Genové zdroje rostlin teorie a praxe (Pracovní kolekce rodu Lactuca L. Katedry botaniky PřF UP) Ivana Doležalová

Transkript

1 Genové zdroje rostlin teorie a praxe (Pracovní kolekce rodu Lactuca L. Katedry botaniky PřF UP) Ivana Doležalová Osnova přednášky: Genové zdroje Biodiverzita Ochrana genofondu užitkových plodin Genové banky a jejich kolekce Klíčivost a vitalita semen Techniky dlouhodobého uchovávání Pracovní kolekce rodu Lactuca L.

2 Literatura: Guarino et al Collecting Plant Genetic Diversity. CAB International (IPGRI, FAO, IUCN). 748 pp. Chloupek Genetická diversita, šlechtění a semenářství. 2. vydání, Academia, Praha. Primack, Kindlmann, Jersáková Biologické principy ochrany přírody. Portál, Praha. Fáberová. Historie a současný stav práce s genofondy v ČR Sborník referátů ze semináře konaného ve VÚRV, pracoviště Olomouc. Výzkumný ústav rostlinné výroby Praha-Ruzyně:

3 Genový zdroj polovina 60. let 20. stol.: genový zdroj (germ pool, germplasm) je genetický materiál aktuální nebo potenciální hodnoty geneticky, geograficky a historicky definovaný nositel určitého genofondu soubor všech genů určité položky (vzorku uloženého v genové bance) 1936 J.R. Harlan, Martini nebezpečí ztráty původních forem užitkových plodin v důsledku šlechtění a introdukce

4 Genové zdroje zemědělských plodin plané druhy (wild species, progenitors) krajové odrůdy (ladraces) současné i minulé šlechtěné odrůdy (cultivars) experimentální šlechtitelský materiál

5 Progenitory, krajové odrůdy, kultivary L. serriola Lycopersicun esculentum Seeda SJC SJC7138-2

6 Biologická diverzita a její význam bohatství života na Zemi, miliony rostlin, živočichů a mikroorganismů, včetně genů, které obsahují a složité ekosystémy, které vytvářejí životní prostředí Světový fond ochrany přírody (WWF, 1989) biologickou diverzitu lze definovat jako všechny varianty a variabilitu existující mezi živými organismy v ekosystému, kde tyto organismy žijí biologická diverzita zahrnuje tři úrovně: genetickou druhovou na úrovni společenstev a ekosystémů

7 Biologická diverzita a její význam Konference OSN o životním prostředí a rozvoji (UNCED) (Brazílie, Rio de Janiero, 1992) Úmluva o biologické rozmanitosti (Convention on Biodiversity) Cíl: 1) konzervace biologické rozmanitosti 2) setrvalé využívání jejich složek 3) zajištění spravedlivého podílu na prospěchu z využívání biologické rozmanitosti Agenda 21: týká se genových zdrojů rostlin a zvířat pro potřeby zemědělství a výživy, jejich konzervace a setrvalého využívání

8 PROČ CHRÁNIT GENOVÉ ZDROJE? GZ rostlin jsou nenahraditelné a rozhodující nejen pro další šlechtění zemědělských plodin, ale i pro zachování a rozšíření druhové a odrůdové diverzity v zemědělství, tvorbu krajiny a omezování negativních vlivů zemědělství na životní prostředí

9 Ochrana genofondu užitkových plodin v našich zemích 1994 MZe ČR Národní program konzervace a využití genofondu rostlin přijalo MZe ČR pro léta Národní program konzervace a využívání genetických zdrojů rostlin, zvířat a mikroorganismů významných pro výživu a zemědělství součástí je i Národní program konzervace a využití genetických zdrojů rostlin a agrobiodiversity OFICIÁLNÍ KOORDINACE GENOVÁ BANKA VÚRV PRAHA RUZYNĚ smlouvy s řešitelskými pracovišti 2001 česká kolekce asi genetických zdrojů klimatizované skladování 74, 6% generativně množených odrůd vegetativní udržování 17, 3% odrůd

10 Konzervační strategie 1994 Česká republika přistoupila k Úmluvě, začlenění do právního řádu Sbírkou zákonů č. 134/1999 ochrana biodiversity in-situ (na původních nalezištích) vyžaduje ochranu celého ekosystému míst přirozeného výskytu a obnovu poškozených oblastí jako zvláštní způsob konzervace in-situ je tzv. on farm konzervace ochrana biodiversity ex-situ (mimo místa přirozeného výskytu) banky semen botanické zahrady a arboreta zoologické zahrady a akvária (živočichové)

11 Ochrana fytogenofondu Ochrana fytogenofondu ex-situ (položky v genofondových kolekcích) Genetické banky Botanické zahrady a arboreta pěstované druhy Ochrana fytogenofondu in-situ Přírodní rezervace a chráněná naleziště Chráněné krajinné celky a regiony On farm Parky Chráněné stromy

12 Instituce zabývající se ochranou fytogenofondu: Vládní instituce: výzkumné ústavy, univerzity, botanické zahrady a arboreta, správy rezervací a chráněných oblastí Nevládní instituce (NGO): nevládní a neziskové organizace, zájmová a občanská sdružení Nadnárodní instituce: FAO, IPGRI mezinárodní sítě genetických bank úmluvy: CITES (1973), CBC (Convetion of Biological Diversity) (1992)

13 Typy kolekcí genetických bank základní (basic collection) zachování genetické diversity, základní archív semen (2000), přesevy až po ztrátě klíčivosti, paralelní kolekce testy klíčivosti aktivní (active collection) přístupnost vzorků, slouží k distribuci vzorku, data získaná v rámci řešení určitého úkolu se vracejí do evaluační databáze pracovní (working collection) (např. Katedra botaniky PřF UP rod Lactuca, Lycopersicon, Allium, tykvovité), pro specielní účely, výzkum jaderná (core collection) zahrnuje vzorky, které jsou nositelé charakteristických znaků dané plodiny (celá variabilita plodiny) bezpečnostní duplikace záložní kolekce vegetativní (polní) kolekce

14 Klíčivost semen klíčivost podíl semen poskytujících životaschopné rostliny, tj. bez abnormálních klíčenců, stanoví se při 20 C ve dvou termínech (2 x 100 semen, 1 x 50 semen) je ovlivněna: kvalitou osiva výživou teplotou vlhkost půdy mechanickým poškozením nesprávným sušením posklizňovým uskladněním dormance neschopnost klíčivých semen klíčit za optimálních vlhkostních a tepelných podmínek a za dostatku kyslíku jednorázové přesevy, zabránění genetické erozi regenerace položek genových zdrojů je nezbytná v okamžiku, kdy hodnoty kvality a kvantity skladovaného osiva poklesnou na úroveň danou Zákonem 148/2003 Sb. o genetických zdrojích rostlin a mikroorganismů.

15 Vitalita semen vitalita je potenciál semene pro rychlé a uniformní vzcházení a pro vývoj normálního semenáčku za širokého spektra polních podmínek je snižována fyziologickým stárnutím (deteriorace), mechanickým poškozením příčinou ztráty vitality je degradace buněčných membrán biochemickými změnami i mechanickým poškozením testuje se: zjištěním elektrické vodivosti výluhu ze zkoušených semen (hrách, sója) růst semenáčků za přítomnosti stresu řízené urychlené stárnutí za vlhka a tepla biochemickými testy: tetrazoliový test (vitální barvení embryí trifenyltetrazoliumchloridem) respirace, stanovení obsahu ATP ISTA vyvíjí, přizpůsobuje a publikuje standardní procedury pro vzorkování osiv a jejich zkoušení, podporuje jejich jednotné používání v mezinárodním obchodu

16 Balení a adjustace vzorků použití vhodných obalů a značení pro technologie dlouhodobého uchovávání papírové (nevhodné), aluminiové, laminové sáčky (prostorové hledisko), hermetické obaly (plechové konzervy, sklenice s Twist-Off uzávěry) adjustace předepsané údaje (firma, druh, odrůda, číslo partie, rok sklizně,...)

17 Techniky dlouhodobého uchovávání Skladování semen pracovní (aktivní) kolekce při teplotě 0 až 5 C základní kolekce při teplotě 5 až 20 C samosprašné druhy 6 8 tisíc semen cizosprašné druhy tisíc semen druhy s velmi drobnými semeny minimální hmotnost vzorku g

18 Techniky dlouhodobého uchovávání semena ortodoxní snášejí vysušení na 5-10% obsahu vlhkosti aniž ztrácejí klíčivost, uchovávání 20 C, většina zemědělských plodin, výjimka plodiny trop. pásma semena rekalcitrantní ztrácejí klíčivost po vysušení na 12 30% vlhkosti, citlivost na chlad, problémy spojené s kontaminací mikroby, poškození endospermu ekonomicky významné kokosový ořech, kakaovník, mango, muškátový ořech, kaučukovník, kaštan, dub, buk, ořešák ultrasuchá semena 3,5% vlhkosti, skladování při pokojové teplotě (20 C)

19 Periodické regenerace cílem je zregenerovat celou variabilitu vzorku a zabránit genetické erozi regenerační protokoly technologie regenerace v závislosti na způsobu rozmnožování jednotlivých druhů počet jedinců dané položky při její regeneraci stanoven mezinárodními standardy

20 Semenářské technologie pro genetické banky, uchovávání semen sklizeň na stanovištích (in-situ) sklizeň mimo původní stanoviště (ex-situ) posklizňová úprava dozrávání a dosušování ve snopcích výdrol, výmlat, čištění semen separace hluchých a defektních semen kontrola a eliminace škůdců, patogenů a příměsí dosušování semen před uložením vstupní kontrola biologické kvality semen popis a charakteristika vzorku semen (včetně pasportních údajů) učení algoritmu klíčení a přerušení dormance kontrola životnosti a klíčivosti

21 Semenářské technologie pro genetické banky, uchovávání semen ortodoxních papírové obaly, pokojová teplota primitivní hermetické obaly, snížená teplota (0 5 C, domácí chladnička) hermetické obaly, nízká teplota ( 20 C, domácí mraznička) hermetické obaly, ultra nízká teplota, ( 80 C a méně, speciální hlubokomrazící boxy) hermetické obaly, vysušení pod 3% vzdušné vlhkosti, pokojová teplota rekalcitrantních živé kolekce (botanické zahrady) speciální postupy (in vitro, kryoprezervace, kryoprotektanty, tekutý dusík)

22 Department of Botany, Palacký University, Olomouc, Czech Republic The Palacký University working collection of the genus Lactuca L. A. Lebeda, I. Doležalová, D. Vondráková, E. Křístková and A. Novotná

23 Taxonomy family: Asteraceae sub-family: Cichorioideae tribe: Lactuceae sub-tribe: Lactucinae genus: Lactuca L.

24 Taxonomy of the of the Lactuca L. genetic resources (sections, subsections and geographical groups) Lactuca L. (98 wild and one cultivated species) subsect. Lactuca L. (aculeata, altaica, dregeana, livida, saligna, sativa, serriola, virosa) subsect. Cyanicae DC. (perennis, tenerrima) Phaenixopus (Cass.) Bentham (viminea) Mulgedium (Cass.) C.B. Clarke (tatarica, sibirica, taraxacifolia) Lactucopsis (Schultz Bip. ex Vis. et Pančić) Rouy (quercina) Tuberosae Boiss. (indica) Micranthae Boiss. (undulata) Sororiae Franchet North American Group (biennis, canadensis, floridana, graminifolia) African Group (capensis, dregeana, homblei)

25 Variability within Lactuca L. L. sativa - Dubáček L. saligna L. perennis L. serriola L. canadensis L. tatarica L. biennis

26 List of accessions L. aculeata Boiss. L. altaica Fisch. et C.A. Mey. L. biennis (Moench) Fernald L. capensis Thunb. L. canadensis L. L. dregeana DC. L. floridana L. indica L. L. ludoviciana L. perennis L. L. quercina L. saligna L. L. sativa L. L. serriola L. L. serriola x L. sativa L. sibirica L. taraxacifolia Schum. et Thonn. L. tatarica C.A. Mey. L. tenerrima Pourr. L. viminea (L.) J. et C. Presl L. virosa L. Lactuca sp.

27 The working Lactuca collection contains of cca 700 germplasm accessions of 20 species from Europe, Asia, Africa, North America, hybrids of L. serriola x L. sativa and also undetermined Lactuca spp. includes cca 1500 seed samples conserves a differential set for lettuce downy mildew (B. lactucae) with nearly of 60 L. sativa, L. serriola and L. saligna accessions (genotypes) primarily established for phytopathological research and research activities of students recently conserves biodiversity for the study of inter- and intraspecific variability, taxonomy, ecobiology, phylogenetic and evolutionary relationships of wild Lactuca spp.

28 Pollination most of wild Lactuca species are obligate self fertilizing species some species (L. perennis) - crosspollinating but even for cultivated L. sativa 5% of cross-pollination is reported Life cycle: annuals, winter annuals, biennials, perennials

29 Regeneration regeneration in an insect-free glasshouse under controlled conditions following international standards for genetic resources (Hintum and Boukema 1999) multiplication under long-day conditions; biennial (L. biennis, L. canadensis, L. virosa) and perennial (L. viminea, L. perennis, L. tatarica, L. tenerrima) species are overwintered as basal rosettes L. sativa and the majority of wild species are self-fertiziling, the accessions are not isolated during the multiplication; accessions of allogamous species (L. perennis) are isolated and manually pollinated

30 Regeneration

31 Maintenance sample viability is determined in germination tests and ranges between 85-90% seeds are dried to a moisture content of about 5% before packing accessions are preserved in laminated aluminium bags in medium-term storage at temperature of +4 C and/or in deep-freezer at 20 C for long-term storage

32 Characterization and evaluation accessions of wild Lactuca spp. have been assessed throughout the growing period following basic morphological descriptors (Doležalová et al. 2002) and botanical names have been verified (Doležalová et al. 2003) Basic morphological descriptors Figure Plant - growth habit 2 lodging (L. tatarica) 3 vine (L. paradoxa) 1 erect (L. serriola)

33 Characterization and evaluation about 100 accessions of L. sativa, 150 accessions of L. serriola, 150 of L. saligna and other wild Lactuca species have been screened for downy mildew (Bremia lactucae) resistance during last cca 10 years response to natural infection by powdery mildew (Golovinomyces cichoracearum (Erysiphe cichoracearum)) has been evaluated in nearly 70 accessions of L. serriola and wild Lactuca species (Lebeda, 1994)

34 Characterization and evaluation the evaluation database of our working collection includes information on chromosome number, relative 2C nuclear DNA content, esterase zymograms and AFLP analysis of almost 100 accessions of wild species (Doležalová et al. 2002,2003) detailed characteristics of anatomical features of the accessions (Lebeda et al., 1999, 2001), including of photographic documentation, are also available

35 Characterization and evaluation EST zymograms pollen grains karyotype epidermis structure

36 Collecting the main goals of collecting missions to unexplored areas of the Czech Republic, Europe, Asia and USA have been the ecogeographic study of Lactuca populations in nature and the enrichment of the germplasm collection with new and unique Lactuca accessions useful for future research in the years , expeditions were conducted in following European countries (Austria, the Czech Republic, France, Germany, Greece, Hungary, Italy, Kazahstan, the Netherlands, Russia, Slovac Republic, Slovenia, Sweden, Switzerland, the United Kingdom), states of USA (Arizona, California, Idaho, Iowa, Nevada, Oregon, South Dakota, Utah, Washington, Wisconsin, Wyoming) and Canada, Israel, Jordan, South Korea. Some field observations were also made in New Zealand in February 2003 almost 1381 seed samples of nine new wild Lactuca species were collected, with the majority of collections provided to RICP Praha-Ruzyně, Genebank in Olomouc

37 Collecting L. canadensis

38 Research activities genetic resources of wild Lactuca species, their geographic distribution, ecology and representation in genebank collections morphological and anatomical characterization of wild Lactuca and development of morphological descriptors of Lactuca karyological and DNA content variation in Lactuca species isozyme and AFLP variation in Lactuca species taxonomical revision of some wild Lactuca genetic resources research of L. serriola populations for downy mildew (Bremia lactucae) resistance occurrence of diseases and their spatial and temporal distribution in natural Lactuca habitats genetic background of spatial and temporal variation in the virulence of pathogen populations (e.g. B. lactucae) on naturally occurring wild Lactuca species research on mechanisms of resistance in Lactuca species against biotrophic parasites creation of a collection of pathogen isolates (e.g. B. lactucae) for the exploitation of resistance variability in Lactuca

39 International cooperation over more than twenty years, an extensive network of cooperating institutions has been created around the world some of the most important partners include: IPGRI (Rome, Italy) HRI (Wellesbourne, U.K.) CGN, PRI and WU (Wageningen, the Netherlands) USDA/ARS (Salinas, Pullman, Ames; USA) University of California (Davis, USA) TU Munchen (Freising-Weihenstephan, Germany) Komenský University (Bratislava, Slovak Republic) Agricultural Research Institute (Lubljana, Slovenia) Institute of Evolution (Haifa, Israel)

40 Conclusions new information obtained from the Palacký University working collection through a comprehensive research program contributes to enrichment of knowledge on the complex variability of the genus Lactuca based on the results of our research, the working collection can be utilized to study natural populations structure, biodiversity, ecobiology and the taxonomic status of Lactuca germplasm in genebank collections Members of the Lactuca team: Jana Fuksová, Milan Kitner, Barbora Mieslerová, Zbyněk Maryška, Irena Petrželová, Michaela Sedlářová, Vladimír Vinter

41 Acknowledgements This work has been carried out within the framework of the EU-funded project GENE-MINE (QLK5-CT ), and projects MSM and MSM (Czech Ministry of Education).