach (chlad, sucho) pri zachovaných vysokých výnosoch
  • priame navodenie rezistencie voči prirodzeným patogénom (obídenie časovo náročného šľachtenia využívajúceho kríženie odrôd s génmi prirodzenej rezistencie)
  • produkcia vitamínov a iných prospešných látok
  • produkcia antibiotík, protilátok a vakcín

Príkladom transgénnej rastliny s upravenou nutričnou kvalitou je tzv. zlatá ryža, ktorá obsahuje gény pre syntézy beta-karoténu. Beta-karotén je prekurzor vitamínu A, pričom sa takáto ryža pestuje hlavne v oblastiach, kde ľudia trpia nedostatkom tohto vitamínu (juhovýchodná Ázia).

Iné plodiny, napr. bavlna alebo kukurica, obsahujú gény pre syntézu toxínu z baktérie Bacillus thuringiensis. Plodiny sa označujú ako Bt bavlna alebo Bt kukurica. Tento bakteriálny toxín je pre ľudí úplne neškodný, pretože účinkuje pri vysoko zásaditom pH, aké sa v tráviacom trakte u nás nikde nevyskytuje. Naopak zásadité pH majú v tráviacom trakte larvy hmyzu, ktoré na týchto rastlinách parazitujú. Čo však pôsobí toxicky na škodcov, môže pôsobiť toxicky aj na prípadných hmyzích opeľovačov, čiže všetko má svoje pre a proti.

Ďalšími kontroverznými GMO sú plodiny triedy RoundUP Ready (sója, kukurica, bavlna, pšenica, ďatelina). RoundUP je obchodný názov pre herbicíd glyfosát, ktorý účinne likviduje široké spektrum rastlín. Genetická modifikácia plodín spočíva v syntéze produktu rozkladajúceho glyfosát na neškodný metabolit. Dôsledkom je, že na poli s RoundUP Ready plodinou dôjde po postreku glyfosátom k vyhubeniu všetkých rastlín okrem geneticky modifikovanej plodiny. Kontroverzný je tento produkt hlavne preto, že využitie GM rastlín tohto typu paradoxne vyžaduje oveľa vyššiu spotrebu herbicídov.

Zaujímavou oblasťou genetického výskumu je produkcia biofarmaceutík prostredníctvom GM rastlín. Jedná sa o proteíny a liečivá, ktoré nemožno alebo možno len veľmi obtiažne syntetizovať v prokaryotoch (napr. Escherichia coli). Výhodou produkcie v rastlinách je taktiež kontinuálna produkcia v neobmedzenom množstve na rozdiel od biotechnologických fermentačných tankov s obmedzenou kapacitou. Často aj purifikácia produktov je jednoduchšia oproti bunkovým kultúram. Najčastejšie využívanými plodinami na tento účel sú kukurica, tabak, paradajky, zemiaky a ryža.