Čeští vědci vyvinuli nový biostimulant pro zemědělce

20.3.2023 |

Genetické manipulace jsou intenzivně se rozvíjejícím odvětvím biotechnologií. Při genetické manipulaci se upravuje genetická informace organismu, nebo se dokonce do jednoho organismu cíleně vnáší určitý gen či geny jiného organismu. Takto geneticky modifikované organismy (GMO) se dnes ve velké míře využívají v medicíně (např. výroba insulinu a dalších hormonů), potravinářství (např. rekombinantní chymosin pro výrobu sýrů) nebo v zemědělství (např. odrůdy kukuřice a bavlny odolné k hmyzu, sója odolná k herbicidům atd.).

Biotechnologie jsou ale definovány šířeji – jako technologie založené na využívání poznatků z biologie, využívající se v zemědělství, potravinářství a medicíně. Organizace spojených národů v Úmluvě o biologické rozmanitosti pak definuje biotechnologie takto: „Biotechnologie znamená jakoukoli technologii, která využívá biologické systémy, živých organismů nebo z nich odvozených biologických systémů k produkci nebo modifikaci výrobků či procesů pro specifické použití“. Patří sem tedy také biostimulanty. Rostlinné biostimulanty jsou v nařízení EU o hnojivech 2019/1009 právně definovány jako "jakékoliv přípravky stimulující procesy výživy rostlin nezávisle na obsahu živin v přípravku, s cílem zlepšit jednu nebo více z následujících vlastností rostliny: účinnost využití živin, toleranci vůči abiotickému stresu, kvalitativní vlastnosti plodiny nebo dostupnost omezených živin v půdě a rhizosféře".
 
V listopadu 2022 informoval Ústav experimentální botaniky AV ČR na tiskové konferenci, která se uskutečnila v sídle Akademie věd ČR na Národní třídě v Praze, o novém biostimulantu, který zvyšuje odolnost a výnosy plodin a nezatěžuje životní prostředí. Vědci z Laboratoře růstových regulátorů (společného pracoviště Ústavu experimentální botaniky Akademie věd ČR a Univerzity Palackého v Olomouci), připravili nový, vysoce účinný stimulátor rostlin nazvaný MTU, což je zkratka jeho chemického názvu - 1-(2-methoxyethyl)-3-(1,2,3-thiadiazol-5-yl) urea. Sloučenina vykazuje velmi zajímavou kombinaci vlastností - podporuje růst kořenů i nadzemních částí rostlin, zvyšuje výnosy plodin, chrání je před účinky horka, sucha i dalších stresových podmínek, a navíc zlepšuje schopnost rostlin využívat dusíkatá hnojiva. Původní publikace, stojící za tímto úspěchem, byla publikována v roce 2018 v časopisu Frontiers in Plant Science.
 
Přípravek MTU ovlivňuje tzv. senescenci (stárnutí) rostlin. Stresem vyvolané stárnutí je celosvětovým zemědělsko-ekonomickým problémem. Stárnutí rostlin je složitý fyziologický proces, který zahrnuje degradaci buněčných složek a nakonec vede k odumření rostlinného pletiva. Existují dva typy senescence listů - vývojová (přirozená) a stresem indukovaná. Vývojová senescence listů je proces závislý na věku, ke kterému dochází na konci životního cyklu rostliny, zatímco druhý typ je vyvolán vnějšími stresovými faktory. Stresem indukované stárnutí rostlin vede k předčasnému stárnutí rostlinných orgánů, poškozuje je a vede ke ztrátám na výnosech plodin. To zdůrazňuje potřebu objevit technologie, které mohou zpomalit stárnutí rostlin.

Různé stresory vyvolávají senescenci prostřednictvím různých signálních molekul/fytohormonů a cest. Například sucho, zasolení a nízké teploty vyvolávají senescenci u Arabidopsis prostřednictvím zvýšené hladiny kyseliny abscisové, zatímco stín nebo úplná tma vyvolávají senescenci prostřednictvím ethylenové dráhy. Produkce etylenu také doprovází a urychluje senescenci poraněných nebo oddělených listů.

Ačkoli různé signály podporující senescenci využívají různé signální dráhy, ukázalo se, že tyto četné dráhy jsou vzájemně propojeny a tvoří regulační síť, která řídí a provádí senescenci. Moderní multi-omické přístupy naznačují, že samotný proces senescence vykazuje určitý vzorec na buněčné a molekulární úrovni bez ohledu na původ počátečního faktoru. Na příkladu rýžového koleoptile bylo prokázáno, že nejprve dochází k degradaci chloroplastové DNA, následované degradací vnitřních membrán chloroplastů a ribulosa-1,5-bisfosfátkarboxylázy/oxygenázy (fotosyntetický enzym cílený na chloroplasty) a současně ke kondenzaci a deorganizaci jádra. Nakonec dochází ke zhroucení buněčné stěny a ztrátě všech buněčných složek. Předpokládá se, že chloroplasty se rozpadnou jako první, protože obsahují většinu dusíku v listu, zatímco je jádro ještě neporušené a řídí proces recyklace.

Proces stárnutí je regulován fytohormony a různé hormony mohou stárnutí podporovat nebo oddalovat. Kyselina abscisová, ethylen, kyselina jasmonová a brassinosteroidy podporují stárnutí rostlin, zatímco polyaminy, gibereliny a cytokininy stárnutí rostlin oddalují. Doposud bylo nejlepších účinků při zpomalování stárnutí dosaženo aplikací cytokininů, které jsou považovány za klíčové fytohormony zpomalující stárnutí listů a zvyšující toleranci rostlin vůči stresu. Vynikající příklady lze nalézt ve výsledcích výzkumu, v němž byly endogenní hladiny cytokininů zvýšeny během nástupu senescence u transgenních rostlin tabáku. Tito výzkumníci použili promotory spojené se senescencí, zráním a stresem suchem k řízení exprese genu kódujícího isopentenyltransferázu, což je klíčový enzym v biosyntéze cytokininů. Zvýšené hladiny cytokininů zpomalily stárnutí listů a prodloužily fotosynteticky aktivní životnost listů i rostlin.
 
Cytokininy jsou tedy považovány za klíčové hormony proti senescenci rostlin, ale navzdory této praktické funkci je jejich využití v zemědělství omezené, protože cytokininy také inhibují růst a vývoj kořenů. Čeští vědci zkoumali nové analogy cytokininů syntézou řady derivátů 1,2,3-thiadiazol-5-yl močoviny. Nejúčinnější sloučenina, 1-(2-methoxy-ethyl)-3-1,2,3-thiadiazol-5-yl močovina (v původní práci nazývaná ASES - Anti-Senescence Substance), silně inhibovala senescenci vyvolanou tmou v listech pšenice (Triticum aestivum L.) a Arabidopsis thaliana. Inhibiční účinek ASES (=MTU) na senescenci listů pšenice se ukázal jako nejsilnější ze všech známých přírodních nebo syntetických sloučenin. In vivo ASES také zlepšil toleranci mladých rostlin pšenice vůči vyšším koncentracím solí v prostředí. Zajímavé je, že ASES neovlivnil vývoj kořenů pšenice a Arabidopsis a molekulární a klasické cytokininové biologické testy prokázaly, že ASES vykazuje velmi nízkou cytokininovou aktivitu. Proteomická analýza listů ošetřených ASES dále odhalila, že degradace fotosystému II vyvolaná senescencí byla velmi účinně blokována. Celkově výsledky včetně údajů z analýzy obsahu cytokininů ukazují, že ASES zpomaluje senescenci listů jiným mechanismem (mechanismy) než cytokininy, a to účinněji. ASES obecně snižuje účinky abiotického stresu, zachovává zelenou plochu listů, stimuluje zvýšený růst kořenů a zvyšuje účinnost využití živin. Žádná taková látka dosud nebyla v literatuře popsána, což z ASES činí také zajímavý nástroj pro výzkum regulace fotosyntézy.

„MTU primárně zabraňuje rozpadu chlorofylu, a tím zvyšuje jeho obsah v listech. Ošetřené plodiny pak mohou lépe vstřebávat oxid uhličitý v průběhu fotosyntézy a vytvořit tak více energeticky bohatých látek (cukrů), které se využívají k rychlejšímu růstu kořene i stonků. Rostliny jsou pak schopné lépe čerpat vodu a živiny v ní rozpuštěné,“ říká Jaroslav Nisler (viz. foto) z týmu, jenž sloučeninu před deseti lety vytvořil. Jeho jednoduchá syntéza a vysoká účinnost předurčují MTU k tomu, aby se stal také účinným ochranným prostředkem rostlin proti stresu v zemědělském průmyslu.

 
A to se také děje. Ve spolupráci s britským partnerem, společností IntraCrop, se uvedl na trh přípravek obsahující tuto patentovanou českou látku s názvem STATUS. Status (pro zesílení účinku je MTU aplikován současně s dalším přírodním biostimulantem, kyselinou pidolovou) se již prodává zemědělcům ve Velké Británii a v tomto roce bude snad dostupný i v dalších zemích Evropy, včetně České republiky.
 
Dr. Mark Palmer (viz. foto), obchodní ředitel společnosti IntraCrop, říká: "Dva biostimulanty v přípravku Status společně pomáhají rostlinám vyrovnat se se stresem způsobeným suchem, horkem, zasolením nebo rychlým růstem. Biostimulanty sice nemohou nahradit vodu, ale mohou pomoci chránit rostliny a snížit dopad stresu. Když se stres zmírní, rostliny se rychleji zotaví. Při pokusech jsme aplikovali přípravek Status na ozimou pšenici ve fázi růstu 30, právě když nastaly suché jarní podmínky. Výnos z ošetřených rostlin byl o 0,37 t/ha vyšší než u neošetřené kontroly.“ Podobných výsledků bylo dosaženo v pokusech v Polsku a Německu za odlišných klimatických podmínek.
 
Lze říci, že lepší pochopení mechanismů, které jsou základem senescence listů, má zásadní význam pro vývoj strategií pro oddálení senescence, které by mohly být využity ke zlepšení kvality a výnosu plodin. Navzdory pokroku, kterého bylo v této oblasti dosaženo, je tedy nutný další výzkum k odhalení nových cílů regulace senescence a identifikaci nových molekul, které ji mohou účinně oddálit.
 
Zdroje: