Gen "Booster" otevírá nové možnosti pro zvýšení fotosyntézy a produkci rostlinné biomasy

24.3.2025 | Petr Žák

Tým vědců ze Spojených států identifikoval u topolu chlupatoplodého (Populus trichocarpa) gen, který vědci pojmenovali jako Booster (BSTR, „posilovač“). Gen prokazatelně zvyšuje efektivitu fotosyntézy a růst rostlin. Tento objev přináší významnou naději na efektivnější produkci rostlinné biomasy a mohl by podpořit snahy o pěstování topolů pro výrobu udržitelného paliva, jako životaschopné alternativy k palivům na bázi ropy.

Přenosy DNA z organel do jádra jsou považovány za důležité motory evolučních změn, které umožňují rostlinám adaptaci na nová prostředí. I když většina přeskupení DNA vede k nefunkčním sekvencím, může tento proces vést k tvorbě nových funkčních nebo pozměněných genů. Booster gen je chimerický gen se třemi exony, který se nachází v jaderné DNA. To znamená, že obsahuje DNA sekvence ze tří původně oddělených zdrojů, které se v průběhu evoluce spojily do jednoho funkčního celku, a to konkrétně z:

bakterie (Streptomyces sp.) žijící v kořenovém systému topolu
mravence (Trachymyrmex septentrionalis), který pěstuje houbu infikující topoly
velké podjednotky Rubisco, klíčového proteinu pro fixaci oxidu uhličitého během fotosyntézy v chloroplastech rostlin

Gen BSTR byl identifikován pomocí celogenomové asociační studie (GWAS) prováděné u 743 jedinců topolu chlupatoplodého. Tato metoda umožnila vědcům spojit genetické varianty s rozdíly ve fotosyntetické výkonnosti. Sekvenční analýza potom odhalila, že se jedná o chimerický gen.

Aby v následných experimentech s tímto genem eliminovali vědci nežádoucí vlivy jiných genů (které by mohly spolupůsobit s genem BSTR), vytvořili hybridní topoly (Populus tremula x Populus alba). U těchto hybridních topolů zajistili exprimování genu BSTR tak, že vytvořili transgenní linie, u kterých došlo k zvýšené expresi genu BSTR. Toho dosáhli klonováním genu BSTR do binárního vektoru řízeného zesíleným promotorem 35S a následnou transformací tohoto vektoru do hybridních topolů. Zvýšená exprese BSTR byla poté potvrzena pomocí analýzy RT-qPCR.

Vědci zjistili, že vyšší exprese genu Booster výrazně ovlivňuje růst a fotosyntetickou aktivitu rostlin. Klíčovým efektem je zlepšení dynamické adaptace na světelné fluktuace, což umožňuje rostlinám efektivněji využívat fotosyntézu i v proměnlivých světelných podmínkách. Tento mechanismus je podpořen zvýšením obsahu enzymu Rubisco v listech, který hraje zásadní roli ve fixaci oxidu uhličitého. Výsledkem je nárůst čisté absorpce CO₂, což svědčí o vyšší fotosyntetické aktivitě rostlin s nadměrnou expresí genu BSTR. Autoři také pozorovali lepší kvantovou účinnost asimilace CO₂ a lineárního transportu elektronů u vysoce expresních genotypů BSTR. Navíc gen BSTR funguje jako transkripční represor - experimenty ukázaly, že má vliv na genovou expresi a podílí se na signalizaci mezi jádrem a plastidem.

BSTR zvyšuje účinnost fotosyntézy a produktivitu u huseníčku (vlevo kontrola, tři rostliny vpravo jsou transgenní s nadměrnou expresí BSTR)

Transgenní hybridní rostliny topolu pěstované ve skleníku vykázaly až 200% nárůst výšky, což potvrzuje obrovský potenciál tohoto genu pro zvýšení tvorby biomasy. V polních podmínkách byl zaznamenán 35% nárůst výšky a 88% nárůst objemu kmene, což dokazuje pozitivní dopad i mimo laboratorní prostředí. Kromě topolů ovlivňuje gen BSTR také transformovaný huseníček rolní (Arabidopsis thaliana), jehož rostliny s heterologní expresí tohoto genu dosáhly až 200% nárůstu biomasy a 50% nárůstu produkce semen.

Objev Booster genu otevírá široké možnosti praktického využití a může mít významné dopady v různých oblastech. Pěstování rostlin s efektivnější fotosyntézou by mohlo umožnit zvýšenou produkci rostlinné hmoty, která by mohla být využita k produkci materiálů, chemikálií a dalších produktů založených na obnovitelných surovinách. Jedním z klíčových přínosů genu BSTR je jeho potenciál pro produkci biopaliv. Vyšší výnosy rostlin, zejména topolů s vylepšenou fotosyntézou, by mohly vést k efektivnější výrobě biomasy určené například pro produkci leteckého paliva, čímž by se snížila závislost na fosilních palivech a přispělo k dekarbonizaci dopravy. Další oblastí, kde by mohl mít gen významný dopad, je produkce potravin. Přestože zatím neexistují přímé důkazy o účinnosti BSTR u klíčových plodin, jako jsou sója, rýže nebo pšenice, výsledky experimentů s huseníčkem naznačují, že by gen mohl mít potenciál pro zlepšení výnosů i u dalších druhů rostlin.

I přes velmi slibné výsledky má studie určitá omezení, včetně krátké doby trvání experimentů. Vědci tedy plánují provést polní testy topolů a dalších rostlin v různých lokalitách a růstových podmínkách, aby analyzovali působení genu Booster v delším časovém rozpětí. Chtějí také zjistit, zda funguje i u jiných plodin a jaké jsou jeho přesné mechanismy účinku. Dále je potřeba prozkoumat jeho vliv na stresové reakce rostlin a jeho interakce s dalšími geny.

Zdroje: