Obilniny představují základ potravního řetězce člověka. Od rané historie jsou v civilizovaných oblastech pěstovány a šlechtěny

. V posledních desetiletích byly vyvinuty nástroje, které umožňují cíleně upravovat jejich genetickou informaci. U pšenice se již podařilo získat nové genotypy odolné vůči chorobám, suchu, a dokonce se podařilo změnit i vlastnosti proteinů. Byly vyvinuty odrůdy pro celiaky za zachování dobré pekařské kvality. Nyní jsou editované genotypy připraveny pro komercializaci a nástroje pro další cílené šlechtění.

Klíčová slova: pšenice, obilniny, šlechtění, genomové editace

 Obilniny jsou de facto trávy pěstované pro své jedlé zrno (botanicky nazývaný obilka), které se skládá z endospermu, klíčku a otrub. Obilniny se pěstují ve velkém a jsou základními plodinami využívanými v potravinářském průmyslu. Patří mezi ně rýže, pšenice, žito, oves, ječmen, proso anebo kukuřice. Obiloviny se staly základem lidské civilizace. V mezopotámském mýtu o stvoření zahajuje éru civilizace bohyně obilí Ashnan. Hranice civilizací se zpočátku shodovaly s rozšířením pěstováním obilovin. Po dobu existence lidstva se rozšířilo spolu se zemědělstvím jejich pěstování celosvětově. Postupně se zlepšovaly vlastnosti odrůd, jejich výnosy, adaptabilita, a spolu se zlepšenými pěstebními postupy v minulém století dokázaly sytit lidstvo. Obilniny se podle svých typů mohou pěstovat ve velmi rozmanitých půdně klimatických podmínkách.  

Obilniny se využívají jako základní potravina, nejčastěji ve formě výrobků z mouky. Nutriční hodnoty obilovin jsou vysoké. Obecně mají vysoký obsah bílkovin, tuků, polysacharidů, vitaminů nebo minerálních látek. Obilné bílkoviny hrají důležitou roli jako zdroj aminokyselin a v potravinářském průmyslu. Viskoelastická povaha gluteninu a gliadinových proteinů pšenice hraje v procesu jejich zpracování (pečení) obrovskou roli. Zvyšují kapacitu zadržování plynu a elasticitu těsta; zlepšují texturní vlastnosti chleba. Kvalita a struktura pečených výrobků souvisí s lepkovými bílkovinami. Proteiny pšenice však způsobují u určitého procenta populace celiakii. Ostatní obilniny se kromě přímé spotřeby využívají pro přípravu např. bezlepkových pokrmů.  Obilniny a potraviny na bázi obilí jsou důležitým zdrojem minerálních látek. Minerální obsahy zrn jsou získávány z minerálů v půdě, ve které jsou pěstovány. Minerály mají metabolické funkce u rostlin, zvířat a lidí. Obsah minerálů v různých zrnech se od sebe liší. Zpracováním (mletím, vařením, pečením) se minerály nezničí, ale mohou se fyzicky ztrácet z řezaných povrchů, vyluhovat do tekutiny na vaření nebo se ztratí odstraněním otrub a klíčků, které obsahují většinu minerálů v zrnu. Přidání přísad k výrobě potravin na bázi obilí se může zvýšit obsah minerálních látek – nebo lze jejich zastoupení a obsah zvýšit geneticky.

Přírodní katastrofy a změna klimatu v posledních desetiletích významně poškodily naše zemědělské systémy. V blízké budoucnosti může zemědělství čelit obrovským výzvám, pokud jde o nasycení populace, která se pravděpodobně do roku 2050 navýší na 9 miliard. Proto se vědecké komunity z velké části zaměřily na moderní technologické zásahy k úpravě hlavních plodin pro lepší výnos a odolnost, aby byly splněny požadavky na dodávky potravin pro globální lidskou komunitu. Obiloviny jsou považovány i dnes za hlavní zdroj energie a bílkovin pro člověka, protože celosvětově poskytují přibližně 50 % energie ve stravě, zejména v rozvojových zemích, kde je jejich potřeba ještě vyšší.

Poslední desetiletí se cíleně používají nové nástroje cílené změny genomu, protože byly objeveny možnosti cílených editací. Jednalo se o cílené nukleázy, které poskytly výzkumníkům schopnost manipulovat prakticky s jakoukoli genomovou sekvencí, což umožňuje snadnou tvorbu izogenních buněčných linií. Jedná se o tři základní technologie – seskupené pravidelně rozmístěné krátké palindromické repetice (CRISPR) a protein 9 spojený s CRISPR (Cas9), efektorové nukleázy podobné aktivátoru transkripce (TALEN) a nukleázy zinkových prstů (ZFN). Nyní jsou k dispozici a další modifikace vč. multiplexových. Je možné cílenězaměňovat nukleotidy.

Celogenomové asociační studie (GWAS) odhalily, že substituce na jedné bázi jsou často nejlepším způsobem, jak zavést vynikající vlastnosti do plodin. Proto byly použity výše uvedené techniky pro vytvoření přesných bodových mutací v plodinách, aby se dosáhlo požadovaných výsledků. Jak je patrné z níže uvedeného obrázku, u obilnin je žádoucí zlepšovat jejich adaptabilitu k biotickým i abiotickým stresorům, zvyšovat výnos při shodných nebo snížených vstupech a zlepšovat nutriční parametry (Obr. 1).

Obr. 1 – Žádoucí zlepšení u obilovin (podle Basu et al. doi.org/10.3389/fgene.2022.866976)

Jednou ze tří hlavních plodin pěstovaných pro lidskou spotřebu je pšenice (Triticum aestivum L.), a proto jsou výzkumy směřované na zlepšení pšenice pro vyšší výnosy a lepší odolnost zásadní pro zajištění globální potravinové bezpečnosti. Úspěšně byly vyvinuty odrůdy pšenice tolerantní vůči plísním prostřednictvím CRISPR/Cas9 proti plísni (Tripathi et al., 2020). Také se podařilo zlepšit odolnost vůči padlí (Zhang et al., 2017, Char a Yang 2020). Také se podařilo upravit délku zrna, šířku zrna, i jeho plochu a hmotnost (Wang et al., 2018).

Z hlediska celosvětové produkce je ječmen, pro nás druhá nejvýznamnější obilnina, čtvrtou nejvýznamnější. Díky své diploidní struktuře genomu se ječmen používá jako modelová rostlina pro druhy v rámci Triticeae. Genová úprava ječmene se ukázala jako spolehlivý, přesný a cenově dostupný přístup pro rychlé šlechtění rostlin. První pokusy o zavedení genových editací u ječmene používaly TALEN. Podařilo se regulovat expresi fytázy (Wendt et al., 2013). Bylo představeno mnoho úspěšných snah upravit geny odolnosti k suchu a další geny související se stresem (Kim et al., 2018).

                    Nedávno výzkumníci oznámili, že s použitím CRISPR upravili geny pšenice kódující lepek tak, aby došlo ke snížení imunoreaktivity. Imunotoxicita pšenice je spojena s aberantní odpovědí člověka na peptidy odvozené od lepku. Již dříve šlechtění a biotechnologie byly použity k minimalizaci uvedené imunotoxicity, ale ovlivnily kvalitu těsta. To je důvod, proč se vědci rozhodli zkusit tento problém vyřešit pomocí CRISPR-Cas9. Tým zmutoval nebo vymazal kopie genu ω- a γ-gliadinu, které byly hojné v imunoreaktivních peptidech. Zjištění ukazují, že snížení obsahu ω- a γ-gliadinu nemělo nepříznivý vliv na jakostní vlastnosti těsta a obilných bílkovin (Zitong et al. 2023). Je zřejmé, že k výsledku dovedly vědce precisní znalosti genomu, transkriptomu i proteomu, spolu s moderními technickými nástroji.

K překonání problémů spojeného s konvenčním šlechtěním vyvinuli vědci různé nástroje pro úpravu genomu, aby zlepšili kvalitu a produkci obilnin včetně pšenice. Technologie úpravy genomu se rychle vyvíjejí. V dnešní době jsou možné jednoduché nebo vícenásobné cílené mutace (genomové editace) zaměřené na konkrétní lokusy v genomu pšenice, což umožňuje řízené odstranění nežádoucích vlastností nebo vložení výhodných. Plně bylo optimalizováno využití (CRISPR/Cas), kterého lze efektivně použít pro přesnou úpravu genomu pšenice a dalších plodin.

Autor: Jaroslava Ovesná

​Literatura:

Char a Yang  aBIOTECH 1, 41–57 (2020), doi.org/10.1007/s42994-019-00005-x

Tripathi et al. Front. Genome Ed., 2022 Sec. Genome Editing in Plants. Vol. 4, doi.org/10.3389/fgeed.2022.876697

Wang et al. The Plant Journal (2019) 100, 251–264

Zhang et al., The Plant Journal (2017) 91, 714–724

Zitong et al.  Plant Biotechnology Journal,2023, doi.org/10.1111/pbi.14231