Genomika rostlin. Jaroslav Doležel Laboratoř molekulární cytogenetiky a cytometrie, Ústav experimentální botaniky AV ČR, v.v.i., Sokolovská 6, Olomouc

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Genomika rostlin. Jaroslav Doležel Laboratoř molekulární cytogenetiky a cytometrie, Ústav experimentální botaniky AV ČR, v.v.i., Sokolovská 6, Olomouc"

Renáta Švecová
před 8 lety
Počet zobrazení:

1 Genomika rostlin Jaroslav Doležel Laboratoř molekulární cytogenetiky a cytometrie, Ústav experimentální botaniky AV ČR, v.v.i., Sokolovská 6, Olomouc

2 Ústav experimentální botaniky v Olomouci Pracoviště Sokolovská (J. Doležel) Společná laboratoř UP a ÚEB (M. Strnad) Pracoviště na Sokolovské ulici bylo založeno roku 1964 Doc. Ing. Oldřichem Konvičkou, CSc. Předmět činnosti: základní výzkum - Rostlinné biotechnologie - Buněčná biologie - Genetika a genomika

Strnad) Pracoviště na Sokolovské ulici bylo založeno roku 1964 Doc. Ing.

3 Co je to genom? Hans Winkler (1920): Gen + ome ( ome = velký/úplný soubor jednotek) Navrhuji termín genom pro haploidní sadu chromozómů, která spolu s protoplazmou představuje materiální základ druhu. Genom = veškerá DNA, která představuje jednu úplnou kopii dědičné informace organismu

4 Většina DNA se nachází v buněčném jádře Jaderný genom Jádro Chromozóm Chromozómy (v somatické buňce 2 homologní sady) Buňka 750 nm Chromatin (DNA, RNA, proteiny) Páry bází 11 nm Histony 30 nm 250 nm DNA 2 nm

2 homologní sady) Buňka 750 nm Chromatin (DNA, RNA,

5 Kolik DNA je v buněčném jádře? C hodnota = množství jaderné DNA představující jednu kopii jaderného genomu Prokaryota Eukaryota C hodnota (pg DNA) hmotnost v pg DNA - počet párů bází (bp) (1pg DNA = 978 Mbp)

jaderného genomu Prokaryota Eukaryota C hodnota (pg DNA)

6 Kolik DNA je v buněčném jádře? C hodnota = množství jaderné DNA představující jednu kopii jaderného genomu - hmotnost v pg DNA - počet párů bází (bp) (1pg DNA = 978 Mbp) Prokaryota Eukaryota Řasy Prvoci Houby Cévnaté rostliny C hodnota (pg DNA) Členovci Strunatci Ryby a obojživelníci Ptáci, savci a plazi

hmotnost v pg DNA - počet párů bází (bp) (1pg DNA = 978 Mbp) Prokaryota Eukaryota

7 Není to divné? C hodnota vykazuje slabou korelaci se složitostí organismu Morfologicky podobné organismy se liší velikostí jaderného genomu 2000x F. assyriaca G. margaretae G. max Z. mays P. sativum S. cereale T. aestivum Velikost jaderného genomu (Mbp)

podobné organismy se liší velikostí jaderného genomu 2000x F.

8 Z čeho se tedy jaderný genom skládá? 1) Geny a genům podobné sekvence Strukturní geny (kódující polypeptidy; obvykle 1 10 kopií) Geny pro funkční RNA (např. rrna, trna; více kopií) Kolik je genů v genomu? Nepříliš přesné odhady: genů Počet genů je u všech druhů velmi podobný a tvoří 30 1% genomu Gene space

9 A z čeho ještě? 2) Negenové sekvence Tvořívětšinu genomu Způsobují rozdíly ve velikosti genomu V genomu se obvykle mnohokrát opakují > repetitivní sekvence DNA Uspořádané za sebou (tandemově) Rozptýlené - obvykle mají charakter mobilních genetických elementů - transpozónů

10 Co se dělo v průběhu evoluce? A) Skokové zvětšování genomu Zdvojování jaderného genomu ( > polyploidie) následované diploidizací ( > kryptopolyploidie) Duplikace genomu Arabidopsis thaliana (2n = 2x = 10)

11 Evoluce genovou duplikací Je snazší tvořit nové geny ze starých než je vytvářet de novo (S. Ohno, 1970) Paralogní geny vznikly duplikací ancestrálního genu (mohou se navzájem lišit funkcí)

12 Co se ještě dělo v průběhu evoluce? B) Postupné zvětšování genomu Transpozóny - aktivace transpozónů vurčité epoše - striktní regulace počtu kopií transpozónů v ostatním období Chyby replikace DNA, chromozómové aberace, nerovnoměrný crossing-over, amplifikace DNA, Geny a jejich pořadí jsou +/- zachovány (kolinearita), mění se množství nekódující DNA

striktní regulace počtu kopií transpozónů v ostatním období Chyby replikace DNA,

13 Co udělaly 3 transpozóny s genomem rýže Oryza sativa (390 Mbp) Oryza australiensis (965 Mbp) Oryza australiensis Transpozón Kopií DNA RIRE Mbp Kangourou Mbp Wallabi Mbp Společně 605 Mbp

australiensis Transpozón Kopií DNA RIRE1 40000 265

14 Proč genomy rostlin sekvenujeme? Struktura genomu (strukturní genomika) Porovnání různých genomů (komparativní genomika) Variabilita genomu v rámci populací (populační genomika) Funkce genomu (funkční genomika) Praktické aplikace DNA markery (genetická diverzita, šlechtění pomocí markerů) Klonování genů

(komparativní genomika) Variabilita genomu v rámci populací (populační

15 Pokrok v sekvenování DNA Kapilární elektroforéza Délka fragmentů (1000 bází) Kapacita (5 Mb / týden) Nové metody Relativně krátké fragmenty ( bází) Obrovská kapacita ( Mb / týden) Lidský genom (re-sekvenování) za 1000 dolarů?

Relativně krátké fragmenty (15 200 bází) Obrovská kapacita

16 Současný stav sekvenování genomů rostlin Arabidopsis thaliana (120Mbp) Oryza sativa (390 Mbp) Carica papaya (370 Mbp) Lotus japonicus (470 Mbp) Physcomitrella patens (510 Mbp) Populus trichocarpa (480 Mbp) Ricinus communis (400 Mbp) Vitis vinifera (500 Mbp)

japonicus (470 Mbp) Physcomitrella patens (510 Mbp) Populus

17 Laboratoř molekulární cytogenetiky a cytometrie, Ústav experimentální botaniky AV ČR, v.v.i., Sokolovská 6, Olomouc

18 Sekvenování genomů obilovin Většina genomů, které byly a budou sekvenovány, má méně než 500 Mbp Genomy obilovin jsou mnohem větší (a polyploidní)! 500 Mbp Ječmen setý (~5,000 Mbp) Člověk (~3,400 Mbp) Žito seté (~8,000 Mbp) Pšenice tvrdá (~13,000 Mbp) Pšenice obecná (~17,000 Mbp) x 10 3 Mbp

19 Složitý genom pšenice Alohexaploidní druh (2n = 6x = 42, AABBDD) Výsledek dvou mezidruhových křížení O.5 MYA 8 TYA ~17,000 Mbp (1C) ~1.2% genů

20 Chromozómová genomika: rozděl a sekvenuj Velikost genomu Tři genomy hexaploidní pšenice AA BB Triticum aestivum (2n = 6x = 42) 1C ~ 17,000 Mbp DD Oryza sativa (2n = 2x = 24) 1C ~ 430 Mbp A B D ; Chromozómy: Mbp ( % genomu) Ramena chromozómů: Mbp ( % genomu)

Mbp DD Oryza sativa (2n = 2x = 24) 1C ~ 430 Mbp A B D ; Chromozómy:

21 Třídění chromozómů pomocí průtokové cytometrie Unášecí tekutina + DNA fluorochrom Chromozómy v suspenzi Laser Průtoková komůrka Emise fluorescence L Flow karyotyp Rychlost měření / sec: ~1000 chromozómů Excitační světlo Počet R Vychylovací destičky Rozptýlené světlo Relativní intenzita fluorescence Levá frakce Pravá frakce Odpad

22 Třídění chromozómů pomocí průtokové cytometrie Unášecí tekutina Chromozómy v suspenzi Rychlost měření / sec: ~1000 chromozómů Výtěžek / den: 2-5x10 5 chromozómů Laser Excitační světlo Vychylovací destičky Průtoková komůrka Emise fluorescence Rozptýlené světlo Počet L Flow karyotyp R Relativní intenzita fluorescence Tříděné chromozómy Levá frakce Pravá frakce Tříděné chromozómy Odpad

23 První kniha o průtokové cytomerii rostlin

24 WP1: Establishment of genomic resources for physical mapping M WP2: Construction of anchored physical maps 17 EU partners Wheat and barley chromosome groups 1 and 3 WP4: Markers for molecular breeding WP3: Gene isolation and new allele discovery WP7: Management WP5: Bioinformatic tools and database WP6: Outreach Farmers Consumers Scientists Breeders

25 Mezinárodní spolupráce 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 1B 2B 3B 4B 5B 6B 7B 1D 2D 3D 4D 5D 6D 7D 21 chromozómů hexaploidní pšenice

26 Laboratoř pro chromozómovou genomiku Slavnostně otevřena ; plocha: 300 m 2 ; stavba: 12 mil. Kč; vybavení: 22 mil. Kč

27 První fyzická mapa chromozómu pšenice A physical map of the 1Gb bread wheat chromosome 3B Etienne Paux, Pierre Sourdille, Jérôme Salse, Cyrille Saintenac, Frédéric Choulet, Philippe Leroy, Abraham Korol, Monika Michalak, Shahryar Kianian, Wolfgang Spielmeyer, Evans Lagudah, Daryl Somers, Andrzej Kilian, Michael Alaux, Sonia Vautrin, Hélène Bergès, Kellye Eversole, Rudi Appels, Jan Šafář, Hana Šimková, Jaroslav Doležel, Michel Bernard and Catherine Feuillet Until now, the selection of genomes for sequencing has been determined on the basis of genome simplicity and not agronomic relevance with serious consequences for crop improvement and food security. Our work may pave the way for a paradigm shift in selecting the next genomes for de novo sequencing thereby accelerating improvement for economically important crop species.

28 Děkuji vám za pozornost

Podobné dokumenty

Struktura a analýza rostlinných genomů Jan Šafář

Struktura a analýza rostlinných genomů Jan Šafář Ústav experimentální botaniky AV ČR, v.v.i Centrum regionu Haná pro biotechnologický a zemědělský výzkum Proč rostliny? Proč genom? Norman E. Borlaug Zelená