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 Ochrana fytogenofondu zemědělských plodin Základní definice Význam genetické diverzity Význam planých rostlin a krajových odrůd Centra původu rostlin Centra diverzity Atributy kulturních rostlin Koncepce genových poolů

3 Ochrana fytogenofondu zemědělských plodin Doporučená literatura Schwanitz Vývoj kulturních rostlin. SZN, Praha. Pecharová, Hejný Botanika I. 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. Bryja et al. (2010). Koncepce ochrany genetické diverzity planě rostoucích a volně žijících živočichů v České republice (koncepční materiál pro činnosti v gesci MŽP). MŽP, Brno. Národní program konzervace a využívání genetických zdrojů rostlin, zvířat a mikroorganismů významných pro výživu a zemědělství na období MZE, Praha. ( )

4 Genofond soubor všech živých organizmů v určité oblasti, se současně se projevujícími i s potenciálními geny Genofond rostlin představuje jednak rostliny divoké, plané, a dále zemědělské plodiny a kulturní varianty rostlin Ochrana genofondu rostlin zajišťuje uchování biologické různorodosti zajišťuje zdroj genetické variability pro další šlechtění v zemědělství, zahradnictví a lesnictví. Genové zdroje genetický materiál rostlinného, živočišného, mikrobiálního či jiného původu obsahující funkční jednotky dědičnosti, který má současné nebo i potencionální využití organismy nebo jejich části, populace a biotické složky ekosystémů, současné i potencionální hodnoty

5 Ochrana fytogenofondu zemědělských plodin zahrnuje: 1. Plané druhy - wild species 2. Plané druhy příbuzné ke druhům pěstovaným - wild relatives, progenitors 3. Krajové odrůdy landraces, fenotypově nevyrovnané 4. Šlechtěné odrůdy - advanced cultivars (varietes), F1 hybrids současné i restringované 5. Šlechtitelské linie - breeding lines experimentální šlechtitelský materiál, neuznaná novošlechtění a genetické linie Využití genových zdrojů V zemědělské praxi. Ve šlechtitelských programech. Při řešení vědeckých a výzkumných projektů. Ve vzdělávacích a výukových programech. Při propagačních akcích pro odbornou a laickou veřejnost.

6 Biodiversita Představuje obrovské bohatství nového genetického materiálu, nové kombinace genů pro šlechtění nových variet rostlin a nových plemen hospodářských zvířat. Současná stav genetické variability zemědělsky významných rostlin a živočichů je výsledkem jejich přirozené evoluční historie (3mld let) a vlivem člověka zejména během posledních 12 tisíc let pečlivé selekce a šlechtění posledních století. Rice seed collection from International Rice Research Institute (IRRI)

7 Biodiverzita Biologická rozmanitost neboli biodiverzita je pojem popisující veškerou proměnlivost života na naší planetě. Ekologická diverzita (Soubor typů stanovišť a ekosystémových procesů v krajině) Druhová diverzita (Rozsah druhů v ekosystému) Genetická diverzita Toto rozdělení je ovšem pouze formální a je užitečné především z hlediska stanovování metod jejich studia a ochrany. Ve skutečnosti spolu všechny tři úrovně biologické rozmanitosti funkčně těsně souvisejí a navzájem se prolínají.

8 Ochraně druhové a ekologické diverzity je věnována největší pozornost mezinárodních a státních institucí i veřejnosti, neboť právě ztráta variability v této složce biodiverzity je nejnápadnějším indikátorem zhoršující se kvality životního prostředí člověka. Poznání samotné genetické diverzity života bylo donedávna tím nejméně známým aspektem biologické rozmanitosti. Nové informace jasně ukazují velký význam genetické diverzity pro přežívání přirozených populací mnoha organismů a tato data dokládají potřebu implementace pojmu ochrany genetické diverzity do celkové koncepce ochrany přírody.

9 Rozvoj studia genetické diverzity v souvislosti s pokroky technik molekulární biologie. Několik základních směrů: - Obecný popis genetické variability populací a genofondových sbírek - Studium původu plodin - Charakterizace genofondových kolekcí - ověření taxonomické determinace položek - identifikace interspecifických hybridů - vyloučení duplicitních položek ve sbírkách - Zrychlení šlechtitelského procesu MAS (Marker Assisted Selection) - Detailní charakterizace genů - Detekce genů souvisejících s procesy domestikace

10 Mace, E. S. et al. Whole-genome sequencing reveals untapped genetic potential in Africa s indigenous cereal crop sorghum. Nat. Commun. 4:2320 doi: /ncomms3320 (2013). Illumina seq. 44 Sorghum genotypes - display agronomically important traits including stay-green drought resistance, insect resistance, grain size and grain quality. Identified 725 candidate genes for domestication and/or improvement Concentric circles show the different features that were drawn using the Circos program 57. The 10 chromosomes are portrayed along the perimeter of each circle. (a) Gene content density distribution. (b) Genomic diversity (θπ) of wild and weedy genotypes (red), landraces (green) and improved inbreds (blue). (c) Tajima s D of wild and weedy genotypes (red), landraces (green) and improved inbreds (blue). (d) Number of SNPs in wild and weedy genotypes (red), landraces (green) and improved inbreds (blue). (e) F ST values of improved inbreds versus landraces. (f) F ST values of improved inbreds versus wild and weedy genotypes. (g) F ST values of landraces versus wild and weedy genotypes. (h) A graphical view of duplicated annotated genes is indicated by connections between segments.

11 Domestication area Nature 490, (2012) doi: /nature11532 a, Phylogenetic tree of 446 O. rufipogon accessions and 1,083 O. sativa varieties calculated from SNPs in the overall regions of the 55 major domestication sweeps. b, Geographic locations of 62 O. rufipogon accessions, whose phylogenetic positions during domestication are indicated. Colour index represents the average of the genetic distance of O. rufipogon accessions to all cultivated rice accessions. Two major rivers in southern China are labelled in grey in the map. e, Schematics of the origin of cultivated rice. The aus and aromatic rice are minor groups of rice accessions with small geographic distributions. wild wild O. sat. ind O. sat. jap a, Phylogenetic tree of the full population (446 O. rufipogon accessions and 1,083 O. sativa varieties) calculated from ~8 million SNPs in O. rufipogon and O. sativa. The double-layer rings indicate O. rufipogon (outer ring: Or-I, Or-II and Or-III are coloured in red, grey and blue, respectively) and O. sativa (inner ring: indica and japonica subspecies are in pink and sky blue, respectively). b, Illustration of genetic diversity and population differentiation in O. rufipogon and O. sativa. The size of the circles represents the level of genetic diversity (π) of the groups, and the F ST values between the groups are indicated. ind, indica; jap, japonica.

12 Rozmanitost kulturních rostlin Rostlinná diverzita (rozmanitost) = klíčová složka jakéhokoliv zemědělského výrobního systému, dokonce jakéhokoliv ekosystému Počet užitkových rostlin během posledních dvou století století 300 druhů polovina 20.století druhů druhů druhů druhů Výživou je lidstvo více než z 95% závislé na 30 hlavních plodinách

13 TOP TEN plodiny živící lidstvo 1.) Kukuřice 822,712,527 tun, průměrný výnos 5.1 t/ha 2.) Pšenice 689,945,712 tun, 3.1 t/ha, největší plocha 3.) Rýže 685,013,374 tun, 4.3 t/ha, druhá nejkonzumovanější, na 1 kg spotřeba 2000 l vody 4.) Brambory 314,140,107 t, 17.2 t/ha 5.) Maniok jedlý 232,950,180 t, 12.5 t/ha, i chudé půdy 6.) Sója 230,952,636 t, 2.4 t/ha 7.) Batáty / povíjnice batátová 110,128,298 t, 13.5 t/ha 8.) Proso, čirok 65,534,273 t, 1.5 t/ha 9.) Jam (Dioscorea) 51,728,233 t, 10.5 t/ha 10.) Banány 34,343,343 t, 6.3 t/ha

14 Plodiny a jejich plané progenitory Crop plants and their relatives Genetická diverzita využívaná v zemědělství se neustále omezuje a ztrácí. Pouze 9 plodin zajišťuje 75% potravin rostlinného původu pro pokrytí energetických a potravinových nároků lidstva: - pšenice, - rýže, - kukuřice, - ječmen, - čirok/proso, - brambory, - sladké brambory/yam, - cukrová třtina, - sója. Není pravděpodobné, že by některá z hlavních plodin byla ohrožena zánikem. Jejich ohrožení ale představuje ztráta jejich vnitrodruhové genetické diverzity.

15 Malá rozmanitost zdrojů lidské potravy velká závislost Diverzita čiroku (Sorghum) a prosa (Panicum) demonstruje velký potenciál minoritních plodin využitelný pro potřeby lidstva Diverzita fazolí semena různých druhů Fabaceae

16 Zvyšování produkce - jediná cesta v řešení vzrůstajících potravinových nároků lidstva?

17 Zvyšování produkce - jediná cesta v řešení vzrůstajících potravinových nároků lidstva?

18 Plodiny a jejich plané progenitory Crop plants and their relatives Genetická variabilita plodin je stále koncentrována v oblastech označovaných jako centra diverzity, která jsou lokalizovány především v rozvojových zemích. Nikolai I. Vavilov ( ) - Významný ruský botanik a genetik - Jeden z průkopníků tvorby genofondových kolekcí - Založil světovou sbírku sortimentu kulturních rostlin - Přes 100 výprav po celém světě za účele posbírat co největší množství rostlin využitelných pro výživu člověka Zákon homologických řad dědičné proměnlivosti - HŘ je tvořena skupinou příbuzných druhů, u nichž došlo vlivem prostředí dlouhodobým vývojem ke vzniku obdobných (homologických) znaků a vlastností - Syntenické znaky = znaky společné původním formám a kulturních i planých druhů a druhům, které z nich vznikly Teorie center původu pěstovaných rostlin - Původní druhy nejsou rozmístěny na zeměkouli rovnoměrně, ale v určitých oblastech (centra původu) - Narazil na odpůrce genetiky Trofima Lysenka (úzká vazba ke Stalinovi) ten razil teorii záleží pouze na intenzitě podnětů, aby se dostavil požadovaný výsledek = kráva bude dojit fialové mléko pokud ji k tomu bude někdo vhodně stimulovat - V rámci stalinistických represí byl Vavilov obviněn, že zavinil hladomor v 30. letech 20. století = do gulagu, kde 1943 zemřel

19 Genetická diverzita a její význam Centra původu plodin místa původního výskytu původních druhů a variet Primární centrum původu oblast, kde se kulturní druh oddělil od planých forem Sekundární centrum původu oblast, kde z nového druhu vznikají nebo vznikly nové formy, ale nemusejí se zde vyskytovat jeho plané formy Ale! Oblasti s max. variabilitou nemusí být identické s centry původu! Nazývají se centra diverzity Př: Etiopie: geneticky různorodé druhy a formy rodu Triticum, ale nenalezen žádný z planých předků pravděpodobnost introdukce

20 A: Původ a ochuzování genetické diverzity Centra původu kulturních rostlin (N.I. Vavilov, 1926) 1. Blízký východ: 7000 př.kr. pšenice, ječmen, hrách, čočka Irán, Irák, Sýrie 2. Střední východ a centrální Asie: 4000 př.kr. réva vinná, oliva, pohanka, vojtěška, konopí Afg., Pak., Uzbekistán 3. Indie: 3000 př. Kr. palma datlová, mango, čajovník, lilek Indie + Indomalaisie 4. Čína: 4000 př.kr. sója, rýže, čirok Čína, Japonsko, Korea 5. Jihových. Asie: třtina cukrová, rýže, banánovník, citrus, čajovník 6. Afrika: 2000 př. Kr. vodní meloun, čirok, skočec, kávovník Vých. Súdán, Etiopie 7. Severní Amerika: 5000 př. Kr. fazol, tykev, slunečnice, jahodník Mexiko, J. USA 8. Střední Amerika: 6000 př. Kr. kukuřice, tykev, fazol, rajče, avokádo Mexiko, J. Panama 9. Andské oblasti Jižní Ameriky: 2500 př. Kr. brambor, batáty, podzemnice olejná, fazol Kolumbie, Peru Ekvádor, Bolívie 10. Jižní Amerika: podzemnice olejná, ananas, kakaovník, bavlník, tabák, paprika Brazílie. Paraguay. Chile

21 Rajče jedlé, též lilek rajče (Solanum lycopersicum L., 1753) - Centrum původního výskytu bylo v horských oblastech And (Peru, Ekvádor, Chile). - K domestikaci došlo v Mexiku odkud se rozšířila po celém světě. - V mnoha zemích používaný název tomato pochází z jednoho z jazyků mexických indiánů. - Před 450 lety byla rajčata importována do Evropy, ale dlouho nebyla konzumována, protože byla považována za jedovatá. Jako potravina přijata teprve v nedávné době. Solanum galapagense, Tvar plodů je kulatý Trichomy produkující sloučeniny chránící rostlinu proti hmyzu. Moderní kultivary trichomy nemají nebyla prováděna selekce Moderní kultivary rajčete šlechtění ve prospěch objemu plodů u některých kultivarů - Tvar plodů oválné, kulaté, soudkovité, protáhlé Photo H. Teppner Domestic and wild tomatoes. L to R: Solanum lycopersicum, and wild relatives S. pimpinellifolium, S. habrochaites and S. pennellii. Credit: Brad Townsley, UC Davis. Solanum carolinense. Příklad planého druhu, který může být donorem významných genů rezistence ke škůdcům a chorobám. Plody tohoto druhu jsou jedovaté.

22 Genetická diverzita a její význam Centra původu plodin místa původního výskytu původních druhů a variet Oblasti původu všech hlavních plodin se nacházejí v tropických a subtropických částech Asie, Afriky a Latinské Ameriky. - Největší rozmanitost nalezl Vavilov v tropickém a subtropickém pásu v podhůří velkých pohoří. - např. Himaláje, Apeniny, Andy, Blízký východ - Tato pohoří byla vlastně i bariérou vedoucí k omezené migraci rostlin, lokální izolaci. silně různorodé podmínky prostředí, které se často mění neprobíhá jednostranná selekce na určité znaky Bariéry (údolí, skalní masivy) = lokální izolace vznik různých forem Velké výkyvy teplot a UV záření (mutace), vznik kříženců i u samosprašných druhů Pšenice a ječmen na Blízkém východě Sója a rýže v Číně Čirok, yam a káva v Africe Brambory a rajčata v Andách v Jižní Americe Kukuřice v Jižní a Střední Americe

23 Krajové odrůdy Centra původu a diverzity - lokalizovány především v rozvojových zemích. Farmáři v těchto oblastech stále praktikují tradiční zemědělství, které využívá místní variety označované jako krajové odrůdy = land races. Ty podléhaly selektovány pro místní podmínky dané oblasti a předávány mezi farmáři z generace na generaci. Taxonomicky příbuzné druhy daným plodinám, běžně rostoucí ve volné přírodě se označují jako plané progenitory hospodářských plodin = wild relatives. Tubers of the potato landraces from Canary Islands, Azucena Negra, Bonita Blanca, Bonita Negra, Bonita Colorada, Negra, and Colorada de Baga. solcap.msu.edu

24 Krajové odrůdy a plané progenitory představují největší zdroj genetické diverzity plodin. Tato diverzita představuje přirozený zdroj genů pro adaptaci k různým enviromentálním podmínkám a pro různé potřeby člověka. Rýže: některé variety rýže snesou pouze nízký roční úhrn srážek, jiné snesou trvalé zaplavení vodou. PPI-PPIC (ESEAP)/IRRI Photo

25 Ztrácí se potenciál využitelný v zemědělství FAO odhaduje, že od začátku 20. stol došlo ke ztrátě asi 75% genetické diverzity zemědělských plodin. Jsme stále více závislí na stále menším a menším počtu variet daných plodin a potažmo na jejich zužujícím se zdroji genů. Primární důvod: - Komerčně dostupné (zpravidla uniformní) variety vytlačují lokální variety - Zvláště nebezpečné je to v oblastech center diverzity plodin - Dochází k vytlačení a nenávratné ztrátě původních variet (genetická eroze) Začátky tohoto procesu spadají do 50-tých let 20. století = GREEN REVOLUTION = Zelená revoluce = proces, ke kterému došlo v 2. polovině 20. století a který díky využití moderních technologií, hnojiv, pesticidů a šlechtění nových odrůd přinesl výrazný skok v zemědělské produkci. - To vedlo ke zvýšení výnosů, ale k poklesu diverzity plodin (genetické erozi).

26 Následky nedostatečné genetické diverzity: a) genetická zranitelnost - Náchylnost moderních variet k napadení chorobami a škůdci, abiotickým stresům apod. - neočekávaný problém (nemoc, výkyv teplot) může způsobit velké ztráty u většiny nebo všech odrůd plodiny genetickou zranitelnost je možné zmenšit: monitorováním chorob, škůdců, stresů, které mohou produktivitu ohrozit a včasným šlechtěním tomu předcházet Šlechtěním odrůd s větší genetickou diverzitou (nepříbuzných odrůd) - Zdrojem těchto genů jsou především tradiční krajové odrůdy a planě rostoucí druhy. b) omezení genetického pokroku Omezení možnosti získat odrůdy s vyššími výnosy nevíme, zda u dané plodiny bylo dosaženo výnosového maxima týká se šlechtění kvantitativních znaků u rostlin se obtížně dokazuje i překonává

27 GREEN REVOLUTION s - Začala se zhoršovat výživa rostoucí lidské populace zvláště v Indii, Pákistánu a Mexiku. - Indie v roce 1961: milionů obyvatel - Roční produkce 11 milionů tun pšenice, čili něco přes 24 kg na osobu a rok, tj. necelých 70 gramů na den. - V roce 1965 už hrozil hladomor v souvislosti s výskytem rzi travní na pšenici. Norman Borlaug ( ) - Pracoval v Mexiku pro Ministerstvo zemědělství na šlechtění pšenice - cíl zvýšení výnosů, aby Mexiko nebylo závislé na importu pšenice - výsledek: - po deseti letech vyšlechtil odrůdu s rezistencí ke rzi - problém: - nízké výnosy odstranění hnojením výsledkem byly těžké klasy = porost poléhal = znehodnocení výnosů použil ke křížení japonskou polotrpasličí odrůdu Norin - výsledkem byla tzv. trpasličí pšenice s krátkým nepoléhavým stéblem a bohatým odnožováním, která byla odolná ke rzi travní - během tří let byla sklizeň pšenice 6x vyšší, než při příchodu Borlauga do Mexika - zvýšila výnosy v zemích třetího světa - V roce 1970 se stal nositelem Nobelovy ceny míru za inovace v oblasti pěstování nových vůči nemocím - Odhaduje se, že zachránil asi 1 mld. lidí před hladomorem - Borlaug zavedl novou odrůdu a agrotechnické postupy do Indie a Pákistánu - Mezi lety 1964 a 2001 roční produkce pšenice v Indii vzrostla ze 12 na 75 milionů tun. - V Pákistánu ze 4,5 na 22 milionů tun.

28 Ug99 - nová linie rzi travní, která se šíří od roku 1999 z Ugandy (Puccinia graminis f. sp. tritici), - Prozatím známo osm ras Ug99, které jsou blízce příbuzné a pocházejí ze společného předka - Testováno variet pšenice pěstovaných ve 22 zemí Afriky a Asie - Ug99 rezistentní variety existují, ale jsou pěstovány pouze na 5-10% pěstebních ploch - Předpokládá se další šíření na východ především díky převládajícími západními větry - Nová potenciální hrozba pro Pákistán a Indii - 40% devastace porostů

29 - Důsledky Zelené revoluce (Green Revolution) - Pozitiva - Dostatek potravin v rozvojových zemích - Zvýšení produkce/výnosů - zlepšení ekonomické situace - Zlepšené využití půdy - Rozvoj vědeckých přístupů při řešení problémů v zemědělství - Nové odrůdy s vyšším výnosem a odolností k chorobám a škůdcům - Negativa - Genetická eroze - Degradace půdy (vyčerpání živin, toxicita pesticidů, hnojiv.) - Rozvoj plevelů - Rezistentní druhy patogenů -.

30 Nebezpečí genetické uniformity Rozsáhlé plochy jsou osety monokulturou vysoce produktivních variet - Nutnost vysokých vstupních nákladů pro zajištění maximální produkce: hnojení, postřiky, zavlažování. - Genetická uniformita představuje nebezpečí devastace monokultury např. novými virulentními kmeny nebo druhy patogenů Příklad: stol. zhroucení civilizace Mayů v Mexiku vlivem monokulturního pěstování kukuřice Velký hladomor v Irsku (The Irish Potato Famine) - Katastrofální hladomor v Irsku v letech Totální neúroda brambor, na kterých byli Irové potravně závislí - Příčiny: vlhké počasí podporující šíření plísně bramborové (Phytophtora infestans) - Výsledek: - 0,5-1,5 mil. mrtvých z 8mi miliónové populace Irů - Další 2 mil emigrovaly (USA, GB, Kanada, Austrálie) - Politická rovina zhoršení vztahů s GB, kvůli jejich neochotě pomoci, popř. kvůli směřování pomoci do oblastí s početnější populací Britů» říše Chromalveolata» kmen Peronosporomycota - řasovky» třída Peronosporomycetes - oomycety» řád Peronosporales - vřetenatkotvaré» čeleď Phytophthoraceae

31 Cesta Phytophtora infestans do Evropy Investigation of genomes from historic ( ) herbarium specimens Based on complete mtdna genomes, and millions of SNPs První výskyt choroby: - Začátkem roku 1843 v USA Philadelphia a New York City - Šíření spor vzduchem a v roce 1845 nalezena od Virginie po Ontario - Do Evropy se dostala v roce 1845 se sadbou brambor mířící do Belgie - Všechny plochy Evropy byly zasaženy infekcí, ale nejvíce škod napáchala v Irsku monokultury variety Irish Lumper - varieta adaptovaná pro pěstování v západním Irsku - Varieta znovu pěstovaná od 2008 jako krajová odrůda Kentaro et al., 2013, elife

32 Cesta Phytophtora infestans do Evropy Investigation of genomes from historic ( ) herbarium specimens Based on complete mtdna genomes, and millions of SNPs Linie P. infestans HERB-1 způsobila hladomor v Irsku byla jiným genotypem než kmeny, které se dostaly do Evropy později. Zisk rezistence k tomuto kmeni introgresí genů rezistence ze Solanum demissum (J. Amerika) Na základě datování genomů P. infestans z herbářových položek se odhaduje diverzifikace kmenů PI v post-kolumbovské éře a vznik samotného druhu v době kratší než 2000 let velice rychlá radiace a speciace P. infestans HERB-1 = 1st global migration, 50 yrs existence (rare or extinct) US-1 = 2nd global migration, replaced HERB-1, persists Kentaro et al., 2013, elife speciace štěpení linií, výsledkem je vznik několika nových druhů z původního Adaptivní radiace je diverzifikace druhů, která umožňuje vyplnění celé řady ekologických nik

33 Nebezpečí genetické uniformity Southern Leaf Blight - spála kukuřice = helmintosporiová skvrnitost listů (Helminthosporium maydis) říše Fungi - houby» třída Dothideomycetes» řád Pleosporales - zďovkotvaré 1970 genetická uniformita monokultur kukuřice v USA náchylných k plísním - 50% ztrátě výnosu kukuřice = ztráta 1 mld $. Přes 80% komerčních variet bylo náchylných k onemocnění- southern leaf blight. geny rezistence přeneseny z Africké variety Mayorbella.

34 Rice grassy-stunt virus - Virus zpomalující růst a vývoj rýže s - devastace rýžových polí od Indie do Indonésie - Hledání zdroje rezistence k RGSV - Během čtyř let testováno známých variet a planých druhů - gen rezistence z populace Oryza nivara, grostoucí blízko města Gonda v Indii - dnes se pěstují variety obsahující tento gen na km 2 rýžových polí v Asii

35 Genetický drift - náhodné změny v poměrném zastoupení alel v populaci Máme ohrožený druh, který se vyskytuje v několika izolovaných populacích, přičemž každá populace nese jiné alely. Pokud dojde k zániku některé z těchto populací nedojde ke ztrátě alel různého typu, protože jsou přítomny v kterékoliv ze zbývajících populací.. ke změně genofondu nedošlo

36 Genetická eroze Máme ohrožený druh, který se vyskytuje v několika izolovaných populacích, přičemž každá populace nese jiné alely. Pokud dojde k zániku některé z těchto populací dochází zároveň k nenávratné ztrátě některých alel = genetická eroze.... došlo k nevratnému ochuzení genofondu

37 Původ a ochuzování genetické diverzity zemědělských plodin Zemědělství = promyšlené pěstování plodin Euroasie optimální podmínky pro vznik a rozvoj civilizace rostliny se daly optimálně pěstovat a šlechtit + možnost ochočení zvířat 14 savců je dostatečně velkých a použitelných k tahání nákladů a reprodukce v zajetí (13 Euroasie + andská lama) Střední východ (severní konec syrské pouště, údolí Nilu po Eufrat a Tigris = Úrodný půlměsíc kolébka civilizace 4. tis. př n. l. Čína

38 Úrodný půlměsíc kolébka civilizace 4. tis. př n. l.

39 A: Původ a ochuzování genetické diverzity V období tisíc let př. Kr. přešel neolitický člověk k pěstování rostlin a chovu zvířat nejstarší známý nález pěstovaného obilí pochází z vykopávek neolitické osady u Jarmo (Irák) (10-9tis let) obilky Triticum dicoccum a Hordeum vulgare var. distichon mají již znaky pěstovaných rostlin nejstarší zbytky kulturní kukuřice jeskyně Bat-cave Nové Mexiko staré asi 6000 let 7000 l. př. Kr. Jericho opevněné sídliště, husté osídlení, jedno z nejstarších měst s kontinuálním osídlením

40 Původ a ochuzování genetické diverzity Vznik pěstovaných rostlin spjat s vývojem člověka-zemědělce člověka nekočujícího Člověk se usazoval v místech vyššího výskytu daných rostlin sběr, setí, odstraňování konkurenčních druhů tím ovlivňoval jejich další vývoj Existence řady plodin je dnes závislá na člověku: Pokud obilky kukuřice vyklíčí na palici navzájem se zadusí ( změna morfologie původně prstovitě rozvětveného klasového vřetene na dnešní palice) Ztráta generativního rozmnožování (ananasovník, maniok)

41 learn.genetics.utah.edu změna morfologie původně prstovitě rozvětveného klasového vřetene na dnešní palice

42 Čím se kulturní rostliny vyznačují? Aneb atributy kulturních rostlin. Výnos Gigas charakter (mohutnost) polyploidie, mutace Hromadné klíčení semen a ztráta dormance Allometrický růst Zvýšení počtu užitečných orgánů Dodonaeův bylinář 16st. současné kultivary hyacintů

43 Změny chuťových a dietetických vlastností sklízeného produktu Změna reprodukční biologie (česnek, brambory, ananas) Ztráta ochranných mechanických zařízení Zhoršení a ztráta přirozených rozšiřovacích zařízení Změna habitu

44 Čím se kulturní rostliny vyznačují? Příklad domestikace salátu (L. sativa L.) L. serriola Genový pool L. serriola a ostatní příbuzné druhy JZ Asie Domestikace selekce proti výskytu trichomů, vysokému obsahu latexu, hořké chuti listů Selekce na pozdní vybíhání a kvetení L. sativa Trichomy Latexové skvrny

45 Příklad domestikace salátu (L. sativa L.) L. serriola Zkrácení internodií Tvorba hlávek Zvýšení počtu semen Ztráta přirozených rozšiřovacích zařízení L. sativa

46 Atributy zemědělských plodin - shrnutí Výnos sklizeň získaná z jedné rostliny, z jednotky plochy hromadné klíčení semen gigas charakter celkové zvětšení rostliny (může souviset se zvětšením ploidie) allometrický růst nerovnoměrné zvětšení částí rostliny Slunečnice zvětšení počtu květů v květenství = více semen zvětšení orgánů, které jsou předmětem selekce (plody rajčata, okurky, dýně; listy zeleniny; stonkové hlízy) Gigas ch. vodní meloun diploid vs indukovaný tetraploid Stonková bulva květáku zvýšení počtu užitečných orgánů (slunečnice, kukuřice) změny chuťových a dietetických vlastností sklízeného produktu změna reprodukční biologie (ztráta generat. rozmn. česnek, brambory, ananas) zhoršení a ztráta přirozených rozšiřovacích zařízení plody zůstávají na rostlině, nerozpadavé klasy ztráta ochranných mechanických zařízení změna habitu (ovocné stromy, salát) L. sativa L. serriola Postavení zákrovních listenů

47 Rozdělení rostlinných druhů podle křížitelnosti planých a pěstovaných druhů a životaschopnosti F1 hybridů (Harlan, de Wet 1971) primární gene-pool (GP1): pěstované druhy a jejich příbuzné druhy, u nichž křížení probíhá víceméně bez problémů a F1 hybridi jsou životaschopní sekundární (GP2): příbuzné druhy, z nichž lze přenést geny do pěstovaných druhů, ale s obtížemi: zisk semen hybridů, ale nelze dopěstovat F1 pokles fertility potomstva potomstvo výrazně podobné jednomu z rodičů terciární (GP3): přenos genů do pěstovaných druhů jen pomocí speciálních postupů nebo není možný hybridi s GP1 anomální, letální nebo neplodní příklad: kategorizace planých druhů rodu Lactuca L. do genových poolů

48 Využití planých druhů pro šlechtění příklad: kategorizace planých druhů rodu Lactuca L. do genových poolů - Pozice řady planých druhů není vyřešena Wild species belonging to primary GP: L. serriola L. aculeata L. altaica L. georgica L. dregeana L. scarioloides?

49 See you next week!