Do Ústí nad Labem přišla molekulární bioložka Hana Auer Malinská z Moravy. Na zelené katedře Přírodovědecké fakulty UJEP zkoumá, jak rostliny otužovat a tím ze současného zemědělství vytvořit udržitelnější model.
Hanko, míváte někdy hlad?
Prakticky pořád. Hodně se hýbu, cvičím, a tím pádem ráda a hodně jím.
Každý den na světě zemřou hlady tisíce lidí. Umíte si představit, že i tady, uprostřed Evropy, bude jednou hladomor? Co se s tím dá dělat?
Naši generaci sice asi hladomor aktuálně nečeká, ale je nejvyšší čas začít s takovou eventualitou počítat. Způsob současného zemědělství je dlouhodobě neudržitelný, jak kvůli zvětšující se populaci, tak z různých ekologických hledisek. Nejen já jsem se rozhodla s tím něco dělat, celosvětově vzniká množství výzkumných skupin, které si daly za cíl prozkoumat alternativní možnosti zvýšení výnosů a zkusit přispět k tomu, aby bylo světové hospodářství dlouhodobě udržitelné.
V rámci debat o tom, že do roku 2050 bude nutné vyřešit otázku, jak nasytit lidstvo, které se rozroste o další dvě miliardy, se hovoří zejména o tom, jak bude nutné zvýšit výnosy plodin. Jak tedy pěstovat plodiny tak, aby měly lepší kvalitu, byly výživnější?
Přesně to je v poslední době otázka číslo jedna: Jak zvýšit výnosnost plodin? Bohužel v současné době je to již celkem problém. Plodiny, které se dnes využívají, jsou vysoce výnosné, během procesu domestikace prošly po boku člověka dlouhou cestu. Pomocí tradičních metod jako selekce a křížení bylo dosaženo úžasných výsledků, kdy třeba v případě pšenice dosahují výnosy čtyřnásobku toho, co před šedesáti lety. Bohužel, tyto metody dnes již nejsou tak efektivní, narážíme na tzv. genetický strop, jakousi pomyslnou hranici, kdy další zlepšování již není tak snadné. U některých rostlin to už není ani možné. Druhým, neméně zásadním důsledkem zušlechťování plodin, je zásadní ztráta jejich variability a přirozené odolnosti. Tím, že člověk dlouhá staletí sledoval jeden konkrétní cíl, a to zvýšení výnosu prostřednictvím tvorby odrůd, které mají větší plody a semena, tak trochu opomíjel to, jak ty rostliny reagují na vnější prostředí. Důsledkem je, že dnes máme množství vysoce výnosných plodin, které jsou málo odolné vůči suchu, horku, nebo naopak chladu či herbivorům, což paradoxně může vést k rapidnímu úbytku na výnosech.
Takže tu máme ukázkovou realizaci pořekadla „Cesta do pekla je dlážděna dobrými úmysly…“?
Asi to nebude tak jednoduché. Faktem je, že nestandardní podmínky, ať už jsou způsobeny jakýmkoli vlivem, způsobují stres, a to jak u člověka, tak u rostlin. Když je člověku horko, schová se do stínu. Rostlina takovou možnost nemá a nenadálý stres se u plodin projevuje snížením výnosu. A to je přesně to, co nechceme. Takže máme dvě možnosti. Přímo zvyšovat výnos nebo kvalitu pomocí změny genetické konstituce rostlin (tvorba GMO), což poslední dobou zvláště v Evropě příliš populární není. Anebo se zaměřit na tu druhou stránku stejné mince, tedy jak zabránit ztrátám v důsledku suboptimálních podmínek. K tomu se ideálně hodí metoda zvaná priming. Česky bychom mohli říct: předúprava rostlin. Jde o krátkodobou řízenou aplikaci stresoru na rostlinu v rané fázi jejího vývoje, nejčastěji na semínko. Zjistilo se, že takto „předupravená“ rostlina je později mnohem odolnější vůči stresu, se kterým se již setkala v rámci primingu, a dokonce i vůči jiným typům stresu. Jedná se jakousi formu rostlinného otužování. Priming může být, stejně jako stresor, biologický, fyzikální nebo chemický.
Jak si ve výzkumu stanovujete, čím přesně rostliny stresovat?
Ty faktory, které rostlinám škodí, jsou již dobře popsány. Rostliny mají neuvěřitelnou odolnost a schopnost přizpůsobit se, ale potřebují k tomu čas. A ten náskok my rostlině dáme právě tím otužováním. Jakou formu primingu vybrat, není vždy úplně snadné. A právě to je předmětem (nejen) našeho výzkumu.
Existuje nějaká obecně platná míra pro to, jak moc, nebo málo otužování u rostlin aplikovat tak, aby se naopak nedocílilo opačného efektu, tedy poškození zdravého růstu a vývoje rostliny?
Bohužel není, různé rostliny reagují odlišně, a co je pro jednu rostlinu přesně to pravé, může jinou zabít. Proto je potřeba vše pečlivě otestovat. My pracujeme s několika modelovými organismy i plodinami a často se fyziologický účinek liší u každičkého druhu.
Lze pozorovat nějaký přenos informací mezi otužovanými rostlinami a jejich potomky? Propisuje se priming do „další generace“?
Ten mechanismus, jakým priming funguje, dosud nebyl přesně objasněn. Předpokládá se, že jde o jistou souhru epigenetických mechanismů, které ovlivňují metabolismus a fyziologii rostliny, často pozorujeme i morfologické změny, je tedy pravděpodobné, že si tyto změny ponese rostlina dále ve svém životě, a je i možné, že je přenese na potomstvo. Vše je zatím ve stadiu výzkumu.
Existuje podle vás šance, že metoda primingu v budoucnosti nahradí či alespoň například sníží spotřebu pesticidů, insekticidů a škodlivých hnojiv?
Věřím, že do značné míry ano. Nebude to hned a nepůjde to ve všech případech na sto procent. Ale minimálně odlehčí životnímu prostředí od nadměrného plošného hnojení. Priming je cílenější a ve většině případů i levnější.
U vás v laboratořích katedry biologie ale provozujete i takzvaný pozitivní priming, tedy cílenou stimulaci rostlin k tomu, aby interagovaly s prospěšnými organismy. V čem se tento priming a jeho metody liší?
Ano, testujeme také aplikaci mikroorganismů. Tento priming je jiný v tom, že nemění fyziologii rostliny, pouze jí dodává různé látky, například zajišťuje lepší výživu nebo stimuluje rostlinu k růstu.
Proč jste se ve svém výzkumu rozhodla zrovna pro priming?
Líbí se mi, že to není nic komplikovaného. Tento systém využívá přirozeného mechanismu rostlin přizpůsobit se, jen je potřeba vyzkoumat, jak bude nejlépe fungovat. A pak už ho zvládne každý zemědělec s běžným vybavením a minimální investicí. Nejjednodušší je aplikace nějaké chemické látky, případně tepelný šok, což skoro nic nestojí.
Zajímají se o váš výzkum už v této fázi nějaké komerční subjekty nebo instituce?
Zatím mají o tento systém zájem především soukromé firmy různého zaměření. Je to proto, že je možné některé rysy rostliny takzvaně ušít na míru požadavkům na její využití, což může ušetřit spoustu peněz a starostí při pěstování nebo zpracování plodiny. Konkrétně jsme pro úplně první experiment vybrali s kolegy z naší fakulty životního prostředí rostlinu ozdobnici obrovskou (Miscanthus x giganteus), kterou již několik let zkoumáme z hlediska biomasy. Ozdobnice sice není úplně tradiční plodina, ale její výzkum může přispět k dalšímu palčivému problému, kterým je energetická krize. O výstupy z našeho výzkumu má zájem například Vršanská uhelná, a. s., nebo společnost Wekus, s. r. o., s níž vyvíjíme lépe zpracovatelnou biomasu.
Další metodou, se kterou pracujete, je využití studeného plazmatu. To zní ale spíš jako něco z oblasti fyziky.
Ano, máte pravdu, a na naší univerzitě s tímto nápadem přišli právě kolegové z Katedry fyziky Přírodovědecké fakulty UJEP, přestože ve světě se tato metoda i v biologii zkoumá již několik let.
Co je to vlastně plazma?
Plazma je čtvrté skupenství hmoty, po kapalině, pevné látce a plynu. Pro běžného člověka je něčím špatně představitelným. Na Zemi vzniká v malém množství, například při bouřce (blesku) nebo polární záři, přitom tvoří většinu vesmíru (hvězd), včetně našeho Slunce. Toto ale není typ plazmatu, jež bychom používali. My aplikujeme studené (nízkoteplotní) plazma, které má hned několik výhod. Narušuje povrch semen, zvyšuje jeho smáčivost a navíc jeho povrch sterilizuje. To vše má za následek vyšší klíčivost rostlin.
Které rostliny ze svého skleníku jste se pro experimenty se studeným plazmatem rozhodla využívat?
Prozatím jsme tímto způsobem testovali dvě tradiční české plodiny, mák a proso. Bylo to také z praktických důvodů, kvůli manipulaci v reaktoru, ale o tom by mohli lépe povyprávět právě naši kolegové z katedry fyziky. U nás, na katedře biologie, probíhá kultivace a charakterizace fyziologického stavu plazmovaných rostlin. Zatím se zdá, že dvouděložný mák reaguje na toto opracování trochu odlišně než jednoděložné proso. Nicméně naše výsledky vypadají velmi slibně a už se nemůžeme dočkat, až je také uvedeme do praxe.
Dalším z pro laika krkolomných pojmů, které se objevují v článcích z vaší katedry, je pojem extracelulární váčky. K čemu slouží u rostlin?
Bohužel, dlouho se nevědělo, že rostliny tyto váčky vůbec produkují, natož k čemu slouží. Nejprve bylo zjištěno, že se účastní obranné reakce proti patogenům. V současné době víme, že se v buňce účastní i běžných činností, jako jsou komunikace a růst. Ale myslím, že do budoucna nás čeká ještě mnoho překvapení.
Proč jste se je rozhodli zkoumat?
Na katedře biologie se podobné struktury zkoumají již několik let, ovšem u živočišných buněk. Logickým krokem bylo provést paralelní výzkum i u rostlin. Výzkum rostlinných exozomů (specifický typ váčků) je výhodnější v tom, že člověk není limitován množstvím vstupního materiálu (na izolaci většího množství exozomů je ho potřeba ohromné množství), a druhou významnou výhodou je fakt, že lidské tělo rostlinné váčky dobře zná. Jsou součástí naší přirozené potravy, jsou obsaženy v ovoci, zelenině i ve z nich připravených džusech. Dokážou procházet střevní stěnou a pomáhat tělu bojovat se záněty.
Věnujete se i takzvaným superpotravinám. Zázvor, kurkuma, brokolice a další – je reálná představa, že člověk budoucnosti si obstarává přísun jakýchsi vyextrahovaných „potravinových doplňků“ v podobě právě extracelulárních váčků těchto plodin? Nebo se to vlastně už děje?
Do určité míry to už probíhá, spousta lidí konzumuje různé kapsle s extrakty z různých rostlin. Rostliny jako zázvor, kurkuma a ženšen obsahují množství přínosných látek, ale účinnost přenosu extraktů do místa určení je diskutabilní, neboť v závislosti na charakteru látky může být do značné míry znehodnocena zpracováním, skladováním či trávením lidského těla. Exozomy uzavírají účinné látky uvnitř váčku, a proto by se daly využít jako koncentrované imunostimulátory, což bylo již prokázáno u myší. Já však vidím potenciál tohoto výzkumu v cílené terapii chorob. Při aplikaci terapeutik často narážíme na problém, že nosič tohoto léku je často tělem rozpoznán jako něco nepřirozeného a může být zničen dříve, než lék dopraví na místo určení. Výhodou rostlinných exozomů je to, že je tělo již zná a ví, že nepředstavují žádné nebezpečí. Proto zvažujeme možnost využití rostlinných exozomů jako nosičů pro různá, například protinádorová, terapeutika.
A neskrývá výzkum extracelulárních váčků rostlin kromě různých odpovědí na medicínské otázky dnešní doby vlastně tak trochu i odpověď na otázku v úvodu tohohle rozhovoru ohledně řešení rébusu „Jak tahle planeta nasytí za pár let o 2 miliardy víc lidí“?
No pochopitelně se zde nabízí představa nějakých „amarounů“ nebo koktejlu se všemi nezbytnými aminokyselinami, vitaminy a tak dále. Kdo někdy něco takového podstoupil, ať už kvůli zdravotním problémům, nebo třeba kvůli sportu, ví, že to není vysloveně gurmánský zážitek. Takže v blízké budoucnosti to zřejmě nehrozí. Je ale pravdou, že by to vyřešilo problém, jak nasytit tolik lidí na planetě. Ale upřímně řečeno, jakkoli je do budoucna samozřejmě potřeba zvýšit produkci, něco se bude muset změnit i ve společnosti. Když si uvědomím, že na světě je zhruba 800 milionů podvyživených lidí a zhruba stejný počet obézních (ne lidí s nadváhou, ale skutečně obézních), je mi jasné, že problém je ještě jinde. Zlepšit celosvětovou distribuci potravin a eliminovat plýtvání potravinami by hodně pomohlo.
Je podle vás dobré ponechat ve výzkumu místo pro náhodu, nebo je lepší, když se předem přesně stanoví jeho cíle?
Přesné a cílené naplánování výzkumu je naprosto nezbytné. Samozřejmě se stává, že se v průběhu zkoumání zjistí, že něco nefunguje, jak mělo. Nebo že původní předpoklady jsou mylné a musí se stanovit nový cíl. To je v pořádku. Obzvláště v biologii, a konkrétně v rostlinném výzkumu, se náš materiál často chová velmi nevyzpytatelně a je potřeba na to reagovat. Ojediněle se také stává, že v rámci výzkumu člověk „náhodou“ objeví něco zcela nového. Nejhorší ale podle mne je, když se člověk pustí do výzkumu nějakého jevu nebo organismu ve stylu „uvidíme, co z toho bude“. Ano, na konci může být fantastický objev, ale spíše je pravděpodobné, že se ztratí roky práce a nic z toho.
Vnímáte tedy náhodu spíš jako jakýsi vedlejší produkt, ze kterého občas vzejde něco, co lidstvu jen tak mimochodem zachrání krk?
Nevím, jestli se v této souvislosti dá mluvit úplně o náhodě, protože všechno, co se dá vyzkoumat, už tady je. Jen tomu musíme porozumět. Je důležité, i když máte daný cíl svého výzkumu, nejít slepě jen za ním a nechat si otevřenou mysl pro alternativy. To, že experiment nevyšel nebo dopadl jinak, než jsme čekali, může stát na začátku skvělého objevu. Například výzkum ozdobnice, na němž jsme začali spolupracovat s FŽP UJEP, začal jako výzkum fytoremediačních schopností této rostliny. Uběhlo několik let a v současné době společně prověřujeme množství dalších vzrušujících možností uplatnění této zázračné rostliny, což je pojmenování, které se u ozdobnice už celkem vžilo. Ale to by vydalo na další rozhovor.
Mimochodem, jak se vám s Fakultou životního prostředí UJEP spolupracuje? Ta spolupráce je, pokud vím, poměrně těsná, a teď navíc nově i pod jednou střechou nové budovy Centra přírodovědných a technických oborů v Kampusu UJEP.
Ta spolupráce je velmi úzká, vlastně na každodenní bázi. Nedávno jsme s Ing. Dianou Nebeskou z FŽP žertovaly, že jsme spolu v kontaktu častěji než s vlastní rodinou. Fungujeme v podstatě spíše jako jedna výzkumná skupina, jejíž členové mají různé specializace, a zajišťují tedy specifickou část výzkumu. Je to výhodné pro obě fakulty. Díky této spolupráci dosáhneme na mnohem větší projekty a jsme schopni vyprodukovat komplexnější a kvalitnější výsledky. Ono to tak na první pohled možná nevypadá, ale katedra biologie PřF a FŽP UJEP jako celek k sobě mají tematicky velmi blízko. A teď konečně i geograficky. A já alespoň nemusím běhat tak daleko.
Tenhle rozhovor připravujeme nedlouho před začátkem nového roku. Co vás v něm čeká?
Od nového roku ze mne bude vedoucí Katedry biologie PřF UJEP. Za těch šest let, co jsem její zaměstnankyní, se katedra velmi posunula a rozkvetla. Úroveň vybavení i možností pro studenty je s tím, jak to tu vypadalo před pár lety, nesrovnatelná. Chtěla bych v tomto pozitivním trendu pokračovat. Je potřeba ukázat uchazečům o studium u nás, ale i stávajícím studentům, jak úžasné studium biologie je a jak nepřeberné možnosti budoucího uplatnění mohou v dnešní době mít. Moc bych si také přála zvýšit povědomí o naší katedře v kraji spoluprací se školami a lokálními firmami.