Zatímco křížení dvou různých biologických druhů je v říši zvířat vzácným jevem, u rostlin představuje mezidruhová hybridizace jeden ze základních mechanismů, kterým vznikají nové druhy. Projekt Davida Kopeckého Genomová dominance jako nástroj evolučních změn u kříženců podpořený Grantovou agenturou České republiky (GA ČR) se zaměřil na vzájemné soužití dvou rozdílných rodičovských genomů v buněčném jádře kříženců.
Křížení dvou různých biologických druhů je v říši zvířat vzácným jevem. Naopak, u rostlin je mezidruhová hybridizace důležitým evolučním procesem, který rostlinné druhy formuje už několik miliónů let a dal vzniknout běžně známým druhům, jako je například pšenice nebo bavlník. Stejnou strategii, tedy sloučení genomů dvou druhů rostlin do jednoho organismu v procesu křížení, využívají i šlechtitelé, kteří v nových rostlinách kombinují užitečné vlastnosti obou rodičů. Příkladem úspěšného šlechtění může být Tritikale — velmi hojně využívaný kříženec pšenice a žita s vysokým výnosovým potenciálem, který byl vyšlechtěn před 140 lety, obstojí v horších pěstitelských podmínkách a vyznačuje se dobrou odolností vůči různým chorobám.
Spojení genomů dvou různých rostlinných druhů ovšem není jednoduché. Rodičovské genomy mají často rozdílné způsoby regulace a jejich součinnost v jediném jádře vyžaduje správnou koordinaci. Tým Davida Kopeckého z Ústavu experimentální botaniky AV ČR se v podpořeném projektu zaměřil na výzkum genomové dominance, tedy častého jevu, kdy se v nově vzniklé rostlině stává jeden z rodičovských genomů dominantním, zatímco druhý genom je potlačován. Tato nerovnováha mezi rodičovskými genomy může v konečném důsledku vést ke ztrátě některých požadovaných vlastností křížence.
Dominance může probíhat na různých úrovních – na úrovni přednostní exprese genů, jejich ztráty nebo částečné či úplné eliminace celého potlačovaného genomu jednoho rodiče1. Davida Kopeckého a jeho tým zajímala genomová dominance na chromozomové úrovni. Potvrdili, že u některých kříženců dochází ke ztrátě chromozomů jednoho rodiče2,3. Tato eliminace ovšem není okamžitá, chromozomy mizí postupně v dalších generacích.
Při výzkumu využil křížence trav kostřavy a jílku, tzv. Festulolium. Před meiotickým dělením, v rámci kterého vznikají pohlavní buňky, dochází k reorganizaci DNA v jádře, během které je část genů kostřavy zcela umlčená. To se týká i genů pro kinetochorové proteiny, které jsou důležité pro správný rozchod chromozomů v rámci anafáze prvního meiotického dělení. Jílkové varianty těchto proteinů, které nejsou novým prostředím hybridního jádra nijak ovlivněné, se ovšem nedokáží vždy správně poskládat na chromozomech kostřavy, které se pak nedostanou do nově vzniklých pohlavních buněk. Dochází tak k jejich občasné eliminaci a posunu v genomovém složení ve prospěch jílku2.
Výzkum potvrdil, že genomová dominance jílku v křížencích Festulolium probíhá také na úrovni exprese genů. Řada genů těchto kříženců totiž vykazuje úroveň exprese podobnou té, která se vyskytuje u jílkového rodiče. Výsledky naznačují, že genom jílku má mnohem univerzálnější regulační elementy než genom kostřavy a může tak snadněji řídit expresi genů jiného organismu, v tomto případě kostřavy 4. V dalším výzkumu by se David Kopecký chtěl zaměřit na možnosti cílené manipulace genomového složení pomocí mutantů kinetochorových genů.
Výsledky výzkumu rostlinných genetiků z Ústavu experimentální botaniky AV ČR poskytují zajímavý evoluční pohled na jeden ze základních mechanismů vzniku nových rostlinných druhů a evoluce rostlin. Přinášejí unikátní pohled na společné fungování dvou různých genomů v jednom jádře. Významný je ale i praktický dopad práce, protože mezidruhové křížení využívají i šlechtitelé. Vědci už nyní spolupracují například se šlechtitelskou stanicí DLF Seeds v Hladkých Životicích. Společně s tamními šlechtiteli testují nové přístupy šlechtění tak, aby ke ztrátě genomu jednoho z rodičovských druhů nedocházelo.
Výstupem projektu je devět článků zveřejněných v IF časopisech včetně:
¹ Glombik, M., Bačovský, V., Hobza, R., Kopecký, D. (2020). Competition of Parental Genomes in Plant Hybrids. Front. Plant Sci. 11:200.
2 Majka, J., Glombik, M., Doležalová, A., Kneřová, J., Ferreira, M.T.M., Zwierzykowski, Z., Duchoslav, M., Studer, B., Doležel, J., Bartoš, J., Kopecký, D. (2023). Both male and female meiosis contribute to non-Mendelian inheritance of parental chromosomes in interspecific plant hybrids (Lolium × Festuca). New Phytol. 238:624-636
3 Kopecký, D., Scholten, O., Majka, J., Burger-Meijer, K., Duchoslav, M., Bartoš, J. (2022). Genome Dominance in Allium Hybrids (A. cepa × A. roylei). Front. Plant Sci. 13:854127.
4 Glombik, M., Copetti, D., Bartoš, J., Stočes, S., Zwierzykowski, Z., Ruttink, T.,Wendel, J.F., Duchoslav, M., Doležel, J., Studer, B., Kopecký, D. (2021). Reciprocal allopolyploid grasses (Festuca x Lolium) display stable patterns of genome dominance. Plant J. 107: 1166-1182
Ferreira, M.T.M., Glombik, M., Perničková, K., Duchoslav, M., Scholten, O., Karafiátová, K., Techio, V.H., Doležel, J., Lukaszewski, A.J., Kopecký, D. (2021). Direct evidence for crossover and chromatid interference in meiosis of two plant hybrids (Lolium multiflorum × Festuca pratensis and Allium cepa × A. roylei). J. Exp. Bot. 72:254–267.