Původ a evoluce genomu významné plodiny lničky seté a jejích příbuzných druhů

Terezie Mandáková ze Středoevropského technologického institutu (CEITEC) Masarykovy univerzity, spolu se svými kolegy z výzkumné skupiny Martina Lysáka a americkými kolegy z Washington University a Missouri Botanical Garden, se v rámci řešení standardního grantu GA ČR zaměřila na studium genomu plodiny lničky seté (Camelina sativa). Mandákové a jejím kolegům se podařilo identifikovat nejpravděpodobnější rodičovské druhy této hexaploidní plodiny, charakterizovat strukturu genomu pěti nejbližších příbuzných druhů a identifikovat mechanizmy, jakými se tyto genomy během evoluce měnily. Nové poznatky o historii genomu rodu Camelina nyní poskytují informace potřebné k prozkoumání možností budoucího šlechtění této starověké a ekonomicky významné plodiny. Unikátní studie Mandákové a jejích kolegů byla publikována v listopadu 2019 v prestižním časopise Plant Cell a uvedena také v rubrice In Brief.

Přínosy pro zdraví a ekonomický význam lničky seté

Mandáková se rozhodla studovat evoluci genomu lničky seté (Camelina sativa) z čeledi brukvovitých, příbuzné rostlinnému modelu huseníčku rolnímu (Arabidopsis thaliana). Lnička setá je starobylá olejnatá plodina, která se v Evropě pěstovala již v roce 4000 před naším letopočtem. Lničkový olej extrahovaný ze semen má velmi vysoký obsah vitamínu E a omega-3 nenasycených mastných kyselin (39 %). Tyto „dobré tuky“ jsou nezbytné pro zdravé fungování buněk v našem těle a vedou například ke snížení rizika srdečních chorob. Lničkový olej je znám svými antioxidačními a protizánětlivými vlastnostmi, díky kterým je ideální podporou našeho imunitního systému. Je možné jej použít na vaření, jako čistý olej, potravinový doplněk nebo jako přísada do kosmetických přípravků. Lničkový olej je také stále populárnější jako obnovitelné průmyslové palivo, především v leteckém průmyslu.

Lnička setá je mimo jiné známa svou velmi dobrou odolností vůči suchu, díky které ji lze pěstovat téměř všude, což vzhledem ke klimatickým změnám činí tuto plodinu ještě cennější. V současnosti se lnička setá pěstuje zejména v USA, Kanadě, Slovinsku, Ukrajině, Číně, Finsku, Německu a Rakousku.

Struktura a evoluce genomu v rodu lnička (Camelina)

Genom lničky seté je hexaploidní a skládá se ze tří různých subgenomů, podobně jako je tomu například u řepky olejky nebo pšenice. Mandáková a její kolegové analyzovali strukturu genomu lničky seté a příbuzných druhů s využitím nejmodernějších cytogenetických metod. Cytogenetické metody použité v této studii jsou extrémně přesné. Cytogenetické mapy mnoha druhů z čeledi brukvovitých vytvořené Mandákovou a Lysákem byly ve spolupráci s jinými prestižními zahraničními vědeckými institucemi použity jako základ pro skládaní genomů nebo specifikaci konkrétních genetických struktur a přestaveb.

„Díky kombinaci několika cytogenetických metod, jakými jsou srovnávací malování chromozomu a genomická in situ hybridizace (metoda, která umožňuje identifikaci rodičovských genomů v rámci genomu potenciálního hybrida) a fylogenetických analýz, se nám podařilo odhalit strukturu genomu známých diploidních, tetraploidních a hexaploidních druhů z rodu lnička, zrekonstruovat rodičovské genomy hexaploidní lničky seté, objasnit její vznik a historii a určit mechanismy zodpovědné za současnou strukturu studovaných genomů v rodu Camelina,“ vysvětluje Terezie Mandáková. Vědkyně úspěšně zmapovala evoluční historii genomu této plodiny a odhalila mezidruhová křížení, ke kterým v minulosti došlo bez zásahu člověka.

Diploidní Camelina genomy (C. hispida, n = 7; C. laxa, n = 6; a C. neglecta, n = 6) vznikly z původního (ancestrálního) genomu se sedmi páry chromozomů (n = 7). Allotetraploidní genom C. rumelica (n = 13, N6H genom) vznikl hybridizací mezi diploidy C. neglecta (n = 6, N6) a C. hispida (n = 7, H). Allohexaploidní genomy C. sativa a C. microcarpa (n = 20, N6N7H) vznikly hybridizací mezi auto-allotetraploidem genomově podobným druhu C. neglecta (n = 13, N6N7) a C. hispida (n = 7, H), a jeho tři subgenomy zůstaly celkově stabilní od doby vzniku hexaploidního genomu dodnes.

Výsledky tohoto výzkumu byly publikovány v prestižním vědeckém časopise Plant Cell a můžete si je přečíst ZDE. Shrnutí článku v rubrice In Brief najdete ZDE.

Tento jedinečný objev byl možný díky standardnímu tříletému grantu s názvem „Chybějící souvislosti: evoluce genomu v tribu Camelineae (brukvovité)“ (projekt č. 17-13029S), který Terezii Mandákové udělila Grantová agentura České republiky.

Další výzkum a očekávaný dopad na společnost

Průlomový objev Mandákové a jejích kolegů má mnoho uplatnění s pozitivním dopadem na společnost. Cílem šlechtitelů je zvýšení výnosu semen, obsahu oleje a dalších žádaných agronomických vlastností ekonomicky významných plodin jako je lnička setá. Toho lze dosáhnout vytvořením nových linií lničky křížením nyní identifikovaných rodičovských druhů této plodiny. Nově odhalená struktura genomů diploidních a tetraploidních příbuzných lničky seté by měla pomoci při celogenomovém sekvenování a tak pomoci najít klíčové geny ovlivňující např. výnos.

O řešitelce grantu

Terezie Mandáková je považována za světově uznávanou vědkyni v oblasti cytogenetiky rostlin a za jednu z nejúspěšnějších vědkyň na brněnském institutu CEITEC. Jako členka výzkumné skupiny Martina Lysáka se zabývá evolucí genomu rostlinné čeledi brukvovitých a její výsledky významně přispěly k našemu pochopení vývoje chromozomů a genomů rostlin. Svou vášní pro vědu, nadšením a skvělými organizačními schopnostmi jde inspirativním příkladem jak svým studentům, tak i kolegům. V roce 2018 byla za své mimořádné výzkumné výsledky oceněna Cenou rektora Masarykovy univerzity jako nejlepší vědec MU do 35 let v oblasti přírodních věd a lékařství. Přes svůj nízký věk je Terezie Mandáková díky svým vynikajícím vědeckým výsledkům, s více než 70 publikacemi (např. Nature Genetics, Nature Plants, eLIFE, Plant Cell, New Fytologist, Plant Journal, Plant Physiology, Current Opinion in Plant Biology), 1 800 citacemi a h-indexem 21, celosvětově považována za jednoho z nejlepších vědců v oblasti rostlinné cytogenetiky. Terezie je často zvána, aby přednášela na mezinárodních konferencích, čímž skvěle reprezentuje nejen svůj domovský výzkumný ústav, ale českou vědu jako takovou.