Tolerance hrachu k nedostatku vody během klíčení: od fenotypového screeningu k molekulárním mechanismům

Denisa Konečná¹, J. Balarynová¹, J. Sekaninová³, J. Brus⁴, I. Pavlů⁵, J. P. Renzi², O. Trněný⁶, P. Smýkal¹

¹ Katedra botaniky, Přírodovědecká fakulta, Univerzita Palackého v Olomouci, ² Instituto Nacional de Tecnología Agropecuaria (INTA), Argentina, ³ Katedra biochemie, Přírodovědecká fakulta, Univerzita Palackého v Olomouci, ⁴ Katedra geoinformatiky, Přírodovědecká fakulta, Univerzita Palackého v Olomouci, ⁵ Katedra matematické analýzy a aplikací matematiky, Přírodovědecká fakulta, Univerzita Palackého v Olomouci, ⁶ Zemědělský výzkum, spol. s r. o., Troubsko

Úvod

Nedostatek vody během klíčení omezuje vzcházení a založení porostu. Genotypy hrachu setého (Pisum sativum L.) se liší schopností klíčit při snížené dostupnosti vody. Pro pochopení variability je důležité propojit fenotypové hodnocení s historickými podmínkami v místech původu a molekulární odpovědí semen.

Cíl práce

Cílem bylo charakterizovat rozdíly v klíčení hrachu při osmotickém stresu, posoudit souvislost s historickým klimatem oblastí původu a porovnat transkriptomickou odpověď kontrastních genotypů.

Materiál a metody

Klíčení 176 genotypů bylo hodnoceno ve vodě a v roztocích PEG 6000. Wardovo shlukování vycházelo z relativních hodnot plochy pod křivkou klíčení (AUC) ve vodě, 10% a 15% PEG. Historické agroklimatické podmínky charakterizovaly bioklimatické proměnné a index SPEI. RNA-seq zahrnovala 45 vzorků (pět genotypů, tři stavy semen, tři biologická opakování): suchá zralá semena a semena imbibovaná ve vodě či 15% PEG. Hodnoceny byly PCA a diferenciálně exprimované geny (DEG).

Výsledky – klíčení a klimatický původ

Screening rozdělil genotypy do tří skupin: 53 tolerantních, 45 středně tolerantních a 78 citlivých. Skupiny se lišily také hmotností semen (H = 44,8; p < 0,001). Analýza historického klimatu vymezila tři environmentální skupiny (obr. 2A–D). Genotypy z kontinentálních oblastí s častějším suchem dosahovaly obecně vyšší klíčivosti ve vodě i při PEG (obr. 2E). Rozdíly tedy mohou odrážet celkovou vitalitu semen, nikoli pouze specifickou toleranci k osmotickému stresu.

Výsledky – transkriptomika

PCA genové exprese založená na 17 719 variabilních genech ukázala převládající vliv genotypu (PC1 = 49,2 %); PC2 (13,6 %) souvisela zejména se stavem semen a ošetřením. Biologická opakování se shlukovala těsně (obr. 1A, C). Citlivý Cameor vykazoval po PEG 1 697 zvýšeně a 1 430 sníženě exprimovaných genů, zatímco tolerantní JI92 pouze 280 a 333 (obr. 1D). Napříč pěti genotypy bylo společně zvýšeně regulováno 143 a sníženě regulováno 90 genů (obr. 1B). Funkční analýzy poukázaly na procesy spojené s buněčnou stěnou, metabolismem sacharidů a odpovědí na kyselinu salicylovou. Menší rozsah změn u JI92 naznačuje možnou předběžnou připravenost ke stresu, sám o sobě však její mechanismus neprokazuje.

Závěr

Výsledky propojují rozdíly v klíčení s geografickým původem a genotypově specifickou regulací genové exprese. Identifikované genetické zdroje představují vhodný materiál pro další ověřování a šlechtění hrachu se stabilním vzcházením při omezené dostupnosti vody.

Poděkování

Výzkum podpořily projekty TANGENC (CZ.02.01.01/00/22_008/0004581, OP JAK), INTER-COST LUC25023 (MŠMT) a IGA PřF UP (IGA_PrF-2025-001).

Obr. 1. Transkriptomická analýza: A) hierarchické shlukování vzorků, B) překryvy DEG, C) analýza hlavních komponent a D) počty zvýšeně a sníženě exprimovaných genů při PEG oproti vodě.

Obr. 2. Klimatický původ a klíčivost: A) geografické rozšíření environmentálních skupin, B) jejich zastoupení ve skupinách klíčivosti, C) PCA klimatických proměnných, D) rozdělení genotypů podle PCA a E) relativní AUC klíčení ve vodě, 10% a 15% PEG.