Sex ukrytý v květu: tajná řeč samčích a samičích partnerů rostlin

Také rostliny prožívají intimní život. Na rozdíl od lidí nebo zvířat v něm ale moc něžností není. Co se během opylení děje v květu? Jak uvnitř oboupohlavních rostlin funguje dorozumívání? Pylová zrna a komunikaci mezi samčími a samičími pohlavními partnery studují vědci z Ústavu experimentální botaniky AV ČR pod vedením Davida Honyse.

Drobné pylové zrno zvedl ze země vítr a unáší ho krajem. Je pouze otázkou náhody, kam dopadne. Předem se připravilo na dráhu vrcholového sportovce. V zásobě má proteiny, které bude potřebovat k růstu, k boji s konkurenty a komunikaci se samičí buňkou u cílové pásky. Jeho hlavním a jediným úkolem je dopravit k ní samčí genetickou informaci a cestou se nikde nezdržovat. Poletující pylové zrno má štěstí. Nespadlo do kaluže nebo na chodník, kde by spolu s ostatními nešťastníky tvořilo žlutý povlak a jeho kariéra by skončila. Vítr je příznivý a zavál ho na bliznu v květu, kde se další stovky zrnek připravují na tvrdý boj.

Rostlina je hodně vybíravá, chce jen toho pravého. Se zrnky pylu na blizně proto komunikuje pomocí biochemických signálů. Rozumí si ale jen s těmi, která patří ke stejnému druhu, případně blízce příbuznému. Střapeček buněk na blizně vypouští tekutinu, v níž mohou vybraná zrna vyklíčit v pylovou láčku. I naše pylové zrno dostává signál ke startu, vstupenku na olympiádu, během které musí dorůst přes kaskádu překážek vodicími pletivy až k cílové pásce. A není to zrovna boj mírový ani fair play.

Pylové láčky spolu nelítostně soupeří a používají silné zbraně. Proteiny a další látky, které mají v zásobě, znepříjemňují život konkurentům ve vodicích pletivech a zároveň vysílají k vajíčkům důležitou informaci: Já jsem ta pravá, nejsilnější a nejrychlejší! Pylové láčce se v boji daří, od hlavního rozhodčího závodu, vajíčka obsahujícího i samičí pohlavní buňky, ale dostává nemilý chemický signál, patří mezi ty méně šťastné, cesta do cíle je obsazená. Zpomaluje tedy svůj růst a cestu ztrácí. Kandidáta na vítězství naopak samičí buňka láká pomocí proteinů směrem k vajíčku.

Těsně před cílem ale dochází k dramatickému zvratu. Vítězná láčka totiž na poslední chvíli zabloudila nebo nepukla, byla odmítnuta anebo se pohlavní buňky prostě jen nenašly a nesplynuly. Ne vždy komunikace funguje bezchybně a nebezpečí záměny s cizincem či patogenem je příliš velké. Oplození se sice nepovedlo, jak se rostlinám stává v deseti procentech případů, šance byla ale ještě jedna.

K druhému pokusu si samička vybírá naši pylovou láčku, která už zeslábla a pomalu se loučí se životem. Přišla však nečekaná vzpruha, novými signály jí vajíčko znovu vábí směrem k sobě a oplodnění se daří – ruka je obrazně řečeno v rukávě, samčí genetickou informaci pustila samička až k vajíčku.

„Celý komunikační systém v poslední fázi před oplozením je modifikací toho, jak se rostlina brání napadení patogenem, její imunitní odpovědi,“ popisuje David Honys z Ústavu experimentální botaniky AV ČR, který zkoumá pyl krytosemenných rostlin. Mezinárodnímu týmu, jehož byl David Honys součástí, se podařilo popsat, jak probíhala kolonizace souše rostlinami na genetické úrovni nebo jak uvnitř oboupohlavních rostlin funguje dorozumívání mezi samčími a samičími pohlavními partnery. „Snažíme se ukázat, že komunikace pylové láčky se samičkou není jednostranná. Mělo se za to, že aktivně komunikují jen samičí buňky. Popsali jsme ale řadu proteinů, které dokazují, že signály vysílá i samčí partner, tedy pyl. S jejich pomocí se vyrovnává cestou k vajíčku a dále k vlastním pohlavním buňkám s nástrahami a trefí, kam má,“ říká David Honys.

Modelky z říše rostlin

Květ je jedním z nejpůsobivějších výzkumných modelů. Vědcům se fascinující svět v jeho útrobách na úrovni DNA otevřel relativně nedávno. Umožnily to moderní techniky molekulární biologie a pokročilé zobrazovací techniky. V roce 2000 biologové poprvé osekvenovali genom rostliny – konktrétně huseníčku rolního. Zjistili, že má asi 30 tisíc genů, tedy podobně jako člověk.

Následně se mezinárodnímu týmu na Univerzitě v Leicesteru ve Velké Británii podařilo vůbec poprvé odhalit vývoj určité buňky u rostliny v přirozených podmínkách. Byl u toho také David Honys: „Popsali jsme u pylu, které geny jsou v něm aktivní, že se některé během vývoje exprimují více, jiné naopak zeslabují. Jak pyl prochází různými vývojovými stadii a jak některá stadia izolovat,“ vysvětluje. Vědci po celém světě z dat výzkumu čerpají už dvacet let.

Po návratu do Prahy se David Honys stal vedoucím laboratoře biologie pylu v Ústavu experimentální botaniky AV ČR, kde pokračuje ve výzkumu vývojové biologie krytosemenných rostlin ve vztahu k jejich rozmnožování. Jeho tým pracuje se třemi modely rostlin. V japanech, sklenících bez vytápění, jim roste tabák viržinský (Nicotiana tabacum), v kultivačních komorách huseníček rolní (Arabidopsis thaliana) a čepenka odstálá (Physcomitrium patens).

Obr. Výzkum pylu krytosemenných rostlin v Ústavu experimentální botaniky AV ČR

Zrození květu

Pohlavní rozmnožování je u rostlin na rozdíl od lidí a zvířat mnohem složitější. Jsou totiž přisedlé, stráví na jednom místě celý život. Navíc nemají možnost vyhledávat sexuální partnery aktivně a jsou často závislé na prostředníkovi, opylovači – na hmyzu nebo na větru. V případě nevydařeného „rande“ nemohou jen tak utéct.

Když rostliny přešly před asi půl miliardou let z vody na souš, musely se adaptovat v novém prostředí tak, aby nevyschly a mohly se rozmnožovat i bez vody. V oceánech si hledaly partnery pomocí buněk s bičíky. Ty si volně plavaly a když narazily na toho vhodného, splynuly s ním. To ale na souši nešlo. Potřebovaly své rozmnožovací strategie rozšířit.

Z prvních rostlin s jednoduchou stavbou těla se postupně vyvinuly kapradiny a další výtrusné rostliny, později nahosemenné, a nakonec i krytosemenné. Jako třeba tulipán, slunečnice či lípa, které své samčí a samičí pohlavní orgány a vlastně celou pohlavní generaci ukryly do květů. „Zrození květů byl geniální krok. Rostliny do nich schovaly jak vajíčka nesoucí samičí pohlavní buňky, tak samčí gametofyt, pyl. Jeho úkolem je mimo jiné dopravit svoji neporušenou genetickou informaci na bliznu,“ vysvětluje David Honys.

K přepravě pylu na bliznu se rostliny naučily využívat služeb třetího partnera, pomocníka, opylovače. Už prvním suchozemským rostlinám pomáhal s roznáškou vítr. Potřebovaly ale další způsob, a tak svými barvami a vůněmi začaly květy lákat hmyzí opylovače a odměňovat je pylem nebo nektarem.

Dodnes nevyřešenou otázkou je, co bylo dřív – květ, nebo hmyz? Vedle koevoluce, tedy společného vývoje, obecně převažuje názor, že první byly květy. Výzkumy ale naznačují, že by tomu mohlo být i naopak a opylovači byli na světě dříve. Tuto hypotézu podporuje například složení nektaru, který produkuje jinan dvoulaločný (Ginkgo biloba). Jde ale o větrosprašnou rostlinu, jejím prostředníkem v rozmnožování je tedy vítr. Předkové jinanu proto mohli být opylováni hmyzem.

Pohlavní rozmnožování je dnes nejrozšířenějším způsobem u vyšších rostlin. Mají různé systémy, které v řadě případů kombinují. Některé upřednostňují opylení cizím pylem, pokud ale nejsou vhodné podmínky, například je nedostatek opylovačů, neváhají se opylit svým vlastním. Hermafroditních je 96 % krytosemenných rostlin.

Hrozby změny klimatu

Rozmnožování rostlin je obecně citlivé na změny klimatu. Kvůli globálnímu oteplování, ale také rozšíření intenzivního zemědělství a používání pesticidů se vedle sucha potýkají také s úbytkem opylovačů – hmyzu. Tento problém může mít pro ekosystém nedozírné následky. U nás není ještě tak patrný, ale například v teplejším Izraeli už dospěli do fáze, kdy rostliny opylují uměle pomocí technologií, stromy například malými drony. Hledat další možná řešení při nedostatku opylovačů pomáhají také výsledky vědců z laboratoře biologie pylu v Ústavu experimentální botaniky AV ČR, kteří s izraelskými kolegy spolupracují.

Pylové zrno, které se unášeno větrem přilepilo na bliznu a vyhrálo tvrdý souboj, dopravilo k samičím pohlavním buňkám genetickou informaci a umožnilo rostlině se rozmnožit. Muselo ale ještě před závodem svého života obětovat některé obranné mechanismy. Aby bylo nejrychlejší a nejsilnější, nesmělo se zdržovat a plýtvat energií na jejich vytvoření. Je proto náchylné k přehřátí. Velkým stresorem je pro něj i sucho. Na klimatické změny kvůli nedostatku obranných mechanismů je vůbec nejcitlivější z celého rozmnožovacího systému.

Pyl a pylové láčky během své cesty vylučují několik set proteinů. Vědcům se zatím podařilo rozluštit význam jen některých. „Postupně se snažíme rozklíčovat další a pochopit, co znamenají a umí. Jsme sice ještě daleko od pochopení celého systému fungování rozmnožování rostlin, pokud mu ale budeme více rozumět, můžeme lépe řešit důsledky změn, kterými rostliny procházejí,“ dodává David Honys.

Článek byl publikován v aktuálním vydání časopisu A / Věda a výzkum. Všechna dosavadní čísla jsou k dispozici zdarma a online na webu AV ČR. (10.4.2022)