JAK NÁM MŮŽE POMOCI PROTEOMIKA PŘI STUDIU MRAZUVZDORNOSTI ROSTLIN?


Obr. 1: Regenerace (20 °C) celých rostlin po mrazovém zásahu – genotyp ozimé pšenice odolný vůči mrazu

Obr. 2: Regenerace (20 °C) celých rostlin po mrazovém zásahu – méně odolný genotyp ozimé pšenice

Mezi důležité stresory, s kterými se musí vyrovnat každý živý organismus na naší planetě, patří teplotní výkyvy (chlad, vysoká teplota). Klimatické stresy výrazně ovlivňují rostlinný růst a vývoj či výnos plodin. V současnosti představují celosvětově významný problém pro stabilitu zemědělské produkce především globální klimatické změny zahrnující extrémy počasí. Po letošní teplé zimě se jeví, že v ČR nemáme problém s mrazuvzdorností ozimých plodin. Ovšem jen za posledních 15 let byl v ČR silně poškozen výnos ozimých rostlin několika holomrazy (v letech 2002/2003, 2005/2006 a 2011/2012). Pozvolný pokles teplot na podzim až k 0 °C je důležitý pro otužení (aklimaci) rostlin k chladu a mrazu. Náhlé zvýšení teplot vedoucí k částečné ztrátě odolnosti (deaklimaci) rostlin následované opět poklesem teplot pod bod mrazu pak často může způsobit významné poškození přezimujících plodin.

Dvě hlavní strategie rostlin, kterými mohou reagovat na stres, jsou evoluční adaptace umožňující rostlině vyhnout se stresu a vývoj tolerance vůči stresu. Největší škody u polních plodin jsou způsobeny nedostatečným vývojem tolerance genotypů plodin vůči stresům. Během chladového otužení dochází k výrazným změnám v rostlinách, které se projevují na úrovni mRNA, proteinů a metabolitů. Proteomika je vědecká disciplína zabývající se hromadným studiem proteinů (proteomu) a jejich vlastností. Výzkum proteomu je velmi důležitý, protože proteiny, na rozdíl od transkriptů (mRNA), přímo ovlivňují odpověď rostlin na stres a zároveň hladina proteinů v otužených pletivech bývá stabilnější, než je tomu u mRNA.

Změny v hladině proteinů nalezené v rostlinách vystavených účinkům stresu mohou být v úzkém vztahu s výslednou úrovní tolerance rostlin na daný stres. Proteomické studie mohou proto vést k identifikaci potenciálních proteinových indikátorů, jejichž změny v abundanci mohou být spojené s kvantitativními změnami fyziologických parametrů (např. měřením osmotického potenciálu, fotosyntézy a letální teploty – LT50), používaných pro popis úrovně tolerance vůči mrazu u jednotlivých genotypů.

Výrazný rozvoj proteomiky nastal zvláště po zavedení technik hmotnostní spektrometrie a po nedávném vylepšení klasické dvourozměrné elektroforézy proteinů tzv. diferenční gelovou elektroforézou, která umožňuje daleko přesněji kvantifikovat proteiny a identifikovat nově syntetizované proteiny a také vizualizovat různé izoformy a postranslační modifikace stejného proteinu. Negelové kvantitativní metody identifikace proteomu umožňují hromadně identifikovat a kvantifikovat ve vzorku proteiny pomocí hmotnostní spektrometrie peptidů získaných štěpením vzorku trypsinem. Nevýhodou je, že se ztrácejí informace o samotných proteinech – jejich izoformách a případných posttranslačních modifikacích. Pomocí proteomických metod již bylo možné odlišit chladem otužené genotypy jarního a ozimého ječmene, charakterizovat jednotlivé orgány ozimého ječmene (Luxoru) a dokonce odlišit genotypy ozimých pšenic s různou odolností vůči mrazu.

Na pracovišti Výzkumného ústavu rostlinné výroby v Praze-Ruzyni se věnujeme také skupině proteinů nazývaných dehydriny. Akumulují se nejen při teplotních stresech, ale i za nedostatku vody nebo při vyšším zasolení. Pozitivní korelaci akumulace dehydrinů s odolností rostlin vůči mrazu a jejich zimovzdorností jsme nalezli nejen u otužených ozimých genotypů testovaných rostlin (pšenice, ječmen, řepka, hrách), ale i u rostlin pěstovaných při optimálních teplotách (pšenice, ječmen). To znamená výrazně rychlejší vybrání dostatečně odolných genotypů bez potřeby otužení genotypů. Znalost těchto proteinů a případně znalost jejich regulace akumulace může být využita také k vytvoření odolných kultivarů plodin pomocí rychlejší a přesnější selekce vhodných šlechtitelských materiálů.

Výsledky studií ukazují, že řada genů a jejich proteinových produktů hraje klíčovou úlohu v odezvě rostlin na abiotický stres. Studium změn složení rostlinného proteomu proto představuje významný a důležitý nástroj pro pochopení klíčových prvků odezvy rostlin na chlad.

• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

Autor:
Mgr. Pavel Vítámvás, Ph.D.
(vitamvas@vurv.cz
; Výzkumný ústav rostlinné výroby)

• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •