Rostliny si umí spočítat, kolik květů si mohou dovolit

Rostliny nejsou jen pasivní zelené bytosti, které čekají na slunce a déšť. Pod povrchem jejich listů a květů probíhají složitá rozhodnutí a přesné výpočty. Kolik květů si mohou dovolit vytvořit? Kolik semen ještě zvládnou vyprodukovat, než zcela vyčerpají zásoby živin? Rostlinná vědkyně Darya Volkava z CEITEC Masarykovy univerzity zkoumá, jak si rostliny vedou své „vnitřní účetnictví“, jak mezi sebou komunikují kořeny a výhonky a proč může jedna genetická odchylka v řepkovém poli pomoci porozumět rovnováze mezi růstem a rozmnožováním. Její výzkum otevírá cestu k tomu, jak přirozené strategie rostlin využít pro udržitelnější zemědělství.

Daryo, tvrdíte, že rostliny jsou dobré v matematice. Jaký druh výpočtů dělají a k jakému výsledku vlastně docházejí?

Rostliny neustále vyhodnocují své okolí a na základě toho činí rozhodnutí – je to taková vnitřní matematika. Vypočítávají, kolik energie mohou investovat do tvorby květů a semen podle množství dostupných živin, zejména dusičnanů v půdě. Jakmile dosáhnou určité hranice, tedy maximálního počtu semen, která jsou schopny reálně vyprodukovat, přestanou růst. Je to krásně přesný systém hospodaření se zdroji.

Zkoumáte laboratorní rostlinu Arabidopsis thaliana, příbuznou řepky olejky. Jak se tato „rostlinná matematika“ projevuje například v řepkových lánech?

Řepková pole jsou dokonalým zobrazením tohoto vnitřního výpočtu. Na jaře si na řepkových lánech všimněte, že všechny rostliny jsou překvapivě stejně vysoké a mají podobný výnos semen. Každá rostlina totiž upravuje svůj vývoj na základě stejných signálů z prostředí, především dostupnosti živin, a dochází ke stejnému vnitřnímu rozhodnutí, kdy přestat růst a kolik semen vytvořit.

Co pro vás jako vědkyni znamená, když si v takto jednotném řepkovém poli všimnete nějaké anomálie, třeba nezvykle vysoké rostliny?

To znamená, že se dívám na mutanta – rostlinu s genetickou odchylkou, která způsobuje, že roste jinak než její sousedky. A to ve mně okamžitě vzbudí zvědavost: může tahle mutace znamenat, že rostlina počítá a hospodaří s dostupnými zdroji jiným způsobem? Může mít dokonce potenciál k vyšším výnosům?

Bohužel, většinou taková rostlina nakonec žádná semena nevyprodukuje. Existuje velmi úzké propojení mezi růstem a rozmnožováním: vyvíjející se semena odčerpávají zdroje z mateřské rostliny, až ji nakonec donutí růst zastavit. Dá se to ověřit i jednoduchým pokusem – ať už na zahradě s hrachem, nebo doma s kalanchoe. Když budete opakovaně odstraňovat květy, jakmile se objeví, rostlina poroste déle a do větší výšky než ta, které květy ponecháte a dovolíte jí tvořit plody.

Jak rostliny vnitřně koordinují tak složité procesy, jako je růst, kvetení a tvorba semen?

Na špičce každého výhonu se nachází meristém – malá skupina kmenových buněk, která zajišťuje vertikální růst rostliny a tvorbu květů. Představte si ho jako takovou továrnu na produkci květů. V našem výzkumu na CEITEC tuto strukturu studujeme pomocí speciální zobrazovací techniky. Aktivita meristému je silně ovlivňována růstovým hormonem cytokininem, který se tvoří v kořenech a putuje do nadzemních částí rostliny. Dokud meristém přijímá dostatek cytokininu, zůstává aktivní a rostlina pokračuje v produkci květů.

Jakmile se ale začnou vyvíjet semena, potřebují velké množství cytokininu, aby správně dozrála. Začnou si ho tedy přesměrovávat samy k sobě. A čím více semen se vyvíjí, tím méně cytokininu zbývá pro meristém – až jednou přijde moment, kdy ho není dost, aby udržel „továrnu na květy“ v chodu. A produkce květů se zastaví. Je to důmyslná strategie, jak vyvážit rozmnožování s dostupnými zdroji.

CEITEC / Říha Lab: Schematické znázornění toho, jak dostupnost dusičnanů v půdě reguluje reprodukční vývoj výhonků prostřednictvím cytokininu.

Zní to trochu jako vnitřní boj o zdroje – semena si berou cytokinin pro sebe. Je to tedy souboj částí rostliny, nebo promyšlený, řízený proces?

Jde jak o promyšlený souboj, tak o řízený proces (směje se). Řepka musí velmi přesně rozhodovat: jak moc růst, kdy začít kvést, a především kolik semen vytvořit. Tato rozhodnutí dělá na základě podmínek, ve kterých roste – především podle množství živin v půdě. Právě proto se hnojiva v zemědělství používají už po staletí. Fascinující na tom je, že v tomto vnitřním vyjednávání jsou zdroje nakonec nasměrovány k semenům – tedy k příští generaci – často na úkor samotné mateřské rostliny. Jde o strategickou oběť, při které rostlina upřednostní úspěšné rozmnožení před vlastním dalším růstem.

Vaše experimenty ukázaly, že rostliny produkují víc květů a semen, když mají víc dusičnanů. Už víte, jak je „obelstít“, aby si myslely, že mají živin víc, než ve skutečnosti mají?

Ano, právě to je jeden z nejzajímavějších směrů, které náš výzkum otevírá. Dusičnany zvyšují tvorbu cytokininu, a ten pak podporuje tvorbu květů a semen. Pokud tuto signální dráhu pochopíme do detailu, můžeme napodobit signály živin – a rostlina se pak bude chovat, jako by rostla v bohaté půdě, i když to nebude pravda. To by mohlo vést k vyšším výnosům i bez chemických vstupů, a tedy k udržitelnějšímu zemědělství.

Na začátku rozhovoru jsme zmiňovali, že každá rostlina dělá složité výpočty. Jak náročné je pro vědce tyto výpočty rozluštit a co k tomu používáte?

Je to dost náročné. Abychom tyto vnitřní procesy lépe pochopili, vyvinuli jsme pokročilou techniku 3D zobrazování rostlin, která nám umožňuje sledovat meristém a hormonální dynamiku v živých rostlinách v reálném čase. Díky tomu získáváme klíčové poznatky o tom, jak jsou růst a rozmnožování na buněčné úrovni koordinovány.

CEITEC / Říha Lab: 3D rekonstrukce meristému květenství Arabidopsis s kmenovými buňkami zvýrazněnými magentovou barvou. Mikroskopický snímek pořízený pomocí systému Lightsheet Z1 (Zeiss)

Je to teď hlavní téma vašeho výzkumu?

Spíš bych řekla, že to je fascinující „vedlejší mise“, která vyplynula z mého hlavního tématu. Naše skupina se totiž dlouhodobě věnovala meióze – speciálnímu typu buněčného dělení, které probíhá pouze v květech a umožňuje rozmnožování. Rostliny, které meiózu nezvládnou, bývají sterilní – máme jich v laboratoři spoustu, a když jsme se na ně s mým školitelem dívali, začaly nás zajímat právě ony kompromisy mezi růstem a rozmnožováním. Pořád se věnuji i projektu zaměřenému na regulaci meiózy, ale musím říct, že tohle téma mi přirostlo k srdci víc.

Co vás na tomhle tématu nejvíc fascinuje – jako vědkyni i jako člověka?

Jako vědkyni mě přitahuje složitost celého fenoménu. Je to vícestupňový proces, který propojuje signály z prostředí – jako třeba dostupnost živin – s vnitřním rozhodováním rostliny. A jako člověka mě fascinuje, jak přesně jsou rostliny schopny reagovat, i když nemají žádný nervový systém. Zatímco zvířata mohou odejít, když se podmínky zhorší, rostliny musí vydržet na místě a co nejlépe se přizpůsobit tomu, co jim příroda zrovna nabízí.

Jako žena ve vědě – setkala jste se někdy s překážkami nebo předsudky? A proč jste se rozhodla dělat tento výzkum právě na CEITEC?

Během svého působení na CEITEC jsem se s předsudky nebo zásadními překážkami nesetkala. Ať už kolegové v laboratoři, nebo lidé z administrativy, všichni mě podporovali a stáli za mými cíli. Zvláštní poděkování patří mému školiteli Karlu Říhovi, který mi pomohl objevit můj potenciál a dal mi vše, co jsem potřebovala k tomu, abych se mohla ve vědě rozvíjet.

V dubnu jste byla vybrána, abyste svůj výzkum prezentovala na festivalu AFO v Olomouci před porotou složenou z novinářů. Která zpětná vazba pro vás měla největší „aha moment“?

Asi důležitost příběhu. Jako vědci jsme fascinovaní podloženými fakty a složitými detaily procesů, které zkoumáme – a přiznejme si, že tyhle detaily mohou být pro běžné publikum docela nudné. Ale už od dávných věků si lidé předávají vědění prostřednictvím příběhů. A dnes, kdy je věda stále komplikovanější, si myslím, že schopnost komunikovat výzkum jako srozumitelný a poutavý příběh je důležitější než kdy dřív.