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

3 Obecný úvod genetické zdroje Sylabus přednášek domestikace a genetická diverzita zemědělských plodin genetická centra planě rostoucí druhy, druhy příbuzné zemědělským plodinám genový pool kolekce in-situ, ex.situ, speciální kolekce, databáze pasportní a popisná data, dokumentace organizace a vybavení genetických bank technologie regenerace a uložení položek sběrové expedice kolekce botanických zahrad právní aspekty ochrany genofondu zemědělských plodin informační systémy

4 cca druhů cévnatých rostlin lze označit jako jedlé patří mezi pěstované rostliny = plodiny Pouze 30 plodin zajišťuje z 95% výživu lidstva. rozmanitost zdrojů lidské výživy je poměrně nízká

5 Hlavní plodiny ve výživě lidstva Světová produkce hlavních plodin (v miliónech tun) FAO 2004 kukuřice pšenice rýže brambory sója maniok batáty ječmen banány - 71 čirok - 59 Hlavní plodiny pěstované v ČR: obiloviny pšenice, ječmen, kukuřice, tritikale, žito, oves olejniny řepka olejka okopaniny brambory přadné rostliny len zelenina kořenová, plodová, listová pícniny vojtěška, jetelotravní směsky Tritikále (Triticale) je hybridní obilnina, která vznikla křížením žita a pšenice.

6 Rozdělení zemědělských plodin dle charakteru poskytovaných produktů s přihlédnutím ke kultuře pěstování: 1. obilniny 2. luskoviny (bob, hrách setý, fazol obecný, čočka jedlá, vikev, vlčí bob, lupina, cizrna beraní) 3. olejniny (řepka olejná, slunečnice roční, len setý, hořčice bílá, mák setý, tykev olejná, světlice barvířská - saflor) 4. přadné rostliny (len, konopí) 5. okopaniny (cukrovka, krmná řepa, krmná (kadeřavá) kapusta, krmná mrkev, čekanka obecná, brambory) 6. jeteloviny (jetel, vojtěška, štírovník, vičenec, svazenka, komonice, úročník) 7. trávy (např. Festuca rubra Valaška, Poa nemoralis Dekora, Poa compressa Razula, Holcus lanatus Hola ) 8. jednoleté pícniny (pšenice ozimá, ječmen ozimý, žito seté ozimé, oves setý, řepka ozimá) 9. kořeninové rostliny 10. aromatické rostliny 11. léčivé rostliny 12. okrasné rostliny 13. zeleniny 14. ovocné rostliny

7 Terminologie Termín: genofond Význam: soubor všech genů v populaci organizmů soubor všech živých organizmů v určité oblasti, se současně se projevujícími i s potenciálními geny sensu stricto unikátní typ genetické struktury určitého taxonu, nejčastěji druhu sensu lato taxonomické bohatství květeny určitého území (rody, druhy, )

8 Odvětví využívající fytogenofond Základní a aplikovaný výzkum Biotechnologie Fytofarmakologie účinky látek získaných z léčivých rostlin (fytofarmak) na lidský organismus Zušlechťování a šlechtění Nové odrůdy, plodiny a nové surovinové zdroje Alternativní zemědělství Lesnictví Ochrana a tvorba krajiny Trvale udržitelný rozvoj Poznámka: Fytofarmacie - nauka zabývající se výzkumem a použitím látek k ochraně rostlin (pesticidů)

9 Trvale udržitelný rozvoj Definice Evropského parlamentu: zlepšování životní úrovně a blahobytu lidí v mezích kapacity ekosystémů při zachování přírodních hodnot a biologické rozmanitosti pro současné a příští generace. Obnovitelné zdroje by měly být čerpány maximálně rychlostí, kterou se stačí obnovovat. Vyčerpatelné zdroje by měly být čerpány maximálně rychlostí, kterou budou budovány jejich náhrady, na něž bude možno plynule přejít. Intenzita znečišťování nesmí přesáhnout asimilační kapacitu životního prostředí. Část současných technologií by měla být investována na redukci znečištění, snížení plýtvání a zvýšení efektivity (výrobků, energie, výrobních postupů, ). Antoin de Saint-Exupéry: Nedědíme Zemi po našich předcích, nýbrž si ji vypůjčujeme od našich dětí.

10 Terminologie 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 BIOLOGICKÁ ROZMANITOST = BIODIVERSITA rozmanitost života na Zemi - rostlin, živočichů, mikroorganismů stejně jako ekosystémů ve kterých organismy žijí

11 Genetická diverzita (Primack et al. 2001) Genetická variabilita Rozsah druhů v ekosystému Soubor typů stanovišť a ekosystémových procesů v krajině

12 GD: 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) Konference OSN o životním prostředí a rozvoji (UNCED) (Brazílie, Rio de Janiero, 1992) Úmluva o biologické rozmanitosti (Convention on Biodiversity) klíčová podmínka pro přežití lidstva: cílevědomá regulace produkce a spotřeby 1994: podpis konvence v ČR Princip konvence: každý stát je zodpovědný za vlastní genetické zdroje CBD má tři základní cíle: 1) ochranu biologické rozmanitosti 2) udržitelné (setrvalé) využívání biologické rozmanitosti 3) zajištění spravedlivého rozdělování výnosů z využívání biologické rozmanitosti

13 A: Původ a ochuzování genetické diverzity zemědělských plodin Zemědělství = promyšlené pěstování plodin vznik na 10 různých místech zeměkoule 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

14

15 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) obilky Triticum dicoccum a Hordeum vulgare var. distichon mají již znaky pěstovaných rostlin nejstarší zbytky kulturní kukuřice jeskyně Bat-cave Nové Mexiko staré asi 5930 let 7000 l. př. Kr. Jericho opevněné sídliště, husté osídlení, jedno z nejstarších měst s kontinuálním osídlením

16 A: Původ a ochuzování genetické diverzity Oblasti původu a první domestikační oblasti kulturních rostlin 4. Čína: 4000 př.kr. sója, rýže, čirok Čína, Japonsko, Korea 5. Jihových. Asie: třtina cukrová, rýže, banánovník, citrus, čajovník 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 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

17 A: Původ a ochuzování genetické diverzity Centra původu plodin místa původního výskytu původních druhů a variet podhůří - např. Himaláje, Apeniny, Andy, Blízký východ 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

18 A: Původ a ochuzování genetické diverzity 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 Ve středu genových center rostliny se znaky, které jsou řízeny původnější dominantní alelou Na okrajích genových center rostliny s progresivnější recesivní alelou Vně genových center jsou populace kulturních druhů, které jsou málo variabilní 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

19 A: Původ a ochuzování genetické diverzity Důležité faktory - procesy spjaté s termínem domestifikace Introgrese vnesení a exprese genů určitého druhu do genomu jiného druhu Považuje se za základní činitel evoluce plodin často ve spojení s polyploidizací. Rostliny zavedené do kultury se mění rychleji než plané druhy Homologické řady kontinuální proměnlivost určitého znaku v řadě variant Lze zjistit znaky vývojově starší, primitivní i znaky mladší, modernější př. znaky klasu obilnin Genetický drift náhodné změny v četnosti alel dané populace Projeví se zejména u malých populací při introdukci plodiny Některé alely z populace zmizí s vyhynutím svého nositele Uchování spontánních mutací popř. rekombinací, které by byly u planých druhů neživotaschopné: zdužnatělé květenství květáku, růžičková kapusta, ztlustlý hypokotyl ředkvičky

20 A: Původ a ochuzování genetické diverzity Důležité faktory - procesy spjaté s termínem domestifikace Ochuzování GD s rozvojem moderního šlechtění začátkem 20. st Pěstování nejlepších a nejvýnosnějších odrůd, často vzájemně příbuzných. genetická eroze úplná ztráta určitých genů, vlastností Pěstování malého počtu odrůd na velké výměře + ničení lokalit původních druhů (rozšiřování pěstební plochy). Ke genetické erozi přispívá: zákazník preference určitých odrůd př. mrkev s oranžovým kořenem ( bílé, žluté a červené odrůdy vymizely) pěstitel - preference odrůd, které např. lépe reagují na aplikaci hnojiv a pesticidů

21 A: Původ a ochuzování genetické diverzity Každý druh je adaptován na určité podmínky (teplota, vlhkost, živiny ). V rámci daného druhu existuje jemnější stupeň adaptace populací na menší rozdíly mezi jednotlivými lokalitami = ekotypy Rostliny mají schopnost reagovat na pomalé přírodní změny = produkují v každé generaci jedince s novou konstitucí alel = s různou ekologickou preferencí pro nové podmínky prostředí Pokud se některé rostlinné druhy nestačí adaptovat na rychlé změny prostředí (činnost člověka) vyhynou U zemědělských plodin vývoj souběžně s lidskými společnostmi, člověk je rozšířil na velké plochy po celém světě diferenciace do krajových odrůd = zemědělské ekvivalenty ekotypů planých druhů

22 A: 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 Plodiny se liší od svých předků např.: Hromadným klíčením semen Současným zráním všech rostlin i všech plodenství na rostlině Nerozpadavostí klasů Nepukáním lusků Zvětšením některých orgánů (allometrický růst; př. dužnina plodů) Zesílení některých pletiv Zvětšením některých orgánů (hlízy, cibule, semena) gigas charakter Nadměrné zvýšení obsahu zásobních látek Existence řady plodin je 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)

23 A: Původ a ochuzování genetické diverzity Atributy zemědělských plodin Výnos (sklizeň získaná z jedné rostliny) hromadné klíčení semen gigas charakter (mohutnost) (plody rajčata, okurky, dýně; listy zeleniny) allometrický růst (větší listy, orgány využitelné člověkem) zvýšení počtu užitečných orgánů (slunečnice, kukuřice) změna kvality sklizňového produktu 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)

24

25 L. sativa L. serriola

26 B: Význam genetické diverzity 1900 ochuzování genetické diverzity ZP v důsledku rozvoje moderního šlechtění Genetická eroze = jev při němž dochází ke snižování různorodosti genů ochuzování genetické diverzity šlechtěním Zákazník preferuje určité odrůdy a formy plodin Pěstitel preferuje odrůdy, které efektivně reagují na pěstitelská opatření příklady následků omezené genetické diverzity u pěstovaných plodin: stol. zhroucení civilizace Mayů v Mexiku vlivem monokulturního pěstování kukuřice hladomor v Irsku, plíseň bramborová (Phytophtora infestans) - Florida (20. léta 19. st.) pěstování jen několika odrůd citrusů porosty zdecimovány mutovaným virulentním kmenem bakterie Xanthomonas campestris Ukrajina pěstování pšenice Bezostaja, vyzimování porostů

27 C: Ochrana genetické diverzity: Počátky: botanické zahrady Původní účel pro potěchu oka a duše = napodobení biblického ráje, medicína (léčivky) 5. st. n. l. Čína dynastie Son všechny rostliny v zahradě označeny jmenovkami 1447 sbírka léčivých rostlin ve Vatikáně Dnes: cca 1000 botanických zahrad, 200 z nich je systematicky zaměřeno na mizející druhy Nejvýznamnější: bot. zahrada v Kew u Londýna (50 tis. druhů)

28 C: Ochrana genetické diverzity: Nové položky - sběry: původně sběratelé vysazovali rostliny z neznámých krajů v bot. zahr., univerzitách a výzkumných ústavech 2,5 tis př. n.l. expedice Sumerů do malé Asie hledali vinou révu, smokvoň a růže Misionáři, jezuité Moderní doba: Humbolt ( ), Vavilov ( ) přes 60 tis vzorků rostlin (3 tis kukuřice) Dnes: LEGISLATIVA! Je ilegální získat a držet jakoukoliv rostlinu z naleziště, pokud je daný druh na seznamu CITES (Convention on International Trade in the Endangered Species of Wild Fauna and Flora) (někdy Washingtonská konvence Appendix I of the CITES CR critical EN endangered Appendix II of the CITES VN vulnerable SU susceptible S/LR safe, low risk IK insufficiently known

29 C: Ochrana genetické diverzity - LEGISLATIVA Sběr rostlin regulován zákonem č. 16/1997 Sb. : O podmínkách dovozu a vývozu ohrožených druhů volně žijících živočichů a planě rostoucích rostlin a dalších opatřeních k ochraně těchto druhů Prováděcí vyhláška k tomuto zákonu: č. 82/1997 sb. Podle 13. je dovoz rostlin ohrožených vyhubením na základě povolení k dovozu (vydává MŽP ČR) a současně povolení o vývozu od příslušného úřadu z vyvážejícího státu Zjednodušené řízení pokud prokážete, že se jedná o uměle vypěstované exempláře Osoba, která drží živý exemplář ohr. druhu je povinna se přihlásit k registraci u okresního úřadu nebo MŽP

30 C: Ochrana genetické diverzity - LEGISLATIVA Polní sběry pro vědecké účely v oblastech s vysokou genetickou diverzitou v oblastech s výrazným prostředím (sucho, mráz) přír. selekcí vznikají jedinečné genotypy, krajové odrůdy Sběr planých druhů na neporuš. nalezištích (popř. u plevelnýchdruhů z oblastí narušených činností člověka) Cílem: zisk maximální GD s únosnou velikostí a počtem vzorků Sběr z více populací, z každé náhodně vybraných rostlin tak, aby byla postižena současná genetická variabilita

31 C: Ochrana genetické diverzity rozdělení rostlinných druhů podle křížitelnosti planých a pěstovaných druhů (Harlan, de Wet 1971): primární gene-pool (GP1): pěstované druhy a jejich příbuzné druhy, z nichž lze získat geny pro šlechtění; křížení probíhá víceméně bez problémů 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

32 příklad: kategorizace planých druhů rodu Lactuca L. do genových poolů

33 C: Ochrana genetické diverzity Plané druhy zdroj genů pro šlechtění: rezistence k chorobám a škůdcům tolerance k abiotickým faktorům (chlad, zasolení, ozon) oproti plodinám vykazují řadu nepříznivých vlastností (viz atributy plodin) Potenciál planých druhů kvetoucích druhů 5000 využívá člověk pro svoje potřeby 500 bylo domestikováno 150 obchodně důležitých Příklady: brambor odolnost k viru Y ze Solanum stoloniferum odolnost k viru X ze S. asculae odolnost k plísni bramborové ze S. demisum

34 D: Následky nedostatečné genetické diverzity: genetická zranitelnost neočekávaný problém (nemoc, výkyv teplot) může způsobit velké ztráty u většiny nebo všech odrůd plodiny omezení genetického pokroku týká se šlechtění kvantitativních znaků u rostlin se obtížně dokazuje i překonává nevíme, zda u dané plodiny bylo dosaženo výnosového maxima genetickou zranitelnost je možné zmenšit: šlechtěním odrůd s větší genetickou diverzitou (nepříbuzných odrůd) monitorováním chorob, škůdců, stresů, které mohou produktivitu ohrozit a včasným šlechtěním tomu předcházet

35 E: Ochrana genetické diverzity 1992: OSN vypracovala Konvenci o biologické diverzitě 1994: podpis konvence v ČR Princip konvence: každý stát je zodpovědný za vlastní genetické zdroje Ochrana biodiverzity na úrovni : in situ původní naleziště, této variantě dávat přednost ex situ mimo naleziště, většinou genové banky Ochrana planých druhů, příbuzných zemědělským plodinám se děje: viz další přednáška Konzervační strategie