Průduchy (stomata) jsou mikroskopické póry na povrchu listů, které regulují výměnu plynů a výdej vody transpirací. Jejich hustota rozmístění a velikost mají zásadní vliv na hospodaření rostlin s vodou. V rozhovoru s Joem Crawfordem, postdoktorandem v laboratoři Andrewa Leakeyho na Univerzitě Illinois, který se věnuje výzkumu znaků a genetických regulátorů účinnosti využití vody u plodin a vývoji nástrojů pro jejich měření, se dozvíte o novém nástroji Stomata In-Sight. Ten umožňuje měření průduchů a sledování rychlosti výdeje vodní páry a otevírá nové možnosti ve šlechtění plodin odolných vůči suchu a v pochopení mechanismů řízení účinnosti využití vody.

Jaký je hlavní přínos nástroje Stomata In-Sight?

Dosavadní přístupy nutily výzkumníky volit mezi dvěma alternativami: buď přímým měřením průduchů, nebo nepřímým sledováním jejich funkčního projevu prostřednictvím výdeje vodní páry. Obě metody současně aplikovat nebylo prakticky možné. Technika epidermálních stripů – odběr pokožkových preparátů a jejich následné pozorování pod mikroskopem – je časově náročná, obtížně škálovatelná na větší počet průduchů, a navíc průduchy se po oddělení z listu rychle uzavírají. Měření koncentrace vodní páry transpirující z listu pak sice zachycuje funkční výstup, nikoli však vliv anatomických parametrů – jako je velikost průduchů nebo hustota jejich rozmístění na listové ploše – na celkovou rychlost výdeje vody. Nástroj Stomata In-Sight toto omezení překonává: umožňuje sledovat velký počet průduchů za přísně kontrolovaných podmínek a zároveň analyzovat, jak geneticky podmíněné anatomické znaky – hustota průduchů a jejich velikost – ovlivňují rychlost transpirační ztráty vody.

Co je přínosem tohoto nástroje pro šlechtitele a zemědělce?

Jedním ze strategických cílů v oblasti zemědělství limitovaného vodními zdroji je zvýšení účinnosti využití vody plodinami. Perspektivní přístup představuje modifikace hustoty průduchů, neboť průduchy jsou hlavními cestami transpirační ztráty vody a do značné míry ji řídí. Tohoto cíle lze dosáhnout prostřednictvím šlechtění nebo genetické transformace. Pokud snížení hustoty průduchů vede ke snížené spotřebě vody bez negativního dopadu na fotosyntézu nebo produktivitu, jde o slibnou strategii. Nástroj Stomata In-Sight umožňuje ověřit, za jakých podmínek a u jakých druhů bude tento přístup funkční, a identifikovat signální dráhy řídící hospodaření s vodou. Pro šlechtitele to znamená novou realizovatelnou strategii pro jejich programy. Zemědělcům hospodařícím v oblastech s omezenou dostupností vody pak může přinést stabilnější výnosy i v podmínkách sucha.

Výzkum byl prováděn na kukuřici (Zea mays). Lze metodu použít i pro jiné plodiny?

Metodika je jednoznačně přenositelná na jiné strategické plodiny, včetně obilnin a olejnin. Výzkum, publikovaný v časopise Plant Physiology doložil funkčnost metody. Kukuřice byla zvolena jako modelový organismus pro své morfologicky vhodné listy, vysokou fotosyntetickou aktivitu a snadnou dostupnost pro experimenty. Kukuřice jako C₄ rostlina má přirozeně malé průduchy, přesto bylo jejich měření úspěšné – to naznačuje aplikovatelnost metody i na jiné druhy. Již jsme ji ověřili na sóji a tabáku a plánujeme rozšíření na další plodiny.

Zjistili jste, že otevírání průduchů na listu není rovnoměrné. Co to znamená?

Toto byl překvapivý výsledek. Za podmínek, kterým byl list kukuřice vystaven na poli, bylo zhruba 30 % průduchů zcela uzavřeno. Jinými slovy: průduchy nejsou všechny pootevřeny ve stejné míře – některé jsou plně otevřeny, zatímco jiné jsou zcela uzavřeny. Funkční interpretace tohoto jevu není dosud objasněna. Jedna hypotéza předpokládá, že tato heterogenita slouží jako adaptivní mechanismus: určitý podíl průduchů je trvale připraven k okamžité odpovědi na náhlou změnu počasí. Tato otázka je předmětem dalšího výzkumu.

Jaké jsou další kroky ve výzkumu?

Dalším krokem je detailní analýza dopadu snížení hustoty průduchů na chování rostlin. Laboratoř Dr. Leakeyho disponuje transgenními rostlinami nebo přírodními variantami se sníženou hustotou průduchů. Klíčovou otázkou je, zda tato modifikace skutečně sníží spotřebu vody a zvýší efektivitu jejího využití, nebo zda rostliny kompenzují nižší počet průduchů větším otevřením každého z nich a celková spotřeba vody zůstane nezměněna. Nástroj Stomata In-Sight je pro zodpovězení těchto otázek nezbytný, neboť umožňuje přesné měření průduchů za kontrolovaných podmínek. Oba možné výsledky by přinesly cenné poznatky. Potvrzení zvýšení vodní účinnosti by mělo přímý dopad na šlechtitelské programy a prokázání kompenzačního mechanismu by naopak přiblížilo pochopení způsobu, jakým rostliny řídí hospodaření s vodou a rychlost fotosyntézy – a to by byl zásadní vědecký průlom. Neočekávám, že se tato technologie brzy stane standardem pro testování nových odrůd. Nicméně zájem vědců o interakce mezi anatomií průduchů a účinností využití vody narůstá, a vlastnosti průduchů tak lze do budoucna očekávat jako relevantní parametry pro šlechtitelské programy.*