Tajemný genom pšenice

27. duben 2007
Krajina: lány polí u Ključiků

Ještě před pěti lety se zdálo sekvenování rozsáhlého genomu pšenice nemožné. "Know how" mají olomoučtí vědci.

Vzpomínáte na dokončené sekvenování genomu člověka v dubnu roku 2003? Celý svět žil pár dní jen touto událostí. Může se něco takového opakovat? Jaký další genom by nás mohl zajímat tak jako náš vlastní? Odpověď je nasnadě. Genom pšenice, jedné z hospodářsky nejvýznamnějších plodin, která nás provází už více než 12 000 let.

K čemu nám to bude?

Výzkumu a šlechtění pšenice se odborníci věnují intenzivně už od 50. let minulého století. Díky jejich aktivitám se podařilo odhalit, na kterých chromozomech leží geny, které ovlivňují některé důležité vlastnosti plodiny, například výnos nebo odolnost proti chorobám a škůdcům. Přesná poloha těchto genů v genomu ale zatím známa není, takže není možné přímo ovlivňovat konkrétní geny. Kdybychom znali genom pšenice, otevřely by se nám nové netušené možnosti. Až donedávna se ale rozluštění genetické informace pšenice zdálo nemožné.

Co je hlavní problém?

Hlavním problémem je velikost genomu pšenice. Genom kulturní pšenice (Triticum aestivum) je totiž několikrát větší než genom lidský. Logicky nás napadne otázka, jak je možné, že genom rostliny může přesáhnout velikost genomu člověka nebo obecně živočichů, což jsou organismy nesrovnatelně složitější. Odpovědí je, že velikost genomu nemusí nutně odpovídat míře složitosti organismu, ale je spíš důsledkem genomových mutací, které by byly pro živočichy vzhledem k jejich složitosti zhoubné, zatímco rostliny neohrozí.

Jak vznikla pšenice?

Historie kulturní pšenice sahá do období 10 000 př. n. l., do neolitu, kdy se na Blízkém východě pěstoval předchůdce ječmene Triticum boeoticum. Z něj tehdejší zemědělci vyšlechtili jednozrnou diploidní pšenici Triticum monococcum s genomem AA. Už tehdy docházelo ke křížení Triticum monococcum (s genomem AA) s trávou druhu Aegilops speltoides, která měla genom BB. Tak vznikla polyploidizací tetraploidní pšenice dvouzrnka Triticum dicoccoides s geonomem AABB. Další tráva Aegilops squarrosa dodala při křížení někde u Kaspického moře genom D. Tak asi před 9000 lety spatřila světlo světa hexaploidní pšenice Triticum aestivum s genomem AABBDD.

Výraz "hexaploidní" nebo "hexaploid" znamená, že rostlina, v tomto případě pšenice, v sobě kombinuje tři různé genomy. Proces, kterým se z "normální" diploidný rostliny stane tetra-, hexa- nebo třeba oktoploidní se nazývá polyploidizace. Jedná se vlastně o genomovou mutaci, která je pro živočichy - na rozdíl od rostlin - letální.

Jak sekvenovat genom pšenice?

Klasické postupy pro čtení genetické informace a klonování genů pracují s veškerou DNA organismu. V případě velkých genomů, které jsou často mnohonásobně větší než genom člověka, by však byl takový přístup nesmírně nákladný. Navíc existují obavy, že obrovské množství získaných údajů nebude možné zpracovat a kompletní genetickou informaci organismu sestavit.

Na olomouckém pracovišti Ústavu experimentální botaniky AV ČR (ÚEB AV ČR) vypracoval tým doc. Jaroslava Doležela unikátní postup, který analýzu složitých genomů rostlin zásadním způsobem zjednodušuje.

Metoda je založena na rozdělení genomu na malé části, které jsou představovány chromozomy nebo rameny chromozomů. Vybrané chromozomy se velkou rychlostí třídí pomocí laserové průtokové cytometrie. U řady druhů představují chromozomy jen několik procent celého genomu a jejich analýzu metody současné genomiky plně zvládnou. Tento postup navíc nabízí možnost rozdělit sekvenování velkého genomu mezi jednotlivé účastníky mezinárodního projektu.

Průtokový cytometr

Know-how aneb jak se to tedy dělá?

V Laboratoři pro genomiku rostlin tedy nejprve za pomocí průtokového cytometru roztřídí chromozomy pšenice. Ty se potom štěpí enzymy endonukleázami na kratší úseky, které se vkládají do genetické informace bakterií. Protože každá bakteriální kolonie vzniká z jedné počáteční buňky - obsahují všechny bakterie v kolonii stejný úsek DNA. Bakteriální kolonie pak vybírá a ukládá do přehledných destiček robot Q-Bot. Ty se zamrazí a je možné rozeslat je do laboratoří celého světa, kde budou dále zpracovávány. Tam se genetická informace pšenice z bakteriálních chromozomů extrahuje, a jednotlivé úseky se vzájemně porovnávají. Podobné úseky DNA ležely s velkou pravděpodobností blízko sebe, proto je možné pokusit se celý chromozom rekonstruovat. A potom ho podrobit sekvenování.

Opravdu mezinárodní věda

Celý projekt sekvenování genomu pšenice byl vlastně symbolicky zahájen v pondělí 23. dubna při otevření Laboratoře pro genomiku rostlin v areálu Ústavu experimentální botaniky (ÚEB) AV ČR v Olomouci. Odsud začnou během několika měsíců proudit bakterie s kousky genomu pšenice do celého světa. V současnosti probíhá diskuse o tom, která pracoviště osekvenují kterou část genomu. Například v Evropě budeme sekvenovat chromozom 3 a 1, ve Spojených státech amerických budou pracovat na chromozomech 4 a 6 a v Austrálii na chromozomu 7.

Q-Bot

Kdy to bude hotovo?

Předpokládá se, že celý projekt potrvá 5 - 6 let. A nám nezbývá, než abychom drželi nejen našim, ale i zahraničních výzkumníkům palce.

Více se dozvíte v přírodovědném magazínu Natura.

Spustit audio
autor: Hana Staňková