Tradičně se šlechtění rostlin provádí křížením, selekcí a zavedením mutací chemickými látkami nebo ozářením. V poslední době umožnil vývoj různých typů genetické transformace rostlin cílené genové modifikace. Do rostlin mohou být zavedeny nové geny a může být pozměněna exprese existujících genů. Nashromáždil se mimořádný objem informací o biosyntetických genech, enzymatických funkcích a regulaci komplexních biosyntetických drah v modelových rostlinách, jako jsou Arabidopsis, rýže a kukuřice.

Nedávný vývoj rychlých a nákladově efektivních technik sekvencování DNA poskytl množství komplexních genomických dat pro stovky rostlin. Vývoj technologií CRISPR-Cas9 také umožnil kontrolu genových sekvencí za účelem získání žádoucích charakteristik. DNA rostlin hospodářského významu, jako je rýže, brambory, obiloviny, čaj, káva, různé druhy ovoce a zeleniny, byla objasněna a podrobně popsána. Kombinace těchto znalostí s nástroji dostupnými pro genetickou manipulaci a metabolické inženýrství nyní otevírá cestu novým příležitostem v manipulaci rostlin, které produkují esenciální oleje a ostatni přírodních látky.

Hlavním cílem manipulace je zvýšení výnosu éterických olejů (EO) v rostlinách, snížení nebo úplné odstranění jedovatých složek z EO, vyvážení žádoucích složek a zvýšení nejžádanějších složek EO v daném chemotypu. Tento článek se zaměřuje na potenciál genetické manipulace s éterickými oleji, ale nepopisuje konvenční šlechtění rostlin, které se zabývá mnoha dalšími problémy rostlinné výroby, morfologickými a fyziologickými aspekty zlepšování rostlin a agronomickými charakteristikami, které jsou vyžadovány pro velkoplošné pěstování aromatických rostlin.

Typické složky éterických olejů jsou odvozeny hlavně od mastných kyselin, fenylpropanoidů a isoprenoidů. Metabolické cesty kyseliny mevalonové (MVA) a 1-deoxyxylulosa-D-5-fosfátu (DXP), které v rostlinách vedou k syntéze EO, se také nacházejí v bakteriích, houbách a zvířatech. Tyto metabolické biosyntézy jsou rozsáhle studovány, byly identifikovány geny odpovědné za jednotlivé chemické reakce a popsány důležité regulační mechanismy pro syntézu klíčových enzymů. Tato znalost následně poskytuje informace pro metabolické inženýrství v jakémkoli organismu. Z veřejných databází jsou nyní k dispozici tisíce genetických sekvencí kódujících geny, které řídí produkci mono a seskviterpenů. Jedním příkladem je nedávno klonovaná patchoulol syntáza z rodu Pogostemon cablin, rostliny používané k výrobě éterického oleje pačuli v ročních objemech přesahujících 1 000 tun. Detailní znalost biosyntézy nabízí možnosti metabolického inženýrství všech jednotlivých kroků v celé biosyntetické dráze. Kromě toho umožňuje tvorbu nových chemických sloučenin, které by mohly mít zajímavé čichové nebo léčivé vlastnosti.
Je také možné, že bakterie a kvasinky pěstované v bioreaktorech, budou schopny produkovat cenné složky EO. Doposud byla tato strategie aplikována na výrobu vysoce hodnotných terapeutických sloučenin, jako jsou seskviterpenové laktony a antimalariální lék artemisin, a aromatické sloučeniny, jako je vanilin, kyselina jasmonová, banán, kokos a ovocná chuť, vůně jako citronellol, geraniol, linalool, geraniol, nerolidol, eugenol, thymol a více než 100 dalších těkavých látek, bisabolol, jiné seskviterpeny a karotenoidy. Tento výzkum je vyvíjen a podporován především potravinářským, kosmetickým a farmaceutickým průmyslem.

Manipulace obrovského množství genomických dat jde ruku v ruce s vývojem experimentálních přístupů počítačové technologie. Syntetické inženýrství se stává jedním z hlavních faktorů v aplikované syntetické biologii.

Příklady terpenů produkovaných geneticky upravenými rostlinami

Mentha piperita, M. arvensis (máty)

Gen: limonen syntáza

Výsledky: vyšší výtěžek EO; vyšší výtěžnost různých složek

Gen: menthofuron syntáza

Výsledky: antisense (utlumení genové aktivity) – o 50% méně menthofuranu; nadměrná exprese – vyšší výtěžek menthofuranu

Arabidopsis thaliana

Gen: nerolidol syntáza

Výsledky: vysoké hladiny nerolidolu

Gen: seskviterpen syntáza TPS 10

Výsledky: vysoké hladiny bergamotenu a dalších seskviterpenů

Gen: beta-farnesensyntáza

Výsledky: vysoké hladiny beta farnesenu

Lavandula latifolia (levandule širokolistá)

Geny: enzymy kontrolující regulační kroky drah methyl-D-erythritol 4-fosfátu a kyseliny mevalonové a monoterpen syntázy

Výsledky: vyšší výnos a kvalita éterického oleje, zlepšený kvalitativní profil specifických monoterpenů

Santalum sp. (santal)

Geny: 35 různých genů kontrolujících biosyntézu EO santalového dřeva

Výsledky: geny byly klonovány a charakterizovány, různé biotechnologické přístupy nabízejí možnost zlepšení výnosů EO santalového dřeva

© Kouzlo vůní, Kateřina Svobodová

Článek byl publikován ve spolupráci s Kouzlem vůní – Online časopisu o vůních, bylinách a jejich využití. Zdroj článku.