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 genofondu rostlin významných pro výživu a zemědělství Základní definice Význam genetické diverzity Význam planých rostlin a krajových odrůd Centra původu rostlin Centra diverzity Atributy kulturních rostlin Koncepce genových poolů

3 Ochrana genofondu rostlin významných pro výživu a zemědělství Doporučená literatura - Národní program konzervace a využívání genetických zdrojů rostlin, zvířat a mikroorganismů významných pro výživu a zemědělství na období MZE, Praha. Zákon o konzervaci a využívání genetických zdrojů rostlin a mikroorganismů významných pro výživu a zemědělství 148/2003 Sb. Prováděcí vyhláška k zákonu o konzervaci a využívání genetických zdrojů rostlin a mikroorganismů významných pro výživu a zemědělství 458/2003 Sb. Bryja et al. (2010). Koncepce ochrany genetické diverzity planě rostoucích rostlin a volně žijících živočichů v České republice (koncepční materiál pro činnosti v gesci MŽP). MŽP, Brno.

4 Ochrana genofondu rostlin významných pro výživu a zemědělství Samostatný obor zabývající se uchováváním a setrvalým využíváním genetických zdrojů (GZ) rostlin významných pro výživu a zemědělství. Konzervace a využívání GZ vyplývá z legislativy České republiky - Zákon o konzervaci a využívání genetických zdrojů rostlin a mikroorganismů významných pro výživu a zemědělství 148/2003 Sb. - Prováděcí vyhláška k zákonu o konzervaci a využívání genetických zdrojů rostlin a mikroorganismů významných pro výživu a zemědělství 458/2003 Sb.

5 Ochrana genofondu rostlin významných pro výživu a zemědělství - Organizačně spadá pod Ministerstvo zemědělství, které stanovuje Národní program konzervace a využívání GZ rostlin, zvířat a mikroorganismů významných pro výživu a zemědělství - 3 podprogramy - Národní program rostlin - Národní program mikroorganismů - Národní program zvířat MZe pověřuje v rámci každého podprogramu jím zřízené organizace, které zajišťují koordinaci všech zákonem stanovených činností.

6 Ochrana genofondu rostlin významných pro výživu a zemědělství Legislativa České republiky Ministerstvo zemědělství Finance ze státního rozpočtu VÚRV, v.v.i. Praha-Ruzyně POVĚŘENÁ OSOBA npr NÁRODNÍ GENOVÁ BANKA VÚRV, v.v.i. Olomouc zeleniny, kořeniny, aromat. a léčivé rostl. VÚRV, v.v.i. Karlštejn réva vinná VÚ Kroměříž obiloviny Rada Národního programu (Poradní orgán MZe složený předsedové Rad GZ jednotlivých podprogramů, určené osoby a MZe) NPR NPM NPŽ Rada genetických zdrojů kulturních rostlin (konzultační a poradní orgán Pověřené osoby a účastníků NPR) AGRITEC, s.r.o. Šumperk bobovité, len OSEVA, Zubří traviny AMPELOS, a.s. Znojmo-Vrbovec Polní GB réva vinná OSEVA, Opava olejniny VÚ Holovousy ovocné stromy a keře VÚ Troubsko Kolekce pícnin VÚ Sylva Taroucy Průhonice Polní GB veget. mn. okrasné rostl Chmelařský Institut Žatec Polní GB chmele Lednice MU Zahradnická fakulta Polní GB ovoce, vinná réva a vybrané zeleniny Bot. Ústav AVČR Průhonice Polní GB kosatců VÚ Havlíčkův Brod kolekce brambory In vitro

7 Čím se zabývají instituce zapojené do Národního programu - Shromažďováním a rozšiřováním kolekcí GZ - Evidencí a dokumentací GZ (podle Metodik schválených pro konkrétní kolekce) - Charakterizací (popis/identifikace) a hodnocením GZ (zaměřeno na hosp. významné znaky) - Dlouhodobým uchováváním GZ pro potřeby budoucích generací (základní úkol práce s GZ) - Regenerací GZ (techniky/přesevy zajišťující dostatečné množství životaschopných semen/jedinců) - Využíváním GZ (pro šlechtění, vědu a výzkum, vzdělávání, tvorba krajiny, ochrana přírody ) - Zajišťováním služeb uživatelům GZ v České republice i zahraničí - Poskytováním vzorků dostupných GZ a relevantních informací za podmínek stanovených v platných mezinárodních dohod a národních norem. Diverzita fazolí semena různých druhů Fabaceae Diverzita čiroku (Sorghum) a prosa (Panicum) demonstruje velký potenciál minoritních plodin využitelný pro potřeby lidstva

8 Genový zdroj Genovým/genetickým zdrojem rostlin se rozumí odrůda pěstované rostliny, krajová odrůda pěstované rostliny, genetická linie nebo planý druh rostliny, které jsou využitelné pro výživu a zemědělství, jsou zdrojem genetické rozmanitosti a jejich druh je zařazen do Národního programu. Vzorkem GZ rostliny se rozumí rozmnožovací materiál nebo jiná část pěstované rostliny umožňující přenos a regeneraci genetického zdroje při zachování jeho genetického základu. Obecně: genetický materiál rostlinného, živočišného, mikrobiálního či jiného původu obsahující funkční jednotky dědičnosti, který má současné nebo i potencionální využití. Kolekcí GZ se rozumí sbírka vzorků GZ shromážděná, hodnocená, dokumentovaná a konzervovaná v rámci Národního programu a uspořádaná podle rodů nebo druhů.

9 Objektem ochrany fytogenofondu zemědělských plodin jsou genové zdroje 1. Plané druhy - wild species 2. Plané druhy příbuzné ke druhům pěstovaným rostoucí ve volné přírodě - wild relatives, progenitors 3. Krajové odrůdy landraces, 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.

10 Krajové a staré odrůdy - přirozený zdroj genů pro adaptaci k různým enviromentálním podmínkám a pro různé potřeby člověka. Krajové odrůdy - odrůdy, jejích vznik a rozšíření je úzce spjato s určitou (konkrétní) oblastí. - Vyvíjely se dostatečně dlouho na to, aby se dokázaly adaptovat na místní klima, půdu, choroby, škůdce a kulturní prostředí. - Mají vysokou odolnost vůči stresu a v suboptimálních podmínkách mohou mít vyšší výnosy než moderní odrůdy. - Neznáme jejich tvůrce, protože byly výsledkem práce lidu - Nemají oficiální název, často však nesou své původní pojmenování v místním nářečí. - Příkladem může být Hájkova muškátová reneta, která vznikla v Kostelci u Heřmanova Městce a byla v této (ale později i jiných oblastech) rozšiřována. - Často sloužily jako základ pro další šlechtění. Staré odrůdy - odrůdy vyšlechtěné před 60 a více lety, jednou osobou, rodinou nebo šlechtitelskou firmou, ale dnes jsou na trhu často nedostupné. Byly zapsány a registrovány, obchodně šířeny, uváděny v dobových katalozích a nabídkách osiv a sadby. Tubers of the potato landraces from Canary Islands, Azucena Negra, Bonita Blanca, Bonita Negra, Bonita Colorada, Negra, and Colorada de Baga.

11 Zdroj: Krajová odrůda jabloně české růžové Je to letní odrůda jabloně pěstovaná již v 18. století, která je velmi dobré chuti a v červenci a srpnu příjemně osvěží. Dříve se pěstovala prakticky všude na území České republiky. Odrůda slivoně babče je regionální specialita, takže její nález byl o to cennější. Je chuťově vynikající a poskytovala především jedinečnou surovinu na marmeládu. Kvůli své náchylnosti k snadnému otlačení totiž nebyla schopná dopravy na trh, vysvětluje Martin Lípa, že to byl zřejmě i důvod, proč babče s rozvojem intenzivního ovocnářství prakticky vyhynulo.

12 Význam genových zdrojů Pro lidstvo mají nevyčíslitelnou hodnotu, protože jsou unikátním a nenahraditelným zdrojem genů a genových komplexů pro další zlepšování biologického a hospodářského potenciálu produkčních organismů. Různé genové zdroje mohou nést unikátní vlastnosti zdroje rezistence vůči chorobám, odolnost proti abiotickým faktorům apod. Při ztrátě nebo poškození genového zdroje může dojít ke snížení možnosti dalšího zlepšování produkčních organismů a jejich přizpůsobování měnícím se podmínkám prostředí a potřebám člověka. Jsou součástí celkové biodiverzity, tj. všech forem života na Zemi a ekosystémů.

13 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.

14 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.

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

16 Srovnání genetické diverzity planých druhů, krajových a šlechtěných variet čiroku vytvořené na základě celogenomového sekvenování 44 genotypů linie b) plané druhy (červené linie), krajové (zelená) a šlechtěné odrůdy (modrá). Concentric circles show the different features that were drawn using the Circos program. The 10 chromosomes are portrayed along the perimeter of each circle. wild and weedy genotypes (red), landraces (green) and improved inbreds (blue). (a) Gene content density distribution. (b) Genomic diversity (θπ) (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. Mace, E. S. et al Whole-genome sequencing reveals untapped genetic potential in Africa s indigenous cereal crop sorghum. Nat. Commun. 4:2320

17 Pozice kandidátních genů rezistence salátu k různým chorobám a škůdcům lokalizovaných na jeho devíti chromozomech. Track A: Disease resistance phenotypes; bars reflect the resolution determined by mapping in populations other than the core reference mapping population. Track B: NLR-encoding genes; TNLs are colored green and CNLs blue. Each pixel represents a gene. MRCs are shown as red bars below the genes. The scale bar enumerates each chromosome in Mb. Track C: Genes encoding receptor-like kinases: non - arginine-aspartate (non-rd) RLKs are colored orange. Track D: Genes encoding cytochrome P450 proteins. Track E: Gene density. Track F: Repeat density. Christopoulou et al Genome-Wide Architecture of Disease Resistance Genes in Lettuce. G3 (Bethesda) Dec; 5(12):

18 současnost Rekonstrukce vzniku jabloně domácí (Malus domestica). (A) Různé typy molekulárních markerů, které byly použity pro rekonstrukci evoluční historie jabloně (B) (1) Vznik v pohoří Tian Shan z Malus sieversii, následné (2) rozšíření z Asie do Evropy podél hedvábné stezky, usnadňující křížení a s planými druhy jabloní v Kavkazu a Evropě. Tloušťka šipek proporcionálně odpovídá příspěvku planých druhů do genomu současné jabloně domácí. (C) Genealogické vztahy mezi planými a kulturními jabloněmi doplněné o odhad datování hybridizačních událostí. Zkratky: BACC, Malus baccata; DOM, M. domestica; OR, Malus orientalis; SIEV, Malus sieversii; SYL, Malus sylvestris; ya, years ago. Trends in Genetics , 57-65DOI: ( /j.tig )

19 Pro výživu a zemědělství využíváme pouze malý podíl dostupných rostlinných druhů Člověk je potravinově závislý na úzkém okruhu plodin

20 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

21 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.

22 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) - Významným zdrojem genů využitelných pro tyto účely jsou především krajové odrůdy a planě rostoucí druhy (relativně snadný přenos křížením bez nutnosti genetických manipulací). b) omezení genetického pokroku omezení možnosti získat odrůdy s vyššími výnosy nevíme, zda u dané plodiny bylo dosaženo výnosového maxima

23 Nikolai I. Vavilov ( ) Významný ruský botanik, šlechtitel, genetik - Jeden z průkopníků tvorby genofondových kolekcí - Založil světovou sbírku sortimentu kulturních rostlin - Přes 100 výprav po celém světě za účelem posbírat co největší množství rostlin využitelných pro výživu člověka (shromáždil tis položek) - V rámci stalinistických represí byl Vavilov obviněn, že zavinil hladomor v 30. letech 20. století = do gulagu, kde 1943 zemřel na podvýživu Zákon homologických řad dědičné proměnlivosti - HŘ je tvořena skupinou příbuzných druhů, u nichž došlo dlouhodobým vývojem (vlivem prostředí) ke vzniku obdobných (homologických) znaků a vlastností - tj. u příbuzných rodů a druhů můžeme očekávat výskyt podobných znaků - syntenické znaky = znaky společné původním formám kulturních i planých druhů a druhům, které z nich vznikly Teorie center původu a diverzity pěstovaných rostlin - Již v r A. de Candolle předpokládal, že plodiny pocházejí z oblastí, kde se vyskytují jejich planě rostoucí předkové (defin. 3 centra, Čína; JV Asie a Egypt; trop. Amerika). - Vavilov si na základě poznatků z expedic všiml, že v malých izolovaných oblastech na zeměkouli existuje v rámci určitého druhu největší genetická rozmanitost nalézal zde největší počet různých forem a variet dané plodiny společně s planými příbuznými - označil je jako centra diverzity plodin. Definoval 8 center. - Vavilov považoval centra diverzity za centra původu plodin;. - Tyto oblasti jsou geograficky izolovány horami, řekami a pouštěmi. - Předpokládal, že rozmanitost v CD je způsobena akumulací mutací během dlouhého období izolovanosti těchto oblastí. HŘ definovaná variabilitou tvaru kořene u tuřínu (1), řepy (2), mrkve (3) a čekanky (4)

24 Definoval centra původu určité plodiny jako geografickou oblast, kde se projevuje největší diverzita (největší počet ras a botanických variet) rostlin určitého druhu. Vavilov si všiml, že se jeden druh nebo jeden rod často se vyskytuje i v několika dalších centrech. Centrum s maximální diverzitou nazval primární a centra, kam tyto typy dále migrovaly a vznikaly z nich druhy odvozené, jako sekundární. Např. primárním centrem původu kukuřice je Mexiko, ale Čína je sekundárním centrem škrobnatých typů kukuřice. Dnes jsou ale známy příklady, kdy oblast s max. variabilitou nemusí být identické s centrem původu! Př: Etiopie: geneticky různorodé druhy a formy rodu Triticum, ale nenalezen žádný z planých předků pravděpodobnost introdukce Dnes se označuje jako: primární centrum původu oblast, kde se kulturní druh oddělil od planých forem sekundární centrum původu oblast, kam nově vzniklý druh migroval a vznikly zde z něj nové odvozené formy. Nemusejí se zde vyskytovat jeho původní plané formy.

25 Centra původu kulturních rostlin a celkové počty domestikovaných druhů (N.I. Vavilov, 1926) doplněné o mikrocentra (P.M.Zhukovsky, 1975; žák Vavilova ) (Smýkal 2009, převzato ) Střední Amerika 1. Čína 2. Indie 2a. Indomalajská oblast 3. Střední Asie (Pákistán; oblast Pundžábu, Kašmíru; Afgánistán, Turkmenistán) 4. Blízký východ 5. Středozemí 6. Etiopie 7. Střední Amerika a Mexiko 8. Jižní Amerika - 8. Ekvádor, Peru, Bolívie, - 8a. Čile, - 8b. Brazílie a Paraguay

26 Ztráta genetické variability = ztráta potenciálu využitelného 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, méně produktivní variety. - Dochází k 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. Srovnání nabídky variet 10 základních plodin nabízených na trhu v USA v roce 1903 a počtu variet uložených v roce 1983 v genové bance USA ztráta 93% variet

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 - 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 -.

29 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

30 Nebezpečí genetické uniformity - Příklady z historie - Příklady přenosu vlastností z krajových odrůd nebo planých druhů do moderních odrůd 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 (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 Linie HERB-1-1. globální migrace, 50 let existence - nyní vzácná nebo vymřelá linie Linie US-1-2. globální migrace, - Nahradila linii HERB-1 - přetrvává 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 - Příklady přenosu vlastností z krajových odrůd nebo planých druhů do moderních odrůd 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 tomuto onemocnění geny rezistence přeneseny z Africké variety Mayorbella.

34 Nebezpečí genetické uniformity - Příklady přenosu vlastností z krajových odrůd nebo planých druhů do moderních odrůd 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, rostoucí blízko města Gonda v Indii - dnes se pěstují variety obsahující tento gen na km 2 rýžových polí v Asii

35 Vznik zemědělství Termínem zemědělství se označuje cílené pěstování rostlin a chov domestikovaných zvířat, vedoucí k produkci potravin a krmiv a nebo i jiných produktů. Vznik pěstovaných rostlin spjat s vývojem člověka-zemědělce člověka nekočujícího Člověk se usazoval v místech vyššího výskytu rostlin, které mu poskytovaly potravu prováděl 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)

36 Vznik zemědělství Euroasie optimální podmínky pro vznik a rozvoj civilizace rostliny se zde 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 9-4. tis. př n. l. Čína

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

38 Vznik zemědělství 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), kde obilky Triticum dicoccum (pšenice dvouzrnka) a Hordeum vulgare var. distichon (ječmen dvouřadý) mají již znaky pěstovaných rostlin nejstarší zbytky kulturní kukuřice jeskyně Bat-cave Nové Mexiko (USA) staré asi 6000 let (kromě kukuřice i semena a zbytky rostlin dýně, slunečnice, fazole) 9000 l. př. Kr. Jericho (Palestina) opevněné sídliště, husté osídlení, jedno z nejstarších měst s kontinuálním osídlením na světě Uměle vytvořené návrší, které vzniklo postupným vrstvením osídlení nad sebou (20 navazujících osad) plocha 2,5 Ha, výška nánosů 21 m Místní obyvatelé, jichž bylo mezi 170 a 1000, nebyli jen lovci a sběrači, ale pěstovali pšenici, ječmen a luštěniny, chovali ovce (zemědělci). Triticum dicoccum

39 Syndrom domestikace / atributy zemědělských plodin Selekce prováděná člověkem u plodin během domestikace vedla ke změnám rostlin divokých v kulturní. Morfologické a fyziologické znaky, které odlišují tyto dva typy rostlin, se souhrnně nazývají podle J. R. Harlana syndrom domestikace Znaky domestikace Rozpadavost klasů pšenice Gigas charakter vodní meloun diploid vs indukovaný tetraploid Allometrický růst - nadzemní stonková bulva kedlubny Saláty: Změna habitu a zhoršení rozš. schopnsti - Postavení zákrovních listenů L. serriola - vybíhavý, větvený stonek - odstáté zákr. listeny lehce se z květního lůžka uvolní L. sativa - tvorba hlávek -přitisklé zákrovní listeny

40 Rajče jedlé, též lilek rajče (Solanum lycopersicum L., 1753) - Centrum původu - horské oblasti 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. Solanum carolinense Příklad planého druhu, který může být donorem významných genů rezistence ke škůdcům a chorobám. Plody tohoto druhu jsou jedovaté. Photo H. Teppner Moderní kultivary rajčete šlechtění ve prospěch objemu plodů u některých kultivarů - Tvar plodů oválné, kulaté, soudkovité, protáhlé Domestic and wild tomatoes. L to R: Solanum lycopersicum, and wild relatives S. pimpinellifolium, S. habrochaites and S. pennellii. Credit: Brad Townsley, UC Davis.

41 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

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

43 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

44 Využití planých druhů pro šlechtění příklad: kategorizace planých druhů rodu Lactuca L. do genových poolů - Pozice řady planých druhů není vyřešena Plané druhy spadající do primárního GP: L. serriola L. aculeata L. altaica L. georgica L. dregeana L. scarioloides?

45 See you next week!