Příběhy úspěšných kolegyň a kolegů

Od sbírání rostlin do herbáře ke studiu jejich genomů a globální evoluce

Mgr. Petr Šmarda, Ph.D.

vědecký, výzkumný a vývojový pracovník
Ústav botaniky a zoologie PřF MU

Petr Šmarda vystudoval na PřF MU magisterský obor Systematická botanika a geobotanika, doktorský obor Botanika. Profesně se soustředí na výzkum velikost genomu i GC obsahu v genomech rostlin a na hledání jejich ekologických i evolučních souvislostí.

Foto: Oliver Staša

Jaké jste měl zájmy na základní škole?

Příroda mě bavila odjakživa. Bavil mě vesmír, Grygarovy pořady a zvířátka, rostliny mě moc „nebraly“. Biologické olympiády jsem dělal a bavily mě.

Přitáhlo Vás k botanice studium na gymnáziu?

Ano, protože jsme měli výborného učitele biologie s velkým rozhledem, nepotřeboval vykládat podle učebnic, prostě látku znal a uměl předat. Učil nás přemýšlet a vědět proč. V prvním ročníku jsme měli za úkol vytvořit herbář, a to mě chytlo. Stačil takhle malý impuls a chytil jsem se na to svými sběratelskými vášněmi. Začalo to jít do stovek položek, začal jsem se učit druhy určovat, ve třetím ročníku jsem se účastnil Středoškolské odborné činnosti (SOČ) a probojoval se až do státního kola, ze kterého jsem si odnesl diplom vítěze, který ale, myslím, získalo více soutěžících. Když jsem představil herbář s devíti sty položkami a asi šesti sty druhy, na komise to zabíralo. Využíval jsem i herbář Muzea Vysočiny Třebíč, kam jsem chodil konzultovat. Zde se začala rodit moje první představa o povolání: klídeček v herbářové sbírce ztělesňoval to, co jsem chtěl dělat. Zůstanu v herbáři, budu se hrabat položkami, jezdit do terénu, sbírat kytky a znát všecko, co kde roste.

Byla pro Vás při volbě oboru vysokoškolského studia botanika jasnou volbou?

Protože jsem se stále profesně viděl v třebíčském herbáři, byla jasnou volbou Systematická botanika. Nejvíc mě ale v prvním ročníku zaujala terénní cvičení. Myslím si, že to je nejlepší prostor pro „odchyt“ perspektivních studentů. Soustředil jsem se na kostřavy, konkrétně šlo o druh Festuca pallens (kostřava sivá) a její taxonomii na jižní Moravě. Postupně se téma rozšířilo na zkoumání v celé republice a nakonec v celém areálu, sahajícím od Belgie až na Ukrajinu.

Co v botanice znamená, že se věnujete taxonomickým tématům, jako v případě Vaší bakalářské práce?

Většinou je na začátku nějaký problém, typicky s tím, že se jednomu druhu říká v každé zemi trochu jinak a je potřeba to nějak sjednotit, nebo naopak s tím, že v rámci jednoho druhu existují trochu jinak vypadající populace a je potřeba prověřit, jestli to je opravdu něco jiného, třeba samostatné druhy. U kostřavy sivé jsem u různých jedinců a populací počítal počty chromozomů. Pokud mají rostliny různý počet chromozomů, nemusí dobře geneticky komunikovat a mají také zpravidla různě velké buňky a některé orány. Chtěl jsem tedy vyjasnit, jestli tedy nejde o dva druhy, a ukázalo se, že ano.

Že jde o dva druhy, šlo tedy poznat až pod mikroskopem? Je hodně těžké určovat rozdíly mezi travami, když jsou na první pohled nerozlišitelné?

Kostřavy jsou si vzájemně velmi podobné a odlišovací znaky najdete až v jejich anatomii, nejčastěji se pozoruje na příčných řezech listy. A když listů „nakrájíte“ pár tisíc, naučíte se pak druhy určovat i podle znaků vnějších. Já jsem už u bakalářské práce strávil dny a týdny počítáním chromozomů z kořínků kostřavy a optimalizací způsobu, jak chromozomy počítat. Což bylo mnohdy frustrující. Naučíte se, jak preparáty barvit, zasadíte rostliny, odeberete kořínky, nabarvíte je, celý den koukáte do mikroskopu, a nenapočítáte nic. Postupem času zjistíte, že aby byly chromozomy vidět, musí být zkoumané rostliny ve „správné náladě“, kdy kořínky začínají růst. Když se mi to po dlouhé době podařilo pochopit, byl můj výzkum mnohem radostnější. Musel jsem si uvědomit, že kostřavy jsou suchomilné a nějakým způsobem vnímají počasí. Pro ně je limitující, aby neuschly. Jejich kořínky se proto začnou dělit a růst až ve chvíli, kdy má rostlina tuhle jistotu.

Jde třeba jen o určitou denní dobu nebo je to složitější?

Vypozoroval jsem, že špičky kořínků se začaly dělit ve chvíli, kdy byl dva až tři dny nízký tlak a pršelo. Další den, když tlak stoupnul a vysvitlo slunce, tak měla rostlina jasno: je vysoká vlhkost, chvíli to trvalo a asi ještě potrvá, nyní je dopoledne, slunce svítí, ale ještě ne moc – takže můžu začít. Bylo vidět, že dopoledne jsou listy roztažené a rostlina ví, že má pár hodin klid, kdy může beztrestně transpirovat, fotosyntetizovat a pracovat na růstu kořínků. Když se kořínky odebraly v téhle chvíli, šance na nalezení počitatelných chromozomů značně narostla. Tohle bylo první, na co jsem musel přijít. Později jsem se dostal do Olomouce, kde začínali s metodou průtokové cytometrie, která je pro účely mého bádání mnohem pohodlnější a efektivnější. Zatímco metodou počítání z kořínků jsem spočítal v den, kdy byly vhodné podmínky, maximálně osm kytek, na cytometru se jich dalo za dopoledne naměřit sto, bez ohledu na počasí. To byl značný posun kupředu.

Dostal jste se tedy k laboratornímu výzkumu. Změnila se časem Vaše profesní představa zaměstnance herbáře?

Ano, začalo to asi objevováním vědeckých problémů. Poštěstilo se mi, že když se u kostřav začalo s cytometrií, ukázalo se, že mají různě velký genom, i když mají stejný počet chromozomů. Napadla nás souvislost s evolučními procesy genomů rostlin. U rostlin se totiž ví, že jeden druh má poměrně stejně velký genom. Jak se ale stane, že když vznikne nový druh, má genom jinak velký než druh mateřský, a co je mezi tím není vůbec jasné? Měření vnitrodruhové variability ve velikosti genomu jsou ale metodicky celkem náročná a výsledky mnoha dřívějších prací, které se tomuto tématu věnovány, byly později novějšími metodami vyvráceny. Naše výsledky pak patří k těm několika málo, kde je vnitrodruhová variabilita dokumentována obzvlášť důkladně a v průběhu dalších pokusů se nám z Festuca pallens podařilo udělat modelovou rostlinu pro výzkum tohoto fenoménu. Úspěchy s měřením velikosti genomu průtokovou cytometrií mě pak motivovaly hledat další vědecké problémy a pomalu se ze mě začal stávat samostatný vědec. Hodně k tomu přispěla podpora kolegů, kteří moje nápady pomáhali realizovat, a grantové peníze. Když jsem zjistil, že mě ve vědě baví objevování, vidina práce v herbáři se postupně vytrácela. Stále mě samozřejmě baví objevovat rostliny, které na tomto místě nebo vůbec ještě nikdo nenašel, ale stále více cítím, že to, co mě na vědě nejvíce přitahuje, je objevování procesů a toho, jak a proč věci vlastně fungují. Člověk si klade čím dál obecnější otázky, třeba jak vysvětlit chod vegetace v geologické historii Země pro celou zeměkouli. I k tomu se člověk často dopracuje od celkem banálních otázek typu: proč roste tato rostlina právě na tomhle kopečku?

Vedle taxonomie se věnujete biosystematice. O co jde v této botanické vědní oblasti?

Je to studium procesů, které vedou ke vzniku druhů nebo poznání toho, jak probíhá evoluce rostlin, taxonomie pak popisuje existující diverzitu. Biosystematická skupina na našem ústavu zkoumá, jak dochází k evoluci velikosti genomů a co to pro rostliny znamená, co s velkým genomem můžou a nemůžou, a jak to například mohlo ovlivnit jejich šance na přežití v současné geologické době. Vybavením a technickým zázemím naše pracoviště a Česká republika vůbec patří v tomto oboru k naprosté světové špičce.

 Co Vás ve studiu a ve vědecké práci motivuje?

Ve studiu jsem měl štěstí na spolužáky. Nad námi byl velmi silný botanický ročník, kterému jsme se chtěli vyrovnat. Moji zoologičtí spolužáci byli navíc lidé, kteří vyhrávali celostátní kola nejen biologických olympiád, všecko to byli lidé se zájmem o výzkum, kteří už ve svých oborech vesměs už nějakou dobu pracovali. Štěstí mám i na šéfa, docenta Petra Bureše, vedoucího skupiny Plant Biosystematics, který podporuje kritické myšlení a objevování nových myšlenek a dává mi velký prostor pro vlastní práci. To je pro vědeckou kariéru zásadní. Když máte prostor přemýšlet, ptát se a máte možnost propojovat poznatky z různých oborů, nové nápady přicházejí téměř samy.

Jak Váš aktuální botanický výzkum souvisí se zkoumáním genomů rostlin?

Zajímá nás, z jakých „písmenek“ jsou složené genomy a DNA rostlin a naše laboratoř je jediná na světě, kde se výzkum GC obsahů rostlin zkoumá ve větším měřítku. Jako botanici máme ale oproti klasickým laboratorním vědcům ohromnou výhodu, protože umíme poznávat kytky a víme, kde je hledat. Těžím zde tak ze svého taxonomického a herbářového vzdělání a mohu svůj výzkum dělat na velkém množství druhů. Začal jsem zase s travami. Ukazuje se, že mají shodou okolností ve své DNA největší koncentraci GC párů bazí, a tak je to k takovému studiu skupina nanejvýš vhodná. Trávy jsou navíc evolučně velmi úspěšné. Je to velmi mladá skupina, stará jen 30–40 miliónů let, ale za tuto dobu vytvořila dominantu na třetině povrchu Země. Náš výzkum pak ukazuje, že zvýšený GC obsah a s tím související změny v genomech trav s tímto úspěchem nějakým způsobem přímo souvisí. GC obsahy momentálně měříme také u dalších suchozemských rostlin, počínaje mechy a konče krytosemennými rostlinami. Naším cílem je vypracovat celosvětový přehled GC obsahů napříč všemi rostlinami. V současnosti také připravujeme přehled velikosti genomů kompletně u české flóry a sledujeme, jak se ve velikosti genomu liší druhy na různých biotopech a v různých typech vegetace. Díky tomuto srovnání bychom pak mohli poznat, jak moc prostředí ovlivňuje evoluci velikosti genomu rostlin. Trochu se tím vracím k herbářové vědě a dělám na tom, co jsem tak trochu vždycky chtěl: mít v herbáři všechny české kytky.

Čeho se týká Váš nový výzkum zaměřený na globální změny klimatu? Jak takové téma vlastně souvisí s botanikou?

Přes velikost genomů jsem se dostal ke zkoumání průduchů a k fyziologii rostlin. Čím je větší genom, tím musí být větší buňka a tím je větší i průduch, kterým rostliny přijímají oxid uhličitý a vypařují vodu, což pak ovlivňuje jejich celkovou fyziologii. Rostlina s většími a pomalejšími průduchy si pak nemůže dovolit úplně všechno, třeba růst bez dalších adaptací v suchém prostředí, kde by těmito průduchy ztrácela nadměrné množství vody. Momentálně uvažuji o tom, udělat přehled velikostí průduchů rostlin po celém světě a zjistit, jakým způsobem souvisí velikost průduchů s ekologií jednotlivých druhů i jejich celosvětovým rozšířením. Velikost průduchů by pak mohla souviset i rizikem vymírání a úspěšností některých skupin v průběhu globálních změn klimatu. Víme například, že od druhohor se snižuje koncentrace oxidu uhličitého v atmosféře a v současné době je ho více než desetkrát méně. Rostliny se na to musely nějak adaptovat a dá se předpokládat, že těm s velkými genomy a průduchy se to mohlo dařit podstatně hůř a takové druhy pak mohly vymírat mnohem častěji než rostliny s malými genomy. Je také možné, že by se díky popisu mechanismu adaptace průduchů dala predikovat i reakce jednotlivých druhů na současnou globální změnu klimatu a na antropogenní růst koncentrace oxidu uhličitého. O to se sice snaží řada vědeckých týmů, možná by se tohle všechno dalo ale poznat jednodušším botanickým způsobem než těmi, na které jsou vypisovány mnohamiliónové dlouhodobé projekty.

Děkuji za rozhovor.
Zuzana Jayasundera