Život na toxických ostrovech

Jedním z nejjedovatějších míst pro život rostlin jsou výchozy hadců. Pro tyto horniny je typický nadbytek hořčíku na úkor vápníku a také extrémně vysoké koncentrace těžkých kovů, především niklu, chromu a kobaltu. Zajímavé hadcové lokality známe i z Česka, například ze Slavkovského lesa a okolí Mohelna nebo Želivky, a naši vědci tak mohou zkoumat způsoby, jakými se rostliny na toto extrémní prostředí adaptují, hned za našimi humny. Hadce se navíc v krajině vyskytují jako izolované ostrovy, na kterých dokáže přežít pouze hrstka dobře přizpůsobených druhů. Slouží tedy jako "přírodní laboratoře", v nichž opakovaně probíhá experiment adaptace rostlin na toxické půdy.

Užitečný bratránek

Rostliny se s toxickými obsahy prvků v půdě mohou vyrovnávat prostřednictvím celé řady adaptací, zejména v pletivech orgánu, který s půdou přímo sousedí – kořene. Dále jsou možné i adaptace v listech, například řízeným ukládáním těžkých kovů do vakuol. Zatímco o mechanismech hospodaření rostlin s ionty a těžkými kovy se ví již poměrně mnoho, jednou z neznámých stále zůstává evoluční podstata těchto adaptací. Pomocí jakých genů se rostliny přizpůsobují těmto extrémním výzvám? Odkud se vzaly alely (varianty genů), které tuto adaptaci podmiňují? A pokud rostlina opakovaně kolonizovala různé hadcové lokality, pomohly jí k tomu tytéž genové varianty?

Výzkum probíhající na katedře botaniky PřF UK se před časem zaměřil na genetickou podstatu adaptace u řeřišničníku písečného (Arabidopsis arenosa), původně nehadcového druhu z příbuzenstva modelového huseníčku Arabidopsis thaliana, který opakovaně osídlil pět hadcových výchozů v Česku a Rakousku. To mělo dvě zásadní výhody. Zaprvé, předmětem studia byl výsledek adaptace v přirozených podmínkách, a to u druhu, který je "bratránkem" nejlépe probádaného modelu rostlinné genetiky. Bylo tak možno zkoumat zajímavé geny, jelikož je pravděpodobné, že o jejich funkci a projevu (fenotypu) již bude něco známé u huseníčku. Zadruhé, pět nezávisle adaptovaných populací poskytuje pětinásobný přírodní „evoluční experiment“, který umožnil zkoumat obecné evoluční procesy.

Hledání genů

Aby byly nalezeny geny za adaptaci pravděpodobně zodpovědné, bylo zapotřebí provést sekvenování celých genomů, tedy kompletní genetické informace přítomné v buňce. To je nový přístup, který byl umožněn až masivním rozvojem technik sekvenování DNA v poslední dekádě. Porovnáním genomů hadcových a nehadcových rostlin Arabidopsis byla nalezena konkrétní místa na chromozomech, kde se adaptované populace výrazně odlišovaly. Takových genů bylo přibližně šedesát, což napovídá, že hadcová adaptace není triviální problém řešitelný pomocí jednoho univerzálního "hadcového genu", ale spíše jemně vyladěná souhra více různých procesů.

Nalezené geny zodpovídaly například za přepravu iontů přes buněčné membrány, reakci na ionty kovů nebo iontovou rovnováhu v buňce. Tedy procesy, které se při adaptaci na chemicky zvláštním půdy mohou hodit. Zvlášť překvapivá byla míra sdílení adaptivních hadcových variant mezi populacemi: v drtivé většině případů se jednalo o tytéž alely, které selekce podmíněná nehostinnými podmínkami hadcových půd opakovaně vybrala v různých hadcových populacích. Jinými slovy, genetický materiál umožňující adaptaci je sdílený a rostliny A. arenosa mohou tuto zásobárnu vhodných variant opakovaně využívat.

Výjimka potvrzuje pravidlo

Je zajímavé, že obdobnou adaptaci ze stávající genetické variability (angl. standing variation) využívají i jiné organismy rychle se přizpůsobující novým výzvám prostředí, jako například ryby obývající znečištěné vody nebo polní plevele odolávající herbicidům. Protože ale v biologii nic neplatí stoprocentně, vyskytl se i jeden gen, u něhož možnou adaptivní výhodu zajistily až opakované nové mutace v sekvenci DNA. Tento gen hraje důležitou roli ve stresové signalizaci a "hadcové" mutace pravděpodobně určují, jak dobře budou přijímány vápenaté ionty, kterých je v hadcových půdách nedostatek.

Jedná se o gen velmi konzervovaný, který funguje například i u člověka, kde transportuje sodík. Jak ukázaly počítačové modely 3D struktury tohoto proteinu, naše "hadcové" mutace se navzdory tomu nachází právě v evolučně konzervované části ovlivňující průchodnost tohoto kanálu pro ionty, . Zda je vliv mutací na propustnost iontů skutečně takový, bude potřeba ověřit pomocí cílených genetických experimentů, které jsou u Arabidopsis snadno proveditelné.

Jak to ve vědě bývá, odpověď na jednu otázku vede k mnoha dalším. Mohou se pomocí týchž genů adaptovat i jiné, evolučně vzdálenější druhy? Jaké vlastnosti genů zvyšují pravděpodobnost, že poslouží k opakované adaptaci? Je možné díky lepšímu porozumění těmto mechanismům evoluci předpovídat? Odpovědi na tyto otázky se botanici snaží nalézt v rámci nového projektu Junior Star, zaměřeného na genetickou proměnlivost 15 druhů z čeledi brukvovitých, které rostou v centru evropské hadcové flóry – na Balkánském poloostrově.