Genová editace mechanismu source-sink jako řešení klimatického hladu

13.2.2025 | Zdeněk Opatrný

Lidská populace se celosvětově zvětšuje a s tím nezadržitelně roste i její potravinová náročnost. Standardní agrovýroba čelí požadavku dvojnásobku svého zvýšení do roku 2050. Jejím výrazným protihráčem se stal komplex klimatických změn, zejména pak globálního oteplování.

Primární potravinoví producenti, tedy zelené rostliny, si během evoluce vytvořily velmi sofistikované regulační systémy svého energetického metabolismu. Interaktivně řídí přesuny asimilátů z orgánů/pletiv zdrojových (source) do zásobních (sink), jak to prvně definovali Mason a Maskell v roce 1928. Citlivě reagují na situace různých abiotických stresů tak, aby garantovaly nejen momentální přežití jich samotných, ale i jejich potomstva. Tehdy je pro ně výhodné zbavovat se aktuálně nadměrné kapacity sinků.

V případě teplotního stresu se pokles ukládané energie mj. následně odrazí v poruchách funkce reproduktivních orgánů – tvoří se méně semen, zvyšuje spad nezralých plodů. Nastává situace nikoliv fatální pro zachování další generace, ale závažná pro konzumenty snížením objemu a kvality sklizně.

Některé plodiny jsou velmi citlivé zejména na zvýšení nočních teplot. Jmenovitě v případě rajčete při zvýšení nočních teplot o pouhé dva stupně dochází k až o 80 % vyššímu opadu květů nebo plodů.

Měnící se klima v těchto přesunech dělá pěkný zmatek. Nejrůznější plodiny, mnohá desetiletí šlechtěné na vysokou produkci semen či plodů, začínají být klimatem výrazně postiženy. Zvýšení teploty o pouhé 2 °C proti normálu může vyústit v až 3-13% úbytek sklizně.

Jednou z moderních možností, jak této hrozbě čelit, je zasáhnout do evolucí petrifikovaného molekulárního mechanizmu přeměny a transportu fotoasimilátů pomocí technologie genové editace. Čerstvé informace v tomto směru přináší publikace Lou et al. 2025 v prestižním časopise Cell. Čínský tým jako modelové rostliny použil jednak rýži, jednak rajče. A to v desítkách genotypů, zejména pak vybraných elitních odrůd.

Těžištěm několikaleté práce je komplexní analýza procesů tvorby, transportu a ukládání a dalšího metabolismu primárních asimilátů - tedy zejména sacharózy. Ta je transportována ze zelených pletiv na místa spotřeby či ukládání. Tam je buď postupně degradována pomocí invertáz v glukosu a fruktosu, nebo činností syntasy sacharosy v uridin-difosfoglukosu a fruktosu.

Acidické invertasy se nacházejí jednak v buněčných stěnách (cell wall – tedy CWINs), jednak ve vakuolách (VINs). Neutrální, resp. alkalické invertasy (CINs) jsou lokalizovány v cytoplasmě. Právě CWINs se ukázaly být jako klíčové pro směrovaný „karbonový transport“ do zrn či plodů za situací fyziologicky normálních či stresových (Ruan 2014). Autoři se tedy soustředili na možnost ovlivnění jejich aktivity zásahem do regulační funkce jejich promotorů.

Ty obsahují různé heat-shock elementy (HSE). Podobně, jako v případě jiných promotorových cis-regulačních elementů se jedná o krátké (v tomto případě 10nt) úseky DNA, na něž se vážou specifické transkripční faktory (TF). Zde TF aktivované při zvýšené teplotě (HSTF). V důsledku uvedeného tedy při zvýšené teplotě dojde ke zvýšení exprese genů, jež jsou kontrolované promotory obsahujícími HSE.

Cílenou změnou/záměnou těchto HSE lze tak změnit přirozenou reakci rostliny na aktuálně zvýšenou teplotu. Spolehlivost takového zásahu je samozřejmě primárně ovlivněna přesností inserce daného HSE konstruktu.

Autoři k tomuto účelu vytvořili sofistikovanou strategii CROCS (climate responsive optimization of carbon partitioning to sinks). Použili v něm modifikovanou prime-editing - metodu cílené mutageneze, založenou na CRISPR/Cas9, ale s dílčími modifikacemi. Nepoužívá se zde totiž přirozená Cas9 nukleáza, jež vytváří dvouvláknový zlom v místě genomu, do něhož je navedena na základě komplementarity s guide RNA (sgRNA), ale nukleasa Cas9 i gRNA jsou upravené, a to takto: i) jedna nukleasová doména Cas9 je inaktivovaná (tedy enzym způsobuje zlom jen jednoho vlákna), ii) k vlastní nuklease je připojená reverzní transkriptasa (jedná se tedy o fúzní protein kódovaný fúzním genem), a iii) namísto běžné sgRNA se používá upravená prime-editing gRNA (pegRNA), která kromě navádění do cílového místa (zde navádění do promotoru invertázových genů) slouží i jako předloha (templát) pro reverzní transkriptasu, která je schopná v místě, kde Cas9 vytvořila jednovláknový zlom, vytvořit cDNA kopii tohoto templátu (tedy do místa štěpení nasyntetizuje úsek DNA dle RNA templátu přítomného v pegRNA). V promotorech cílových invertasových genů přímo v genomu se tak nově vytvoří HSE ("knockin").

V takto komplexně regulovaném systému s řadou modelových genotypů samozřejmě nelze očekávat obecně platné, jednoznačné výsledky. Nicméně v případě rajčat tvořil jeden z kultivarů za stresových podmínek až o více než 33 % plodů elitní kvality než kontrola. A podobně v případě rýže byl výnos vyšší o 25 %.

Poznámka „evropsky legislativní“: Geny pro editovací aparát, které mohly být vneseny jako transgen, se dají v další generaci „odkřížit“, nebo se dají buňky editovat např. tak, že se do nich přímo vpraví již nasyntetizovaný fúzní protein a pegRNA. Pak může být celá technika přípravy GMO-free/DNA-free.

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

Literatura

Mason, T.G., Maskell, E.J.: Studies on the transport of carbohydrates in the cotton plant: II the factors determining the rate and the directionof movement of sugars1. Annals of Botany os-42, 571-636,1928
Lou,H. : Engineering source-sink relations by prime editing confers heat-stress resilience in tomato and rice . Cell 188: 1-20, 2025
Ruan, Y.L.: Sucrose metabolism: gateway to diverse carbon use and sugar signaling . Annu. Rev.Plant Biol 65: 33-67, 2011