Genomika místo herbicidů: strigolaktony

6.3.2023 |

Kokotice ladní (Cuscuta campestris) je naše nejspíš nejznámější parazitní rostlina díky cejchu invazního  plevele. Napadá  zejména porosty  motýlokvětých pícnin (vojtěška, jetel) a zemědělci s ní válčí tu více, tu méně úspěšně, s pomocí buď totálních (Basta/glufosinát) nebo „selektivních“ herbicidů. Vydrolená semena kokotice jsou totiž schopna v půdě přežívat až deset let. K důkladné asanaci napadených pozemků se používá i vypalování jejích ohnisek plynovými hořáky. 

Vývojová biologie kokotice je zajímavým příkladem koevoluce. Klíční rostliny sice tvoří pravý kořen, ale ten je funkční pouze dočasně. Rostlina lapá okolní chemické signály, které ji navádějí směrem k budoucímu hostiteli. Ten není příliš úzce taxonomicky vymezen, napadena jím může být celá řada plodin či plevelů. K nim parazit vysílá svá haustoria, jimiž může z oběti intensivně čerpat vodu a  minerální živiny i organické látky. Stonek parazita bohatě větví – a jeho objetí se časem stává pro hostitele smrtícím.

Takové ohrožení různých středoevropských pícnin se v kontextu s klimatickými změnami a obecným půdním vodním deficitem stává závažnějším problémem, ale zatím nejde o kalamitní malér. Tomu se však  v současnosti blíží působení jejich „tropických příbuzných“, a to nejen tradičně v tropech Afriky, ale také již v americkém středozápadu.

Hlavním pachatelem je v tomto případě zejména rod Striga. Rodový název nám nikoliv náhodou připomíná mytickou příšeru slovanských bájí – možná znáte polské strigy z knih Andrzeje Sapkowského. A obětí jsou tentokrát klíčové hospodářské plodiny. V první řadě kukuřice, poté čirok, rýže, cukrová třtina, proso. 

Vzájemné interakce hostitel/parazit představují opět vysoce zajímavé koevoluční puzzle. A to  z hlediska nejen vzájemných mezi-rostlinných interakcí, ale také mykorhizních. Moderní biochemická či molekulární data totiž ukazují, že se tyto signální látky týkají i klíčových mechanismů samotné rostlinné ontogeneze, resp. morfogeneze.

Díky studiu parazitismu byla tak oblast studia biologie rostlin obohacena o další významnou skupinu fytohormonů nazvanou strigolaktony (SL).  První z nich, pojmenovaný jako strigol, byl objeven již před více jak půlstoletím v kořenových exsudátech bavlníku, napadeného druhem Striga lutea.(Cook et al 1966) . A odstartoval zajímavé pátraní po obecnějším biologickém významu různých SL látek. Výrazně se podílejí v interakcích mykorrhizních – viz práce  Akiyama et al. 2005  popisující účinky SL na větvení micelárních vláken různých arbuskulárních hub. Řada prací vyšlých o dva roky později navíc prokazuje, že se tyto terpenoidní látky účastní i samotné morfogeneze řady rostlin, a to v regulaci větvení jejich stonku (Leyser 2008).

Lze se možná domnívat, že si rostliny své původní morfogeny právě s ohledem na tuto „pozitivní mykorhizu“ v evoluci dále vycizelovaly. A že mazané strigy (dnes známe zhruba šestadvacet vesměs afrických druhů) se později vmísily do této komunikace a využily ji po svém. Tedy způsobem à la kokotice.

Striga tvoří až 500 tisíc „prachových semen“, pro něž je SL spouštěčem klíčení. Vzniká její primární kořen, v okolní půdě pátrající po kořeni budoucího hostitele. Ten je naleptán enzymovým sekretem strigy a poté uvolňuje chinonické látky. Jakmile hladina chinonu dosáhne potřebné koncentrace, začne z kořene strigy vznikat haustorium, následně penetrující kořen hostitelské rostliny. Jeho kůrou projde během dvou až tří dnů, a pak už jej jen vysává.  Do 24 hodin po tomto průniku do hostitelových vodivých pletiv už parazit otvírá svoje děloh a a striga pak roste až do dospělosti.

Obrana či ochrana proti ní je krajně obtížná. Šlechtěním bylo získáno jen pár odolnějších kukuřičných odrůd. Nastupuje tedy opět průmyslová chemie.  Komerčně zajímavá jsou kupř. semena „obalená“ systemickým herbicidem imazapyrem.

Nové šance však slibuje základní výzkum metabolizmu a funkce nejrůznějších SL s cílem ovlivnit jejich přirozenou biosyntézu a omezit či dokonce eliminovat jejich signální efekt na „strigovou klíčivost. Je to trochu  biochemicko-genomický tanec mezi vejci. V současnosti je známo více než 35 různých SL. Kukuřice jich exsuduje nejméně šest.

Změna složení tohoto germinačního koktejlu může zásadně snížit klíčivost semen parazita – ale také  negativně ovlivnit schopnost růstu mycelií „užitečných“ arbuskulárních hub. Výsledky biochemických analýz u několika genotypů kukuřice (Li et al. 2023)  potvrdily existenci dvou paralelních biosyntetických drah, jejichž produktem byl hlavní kukuřičný SL, tedy zealacton. Průvodní genomika umožnila charakterizovat jejich dílčí etapy .Různé ovlivnění těchto drah vedlo mj. ke změně rovnováhy mezi zealaktonem a zealaktolem a zealaktonovou kyselinou. Genotypy produkující přednostně zealaktol byly výrazně méně postiženy „strigovou invazí“. Ukazuje se tak nadějná strategie molekulárního šlechtění odrůd s možná zásadním ekonomickým i ekologickým dopadem.

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

Zdroje:

Akiyama K., Matsuzaki, K., Hayashi,H., : Plant sesquiterpenes induce hyphal branching in arbuscular mycorrhizal fungi.- Nature 435: 824-827, 2005
Cook C.E., Whichard, I.P., Turner,B, Wall, M.E. , Egley,G.H.,: Germination of witchweed (Striga lutea Lour.) : isolation and properties of a potent stimulant.- Science 154: 1189-1190, 1966
Leyser,O.: Strigolactones and shoot branching : a new trick for a young dog.- Developmental Cell 15: 337-338, 2008
Li et al. : Maize resistence to witchweed through changes in strigolactone biosynthesis .-  Science 379: 94-99, 2023