Fotorespirační mutanti aneb zkratka ve fotosyntéze = 40 % výnosu k dobru

Rostlinná buňka s červeně označenými organelami, jejichž činnosti se genetické úpravy dotkly.

Dnes se bez teorie neobejdeme, ale zkrátíme si to definicí, kterou netřeba brát doslova. „Rostliny jsou to, co je zelené a co se hýbe, jsou živočichové“. To zelené na nich je  chlorofyl a ten je v chloroplastech. Z hodin biologie si jistě pamatujeme, že právě tam – v organelách zvaných chloroplasty, se děje všechno to důležité, čemu říkáme fotosyntéza. Pohlcování světla (lépe je říkat  záření v rozsahu vlnových délek asi 400–700 nm) a s pomocí jeho energie se zabudovává oxid uhličitý do organických složek, na nichž si pochutnáváme my, nebo někdo jiný.

Obrázek z polních pokusů. V reálných podmínkách vedle sebe rostly jak klasické, tak rostliny geneticky vylepšené. Výnos těch se syntetickou zkratkou byl o 40 procent vyšší. Kredit: James Baltz, College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences

Biologům se do řemesla už nějakou dobu pletou chemikové a podle nich je fotosyntéza několikastupňový proces, který jeho tvůrce údajně nedomyslel. Abychom pochopili, co kritikou mají na mysli, podíváme se na rostliny jejich prizmatem. Zatímco kytičkáři člení rostliny podle toho, zda jsou malé, velké, tenké, tlusté, s celokrajnými, nebo zoubkovanými listy,… Pro chemiky jsou buďto rostlinami C3, nebo C4, případně obojetníci. Rostlinami C4 a jim spřízněnými se dnes zabývat nebudeme. Jednak jich není tolik a hlavně, nemáme tolik času. Soustředíme se na kacířskou myšlenku, že to nejdůležitější se neděje v chloroplastech, ale jinde a že je záhodno se pokusit to napravit.

Vedoucí kolektivu Don Ort (vlevo) se svými kolegy Paulem Southem (uprostřed) a Amandou Cavanagh (vpravo) prověřují, jak se jejich mutanti mají k světu. Tabák si k pokusům zvolili proto, že se řadou vlastností, například vysokou hustotou listového pokryvu, podobá zemědělsky významným plodinám. Kredit: Claire Benjamin/RIPE Project.

Pěkně popořádku

Uvádí se, že ze všech rostlin, co jich na Zemi je, těch C3, je 95 %. Jejich specialitou je, že s pomocí enzymu ribulosa-1,5-bisfosfátkarboxyláza/oxygenáza tvoří jako první stabilní produkt fotosyntézy, tříuhlíkatou sloučeninu. My nejsme puntičkáři, a tak výše uvedenému enzymu, okolo kterého se to bude dál všechno točit, budeme hezky česky říkat Rubisco.   
Sídlí v chloroplastech a je to takový stařešina. Jako první si s ním kdysi dávno začaly bakterie, respektive sinice. Na svůj věk je ale stále ještě šikula. Zvládá dělat dvě věci najednou.

Brzo nás na světě bude tolik, že k nasycení hladových by se nějaký ten zázrak hodil. Kredit: Giovanni Lanfranco, 1620-1623. Galería Nacional de Irlanda.

Právě to se ale na něm chemikům nezamlouvá

Uznávají, že umí navázat vzdušný oxid uhličitý a předložit ho dalším enzymům, které z něj postupně udělají cukr, ale mají mu za zlé, že nejméně v jedné pětině všech katalyzovaných reakcí místo karboxylace oxygenuje. Ono by to ani tak moc nevadilo, kdyby tím pracně ze vzduchu získaný uhlík zbytečně nezahazoval.

Jakoby chemici na Rubisku nechtěli nechat nit suchou, vyčítají mu i jeho pomalost, na což by vzhledem k věku okolo 3,5 miliardy let už mohl mít nárok. Jejich argumentem je, že zatímco normální enzymy zvládnou tisíce reakcí za sekundu, Rubisco jich provádí, jen co by na prstech spočítal (myšleno doslovně). Aby jeho hendikep rostliny vykompenzovaly, musejí ho mít ve svých buňkách přiměřeně (rozuměj hrozně moc).

To je on, invalida Rubisco (RuBisCO) celým jménem: ribulosa-1,5-bisfosfát-karboxylasa/oxygenasa. Možná jsme k enzymu a jeho Stvořiteli byli kritičtí neprávem. V dobách vzniku Rubisco jsme tu měli mnohonásobně více CO2 než dnes a do takových podmínek byl výplodem takřka geniálním. Celé se to zvrtlo až se změnou klimatu. Nelze vyloučit, že za vším vězí logická kalkulace, že vylepšovat něco na nějaký ten milion let, vlastně za tu námahu ani nestojí. Možná už dopředu bylo zřejmé, jak mocně zatočíme s fosilními palivy, oteplíme a koncentraci CO2 zvýšíme natolik, že se Rubisco zase začne cítit jako za mlada.

Rubisco je poněkud zvláštní i tím, že pro něj platí čím hůř, tím lépe. Když je v atmosféře hodně kyslíku a nám se dobře dýchá, Rubisco v rostlinách produkuje hodně  glykolátu. Ten je pro buňky jedem. Dokážou se ho zbavit jen komplikovaným procesem nazývaným fotorespirace. Musí k tomu zapojit další dvě organely, což buňku stojí hodně energie. Proto někteří mikrobiologové kacířsky prohlašují, že to hlavní se neděje v chloroplastech, nýbrž v proxizomech a mitochondriích. Pravdou je, že nebýt jejich výpomoci, Rubisco by rostliny zahubil.

Zbytečná „objížďka“ snižuje výnosový potenciál. Vědci z University of Illinois ve své zprávě otištěné časopisem Science uvádí, že jejich plodiny vylepšené o „fotorespirační zkratky“ (červeně, modře a šedě), jsou až o 40 procent produktivnější. Nejde přitom jen o nějaké laboratorní pokusničení, u něhož se lze v případě potřeby vylhat slovy….“nám to tak vyšlo“. Tentokrát jde o výsledky získané na políčku za běžného agronomického provozu v reálných podmínkách. Kredit: South et al., Science, Jan. 2019.

Proč je takový?

Rubisco je evolučně velmi starý enzym a v době jeho narození panovaly na Zemi zcela jiné podmínky. Především bylo v atmosféře mnohonásobně víc CO₂. Proto se ta jeho neblahá úloha, pramenící z jeho dvojfunkčnosti, v praxi moc neuplatňovala a tudíž ani nevadila. Atmosféra a klima se  postupně změnily, jen  Rubisco se nezměnil.

Molekulární genetici si už nějakou dobu zpupně hrají na Stvořitele a Rubisco v tom nevynechali. Vadilo jim na něm, že místo toho, aby glykolát využil (což není tak složité), předhazuje ho peroxizomům, které si s ním také moc rady neví, a předělaného na glycin ho pošlou dál, mitochondriím. Ty z něj, žel se ztrátou uhlíku, vyrobí serin a ten se pak komplikovaně stejnou cestou a s velkými nároky na energii vrací zpět do chloroplastu.

Na univerzitě v Illinois se parta Donalda Orta prý už nemohla dál dívat na to, jak se buňka levou rukou škrábeme na pravém uchu a vymysleli pro ní hned tři inovace.  Na obrázku jsou vyznačeny červeně, modře a šedě. S využitím poznatků svých kolegů získaných na huseníčku vylepšili Američané chloroplasty tabáku. K tomu, aby se začaly chovat „ekonomičtěji“, jim domluvili pomocí genů, které si povypůjčovali od střevní bakterie (Escherichia coli) a jiných rostlin.

To není všechno

Aby se upravované chloroplasty přestaly chovat, jak byly zvyklé, rozmluvili jim to pomocí RNAi. Tak se označuje relativně nedávno objevený proces, který v genetické hantýrce znamená regulaci transkripce a nitrobuněčné exprese genů. V podstatě jde o fragmenty ribonukleové kyseliny, které interferují s exprimovanými geny. Anebo ještě jinak řečeno, utlumili agilitu přirozeně se v buňce vyskytujícího přenašeče s poetickým jménem PLGG1.

Po tak brutální přesvědčovací metodě chloroplastům nezbylo nic jiného, než  aby se s glykolátem doprovázejícím fotosyntézu vypořádaly samy. Suma sumárum, některým z tabákových rostlinek upravili až sedm genů.

Ti, kteří většinou ani neví, o co jde, zato mají plná ústa předběžné opatrnosti, by mohlo uklidnit povědomí o tom, že když na petúniích obdivují hru barev danou rozložením pigmentů, že jde rovněž o dílo RNA interference. (Kredit. Eola, Wikipedia)

Jak to dopadlo?

Z pohledu zastánců přirozenosti špatně. Buňky se vědcům znásilnit podařilo, a ty pak ve své nově nabyté schopnosti musely provádět něco, k čemu by se jinak nikdy nepropůjčily. Z pohledu těch, co jim leží na srdci sycení hladových krků, to zase tak špatný počin není. Buňkám vnucené syntetické dráhy zlepšily fotosyntetický kvantový výtěžek o 20 %. Na políčku v praxi to dopadlo ještě přesvědčivěji. Homozygotní transgenní linie vykázaly zvýšenou produkci biomasy o více než 40 %. Jde přitom již o opakované terénní pokusy. Ty první, s kterými výzkumníci na buben nešli, znali již v roce 2017.

Závěr

Jde zatím jen o rostliny tabáku, ale už teď je nanejvýš pravděpodobné, že stejné inženýrské alternativní metabolické cesty glykolátu půjde využít i ke zvýšení výnosů u pšenice, rýže, sójových bobů a dalších plodin. Jsou totiž, stejně jako tabák, rostlinami C3 a ve svých chloroplastech mají stejného invalidu jménem Rubisco. Asi jediné, co se výzkumníkům dá vytknout, že svým rostlinkám říkají tak nepěkně – fotorespirační mutanti.

Literatura

Paul F. South, et al.: Synthetic glycolate metabolism pathways stimulate crop growth and productivity in the field, Science  04 Jan 2019:Vol. 363, Issue 6422, eaat9077

Marion Eisenhut, Andreas P. M. Weber.:  Improving crop yield. Science  04 Jan 2019:Vol. 363, Issue 6422, pp. 32-33 DOI: 10.1126/science.aav8979

Zdroj