Pozoruhodnosti genomu rostlin
Genetická informace všech rostlin je uložena ve formě DNA v chromozómech, které se nacházejí v buněčném jádru. Na rozdíl od většiny živočichů, u nichž je každý chromozóm přítomen ve dvou kopiích (jedná se o tzv. diploidy), jsou chromozómy valné většiny rostlin zmnoženy a počet jejich kopií je vyšší (takový stav se nazývá polyploidie). Polyploidie s sebou nese řadu změn vlastností rostlin, od morfologie, přes fyziologii a způsoby reprodukce až po ekologické preference.
Rekordmanem v počtu chromozómů mezi rostlinami je tropická kapradina hadilka síťnatá (Ophioglossum reticulatum), v jejíchž somatických buňkách bylo zjištěno až 1440 chromozómů (pro srovnání: genom člověka obsahuje chromozómů „jen“ 46). S počtem a velikostí chromozómů souvisí další důležitá cytogenetická charakteristika, a to celkový obsah jaderné DNA, neboli velikost genomu. I v tomto ohledu rostliny vynikají a vyznačují se obrovskou variabilitou – nejmenší známý rostlinný genom (zhruba 0,065 pg DNA; pikogram odpovídá jedné triliontině gramu) patří masožravému druhu genlisea zlatá (Genlisea aurea), naopak největším genomem (152,23 pg) se může pyšnit vraní oko japonské (Paris japonica) – je téměř 50× větší než genom člověka (3,18 pg). V české květeně v množství DNA vítězí známé jmelí bílé (Viscum album) – 102,9 pg.
Jak získat informace o rostlinném jádru?
Počet chromozómů v jádru se určuje počítáním v mikroskopických preparátech, které obsahují dělící se buňky. Takový postup je však časově náročný, vyžaduje zkušeného cytologa a umožňuje zpracovat pouze omezené množství vzorků. Často však znalost přesného počtu chromozómů není nezbytně nutná a pro výzkum postačí i jejich odhad získaný na základě velikosti genomu.
Množství jaderné DNA, ale i mnoho dalších chemických nebo fyzikálních vlastností, lze velice elegantně stanovit pomocí metody zvané průtoková cytometrie. Její princip je poměrně jednoduchý: na DNA studovaného organismu se naváže specifické barvivo, které po ozáření silným zdrojem světla (např. laserem) začne fluoreskovat a průtokový cytometr intenzitu fluorescence velice přesně zaznamená a graficky zobrazí.
Složitější přístroje navíc umožňují i třídění jednotlivých částic na základě jejich vlastností. Veškerá měření se odehrávají v pohybu a při velkých rychlostech (typicky desítky až stovky částic během jediné vteřiny). Díky tomu můžeme snadno zpracovat velké množství vzorků během krátké doby, a získat tak informace nejen o jednotlivých rostlinách, ale o celých populacích z rozsáhlého území. Mezi další přednosti průtokové cytometrie patří jednoduchá příprava vzorků (izolace jader rozsekáním pletiva žiletkou ve vhodném roztoku, jejich obarvení fluorescenční látkou, odstranění zbytků pletiv filtrací a vlastní měření cytometrem), ohleduplnost vůči studovaným objektům (potřebné je pouze velmi malé množství vzorku, což dovoluje bez obav analyzovat např. vzácné a ohrožené druhy), možnost pracovat prakticky s jakoukoliv rostlinnou částí a v neposlední řadě i nízká finanční náročnost analýz.
Česká republika zaujímá v rostlinné cytometrii vůdčí postavení, ať již budeme posuzovat počet pracovišť, šíři používaných metodik nebo počet odborných publikací. Asi tedy nepřekvapí, že celosvětově první kniha věnovaná této problematice vznikla právě u nás.
Praktické využití průtokové cytometrie
Spektrum cytometrických aplikací je velice široké a pokrývá rostlinnou biosystematiku (odlišení blízce příbuzných druhů, prokázání hybridizace, odhalení skryté diverzity), ekologii (studium rozšíření a ekologických preferencí různých ploidií, či jejich vztahů s dalšími skupinami organismů) i reprodukční biologii. Praktické uplatnění nachází průtoková cytometrie na poli ochrany přírody a ve šlechtitelství.
Cytometrické poznatky se například ukázaly jako zásadní při výběru geneticky čistých populací českého endemita rožce kuřičkolistého (Cerastium alsinifolium). Tento druh se na celém světě vyskytuje pouze na malém území ve Slavkovském lese. Ve stejné oblasti však roste i jeho hojný příbuzný rožec rolní (Cerastium arvense), přičemž více než sto let je známo, že oba druhy se vzájemně kříží a vzniklí hybridi mohou negativně ovlivňovat genofond endemického druhu. Jednoznačné rozlišení mateřských druhů a jejich křížence však umožnila až průtoková cytometrie, a to na základě rozdílů ve velikostech genomu. Výsledky navíc ukázaly, že ačkoliv se ochranářské snahy zaměřovaly primárně na výslunné skalní hadcové výchozy, tento typ stanoviště hostí zejména hybridní rostliny. Vlastní rožec kuřičkolistý naopak osidluje stinná lesní prameniště, která až dosud ležela stranou zájmu ochrany přírody. Podobně se cytometrie osvědčila i při studiu hybridizace dalšího endemického zástupce naší květeny, hvozdíku písečného českého (Dianthus arenarius subsp. bohemicus).
Velký počet mizejících druhů rostlin najdeme mezi orchidejemi. Klasické ochranářské aktivity se zaměřují na vytipování populací s co největším počtem kvetoucích jedinců. To však může být zavádějící, neboť důležité jsou i další, méně nápadné, biodiverzitní ukazatele (variabilita ploidní, genetická, atd.). Například populace orchidejí z rodu pětiprstka (Gymnadenia) mohou být tvořeny rostlinami až pěti různých ploidních úrovní a tato variabilita nemusí vždy korelovat s velikostí dané populace. Popsaná skrytá (kryptická) diverzita je tedy důležitá pro výběr ochranářsky nejcennějších lokalit, bez použití průtokové cytometrie by však zůstala neodhalena. Projekty zaměřené na poznání skryté diverzity probíhají i mimo území naší republiky, např. v jedné z nejbohatších flór vůbec – jihoafrické kapské květenné oblasti.
Ochranářsky důležité nejsou jen ohrožené rostlinné druhy, ale i jejich protipól – druhy invazní. I při jejich studiu hraje cytometrie významnou roli. Již pouhá znalost velikosti genomu dovoluje odhadnout riziko, zda se určitý rostlinný druh může stát invazním či nikoliv. Rozdílnou míru agresivity v rámci téhož druhu mohou vykazovat různé ploidní úrovně – detailní znalost populační struktury bývá v takových případech důležitá pro výběr vhodných postupů zabraňujících dalšímu šíření.
V neposlední řadě nachází průtoková cytometrie široké uplatnění ve šlechtitelství, kde se využívá při selekci jedinců s optimálními vlastnostmi (např. polyploidi často vykazují vyšší růst či větší výnosy), výběru hybridních rostlin kombinujících požadované vlastnosti rodičů nebo při kontrole čistoty osiva. Speciální kapitolou je využití cytometrie při sekvenování velkých genomů (např. pšenice; obr. 15). Značná velikost genomu pšenice (více než 17 miliard párů bází) nedovoluje osekvenovat celý genom najednou. Možností, jak tento problém překonat, je rozdělit genom na jednotlivé chromozómy (pomocí cytometrického třídění) a teprve ty pak podrobit sekvenování.
Pořadatelé a sponzoři akce:
