Rýže odolná k širokému okruhu patogenů

  • organismus: rýže
  • nová vlastnost: současná odolnost k mnoha chorobám
  • zacíleno na: šlechtitele
  • technika vzniku: CRISPR/Cas9
  • povoleno v EU: ne

(c) Ing. Barbora Hošková, VŠCHT Praha

Vzhledem k tomu, že rýže setá (Oryza sativa L.) patří mezi celosvětově nejvýznamnější zemědělské plodiny (představuje kupř. hlavní zdroj potravy pro více jak polovinu lidstva naší planety), je předmětem velkého zájmu výzkumníků a šlechtitelů. I proto je řada našich příspěvků věnována pokrokům dosaženým s využitím nových šlechtitelských technik (NBT) u rýže. Výhodou rýže je nejen dobrá znalost jejího genomu (veškeré dědičné výbavy), ale i nezbytných technik potřebných k jeho úpravám. Další její předností je i poměrně nízká ekonomická náročnost ověřování vhodnosti výstupů NBT (rostlin s potřebnými genovými úpravami) pro další využití ve šlechtění a zemědělské produkci. Získané linie rostlin je možné odzkoušet a vybírat naveliko v polních pokusech za příznivé ceny.

 

Rýže, obdobně jako další zemědělské plodiny, trpí řadou chorob způsobených nejrůznějšími patogenními organismy, které ve svých důsledcích vedou ke snižování výnosu, kvality zrna rýže a v krajním případě i zdravotním rizikům pro lidský organizmus. Jedním z příkladů závažných patogenů rýže je houba Magnaporthe oryzae, která sama o sobě každoročně snižuje celosvětovou produkci rýže v rozsahu odpovídajícím potřebě zajištění nezbytné výživy pro více jak 60 milionů lidí. Společným úsilím badatelů z Huazhongské zemědělské univerzity a řady dalších čínských výzkumných pracovišť, ve spolupráci s odborníky z Francie, USA a Austrálie, se podařilo nalézt gen odolnosti k chorobě vyvolané M. oryzae - gen RBL1 (Resistance to Blast1). Posléze byl navržen i způsob, jak pomocí techniky CRISPR-Cas cíleně upravit (editovat) genom rýže tak, aby se co nejvíce využila přednost genu RBL1 – možnost současného navození odolnosti k řadě patogenů, a přitom byly omezeny původní velmi nepříznivé účinky na výnos rýže. Ve své studii publikované v prestižním časopisu Nature v r. 2023 autoři své poznatky zveřejnili a poukázali na výhody editace genu RBL1 i jeho dalších variant u řady plodin. Dosud bylo identifikováno, sekvenováno (zjištěn genetický kód) a odzkoušeno v polních podmínkách jen málo genů, které jsou nositeli odolnosti k širokému spektru patogenních organismů.

 

V úvodní etapě výzkumu řešitelé vyhledávali v potomstvu japonské odrůdy rýže Kitaake ozářené rychlými neutrony mutantní jedince, kteří vytváří i v nepřítomnosti patogenního organismu tzv. leze, jež jsou formou projevu programované buněčné smrti (odumřelá pletiva v důsledku aktivace obranných mechanizmů rostliny izolují, případně i zneškodní, „spálí“, patogen dříve, než se rozšíří v rostlině). Obdobným způsobem se totiž dokáží bránit hypersenzitivní jedinci patogenům již v počáteční fázi jejich napadení. Tito leze mimikující mutanti (LMM) jsou často nositeli trvalé, širokospektrální (multispektrální) rezistence, a jsou proto potenciálním zdrojem genů pro šlechtění rostlin odolných k patogenům. Pro vyhledání LMM mutantů výzkumníci provedli v polních podmínkách vizuální screening  více než 1500 ozářených linií rýže. Celkem bylo nalezeno šest LMM. Mezi nimi byla i jedna mutace, která vykazovala současně zvýšenou odolnost k M. oryzae a dalšímu závažnému bakteriálnímu patogenu Xanthomonas oryzae. Měla však sníženou plodnost, což způsobilo zhruba 20násobné snížení výnosu. Při bližší charakterizaci mutantu se zjistilo, že u něj došlo ke ztrátě (deleci) části dědičné informace v rozsahu 29 párů bazí v genu, který autoři studie nazvali RBL1. Zmíněná mutace vede ke snížení hladin látek důležitých pro hospodaření rostliny s energií, konkrétně fosfatidylinositolu a jeho derivátu fosfatidylinositol 4,5-bisfosfátu (PtdIns(4,5)P2). Právě tato druhá látka se u rýže projevuje jako faktor náchylnosti rostlin k onemocněním.

 

Cílenou editací genomu technikou CRISPR-Cas9 výzkumníci získali upravenou alelu genu RBL1, kterou nazvali RBL1Δ12. Ta vnáší do rostlin rýže širokospektrální rezistenci k patogenům, aniž by snižovala výnos u odrůdy Kitaake, jak bylo prokázáno v polních pokusech prováděných v menších měřítcích ve třech čínských provinciích po tři roky. V dalších pokusech výzkumníci vytvořili RBL1 editované linie u dalších dvou odrůd rýže, Nipponbare a Zhonghua 11. Také u nich pozorovali zvýšenou odolnost k M. oryzae a normální růst.

 

Výsledky této studie tak odhalily souvislost mezi metabolismem fosfolipidů a odolností rostlin rýže k patogenům. U rostlin rbl1 a rbl1Δ12 je snížen obsah PtdIns(4,5)P2. Při porovnání s některými jinými druhy rostlin se ukazuje, že homology genu RBL1 sehrávají konzervativní úlohu v odolnosti rostlin. Získané výsledky tak naznačují, že „jemné vyladění“ faktorů rostliny účastnících se vytváření struktur specifických pro infekci je slibnou strategií pro vytváření rovnováhy mezi odolností plodin a výnosy. Jak sami autoři poukazují, nyní je třeba potvrdit projev alely RBL1Δ12 také u elitních linií rýže adaptovaných na místní podmínky ve víceletých polních pokusech. V případě úspěšnosti přístupu by využívání takto upravených odrůd rýže významně přispívalo ke zvýšení a stabilizaci výnosů rýže, snižování množství prostředků určených na ochranu rostlin, a tím i snižování zátěže životního prostředí.

Aktualizace ke dni: 28.3.2024

Původní vědecký zdroj:

Sha, G.; Sun, P.; Kong, X.; Han, X.; Sun, Q. et al. Genom editing of a rice CDP-DAG synthase confers multipathogen resistence. Nature 2023, 618, 1017–1023.

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06205-2

Další zdroje:

Gao, C. Genome engineering for crop improvement and future agriculture. Cell 2021, 184,1621–1635.

doi: 10.1016/j.cell.2021.01.005

 

Zhu, H.; Li, C.; Gao, C. Applications of CRISPR–Cas in agriculture and plant biotechnology. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2020, 21, 661–677.

doi: 10.1038/s41580-020-00288-9

 

Aktualizace ke dni: 28.3.2024