Mladý algolog poodkryl pradávnou historii sinic

Vědecká komunita už má jasnější představy o vývoji sinic rodu Synechococcus. Jedná se o jednu z největších skupin sinic, které najdeme v obrovském množství od pólů až po rovník, v moři i na souši. Algolog Petr Dvořák z přírodovědecké fakulty porovnal jejich geny a s přispěním molekulární biologie pro tento rod vytvořil dosud chybějící komplexní fylogenetický strom, jakýsi výklad evoluce. Z něj vyplývá, že tyto sinice na Zemi přežívají již více než tři miliardy let.

Přestože většina lidí si v souvislosti se sinicemi představí nežádoucí „vodní květ“, který v létě komplikuje koupání na řadě přírodních koupališť, sinice hrají v přírodě důležitou roli. Žijí všude tam, kam dosáhne světlo, vyrovnají se s extrémně vysokými i nízkými teplotami. Mají funkci primárních producentů, probíhá v nich stejně jako v rostlinách oxygenní fotosyntéza. Jejich metabolismus produkuje kyslík, cukry a zachycuje dusík, což využívají další organismy.

Prozkoumal geny a poskládal strom života

Petr Dvořák z katedry botaniky si v posledních dvou letech posvítil zejména na skupinu sinic Synechococcus, která je nejvíce rozšířená v moři. Pod vodní hladinou tvoří jednu z nejdůležitějších částí fotosyntetizujícího pikoplanktonu. „Využili jsme různé molekulární metody, abychom zrekonstruovali evoluci tohoto rodu. K tomu se nejčastěji používá analýza pomocí fylogenetických stromů. Vezmou se sekvence genů a pomocí algoritmů se dá odhadnout hierarchický i časový průběh evoluce,“ vysvětlil Dvořák.

Vývoj u sinic byl odlišný než u rostlin či živočichů. Sinice totiž žijí v obrovských populacích a dochází u nich k velice častým výměnám genů. A to ne při reprodukci, protože se nerozmnožují pohlavně, ale geny se mění mezi buňkami navzájem. Vědci zjistili, že množství těchto změn závisí na čase. Čím jsou linie novější, tím více přenosů genů u nich nastalo.

„Výzkum potvrdil, že sinice rodu Synechococcus jsou na Zemi zhruba tři miliardy let. Mění se geneticky a vyvíjí se různé evoluční linie. Unikátní ale je to, že přežívají tak dlouho. Jejich existence je mnohonásobně delší než u rostlin a živočichů, natož u člověka. O tomto se v minulosti spekulovalo. Nyní máme další důkaz o tom, že to tak skutečně bylo,“ neskrývá nadšení Dvořák. Vědci dosud popsali tisíce druhů sinic, podle odhadů jich ale na Zemi budou desetitisíce.

Unikátní byl velký soubor dat

Spolu s kolegy využil Dvořák i sekvenci genomu nového rodu sinic, který nalezli v rašeliništích na Slovensku. Dostal název Neosynechococcus. Spolu s ním prošly analýzou geny dalších zhruba 200 sinic. „Metoda se používá běžně. V naší práci byl ale výjimečný datový soubor, který byl velmi obsáhlý. Dosud většinou vědci zkoumali v rámci skupiny třeba jen mořské, nebo sladkovodní sinice. Já jsem je dal všechny dohromady,“ objasnil Dvořák. Sinicemi se zabýval v bakalářské i diplomové práci. Při doktorském studiu se dostal k molekulární biologii. Výsledek nejnovějšího bádání v září publikoval odborný časopis Molecular Ecology. Na výzkumu spolupracovala olomoucká katedra s Univerzitou severní Floridy v Jacksonville a Zoologickou stanicí Antona Dohrna v Neapoli.

Důležitý střípek pro poznání ekosystému

Vzhledem k obrovskému rozšíření sinic na světě jsou výsledky výzkumu významné. „Na světě je jich ohromné množství, mohou to být tisíce bilionů buněk. Vzhledem k tomu velmi výrazně ovlivňují globální ekosystém a je důležité znát jejich evoluci. To může být významné i do budoucna. Výskyt a kvantita mořských sinic tohoto rodu se v souvislosti s globálním oteplováním mění,“ řekl Dvořák.

Například mořský Synechococcus a Prochlorococcus, patřící do stejné skupiny, jsou zodpovědné za 25 procent primární produkce energie v oceánech. Cukry a kyslík, které vyrobí, zužitkují následně další organismy v potravním řetězci. Některé sinice se využívají v zemědělství v případech, kdy mají rostliny nedostatek dusíku v půdě. V rýžovišti se chemická hnojiva mohou nahradit sinicí, která váže vzdušný dusík. Díky tomu pak mohou rostliny lépe prospívat.

Samy sinice si poradí i s extrémními podmínkami. Žijí i na Antarktidě či v horských pramenech, jeden druh byl dokonce vyizolován z chlupů polárního medvěda.

Obrázek 1 (vlevo): Sinice Synechococcus sp. PCC 6717 žijící v termálních pramenech v Yellowstonském národním parku v USA. Jednotlivé buňky formují jednoduchá „vlákna“ složená ze dvou buněk.

Obrázek 2 (uprostřed): Sinice Cyanobacterium sp. PCC 7202, která se vyskytuje ve stojatých vodách v Africe. Jedná se o skupinu sinic příbuznou k rodu Synechococcus.

Obrázek 3 (vpravo): Sinice Neosynechococcus sphagnicola. Tento rod byl nedávno popsán v naší laboratoři na Katedře botaniky a následně byl získán i jeho genom. Protáhlé buňky sinice jsou vyobrazeny mezi buněčnými stěnami rašeliníku. Vyskytuje se rašeliništích.