Epigenomový atlas ječmene

To, jak ječmen řídí aktivaci svých genů prostřednictvím vzdálených regulačních DNA sekvencí v dědičné informaci, popsal tým z Ústavu experimentální botaniky AV ČR v Olomouci. Na detaily jsme se zeptali vedoucí týmu Ing. Hany Šimkové, CSc.

Proč se zajímáte o regulační DNA sekvence?

Kromě zajímavé biologie v nich vidím i potenciál pro šlechtění plodin. Nedávná americká studie na kukuřici zjistila, že 40 % fenotypové variability v agronomicky významných znacích je dána variabilitou v regulačních prvcích na bázi DNA.

Jak rychle se poznatky z vaší studie promítnou do šlechtění?

Řekněme si otevřeně, že to bude běh na dlouhou trať. Informace o genových regulátorech je jen jednou částí platformy pro stavbu nových odrůd. V první řadě je potřeba znát velké hráče, kteří zásadním způsobem ovlivňují agronomicky významné znaky, tedy geny. Těch bylo zatím u ječmene jednoznačně potvrzeno jen několik. Dále je nutné ověřit, jak vytipované regulační sekvence ovlivňují aktivitu těchto genů a jaký to má dopad na fenotyp. Naše studie zdaleka neposkytuje vyčerpávající seznam možných regulačních sekvencí a jimi ovládaných genů. Řada regulačních prvků je zapnuta pouze v určité části rostliny a ve velmi krátké vývojové fázi. My jsme zatím zanalyzovali pouze tři vývojová stádia embrya a mladé listy. Je nám jasné, že náš epigenomový atlas bude potřeba rozšířit o další části rostliny a vývojové fáze; už pracujeme na kořenu a další na řadě budou dosud neprozkoumané části obilky.

Co mapa 77 tisíc regulačních prvků znamená pro odolnost k suchu?

Věříme, že se naše práce promítne i do šlechtění ječmene na odolnost proti suchu. Této problematice se věnujeme v rámci multidisciplinárního projektu TANGENC. Moje výzkumná skupina se zaměřuje na geny, o nichž se ví, že mají vliv na odolnost vůči suchu. Můohou to být geny aktivující se vlivem stresu, ale i vývojové geny, které ovlivňují architekturu rostliny, například větvení kořenového systému, jež je důležité pro zásobování rostliny vláhou. V epigenomové mapě pro ně vyhledáváme předpokládané regulátory a ty se snažíme ověřit. Využíváme data z pan-genomových a pan-transkriptomových projektů ječmene. Ve spolupráci s Českým institutem výzkumu a pokročilých technologií (CATRIN) jsme provedli rozsáhlé fenotypování různých znaků v reakci na sucho pro 19 odrůd. Analýza nám umožní lépe pochopit strategie jednotlivých odrůd v boji s nepříznivými podmínkami prostředí a pravděpodobně i předpovědět, jak budou nově šlechtěné odrůdy reagovat na stres ze sucha či horka.

Může váš výzkum přispět ke stabilnějším výnosům?

Stabilita výnosů je hodně komplexní záležitost, ovlivňovaná souhrou velkého počtu genů a jejich regulátorů, které reagují na podněty z prostředí. Při troše optimismu se dá říci, že naše poznatky by k tomu mohly přispět. Pokud se prokáže dopad vytipovaných regulačních sekvencí na odolnost proti nepříznivým podmínkám, může být tato informace zahrnuta do předpovědních modelů, které vytvářejí kolegové zabývající se tzv. genomovou selekcí. Věřím, že s rozvíjející se AI a při dostatku genotypových a fenotypových dat pro trénování modelů se jejich predikce budou stále zlepšovat.

Ovlivňují regulační prvky také kvalitu sladovnického ječmene?

Předpokládám, že ano, ale zatím to nemůžeme úplně prokázat. Řada vlastností, které sladaře zajímají (např. výtěžnost extraktu, rychlost sladování, obsah bílkovin), je podmíněna více lokusy, které byly zamapovány do tzv. sladovnických center genomu, ale jednoznačně potvrzených genů je zatím jen málo. Další překážkou je, že naše studie se doposud soustředila na rostlinné části a stádia, kdy většina těchto genů není aktivní, takže máme k dispozici jen umlčené elementy, které se hůře přiřazují k cílovým genům. I proto chceme náš epigenomový atlas rozšířit o další části obilky.

Jsou získané výsledky přenositelné na pšenici?

Věřím, že jsou. Čínští vědci vytvořili pro pšenici obdobné epigenomové mapy, ale pracovali pouze s listy a jejich mapa interakcí je výrazně chudší, což ztěžuje identifikaci regulačních elementů a jejich cílových genů. Naše analýzy ukázaly, že námi vytipované regulační prvky jsou evolučně konzervované, takže poznatky z ječmene by měly být z velké části přenositelné nejen na pšenici, ale i na žito, případně další trávy.

Mohou vaše poznatky urychlit šlechtění i bez genetických modifikací?

Ano, určitě. Potvrzené regulační elementy se silnou vazbou na žádoucí fenotyp mohou být použity jako vysoce spolehlivé markery pro tzv. molekulární šlechtění, zejména marker assisted selection (šlechtění za pomoci markerů), nebo pro genomovou selekci. Využití MAS při šlechtění na sladovnické vlastnosti výrazně urychluje a zlevňuje šlechtitelský proces, jelikož selekci lze provádět již v raných vývojových stádiích a v počáteční fázi šlechtění je možné se vyhnout drahým a pracným biochemickým analýzám.

Naší prací postupně vytváříme příručku, v níž si každý výzkumník nebo šlechtitel může najít informace o svém zájmovém genu a jeho regulátorech v odpovídající části rostliny a konkrétním vývojovém stádiu. Přínos pro naše zemědělství bude záviset na kvalifikovanosti našich šlechtitelů a jejich ochotě využívat techniky molekulárního šlechtění, což bude ovlivněno i vývojem evropské legislativy v oblasti nových genomových technik (NGT).*