Vědci z přírodovědecké fakulty díky podpoře Grantové agentury České republiky popsali důležitou součást složitého mechanismu, pomocí kterého rostliny řídí růst kořenových vlásků. Tato drobná a početná zakončení kořenového systému hrají v životě rostlin důležitou roli při čerpání vody a živin z půdy. Získané poznatky budou moci být spolu s novou metodou šetrného mikroskopického zkoumání kořenových vlásků, kterou olomoučtí vědci pod vedením Miroslava Ovečky a Jozefa Šamaje úspěšně otestovali, využity při pěstování zemědělských plodin.
Výsledky bádání zaměřeného na kořenové vlásky byly publikovány ve třech samostatných publikacích v prestižních časopisech Plant Physiology a Journal of Experimental Botany. Všechny tři vědecké články byly zároveň vyzdviženy na obálkách těchto časopisů.
Rostliny jsou ukotveny v půdě pomocí kořenů, které jsou pro jejich růst, vývoj a prosperitu nepostradatelné. Kvalitu kořenového systému dotváří kořenové vlášení složené z kořenových vlásků reprezentujících tubulární výrostky individuálních buněk epidermy kořene, takzvaných trichoblastů. Jedná se o významný model ve vývojové a buněčné biologii rostlin, na kterém vědci intenzivně studují polaritu rostlinných buněk a její regulační mechanizmy.
Za polární růst kořenových vlásků, který se odehrává pouze na jejich vrcholu, zodpovídá řada faktorů. „Mnoho z nich ale stále neznáme. Víme, že významnou roli sehrávají proteiny ukotvené do plazmatické membrány. Otázkou ovšem zůstává, jak kořenové vlásky dosahují a udržují jejich asymetrickou akumulaci právě v rostoucí špičce,“ uvedl Miroslav Ovečka z katedry biotechnologií Přírodovědecké fakulty UP, který spolu s Jozefem Šamajem stojí v čele skupiny vědců zkoumajících děje uvnitř kořenových vlásků.
Na problematiku růstu kořenových vlásků byla proto zaměřena nedávno publikovaná studie z laboratoře olomouckých vědců. Odborníci zjistili, že vrcholová část kořenového vlásku včetně plazmatické membrány se kvůli růstu neustále posouvá laterálně mimo apex. K pochopení mechanizmu prostorové a časové regulace vrcholového růstu kořenových vlásků bylo proto podle Ovečky důležité objasnit, jak je optimální koncentrace a precizní lokalizace membránových proteinů v rostoucí špičce udržována. „To se týká i mechanizmu polarizované dopravy a zabudovávání těchto proteinů do plazmatické membrány,“ podotkl Miroslav Ovečka.
Vědci z katedry biotechnologií pomocí modelového druhu, kterým byla rostlina huseníček rolní (Arabidopsis thaliana), postupně prokázali, že v případě enzymu produkujícího reaktivní formy kyslíku do buněčné stěny je jeho optimální koncentrace ve špičce kořenového vlásku vytvářena prostřednictvím dynamického vezikulárního transportu pomocí váčků trans-Golgi sítě. Tento mechanizmus odborníci objevili díky využití pokročilé kvalitativní a kvantitativní „light-sheet“ a superrozlišovací mikroskopie.
Ve druhé publikované studii vědci z katedry biotechnologií prokázali nejen základní roli reaktivních forem kyslíku v regulačním mechanizmu vrcholového růstu kořenových vlásků, ale odborné veřejnosti představili také efektivní a lehce aplikovatelné postupy pro jejich značení a detailní mikroskopickou lokalizaci. „Reaktivní formy kyslíku jsou malé molekuly, které, jak vyplývá z jejich názvu, jsou vysoce reaktivní. V buňce se uplatňují pozitivně jako signální molekuly u různých vývojových procesů, ovšem ve stresových situacích jejich nadměrná produkce vede k poškozování buněčných struktur,“ uvedl Miroslav Ovečka.
Rostlinná buňka proto musí mít molekuly reaktivních forem kyslíku pod kontrolou. Avšak kvůli jejich fyzikálním a chemickým vlastnostem byla dosud možnost detailní vizualizace reaktivních forem kyslíku v živých rostoucích buňkách obtížně dosažitelná. „Nám se u Arabidopsis thaliana podařilo vypracovat metody precizní subcelulární lokalizace molekul reaktivních forem kyslíku s rozlišením na úrovni individuálních buněčných organel v kořenových vláscích, avšak při zachování optimálních fyziologických podmínek k jejich nerušenému růstu. Tato nová atraktivní metoda umožňuje vysoké rozlišení při zachování všech dynamických procesů potřebných k vrcholovému růstu,“ upozornil Miroslav Ovečka.
Podle Jozefa Šamaje nové poznatky olomouckých vědců otevřely cestu k detailnímu studiu živých kořenových vlásků při nejvyšším možném prostorovém a časovém rozlišení pomocí nejmodernějších mikroskopických metod. „Využili jsme to při studiu modelové rostliny huseníčku, ovšem naší ambicí bylo přenést a úspěšně aplikovat získané know-how na zemědělské plodiny,“ podotkl Jozef Šamaj.
Vědci svoji pozornost dlouhodobě upírají na vojtěšku a ječmen. Především u vojtěšky mají kořenové vlásky nezastupitelnou roli při zakládání symbiotického vztahu mezi touto rostlinou a prospěšnými půdními bakteriemi rodu Rhizobium, který vede k asimilaci vzdušného dusíku v kořenových hlízkách. „Naše studie prokázala, že na tomto procesu se významně podílí mitogenem aktivovaná protein kináza SIMK. Tato kináza sehrává významnou signální roli, především při brzkém rozpoznání prospěšných bakterií a jejich internalizaci do kořenových vlásků,“ doplnil Miroslav Ovečka.
Výsledky badatelů významně doplnily aktuálně platný model iniciace symbiotické interakce mezi luštěninami a půdními bakteriemi Rhizobium. „Pochopení tohoto procesu může mít bezesporu obrovský zemědělský a biotechnologický aplikační potenciál,“ dodal Jozef Šamaj.
Výzkum byl podpořen grantem GAČR, GA19-18675S „Objasnění rolí aktinu, NADPH oxidázy a strukturních sterolů ve vrcholovém růstu kořenových vlásků pomocí pokročilé mikroskopie a proteomiky“, řešeného v období 2019–2023.
Obrázek: katedra biotechnologií PřF UP