Belgičtí, čeští a britští vědci významně přispěli k pochopení toho, jak se vyvíjejí cévní svazky v kořenech.

Prokázali, že klíčovou roli v tomto složitém procesu hrají interakce mezi rostlinnými hormony cytokininy a proteiny, které regulují jejich koncentraci v buňkách. Získané poznatky mohou v budoucnu pomoci například při šlechtění plodin odolnějších vůči suchu.

Na výzkumu se podíleli odborníci z Laboratoře růstových regulátorů, společného pracoviště Ústavu experimentální botaniky Akademie věd ČR a Univerzity Palackého v Olomouci. Výsledky práce mezinárodního týmu vědců zveřejnil prestižní časopis Nature Plants.

Studie se zaměřila na cévní svazky v kořenech huseníčku rolního. „Cytokininy řídí růst a vývoj cévních svazků v kořenech. V olomouckém týmu jsme dokázali identifikovat molekulární procesy, které přímo ovlivňují obsah těchto rostlinných hormonů,“ říká Ondřej Novák z Laboratoře růstových regulátorů.

Kořeny ušité na míru

Vědci zjistili, že pro správný vývoj cévních svazků jsou podstatné určité regulační bílkoviny (proteiny) ovlivňující aktivitu genů pro enzymy, jež produkují nebo odbourávají rostlinné hormony cytokininy.

„Precizně vyladěné hladiny cytokininů pak v různých částech vznikajícího cévního svazku určují jeho anatomickou strukturu,“ upřesňuje Ondřej Novák, podle nějž jsou právě kořeny rostlin výborným objektem pro studium vývojové biologie.

„Na špičce kořene, kterou kryje takzvaná čepička, vznikají dělením nové buňky. Ty se postupně specializují na různé funkce a vytvářejí jednotlivé anatomicky rozlišitelné části kořene,“ vysvětluje Ondřej Novák.

Znalost mechanismů, jež řídí vývoj cévních svazků v kořenech, může podle něj mít v budoucnu i praktické využití. „Úpravami příslušných genů by bylo možné získat plodiny s kořenovým systémem ‚ušitým na míru‘ požadavkům pěstitelů. Nové odrůdy by díky tomu například lépe vzdorovaly suchu, protože by dokázaly čerpat z půdy více vody, nebo by efektivněji získávaly minerální živiny,“ dodává vědec.

Aktivita cytokininů v kořenech různých pokusných variant. Foto: BaoJun Yang.

Nové dílky do skládačky

Cévní svazky probíhají středem kořene po celé jeho délce a skládají se ze tří částí. Dřevo (xylém) dopravuje vodu s minerálními živinami z kořenů do stonku a listů. Lýko (floém) transportuje hlavně cukry a další organické látky.

Mezi těmito dvěma částmi se u mladých kořenů nachází prokambium, jehož buňky se později začnou dělit a produkovat nové buňky dřeva i lýka.

Všechny složky cévních svazků se musí vyvíjet na správném místě a ve správný čas. Biologové již znají některé „hráče“, kteří se na tomto procesu podílejí. V pomyslné skládance však stále chybí mnoho dílků. Cílem nové studie bylo některé z nich doplnit.

Vědci vyšli z toho, že pro vývoj cévních svazků jsou důležité rostlinné hormony cytokininy a také proteiny TMO5 a LHW. Oba proteiny patří mezi transkripční faktory, což znamená, že řídí aktivitu vybraných genů. Výzkum se proto zaměřil na hledání genů, které mají spojitost s cytokininy a zároveň jsou regulovány dvojicí TMO5/LHW.

Spoluautorka výzkumu Federica Brunoni z olomoucké Laboratoře růstových regulátorů. Foto: Ota Blahoušek.

Rozsáhlá analýza odhalila dva geny pro enzymy zapojené do metabolismu cytokininů. Jeden se podílí na jejich syntéze, zatímco druhý je odbourává. Každý přitom pracuje v jiné části cévního svazku.

„Kombinovali jsme různé experimentální přístupy, které umožnily mapovat aktivitu identifikovaných molekulárních hráčů na úrovni jediné buňky,“ uvádí Federica Brunoni z olomouckého týmu.

Další experimenty umožnily popsat vztahy mezi zúčastněnými geny, proteiny a hormony. Bílkoviny TMO5 a LHW jsou aktivní pouze v místě vznikajícího xylému, zhruba uprostřed cévního svazku. Spouštějí zde tvorbu cytokininů, jejichž vysoká hladina poté podporuje vývoj xylému.

Sousedící prokambium však ke svému vývoji potřebuje méně cytokininů. I to zajišťuje dvojice TMO5/LHW, ovšem nepřímo. „Zapíná“ totiž gen pro další regulační protein, který z xylému putuje do oblasti prokambia a aktivuje tam naopak gen pro cytokinindehydrogenázu, tedy enzym odbourávající přebytečné cytokininy.

Lokalizace dvou ze studovaných regulačních proteinů v kořenové špičce huseníčku. Foto: BaoJun Yang.

„Konkrétně naše laboratoř přispěla k prokázání toho, že změna aktivit regulačních genů ovlivňuje obsah cytokininů ve špičce kořene, kde se buňky intenzivně dělí. Prokázáno bylo také to, že korektní zapínání a vypínání těchto molekulárních modulů je nezbytné pro správné formování rostlinného pletiva,“ doplňuje Federica Brunoni.

Kromě odborníků z Laboratoře růstových regulátorů se výzkumu zúčastnili také Klára Hoyerová z Laboratoře hormonálních regulací u rostlin Ústavu experimentální botaniky AV ČR, belgičtí vědci z univerzity v Gentu a výzkumného institutu VIB a britští vědci z univerzity v Nottinghamu.

* * *

Odkaz na publikaci

Yang B., Minne M., Brunoni F., et al. (2021): Non-cell autonomous and spatiotemporal signalling from a tissue organizer orchestrates root vascular development. Nature Plants 7: 1485–1494.

https://doi.org/10.1038/s41477-021-01017-6 (placený přístup)

Text: Jan Kolář (Ústav experimentální botaniky AV ČR), Šárka Chovancová (Přírodovědecká fakulta Univerzity Palackého v Olomouci) a Markéta Růžičková (Středisko společných činností AV ČR)