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 a šlechtění rostlin aneb jak si člověk ochočil rostliny Petr Smýkal Katedra botaniky, UPOL

3 9000 BC First evidence of plant domestication 700 BC Egyptians/Mesopotamians artificially pollinated date palm 1676 Crew suggested the function of ovules and pollen 1694 Camerarius first to demonstrate sex in (monoecious) plants and suggested crossing as a method to obtain new plant types 1714 Mather observed natural crossing in maize Kohlreuter demonstrated that hybrid offspring received traits from both parents and were intermediate in most traits, first scientific hybrid in tobacco 1866 Mendel: Experiments in plant hybridization 1900 Mendel s laws of heredity rediscovered 1944 Avery, MacLeod, McCarty discovered DNA is hereditary material 1953 Watson, Crick, Wilkins proposed a model for DNA structure 1970 Borlaug received Nobel Prize for the Green Revolution Berg, Cohen, and Boyer introduced the recombinant DNA technology 1994 FlavrSavr tomato developed as first GMO 1995 Bt-corn developed

4 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)

5 Nikolaj Ivanovič Vavilov ( ) Centers of Origin of Cultivated Plants (1926) The Phytogeographical Basis for Plant Breeding (1935)

6 J.G. Mendel a hrách aneb kde v roce 1865 začala genetika (* )

7 Uchování genofondu rostlin 1890 Vienna - International Agriculture and Forestry Congress, Emmanuel Ritter von Proskowetz, Kvasice u Kroměříže význam krajových odrůd (landraces) pro šlechtění 1914 Baur (Německo) varování před genetickou erozí v důsledku rozvoje šlechtění a zemědělské výroby N.I. Vavilov (Leningrad, Rusko) definování genových center kulturních rostlin, sběrové expedice konference FAO rezoluce o významu gen. zdrojů a o nebezpečí genetické eroze 1960 ustavení CGIAR - Consultative Group on International Agricultural Research 1967 FAO/IBPGR Technical Conference on the Exploration, Utilization and Conservation of Plant Genetic Resources (PGR) 1968 ustavení EUCARPIA Genebank Committee - návrh na ustavení čtyř regionálních genových bank 1982 rezoluce FAO - International Undertaking on Plant Genetic Resourcesvypracování globální strategie konzervace a využívání genových zdrojů 1992 UNCED- United Nations Conference on Environment and Development (Rio de Janeiro), Convention on Biological Diversity - první globální dohoda o ochraně biodiverzity a genových zdrojů

8 Historie novodobého šlechtění aneb významní šlechtitelé Královské a klášterní zahrady A.N. Duchesne (1765-éra Ludvíka XV) jahody L. Burbank ( ) A Gardener Touched With Genius I.V. Mičurin ( ) N. I. Vavilov ( ) G. H. Shull ( ) 1908 heteroze M.M. Rhoades ( ) 1933 CMS N. Borlaug ( ) Zelená revoluce W. Bateson ( ) genetika, JIC Norwich 1910 E.Tschermak ( ) znovuobjevitel J.G. Mendela E. Proskowetz ( )

9 Norman Borlaug ( ) - Green Revolution Nobelova cena míru 1970 pšenice Norin 10 Mutant v genu pro kratší internodia reduced height(rht) homolog gibberellin insensitive (gai1) Arabidopsis slender rice (slr1) Rýže IR8 (Miracle Rice) positiva (produkce, potravinová soběstačnost-indie, high-yielding cv.) negativa (snížení diversity, zvýšení užití pesticidů, zavlažování, mechanizace, proměna venkova)

10 Kombinace přístupů pro zjištění možného geografického původu kulturních rostlin Harlan, Byla domestikace lokalizovaná nebo geograficky méně specifikovaná? 2. Proběhla rychle nebo spíše pomaleji?

11 Úrodný půlměsíc Jižní Amerika Střední Amerika Jihovýchodní Asie

12

13 Domestikace zemědělství změna stylu lidské společnosti

14 ko-evoluce prostřednictvím potravy jsme to co jíme Alkohol dehydrogenáza Indo-evropané, kavkazský typ : ALDH1 a ALDH2 Asiaté: jen ALDH1 Diabetes netolerance laktozy konzumace mléka

15 Domestikace a rozšíření infekčních chorob zvířata člověk zarděnky, tuberkulóza, neštovice dobytek chřipka prasata a kachny Nakonec i prostředek dobývání Nového Světa podobně došlo k rozšíření chorob, škůdců rostlin

16 Domestikace probíhala postupně a na více místech

17 Domestikované druhy partnertsví obilovin a luskovin Asie: rýže sója Střední východ Středomoří: pšenice, ječmen hrách, bob, čočka Střední Amerika: Afrika: kukuřice fazole proso, čirok - Vigna

18 Rychlost domestikace fixace znaku let frekvence výskytu nerozpadavého klasu v archeologických nálezech ječmen, pšenice, rýže Purugganan et al. 2009

19 slunečnice Plané formy předchůdci pěstovaných plodin kukuřice pšenice

20 Domestikační syndrom - selekce vhodných genotypů větší zásobní orgány - semena, hlízy rozpadavost klasu šíření semen dormance odnožování x dominance popínavost x keřovitost partenokarpie pohlaví květu oboupohlavnost samosprašnost homozygozita ploidie fotoperiodismus jednoletost toxické látky

21 Domestikační syndrom větší semena rozpadavost klasu/pukavost plodů apikální dominance perioda kvetení/ zrání

22 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

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

24 Genové banky ne muzea ale živé zdroje variability

25 DNA-banky

26 Studium genetické diverzity genofondové sbírky Genetická příbuznost Populační struktura Core kolekce

27 Diverzita rodu Pisum kulturní hrách setý

28 Kolekce a genetická eroze In small populations there will be random fluctuation in allele frequencies leading to the chance loss of alleles (genetic drift).

29

30 Analýza změny distribuce genetické diverzity v čase

31

32 Význam genetické diversity Mayové - monokultury kukuřice - choroby/šůdci/eroze Irsko (1846) - Phytophtora infestans u brambor USA (1970) - kukuřice x Helminthosporium maydis T typ CMS ve vazbě na gen náchylnosti USA - Xanthomonas campestris u citrusů současnost - banánovník cv. Cavendish - houba Black Sigatoka

33 Pšenice ztratila během domestikace gen pro ukládání proteinů, zinku a železa. gen GPC-B1, se vyskytuje v planě rostoucí pšenici dvouzrnce (Triticum turgidum dicoccoides), ale postrádají jej všechny současné odrůdy. Během domestikace došlo k mutaci tohoto genu a ten je u současné pšenici nefunkční. Gen urychluje vyzrávání zrna a zvyšuje množství proteinů, zinku a železa ukládaného do zrna o 10 až 15%.

34 Diverzita - případ pšenice x rez travní (Puccinia graminis) positiva (produkce, potravinová soběstačnost-indie, high-yielding cv.) negativa (snížení diversity, zvýšení užití pesticidů, zavlažování, mechanizace, proměna venkova) důsledek- zelené revoluce - Norman Borlaug ( )

35 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

36 Mezidruhová / mezirodová hybridizace příklad -rod Brassica

37 Vesmír 9/2009

38 Archeobotanika - archeogenetika vrs1 lokus ječmene

39 Rychlost domestikace fixace znaku let frekvence výskytu nerozpadavého klasu v archeologických nálezech versus modelování a experimenty ječmen, pšenice, rýže Purugganan et al. 2009

40 Rychlost domestikace Allaby, 2008 Vliv genetické komplexity na rychlost fixace Monogenní znaky déle Polygenní - rychleji

41 Přírodní umělý výběr gene flow mezi proto-domestikovanými formami a planými formami zpomaloval proces

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

43 Domestikace jednou nebo vícenásobně? Rozdíl - analyzujeme-li jen jeden, několik genů nebo napříč celým genomem Peterson et al. 2006

44 Domestikace a co dál? Super domestikace

45 modifikace charakteru-využití plodin domestikace nových druhů ztracené druhy superdomestikace

46

47 Pyramidování genů - Breeding by design

48 SoyBase and the Soybean Breeder's Toolbox Integrating Genetics and Molecular Biology for Soybean Researchers

49 Transgenose (GMO) mezi vědou, etikou a politikou

50 Pěstování GMO rostlin

51 Roundup Ready - glyphosate story

52 Bt kukuřice (MON 810) - komerční story by B. thuringiensis objeveno v roce 1901 v Japonsku 1911 v Německu Ernst Berliner nemoc housenek motýlů (Schlaffsucht) StarLink kukuřice (Aventis crop Science) 2002 cry gen - protein

53 Golden rice story b- karoten 1-3 µg/g µg/g psy (phytoene synthase) (Narcissus pseudonarcissus) lyc (lycopene cyclase) (Narcissus pseudonarcissus) crt1 - z půdní bakterie Erwinia uredovora Peter Beyer a Ingo Potrykus carotene desaturase deficience vitaminu A - slepota

54 Jedlé vakcíny - futuristická vize či realita... enterogenní E.coli cholera Hepatitis B vzteklina cytomegalovirus kulhavka- slintavka gastroenteritis coronavirus

55 Šlechtitelská práce Šlechtění rostlin genotyp x fenotyp

56 Odrůda - kultivar - varieta The International Union for the Protection of New Varieties of Plants (UPOV) DISTINCTNESS UNIFORMITY STABILITY DUS Odrůdy: klony (vegetativně množené druhy) linie (samosprašné druhy) hybridní (F1) populace (cizosprašné druhy, krajové odrůdy, syntetické)

57 Šlechtění umění a věda Genetická variabilita křížení výběr 1. vytvoření variability 2. křížení 3. výběr (selekce) 4. hodnocení 5. registrace 6. množení 7. distribuce nové odrůdy (+10 let) Nová odrůda

58 Základní postup ve šlechtění rostlin 1. vytvoření variability 2. křížení 3. výběr (selekce) 4. hodnocení 5. registrace 6. množení 7. distribuce nové odrůdy

59 Základní šlechtitelské postupy Moose S. P., Mumm R. H. Plant Physiol. 2010:147:

60 Biotechnologie a šlechtění rostlin

61 Mutační šlechtění fyzikální chemická transposony T-DNA

62 TILLING - identifikace bodových mutací (Targeting Induced Local Lesions In Genomes)

63

64 Dihaploidie cesta získání homozygotních linií 2n = Aa n = A / a 2n = AA/ aa

65 Heterose - hybridní síla F1 G.Schull

66 Samčí sterilita? Definice: neschopnost produkce funkčního pylu samčí sterility je agronomicky výhodná pro produkci hybridních semen fertilní květ sterilní květ

67 CMS Ogura u řepky fůze protoplastů ředkev - řepka transkripce- translace - mitochodriální orf 138 jaderně kódovaný - obnovitel feritility -Restorer (Rfo) - postranskripční regulace (3-UTR)orf 138

68 Fenotyp versus genotyp Výsledek selekce s použitím nepřímého markeru Rezistentní Náchylná Rezistentní Rezistentní Rezistentní Rezistentní

69 Marker Assisted Breeding/Selection (MAS)

70 Analýza DNA křížení Výběr Analýza DNA Nová odrůda

71 Šlechtitelský proces, včera, dnes a zítra

72 Šlechtění v genomické době Genotypizace analýza DNA, databáze standardizace Fenotypizace objektivita a kvantifikace uložení dat- databáze, hodnotící kategorie, měřítka sjednocení Spojení genotypu a fenotypu

73 Odběr materiálu Isolace DNA Analýza DNA Výsledek - interpretace Výsledek selekce s použitím nepřímého markeru Rezistentní Náchylná Rezistentní Rezistentní Rezistentní Rezistentní

74 High throughput genotyping

75 Genotypizace aneb výběr vhodných alel

76 Známe-li genom Můžeme odvodit fenotyp?

77

78 Popis fenotypového projevu Semeno hrachu - barva v plné zralosti 1. světležlutá 2. žlutorůžová 3. vosková/dvoubarevná 4. žlutozelená 5. šedozelená 6. tmavozelená 7. světlehnědá 8. hnědá 9. černá Číselné zhodnocení průměrných pozic souřadnic L,a,b v CIE-LAB barevném prostoru (3D) Colour deviation: ΔEa,b ΔEa,b=(ΔL2+Δa2+Δb2)1/2

79

80 Morfologické Matrix of eigenvalues and vectors of principa field and fodder pea assessed in morphologic klasifikátory Descriptor list of genus Pisum L. Trait Core Entire Stipules-character of anthocyan spot Flower-wings colour Eigenvalues Flower-vexillum colour Leaflet-margin shape on the second realleaf Seed-funiculus stability Leaflet-margin shape at the first flowering node Seed-colour at full ripeness Seed-cotyledons colour Leaf-type Eigenvectors Seed-hilum colour Leaflet-colour Leaflet-shape (at the first flowering node) Leaflet-appex shape Seed-testa colour Seed-surface Mean Index Kvantitativní znaky (8) Kvalitativní znaky (15) Variance 4 % Total contribution 5 % Accumulated 5 Plant-seeds number 0 Plant-pods number 0 Stem-lenght to first productive node 0 Stem-length 0 Thousand seeds weight -0 Plant-seeds weight 0. Stem-lenght of internode under the first productive node 0. Stem-number of sterile nodes 0. * Values in the bold are larger than the treshold (average from UPOV Protocol for Distinctness, Uniformity and Stability Tests Pisum sativum L. sensu lato. Pea

81 Heritabilita a vzájemná korelace Matrix of eigenvalues and vectors of principal components for 15 qualitative characters of field and fodder pea assessed in morphological trials Eigenvalues Principal components (PC) PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 Variance % Total contribution % Accumulated Eigenvectors ECN NAZEV Shluk Lodyha Lodyha Lodyha délka do Lodyha déka pod 1. prod nodem Stipules-character of anthocyan spot ,123-0,256-0,054 tvar délka -0, prod. nodu 0,010 Flower-wings colour 0,898-0,094-0,280-0,037-0,166-0,023 Flower-vexillum colour 0,876-0,078-0,253-0,102-0,187-0,087 Leaflet-margin shape on the second realleaf 0,084 0,694 0,282-0,531-0,080 0,069 Seed-funiculus stability 0,269-0,171 0,677-0,090 0,518 0,151 Leaflet-margin shape at the first flowering node 0,080 0,735 0,294-0,414-0,146 0,116 Seed-colour at full ripeness 0,805-0,086 0,344 0,195-0,140-0,055 Seed-cotyledons colour 0,078 0,000 0,736 0,430-0,255-0,119 Leaf-type 0,235 0,730-0,105 0,268 0,210-0,216 Seed-hilum colour 0,575-0,165 0,062-0,048 0,491-0,393 Leaflet-colour 0,101 0,730 0,024 0,058-0,036-0,443 Lodyha Leaflet-shape (in the first flowering node) 0,234 0,460-0,384 0,246 0,305 0,406 Leaflet-appex shape 0,165 0,615-0,122 0,458 0,024 0,227 Seed-testa colour 0,734-0,096 0,046-0,284 0,114 0,181 Seed-surface 0,509-0,048 0,406 0,230-0,148 0,277 Lodyha poèet Lodyha Lodyha vìtvení Lodyha List typ sterilních nodù typ vìtví na bázi olistìní Lístek tvar v 1 kvìt nodu Lístek tvar okraje u 2 prav listu Var. koeficient 0,0 12,5 12,9 20,2 11,3 75,5 50,3 82,7 67,2 23,1 43,0 L Adept L Alan L Bohatyr L Janus L Komet L Merkur L Pegas L Primus L Romeo L Sonet L Baryton L Hardy ECN NAZEV Opakování Lodyha tvar délka Lodyha Lodyha Lodyha poèet Lodyha Lístek tvar Lístek tvar Lístek tvar délka do 1. déka pod 1. sterilních Lodyha vìtvení Lodyha v 1 kvìt okraje u 2 okraje v 1 Lístek tvar Lístek prod. nodu prod nodem nodù typ vìtví na bázi olistìní List typ nodu prav listu kvìt nodu vrcholu barva L Adept A L Adept B L Adept C

82

83 Kvalitativní znaky

84 Kvantitativní znaky (QTLs) interakce genotyp x prostředí Gutierrez-Gonzalez et al BMC Plant Biology

85 QTL mapování Spočívá ve analýze statistické závislosti mezi kvantitativními znaky a genetickými markery

86 Genomics -omics postupy

87 Genomika (DNA sekvence)

88 Transkriptomika (RNA exprese) - kandidátní geny

89 Kombinace genetiky, genomiky a transkriptomiky 13 kandidátních genů pro obsah oleje a proteinů v semeni soji

90 Proteomika

91 Máme DNA sekvence genomu Máme fenotypická data pozorování Chceme je spojit, asociovat tj. ideálně za co který gen zodpovídá

92 Princip asociačního mapování Nazývané také linkage disequilibrium (LD) mapování, spočívá v korelaci mezi genetickým markerem a fenotypem v genofondové sbírce Využití rekombinací předchozích generací

93 Pyramidování genů - Breeding by design

94 Rozšíření užitných vlastností introgrese a transgenose

95 Plané druhy - rezervoár nových genů

96 Solanum lycopersicoides x kulturní rajče X F1 hybrid Canady et al. 2005, Genome

97 Crop wild relatives introgression

98 Po většinu své existence lidstvo žilo v těsném kontaktu s přírodou, půdou lovci sběrači generací zemědělci 600 industriální 8 10 generací

99 Zemědělství neprovozují jen lidé, ale třeba také mravenci