Genetické zdroje rostlin a informace

25. 03. 2021 RNDr. Leona Svobodová, Ph.D., Ing. Ludmila Papoušková, Ph.D.; Výzkumný ústav rostlinné výroby, v. v .i., Praha-Ruzyně Osivo a sadba Zobrazeno 2490x

Žijeme v informační době, o čem nejsou informace, jakoby ani neexistovalo. Stejně to platí i pro genetické zdroje zemědělských plodin uchovávané v genových bankách. Sama existence genetického zdroje v podobě semen či celé rostliny je důležitá, ale bez existence informací o tom, co je uchováváno, by šlo jenom o položku bez dalšího zájmu a využití.

Informace se skládají jednak ze základních pasportních dat, kdy každá položka musí mít svůj tzv. pas se jménem, taxonomickým zařazením, zemí původu atd. Další součástí informace o genetickém zdroji jsou data získaná popisem genetického zdroje, to znamená morfologická či agronomická data i data o kvalitě a rezistencích. Každá genová banka uchovává všechny tyto informace o genetických zdrojích v databázovém systému.

V osmdesátých letech minulého století došlo k velkému rozvoji molekulární biologie a genetiky. To s sebou neslo vývoj nových metod a možností, jak odpovědět na mnohé otázky i v návazných oborech, jako je třeba zemědělství. Nové metody se týkaly zejména detekce polymorfismu, tedy rozdílů v sekvenci informační molekuly DNA mezi vzorky či individui. Umožnily tak analýzu genetické diverzity, konstrukci map genomu vybraných druhů zemědělských plodin a pochopení rozdílů mezi odrůdami. Genetické mapy vedly k sestavení DNA knihoven a ty se staly základem pro nalezení individuálních genů hospodářsky významných znaků u mnoha plodin. Následné sekvence a bioinformační analýzy nalezených genů a dalších oblastí genomu se staly základem pro vývoj molekulárních markerů, které se v oblasti zemědělství využívají zejména pro charakterizaci odrůd, identifikaci důležitých znaků a ve šlechtění nových odrůd (MAS - Marker Assisted Selection). Všechna získaná data jsou většinou publikována či využívána šlechtiteli, ale chyběla jejich trvalá provázanost s daným genotypem a uložení do příslušných databází.

Databázový systém GRIN Czech

Koordinační pracoviště Národního programu konzervace a využívání genetických zdrojů rostlin a agrobiodiverzity Výzkumný ústav rostlinné výroby, v. v. i. přijalo a adaptovalo open source databázový systém GRIN-Global, který provozuje pod názvem GRIN Czech na adrese grinczech.vurv.cz (obr. 1). V tomto systému jsou uchovávána pasportní data, agronomická data i data o kvalitě genetických zdrojů, která byla získána v rámci řešení Národního programu či v rámci řešení výzkumných projektů. Za kvalitu dat jednotlivých genetických zdrojů je odpovědný kurátor daných plodin, fungování databáze jako celku má na starosti Ludmila Papoušková z VÚRV. Databázový systém GRIN-Global byl vytvořen tak, aby vyhověl všem požadavkům genových bank na práci s genetickými zdroji. Jedním ze současných požadavků genových bank je možnost vkládání genetických dat a jejich následná interpretace pro uživatele.

Cílem práce bylo shromáždit dostupná data a upravit databázi GRIN Czech tak, aby bylo možno tato data do databáze nejen vkládat, ale i dál s nimi pracovat. Tento úkol byl řešen v rámci Národního programu financovaným Ministerstvem zemědělství.

Vložená genetická data byla rozdělena na dvě skupiny:

1) Molekulární data - to jsou data o alelách jednotlivých genů důležitých znaků identifikovaná na úrovni DNA nebo na úrovni proteinu. Jsou to například alely genů pro zásobní bílkoviny zejména u pšenice ovlivňující pekařskou kvalitu, DNA markery sladovnické kvality u ječmene, DNA markery rezistence vůči některým chorobám, apod. Pro tato data byly vytvořeny tzv. deskriptory pro jednotlivé plodiny a byly nastaveny možnosti jejich vyhledávání.

2) Data o diverzitě - sem patří data, která nelze přiřadit nějakému konkrétnímu znaku, mají smysl jako soubor a používají se pro identifikaci odrůd a různé studie o biodiverzitě.

Dendrogram

Dostupná data byla vložena do stávajících tabulek databáze. Problém byl, co s takovými daty, jak je využívat. Většinu uživatelů nezajímá, jakou alelu má odrůda Hana u mikrosatelitu Xgwm 566… Proto jsme vytvořili možnost grafického výstupu ve formě dendrogramu. Uživatel si vybere několik odrůd, u nichž jsou data o diverzitě dostupná, a zadá si vytvoření dendrogramu, viz obr. 2.

Program vyhledá příslušná data, vypočte genetické vzdálenosti mezi každými dvěma položkami a sestrojí dendrogram. Obrázek 3 je příkladem pro 7 odrůd pšenice. Každému genetickému zdroji je přidělen kód ECN, který je v databázi pro každou položku unikátní. Z obrázku je patrné, že se jedná o 2 skupiny odrůd, první zahrnuje 3 odrůdy a druhá 4 odrůdy pšenice. Odrůdy s ECN 01C0100318 a 01C0100270 jsou si geneticky nejpodobnější. Dendrogram je možno takto vytvořit až pro 50 položek, pro větší počet položek je už příliš nepřehledný. Tento výstup je určen zejména pro šlechtitele a další uživatele, pro které je informace o genetické příbuznosti jimi vybraných odrůd důležitá. Podrobný postup hledání je také zpracován ve formě videa na YouTube.

Obr. 1: Úvodní webová stránka databáze GRIN Czech

Obr. 2: Výběr „akce“ vytvoření dendrogramu v databázi GRIN Czech

Obr. 3: Dendrogram sestavený programem fungujícím v databázi GRIN Czech; příklad pro 7 odrůd pšenice (Triticum aestivum)

Další informace

V současné době spolupracujeme s kurátory jednotlivých kolekcí plodin na vkládání dalších dostupných dat, a protože vývoj jde neustále dopředu, hledáme možnosti vkládání dat ze sekvenování nové generace, která ještě lépe popíší danou položku genetického zdroje z hlediska důležitých hospodářských znaků. Nový projekt EU H2020 AGENT, kterého je Výzkumný ústav rostlinné výroby, v. v. i. řešitelem, nám umožní tato data získat a dále s nimi pracovat. Uživatelé databáze GRIN Czech se tedy mohou těšit na další možnosti a data zhodnocující uchovávané genetické zdroje zemědělských plodin České republiky.

Autoři děkují za finanční podporu MZE č. 51834/2017-MZE-17253/6.4.2 s názvem „Národní program konzervace a využívání genetických zdrojů rostlin, zvířat a mikroorganizmů významných pro výživu a zemědělství“ a institucionální podpora RO0418.