VYUŢITÍ GENETICKY MODIFIKOVANÝCH ROSTLIN PRO REMEDIACI KONTAMINOVANÝCH ZEMIN

Transkript

1 VYUŢITÍ GENETICKY MODIFIKOVANÝCH ROSTLIN PRO REMEDIACI KONTAMINOVANÝCH ZEMIN Martina Nováková, Martina Macková, Jan Fišer, Jáchym Šuman, Veronika Kurzawová, Tomáš Macek Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Fakulta potravinářské a biochemické technologie Společná laboratoř VŠCHT Praha a ÚOCHB AVČR, Česká akademie věd

2 Použití živých organismů pro dekontaminaci životního prostředí Bioremediace je věřejností akceptována a neničí životní prostředí Pro in situ remediace a nízké koncentrace kontaminantů mikroorganismy rostliny fytoremediace

3 Mikroorganismy široké spektrum enzymů vyvinuto během mnoha let - organické polutanty až mineralizace - akumulace těžkých kovů Rostliny mohou akumulovat nebo metabolizovat organické nebo anorganické polutanty - organické polutanty jako lidská játra - 3 fáze: 1) aktivace molekuly (oxidace, redukce, hydrolýza) 2) konjugace (s cukry, glutathionem, aminokyselinami) 3) uložení ve vakuole nebo do buněčné stěny a ligninu - těžké kovy transport stejně jako u elementárních iontů kovů

4 Fytoremediace Využití zelených rostlin k akumulaci a degradaci polutantů životního prostředí Rhizoremediace Spolupráce mikroorganismů a rostlin v rhizosféře rostlin Pro zvýšení účinnosti fytoremediace Inserce nových genů do rostlinného genomu Interakce rostlina-mikroorganismus Rhizoremediace

5 Podle zákona je geneticky modifikovaný organismus takový organismus (kromě člověka), jehož dědičný materiál byl změněn genetickou modifikací, tj. cílenou změnou dědičného materiálu způsobem, kterého se nedosáhne přirozeně např. křížením, šlechtěním. Tato definice se vztahuje na organismy schopné rozmnoţování nebo přenosu dědičného materiálu, tj. mikroorganismy, rostliny, ţivočichy a buněčné kultury; nevztahuje se na člověka.

6 mikroorganismy rostliny

7 Modifikace specifity enzymu, regulace celých drah Geny pro přežití v biotickém a abiotickém stresu Chelátory kovů a geny pro transportéry Geny pro biodegradační enzymy Geny pro regulaci příjmu kovů Geneticky modifikované mikroorganismy Monitoring a kontrola Zvýšení bioremediace pro udržení čistoty životního prostředí Singh, 2011, v tisku

8 Pro degradaci polychlorovaných bifenylů, toluenu, benzenu. Pro akumulaci těžkých kovů Populární je inserce celé degradační dráhy nebo změna substrátové specifity enzymů Cl BphG Cl Cl Cl BphF BphAE NADH+H + NAD + BphB H BphC O 2 NAD + NADH+H + O2 O H 2 O C H CO

9 Uvolňování GM mikroorganismů do životního prostředí více problémů než u GM rostlin GMM mohou uniknout, obtížný monitoring Tvorba biofilmů, multibariéry MO Tvorba sebevražedných GMM

10 mikroorganismy rostliny

11 Přirozeně rostliny akumulující anorganické polutanty (těžké kovy) Thlaspi cearulescens 1800 mg Cd/kg suché biomasy, mg Zn/kg suché biomasy Thlaspi rotundifolium 8200 mg Pb/kg suché biomasy Ipomoea alpina Cu mg /kg suché biom. Nízká hmotnost biomasy

12 Jak vybrat správnou rostlinu? len topol tabák switch grass

13 Pro zabránění šíření kontaminace Pro fytoremediaci anorganických polutantů Pro fytoremediaci organických polutantů

14 Pro zabránění šíření kontaminace Sníţení mnoţství agrochemikálií - GM plodiny s d-endotoxinem nižší množství pesticidů - tabák emitující hmyzí feromon - nižší reprodukce nechtěného hmyzu nižší množství pesticidu Macek T., Kotrba P., Novakova M., Demnerova K. and Mackova M.: Novel roles for genetically modified plants in environmental protection. Trends Biotechnol 26 (3), , 2008.

15 Pro fytoremediaci anorganických polutantů Tolerance a akumulace těţkých kovů Pilon-Smits E. (2005) Phytoremediation, Annu. Rev. Plant Biol. 56, MT metalothioneiny PC fytochelatiny GSH - glutathion

16 Pro fytoremediaci anorganických polutantů Tolerance a akumulace těţkých kovů Pilon-Smits E. (2005) Phytoremediation, Annu. Rev. Plant Biol. 56, MT metalothioneiny PC fytochelatiny GSH - glutathion + transportní proteiny + enzymy z metabolismu

17 Pro fytoremediaci organických polutantů Pro oxygenaci, dechloraci, degradaci... Enzymy z bakteriálních degradačních drah savčí geny pro cytochromy. Cl BphG Cl Cl Cl BphF BphAE NADH+H + NAD + H BphB BphC O 2 NAD + NADH+H + O2 O H 2 O C H CO

18

19

20 tabák Nicotiana tabacum len Linum usitatissimum Pouţívané metody Transientní exprese pro studium exprese Trvalá transformace pro získání transgenní rostliny

21

22

23 MRGSHHHHHHTDPmnqtdtspirlrrswntseiealfdehagridpriytdedlyqleler vfarswlllghetqirkpgdyittymgedpvvvvrqkdasiavflnqcrhrgmricradagna kaftcsyhgwaydtagnlvnvpyeaesfaclnkkewsplkarvetykglifanwdenavdld tylgeakfymdhmldrteagteaipgvqkwvipcnwkfaaeqfcsdmyhagttshlsgilag lpedlemadlapptvgkqyraswgghgsgfyvgdpnlmlaimgpkvtsywtegpaseka aerlgsvergsklmvehmtvfptcsflpgintvrtwhprgpnevevwaftvvdadapddike efrrqtlrtfsaggvfeqddgenwveiqhilrghkarsrpfnaemsmdqtvdndpvypgris nnvyseeaarglyahwlrmmtspdwdalkatr Electrophoresis of plant DNA after PCR -primers bphc1/f and bphc1/r (880 bp) Electrophoresis of plant cdna after RT-PCR - primers bphc1/f and bphc2/r (880 bp)

24 Které geny? fytoremediace organických polutantů fytoremediace anorganických polutantů

25 fytoremediace organických polutantů bakteriální gen bphc (2,3-dihydroxybifenyl-1,2-dioxygenasa) Cl BphG Cl Cl Cl BphF BphAE NADH+H + NAD + H BphB BphC O 2 NAD + NADH+H + O2 O H 2 O C H CO bakteriální gen todc1c2 (terminální dioxygenasa toluen-2,3-dioxygenasy) CH 3 NAD + feredoxin reduktasa TOL feredoxintol ISP TOL + O 2 toda todb todc1c2 CH 3 H NADH + H + feredoxin reduktasa TOL feredoxin TOL ISP TOL H

26 fytoremediace anorganických polutantů Kvasničné geny gsh1 a gsh2 (γ-glutamylcysteinsynthetasa a glutathionsynthetasa) Akumulace těžkých kovů Akumulace těžkých kovů Kvasničný gen CUP (pro metalothionein)

27 protein Imunochemická detekce BphC/His izolovaného afinitní chromatografií linie H1 linie H2 linie H3 linie H4 Histochemická detekce BphC/GUS Histochemická detekce BphC/LUC

28 koncentrace 2,3-DHB (%) koncentrace 2,3-DHB (%) koncentrace 2,3-DHB (%) 120 Linie H WSC 38 H1 H3 mrtvé buňky čas (dny) 120 Linie G WSC 38 G1 G2 G3 mrtvé buňky čas (dny) 120 Linie L WSC 38 L1 L2 L3 mrtvé buňky čas (dny)

29 koncentrace 2,3-DHB (%) úbytek 2,3-DHB [%] koncentrace 2,3-DHB (%) koncentrace 2,3-DHB (%) 120 Linie H WSC 38 H1 H3 mrtvé buňky úbytek 2,3-DHB v médiu s transgenními rostlinami v porovnání s WSC WSC 38 H3 G2 L1 L3 rostlinná linie čas (dny) Linie G WSC 38 G1 G2 G3 mrtvé buňky čas (dny) Linie L WSC 38 L1 L2 L3 mrtvé buňky čas (dny)

30 Bulharsko Česká republika Estonsko Finsko Nizozemí Slovensko Velká Británie Španělsko Švédsko Kypr Lucembursko Maďarsko Polsko Rakousko Řecko Malta Slovinsko

31 Děkuji za vaši pozornost Tato práce byla podporována granty: - MSMT 1M ME BIOAROM - MSM EU grantem Minotaurus FP7 KBBE Doporučené přednášky a postery: Ing. Šuman (přednáška) Ing. Fišer (poster) Ing. Kurzawová (poster)