TÉMA: POTRAVINY PRO BUDOUCNOST

V roce 2011 překročila světová populace sedm miliard, do roku 2050 přibydou nejméně další dvě miliardy. Dokáže naše planeta uživit rostoucí počet obyvatel? Odpověď možná ukrývá i genom pšenice, v jehož výzkumu patří vědci z Akademie věd ČR mezi světovou špičku.

Přelomové badání expertů z Ústavu experimentální botaniky AV ČR při čtení genetické informace pšenice, která je jednou z nejvýznamnějších obilovin, a dalších zemědělských plodin se setkalo s celosvětovým ohlasem a přispívá k řešení jednoho z aktuálních problémů budoucnosti lidstva.

V situaci, kdy extrémní výkyvy počasí ohrožují výnosy klíčových plodin je stále jasnější, že jsme postupně vyčerpali možnosti klasických postupů šlechtění. Ke změně klimatu přispívá i současná civilizace a je logické, že s řešením musí přijít zase člověk.

Neohrozí některé oblasti světa dokonce hladomor? Otázka se v současnosti přímo nabízí: pokud by se totiž průměrná teplota na Zemi zvýšila, byť jen o jeden stupeň Celsia, výnosy pšenice by mohly – také v závislosti na úbytku dostupné vláhy – klesnout až o 10 % a u kukuřice ještě výrazněji.

Historie potvrzuje, že obavy mohou být na místě. Podobné nebezpečí lidstvo již několikrát zažilo – naposledy docela nedávno. Populační exploze v Indii a v dalších zemích Asie, Afriky či Latinské Ameriky v šedesátých letech minulého století vyvolala akutní nedostatek potravin a hrozící katastrofu odvrátilo až zavedení nových odrůd pšenice a rýže společně s moderní agrotechnikou včetně intenzivního hnojení. Zemědělská produkce se znásobila a otec tzv. zelené revoluce, americký agronom a šlechtitel Norman Borlaug, obdržel v roce 1970 Nobelovu cenu.

Norman Borlaug se od čtyřicátých let 20. století v Mexiku zabýval šlechtěním pšenice. Přispěl k vyšlechtění výnosných odrůd s kratším stonkem, které se rozšířily i do dalších rozvojových zemí. Díky nim dosáhl v Indii v roce 2000 hektarový výnos 2,9 tuny oproti 0,9 na počátku šedesátých let. Zatímco v roce 1967 spotřeboval běžný Ind potraviny s energetickou hodnotou 1875 kcal, v roce 1998 to bylo již 2466 kcal – navzdory tomu, že se za tu dobu populace v Indii prakticky zdvojnásobila!

Příliš jsme se ale nepoučili a podle hesla „problémy řešíme, až když nastanou“ neměly základní a aplikovaný výzkum v rostlinné biologii stejně jako šlechtění dostatečnou podporu. Kvůli opakovaným nebezpečím potravinových krizí se však ukazuje, že zřejmě přišla chvíle pro zelenou revoluci s pořadovým číslem dvě.

Velká čtyřka
Pšenice i další plodiny doprovázejí člověka již 10 tisíc let, kdy se během neolitické revoluce nechaly nezávisle na různých místech světa domestikovat („ochočit“) a umožnily jednu z nejvýznamnějších změn v lidských dějinách – vznik zemědělství a velkých civilizací. Není od věci připomenout, že příčinou byly nejspíše klimatické změny (ze současného pohledu paradoxně oteplování na konci doby ledové), které pravěké lovce a sběrače donutily změnit způsob obživy. Člověk úplně nebo částečně domestikoval okolo 500 rostlin, z nichž ale jen 30 v podstatě živí lidstvo. Proces přeměny planých druhů na kulturní formy skončil kolem roku 2000 před n. l. Od té doby jsme už opravdu významnou kulturní plodinu nevytvořili. 

Pšenice je s rýží, kukuřicí a sójou jednou z nejdůležitějších plodin. Je základním zdrojem obživy pro třetinu lidské populace a důležitou surovinou pro výrobu pečiva, těstovin a dalších potravin. Každoročně se jí na ploše 215 milionů hektarů sklidí 700 milionů tun a každý Čech jí v podobě mouky spotřebuje v průměru 100 kilogramů za rok. 

Koordinátor programu Strategie AV21 Potraviny pro budoucnost. Zabývá se strukturou a evolucí genomu rostlin a vede olomoucké Centrum strukturní a funkční genomiky rostlin Ústavu experimentální botaniky AV ČR. Jeho tým patří ke světové špičce ve výzkumu dědičné informace hlavních zemědělských plodin (vedle pšenice i ječmene a žita) a také banánovníku.

I přesto, že se jí daří na rozdíl od rýže a kukuřice v nejrůznějších klimatických podmínkách, začínáme mít s jejím pěstováním problémy. V některých letech posledního desetiletí se pšenice dokonce sklidilo méně, než lidstvo spotřebovalo. V důsledku toho poklesly světové zásoby. „Zatímco v osmdesátých letech 20. století by vydržely asi čtyři měsíce, v současnosti jen něco přes dva. Pokud by trend pokračoval, mohla by větší neúroda dokonce ohrozit výživu světové populace. Aby toho nebylo málo, v roce 2050 bychom měli spotřebovat až o 80 % více potravin než na začátku století. Zvýší se počet obyvatel, kteří navíc budou chtít lepší a bohatší stravu,“ vysvětluje Jaroslav Doležel, rostlinný genetik z olomouckého pracoviště Ústavu experimentální botaniky AV ČR, který koordinuje účast sedmi pracovišť Akademie věd ČR na programu Strategie AV21 Potraviny pro budoucnost. Zdejší Centrum strukturní a funkční genomiky rostlin zásadně přispělo k rozluštění genetické informace pšenice.

Světová věda z Hané
Z pohledu genetika patří pšenice mezi složité organismy, a to především její nejčastěji pěstovaný druh – pšenice setá. Její genom je několikrát větší než lidský a ke vzniku nejrozšířenější plodiny na světě přispěly opakované cykly mezidruhové hybridizace a zdvojování dědičné informace. Zatímco pro většinu živočichů jsou takové změny neslučitelné se životem, rostliny jsou tolerantnější. A právě tyto procesy přispěly ke vzniku mnoha druhů rostlin. Pšenice setá vznikla křížením tří druhů trav a postupně získala šest sad chromozomů po sedmi namísto obvyklých dvou sad. Je hexaploidní, což znamená, že od každého genu má šest kopií (nikoli dvě jako člověk). Jedna kopie dědičné informace pšenice je rozdělena na 21 chromozomů a představuje ji téměř 17 miliard bází DNA (písmen dědičného kódu) – tedy pětkrát více, než má člověk, a dokonce 40krát než rýže.

Přečíst genetickou informaci většiny rostlin není jednoduché a pro pšenici to platí dvojnásob. Znalost její složité genetické výbavy je však podmínkou, abychom využili molekulární metody ve šlechtění. Olomoučtí vědci proto vypracovali metodu, která umožňuje složitou dědičnou informaci rozdělit na malé části. Každou lze zkoumat odděleně, což práci výrazně ulehčuje a zároveň umožňuje mezinárodní spolupráci. „Pšenice má 21 chromozomů. Když izolujeme jeden z nich, analyzujeme méně než dvacetinu celé dědičné informace a všechno zjednodušíme,“ upřesňuje Jaroslav Doležel.

„Dědičnou informaci pšenici máme uloženou v mrazicích boxech při teplotě -80 °C v podobě tzv. knihoven DNA (jedna představuje jeden chromozom). Malé úseky DNA chromozomů jsou udržovány v bakteriích, přičemž každá bakterie a od ní odvozené potomstvo v sobě nese jeden konkrétní úsek DNA“ vysvětluje Jaroslav Doležel. Úplná dědičná informace pšenice je uložena v asi 2,5 milionu bakteriálních klonů ve více než šesti tisících mikrotitračních destičkách.

Unikátní metoda z Hané se setkala s ohlasem v prestižních vědeckých časopisech Nature a Science a byla vybrána jako základ celosvětového projektu. Toho se účastní dvacítka renomovaných laboratoří, jež koordinuje Mezinárodní konsorcium pro sekvenování genomu pšenice (IWGCS).

Nová zelená revoluce by podle olomouckých vědců mohla vypadat podobně jako ta předchozí. Opět půjde především o šlechtění nových odrůd a zavádění inovativních zemědělských postupů. Abychom měli v roce 2050 dostatek potravin, musejí výnosy nových odrůd stoupat o 2 % ročně. Toho ale nedosáhneme bez moderních metod molekulární biologie, genomiky a biotechnologie. I přes nepřízeň evropské byrokracie a části veřejnosti je ale jen otázkou času, kdy se odrůdy získané cílenými genetickými modifikacemi rozšíří ve velkém.

Připravil: Luděk Svoboda, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Pavlína Jáchimová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR, Pixabay, Youtube 

JAK PĚSTOVAT POTRAVINY BUDOUCNOSTI
Když tradiční metody nestačí…
Odborníci na fotosyntézu v České republice

Přečtěte si také

• 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
• Změny v DNA a karcinogenní účinky: I to může odhalit toxikologický inkubátor
• Ječmen „live“: Češi jako první na světě umí živě sledovat dělení jeho buněk
• Ohrožená ňadra: vědci popsali rizikové varianty genu způsobujícího karcinom prsu