Rýže se zvýšeným obsahem esenciálních mikroprvků

  • organismus: rýže
  • nová vlastnost: zvýšený obsah mikroprvků
  • zacíleno na: spotřebitele
  • technika vzniku: CRISPR/Cas9
  • povoleno v EU: ne

(c) Ing. Barbora Hošková, VŠCHT Praha

Rýže setá (Oryza sativa L.) patří mezi celosvětově nejvýznamnější zemědělské plodiny, je nejdůležitější obilovinou. Představuje hlavní zdroj potravy pro více jak polovinu lidstva naší planety. Loupaná rýže, jako nejčastěji využívaná forma této potraviny, je však poměrně chudá na obsah některých mikroprvků důležitých pro lidské zdraví. Nedostatečný je především obsah železa (Fe), zinku (Zn) a manganu (Mn), jež se podílí na zabezpečování mnoha základních funkcí živých organismů, včetně člověka. Celosvětově trpí v důsledku nedostatečného příjmu Fe a Zn v potravě asi dvě miliardy lidí, především v zemích třetího světa. Ukazuje se, že pro boj se „skrytým hladem“, jak je také tato výživová nedostatečnost nazývána, je nejúčinnější zvýšení či obohacení obsahu potřebných mikroprvků v užitkových částech rostlin tzv. biofortifikací, cestou konvenčního šlechtění a zejména prostřednictvím cílených úprav dědičné výbavy rostlin (genomu). Dané řešení je oproti jiným alternativám ekonomicky dostupné, udržitelné a dlouhodobě účinné. Předpokládá se, že již v blízké době najdou praktické uplatnění výstupy cílených úprav genomu, především produktů získaných pomocí technik CRISPR-Cas.

 

Konvenční šlechtění plodin, na rozdíl od agronomických postupů zvyšování obsahu mikroprvků v plodinách (hnojení půdy, hnojení na list apod.) nabízí řešení, které je přátelské k životnímu prostředí a přináší výsledky dlouhodobě. Jeho nevýhodou je však velká časová náročnost, která pro vyšlechtění vynikající odrůdy s vysokým obsahem Fe, Zn, případně Mn v zrnu může představovat i přes deset roků. Jeho úspěšnost závisí na dostupnosti vhodných zdrojů pro šlechtění (tzv. zárodečné plazmy), s dostatečnou variabilitou v požadovaných znacích, potřebných znalostech o hlavních lokusech pro kvantitativní znaky (QTL) a nejlepších alelách.

 

Díky náročné práci šlechtitelů a výzkumníků z Mezinárodního výzkumného ústavu rýže byly získány velmi cenné údaje, týkající se rozsahu variability v obsahu nejdůležitějších mikroprvků jako Fe (od 7,5 do 24,4 µg/g) a Zn (20 – 68 µg/g) v zrnu neloupané (tzv. hnědé) rýže v rámci skríninku téměř tisíce odrůd a planých forem rýže. Tato data, stejně jako následující, jsou nezbytná i pro další strategie biofortifikace. Jak vyplynulo z výsledků analýz 698 zdrojů zárodečné plazmy, uskutečněných v Číně na obsah těchto prvků v loupané rýži, která je zbavena osemení, aleuronové vrstvy a zárodku - tedy částí s nejvyššími podíly mikroprvků, zůstává v zásobním pletivu endospermu od 0,9 do 9,1 µg Fe/g a 5,8 – 29,6 µg Zn/g.

 

Úsilí výzkumníků v oblasti využití genetických modifikací (GM) pro biofortifikaci rýže o nezbytné mikroprvky směřovalo ke zvýšení jejich příjmu z půdy, zvýšení přesunu do zrna, zejména endospermu, a zvýšení jejich biologické dostupnosti. V případě biofortifikace rýže o Fe zahrnovaly četné transgenní přístupy využití genů uplatňujících se při jeho příjmu z půdy, jako OsIRT1a OsYSL15; ke zvýšení přenosu Fe do zrna geny kódující nikotinaminsyntázu (NAS), přenašeče Fe a geny pro zásobní protein feritin, umožňující hromadění Fe v semenech (pozn. o variantu genu pro feritin jsou obohaceny novější formy tzv. zlaté rýže). Vyzkoušeny byly také účinky úprav vlastních regulátorů genové aktivity  ̶  promotorů, ale i promotorů pocházejících z jiných zdrojů, např. sóji. Již v r. 1999 japonští badatelé přenesli do rýže cizí gen SoyferH1 pro feritin pocházející ze sóji, společně s promotorem GluB-1 genu pro zásobní protein glutelin semene rýže, který se specificky projevuje v endospermu. Vložení tohoto konstruktu do genomu rýže vedlo zhruba ke dvojnásobnému zvýšení obsahu Fe v zásobním pletivu endospermu, zatímco jeho obsah v zárodku semene zůstal prakticky nezměněn. Ještě vyšších rozdílů v obsahu Fe v hnědé i loupané GM rýži oproti nemodifikované kontrole bylo dosaženo při kombinaci většího počtu úprav. Transgenní rýže se zvýšenou konstitutivní expresí genu OsNAS2 společně s vneseným cizím genem SoyferH-1 ze sóji, řízeným promotorem specificky se projevujícím v endospermu, vykazovala oproti kontrole až 7,5násobně vyšší obsah Fe v loupané rýži.

 

Podstatně méně prací se zabývalo obohacením rýže o Zn. Kupříkladu bylo zjištěno, že zvýšená exprese genu OsIRT1, který kóduje přenašeče Fe a Zn, navyšuje obsah Zn ve zralých zrnech rýže o pouhých 12 %. Lepších výsledků dosáhl jiný japonský výzkumný tým v případech, kdy do dědičné výbavy rýže byl společně s cizorodým genem HVNAS1 pro NAS z ječmene vnesen také konstitutivní (neustále aktivní) promotor 35S viru žilkové mozaiky květáku, či vlastní promotor genu OsACTIN1 pro aktin rýže. V závislosti na typu promotoru vzrostl obsah Zn v loupané rýži 1,5 ×, případně až 2,5 × oproti nemodifikované kontrole. Více než dvojnásobného zvýšení obsahu Zn bylo rovněž dosaženo v pracích orientovaných na zvýšení exprese některých variant genu pro NAS rýže prostřednictvím různých variant promotoru 35S, případně promotoru UBI1 kukuřičného genu pro ubikvitin.

 

V případě dalších, pro vitální funkce organismu nezbytných mikroprvků, jako manganu (Mn), mědi apod. jsou naše znalosti o mechanizmech příjmu, translokace a jejich dědičné podmíněnosti dosud značně omezené. Proto až na některé výjimky nebyly předmětem rozsáhlejších biofortifikačních studií. Velmi zajímavých výsledků dosáhl v r. 2019 tým čínských výzkumníků, který se zabýval studiem mechanizmů rezistence rostlin k vyšším dávkám vybraných těžkých kovů v půdě v důsledku jejich kontaminací. Autorům se podařilo izolovat a analyzovat gen TaCNR5 z rostlin pšenice, který náleží do rodiny PCR (Plant Cadmium Resistence) genů kódujících bílkoviny přenašečů těžkých kovů. Následně gen TaCNR5 využili k modifikaci huseníčku a rýže a sledovali obsah Zn, Cd a Mn v různých částech rostlin. Podle očekávání byla koncentrace Zn v kořenech a stoncích modifikovaných rostlin rýže vyšší než v kontrolních. Vyšší byl obsah Zn také v hnědé (tj. neloupané) i loupané rýži. Překvapivé bylo zjištění, že GM rostliny rýže současně nevykazovaly vyšší příjem Cd a Mn a jejich hromadění v zrnu oproti ne-GM kontrole. Autoři vysvětlují možné příčiny rozdílů v příjmu a hromadění kovů i na úrovni sekvenčních charakteristik genu TaCNR5. Výsledky jsou nejen dobrým základem a vodítkem pro další výzkum, ale i příslibem pro možné brzké využití Zn biofortifikované rýže k tržním účelům, v boji proti „skrytému hladu“ a důsledkům změn klimatu.

 

Pro biofortifikační strategie je třeba brát v úvahu i další hlediska, jako např. biologické dostupnosti mikroprvků obsažených v zrnu, kupř. v důsledku přítomnosti kyseliny fytové (FA), jež na sebe vyvazuje mnohé kationty a tím je činí nedostupnými pro trávící enzymy. Proto podle některých autorů je šlechtění na nízký obsah FA bezpředmětné pro loupanou rýži, protože FA se v zrnu hromadí především v aleuronové vrstvě, která je mletím odstraněna. Na druhé straně některé z nedávných úvah o biofortifikaci esenciálních mikroprvků vychází z reálných možností šlechtění či genetických úprav příslušných genů směřujících ke zvýšení počtu vrstev aleuronových buněk pod osemením z běžné jedné na více. V potaz je třeba brát také možnost souběžného transportu a hromadění některého z nežádoucích prvků, např. kadmia (Cd).

 

V posledních deseti letech intenzívního výzkumu a ověřování účinnosti různých strategií biofortifikace na mnoha pracovištích po celém světě byla pomocí záměrných úprav genomu modelových objektů, včetně rýže, získána řada velmi důležitých poznatků o struktuře, funkcích a regulacích široké škály genů, jež se účastní příjmu mikroprvků z půdy, jejich transportu v rámci rostliny až do cílových struktur a dalších významných faktorech. Velmi přínosné jsou také údaje o vlivech konkrétních modifikací na akumulaci esenciálních mikroprvků v užitkových částech rostliny, na růst a další charakteristiky pokusných plodin, které byly získány v pěstebních podmínkách nádobových a především polních pokusů. Ukázalo se, že výrazného zvýšení obsahů mikroprvků v cílových strukturách není možné dosáhnout změnou jediného znaku, ale jen komplexní úpravou řady vzájemně souvisejících znaků.

 

Přestože zejména díky GM rostlinám bylo dosaženo významného pokroku v identifikaci a poznávání funkcí jednotlivých genů a jejich produktů účastnících se příjmu a přenosu mikroprvků v rámci rostliny, zůstává stále ještě neobjasněna řada otázek týkajících se např. molekulárních mechanizmů přenosu, klíčových genů podílejících se na jeho řízení a dalších faktorech (např. genech mikroorganismů zvyšujících příjem, transport a dostupnost mikroprvků atd.). Jejich poznání by významně urychlilo postupy markery zprostředkovaného šlechtění (MAS) a řízenou editaci důležitých genů prostřednictvím nových technik šlechtění (NBT). Právě do NBT, jako jsou techniky CRISPR-Cas, jsou v posledních letech vkládány velké naděje pro získání plodin s vyššími obsahy mikroprvků v užitkových částech. Lze očekávat, že v blízké době se první takové produkty již objeví na trhu. Nasnadě jsou především případy některých genově upravených plodin, které již byly v průběhu výzkumu úspěšně prověřeny v polních podmínkách, např. pokud jde o vyšší obsahy esenciálních mikroprvků, jejich agronomické charakteristiky i bezpečnost. V zemích, které mají vytvořeny účinné legislativní nástroje pro jednoznačné odlišení produktů NBT od jiných, a jež splňují předepsaná kritéria, je pak udělení souhlasu kompetentního orgánu obvykle poměrně rychlé.

Aktualizace ke dni: 23.2.2023

Původní vědecký zdroj:
Kong, D.; Khan, S.A.; Wu, H..; Liu, Y.; Ling, H.‐Q. Biofortification of iron and zinc in rice and wheat. J. Integr. Plant Biol. 2022, 64, 1157–1167.
doi: 10.1111/jipb.13262
 

Další zdroje:

Qiao, K.; Wang, F.; Liang, S.; Wang, H.; Hu, Z.; Chai, T. New Biofortification Tool: Wheat TaCNR5 Enhances Zinc and Manganese Tolerance and Increases Zinc and Manganese Accumulation in Rice Grains. J. Agric. Food Chem. 2019, 67, 9877–9884. doi: 10.1021/acs.jafc.9b04210

 

Masuda, H.; Ishimaru, Y. ; Aung, M.S.; Kobayashi, T. ; Kakei, Y.; Takahashi, M., et al. Iron biofortification in rice by the introduction of multiple genes involved in iron nutrition. Sci. Rep. 2012, 2, 543. doi: 10.1038/srep00543

 

Hefferon, K. Biotechnological approaches for generating zinc-enriched crops to combat malnutrition. Nutrients 2019, 11, 253. doi:10.3390/nu11020253