Sacharidy (cukry) jsou nezbytným zdrojem energie pro všechny formy života. Tvoří významnou část lidské denní stravy a nacházejí uplatnění i v dalších odvětvích, například při výrobě biopaliv. Přesto se cukr ve velkém množství získává pouze ze dvou plodin, cukrové třtiny a cukrové řepy. Tyto rostliny dokážou produkovat vysoké množství sacharózy ve formě, kterou lze snadno a efektivně extrahovat. Naproti tomu například javory nebo cukrové palmy sice sacharózu také obsahují, ale v mnohem nižších koncentracích, a proto nejsou pro průmyslovou výrobu cukru tak výhodné. Pěstování cukrové třtiny a řepy je však klimaticky omezené, třtina vyžaduje tropické až subtropické podmínky, zatímco řepa se pěstuje v mírném až chladnějším podnebí.

Alternativní možností získávání cukru je zpracování škrobnatých rostlin prostřednictvím tzv. sacharifikace, tedy rozkladu škrobu mimo rostlinu na jednoduché cukry, jako je glukóza, fruktóza a maltóza. Tento proces je však technologicky náročnější a ekonomicky méně výhodný než přímá extrakce.

Z těchto důvodů vědci hledají alternativní plodiny, které by bylo možné pěstovat v širším spektru klimatických podmínek a které by zároveň umožnily získávat cukr bez nutnosti složitého zpracování. Jedním z těchto směrů se ubíral i výzkum mezinárodního týmu, jenž se zaměřil na genetickou úpravu rýže s cílem vytvořit tzv. cukrovou rýži. Tedy rostlinu, jejíž semena by obsahovala sacharózu místo škrobu.

Klíčovým krokem výzkumů bylo vyřazení (knockout) genu GCS1 nezbytného pro oplodnění vajíčka. U takto geneticky upravené rostliny sice pyl pronikne do květu a vstoupí do vajíčka, ale nedojde k přenosu spermatické buňky, a tedy ani k oplození. Vajíčko však na přítomnost pylové láčky zareaguje a začne se vyvíjet i přesto, že k oplodnění nedošlo. Vzniká tak tzv. falešné semeno. Tento jev, označovaný jako POEM (angl. Pollen tube-dependent Ovule Enlargement Morphology), byl popsán u modelové rostliny huseníčku (Arabidopsis thaliana). Aby vědci ověřili, zda k němu dochází i u jednoděložných rostlin, použili jako model rýži (Oryza sativa, poddruh japonica, odrůda Nipponbare), ve kterém knokautovali geny OsGCS1 a OsGCS1-like. Výsledkem bylo vytvoření rýže, jejíž semena obsahovala 10 až 20 % cukru, přičemž sacharóza tvořila až 98 % celkového cukerného obsahu.

Pro vyvolání mutací genů OsGCS1 a OsGCS1-like byla použita technologie CRISPR/Cas9. Po modifikaci byly analyzovány fenotypy získaných mutantů. Z celkových 169 genů souvisejících s metabolismem škrobu byla transkriptomovou analýzou potvrzena exprese pouze u 94 z nich. Dále bylo nalezeno patnáct genů, jejichž exprese se po opylení zvyšovala ve vajíčkách původní nemodifikované odrůdy rýže, ale nebyly aktivní ve vajíčkách s mutací OsGCS1. Tyto geny kódují enzymy podílející se na hydrolýze sacharózy a syntéze škrobu. Data naznačují, že uvolnění obsahu pylové láčky (PTC, z angl. Pollen Tube Content) ovlivňuje genovou síť metabolismu cukrů ve vajíčku ještě před nebo i bez samotného oplození. Aktivita enzymů potřebných k produkci škrobu byla tedy u mutantních vajíček s vyřazeným OsGCS1 výrazně nižší. Zatímco tedy uvolnění PTC aktivuje geny spojené se syntézou sacharózy, její přeměna na škrob vyžaduje skutečné oplodnění. Vajíčka s mutací OsGCS1 proto fungují jako zásobníky sacharózy, neboť u nich nedochází k aktivaci enzymů přeměňujících cukr na škrob. Navrhovaný mechanismus tohoto procesu je znázorněn na obr. 1.

Obr. 1: Navrhovaný mechanismus tvorby cukrové rýže. V rostoucím zrnu běžné rýže se cukry rychle přeměňují na škrob, který dává zrnu pevnou strukturu (na obrázku dole). U geneticky upravené rýže se však tento proces zastaví, enzymy zůstávají neaktivní, a v semeni se hromadí sladká tekutina složená téměř výhradně ze sacharózy. Vzniká tak tzv. tekuté zrno, které je průhledné, rosolovité a mimořádně sladké (na obrázku uprostřed). To proto, že obsahuje více než 97 % sacharózy, což odpovídá čistotě hnědého cukru.

Tento objev má potenciál využití v zemědělství i průmyslu. Geneticky upravenou rýži by bylo možné pěstovat v oblastech, kde se cukrová třtina ani řepa nedaří, čímž by se významně rozšířily rostlinné zdroje cukru. Další výhodou cukrové rýže je její možné využití při výrobě biopaliv, zejména bioetanolu. Díky vysokému obsahu cukru by přeměna na palivo byla efektivnější než u tradičních škrobnatých plodin. Výzkum zároveň přináší nový pohled na to, jak rostlinná vajíčka reagují na signály z pylu a jak lze tyto procesy cíleně ovlivňovat i bez oplození.

Celý projekt ukazuje potenciál moderních genetických nástrojů, jako je CRISPR/Cas9, a jejich schopnost zásadně měnit biologické procesy rostlin. Cukrová rýže je zatím výsledkem laboratorních experimentů, ale její budoucí uplatnění v zemědělství, potravinářství i energetice může výrazně změnit způsoby, jakými získáváme rostlinné cukry.

Aktualizace ke dni: 31.7.2025