Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a učitelství biologie CZ.1.07/2.2.00/15.0316
Domestikace rostlin Petr Smýkal Katedra botaniky Univerzita Palackého v Olomouci
Charles Darwin (1809-1882) Variation of Animals and Plants under Domestication (1868) On the Origin of Species (1859) Alfonse De Candolle (1806 1893) Géographie Botanique Raisonée (1855) L Origine des Plantes Cultivées (1883)
Ex situ germplasm genetic diversity for next generations Nikolaj Ivanovič Vavilov (1887-1943) Centers of Origin of Cultivated Plants (1926) The Phytogeographical Basis for Plant Breeding (1935) David Grandison Fairchild (1869-1954) USDA - Seed and Plant Introduction Office (1898) The department employed agricultural explorers to seek out economically useful plant species to import to the United States P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ
World-wide network of germplasm collections 1 750 genebanks, 130 preserves more than 10 000 accessions, world total of about 7,400,000 accessions 2 500 botanical gardens 3 400 herbaria 350,000,000 specimens P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ
Distribution of pea accessions among major world collections 98 947 accessions, with average 20% overlap 343 991 1326 1414 1671 1648 8839 of that 4818 TILLING lines 1768 19 236 1205 616 2896 3567 3609 1958 3837 status by IX. 2012 6827 5343 4558 6105 2100 2849 1 002 7432 USA Italy Bulgaria Sweden The Netherlands Australia Syria Germany China UK Polland Smýkal P, Coyne C, Redden R, Maxted N (2013) Peas. Chapter 3. In: Singh M, Bisht IS editors, Genetic and Genomic Resources for Grain Legume Improvement. Elsevier Insights, London. Pp. 41-80. P. Smýkal
Distribution by origin Western and Central Europe Balkan Mediterranean region 5730 152 2268 3692 923 165 17121 Turkey-Syria Israel- Jordan-Palestine Caucassus region (Armenia-Georgia- Azerbaijan) Central Asia (Iraq-Iran-Turkmenistan- Pakistan-Afghanistan) Russia-Ukraine-Kazachstan 1899 India- Nepal-Tibet China-Mongolia-Japan 4670 1924 824 298 1529 2407 1588 Africa (excluding Mediterranean) Ethiopia-Yemen Americas Australia-NZealand-Oceania Southeast Asia 10/50 P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ
Pea accessions stratification lack of wild sp. from 75 324 accessions with known passport data all wild (2.5%, 1863) 4980 11938 49248 commercial varieties (34%) breeding lines (13%) 12396 landraces (38%) mutant stock (2%) RILs (3.7%) P. subsp. elatius (0,42%) "P.humile/syriacum" (1.2%) "P. transcaucassicum, asiaticum" (0.2%) 51450 16910 P. abyssinicum (0.36%) P. fulvum (0.46%) uknown P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ
Preserved germplasm dynamic in genetic structure problems of small populations P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ
Dynamic genetic structure influence of genetic erosion, drift Cieslarová et al. 2011 Genet Res. Crop Evolution P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ
Germplasm as witness of past Cieslarová et al. 2012 Czech J Genet Plant Breeding P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ
Germplasm versus herbaria records Shehadeh et al. Genetic Res Crop Evol in press P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ
Still new collection missions needed with eco-geographical data, phylogeography of the genera, some crop wild relatives are not preserved P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ
Eco-geographical data needed http://www.worldclim.org http://www.iiasa.ac.at P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ
Determination of target taxa, delineation of target area and harvesting of occurrence data 21/50 P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ
The potential use of CWR for crop improvement based on Harlan and de Wet (1971) gene pool (GP) concept, when knowledge of the breeding potential of crop s wild relatives is available However, the crossability information is lacking for most crop gene pools, the taxon group (TG) concept (Maxted et al., 2006) can be used as a substitute. TG1a: TG1b: TG2: TG3: TG4 TG5: crop taxa is the same species as crop the same section as the crop the same subgenus as the crop the same genus as the crop the same tribe P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ
Tertiary genepool Vavilovia formosa Secondary genepool Pisum fulvum P.sativum subsp. abyssinicum Pisum sativum genepools Primary genepool Pisum sativum subsp. sativum subsp. elatius L. ochrus L. clymenum L. articulatus L. neurolobus
Lathyrus sativus genepools Secondary genepool L. chrysanthus, L. gorgoni, L.marmoratus, L. pseudocicera, L. amphicarpus, L.blepharicarpus, L.chloranthus, L.hierosolymitanus L. hirsutus Primary genepool Lathyrus sativus L. cicera
P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ
P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ In situ conservation
Germplasm collestions as source of allelic variation P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ
Focused Identification of Germplasm Strategy (FIGS) FIGS use agro-climatic information, generated by Geographic Information Systems, as well as other types of information, to describe the environments from which genetic resources were originally collected. This allows us to predict where selection pressures may have occurred for specific adaptive traits. P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ Endresen, D.T.F. (2011). Utilization of Plant Genetic Resources: A Lifeboat to the Gene Pool. PhD Thesis, Department of Agriculture and Ecology, Faculty of Life Sciences, Copenhagen University, Denmark. ISBN: 978-91-628-8268-6.
Místa neolitické revoluce Úrodný Půlměsíc Jižní Amerika 9500 př.n.l. 6000 př.n.l. Střední Amerika Jihovýchodní Asie 6000 př.n.l. 7000 př.n.l.
Kombinace přístupů pro zjištění možného geografického původu kulturních rostlin Harlan, 1971
Domestikace dávná i současná 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 0 1000 2000
Fabaceae 41 fazole, hrách, čočka, soja, vigna Gramineae 29 kukuřice, rýže, pšenice, proso Brasicaceae 25 zelí, řepka,hořčice Solanaceae 18 rajče, brambor, paprika, tabák Cruciferae 13 řepka, zelí, ředkev Cucurbitaceae 13 okurek, meloun, dýně Rosaceae 11 jabloň, broskve, švestky Liliaceae 11 cibule, česnek,pór Daucaceae 9 mrkev, fenykl, kopr, kmín Asteraceae 8 slunečnice, topinambur
Domestikované plodiny Asie rýže, sója, proso, cukrová třtina, banánovník, taro, jam Střední východ - Středozemí pšenice, ječmen, cizrna, hrách, čočka, vikev, len, olivovník Amerika slunečnice, kukuřice, fazole, podzemnice, tykev, brambory Afrika čirok, vigna, proso, káva, olejová palma, africká rýže
Plané formy předchůdci pěstovaných plodin slunečnice kukuřice pšenice
Domestikační syndrom výběr vhodných genotypů/fenotypů větší zásobní orgány - semena, hlízy rozpadavost klasu šíření semen snížení, ztráta dormance odnožování x dominance popínavost x keřovitost partenokarpie pohlaví květu oboupohlavnost samosprašnost reprodukční isolace - homozygozita změny ploidie fotoperiodismus víceletost x jednoletost eliminace toxických látek
Domestikací modifikované znaky Hrách (Pisum sativum ) znak plané formy domestikované pukavost lusku ANO NE dormance semen ANO NE výška rostliny vysoká nízká větvení stonku ANO NE velikost semen malá velká kvalita semen nízká vysoká obsah antinutričních látek ANO NE květení dlouhý den neutrální
Šíření a klíčení semen klíčové znaky domestikace
Šíření a klíčení semen klíčové znaky domestikace dormance u planých forem uniformní klíčení kulturních forem
Domestikace a výběr Pěstované formy/druhy 70% diverzity planých druhů
Introgression exploration of wild crop relatives Jing et al. 2010 Pisum fulvum WL2140 Pisum sativum WL1238 P. fulvum WL2140 P. sativum WL1238 X Line 1-2 Line 1-4 Line 1-11 Line 3-5 Line 4-2 F3 generation plants P. Smýkal
Repetitive sequences as markers Microsatellites ------- CACACACACACA ----------- A -------- CACACA ---------------------- B -------- CACACACACACACACA ---- C A B C P. Smýkal
Retrotransposon-based insertion polymorphism (RBIP) L0100081 b b a a b b a a b ab a b L0100082 b b a a b a -9 a b ab ab b L0100083 b b b a -9 b -9-9 a a a ab L0100084 a b b a b a -9 b a a a ab L0100087 b b b a -9 b -9 b b ab ab b L0100088 a b b a b b -9 a b a a b L010009 b b a a b ab a b a ab ab b L0100091-9 b a a -9 a -9-9 b a a -9 L0100092 a b b a -9 a a -9 a ab a b L0100093 b b a a b b a a a -9 a -9 L0100094 b b ab a -9-9 -9 b -9 b a -9 L0100095 a b b a -9 a a b a ab a b L0100096 b b a a -9 a -9 a a -9 a b L0100097 b b a a -9-9 a b -9 a a b L0100098 a b ab a -9-9 -9 b a a a -9 + - A. Flavell P. Smýkal
G 4,429 accessions of the combined set H 140 accessions of Chinese origin I 349 accessions of Ethiopian origin J K 100 accessions of Afghan origin 1,257 accessions of Czech collection L P. Smýkal BAPS analysis of composed dataset 140 accessions of wild forms (P. fulvum, P. sativum subsp. elatius, P. abyssinicum)
Multivariate analysis of pea germplasm diversity P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ
wild Pisum P. Smýkal various size core collections 4,538 Pisum accessions held in six European Genebanks
3,020 samples from JIC Pisum germplasm collection genotyped with 45 RBIP markers
Representative core collections to reduce the size A.H.D. Brown, O.H. Frankel, D.R. Marshall and J.T. Williams, eds. The use of Plant Genetic Resources. Cambridge university Press 1989 10 000 acc. genetic diverzity of original versus core collection (10%) 1 000 acc. P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ
P. Smýkal, Palacký University in Olomouc, CZ Bioversity International AEGIS 10/048
Význam genetické diversity Mayové - monokultura kukuřice - choroby/škůdci/eroze Irsko (1846) - Phytophtora infestans u brambor USA (1970) hybridní kukuřice x Helminthosporium maydis T typ CMS ve vazbě na gen náchylnosti USA - Xanthomonas campestris u citrusů současnost - banánovník cv. Cavendish houbové choroby - pšenice rez travní (Pucinia graminis) Ug99
Rychlost domestikace fixace znaku 100 2000 let frekvence výskytu nerozpadavého klasu v archeologických nálezech versus modelování a experimenty recesivita x dominance mono x polygenost samo x cizosprašnost ječmen, pšenice, rýže
Rychlost domestikace Allaby, 2008
Tok genů mezi planými a kulturními formami zpomaloval proces proto rychlejší fixace znaků mimo genová centra
Recentní domestikace lupiny (50-100 let) Lupinus albus, L. angustifolius, L. luteus -Středozemí L. mutabilis J. Amerika Vernalizace Fotoperioda Dormance Pukavost lusků
Recentní domestikace lupiny (50-100 let) L. angustifolius, L. luteus
Lokalizace domestikačních genů ve shluku nebo roztroušené?
Chronologie fixace znaků velikost semen rozpadavost klasu waxy vernalizace/fotoperioda nezávislý vznik na více místech je po kontaktu setřen vlivem působení driftu
Domestikace jednou nebo vícenásobně? Peterson et al. 2006
Archeobotanika - archeogenetika vrs1 lokus ječmene
Genetické změny během procesu domestikace (příčina nebo důsledek) změny ploidie hybridizace mutace
Polyploidie - častý stav genomu kulturních rostlin 3n: banán, jablko, zázvor, řepa 4n: durum pšenice, kukuřice, bavlník, brambor, zelí, tabák, podzemnice 6n: chrysantéma, pšenice, oves 8n: jahodník, jiřiny, cukr. třtina
Mezidruhová / mezirodová hybridizace
Vesmír 9/2009
Triticale (x Triticosecale, žitovec) "From a scientific curiosity to a viable crop in the course of a few decades" Triticum durum (AABB) X Secale cereale (RR) (x T. aestivum AABBDD) hexa nebo octaploidní První kříženci 1940 Nyní produkce 15 miliónů tun
Mutace změny funkce genů Květák (Brassica oleracea var. botrytis) Mutace v MADS-box genu (transkripčním faktoru) apetala-1/cauliflower opakovaná tvorba květních meristémů
Domestikace ve světle molekulární biologie aneb za vším hledejme geny
Geny zodpovědné za domestikační vlastnosti Jaký typ genů? Jednotlivé geny s velkým účinkem nebo více genů? Modifikace nebo eliminace funkce?
Kukuřice (Zea mais L.) Domestikována v jižním Mexiku před 7 tisíci lety Poskytuje nyní přibližně 25% lidské výživy! produkce 800 milionu tun
Planá kukuřice teosinta (Zea mays ssp. parviglumis)
TEOSINTE BRACHED 1 (tb1) změna hladiny exprese transkripční regulátor represe buněčného cyklu
Domestikační historie sóji
Dvouřadý Šestiřadý
TEOSINTE GLUME ARCHITECTURE 1 Nature 2005
TEOSINTE GLUME ARCHITECTURE 1
tga1 = squamosa-promoter binding protein teosinta/ kukuřice (záměna K6N)
Pšenice (Triticum aestivum L.) světová produkce 600 mil tun
Rozpadavost klasu obilovin
Q gen pšenice volná obilka, rozpadavost klasu APETALA-2 transkripční faktor Exon isoleucin 329 Simons et al. 2006 Genetics tvar a pevnost plevy rozpadavost vřetene klasu délka klasu výška rostliny doba metání
3x více semen Komatsuda et al. 2007 PNAS Modifikace nebo ztráta funkce Vrs1 genu Transkripčního represoru
Středozemí a Blízký Východ Hlavní srážky podzim a zima Potřeba využít toto období pro vegetativní fázi a následně oddálit nástup kvetení vernalizace a fotoperiodismus Dvouletá vegetační forma ozimé formy Pro prvotní nomadický styl, rozšíření zemědělství do Evropy a úrodnější oblastí možnost dvou sklizní za rok jednoleté jarní formy
Ozimá pšenice vyžaduje vernalizaci - řízenou VRN1, VRN2 geny MADS-box faktory Yan et al. 2003 PNAS
Rýže (Oryza sativa L.) světová produkce 600 mil tun
Domestikací modifikované znaky rýže Zrno: velikost, tvar, barva, vůně, obsah amylózy Klas: rozpadavost, osinatost, velikost a tvar laty Rostlina: odnožování
Vliv introgrese na vznik kulturní rýže
Li et al. Science 2006 QTL 69% sh4 locus G to T substitution Lys to Asp Myb3 DNA binding domain
qsh1
qsh1 SNP!!! 12 kb od kódující sekvence, ovlivňující expresi RPL genu BEL1-type homeobox gen, homolog Arabidopsis REPLUMLESS (RPL)
Rajče velikost plodu fruitweight (fw2.2 lokus) (Frary et al. 2002 Science) první klonovaný QTL homologie k Ras family GTPase Určuje 30% velikosti plodu Mutace v promotorové oblasti represor buněčného dělení Interakce s beta podjednotkou CKII kinázy v membráně fw2.2 Buněčné dělení Velikost plodu
Geny zodpovědné za domestikační vlastnosti
Norman Borlaug (1914-2009) Green Revolution pšenice Norin 10 Mutant v genu pro kratší internodia Rýže IR8 (Miracle Rice) Nobelova cena míru 1970 positiva (potravinová soběstačnost, vysoce produktivní odrůdy) negativa (snížení diversity, zvýšení užití pesticidů, hnojiv, zavlažování, mechanizace, proměna venkova)
Zelená revoluce a geny zakrslosti - pšenice Původně rostliny musely soutěžit s plevely Většinou neoptimální výživa (N, P) Robustní, vysoké Používání umělých hnojiv a pesticidů Potřeba redukce výšky (1950-60) Rhbt-B1b (chromosom 4B) Rhbt-D1b (chromosom 4D) ortolog Ath GAI proteinu v signální dráze giberelinů Mutantní protein postrádá N-terminální DELLA doménu konstitutivní represor růstu
Zelená revoluce a geny zakrslosti - rýže Enzym biosyntetické dráhy syntézy giberelinů - GA20 oxidáza
Geny zodpovědné za specifické vlastnosti Aroma semene rýže Barevnost semene rýže Lepivost/konzistence rýže Krátkostébelnost rýže Žlutosemenost kukuřice
betain-aldehyd dehydrogenáza (BADH2) akumulace 2-acetyl-1-pyrroline (2AP)
frame-shift delece uvnitř Rc genu - basic helix-loop-helix protein 1 Mb japonica DNA se svezlo s rc alelou do většiny indica variet
pro proteiny, enzymy biosyntetických dráh specifické eliminace funkce
Domestikace a co dál? Super domestikace Transgenose
Po většinu své existence lidstvo žilo v těsném kontaktu s přírodou, půdou lovci sběrači 300 000 generací zemědělci 600 industriální 8 10 generací