Růst listů, kořenů, kvetení i rozmnožování aneb Za vším hledej hormon

Před suchem, mokrem ani býložravcem rostliny neutečou. Přesto stále existují, množí se a prospívají. Mají totiž dokonalé stratégy přežití – fytohormony. „Přizpůsobivost rostlin mě fascinuje, umějí si najít mechanismy, jak se rozšířit a mít potomstvo,“ říká Ondřej Novák, vedoucí laboratoře růstových regulátorů. Spolu se svým týmem dokáže změřit i nepatrné koncentrace malých molekul rostlinných hormonů – v tomto ohledu jsou světovou špičkou. Článek přinesl A / Magazín, oficiální čtvrtletník Akademie věd ČR.

Místní legenda středověkého hradu Buchlov praví, že v dávných časech měl být neprávem za podíl na pytláctví odsouzen k smrti mladý zbrojnoš Vlček. Aby dokázal svou nevinu, vytrhl ze země kmínek lípy a zasadil jej kořeny vzhůru. „Když se tento strom do roka a do dne zazelená, poznáte, že jste odsoudili nevinného,“ prohlásil prý ke shromážděným soudcům. Ti se rozhodli, že počkají, a skutečně! Stromek se zazelenal a chlapec se dočkal svobody.

Buchlovská „lípa neviny“ je součástí prohlídkového okruhu romantického hradu dodnes a její příběh nám připomíná nejen důvtip jednoho mladíka, ale především poukazuje na nesmírnou životaschopnost rostlin.

„Jejich přizpůsobivost mě opravdu fascinuje. Nemohou opustit své stanoviště, ale dokážou velmi dobře reagovat na měnící se podmínky. Umějí si najít mechanismy, jak přežít, rozšířit se a mít potomstvo,“ říká bioanalytik Ondřej Novák, vedoucí laboratoře růstových regulátorů, společného pracoviště Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci a Ústavu experimentální botaniky AV ČR.

Ondřej Novák, vedoucí laboratoře růstových regulátorů (CC)

Chemický rostlinný koktejl
Na rostlinách ho profesně nejvíce zajímají hormony – přesněji řečeno fytohormony. Dají se přirovnat k poslíčkům, kteří přenášejí zprávy z určité části těla do jiné. Upozorňují organismus na změnu vnějších podmínek a varují před nebezpečím – podobně jako hormony živočišné, potažmo lidské. Vzpomeňme třeba na adrenalin, který vzniká v nadledvinách a funguje jako spouštěč poplachové reakce.

„Z chemického hlediska jsou fytohormony malé molekuly, které v rostlinách silně působí už ve velmi nízkých koncentracích. Syntetizují se v určité části těla, navážou se na příslušný receptor a vyvolají kaskádu dějů na úrovni buňky, orgánu a pak i celého těla rostliny,“ vysvětluje Ondřej Novák.

Vědci rozlišují minimálně osm základních a několik vedlejších skupin fytohormonů. K hlavním patří především auxiny, cytokininy, gibereliny, brassinosteroidy, strigolaktony, kyselina abscisová, jasmonáty a etylen. Skupiny se od sebe liší chemickou strukturou a souborem účinků, kdy některé vznikají jako odpověď na stres, jiné kontrolují zakořeňování, růst listů a kvetení, zakládání a dozrávání semen nebo jejich odlučování od mateřské rostliny.

Obecně se dá říct, že dohlížejí na téměř všechny důležité fáze rostlinného růstu a vývoje. Mají zkrátka široké pole působnosti, přičemž jeden hormon může ovlivňovat i více procesů; některé fytohormonální skupiny spolu spolupracují a jiné působí proti sobě.

Král hormonů auxin
Prvním rostlinným hormonem, který se vědcům podařilo už v první polovině 20. století identifikovat a popsat, je auxin. S trochou nadsázky se dá nazvat „univerzálním vývojovým signálem“ ve světě rostlin, protože šíře jeho působení je opravdu veliká. V učebnicích fyziologie rostlin najdeme celý seznam dějů, jež ovlivňuje nebo na nichž se podílí. Namátkou: ohýbání orgánů za světlem, tvorbu nadzemních orgánů, zakládání kořenů, obnovu vodicích pletiv, stárnutí listů i zrání plodů. V podstatě by bylo úspornější napsat, v čem auxin „nemá prsty“.

Jeho záběr je ohromující a podivují se nad ním i sami odborníci. „Tato univerzální důležitost auxinu byla do jisté míry i jeho prokletím, neboť celá desetiletí si nikdo nedokázal vysvětlit, či vůbec představit, jak může mít tak jednoduchá sloučenina tolik zdánlivě nesouvisejících a často protichůdných účinků,“ napsal v přírodovědném časopise Živa Jiří Friml, jeden z našich největších odborníků na auxin (působí v Institutu pro vědu a technologie v Rakousku).

Hormon auxin ovlivňuje třeba ohýbání rostliny za světlem, tvorbu nadzemních orgánů či zakládání kořenů.

Česko si vybudovalo hlubokou tradici výzkumu rostlinných hormonů a auxinu zvláště. Jeho lídrem je dlouhodobě právě Ústav experimentální botaniky AV ČR, domovský ústav Ondřeje Nováka. Celoživotně se auxinu věnuje také současná předsedkyně Akademie věd ČR Eva Zažímalová.

„Fytohormonální věda je v České republice skutečně velmi silná. Daleko silnější než v okolních velikostně srovnatelných zemích. Opravdu naplno jsem si to uvědomil na postdoktorátu ve Švédsku. Fytohormonům se věnujeme jak v sídle našeho ústavu v Praze, tak tady u nás v Olomouci,“ podotýká Ondřej Novák.

Změřit neměřitelné
Na postdoka do zahraničí se přitom Ondřeji Novákovi původně moc nechtělo. Vědecký projekt v Olomouci měl celkem dobře rozjetý, ve svém rodném Přerově hrál na violu v cimbálové muzice Primáš. Odjel až čtyři roky po ukončení doktorského stupně a jak dnes vzpomíná, vůbec toho nelituje. „Naopak, myslím, že to bylo jedno z mých nejlepších rozhodnutí v životě a výjezd za hranice moc doporučuju všem studentům a začínajícím vědcům,“ říká badatel, který se po stáži ke své oblíbené cimbálovce vrátil.

Mezinárodní charakter týmu se snaží udržovat i nyní, kdy je vedoucím olomoucké laboratoře růstových regulátorů. Mrzí ho ale, že svým lidem nemůže nabídnout také se světem srovnatelné finanční ohodnocení. „Švédskému platu bohužel konkurovat nemůžeme, ale grantově se nám poslední dobou celkem daří,“ konstatuje Ondřej Novák. „Máme krásný nový přírodovědný kampus pro studenty, uspěli jsme v několika výzvách Grantové agentury České republiky, jsme zapojeni v operačním programu Jan Amos Komenský a běží nám dva velké evropské projekty z programu Horizont.“

Olomoucké pracoviště může perspektivní studenty a výzkumníky nalákat na celkem unikátní směr výzkumu: vývoj velmi citlivých metod a inovativních technik, které umožňují identifikovat a měřit i nepatrné koncentrace malých molekul rostlinných hormonů. Bez nadsázky se dá říct, že jsou v tomto ohledu světovou špičkou, o čemž svědčí i fakt, že Ondřej Novák si už několik let za sebou udržuje pozici v přehledu Highly Cited Researchers, jejž sestavuje společnost Clarivate Analytics (databáze zahrnuje seznam badatelů, kteří ve svém oboru představují jedno procento nejvíce citovaných autorů).

Vědci z laboratoře růstových regulátorů umějí v současné době stanovit koncentraci více než sta fytohormonů ve velmi malém množství vzorku. Standardně se dnes hormony měří v koncentracích kolem 10^-12 nebo 10^-15 molů na gram čerstvé hmoty, olomoucké pracoviště se však pohybuje v atomolárních koncentracích (atomol je jednotka označující koncentraci 10^-18, značí se zkratkou amol).

Tým Ondřeje Nováka k měření hormonů uzpůsobuje metody, které se běžně v rostlinné fyziologii nepoužívají.

Zjišťovat fytohormony přitom zvládnou i na úrovni buněk, a dokonce i v izolovaných vnitrobuněčných strukturách – organelách. „Jsme vůdčí laboratoř v této oblasti. Určujeme směr, jakým způsobem se budou hormony měřit. Naše unikátnost spočívá v tom, že sledujeme trendy a k měření hormonů uzpůsobujeme metody, které se běžně v rostlinné fyziologii nepoužívají,“ vysvětluje Ondřej Novák. Na fytohormony tak zkoušejí napasovat třeba techniky z medicíny, potravinářství nebo proteomiky, která se zabývá hromadným studiem proteinů a jejich vlastností.

Základem měření fytohormonů v olomoucké laboratoři je hmotnostní spektrometrie, která pracuje na základě zjišťování hmoty jednotlivých nabitých částic (iontů). Aby byli rostlinní chemici schopni analyzovat hmotnost těch molekul, které je zajímají, musejí nejprve vzorek očistit od mnoha jiných rušivých látek. „V analýze nás třeba zajímá jen padesátka nízkomolekulárních organických látek, ale v listu rostliny je jich na začátku postupu klidně deset tisíc. K odseparování těch nepotřebných využíváme rozličné izolační přístupy a poté kombinujeme kapalinovou chromatografii s hmotnostní spektrometrií,“ popisuje Ondřej Novák.

Najít hormon
Představme si zelený list. Vědci jej zváží a pomocí kapalného dusíku zmrazí a rozdrtí na prášek. Vzorek smíchají s extrakčním činidlem – třeba s desetiprocentním metanolem s troškou kyseliny mravenčí. Nechají ho extrahovat a pak umístí do centrifugy neboli odstředivky, která způsobí, že se různé pevné částice oddělí od kapalné fáze. Tímto postupem se odstraní části rostlinného pletiva a výsledkem je roztok, který je však stále plný nepotřených látek – například rostlinných barviv, cukrů či proteinů.

Vzorek rostliny smíchaný s extrakčním činidlem

Na jejich vychytání se používají speciální filtry obsahující sorbenty rozličných velikostí a vlastností (přičemž i tyto izolační metody se dynamicky vyvíjejí – v olomoucké laboratoři používají čím dál miniaturnější filtry a selektivnější sorbenty). Na konci postupu je pročištěný roztok obohacen o látky, jež vědce zajímají, a proměřen pomocí hmotnostního spektrometru.

„Naše metody jsou velmi rychlé, extrémně citlivé a spolehlivě fungují i s velmi malými rostlinnými vzorky o hmotnosti pouhých jednotek miligramů, někdy i mnohem méně. V každém vzorku dokážeme současně stanovit stovku látek, což je skoro dvojnásobek v porovnání s předchozími metodami jiných autorů,“ doplňuje Ondřej Novák, který na vývoji a zdokonalování metodologie dlouhodobě pracuje se Zemědělskou univerzitou ve švédském Umeå – právě s tou, kam se mu před lety moc nechtělo. Výjezd do Švédska se ale zjevně vyplatil.

Že se jeho jméno opakovaně vyskytuje v žebříčku nejcitovanějších vědců světa v daném oboru, Ondřeje Nováka pochopitelně těší. Ještě větší radost má ale z toho, že se „jeho“ metody ve světě skutečně používají. „Mám informace i od kolegů z Cambridge nebo třeba z Madridu, že s našimi postupy pracují. Jen si je přizpůsobili vlastním laboratorním podmínkám,“ říká badatel. Dosavadními úspěchy se však ukolébat nenechává.

„Metody v bioanalytice se velmi rychle vyvíjejí a teprve uvidíme, jak do toho všeho promluví například nástroje umělé inteligence. Proto je nesmírně důležité neustále sledovat trendy nejen ve vlastním oboru, ale i v medicíně a dalších oblastech. Věda je sice do velké míry o štěstí, je ale dobré jít mu naproti a mít hlavu neustále otevřenou novým možnostem a pohledům,“ uzavírá Ondřej Novák.

Článek vyšel pod názvem Za vším hledej hormon v A / Magazínu 3/2024:

3/2024 (verze k listování)
3/2024 (verze ke stažení)

Čtvrtletník A / Magazín vydává Akademie věd ČR. Výtisky zasíláme zdarma všem zájemcům. Kontaktovat nás můžete na adrese predplatne@ssc.cas.cz.

Ondřej Novák je jedním z vědců v projektu STARMORPH, který zkoumá roli auxinu při růstu a tvarování rostlin. Loni projekt získal Synergy grant Evropské výzkumné rady (ERC) a s ním podporu 10 milionů eur. 

Text: Leona Matušková, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Jana Plavec, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR; Ota Blahoušek, Ústav experimentální botaniky AV ČR

 Text a všechny fotografie jsou uvolněny pod svobodnou licencí Creative Commons.

Přečtěte si také

• Řekni mi to vůní. Pachová komunikace řídí životy zvířat i lidí
• Luční kvítí klíčem k poznání evoluce. Vědci popsali DNA chromozomu Y
• Jak se mozek zotavuje po mrtvici? Odpovědi přináší studie českých vědců
• Čirok produkuje unikátní pyl. Může být cestou k pěstování odolnějších plodin
• Jak opravit míchu: Kristýna Kárová zkoumá možnosti obnovy nervových buněk
• Prodělali jste černý kašel? Přihlaste se do unikátní studie českých odborníků
• Jak buňky reagují na stres? Tým zpřesnil popis vzniku protistresového proteinu
• I v oddělení biologie nádorů může být sranda, říká Veronika Vymetálková
• Vědci z Akademie věd popsali, jak fungují molekulární nůžky na stříhání RNA
• Vědci odhalili mutace, které spouštějí leukémii. Jejich objev může pomoci léčbě