Genetické nůžky na český chmel

19.4.2021 |

„Myslíme jenom na to, že chmel je naše zlato…“ I současná mladá generace ještě zná tento hit z muzikálu Starci na chmelu. Byť, k její škodě, už romantika chmelových brigád dávno odešla do archivu. A přesto jsme ve chmelu zase první na světě.

Pravda, asi ne obchodně, jako někdy před sto lety. Máme ale dál celosvětově uznávanou tradici v jeho šlechtění. Název „žatecký poloraný červeňák“ znala už málem školní děcka. Přes různé komerční výkyvy dané i určitou měnící se oblibou té či oné chuti zůstala tato (či jí blízké odrůdy) ne-li rodinným zlatem, tak určitě stříbrem. Dodávajícím pivu ten správný šmak – a umožňujícím i skromnějším sládkům vařit sice pivo většinově z různých „granulí“, ale s touhle třešinkou na dortu.

Sama tradice však nestačí a šlechtění je příběh nikdy nekončící.

Ale když se spojí dohromady experti čelných institucí základního a aplikovaného výzkumu – jako v tomto případě Ústavu molekulární biologie rostlin z Biologického centra AV ČR v Českých Budějovicích (dále ÚMBR/BC AV ČR) a Chmelařského institutu s.r.o., Žatec (dále CHI Žatec) – tak i masmédia zveřejní titulky jako
„Čeští vědci jako první použili genetické nůžky CRISPR na chmel. Cílem je ještě lepší pivo.“ nebo dokonce
„Čeští vědci jako první na světě upravili gen chmele. Rostlinný biolog promluvil o průzkumu a látce na léčbu rakoviny.“

Ponechme stranou trochu barnumskou dikci této reklamy a pohleďme, co je za ní.

Chmel je rostlina dvoudomá, praxe využívá jen šištice samičích rostlin. Počátky šlechtění před více jak sto lety vycházely hlavně z klonové selekce. Pozdější pohlavní křížení mezi pečlivě vybranými odrůdami bylo následováno selekcí z hybridního potomstva. A ta může trvat i více než dvě desítky let.

Hybridních českých odrůd nabízí CHI Žatec tak necelé dvě desítky.

Rostlinné biotechnologie vstoupily do šlechtění chmele někdy počátkem sedmdesátých let minulého století. Začala éra rostlinných bank elitních genových zdrojů – zejména bezvirózních, získaných technikou „meristémových kultur“.

Ty běžné polní či skleníkové kolekce, udržované klonováním, byly samozřejmě promořené až až. Mnozí praktici se dokonce domnívali, že je to dobře, neb nepříliš agresivní viróza udržuje v hostiteli žádoucí produkci těch správných sekundárních metabolitů. A narušit toto soužití by možná znamenalo ohrožení tradičních chuťových vlastností odrůdy.

Měli pravdu? Spíše ne, ale je znám případ, kdy ono ozdravení mělo jiné nemilé obchodní důsledky až na mezinárodním trhu. Ozdravená bezvirózní sadba byla dle očekávání vitálnější a produktivnější – až na jednu maličkost. Za určitých klimatických podmínek výrazně trpěla houbovými chorobami. Větší listy byly totiž tvořeny většími buňkami – včetně svěracích buněk průduchů. A houbové hyfy tak snadněji pronikaly dovnitř. A zákazník se následně bránil (ne hyfám, ale prodejci) i soudně.

Standardní mutační šlechtění, prostřednictvím radiace či různých chemomutagenů, zůstalo jen záležitostí základního výzkumu.

Zásadní změnu v tomto ohledu ovšem může přinést právě technologie genové editace – tedy v současnosti CRISPR/Cas9 systém.

Od svého objevu před cca osmi lety byla již tato vysoce precizní mutageneze úspěšně použita u řady hlavních potravinářských či technických plodin. Dosud však nikdy právě u chmele. Důvodů bylo jistě více – jedním z nich byla mizivá vstřícnost této liány k in vitro technikám, umožňujícím regenerovat novou rostlinu z geneticky editované somatické buňky.

Výborné zvládnutí nejen regeneračních, ale také transformačních postupů u chmele se povedlo tak zhruba před pěti lety právě týmu prof. Jaroslava Matouška z ÚMBR/BC AV ČR. Chmel jej téměř celoživotně provází jeho vědeckou kariérou. Nikoliv tak kvůli pivu, ale kvůli studiu podstaty a funkce „chmelových“ viroidů. Tedy patogenních forem tvořených pouze RNA. Jeho kontakty s CHI Žatec jsou tedy mnohaleté a postupně přešly i do výzkumu jak potravinářsky tak farmaceuticky významných sekundárních metabolitů.

Mnohé z nich, zejména prenylované flavonoidy (jako xantohumol či desmetylxantohumol), hořké kyseliny (humulon či lupulon), různé fenolické látky či esenciální oleje jsou již dlouho známy jako vysoce bioaktivní. Zejména široká protirakovinná účinnost xanthohumolu bývá označována za fascinující. Další blízké metabolity mají účinky protizánětlivé, jiné pak jsou považovány za možná nejaktivnější fytoestrogeny, využitelné v léčbě problémů souvisejících s ženskou menopauzou.

Vědecká práce týmu Awasthi et al. 2021 má namířeno právě k této problematice. Její přínos je zejména metodický, současně však obsahuje řadu výsledků spadajících jak do základního tak aplikovaného výzkumu.

Autoři zatím cíleně nepozměnili žádný bezprostředně praxí využitelný gen, ale vytvořili spolehlivý modelový systém pro takové aplikace. Reálně zvládli „knockoutování“ cílového genu pro fytoendesaturázu, významného pro tvorbu dvou typů rostlinných pigmentů – chlorofylu a karotenoidů. Také ale růstového hormonu giberelinu. V buňkách modelového materiálu vyvolali celou řadu mutací, které se projevily na fenotypu regenerantů. Zejména různé chlorózy až po vznik albinotických rostlin, ale také rostlin zakrslého růstu. Mohli tak komplexně hodnotit účinnost různých editačních genových konstruktů i dalších faktorů celého postupu. A připravit se tak na další etapu práce s geny „užitečnějšími“.

Na závěr ještě dodejme poznámku legislativní povahy. Potřebné „krisprovací“ vektory byly do cílových buněk vnášeny pomocí klasické transformační techniky, využívající jako injekční stříkačky upravené kultury Agrobacterium. Jako v řadě jiných případů zde tedy strategie „geneticky modifikační“ a „genově editační“ bezprostředně souvisejí.

Zavrhneme snad zásadní šlechtitelskou techniku, směřující nejen k výrobě skvělého piva, ale také unikátních léčiv rakoviny jenom kvůli dvacet let staré a od počátku vědecky pochybené anti-GM legislativě?

Autorský komentář prof. RNDr. Zdeňka Opatrného, CSc., emeritního profesora PřF UK v Praze

Komentář odkazuje na tyto vědecké práce:

Informace ÚMBR/BC AV ČR ze dne 14. 1. 2021 – Zdravější pivo? Vědci poprvé upravili chmel moderní technologií CRISPR, s odkazem na vědecký článek:

Awasthi, P., Kocábek, T., Mishra, Sukumari Nath, V., Shrestha, A.,Matoušek, J. (2021). Establishment of CRISPR/Cas9 mediated targeted mutagenesis in hop (Humulus lupulus). Plant Physiology and Biochemistry, 160, 1-7. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2021.01.006.

Matoušek, J. et al. The “putative” role of transcription factors from HlWRKY family in the regulation of the final steps of prenylflavonid and bitter acids biosynthesis in hop (Humulus lupulus L.). Plant Mol. Biol. 92, 263–277 (2016). https://link.springer.com/article/10.1007/s11103-016-0510-7.