Známe mnoho způsobů, jak pozměnit rostliny

Kontroverzi vyvolává zlepšování vlastností plodin pomocí genetického inženýrství, jiné metody ale také zasahují do DNA

Po staletí člověk přizpůsoboval vlastnosti rostlin křížením tak, aby vyhovovaly jeho potřebám - tvořily velké plody nebo byly odolné v místě, kde se zrovna usídlil. Díky biotechnologii se naučí plodiny budoucnosti daleko více: zneškodňovat hmyzí škůdce, přežívat v nepřátelském prostředí či produkovat plasty.

V současných debatách o geneticky modifikovaných organismech vyvstává otázka, jak se vlastně genetické inženýrství liší od tradičních metod křížení. Popíšeme tedy tři nejčastěji používané postupy, přičemž každý z nich má své přednosti i svá omezení.

"Tradiční" křížení

Pokud zemědělci potřebovali vylepšit své oblíbené plodiny, třeba posílit jejich odolnost, zvýšit výnosnost nebo přitažlivost pro kupující, obvykle je křížili s rostlinami stejného nebo příbuzného druhu, které požadovanými vlastnostmi oplývaly. I pokud dnes chceme obdržet třeba hrušku se zabarvením jablka, musíme zkřížit zvolený druh zelené hrušky s určitým druhem červeného jablka. S roubováním a opylováním blizny pomocí štětečků už bychom nejspíš nevystačili, protože hruška se s jablkem nekříží. Využívá se postupů, jako jsou oplození in vitro nebo kultivace embryí, kdy se odstraní mechanické bariéry křížení - odstraní se blizna, takže se pyl dostane přímo k vajíčkům.

Uvedené postupy znamenají mísení tisíců genů - nejen těch, které jsme chtěli kombinovat. Pokud se budeme držet cíle získat hrušku s barvou jablka, vyústí v širokou paletu hybridů, které budou představovat nejrůznější kombinace obou, třeba i zelených jablek nebo oranžových hrušek. Pak se vybere hruška se zabarvením nejblíže požadovanému a opět se stejnou metodou zkříží s červeným jablkem. Tento postup se opakuje po mnoho generací, dokud se nedosáhne požadované vlastnosti.

Také se mohou vzít tělní buňky obou partnerů, například z listu. Pomocí enzymů se odstraní buněčná stěna, aby zůstal jen buněčný obsah obalený membránou, tzv. protoplast. Působením elektrického pole nebo chemické látky, jako je polyetylénglykol, se naruší membrány, protoplasty a potom i jádra splynou a vznikne somatický hybrid. Z některých z nich pak vznikne rostlinka. Tento postup byl využit až v roce 1979, kdy se podařilo pro pokusné účely zkřížit brambory s rajčetem, takže u výsledné rostliny vznikaly bramborové hlízy pod zemí a plody rajčat nad zemí.

K nevýhodám klasické hybridizace tudíž patří, že mohou být kombinovány pouze vlastnosti příbuzných druhů a že je zdlouhavá - může trvat měsíce až roky. Často se stává, že žádaný gen je stále provázen genem nepříznivým. Také mohou vznikat polosterilní či sterilní rostliny.

Chemo- a radiomutageneze

S těmito metodami se začalo masívně pracovat po druhé světové válce, přičemž mnohdy přinášely dobré výsledky, takže se využívají dodnes - představují totiž velký zdroj variability. Obě metody jsou založeny na poškození DNA, kterou sice organismus opravuje, ale vzniká přitom velký počet chyb. Radiomutageneze se provádí tak, že se semena vystaví účinkům ionizujícího záření, například v reaktoru, kde jsou bombardována neutrony nebo zářením gama. V případě chemomutageneze se na semena působí například ethylmetansulfonátem. Vliv mutagenů je často náhodný, takže se pak musí na pokusných pozemcích pracovat s obrovským množstvím rostlin. Až ve druhé generaci se rozeznají různé mutace a začíná se využívat selekční tlak. Například k získání rostlin odolných vůči infekci je nutné na všechny působit danými viry a ty, které přežijí, již zřejmě požadovanou imunitu mají, takže se opět rozmnoží.

Seznam takto vytvořených odrůd dnes dosahuje několika set položek a patří k nim hlavně rýže, ovocné stromy, barevné formy květin. Naši výzkumní pracovníci takto vytvořili ozářením rentgenem ječmen Diamant, který pak byl překřížen do mnoha odrůd, takže vznikla tzv. diamantová řada.

Genetické modifikace

Výhoda spočívá především ve skutečnosti, že vědci mohou do DNA rostliny přenést určitý gen z jakéhokoli jiného organismu - ať se již jedná o rostlinu, hmyz, bakterii či vir nebo dokonce savce. To je možné díky stejné abecedě genetického kódu, kterou je napsána kniha života všech organismů. V podstatě známe dva postupy.

První využívá půdní bakterie Agrobacterium, která je schopna přenášet svoje geny do rostlin. Vědci umístí gen kódující požadovanou vlastnost do bakterie, která ji zase vnese do rostliny. Obvykle se lístky měněné rostliny nakrájejí a umístí do Petriho misky s živným agarem. Na řezu lístků se vytvořila přirozená brána pro vstup bakterií, které vnesou část své DNA do některých buněk rostliny. Buňky se pak kultivují až do dospělé rostliny a vytvoří budoucí generace s požadovanými vlastnostmi. Používá se hlavně u dvouděložných rostlin, jako tabák, cukrovka, rajčata, jablka a hrušky.

Druhý postup využívá pro vnesení požadovaného genu zvláště upravené genetické pistole. Například, chceme-li do kukuřice vnést gen, který produkuje látky, jež se v trávicím traktu zavíječe mění v toxickou látku, musí se tento gen izolovat z vhodné bakterie (Bacillus thurengiensis) a opatřit ho instrukcí, která mu umožní v kukuřici pracovat. Tisíce mikroprojektilů skládajících se z částic zlata nebo wolframu pokrytých těmito řetězci DNA se vystřelí na Petriho misku s kukuřičným kalusem. Kalus vznikne tak, že se odeberou embrya nacházející se v každém nezralém semeni a umístí do Petriho misky na agarovou půdu, obohacenou faktory urychlujícími růst. Některé náboje se šťastně strefí do jádra buněk natolik, že se cizí DNA nejen zabuduje do genomu rostliny, ale buňka si také zachová schopnost normálně se dělit a vytvořit postupně celou rostlinku.

Metoda genetického děla se používá u jednoděložných rostlin, jako jsou trávy a obiloviny. Některé vlastnosti lze takto vnést poměrně dobře, jiné nikoli. Problém spočívá v tom, že se mnohé geny nezařadí na příslušné místo v DNA nebo v jiném prostředí nevedou k žádoucím vlastnostem. Mohou také náhodně narušit genetickou sekvenci, která je zodpovědná za některé cenné vlastnosti. Výsledná rostlina ale nesmí poskytovat nižší výnosy a musí splňovat všechny agronomické standardy. Proto po mnoho let a na mnoha lokalitách následuje intenzívní i extenzívní testování.

Vědci dosud neumí vnést požadované vlastnosti do předem určeného a nejvhodnějšího místa na chromozomu. Zatím také nedokáží vždy zabudovat žádoucí gen do elitních linií, takže jej vnáší do jiných linií a pak je tradičnějšími metodami kříží. Vědci ale na vyřešení těchto problémů intenzívně pracují. Již se jim podařilo díky orgánově selektivnímu promotoru, tedy jisté řídící jednotce zabudované do genomu, vybrat, kde se gen projeví - zda v plodu nebo v listech. Také se naučili, jak přimět některé geny, aby se zapínaly a vypínaly ve správnou denní dobu či roční období.

Postupy semenářských firem

Farmáři chtějí svou produktivitu neustále zvyšovat. Lidé se totiž přesunují do měst a stále větší plochy musí obdělávat stále menší počet zemědělců. Jedním ze způsobů je zasévat hybridy a variety plodin s vlastnostmi šitými na míru té které oblasti. Proto také firmy, jako například Pioneer - Du Pont, Novartis, Aventis nebo Monsanto, posilují svůj výzkum a stále rychleji vyvíjejí nové a nové variety.

Podstatné je umět vybrat slibné rostliny. To umožňují různé technologie ve třech fázích vývojového procesu - na úrovni genů, bílkovin a projevených vlastností celých rostlin. U tradičních postupů šlechtitelé vybírají vhodné variety až ve třetí fázi - hodnotí fyzické vlastnosti, neboli fenotyp, různých plodin rostoucích na pokusných pozemcích. Tento krok je nezbytný, neboť představuje jediný způsob pro zjištění, jak si potenciální variety nebo hybridy vedou za skutečných podmínek. Bohužel jsou ale časově náročné a vyžadují velké rozlohy. Navíc podmínky životního prostředí dané oblasti mohou rostlinám zabránit v rozvinutí všech důležitých vlastností, takže je obtížné hodnotit veškeré charakteristiky.

Šlechtitelé se proto rozhodli do tohoto stadia dovést jen ty nejlepší z nejlepších a postoupit k výběru na základě bílkovin. Proto hodnotí již kalus - pak laboratoř odpovídá celému poli a každá buňka jedné rostlině. Například, chceme-li po ostřelování genovým dělem vybrat rostlinu odolnou vůči určitému herbicidu, do Petriho misky přidáme do živné půdy herbicid. Buňky, do jejichž DNA byl zabudován gen kódující tuto odolnost, přežijí. Lze také testovat přítomnost určitých bílkovin. Pokud je rostlina nevyrábí, ani nebude mít požadovanou vlastnost, takže ji lze vyřadit. Selekci lze provést i na úrovni genů. Například chceme najít sóju, která je odolná vůči hlístu, který ji napadá. Identifikují se tedy geny, které jsou spojené s rezistencí vůči hlístu.

Laboratorní postupy mohou probíhat po celý rok nezávisle na počasí. Díky automatizovaným procesům, robotickým rukám, analytickým nástrojům a mocným počítačům se prohlédne nesmírné množství buněk, nepotřebné se vyřadí a soustředí se na ty nejslibnější. Značně se tím ušetří čas, prostor i další zdroje.