Vědci identifikovali antistresové molekuly v rostlinách
31.3.2025 | Petr Žák
Výzkumná studie, provedená týmem vědců z University of East Anglia (UEA) a Ocean University of China a publikovaná v prestižním časopise Nature Communications, přináší průlomový objev v oblasti rostlinné fyziologie a molekulární biologie. Tato práce jako první identifikovala a charakterizovala geny řídící syntézu dimethylsulfoniopropionátu (DMSP) v rostlinách. DMSP je anti-stresová molekula, která má zásadní význam pro adaptaci rostlin na abiotické stresové faktory, jako jsou salinita, sucho či nedostatek dusíku. Studie popisuje biochemické mechanismy produkce DMSP a zdůrazňuje jeho potenciál pro zlepšení zemědělské produkce. Charakterizace DMSP jako klíčové molekuly pro toleranci k stresu představuje významný krok vpřed v rostlinné biotechnologii.
Variabilita produkce DMSP mezi rostlinnými druhy je značná. Většina rostlin syntetizuje DMSP v nízkých koncentracích, ale slanomilná tráva Spartina anglica (pro níž zatím neexistuje ustálený český název) vykazuje výrazně vyšší produkci DMSP. S. anglica, adaptovaná na růst v pobřežních oblastech s vysokou salinitou, je modelem pro studium genetických a biochemických mechanismů regulujících syntézu DMSP.
Rozdíly v produkci DMSP mezi druhy vedly k detailnímu zkoumání genetických a biochemických mechanismů, které regulují jeho syntézu a roli v toleranci k stresu. Pomocí komparativní genomiky a biochemické analýzy výzkumníci porovnali genomy S. anglica s genomy jiných rostlin. Tato analýza odhalila tři geny (SaMMT1, SaSDC a SaDOX) a jimi kódované specifické enzymy klíčové pro vysokou produkci DMSP v S. anglica – jsou jimi methionin S methyltransferáza (MMT), S methylmethionin decarboxyláza (SDC) and DMSP amin oxidasa (DOX).
Identifikace těchto enzymů je zásadní pro pochopení biosyntetické dráhy DMSP a umožňuje cílenou manipulaci s jeho produkcí i u jiných rostlinných druhů, včetně hospodářských plodin. Podrobné pochopení funkce těchto enzymů otevírá nové možnosti pro vývoj biotechnologických strategií zaměřených na zvýšení tolerance plodin vůči stresu.
Studie ukázala, že jak exogenní aplikace DMSP, tak i genetická modifikace rostlin za účelem zvýšení vlastní produkce DMSP, vedou ke zvýšení jejich odo
lnosti vůči suchu, vysoké salinitě a dalším stresovým faktorům. V rámci studie byl na rostliny rajčete (Solanum lycopersicum) exogenně aplikován DMSP prostřednictvím kořenového systému. DMSP byl přidán do růstového média a rostliny ho přijímaly kořeny, což vedlo k jeho akumulaci v listech. Experimenty ukázaly, že přidání DMSP zmírnilo negativní dopady solného stresu na rajčata a vedlo k zachování celkové hmotnosti biomasy rostlin. Pro další ověření, zda zvýšená produkce DMSP může zlepšit toleranci vůči stresu, byly také vytvořeny transgenní rostliny Arabidopsis thaliana s overexpresí genů SaMMT1, SaSDC a SaDOX ze Spartina anglica. Tyto geneticky upravené linie A. thaliana akumulovaly vysoké hladiny DMSP. Při vystavení solnému stresu tyto transgenní rostliny vykazovaly významné zvýšení biomasy kořenů ve srovnání s nemodifikovanými kontrolními rostlinami, což dokazuje, že zvýšená endogenní produkce DMSP může zlepšit toleranci k abiotickému stresu.
Tento objev má klíčový význam pro zvýšení výnosů plodin v oblastech, kde jsou stresové faktory limitující. Výzkum naznačuje možnost zlepšení růstu rostlin i v půdách chudých na dusík, což je zásadní pro udržitelné zemědělství. Mezi druhy rostlin s nízkou akumulací DMSP patří i běžně pěstované plodiny, jako je ječmen a pšenice, což nabízí možnosti pro cílené šlechtění odolnějších odrůd.
Studie také zdůrazňuje důležitou roli DMSP v globálních biogeochemických cyklech uhlíku a síry. Mikrobiální rozklad DMSP vede ke vzniku dimethylsulfidu (DMS), což je klimaticky aktivní plyn ovlivňující tvorbu mraků a podílející se na regulaci globálního klimatu. Slanomilné ekosystémy, zejména ty s dominancí rodu Spartina, představují významné hotspoty pro produkci DMSP a DMS, což ukazuje na širší ekologický význam objevu. Výsledky mají tedy dopad i na pochopení globálních klimatických změn a jejich regulaci.
Objev genů a enzymů zapojených do syntézy DMSP představuje významný krok vpřed v pochopení rostlinných adaptačních mechanismů a otevírá nové cesty pro šlechtění plodin odolných vůči stresu. Tento výzkum má potenciál významně ovlivnit zemědělskou produkci a přispět k udržitelnému zemědělství v kontextu globálních klimatických změn a rostoucích environmentálních problémů.
Zdroje: