Včely zohrávajú kľúčovú úlohu v prírode aj poľnohospodárstve, zoznam opeľovačov je však v skutočnosti oveľa pestrejší. Podľa zoológa FEDORA ČIAMPORA z Centra biológie rastlín a biodiverzity SAV vďaka moderným DNA metódam je už dnes možné presne a rýchlo odhaliť, aký hmyz sa podieľa na opeľovaní rastlín a plodín na konkrétnom území. Tieto dáta sú mimoriadne dôležité aj pre výskum biodiverzity.
Včela medonosná a včely samotárky tvoria základ opeľovacej siete. Významnú úlohu však zohrávajú aj iné druhy hmyzu ako čmele, pestrice, motýle či chrobáky, o ktorých sa zas až tak veľa nehovorí. Aj z toho dôvodu je dôležité zachovanie biodiverzity. Váš výskum je okrem iného zameraný na biodiverzitu opeľovačov, a to prostredníctvom moderných DNA metód. Ako fungujú DNA barkóding alebo metabarkóding, teda metódy, ktoré pri svojej práci využívate?
Keď prídete do obchodu, pokladníčka načíta čiarový kód každého tovaru z košíka. Čiarový kód v tomto prípade odkazuje na záznam v databáze, kde sa o produkte nachádzajú všetky potrebné informácie. Presne tak isto funguje DNA barkóding, akurát v prípade biologických druhov ten čiarový kód predstavuje krátka časť genómu. Aj pre tieto DNA čiarové kódy máme celosvetové referenčné databázy.
Takže keď hmyz odchytím, mám možnosť získať jeho DNA. Keď ju osekvenujem, zistím poradie nukleotidov v barkódingovej časti genómu a takto získané informácie odošlem na porovnanie do referenčnej databázy. Ak daný záznam existuje, databáza ponúkne informáciu o tom, aký druh prislúcha k danej sekvencii. Pri DNA barkódingu ide teda o prácu s jedným organizmom, z ktorého získam jeho DNA.
Môžeme však použiť aj vzorku, kde sa nachádza naraz veľké množstvo druhov. Vďaka sekvenátorom novej generácie, ktoré sú schopné paralelne sekvenovať milióny DNA kópií a produkovať obrovské množstvo dát, dokážeme na základe vzorky rôzneho hmyzu zistiť zoznam všetkých druhov, ktoré sa vo vzorke nachádzajú. V tomto prípade ide o DNA metabarkóding.
Ako zdroj DNA možno v tomto prípade použiť aj environmentálne vzorky, pretože živočíchy po sebe zanechávajú DNA stopy. Takáto DNA – voláme ju eDNA – poletuje vo vzduchu, je vo vode alebo pôde, a to vo forme zvyškov pokožky, vajíčok, odumretých častí alebo aj slizu slimákov. Aj bez konkrétnych jedincov teda dokážeme z prostredia izolovať DNA, ktorá sa tam nachádza.
Obrovskou výhodou tejto metódy je, že je efektívna, rýchla aj finančne zaujímavá, pokiaľ rátame s tým, že by sme pri určovaní každého druhu využívali služby taxonomických expertov. Tí navyše ubúdajú, pretože tieto pozície už, bohužiaľ, nie sú natoľko zaujímavé ani pre vedecké inštitúcie, ani pre grantové agentúry.
V akých prípadoch využívate barkóding a kedy metabarkóding?
Pri barkódingu vytvárame základné zdrojové dáta a v rámci metabarkódingu sa ich už snažíme prakticky využívať a spoznávať stav biodiverzity, rozdiely medzi ekosystémami. Najväčšou výhodou je, že tieto metódy umožňujú získavať kvalitné dáta aj ľuďom, ktorí nie sú odborníci na jednotlivé taxonomické skupiny.
Ako vznikajú spomínané referenčné dáta?
Vytvárajú ich odborníci. V prípade hmyzu je to entomológ, ktorý v teréne nazbiera a následne klasickým spôsobom určí daný materiál na základe morfologických znakov a z takto určeného materiálu izoluje a sekvenuje barkódingovú časť DNA, následne vytvára záznam v referenčnej databáze – daný organizmus tam má priradenú sekvenciu a druhové meno.
Pokiaľ mám vzorku, ktorú sám neviem určiť, môžem získanú sekvenciu poslať do referenčnej databázy. Pokiaľ takýto záznam v databáze existuje, dozviem sa pomenovanie daného druhu. Bohužiaľ, napriek tomu, že sú v databáze desiatky miliónov záznamov, zďaleka nepokrývajú biotu celej planéty. Práve s nástupom moderných molekulárnych metód sa zistilo, že biodiverzia je v skutočnosti podstatne väčšia, než sme si mysleli.
Na pozadí všetkého stojí spomínaná referenčná databáza – ide o úložisko dát, kam pribúdajú údaje z celého sveta?
Presne tak. Nie je to jediná databáza, ale my pracujeme najčastejšie s databázou BOLD (The Barcode of Life Data Systems). Zameraná je primárne na barkódingové fragmenty a určovanie vzoriek. Vzhľadom na to, že do nej prispievajú ľudia z celého sveta, dokážeme určiť aj vzorky živočíchov, ktoré sa u nás prirodzene nevyskytujú. Nachádzajú sa tam tiež dáta od odborníkov, ktorí pracujú s rôznymi taxonomickými skupinami, čo je veľmi dôležité, pretože biodiverzita je natoľko široká, že dnes už neexistuje nik, kto by vedel určiť všetko a vo všetkom sa vyznal.
Ako by sme mohli zhrnúť hlavný cieľ vášho projektu, ktorý je zameraný na biodiverzitu opeľovačov na Slovensku?
Vychádzame z predpokladu, že vzhľadom na počet kvetov, ktoré je potrebné opeliť, nemôžu všetko stihnúť iba včely či zopár ďalších druhov, ktoré sú zvyčajne spomínané v súvislosti s opeľovaním. Máme približné čísla o tom, koľko včelstiev žije na Slovensku, vieme tiež, koľko toho jedna včela za svoj život dokáže opeliť, a keď sme to veľmi nahrubo prepočítali, ukázalo sa, že keby sa včely venovali napríklad len repke olejnej, nestihli by opeliť ani ju. A to tu máme ešte kvantum ďalších rastlín a plodín, ktoré opeľovačov potrebujú.
Tak sme si vybrali tri plodiny, ktoré spĺňajú kompromis, že sú do značnej miery závislé od opeľovačov a zároveň sú aj ekonomicky významné. Zvolili sme si repku olejnú, jabloňové sady a mak siaty. Na týchto troch plodinách zbierame vzorky jednak klasickými entomologickými metódami, ako je zber hmyzu sieťkami, ale DNA izolujeme aj z kvetov, aby sme vedeli, čo všetko na nich sedáva a s najväčšou pravdepodobnosťou sa aj podieľa na ich opeľovaní. Okrem toho zbierame tiež vzorky z okolia polí, aby sme vedeli, aký majú okolité biotopy vplyv na faunu, ktorá sa vyskytuje na poliach a v sadoch.
Znie to tak, že vaša práca sa do značnej miery odohráva v teréne. Skutočne tam trávite toľko času?
Každú sezónu máme pár dní vyhradených na jednotlivé plodiny, každú z nich sledujeme na niekoľkých poliach. Bol by som, samozrejme, rád, keby toho času bolo násobne viac a mali sme tiež viac vzoriek, ale musíme hľadať čas ako všetko skĺbiť s inými pracovnými aktivitami.
Je to tiež náročné na logistiku, pretože musíme vystihnúť moment, keď plodina kvitne, keď je pekné počasie a sú tam tiež opeľovače. Musíme byť tiež vopred dohodnutí s majiteľmi polí, ktorých je často problematické vypátrať, keďže poľnohospodárske družstvá zvyčajne nemajú ani webstránku. Iná situácia je v jabloňových sadoch, kde to dokonca vítajú, pretože majú veľké výdavky na pesticídy a chápu, že naše dáta im môžu pomôcť ušetriť.
Dalo by sa teda povedať, že vďaka podobným dátam by bolo v budúcnosti možné vytvoriť sad, ktorý by dokázal fungovať bez zásahu človeka?
Ja si myslím, že by to šlo. Niekde som čítal, že biodiverzita je brzdou pre šírenie nepôvodných druhov, škodcov atď. Keď systém funguje, žiaden druh sa nepremnoží. Keď systém narušíme, čo sme poľnohospodárstvom jednoznačne spravili, niektoré druhy sa vedia prispôsobiť ponuke, ktorú pred sebou majú, a keď nemajú predátorov, premnožia sa.
V prípade, že by sme boli schopní pozrieť sa na prostredie komplexnejšie, je možné, že by sa na územie vrátili druhy, ktoré tam kedysi žili a dokázali prostredie udržať v rovnováhe. Neexistuje totiž pesticíd, ktorý by bol účinný len proti konkrétnemu škodcovi. Jeho použitím zabíjame všetok hmyz. Navyše škodcovia sa často dokážu chémii prispôsobiť a je potrebné striekať ešte viac alebo využívať agresívnejšie chemikálie.
„Ideálne by bolo nájsť kompromis medzi záujmami pôvodnej biodiverzity a poľnohospodárov, pretože jesť musíme a to sa nezmení.“
Viaceré štúdie upozorňujú na pokles populácií hmyzu vrátane opeľovačov. Informácie o ich výskyte a početnosti druhov sú základom pre ich ochranu. Ako ste povedali, DNA analýzy môžu túto prácu výrazne urýchliť aj spresniť – najmä v prípade menej známych alebo drobných opeľovačov. Spomenuli sme jednu z možností využitia týchto dát v praktickej ochrane biodiverzity, kde by sa mohli tieto dáta ešte uplatniť?
Ide o jedny z prvých dát na Slovensku, ani v medzinárodnom meradle nie je zatiaľ veľa takto smerovaných metabarkódingových štúdií, zameraných na opeľovače. Cieľom je, aby sa dáta dali využiť na efektívny manažment poľnohospodárskej krajiny. Aby na jednej strane poľnohospodári cítili, že im to pomáha, no na druhej strane by to prospelo aj pôvodnej biodiverzite a hmyz, ktorý sa na celom tomto procese podieľa, by sa mal kde schovať, rozmnožovať, vyvíjať. Ideálne by bolo nájsť kompromis medzi záujmami pôvodnej biodiverzity a poľnohospodárov, pretože jesť musíme a to sa nezmení.
Aké konkrétne opeľovače okrem včiel sa vám teda podarilo na týchto monitorovaných územiach identifikovať?
To je zatiaľ ťažko povedať. Samozrejme, nie všetky druhy, ktoré na poliach a v sadoch nájdeme, sa musia podieľať aj na opeľovaní. Zároveň však vieme, že tých druhov bude veľa. Nutné je ale zozbierať podstatne viac dát, aby sme vedeli povedať, ktoré druhy či skupiny hmyzu a iných bezstavovcov sa na poliach vyskytujú pravidelne, aké spoločenstvá sú charakteristické pre jednotlivé plodiny a pod. Už z predbežných výsledkov ale vieme, že medzi jednotlivými plodinami aj študovanými lokalitami sú zreteľné rozdiely. V budúcnosti bude preto treba pri ochrane lokálnych spoločenstiev opeľovačov zohľadňovať tieto geografické či taxonomické rozdiely.
DNA metódy dokážu zachytiť aj druhy, ktoré sú zriedkavé alebo nové pre dané územie. Podarilo sa vám objaviť druh, ktorý ste na danom území rozhodne nečakali?
Áno, stáva sa to. Napríklad sme odobrali vzorky pôdy z oblasti, kde sme očakávali terestrické druhy, no vo vzorkách sa objavili vodné druhy. Keď sme to následne konfrontovali s mapovými záznamami, zistili sme, že sa v blízkosti danej lokality pred pár rokmi robila rekultivácia kanála a na Google mapách bolo vidno, že kopy sedimentu, ktoré boli produktom tohto čistenia, vyviezli presne na toto miesto. Tieto metódy sú dosť citlivé a môžu priniesť na prvý pohľad nelogické výsledky. Často je to otázka ďalších dát a informácií, ktoré ich pomôžu vysvetliť. Podobne vo vzorkách vody z Dunaja pri Bratislave sme zachytili DNA morských lastúrnikov. Zrejme ide o stopy z reštaurácií s morskými plodmi.
A čo tak vzorky úplne nového druhu, ktorý ešte nebol nikdy zaznamenaný? Nestal sa vám aj takýto extrém?
Povedal by som, že aj v našich dátach je množstvo druhov, ktoré sú nové pre Slovensko alebo Európu, dokonca pre vedu. Ale, bohužiaľ, taxonomické analýzy by vyžadovali skúsenosti s jednotlivými skupinami a, samozrejme, tiež množstvo času, ktorý nemáme. Ale napríklad kolegovia v Nemecku robili metabarkódingové štúdie doslova pred dverami do svojho inštitútu a zistili, že sa tam nachádzajú kvantá drobných dvojkrídlovcov a blanokrídlovcov, ktoré sú v strednej Európe neznáme, nemajú svoje meno a nikdy ešte neboli opísané.
Čo sa týka samotných dát, databáza určí všetky vzorky do úrovne druhu, aj keď niektorým nie je schopná priradiť aj druhové meno. Dokážeme však vždy určiť aspoň rod alebo čeľaď. To je tiež mimoriadne užitočná informácia, z ktorej vieme celkom presne opísať napríklad zloženie spoločenstiev. Mená druhov až tak nepotrebujeme. Každý druh má v databáze tzv. BIN číslo (Barcode Index Number).
V prípade, že sa druh s konkrétnou sekvenciou v referenčnej databáze zatiaľ nenachádza, vytvorí sa preň nový BIN, a preto máme o každom druhu samostatné informácie. Môj názor je, že keď budeme tieto dáta využívať pre monitoring, budeme môcť či musieť upustiť od silného nutkania všetko pomenovávať a skončí sa to jednoducho pri kódoch. Z pohľadu hodnotenia stavu biodiverzity nie sú latinské názvy až také podstatné.
Čoraz viac sa hovorí o význame mestskej zelene pre podporu opeľovačov, v mestách sa vytvárajú nekosené plochy, vysádza sa lúčna zmes. Nechystáte sa svoj výskum presunúť aj do miest a na sídliská?
Snaha prinavrátiť opeľovače do miest je vynikajúci nápad. Nemyslím to v zlom, ale výsledky sú zatiaľ asi také, ako keby som sa napríklad ja zoológ podujal navrhnúť kanalizáciu. Viem, že vďaka gravitácii bude všetko stekať zhora smerom nadol, niekde sa to spojí a na konci by mala stáť čistička… Nikdy to však nebude návrh od odborníka, ktorý má potrebné vedomosti a skúsenosti. Preto si myslím, že by bolo veľmi dobré, keby sa metódy, o ktorých hovorím a ktoré vedia presne hodnotiť stav biodiverzity a vedia hodnotiť aj efekt „eko“ opatrení, stávali súčasťou podobných projektov.
Napríklad v mestskej časti, v ktorej bývam, začala vznikať biodiverzitná lúka. Vysadila sa tam lúčna zmes, nik sa ale pravdepodobne nespýtal botanikov, aké rastliny by boli pre dané miesto vhodné, ktoré rastliny tam možno rástli kedysi a ak by sa použili, mohli by podporovať rozvoj pôvodnej biodiverzity. Výsledok bol taký, že lúčnu zmes prerástla burina a napokon celú lúku skosili. Toto je postup s peknou myšlienkou, ale nedomyslenými krokmi.
Nepremýšľali ste po tomto zistení, že by ste iniciatívne oslovili mestskú časť alebo správu mesta s návrhmi na zlepšenie?
Do značnej miery si uvedomujem a priznávam, že je to aj naša chyba, že málo informujeme verejnosť. Jednou z príčin je, že personálne nestíhame. Sme malý tím, ale aj napriek tomu sme sa minulý rok v Bratislave zúčastnili na Starmuse, krásnom veľkom medzinárodnom vedeckom podujatí, kde bol o náš stánok veľký záujem. Boli sme tiež na Európskej noci vedy a teraz v júni sme sa zúčastnili na podujatí My sme SAV. Pretože vieme, že je mimoriadne dôležité byť v kontakte s verejnosťou a vysvetľovať ľuďom, čo robíme a na čo je náš výskum dobrý.
Na poslednom zo spomínaných podujatí nás oslovili zo Západoslovenskej distribučnej spoločnosti, kde majú záujem revitalizovať vyklčované pásy pod elektrickým vedením. Vieme im poskytnúť dáta, na základe ktorých budú môcť robiť kvalitnejší ekologický manažment či podporovať lokálnu biodiverzitu. Takže aj takto môžu vzniknúť spolupráce.
Na záver by sme mohli spomenúť ešte ďalšie projekty, ktorým sa venujete. Ide o biodiverzitu alpínskych plies a biomonitoring ekologického stavu vôd.
Výskum alpínskych plies je srdcovkou nášho tímu ešte z doktorandských čias. Robí sa tam dlhodobý výskum fauny plies či vplyvu acidifikácie prostredia v minulosti a my sme chceli priniesť viac DNA dát a genetiky do tohto výskumu. Nedávno naši doktorandi analyzovali, čo všetko sa dá zistiť z DNA z vody a sedimentov. Zisťovali tiež, či je možné na základe DNA dát definovať rôzne typy plies, čo môže byť zaujímavé z pohľadu zachovania biodiverzity týchto vzácnych sladkovodných habitatov.
Keďže náš tím je pôvodne zameraný skôr na sladkovodné prostredie, veľmi dôležitou témou z nášho pohľadu je tiež spolupráca s Výskumným ústavom vodného hospodárstva (VÚVH) a snaha začleniť DNA biomonitoring do procesu hodnotenia ekologického stavu našich vôd. Podľa EÚ smernice o vodách musia európske štáty monitorovať svoje vodné toky a na základe monitoringových dát robiť opatrenia, ktoré povedú k náprave ekologického stavu vodných tokov. Jednou z najdôležitejších súčastí pri monitoringu je práve biologická zložka. Vidíme, aké je spracovanie vzoriek náročné na taxonomických odborníkov a tiež čas a financie. Snažíme sa preto, aby sa DNA postupy dali aplikovať aj na tento biomonitoring.
Na tejto téme sme začali pracovať, odkedy sme boli súčasťou mimoriadne úspešnej EÚ COST akcie (DNAqua-Net), kde celé konzorcium riešilo práve problematiku implementácie DNA metód do biomonitoringu sladkovodných ekosystémov v Európe. Som si preto istý, že príde čas, keď v EÚ dôjde k aktualizácii procesu hodnotenia a biomonitoring sa bude robiť pomocou DNA. Bolo by preto dobré, aby sme boli pripravení.
Tento rok tiež spolupracujeme s Ministerstvom životného prostredia SR a Prírodovedeckou fakultou UK na príprave projektu, ktorý rieši monitoring nepôvodných a inváznych druhov. Aj v tomto projekte sme zodpovední práve za implementáciu DNA postupov, pretože majú potenciál mnohé z týchto druhov monitorovať rýchlo a efektívne.
RNDr. FEDOR ČIAMPOR, PhD.
Je vedúci oddelenia biodiverzity a ekológie v Centre biológie rastlín a biodiverzity SAV. Jeho výskum je zameraný na využívanie moderných DNA metód v štúdiu biodiverzity. Venuje sa taxonómii, systematike, fylogenéze, fylogeografii vodných bezstavovcov a biodiverzite sladkovodných aj terestrických ekosystémov. Je spoluzakladateľom iniciatívy AquaBOL.sk, ktorej cieľom je vytvoriť referenčnú databázu všetkých druhov vodnej fauny na Slovensku, ktorá by slúžila vedeckým účelom aj praxi. Tiež zastupuje Slovensko v konzorciách International Barcode of Life (iBOL Europe) a European Reference Genome Atlas (ERGA).
Stanislava Longauerová
Foto: Martin Bystriansky
Časopis Akadémia 4/2025