Výzkumný tým 11: Fyziologie a kryobiologie rostlin

Pracovní pozice a specializace: samostatný vědecký pracovník – rozvoj a aplikace kryoprezervačních metod u in vitro kultur ovocných dřevin, fyziologické a termické charakteristiky rostlin v nízkých teplotách, poškozování generativních orgánů dřevin při jarních mrazíkách, zavádění nových teplomilných ovocných druhů v souvislosti se změnou klimatu v České republice.

Cílem je studium vlivu nízkých a ultra-nízkých teplot na rostliny pro rozvoj metod kryoprezervace a využití těchto metod při uchování vybraných genotypů s požadovanými vlastnostmi při ultra-nízkých teplotách a pro eliminaci vybraných patogenů rostlin. Problematika kryobiologie je studována pomocí biotechnologických postupů s využitím technik in vitro a ex vitro. Tolerance rostlin vůči nízkým a ultra-nízkým teplotám a nedostatku vody je hodnocena pomocí fyziologických a biofyzikálních parametrů na úrovni rostlinných orgánů nebo na úrovni celistvé rostliny. Nevýzkumná činnost se týká Kryobanky vegetativně množených rostlin v rámci Národního programu konzervace a využívání genetických zdrojů rostlin a agrobiodiversity se samostatnou kapitolou Kryokozervace genofondů vegetativně množených plodin. Kryobanka se řídí kontrolou managementu kvality podle EN ISO 9001:2009. Laboratoř je referenční laboratoří pro kryoprezervaci rostlin pro Evropu a referenční laboratoří kalorimetrie rostlin pro střední a východní Evropu pro TA Instruments.

Výzkum

Další činnosti

Jiné činnosti (služby)

Dr. Olena Bobrova, Ph.D.: vědecký pracovník – rozvoj metod kryoprezervace na základě termických analýz, termická charakterizace odolnosti pupenů dřevin, in vitro metody kryoprezervace u vegetativně množených plodin s cílem rozvoje a aplikace těchto postupů ve sbírkách na Ukrajině

Ing. Miloš Faltus, Ph.D.: samostatný vědecký pracovník – kryoprezervace in vitro kultur bramboru, chmele a révy vinné, fyziologické a termické charakteristiky meristémů při dehydrataci a nízké teplotě

Lesia Golosna, Ph.D.: vědecký pracovník – charakterizace a vliv patogenů v průběhu zavádění a in vitro kultivace rostlin a při kryoprezervaci vegetativně množených druhů, ozdravení vegetativně množených rostlin in vitro od bakterií a hub

Ing. Barbora Tunklová, Ph.D.: vědecký pracovník – metody kryoprezervace rodu Allium a dalších vegetativně množených plodin; rozvoj in vitro biotechnologií bioreaktorového systému dočasného zaplavování

Ing. Jiří Zámečník, CSc.: samostatný vědecký pracovník – rozvoj metod kryoprezervace vegetativně množených plodin, charakterizace reakce rostlin a jejich odolnosti vůči suchu

Ing. Diana Däppenová: technický pracovník – příprava a zavádění rostlin do in vitro podmínek, kultivace vegetativně množených plodin, zavádění do bioreaktorového systému dočasného zaplavování, kryoprezervace ovocných dřevin

Ing. Adriána Dvořáčková: technický pracovník (mateřská dovolená) – příprava rostlin v in vitro podmínkách, kultivace vegetativně množených plodin, kryoprezervace bramboru, chmele

Zdenka Hybnerová: technický pracovník – udržování sbírek rostlin, příprava a zavádění rostlin do in vitro kultivace, kryoprezervace révy vinné a česneku, příprava materiálu na analýzy suchovzdornosti

Bc. Martina Hradcová: technický pracovník – příprava a zavádění rostlin do in vitro podmínek, kultivace vegetativně množených plodin, kryoprezervace chmele a bramboru

Kontakty na pracovníky týmu (telefon, mobil, e-mail) naleznete zde.

Analysis of thermal characteristics of potato and hop pollen for their cryopreservation and cross-breeding
Studie se zaměřuje na detailní termální analýzu pylových zrn bramboru (Solanum tuberosum) a chmele (Humulus lupulus), dvou významných kulturních plodin, s cílem vyhodnotit jejich vhodnost pro kryoprezervaci a uchování pro účely šlechtění. Pomocí metod diferenční skenovací kalorimetrie (DSC) a dalších termálních technik byla sledována teplota skelného přechodu, tání ledové fáze a tepelná stabilita. Získané výsledky umožnily určit, které druhy pylu vykazují vyšší odolnost vůči nízkým teplotám, a tím i vyšší potenciál přežití po kryokonzervaci. Významným závěrem studie je skutečnost, že fyziologické a morfologické vlastnosti pylových zrn výrazně ovlivňují jejich tepelnou odezvu, což by mělo být zohledněno při vývoji protokolů pro dlouhodobé uchování genetických zdrojů těchto druhů.
Citace:
Faltus, M., Domkářová, J., Svoboda, P., Horáčková, V., Nesvadba, V., Klička, V., Ptáček, J., Bilavčík, A., Zámečník, J. (2024). Analysis of thermal characteristics of potato and hop pollen for their cryopreservation and cross-breeding. Plants, 13(11).

The survival of pear dormant buds at ultra-low temperatures
Článek se věnuje problematice uchování dormantních pupenů hrušní při ultra-nízkých teplotách pomocí metod kryoprezervace. Autoři zkoumali vliv různých protokolů vitrifikace na přežívání a regeneraci pupenů po rozmrazení. Výsledky ukazují, že přežití rostlinného materiálu závisí nejen na použité kryoprotekci, ale také na fyziologickém stavu pupenů v době odběru. Studie přispívá k pochopení limitujících faktorů kryoprezervace u dřevin a poskytuje důležité poznatky pro uchování genetických zdrojů ovocných plodin. Autoři rovněž upozorňují na možný význam chladové aklimatizace pro zvýšení úspěšnosti regenerace po rozmrazení, což je obzvláště důležité pro dlouhodobé uchování biodiverzity v rámci genových bank.
Citace:
Bilavčík, A., Faltus, M., Zámečník, J. (2021). The survival of pear dormant buds at ultra-low temperatures. Plants, 10(11), 2502.

Elimination of Black raspberry necrosis virus from raspberry (Rubus idaeus L.) by in vitro cryotherapy
Tento článek představuje využití metody in vitro kryoterapie pro odstranění viru Black raspberry necrosis virus z maliníku (Rubus idaeus L.). Virus patří mezi ekonomicky významné patogeny, které ovlivňují kvalitu a výnos pěstovaných odrůd. Autoři aplikovali techniku ponoření apikálních meristémů do kapalného dusíku, čímž došlo k selektivnímu odstranění viru bez poškození regenerace zdravé tkáně. Výsledky ukázaly, že metoda je efektivní a reprodukovatelná, a představuje tak slibný nástroj pro produkci bezvirového množícího materiálu. Studie navazuje na trend využití fyzikálních stresorů k eliminaci patogenů z kulturních plodin a přináší důležitý příspěvek k zajištění zdravých výchozích rostlin pro šlechtění a komerční produkci.
Citace:
Bilavčík, A., Hammond Hammond, S. D., Fránová, J., Koloniuk, I., Hamborg, Z., Blystad, D-R., Faltus, M., Zámečník, J. (2024). Elimination of Black raspberry necrosis virus from raspberry (Rubus idaeus L.) by in vitro cryotherapy. European Journal of Horticultural Science, 89(3).

Droplet-vitrification for shoot tip cryopreservation of shallot (Allium cepa var. aggregatum): Effects of PVS3 and PVS2 on shoot regrowth
Studie se zabývá optimalizací protokolů pro kryoprezervaci výhonových meristémů šalotky, důležité zeleniny rozmnožované převážně vegetativně. Autoři porovnali účinek dvou běžně používaných vitrifikačních roztoků – PVS2 a PVS3 – na míru přežívání a regenerace po rozmrazení. Pomocí metody droplet-vitrifikace bylo dosaženo výrazného rozdílu v regenerační schopnosti v závislosti na zvoleném kryoprotektivu, délce expozice a způsobu dehydratace. Práce ukazuje, že jemné ladění parametrů kryoprezervačního procesu je klíčové pro úspěšné uchování vegetativně množených druhů. Výsledky mají přímé uplatnění nejen v genových bankách, ale i při zachování cenných odrůd v šlechtitelských programech.
Citace:
Wang, M. R., Zhang, Z., Zámečník, J., Bilavčík, A., Blystad, D. R., Haugslien, S., & Wang, Q. C. (2020). Droplet-vitrification for shoot tip cryopreservation of shallot (Allium cepa var. aggregatum): Effects of PVS3 and PVS2 on shoot regrowth. Plant Cell, Tissue and Organ Culture (PCTOC), 140, 185-195.

Vitrification solutions for plant cryopreservation: Modification and properties
Autoři se zaměřili na vývoj a charakterizaci vitrifikačních roztoků používaných při kryoprezervaci rostlinného materiálu. Byly testovány různé varianty složení s cílem nalézt optimální rovnováhu mezi dehydratací buněk a minimalizací toxických účinků jednotlivých komponent. Pomocí DSC analýzy a dalších metod byly popsány termální vlastnosti roztoků, včetně teploty skelného přechodu a míry ledové frakce. Studie přináší detailní pohled na vztah mezi chemickým složením roztoku a jeho chováním při zmrazování, což je klíčové pro efektivní uchování citlivého rostlinného materiálu. Tento výzkum představuje důležitý krok směrem k vývoji univerzálnějších a méně toxických vitrifikačních směsí.
Citace:
Zámečník, J., Faltus, M., Bilavčík, A. (2021). Vitrification solutions for plant cryopreservation: Modification and properties. Plants, 10(12).

Vitrification ability of combined and single cryoprotective agents
Studie porovnává účinek jednotlivých i kombinovaných kryoprotektivních látek na schopnost vitrifikace rostlinné suspenze. Byly testovány běžně používané sloučeniny, jako je glycerol, DMSO, ethylenglykol a sacharóza, a jejich kombinace. Hlavním cílem bylo určit jejich synergický efekt na snižování teploty skelného přechodu a eliminaci ledových krystalů, které představují hlavní riziko při zmrazování buněk. Výsledky ukazují, že některé kombinace vykazují vyšší účinnost než jednotlivé složky a umožňují bezpečnější uchování vegetativního materiálu. Článek má významný dopad na vývoj nových kryoprezervačních protokolů a přispívá k hlubšímu pochopení mechanismů ochrany buněk při extrémním ochlazení.
Citace:
Faltus, M., Bilavčík, A., Zámečník, J. (2021). Vitrification ability of combined and single cryoprotective agents. Plants, 10(11).

Analysis of freezable water content by DSC for apple dormant bud cryopreservation
Cílem této práce bylo stanovit obsah zamrzající vody v dormantních pupenech jabloní pomocí diferenční skenovací kalorimetrie (DSC). Tato informace je zásadní pro optimalizaci protokolů kryoprezervace, protože přítomnost volné vody zvyšuje riziko tvorby ledových krystalů a následného poškození buněk. Autoři analyzovali vzorky několika odrůd jabloní a porovnávali výsledky s mírou přežití po zmrazování. Získané údaje umožňují předpovědět chování různých odrůd během mrazového stresu a přizpůsobit jim specifické protokoly uchování. Studie zdůrazňuje nutnost přesné kvantifikace vodního režimu pupenů při práci s dřevinami v rámci genových bank.
Citace:
Bilavčík, A., Zámečník, J., Faltus, M., Jadrná, P. (2019). Analysis of freezable water content by DSC for apple dormant bud cryopreservation. Horticultural Science, 46(4), 163–170.

Metody hodnocení poškození dormantních pupenů jabloně mrazem
Pro hodnocení poškození dormantních pupenů čtyř odrůd jabloní po vystavení mrazu bylo použito metody výtoku elektrolytů a růstu pupenů v optimálních podmínkách. Obě metody, konduktometrická a růstová, se ukázaly vhodné pro odhad mrazového poškození dormantních pupenů. Byly prokázány statisticky významné rozdíly odolnosti k mrazu u sledovaných odrůd jabloně. Při metodě sledování růstu je nutné brát v úvahu i ostatní faktory zimy než je jen nízká teplota. Při vystavení dormantních pupenů mrazu je nutné optimalizovat rozsah teplot a počty zkoumaných vzorků. Obě metody lze použít pro analýzu mrazuvzdornosti ovocných druhů a pro stanovení teplot pro první stupeň kryoprezervace dormantních pupenů.
Citace:
Jadrná et al. (2012) Assessment of frost damage rates in apple dormant buds by conductometry and growth tests. Acta Horticulturae (ISHS), 932: 453-459

Vztah mezi tolerancí k mrazu a post kryogenní regenerací u Hypericum spp.
Druhy, které patří do rozsáhlého rodu Hypericum, jsou velmi variabilní. Rozdíly morfologických, fyziologických a biochemických vlastností různých druhů rodu Hypericum, které souvisí s jejich rozšířením ve světě, ovlivňují i jejich přirozenou odolnost k podmínkám životního prostředí, hlavně pak k teplotním extrémům. Bylo zjištěno, že tolerance k mrazu u deseti vybraných druhů rodu Hypericum spp. se pohybovala mezi -11 ° C (vyjádřeno v LT50), u druhů vyskytujících se na celém světě, a -4 ° C pro druhy citlivé k mrazu, které se vyskytuj v subtropické oblasti. I když míra průměrné regenerace pro všechny kryoprezervované druhy při použití stejné vitrifikační metody kryoprezervace nepřesáhla 30 %, vliv genetické predispozice tolerance k chladu by měl být brán v úvahu při optimalizaci protokolu kryokonzervace. Dále byl zkoumán možný stimulační účinek chladové aklimatizace a dalších stresorů spojených s vitrifikací na obsah hypericinu, jedinečných sekundárních metabolitů, syntetizovaných u mnoha druhů Hypericum a formování morfologických struktur, které slouží jako místa pro akumulaci těchto sloučenin. Naše výsledky ukázaly, že účinky chladu nemají vliv na biosyntézu hypericinu, ani na korelaci mezi obsahem hypericinu a kvantitativních charakteristik hypericin akumulující tmavé uzlíky.
Citace:
Petijová, L., Bruňáková K., Zámečník J., Zubrická D., Mišianiková A., Kimáková K., Čellárová E. (2014) Relation between frost tolerance and post-cryogenic recovery in Hypericum spp. Cryoletters 35 (3),171-179

Termické vlastnosti kryoprotektivních roztoků v závislosti na jejich složení a rychlosti chlazení a ohřevu
Vlastnosti kryoprotektivních roztoků ovlivňují vlastnosti kyoprezervovaných vzorků. Ovlivňují jejich obsah vody, podíl krystalické vody a teplotu skelného přechodu. Výběr kryoprotektivního roztoku tak může ovlivnit výsledek kryoprezervace i stabilitu skladovaných vzorků. Jednotlivé metody kryoprezervace využívají rovněž různé rychlosti chlazení a ohřevu vzorků, které mohou rovněž ovlivňovat vlastnosti biologických vzorků. Proto byly porovnávány termické charakteristiky tří kryoprotektivních roztoků (PVS1, PVS2, PVS3) a dvou jejich modifikací (PVS2mod., PVS3mod.) při různých rychlostech chlazení a ohřevu. Teplota skelných přechodů těchto kryoprotektivních roztoků byla rozdílná a souvisela se složením těchto roztoků, především s obsahem vody. Teplota skelné přechodu se statisticky významně zvýšila při využití ultrarychlého chlazení (přímé ponoření do kapalného dusíku; 6000 °C/min) ve srovnání s pomalým chlazením (20 °C/min) o 1,2 °C. Hodnota změny teploty kapalného dusíku však neměla praktický význam na uložené vzorky, protože teplota skelného přechodu se nachází v širokém intervalu teplot 15-20 °C, kde je zjištěná velikost změny zanedbatelná. Výsledky prokázaly, že výběr kryoprotektivního roztoku má významný vliv na teplotu skelného přechodu, ale výběr metody chlazení či ohřevu neovlivňuje zásadně termické vlastnosti vzorků.
Citace:
Teixeira A.S., Faltus M., Zámecník J., González-Benito M.E., Molina-García A.D. (2014) Glass Transition and Heat Capacity Behaviors of Plant Vitrification Solutions. Thermochimica Acta 593, 43–49, doi:/10.1016/j.tca.2014.08.015)

Využití termické analýzy při validaci postupu kryoprezervace révy vinné
Termická analýza byla využita při optimalizaci postupu kryoprezervace u vybraných odrůd révy vinné (Blussard modrý, Portugal modrý, Kerner). Bylo zjištěno, že odrůda Kerner byla nejvíce citlivá vůči osmotickému stresu a dehydrataci. Nejdůležitějším parametrem pro hodnocení postupu dehydratace v průběhu kryoprotokolu byl obsah krystalické vody. Ten klesal postupně u všech odrůd společně s teplotou tání explantátů. Nejnižší teplota tání byla po dehydrataci zjištěna u odrůdy Blussard modrý, ale naopak byla u této odrůdy zjištěna nejvyšší regenerační schopnost ze všech odrůd a zároveň nejvyšší podíl krystalické vody. Z výsledků je patrné, že citlivost odrůd révy vinné vůči kryoprezervaci je dána především jejich odolností vůči osmotickému stresu a dehydrataci. Výsledky ukázaly, že pomalá a postupná dehydratace je nezbytná pro úspěšnou kryoprezervaci, a otužení explantátů révy vinné vůči osmotickému stresu zvyšuje jejich odolnost vůči následné dehydrataci.
Citace:
Faltus M., Bilavcik, A., Zamecnik J. (2015) Thermal analysis of grapevine shoot tips during dehydration and vitrification, Vitis, 54, 243-245.

Fyziologická a biofyzikální reakce rostlin za nízkých a ultranízkých teplot
Úvodem je definováno teplo, sdílení tepla, teplota, tepelná kapacita, na příkladu hlavních komponent složení rostlin, fázového stavu vody, ledu a organických látek. Fázové přechody jsou rozděleny podle přechodů prvního řádu, ke kterým patří teplota přechodu vody v tání, evaporaci a sublimaci. K tepelným přechodům druhého řádu patři hlavně teplota skelného přechodu. Dále je pojednáno o stresu nízké teploty a jejího působení na rostliny a jejich fyziologické odpovědi. Vyjmenovány jsou fyziologické strategie vyrovnání rostlin se stresem nízké teploty. Biofyzika intracelulárního, extracelulárního a extraorgánového mrznutí vody je popsána z hlediska škodlivosti pro rostlinu. Obranné mechanismy, které mají rostliny jsou vyjmenovány spolu s mechanismy otužovaní rostlin k nízkým teplotám včetně účinných bariér, které mají rostliny vůči šíření ledu v nich. Závěrem je pojednáno o biofyzikálních změnách v rostlinách při ultranízkých teplotách, tvorbě biologického skla a jeho aplikaci při kryoprezervaci rostlin.
Citace:
Zamecnik J., Faltus M. (2014) Physiological and biophysical responses of plants under low and ultralow temperatures. Handbook of Plant and Crop Physiology, M. Pessarakli (ed), Taylor & Francis Group, 358-584