Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a učitelství biologie CZ.1.07/2.2.00/

Transkript

1 Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a učitelství biologie CZ.1.07/2.2.00/

2 Domestikace rostlin Petr Smýkal Katedra botaniky Univerzita Palackého v Olomouci

3 Charles Darwin ( ) Variation of Animals and Plants under Domestication (1868) On the Origin of Species (1859) Alfonse De Candolle ( ) Géographie Botanique Raisonée (1855) L Origine des Plantes Cultivées (1883)

4 Ex situ germplasm genetic diversity for next generations Nikolaj Ivanovič Vavilov ( ) Centers of Origin of Cultivated Plants (1926) The Phytogeographical Basis for Plant Breeding (1935) David Grandison Fairchild ( ) USDA - Seed and Plant Introduction Office (1898) The department employed agricultural explorers to seek out economically useful plant species to import to the United States P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ

5 World-wide network of germplasm collections genebanks, 130 preserves more than accessions, world total of about 7,400,000 accessions botanical gardens herbaria 350,000,000 specimens P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ

6 Distribution of pea accessions among major world collections accessions, with average 20% overlap of that 4818 TILLING lines status by IX USA Italy Bulgaria Sweden The Netherlands Australia Syria Germany China UK Polland Smýkal P, Coyne C, Redden R, Maxted N (2013) Peas. Chapter 3. In: Singh M, Bisht IS editors, Genetic and Genomic Resources for Grain Legume Improvement. Elsevier Insights, London. Pp P. Smýkal

7 Distribution by origin Western and Central Europe Balkan Mediterranean region Turkey-Syria Israel- Jordan-Palestine Caucassus region (Armenia-Georgia- Azerbaijan) Central Asia (Iraq-Iran-Turkmenistan- Pakistan-Afghanistan) Russia-Ukraine-Kazachstan 1899 India- Nepal-Tibet China-Mongolia-Japan Africa (excluding Mediterranean) Ethiopia-Yemen Americas Australia-NZealand-Oceania Southeast Asia 10/50 P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ

8 Pea accessions stratification lack of wild sp. from accessions with known passport data all wild (2.5%, 1863) commercial varieties (34%) breeding lines (13%) landraces (38%) mutant stock (2%) RILs (3.7%) P. subsp. elatius (0,42%) "P.humile/syriacum" (1.2%) "P. transcaucassicum, asiaticum" (0.2%) P. abyssinicum (0.36%) P. fulvum (0.46%) uknown P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ

9 Preserved germplasm dynamic in genetic structure problems of small populations P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ

10 Dynamic genetic structure influence of genetic erosion, drift Cieslarová et al Genet Res. Crop Evolution P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ

11 Germplasm as witness of past Cieslarová et al Czech J Genet Plant Breeding P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ

12 Germplasm versus herbaria records Shehadeh et al. Genetic Res Crop Evol in press P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ

13 Still new collection missions needed with eco-geographical data, phylogeography of the genera, some crop wild relatives are not preserved P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ

14 Eco-geographical data needed P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ

15 Determination of target taxa, delineation of target area and harvesting of occurrence data 21/50 P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ

16 The potential use of CWR for crop improvement based on Harlan and de Wet (1971) gene pool (GP) concept, when knowledge of the breeding potential of crop s wild relatives is available However, the crossability information is lacking for most crop gene pools, the taxon group (TG) concept (Maxted et al., 2006) can be used as a substitute. TG1a: TG1b: TG2: TG3: TG4 TG5: crop taxa is the same species as crop the same section as the crop the same subgenus as the crop the same genus as the crop the same tribe P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ

17 Tertiary genepool Vavilovia formosa Secondary genepool Pisum fulvum P.sativum subsp. abyssinicum Pisum sativum genepools Primary genepool Pisum sativum subsp. sativum subsp. elatius L. ochrus L. clymenum L. articulatus L. neurolobus

18 Lathyrus sativus genepools Secondary genepool L. chrysanthus, L. gorgoni, L.marmoratus, L. pseudocicera, L. amphicarpus, L.blepharicarpus, L.chloranthus, L.hierosolymitanus L. hirsutus Primary genepool Lathyrus sativus L. cicera

19 P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ

20 P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ In situ conservation

21 Germplasm collestions as source of allelic variation P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ

22 Focused Identification of Germplasm Strategy (FIGS) FIGS use agro-climatic information, generated by Geographic Information Systems, as well as other types of information, to describe the environments from which genetic resources were originally collected. This allows us to predict where selection pressures may have occurred for specific adaptive traits. P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ Endresen, D.T.F. (2011). Utilization of Plant Genetic Resources: A Lifeboat to the Gene Pool. PhD Thesis, Department of Agriculture and Ecology, Faculty of Life Sciences, Copenhagen University, Denmark. ISBN:

23 Místa neolitické revoluce Úrodný Půlměsíc Jižní Amerika 9500 př.n.l př.n.l. Střední Amerika Jihovýchodní Asie 6000 př.n.l př.n.l.

24 Kombinace přístupů pro zjištění možného geografického původu kulturních rostlin Harlan, 1971

25

26 Domestikace dávná i současná

27 Fabaceae 41 fazole, hrách, čočka, soja, vigna Gramineae 29 kukuřice, rýže, pšenice, proso Brasicaceae 25 zelí, řepka,hořčice Solanaceae 18 rajče, brambor, paprika, tabák Cruciferae 13 řepka, zelí, ředkev Cucurbitaceae 13 okurek, meloun, dýně Rosaceae 11 jabloň, broskve, švestky Liliaceae 11 cibule, česnek,pór Daucaceae 9 mrkev, fenykl, kopr, kmín Asteraceae 8 slunečnice, topinambur

28 Domestikované plodiny Asie rýže, sója, proso, cukrová třtina, banánovník, taro, jam Střední východ - Středozemí pšenice, ječmen, cizrna, hrách, čočka, vikev, len, olivovník Amerika slunečnice, kukuřice, fazole, podzemnice, tykev, brambory Afrika čirok, vigna, proso, káva, olejová palma, africká rýže

29 Plané formy předchůdci pěstovaných plodin slunečnice kukuřice pšenice

30 Domestikační syndrom výběr vhodných genotypů/fenotypů větší zásobní orgány - semena, hlízy rozpadavost klasu šíření semen snížení, ztráta dormance odnožování x dominance popínavost x keřovitost partenokarpie pohlaví květu oboupohlavnost samosprašnost reprodukční isolace - homozygozita změny ploidie fotoperiodismus víceletost x jednoletost eliminace toxických látek

31

32 Domestikací modifikované znaky Hrách (Pisum sativum ) znak plané formy domestikované pukavost lusku ANO NE dormance semen ANO NE výška rostliny vysoká nízká větvení stonku ANO NE velikost semen malá velká kvalita semen nízká vysoká obsah antinutričních látek ANO NE květení dlouhý den neutrální

33 Šíření a klíčení semen klíčové znaky domestikace

34 Šíření a klíčení semen klíčové znaky domestikace dormance u planých forem uniformní klíčení kulturních forem

35 Domestikace a výběr Pěstované formy/druhy 70% diverzity planých druhů

36 Introgression exploration of wild crop relatives Jing et al Pisum fulvum WL2140 Pisum sativum WL1238 P. fulvum WL2140 P. sativum WL1238 X Line 1-2 Line 1-4 Line 1-11 Line 3-5 Line 4-2 F3 generation plants P. Smýkal

37 Repetitive sequences as markers Microsatellites CACACACACACA A CACACA B CACACACACACACACA ---- C A B C P. Smýkal

38 Retrotransposon-based insertion polymorphism (RBIP) L b b a a b b a a b ab a b L b b a a b a -9 a b ab ab b L b b b a -9 b -9-9 a a a ab L a b b a b a -9 b a a a ab L b b b a -9 b -9 b b ab ab b L a b b a b b -9 a b a a b L b b a a b ab a b a ab ab b L b a a -9 a -9-9 b a a -9 L a b b a -9 a a -9 a ab a b L b b a a b b a a a -9 a -9 L b b ab a b -9 b a -9 L a b b a -9 a a b a ab a b L b b a a -9 a -9 a a -9 a b L b b a a -9-9 a b -9 a a b L a b ab a b a a a A. Flavell P. Smýkal

39 G 4,429 accessions of the combined set H 140 accessions of Chinese origin I 349 accessions of Ethiopian origin J K 100 accessions of Afghan origin 1,257 accessions of Czech collection L P. Smýkal BAPS analysis of composed dataset 140 accessions of wild forms (P. fulvum, P. sativum subsp. elatius, P. abyssinicum)

40 Multivariate analysis of pea germplasm diversity P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ

41 wild Pisum P. Smýkal various size core collections 4,538 Pisum accessions held in six European Genebanks

42 3,020 samples from JIC Pisum germplasm collection genotyped with 45 RBIP markers

43 Representative core collections to reduce the size A.H.D. Brown, O.H. Frankel, D.R. Marshall and J.T. Williams, eds. The use of Plant Genetic Resources. Cambridge university Press acc. genetic diverzity of original versus core collection (10%) acc. P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ

44 P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ Bioversity International AEGIS 10/048

45 Význam genetické diversity Mayové - monokultura kukuřice - choroby/škůdci/eroze Irsko (1846) - Phytophtora infestans u brambor USA (1970) hybridní kukuřice x Helminthosporium maydis T typ CMS ve vazbě na gen náchylnosti USA - Xanthomonas campestris u citrusů současnost - banánovník cv. Cavendish houbové choroby - pšenice rez travní (Pucinia graminis) Ug99

46 Rychlost domestikace fixace znaku let frekvence výskytu nerozpadavého klasu v archeologických nálezech versus modelování a experimenty recesivita x dominance mono x polygenost samo x cizosprašnost ječmen, pšenice, rýže

47 Rychlost domestikace Allaby, 2008

48

49 Tok genů mezi planými a kulturními formami zpomaloval proces proto rychlejší fixace znaků mimo genová centra

50 Recentní domestikace lupiny ( let) Lupinus albus, L. angustifolius, L. luteus -Středozemí L. mutabilis J. Amerika Vernalizace Fotoperioda Dormance Pukavost lusků

51 Recentní domestikace lupiny ( let) L. angustifolius, L. luteus

52 Lokalizace domestikačních genů ve shluku nebo roztroušené?

53 Chronologie fixace znaků velikost semen rozpadavost klasu waxy vernalizace/fotoperioda nezávislý vznik na více místech je po kontaktu setřen vlivem působení driftu

54 Domestikace jednou nebo vícenásobně? Peterson et al. 2006

55 Archeobotanika - archeogenetika vrs1 lokus ječmene

56 Genetické změny během procesu domestikace (příčina nebo důsledek) změny ploidie hybridizace mutace

57 Polyploidie - častý stav genomu kulturních rostlin 3n: banán, jablko, zázvor, řepa 4n: durum pšenice, kukuřice, bavlník, brambor, zelí, tabák, podzemnice 6n: chrysantéma, pšenice, oves 8n: jahodník, jiřiny, cukr. třtina

58 Mezidruhová / mezirodová hybridizace

59 Vesmír 9/2009

60 Triticale (x Triticosecale, žitovec) "From a scientific curiosity to a viable crop in the course of a few decades" Triticum durum (AABB) X Secale cereale (RR) (x T. aestivum AABBDD) hexa nebo octaploidní První kříženci 1940 Nyní produkce 15 miliónů tun

61 Mutace změny funkce genů Květák (Brassica oleracea var. botrytis) Mutace v MADS-box genu (transkripčním faktoru) apetala-1/cauliflower opakovaná tvorba květních meristémů

62 Domestikace ve světle molekulární biologie aneb za vším hledejme geny

63 Geny zodpovědné za domestikační vlastnosti Jaký typ genů? Jednotlivé geny s velkým účinkem nebo více genů? Modifikace nebo eliminace funkce?

64 Kukuřice (Zea mais L.) Domestikována v jižním Mexiku před 7 tisíci lety Poskytuje nyní přibližně 25% lidské výživy! produkce 800 milionu tun

65 Planá kukuřice teosinta (Zea mays ssp. parviglumis)

66

67 TEOSINTE BRACHED 1 (tb1) změna hladiny exprese transkripční regulátor represe buněčného cyklu

68

69 Domestikační historie sóji

70

71 Dvouřadý Šestiřadý

72 TEOSINTE GLUME ARCHITECTURE 1 Nature 2005

73 TEOSINTE GLUME ARCHITECTURE 1

74 tga1 = squamosa-promoter binding protein teosinta/ kukuřice (záměna K6N)

75 Pšenice (Triticum aestivum L.) světová produkce 600 mil tun

76 Rozpadavost klasu obilovin

77 Q gen pšenice volná obilka, rozpadavost klasu APETALA-2 transkripční faktor Exon isoleucin 329 Simons et al Genetics tvar a pevnost plevy rozpadavost vřetene klasu délka klasu výška rostliny doba metání

78 3x více semen Komatsuda et al PNAS Modifikace nebo ztráta funkce Vrs1 genu Transkripčního represoru

79 Středozemí a Blízký Východ Hlavní srážky podzim a zima Potřeba využít toto období pro vegetativní fázi a následně oddálit nástup kvetení vernalizace a fotoperiodismus Dvouletá vegetační forma ozimé formy Pro prvotní nomadický styl, rozšíření zemědělství do Evropy a úrodnější oblastí možnost dvou sklizní za rok jednoleté jarní formy

80 Ozimá pšenice vyžaduje vernalizaci - řízenou VRN1, VRN2 geny MADS-box faktory Yan et al PNAS

81 Rýže (Oryza sativa L.) světová produkce 600 mil tun

82 Domestikací modifikované znaky rýže Zrno: velikost, tvar, barva, vůně, obsah amylózy Klas: rozpadavost, osinatost, velikost a tvar laty Rostlina: odnožování

83 Vliv introgrese na vznik kulturní rýže

84 Li et al. Science 2006 QTL 69% sh4 locus G to T substitution Lys to Asp Myb3 DNA binding domain

85 qsh1

86 qsh1 SNP!!! 12 kb od kódující sekvence, ovlivňující expresi RPL genu BEL1-type homeobox gen, homolog Arabidopsis REPLUMLESS (RPL)

87 Rajče velikost plodu fruitweight (fw2.2 lokus) (Frary et al Science) první klonovaný QTL homologie k Ras family GTPase Určuje 30% velikosti plodu Mutace v promotorové oblasti represor buněčného dělení Interakce s beta podjednotkou CKII kinázy v membráně fw2.2 Buněčné dělení Velikost plodu

88

89 Geny zodpovědné za domestikační vlastnosti

90 Norman Borlaug ( ) Green Revolution pšenice Norin 10 Mutant v genu pro kratší internodia Rýže IR8 (Miracle Rice) Nobelova cena míru 1970 positiva (potravinová soběstačnost, vysoce produktivní odrůdy) negativa (snížení diversity, zvýšení užití pesticidů, hnojiv, zavlažování, mechanizace, proměna venkova)

91 Zelená revoluce a geny zakrslosti - pšenice Původně rostliny musely soutěžit s plevely Většinou neoptimální výživa (N, P) Robustní, vysoké Používání umělých hnojiv a pesticidů Potřeba redukce výšky ( ) Rhbt-B1b (chromosom 4B) Rhbt-D1b (chromosom 4D) ortolog Ath GAI proteinu v signální dráze giberelinů Mutantní protein postrádá N-terminální DELLA doménu konstitutivní represor růstu

92 Zelená revoluce a geny zakrslosti - rýže Enzym biosyntetické dráhy syntézy giberelinů - GA20 oxidáza

93 Geny zodpovědné za specifické vlastnosti Aroma semene rýže Barevnost semene rýže Lepivost/konzistence rýže Krátkostébelnost rýže Žlutosemenost kukuřice