Když se řekne síra

Dr. Stanislav Kopřiva, pracovník John Innes Centre (Norwich, Velká Británie), obhájil dizertaci 5 Adenyl sulfát reduktáza – klíčový enzym asimilace síry v rostlinách před komisí Botanika a fyziologie rostlin, a stal se tak nositelem vědeckého titulu „doktor biologicko-ekologických věd“. Stanislav Kopřiva získal originální, oborově přijaté poznatky o metabolismu síry u rostlin. Tím zásadním je zjištění vlastností a funkce enzymu adenosinfosfosulfát-reduktázy, která umožňuje rostlinám využít anorganický síran jako hlavní zdroj síry. Ta patří mezi základní biogenní prvky rostlin a vyskytuje se v aminokyselinách (cystein, methionin), enzymech a zásobních bílkovinách. Nabyté poznatky představují významný pokrok v oblasti výživy rostlin, relativně stagnujícího odvětví rostlinné fyziologie v situaci, kdy se začíná projevovat deficience tohoto prvku.


Foto: © Stanislava Kyselová, Akademický bulletin

Když se řekne síra, většina lidí si představí sopky, čerty nebo v nejlepším případě zápalky – bez síry by ale nebylo na Zemi života. Síra je nezbytná v mnoha vitaminech i jako součást aminokyselin cysteinu a methioninu v bílkovinách. I my se proto neobejdeme bez pravidelné denní dávky síry. Na rozdíl od mikroorganismů a rostlin nemůžeme ale využít nevyčerpatelný zdroj síry, anorganický síran, nýbrž se musíme spoléhat na rostliny, které tento síran pro nás zredukují a asimilují do aminokyselin, jež si sami neumíme vytvořit. Tento proces, zvaný asimilace síry, je jedním ze základních biochemických pochodů v rostlinách.

Není tudíž divu, že dostatek síry je důležitý pro výnos a zdraví rostlin. Kromě cysteinu a methioninu tvoří rostliny mnoho sloučenin, které jim pomáhají při nepříznivých podmínkách. Tripeptid glutathion je esenciální pro ochranu před radikály kyslíku, pomáhá odstraňovat z rostlinných buněk nežádoucí chemikálie, například herbicidy, a je součástí fytochelatinů, jež chrání rostliny před těžkými kovy. Mnoho rostlin produkuje metabolity obsahující síru jako ochranu před patogeny či hmyzem. Tyto látky, například glukosinoláty u brukvovitých nebo alliny u cibulovitých rostlin, jsou zároveň zodpovědné za chuť a vůni (nebo zápach) zeleniny a často jsou i účinné jako antikarcinogeny. Nedostatek síry tedy vede k menší obranyschopnosti rostlin před škůdci i ke ztrátám na kvalitě rostlinné produkce. Lidé síru dlouho považovali za všeobecně dostupnou. V posledních dvou desetiletích se ale stále větší plochy zemědělské půdy stávají závislé na hnojení sírou, protože jsme byli úspěšní ve snížení atmosférických emisí oxidu siřičitého. Proto se méně síry vrací se srážkami na zem. Je samozřejmě možné produkovat stále více hnojiv a tím udržovat vysoké výnosy, ale tento postup povede k vysoké spotřebě energie a je trvale neudržitelný. Alternativní cestou je vytvořit nové odrůdy rostlin, které přinesou vysoké výnosy při menší spotřebě minerálních hnojiv, protože efektivněji využijí minerální živiny.

Abychom mohli efektivitu využití minerálních živin zvýšit, musíme dopodrobna porozumět procesům nutným pro transport a asimilaci živin a jejich regulaci. Rostliny přijímají síru v podobě síranu pomocí některého ze 14 transportérů. Část tohoto síranu je uložena ve vakuolách, u některých brukvovitých až 95 %. Další část je nejprve transportována do plastidů, kde vstupuje do asimilace. Nejdříve musí být síran aktivován pomocí ATP. Potom je redukován ve dvou reakcích; nejprve se tvoří siřičitan, který je dále redukován na sulfid. Sulfid potom reaguje s aktivovaným serinem, tato sloučenina se nazývá O-acetylserin, a tvoří cystein. Cystein je donorem redukované síry pro všechny další reakce, například syntézu methioninu nebo mnoha vitaminů.

Dizertační práce shrnuje výzkum zaměřený na regulaci asimilace síry. Ukázali jsme, že klíčovým enzymem asimilace síry je adenosinfosfosulfát (APS) reduktáza, která redukuje aktivovaný síran na siřičitan. Charakterizovali jsme tento enzym biochemicky a popsali jeho reakční mechanismus, jenž využívá neobvyklého FeS komplexu jako kofaktoru. Ukázali jsme že APS reduktáza je regulována podle toho, kolik redukované síry rostliny potřebují, její aktivita se například zvyšuje, když je síry nedostatek nebo jsou rostliny vystaveny těžkým kovům, a snižuje se při nedostatku dusíku. Regulace APS reduktázy spojuje asimilaci síry s asimilací dusíku a oxidu uhličitého. Manipulace APS reduktázy ať transgenní technologií nebo využitím biodiverzity může tedy vést k zefektivnění využití síry a k produkci lepších odrůd kulturních rostlin.

STANISLAV KOPŘIVA,
John Innes Centre