Nedávno jsme publikovali článek v prestižním časopise Science. Tato zpráva se objevila v mnoha médiích. Nikde ale nebylo moc času řešit nic podrobnějšího a museli jsme hodně krátit naše poselství. Čtenář OSLA však chce jistě víc, a proto bych zde trochu podrobněji rozebral, co jsme vlastně zjistili a proč je to důležité.
Tento výzkum začal v laboratoři Jiřího Frimla na rakouském Institute of Science and Technology Austria. Hledali jsme odpověď na otázku: jak kořen zahýbá směrem dolů (gravitropismus)? Vyslovil jsem tehdy hypotézu, že v tom budou hrát roli NADPH oxidázy.
NADPH oxidázy jsou malé „stroje“ uvnitř buněk, které využívají energii k tvorbě speciálních „bělidlu podobných“ chemických látek, jež pomáhají tělu bojovat proti mikrobům a předávat signály mezi buňkami. Tyto látky se nazývají reaktivní formy kyslíku (ROS) a patří sem třeba známý peroxid vodíku H202 nebo superoxid O₂⁻. NADPH oxidázy neprodukují přímo ROS, ale rozštěpí NADPH na NADP+, H+ a elektron, který se transportuje skrz NADPH oxidázu na druhou stranu membrány, kde se naváže na kyslík za vzniku superoxidu, O₂⁻.
V imunitních buňkách živočichů (například neutrofilech) se NADPH oxidázy nacházejí na membráně malého „žaludku“ (fagozomu), který buňka vytvoří kolem bakterie. Do tohoto uzavřeného prostoru pumpují reaktivní kyslíkové molekuly, které fungují jako chemická dezinfekce – poškozují a zabíjejí bakterie jako součást imunitní obrany.
V rostlinných buňkách jsou NADPH oxidázy (zde se jim říká také Respiratory Burst Oxidase Homolog, RBOH) umístěny na vnější buněčné membráně a uvolňují své reaktivní molekuly směrem ven, do prostoru buněčné stěny, nikoli do vnitřní dutiny.
Zde tyto reaktivní molekuly pomáhají „slepit“ malé stavební jednotky ligninu (monolignoly), podporují jejich zesíťování a zpevnění buněčné stěny – proces nazývaný lignifikace, který je zásadní pro dřevnatění, respektive zpevňování buněčné stěny.
Produkci ROS pomocí NADPH oxidáz v rostlinách spouští řada signálů – hormony, napadení škůdci i stres. Existuje řada popsaných mechanismů, kterými se spustí produkce ROS. Byl popsán zcela jiný mechanismus pro rostlinný hormon auxin, pro peptidový signál RALF nebo pro signály poranění atd. Trochu nepořádek – to ale v přírodě není nic neobvyklého. A tak jsem začal sledovat produkci ROS v kořenech po těchto stimulech.
Použil jsem zavedené metody měření ROS v cytoplazmě kořenových buněk. Nic mi ale nefungovalo pořádně, i věštecká koule by mi dala lepší výsledky. Inspirován měřením pH v okolí buněk kolegy Matyáše Fendrycha jsem si vymyslel metodu vlastní. Budu měřit ROS v okolí buněk, nikoli uvnitř. Bylo to převratné. A přitom „taková blbost“, řekl by klasik. Bylo to jako nasadit si brýle – najednou bylo jasno. Během pár týdnů jsem měl velké množství dat.
Vznikla však řada dalších problémů. Ani jeden z chemických inhibitorů NADPH oxidáz nefungoval dobře, což jsem nyní viděl velmi jasně. Jeden produkci ROS potlačil jen částečně. Druhý vůbec – naopak zablokoval přenašeče auxinu, čímž způsobil řadu dřívějších publikačních omylů. Abych mohl studovat funkci NADPH oxidáz, musel jsem dvě z nich, které se tvoří na povrchu kořene, zmutovat pomocí CRISPR‑Cas9. Povedlo se mi tak získat kytky, jejichž kořeny na žádný stimul nereagují zvýšenou hladinou ROS, skvělý materiál ke studiu. Překvapivě tyto rostliny neměly žádný problém s ohýbáním se dolů. Svoji hypotézu jsem si tedy sám vyvrátil.
K čemu tam tedy ty NADPH oxidázy jsou? Co se stane, když chybějí? Bez NADPH oxidáz se kořeny nemohou protlačit hlínou – podobně jako když vyřadíme senzor natažení, který se jmenuje MCA1, který se aktivuje na vnější straně kořene, která je natažená. Na této straně pak kořen vytvoří pevnější stěnu díky produkci ROS a toto zabrání dalšímu ohýbání. To umožnňuje prorůstat náročnými půdami. To je celkem logické. To ale není to hlavní, proč se tento článek dostal do publikační špičky. Proč tedy? Jde o mnohem obecnější pochopení propojení vápníku a ROS.
Uvnitř živočišných i rostlinných buněk funguje vápník jako rychlý „zapnuto/vypnuto“ signál, který buňce říká, co má dělat dál. Je to rychlý posel umožňující mimo jiné nervové signály. Když jsme vápník ze systému odstranili, NADPH oxidázy nebylo možné aktivovat. Následně jsme do rostlin zavedli geneticky upravený vápníkový kanál, který se otevírá při stimulaci modrým světlem (optogenetický). Tyto rostliny pak produkují ROS po ozáření modrým světlem, což dokazuje, že vápník je postačující signál k vyvolání ROS signalizace.
Shrnuto: vápník je nezbytný a postačující prvek k aktivaci NADPH oxidáz v rostlinách. Vztah mezi aktivací NADPH oxidáz a vápníkem je známý už delší dobu, ale my jsme ukázali, že vápník je nezbytný a postačující. Vápníkový signál = tvorba ROS. Najednou je ve všech těch signálních drahách jasno. Fytohormony jako auxin nebo kyselina abscisová, peptid RALF, pokousání housenkou, napadení houbou, natažení kořene, ale i náhlé ochlazení nebo ohřátí… to všechno způsobí produkci ROS závislou na vápníku. Nyní to víme. Můžeme tedy také extrapolovat, které z dalších drah musí nutně indukovat produkci ROS.
Došlo k vytvoření nové teorie, která jednoduše vysvětluje desítky biologických procesů naprosto triviálním způsobem, který ale zapadá všude. Pro tuto jednoduchost se to líbilo v Science a proto je to dobrá teorie, vysvětluje mnohé, ale je snadno vyvratitelná. Těším se, až přijde někdo s nějakou výjimkou a posune nás dál.
Až budete mít na zahradě zdřevnatělé stonky vašich rostlin po období sucha, až budete mít zdřevnatělé plody kolem okusu housenky, až budete vykopávat kořeny ze zhutnělé hlíny, vzpomeňte si: vápníkový signál → ROS → dřevnatění. V průběhu psaní této publikace jsem opustil laboratoř Jiřího Frimla a rok jsme jí dodělávali na Biologickém Centru České Akadémie Věd, kam jsem se mezi časem vrátil a založil si vlastní skupinu. Děkuji oběma institucím za skvělou podporu. Věřím, že s naším týmem brzy potěšíme čtenáře OSLA s další vápníkovou „bombou“.
Video: Nová metoda měření produkce ROS založená na fluorescenčním halo v okolí kořene.
Video ukazuje závislost produkce ROS na vápníku.(Kredit: IK)
Literatura
Kulich, I., Vladimirtsev, D., Randuch, M., Gao, S., Citterico, M., Konrad, K.R., Nagel, G., Wrzaczek, M., Cascaro, L., Vinet, P., Durand, P., Asnacios, A., Verma, L., Bennett, M.J., Pandey, B.K., Friml, J., 2026. Calcium-triggered apoplastic ROS bursts balance gravity and mechanical signals for soil navigation. Science 392, 296–300. https://doi.org/10.1126/science.adu8197
Nejen ibišky je vhodné řezat
Autor: Josef Pazdera (03.08.2011)
Diskuze:
