Domestikace planě rostoucího hrachu sice zvýšila jeho užitnou hodnotu pro člověka, na druhou stranu ale měla nepříznivý dopad na odolnost semen proti nepříznivým vnějším vlivům. Při domestikaci totiž byla výrazně oslabena funkce enzymu polyfenoloxidasy (PPO) v osemení hrachu. Tento enzym přitom hraje důležitou roli při ochraně semene hrachu i jeho dormanci, tedy schopnosti vyčkat v klidovém stavu na vnější signál spouštějící klíčení. Gen kódující enzym PPO, který je typický právě pro planě rostoucí hrách a naopak nefunkční u domestikovaných variant, identifikovala skupina vědců vedená Petrem Smýkalem z katedry botaniky přírodovědecké fakulty. Výsledky společného výzkumu publikoval prestižní časopis New Phytologist.
„S kolegy z katedry analytické chemie, katedry biochemie a dalšími pracovišti se nám společnými silami podařilo odhalit funkci tohoto unikátního genu a enzymu. Získaná data ukazují, že jak množství transkriptu, proteinu i enzymová aktivita PPO jsou vyšší v osemení planých hrachů a naopak snížené u zástupců kulturních hrachů. Ukázala se souvislost funkčnosti genu PPO s oxidací a polymerací fenolických látek v osemení a především s pigmentací pupku semen, což je pozůstatek propojení s mateřskou rostlinou prostřednictvím poutka sloužícího k výživě vyvíjejícího se zárodku,“ uvedl Petr Smýkal.
Přítomnost charakteristických fenolických prekurzorů spolu s dostatečnou aktivitou PPO podle zjištění vědců vedla k tmavému zbarvení pupků semen, což je typické pro plané zástupce hrachu. „Naopak jednonukleotidové inzerce v sekvenci genu PPO vedoucí k jeho nefunkčnosti byla v 75 procentech vzorků kulturního hrachu spojena se světlým zbarvením pupku,“ řekl Petr Smýkal.
Při postupné domestikaci planého hrachu tak podle Petra Smýkala patrně došlo k výběru nefunkční alely PPO genu. Zatím ale není jasné, proč se tak stalo. Jedním z možných vysvětlení je, že výsledné polymerizované fenolické látky patřící mezi tzv. taniny jsou hořké, takže negativně ovlivňují chutnost semen. Preference absence tmavých pigmentů v osemení mohla být také odrazem vlivu lidské kultury upřednostňující bílou barvu jako symbol čistoty.
„Je zajímavé, že nefunkčnost polyfenoloxidasy byla během domestikace preferována opakovaně například u rýže, částečně i ječmene a béru. A to i přesto, že může být spojena s určitou nevýhodou při obraně proti patogenům, jelikož polyfenolické látky jsou úzce spojeny s obranou semen. Naše studie je první svého druhu u bobovitých rostlin a otevřela řadu otázek, které jsou stimulem k dalšímu výzkumu,“ dodal Petr Smýkal.
Poté, co se semena oddělí od mateřské rostliny, musí přežívat v nehostinném vnějším prostředí a vypořádat se s řadou nástrah, mezi které patří zejména nejrůznější skupiny patogenních organismů. V obraně semen hraje zásadní roli jejich obal, tzv. osemení, který obsahuje řadu specifických látek – především fenolických sloučenin a enzymů. „Podařilo se nám prokázat, že aktivita PPO je nutná pro oxidaci a polymerizaci vybraných fenolických látek v osemení planého hrachu, což se projevuje především pigmentací pupku, který podle nás může představovat „Achillovu patu“ obrany semen,“ shrnul výsledky výzkumu Petr Smýkal.
Pro popis rozdílů v distribuci metabolitů v osemení se vědcům v této studii velmi osvědčily detailní přímé zobrazovací analýzy pomocí vysokorozlišující tandemové hmotnostní spektrometrie. „Techniky a metody pro tyto analýzy se snažíme na našem pracovišti systematicky rozvíjet. Spolupráce se skupinou Petra Smýkala z katedry botaniky je dlouhodobá a vzájemně velmi inspirující,“ podotkl Petr Bednář z katedry analytické chemie.