Skip to content
Jako první na světě zobrazili celý chromozom v přirozeném stavu. Vědcům z Ústavu přístrojové techniky AV ČR ve spolupráci s Ústavem experimentální botaniky AV ČR se díky revoluční metodě podařilo to, o co se pokoušeli experti nejprestižnějších laboratoří. Odhalení povrchové struktury chromozomu s různými miniaturními výběžky a prostorově uspořádanými smyčkami vláken může v budoucnu ovlivnit například medicínu nebo zemědělství. Nová zobrazovací metoda je už teď zásadním vylepšením pro vědeckou obec. Výzkum byl podpořen Grantovou agenturou České republiky.
Po letech bádání a pokusů světových laboratoří, jak zobrazit biologické vzorky v přirozeném stavu, přišli čeští vědci s řešením. Nově vyvinutá metoda A-ESEM otevírá zcela nové možnosti zkoumání neživé, ale především živé hmoty.
Dosud se pro zobrazení prostorové struktury biologických i nebiologických materiálů s rozlišením až miliontiny milimetru používala rastrovací elektronová mikroskopie (SEM), při které se vzorky pozorují ve vysokém vakuu. Proto musejí projít úpravami, jež ale mohou poškodit jejich strukturu. A to vylučuje jejich pozorování v nativním stavu.
Jako auto, které jezdí po vodě a umí se ponořit
Metoda A-ESEM, pokročilá environmentální rastrovací elektronová mikroskopie (A-ESEM; Advanced Environmental Scanning Electron Microscopy), umožňuje zkoumat prakticky všechny živé vzorky: rostlinné a částečně i živočišné buňky v přirozeném stavu, malé živé živočichy, houby, plísně, roztoče, proteiny, bakterie, a vědci se chystají i na viry. Navíc lze sledovat dynamické změny vzorků v důsledku změny jejich teploty, vysychání, chemické reakce, fyzikálního působení.
„Klasický mikroskop lze přirovnat k luxusnímu automobilu, přičemž environmentální mikroskop je luxusním automobilem v ještě vyšší výbavě, který navíc umí jezdit po vodě a potápět se jako ponorka, zkrátka má všechny funkce klasického mikroskopu, a navíc řadu dalších,“ vysvětluje Vilém Neděla, vedoucí brněnského týmu Environmentální elektronové mikroskopie Ústavu přístrojové techniky AV ČR, který metodu vyvinul.
„Využíváme softwary s umělou inteligencí, které poradí, jak nastavit parametry, aby se vzorek nezničil. Využili jsme mnoha vlastních inovací a díky ultracitlivým detektorům pozorujeme vzorky ve vysokém tlaku plynu a ve vlhkosti až 100 %, tedy v enviromentálně kompatibilních podmínkách – velice šetrně, neubližujeme jim,“ popisuje Vilém Neděla.
A-ESEM je ze všech elektronově mikroskopických metod nejvíce univerzální, navíc ji lze použít k přípravě a dalším fyzikálně-chemickým analýzám vzorků. Podle Viléma Neděly je dokonce rychlejší, levnější a vhodnější pro studium dynamických změn biologických vzorků než kryo-elektronová mikroskopie, oceněná v roce 2017 Nobelovou cenou. „Tato nová metoda řeší základní problém zdánlivé neslučitelnosti elektronové mikroskopie s přítomností vody v kapalném skupenství ve vzorku. Proto je vhodná pro zobrazování živých organismů a extrémně citlivých nanostruktur a nanopovrchů vše ve vysokém rozlišení,“ říká Vilém Neděla.
Důležitý objev pro zdraví lidí i rostlin
Potenciál nové metody ověřili vědci ve spolupráci s olomouckým pracovištěm Ústavu experimentální botaniky AV ČR studiem chromozomů, tedy mikroskopických struktur, ve kterých je uložena dědičná informace.
Chromozomy v průběhu dělení buněk kondenzují v mikroskopické válečkovité útvary. O odhalení jejich nanostruktury se léta pokoušely vědecké týmy z celého světa. Neuspěly, protože všechny dostupné metody vyžadovaly drastické ošetření chemikáliemi, sušení, pokovování či mrazení a následnou sublimaci ledu. A protože povrchová vrstva chromozomu je extrémně citlivá, byla při takovém zkoumání buď poškozena, nebo zcela odstraněna.
„Teprve nově vyvinutá metoda A-ESEM odhalila, že povrch kondenzovaných chromozomů je posetý četnými výběžky, smyčkami chromatinových vláken o průměrné velikosti kolem 30 nm. Takové prostorové uspořádání povrchu chromozomů nebylo dosud pozorováno. Navíc je velmi pravděpodobné, že se nám podařilo zobrazit i nepatrné, jen 12 nm velké nukleozomy, na kterých je jako na cívky navinuta molekula DNA,“ doplňuje rostlinný genetik Jaroslav Doležel, vedoucí olomouckého týmu Ústavu experimentální botaniky AV ČR.
Získané výsledky přispívají k pochopení molekulární struktury mikroskopických útvarů – chromozomů –, které přenášejí dědičnou informaci z rodičů na potomstvo. Zatímco u člověka jsou jejich poruchy příčinou dědičných chorob, u zemědělských plodin vedou ke snížené plodnosti a výnosu. Odhalení povrchové struktury chromozomů poskytuje nový pohled na strukturu dědičného aparátu, umožní identifikaci poruch v jeho uspořádání a přispěje k vývoji syntetických organismů s uměle vytvořenou dědičnou informací.
Uplatnění nové metody
Dosažitelné rozlišení A-ESEM je při podmínkách studia chromozomů srovnatelné s rozlišením klasického „vakuového“ rastrovacího elektronového mikroskopu (SEM), což může mít podle Viléma Neděly zcela zásadní vliv na vývoj světového trhu s elektronovými mikroskopy. „Možnost spojení A-ESEM s dalšími zobrazovacími technikami, včetně světelné mikroskopie, umožní vědcům zobrazování a funkční analýzu nejen chromozomů, ale i dalších biologických objektů v přirozeném stavu. Jaké praktické dopady bude případné široké nasazení nové metody A-ESEM mít, v tuto chvíli není možné ani odhadnout. V Ústavu přístrojové techniky Akademie věd ČR jsme každopádně přesvědčeni, že jde o jeden z nejdůležitějších objevů, které byly učiněny na půdě naší instituce, a revolučním krokem vpřed pro elektronovou mikroskopii jako takovou,“ uzavírá Vilém Neděla.
Výsledky mnohaletého výzkumu brněnských a olomouckých vědců publikoval časopis Scientific Reports, který je součástí nakladatelství vydávajícího jeden ze světově nejprestižnějších vědeckých časopisů Nature.
Úvodní obrázek: Kolorovaný snímek chromozomu v nativním stavu získané pomocí nově vyvinuté pokročilé environmentální rastrovací elektronová mikroskopie. Zdroj: ÚPT AV ČR
Zdroj: AV ČR
Paleobiologie již léta není vědou o popisu a klasifikaci schránek, kostí a zubů. Je to moderní vědní obor, který se zabývá hledáním struktury fosilních ekosystémů a procesů, které byly hybateli jejich vývoje. Katarína Holcová z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy se se svými spolupracovníky v rámci výzkumu podpořeného Grantovou agenturou České republiky (GA ČR) zabývala organismy, které v minulosti kolonizovaly pevné schránky jiných živočichů.
V průběhu evoluce se stavba ekosystémů stávala složitější a vznikaly mnohem komplexnější a komplikovanější vzájemné vztahy uvnitř ekosystémů i mezi nimi. Díky tomu se vyvíjely nové druhy organismů specializované na nové životní strategie.
Výzkumný tým vedený Katarínou Holcovou si pro studium zvolil ekosystémy stojící stranou „mainstreamového“ zájmu – endolitické a epibiontní organismy, tedy ty, které žijí uvnitř hornin nebo na povrchu jiných organismů. Zmapování struktur a vztahů málo známých ekosystémů je totiž stejně důležité jako studium těch populárních, jako jsou např. útesy. Vzniklá mozaika informací z minulosti se tak stává komplexnější a pomáhá nám nahlédnout na současnost.
Řešení výzkumného projektu vyžadovalo mezioborovou spolupráci, a proto se do něj zapojili vědci a vědkyně z různých institucí, kteří ovládají různé přístupy. Kromě badatelů z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy se do jeho řešení zapojili také výzkumníci z Geologického a Botanického ústavu AV ČR, Národního muzea a Západočeské univerzity v Plzni.
V rámci výzkumného projektu se odborníci zabývali trojicí opomíjených životních strategií, které však mají společného jmenovatele – pevnou schránku. Zaměřili se na organismy, které sice sami často pevnou schránku nemají, ale využívají schránky jiných organismů jako substrát, tedy prostředí ke kolonizaci. Schránky lze kolonizovat třemi způsoby – dovnitř, na vnějším povrchu nebo na povrchu vnitřním, a to jak za života hostitelského organismu, tak po jeho odumření v různých fázích rozkladu.
„Navrtávači schránek“ a koloběh uhlíku
První skupinu strategií představovaly tzv. endolitické organismy, které jsou schopné se zavrtat do různých pevných schránek (zejména karbonátových), které pak využívají převážně jako zdroj živin. Autotrofní organismy vyhledávají zvláště tzv. „mikroživiny“, zatímco heterotrofní organismy konzumují vrstvičky organické hmoty ve schránkách nebo se provrtají k čerstvě odumřelé tkáni uvnitř schránek. Dalším významným důvodem, proč organismy navrtávají schránky, je budování skrýší.
Ať už endolitické organismy vrtají do schránek z důvodu vyhledávání živin nebo skrýše, tak se díky destrukci vápnitých substrátů velice aktivně (což zatím není zcela doceněno) zapojují do biogeochemického cyklu anorganického uhlíku. Jedná se v současné době v souvislosti s klimatickými změnami o zvláště aktuální téma.
Odlitky mikrovrteb pravděpodobně mikroskopických hub ve stěně schránky dírkovce rodu Sorites. Endolitické organismy destruovaly odhadem 30 % schránkové hmoty již krátce po odumření organismu. Rudé moře, Izrael. Délka obrázku 300 µm.
Staré chodbičky a moderní zobrazovací metody
Vrtavé organismy jsou vesměs měkkotělé, a proto jsou jejich „body fossils“, neboli přímo fosilizovaná těla či jejich části, extrémně vzácné. Roli a význam těchto organismů v procesu rozkladu vápnitých substrátů proto můžeme interpretovat pouze ze stop po jejich činnosti, které nacházíme nejčastěji v podobě chodbiček různých tvarů a velikostí (ichnofosilie). Na základě jejich morfologie pak odhadujeme původce, kterými mohou být v případě mikroichnofosilií bakterie, sinice, drobné zelené řasy nebo mikroskopické houby. Původci makrovrteb jsou pak některé mnohobuněčné organismy, jako jsou živočišné houby (tj. houbovci či spongie) nebo různé organismy s červovitým tělem.
Vrtavé struktury se nacházejí uvnitř stěn schránek. Pokud chceme porozumět jejich 3D morfologii nebo zjistit pozici ve stěně schránky, musíme použít technicky náročnou metodologii a využít kombinaci moderních zobrazovacích technik.
V rámci projektu financovaném GA ČR se výzkumný tým Kataríny Holcové zabýval limity a výhodami jednotlivých zobrazovacích technik, které se využívají ke studiu a determinaci různých druhů vrteb. Kombinace nových a klasických postupů při výzkumu vrtavé činnosti organismů přinesla sérii zajímavých výsledků. Jednalo se například o potvrzení revoluce protist (prvoků) známé z konce spodního devonu u dírkovců a mřížovců i na úrovni endolitických organismů, které vědci studovali na příkladech změn ichnospolečenstev v mořském prostředí staršího paleozoika v oblasti barrandienu.
Zdánlivě chaotická síť průlezových chodbiček uvnitř stočeného trilobita druhu Pricyclopyge binodosa, která ukazuje cílené prožírání mršiny a využití rozkládajících se tkání. Snímek je získaný pomocí počítačové mikrotomografie, trilobit pochází z ordoviku barrandienské oblasti.
Na materiálu z miocénu Centrální Paratetydy výzkumníci zdokumentovali silně redukované přežívání vrtavých organismů v prostředí se sníženým obsahem kyslíku. To omezovalo biogenní rozklad karbonátových schránek v tomto prostředí a brzdilo návrat anorganického uhlíku do uhlíkového cyklu.
Život na schránkách i v jejich bezpečí
Druhou významnou životní strategii reprezentovali epibionti, tedy organizmy, které žili převážnou část svého života pevně přichyceny na schránce hostitelského organizmu. Díky grantovému projektu se výzkumníkům podařilo nahlédnout do raného utváření tohoto specifického ekosystému v sukcesi nejstarších společenstev pražské pánve.
První komplexní ekosystém epibiontů z ordoviku barrandienu
Třetí strategii představují organismy, které kolonizují vnitřní povrch schránek těsně po odumření organismu, který schránku vytvořil. Pod schránkou nebo uvnitř ní je prostor, kde dochází k postupnému rozkladu měkkých tkání. Na nich se živí sukcese „mrchožroutů“. Fosilní záznam tohoto komplexního ekosystému, který je klíčový pro recyklaci organické hmoty a energie, je většinou také redukován jenom na ichnofosilie. V rámci grantového projektu odborníci prostudovali jeden z nejstarších, výjimečně zachovaných případů z ordoviku, které nabízí výše zmíněná oblast barrandienu.
Výzkumný projekt jako odrazový můstek
I díky grantové podpoře mohli výzkumníci po skončení projektu publikovat článek v prestižním časopise Nature, který se týkal objevu krunýře trilobita, pod kterým byl in situ zachován obsah trávicího traktu. Tato naprosto unikátní fosilie umožnila zrekonstruovat příběh trilobita od odumření až po pokusy využít jeho mršiny jako zdroje potravy.
„Článek vlastně završil studium třetí strategie zmíněné v předchozím odstavci, ovšem už jej nemělo praktický smysl GA ČR dedikovat, protože výstupy projektů se sledují pouze do jednoho roku od jeho ukončení. Přesto jsme v poděkování grantový projekt uvedli, protože se ho bytostně týkal,“ podotýká Holcová. „I přes pandemii COVID jsme díky aktuálním opatřením GA ČRu grantový projekt úspěšně ukončili, i když s určitými omezeními a změnami. Zejména se jednalo o terénní výzkumy, které bylo nutné přesunout až ke konci financování projektu. Některé výstupy grantu budou ještě publikovány v odborných článcích v příštím roce a stanou se rovněž součástí tří dizertačních prací vesměs zahraničních doktorandů,“ doplňuje.
Jeden z výzkumných směrů, kterým Holcová a její tým na výzkumný projekt navazují, je využití moderní náročné zobrazovací metody zvané počítačová nanotomografie. Rozlišení klasických mikrotomografických metod je totiž na mikrovrtby, jejichž průměr se pohybuje v řádu µm, nedostatečné. Nanotomografické zobrazení umožňuje kvantifikovat podíl objemu mikrovrteb ve vápnitých schránkách, a tím i podíl vrtavých organismů na cyklu anorganického uhlíku.
Další zatím nepublikovaný výsledek projektu je i dosud nepopsaný nový ichnodruh mikrovrtby z rujanské křídy, původcem vrtavé činnosti byla mořská mikroskopická houba (mikromycet). V rámci výzkumu je vytvořen i model vzniku bioerozí na schránkách dírkovců, který rekonstruuje prostředí na dně křídového moře.
Model destrukce vápnitých schránek vrtavými mikroorganizmy v rujanské křídě
Velkým překvapením a zadostiučiněním za práci vloženou do přípravy a řešení projektu byl pro řešitele projektu zájem vědeckých kolegů na mezinárodních konferencích. Přednášky zaměřené na uvedené životní strategie vázané na schránky organismů vzbudily následné diskuze, a dokonce se staly inspirací pro několik odborných článků kolegů vědců v zahraničí.
A tak dosud přehlížené téma začalo žít novým životem nejenom na jejich pracovišti, ale i ve světě.
Autoři: Katarína Holcová, Petr Kraft (Ústav geologie a paleontologie, Přírodovědecká fakulta UK, Praha), Jana Bruthansová (Národní muzeum Praha)
Rada pro výzkum, vývoj a inovace (RVVI) vypsala výzvy k podávání návrhů kandidátů/kandidátek do předsednictva GA ČR a do vědecké rady GA ČR a na předsedy/předsedkyně těchto orgánů. Termín pro podání návrhů je 13. září 2024.
Výzva na 2 členky / členy předsednictva GA ČR a předsedkyni / předsedu GA ČR
RVVI vypisuje výzvu s ohledem na končící funkční období předsedy prof. RNDr. Petra Baldriana, Ph.D., a členky předsednictva RNDr. Alice Valkárové, DrSc., kteří v rámci předsednictva GA ČR zodpovídají za oblast zemědělských a biologicko-environmentálních věd a věd o neživé přírodě.
Funkční období členů předsednictva je čtyřleté s možností jmenování nejvýše na dvě po sobě následující období.
Předpokládané zahájení výkonu funkce je prosinec 2024 / leden 2025.
Výzva na 2 členky / členy vědecké rady GA ČR a předsedkyni / předsedu vědecké rady GA ČR
Vědecká rada je koncepčním orgánem, který zejména navrhuje předsednictvu GA ČR ustavení a zaměření oborových komisí, skupiny grantových projektů a jejich zaměření, vyhodnocuje vědeckou úroveň GA ČR a navrhuje potřebná opatření.
Funkční období členů vědecké rady je čtyřleté s možností jmenování nejvýše na dvě po sobě následující období.
Semena rostlin jsou nejen fascinující orgány, ale také důležitá součást našeho jídelníčku. Dobrá kvalita semen je také nezbytná z hlediska jistoty zemědělské produkce. Cílem projektu podpořeného GA ČR vedeného prof. Petrem Smýkalem z katedry botaniky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci bylo doplnění informací o dormanci semen – tedy době, kdy semena vyčkávají na signál pro klíčení – domestikovaného a planého hrachu.
Domestikace a vývoj semen rostlin
Semena rostlin jsou základním zdrojem potravy pro lidstvo již od počátků zemědělství a zůstávají klíčovým prvkem naší stravy dodnes. Asi 70 % potravin určených k lidské spotřebě představují semena, jako jsou obiloviny (pšenice, rýže, kukuřice), luštěniny (fazole, sója), olejniny (řepka, sója, slunečnice) a mnoho dalších. Semena jsou bohatým zdrojem energie, bílkovin, vlákniny, vitamínů i minerálů a jsou nezbytná pro zabezpečení stravy rostoucí světové populace, zvláště v kontextu probíhající klimatické změny. Porozumění procesům, které umožňují semenům plnit jejich biologické funkce, je proto důležité pro pochopení nejen rozmnožování rostlin, ale má také i praktický význam pro zemědělství.
Člověk svojí pěstitelskou činností domestikoval mnoho rostlin, které proměnil na základě svých potřeb a preferencí. Důležitými kritérii byly nejen chuť, barva (Obr. 1), výnos apod., ale také snaha o odstranění dormance semen a zabránění jejich přirozenému šíření. Nebylo by přece výhodné a pro přežití ani možné, aby semena vyklíčila až po několika letech.
Obr.1: Vliv domestikace na vlastnosti semen, jejich obranyschopnost a chuť. Na levé straně je zobrazený planý hrách, který disponuje vysokým stupněm dormance, obrannými metabolity ale není vhodný na konzumaci. Vpravo je domestikovaný hrách bez dormance, avšak s nižším obsahem obranných metabolitů v osemení, vhodným ke konzumaci chuťově i nutričním složením (Klčová et al. 2024).
Fascinující svět semen
Semena rostlin jsou fascinující orgány, které umožňují přežití rostlin a jejich další šíření. Poté, co se semena oddělí od mateřské rostliny, musí přežívat v často nehostinném prostředí a vypořádat se s řadou nástrah, jako jsou kupříkladu nejrůznější skupiny patogenních organismů. V obraně semen hraje zásadní roli jejich obal, tzv. osemení, které obsahuje specifické látky (především fenolické sloučeniny) a enzymy. Struktura a chemické složení osemení ovlivňuje také dormanci semen, tedy dobu, kdy semena vyčkávají na signál pro klíčení, jež je typická pro semena planých rostlin. Tímto tématem se skupina vedená prof. Petrem Smýkalem z katedry botaniky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci zabývá již dlouhodobě.
Vývoj semen zahrnuje koordinovanou spolupráci tří geneticky odlišných entit: embrya, které představuje další generaci, endospermu, který slouží k jeho výživě, a mateřské rostliny, která přispívá osemením a oplodím k ochraně semene. Ačkoli se morfologie semen u různých čeledí rostlin liší (a používá se taxonomicky), základní složky jsou velmi konzervované. Mnoho informací týkajících se genetické regulace vývoje embrya bylo získáno studiem mutantů, zejména huseníčku (Arabidopsis thaliana), avšak tento model neumožňuje studovat všechny aspekty vývoje semen, jako je např. fyzikálně daná dormance semen typická právě pro semena bobovitých rostlin.
Vedle zásobních látek (jako jsou škrob, olej, proteiny) semena akumulují širokou škálu sekundárních metabolitů. Zejména fenolické látky (fenylpropanoidy), alkaloidy a různé další metabolity, které zvyšují jejich toleranci k vysychání a zlepšují odolnost proti abiotickému (sucho, teplota, UV záření) a biotickému (býložravci, patogeny a rostlinní konkurenti) stresu.
Po dokončení vývoje jsou zralá semena schopna klíčit, což však může být potlačeno navozením dormance, které je spojené se snížením obsahu vody v semeni a ukládáním zásobních látek. Dormance umožňuje šíření semen jak v prostoru, tak čase (některá semena mohou přežívat i desítky až stovky a v extrémních případech i tisíce let). Po přijetí vody semeno nabobtná a obnoví se metabolická aktivita, což znamená začátek klíčení semen. Fáze klíčení je ukončena okamžikem, kdy kořenová špička (radicula) protrhne osemení (Obr. 2), a od tohoto okamžiku pak již mluvíme o klíční rostlince. Pochopení dlouhověkosti a stárnutí semen, která vede ke ztrátě životaschopnosti během skladování, má zásadní význam pro ochranu rostlin a zemědělství.
Obr. 2: Raná fáze klíčení semene hrachu, protržení osemení v místě růstu radikuly (šipka).
Dormance semen
Načasování klíčení semen je jedním z klíčových kroků v životě rostlin. Určuje, kdy se rostliny zapojí do přírodních nebo zemědělských ekosystémů, a je základem pro produkci plodin. Dormance semen a klíčení jsou dva protichůdné, ale úzce spojené procesy, které jsou druhově specifické. Rozhodující je vnímavost k podmínkám prostředí. Semena některých druhů rostlin klíčí v jejich širokém rozmezí, naopak jiné jsou úzce specializované a potřebují velmi specifické podmínky. Jejich znalost je důležitá pro pochopení evoluce rostlin a adaptace k přírodním podmínkám. Přestože dormance je užitečná pro přežití semen v přírodě, kde jsou podmínky nejisté a nekonstantní, pro zemědělství a lidskou spotřebu je žádoucí, aby semena na poli klíčila rychle.
Výzkumníci se v rámci projektu se zaměřili na popis a porovnání vývoje osemení planého a kulturního hrachu, s důrazem na odlišnosti v dormanci. V rámci řešení projektu sledovali nejenom vývoj osemení, ale také genetické a fyziologické aspekty ovlivňující dormanci semen a jejich odlišnost mezi semeny planého a kulturního hrachu. Výsledky projektu přinesly nový pohled na vývoj semen luskovin a zejména pak na vývoj osemení, a to na základě srovnávací analýzy planě rostoucích a domestikovaných druhů hrachu.
Práce vědeckého týmu pod vedením prof. Smýkala představuje první komplexní popsání molekulárně biologických mechanismů (genové exprese, proteomiky a metabolomiky) vývoje osemení hrachu ve vztahu k dormanci semen a domestikaci. Kombinované metodické přístupy (anatomie, analytická chemie, proteomika, biochemie a molekulární biologie) vedly k identifikaci nových aspektů domestikace hrachu (Klčová et al. 2024, Plant Journal) a doplnily tak předchozí studie výzkumného týmu. Navíc při zkoumání profilů metabolických látek, především fenolických metabolitů a nepolárních složek kutinu (látek voskovité povahy v buněčných stěnách rostlin), výzkumníci vyvinuli nové postupy analýzy chemického složení, které zahrnují přípravu mikrovzorků pomocí elektronicky řízené mikromanipulace pod mikroskopickou kontrolou a zobrazování hmotnostní spektrometrií s laserovou desorpcí-ionizací (Krejčí et al. 2022, Talanta).
Při pátrání po klíčových hráčích zapojených v regulaci dormance semen a vývoje osemení planých a kulturních hrachů objevili výzkumníci gen kódující enzym polyfenoloxidasu (PPO). Společnými silami s kolegy z Katedry analytické chemie (vedené doc. Petrem Bednářem) a Katedry biochemie (vedené dr. Janou Sekaninovou) Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého a dalšími pracovišti se výzkumníkům podařilo poodhalit funkci tohoto genu. Zjistili, že tento gen byl během procesu domestikace selektován a jeho funkce mění vlastnosti osemení (Balarynová et al. 2022 New Phytologist), a to nejen u hrachu, ale i dalších luskovin (Jayakodi et al. Nature 2023). Prokázali, že aktivita PPO je nutná pro oxidaci a polymerizaci řady fenolických látek v osemení planého hrachu. Tyto procesy se projevují také pigmentací pupku (Obr. 3), který může představovat pomyslnou ,,Achillovu patu“ obrany semen, na což navázal v současnosti řešený nový projekt podpořený GA ČR.
Obr. 3: Vztah mezi pigmentací pupku (hila) a aktivitou PPO. a), b) – pupky semen kulturních rostlin s neaktivní formou genu pro enzym PPO, c), d) – pupky semen planých rostlin hrachu s aktivní formou genu pro enzym PPO (Balarynová et al. 2022).
Domestikace změnila vývoj semen hrachu (tak jako u jiných plodin) a modifikovala (většinou snížila) složení látek, které semeno produkuje (transkriptů, proteinů a metabolitů), zejména těch zapojených v obraně semen. Můžeme předpokládat, že semena planých předchůdců dnešních plodin mají delší životnost a odolnost vůči stresu. Toto je však potřeba ještě experimentálně ověřit. Vzhledem k tomu, že semena planého hrachu musí mnohem přesněji monitorovat a reagovat na různé biotické a abiotické signály z prostředí, je u nich vyšší rozmanitost proteinů a metabolitů přítomných v jejich osemení.
Hlubší pochopení vývoje osemení umožňuje ovlivnění velikosti semen prostřednictvím změny genové exprese a zlepšení ochrany semen během jejich klíčení a skladování. Znalost biologie vývoje a klíčení semen má široké spektrum uplatnění, zasahující od výzkumu přes praxi v zemědělství a potravinářském průmyslu až po výživu a ochranu životního prostředí.
Výsledky tohoto výzkumu poskytly cenné poznatky pro porozumění biologie rostlin a procesu dormance semen a mohou mít praktické využití při šlechtění nových odrůd hrachu s lepšími vlastnostmi klíčení a výnosu. Takové informace mohou vést k vývoji odolnějších a výkonnějších kultivarů hrachu, což může přispět ke zlepšení produkce potravin a udržitelnosti zemědělství.
Petr Smýkal a jeho výzkumný tým
Vědecký tým z Fakulty rybářství a ochrany vod Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích pod vedením Jana Mráze učinil významné objevy v oblasti hospodářství na rybnících a výživy ryb díky projektu podpořenému Grantovou agenturou České republiky (GA ČR).
Docent Mráz a jeho tým zjistili, že přirozená potrava a ekosystém v rybnících mohou výrazně zlepšit trávení kaprů. Konkrétně plankton a rybníkový ekosystém společně pomáhají kaprům rozkládat těžko stravitelné součásti potravy, jako je celulóza, chitin nebo fosfor. Vědci také přišli na to, že v obdobích, kdy je voda čistá a vyskytuje se v ní málo řas, ale hodně drobného zooplanktonu, je trávení kaprů ještě účinnější. Tento efekt, který se nazývá „synergický efekt trávení“ a který řešitelé projektu teoreticky popsali v roce 2022 a ověřili v letošním roce, by mohl v budoucnu pomoci zlepšit a zefektivnit hospodaření na rybnících (Obr. 1).
Obr. 1 (BioRender JA26MXISBO)
Další objev, který se vědcům v rámci projektu podařil, se týká hospodaření ryb s fosforem v mělkých jezerech. Při aktivním příjmu potravy (aktivní metabolismus) ryby obvykle vyvažují své hladiny živin uvolňováním přebytečného dusíku a fosforu, což prospívá růstu řas.
Ryby však mohou ukládat více fosforu a poskytovat menší množství této živiny řasám, pokud je přijímaná potrava bohatá na lysin a methionin v poměru k celkovému příjmu bílkovinné a nebílkovinné energie (tj. podíl sacharidové a lipidové energie v celkovém příjmu energie), a to až do té míry, že by mohlo dojít k potenciální absorpci fosforu z vody. Naopak, nedostatek těchto živin v potravě vede ke zvýšenému uvolňování fosforu rybami, což podporuje růst řas. Vědci také zjistili, že šupinaté ryby mají tendenci recyklovat méně fosforu pro řasy než ryby bez šupin.
Z podpořeného výzkumu vyplývá, že ne všechny druhy uhlíku, dusíku nebo fosforu ve vodních potravních řetězcích jsou stejně důležité pro předpověď recyklace fosforu rybami. Určité formy dusíku a uhlíku mají větší vliv na regulaci hladiny fosforu. Umělé vyvažování rybí stravy a udržování populací šupinatých ryb by mohlo v budoucnu nabídnout řešení pro zvládání eutrofizace (procesu obohacování vod o živiny). Součástí výsledku projektu docenta Mráze a jeho týmu je studie zveřejněná v prestižním časopise Science of The Total Environment.
Obr. 2 (BioRender MQ26VEPQTJ)
Tato zjištění z projektu GA ČR 22-18597S představují významný krok vpřed v oblasti nutriční ekologie vodních konzumentů a teorie ekologické stochiometrie sladkovodních ekosystémů. Výsledky jsou cenné pro řízení cyklů živin a eutrofizace mělkých jezerních ekosystémů, včetně rybníků. Výzkumný tým rovněž dodržoval praxi otevřené vědy, jelikož datové sady byly spolu s publikacemi zpřístupněny veřejnosti.
Autoři článku: Koushik Roy, Ph.D., doc. Antonín Kouba, Ph.D.
Roy, K., Kajgrova, L., Capkova, L., Zabransky, L., Petraskova, E., Dvorak, P., Nahlik, V., Kuebutornye, F.K.A., Blabolil, P., Blaha, M., Vrba, J. and Mraz, J., 2024. Synergistic digestibility effect by planktonic natural food and habitat renders high digestion efficiency in agastric aquatic consumers. Science of the Total Environment, 927, 172105. (IF 2023: 9.8). Linked Dataset.
Roy, K., Vrba, J., Kuebutornye, F.K., Dvorak, P., Kajgrova, L. and Mraz, J., 2024. Fish stocks as phosphorus sources or sinks: Influenced by nutritional and metabolic variations, not solely by dietary content and stoichiometry. Science of the Total Environment 938, 173611. (IF 2023: 9.8). Linked Dataset.
