Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a učitelství biologie CZ.1.07/2.2.00/15.0316
Domestikace a šlechtění rostlin aneb jak si člověk ochočil rostliny Petr Smýkal Katedra botaniky, UPOL
9000 BC First evidence of plant domestication 700 BC Egyptians/Mesopotamians artificially pollinated date palm 1676 Crew suggested the function of ovules and pollen 1694 Camerarius first to demonstrate sex in (monoecious) plants and suggested crossing as a method to obtain new plant types 1714 Mather observed natural crossing in maize 1761-1766 Kohlreuter demonstrated that hybrid offspring received traits from both parents and were intermediate in most traits, first scientific hybrid in tobacco 1866 Mendel: Experiments in plant hybridization 1900 Mendel s laws of heredity rediscovered 1944 Avery, MacLeod, McCarty discovered DNA is hereditary material 1953 Watson, Crick, Wilkins proposed a model for DNA structure 1970 Borlaug received Nobel Prize for the Green Revolution Berg, Cohen, and Boyer introduced the recombinant DNA technology 1994 FlavrSavr tomato developed as first GMO 1995 Bt-corn developed
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)
Nikolaj Ivanovič Vavilov (1887-1943) Centers of Origin of Cultivated Plants (1926) The Phytogeographical Basis for Plant Breeding (1935)
J.G. Mendel a hrách aneb kde v roce 1865 začala genetika (*1822-1884)
Uchování genofondu rostlin 1890 Vienna - International Agriculture and Forestry Congress, Emmanuel Ritter von Proskowetz, Kvasice u Kroměříže význam krajových odrůd (landraces) pro šlechtění 1914 Baur (Německo) varování před genetickou erozí v důsledku rozvoje šlechtění a zemědělské výroby 1920-30 N.I. Vavilov (Leningrad, Rusko) definování genových center kulturních rostlin, sběrové expedice 1959-10. konference FAO rezoluce o významu gen. zdrojů a o nebezpečí genetické eroze 1960 ustavení CGIAR - Consultative Group on International Agricultural Research 1967 FAO/IBPGR Technical Conference on the Exploration, Utilization and Conservation of Plant Genetic Resources (PGR) 1968 ustavení EUCARPIA Genebank Committee - návrh na ustavení čtyř regionálních genových bank 1982 rezoluce FAO - International Undertaking on Plant Genetic Resourcesvypracování globální strategie konzervace a využívání genových zdrojů 1992 UNCED- United Nations Conference on Environment and Development (Rio de Janeiro), Convention on Biological Diversity - první globální dohoda o ochraně biodiverzity a genových zdrojů
Historie novodobého šlechtění aneb významní šlechtitelé Královské a klášterní zahrady A.N. Duchesne (1765-éra Ludvíka XV) jahody L. Burbank (1849 1926) A Gardener Touched With Genius I.V. Mičurin (1855-1935) N. I. Vavilov (1887-1943) G. H. Shull (1974-1954) 1908 heteroze M.M. Rhoades (1903-1991) 1933 CMS N. Borlaug (1914 - ) Zelená revoluce W. Bateson (1861-1926) genetika, JIC Norwich 1910 E.Tschermak (1871 1962) znovuobjevitel J.G. Mendela E. Proskowetz (1848 1944)
Norman Borlaug (1914-2009) - Green Revolution Nobelova cena míru 1970 pšenice Norin 10 Mutant v genu pro kratší internodia reduced height(rht) homolog gibberellin insensitive (gai1) Arabidopsis slender rice (slr1) Rýže IR8 (Miracle Rice) positiva (produkce, potravinová soběstačnost-indie, high-yielding cv.) negativa (snížení diversity, zvýšení užití pesticidů, zavlažování, mechanizace, proměna venkova)
Kombinace přístupů pro zjištění možného geografického původu kulturních rostlin Harlan, 1971 1. Byla domestikace lokalizovaná nebo geograficky méně specifikovaná? 2. Proběhla rychle nebo spíše pomaleji?
Úrodný půlměsíc Jižní Amerika Střední Amerika Jihovýchodní Asie
Domestikace zemědělství změna stylu lidské společnosti
ko-evoluce prostřednictvím potravy jsme to co jíme Alkohol dehydrogenáza Indo-evropané, kavkazský typ : ALDH1 a ALDH2 Asiaté: jen ALDH1 Diabetes netolerance laktozy konzumace mléka
Domestikace a rozšíření infekčních chorob zvířata člověk zarděnky, tuberkulóza, neštovice dobytek chřipka prasata a kachny Nakonec i prostředek dobývání Nového Světa podobně došlo k rozšíření chorob, škůdců rostlin
Domestikace probíhala postupně a na více místech
Domestikované druhy partnertsví obilovin a luskovin Asie: rýže sója Střední východ Středomoří: pšenice, ječmen hrách, bob, čočka Střední Amerika: Afrika: kukuřice fazole proso, čirok - Vigna
Rychlost domestikace fixace znaku 100 2000 let frekvence výskytu nerozpadavého klasu v archeologických nálezech ječmen, pšenice, rýže Purugganan et al. 2009
slunečnice Plané formy předchůdci pěstovaných plodin kukuřice pšenice
Domestikační syndrom - selekce vhodných genotypů větší zásobní orgány - semena, hlízy rozpadavost klasu šíření semen dormance odnožování x dominance popínavost x keřovitost partenokarpie pohlaví květu oboupohlavnost samosprašnost homozygozita ploidie fotoperiodismus jednoletost toxické látky
Domestikační syndrom větší semena rozpadavost klasu/pukavost plodů apikální dominance perioda kvetení/ zrání
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
Domestikace a výběr Pěstované formy/druhy 70% diverzity planých druhů
Genové banky ne muzea ale živé zdroje variability
DNA-banky
Studium genetické diverzity genofondové sbírky Genetická příbuznost Populační struktura Core kolekce
Diverzita rodu Pisum kulturní hrách setý
Kolekce a genetická eroze In small populations there will be random fluctuation in allele frequencies leading to the chance loss of alleles (genetic drift).
Analýza změny distribuce genetické diverzity v čase
Význam genetické diversity Mayové - monokultury kukuřice - choroby/šůdci/eroze Irsko (1846) - Phytophtora infestans u brambor USA (1970) - kukuřice x Helminthosporium maydis T typ CMS ve vazbě na gen náchylnosti USA - Xanthomonas campestris u citrusů současnost - banánovník cv. Cavendish - houba Black Sigatoka
Pšenice ztratila během domestikace gen pro ukládání proteinů, zinku a železa. gen GPC-B1, se vyskytuje v planě rostoucí pšenici dvouzrnce (Triticum turgidum dicoccoides), ale postrádají jej všechny současné odrůdy. Během domestikace došlo k mutaci tohoto genu a ten je u současné pšenici nefunkční. Gen urychluje vyzrávání zrna a zvyšuje množství proteinů, zinku a železa ukládaného do zrna o 10 až 15%.
Diverzita - případ pšenice x rez travní (Puccinia graminis) positiva (produkce, potravinová soběstačnost-indie, high-yielding cv.) negativa (snížení diversity, zvýšení užití pesticidů, zavlažování, mechanizace, proměna venkova) důsledek- zelené revoluce - Norman Borlaug (1914-2009 )
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 příklad -rod Brassica
Vesmír 9/2009
Archeobotanika - archeogenetika vrs1 lokus ječmene
Rychlost domestikace fixace znaku 100 2000 let frekvence výskytu nerozpadavého klasu v archeologických nálezech versus modelování a experimenty ječmen, pšenice, rýže Purugganan et al. 2009
Rychlost domestikace Allaby, 2008 Vliv genetické komplexity na rychlost fixace Monogenní znaky déle Polygenní - rychleji
Přírodní umělý výběr gene flow mezi proto-domestikovanými formami a planými formami zpomaloval proces
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? Rozdíl - analyzujeme-li jen jeden, několik genů nebo napříč celým genomem Peterson et al. 2006
Domestikace a co dál? Super domestikace
modifikace charakteru-využití plodin domestikace nových druhů ztracené druhy superdomestikace
Pyramidování genů - Breeding by design
SoyBase and the Soybean Breeder's Toolbox Integrating Genetics and Molecular Biology for Soybean Researchers
Transgenose (GMO) mezi vědou, etikou a politikou
Pěstování GMO rostlin
Roundup Ready - glyphosate story
Bt kukuřice (MON 810) - komerční story by B. thuringiensis objeveno v roce 1901 v Japonsku 1911 v Německu Ernst Berliner nemoc housenek motýlů (Schlaffsucht) StarLink kukuřice (Aventis crop Science) 2002 cry gen - protein
Golden rice story b- karoten 1-3 µg/g 10-30 µg/g psy (phytoene synthase) (Narcissus pseudonarcissus) lyc (lycopene cyclase) (Narcissus pseudonarcissus) crt1 - z půdní bakterie Erwinia uredovora Peter Beyer a Ingo Potrykus carotene desaturase http://www.goldenrice.org deficience vitaminu A - slepota
Jedlé vakcíny - futuristická vize či realita... enterogenní E.coli cholera Hepatitis B vzteklina cytomegalovirus kulhavka- slintavka gastroenteritis coronavirus
Šlechtitelská práce Šlechtění rostlin genotyp x fenotyp
Odrůda - kultivar - varieta The International Union for the Protection of New Varieties of Plants (UPOV) DISTINCTNESS UNIFORMITY STABILITY DUS Odrůdy: klony (vegetativně množené druhy) linie (samosprašné druhy) hybridní (F1) populace (cizosprašné druhy, krajové odrůdy, syntetické)
Šlechtění umění a věda Genetická variabilita křížení výběr 1. vytvoření variability 2. křížení 3. výběr (selekce) 4. hodnocení 5. registrace 6. množení 7. distribuce nové odrůdy (+10 let) Nová odrůda
Základní postup ve šlechtění rostlin 1. vytvoření variability 2. křížení 3. výběr (selekce) 4. hodnocení 5. registrace 6. množení 7. distribuce nové odrůdy
Základní šlechtitelské postupy Moose S. P., Mumm R. H. Plant Physiol. 2010:147:969-977
Biotechnologie a šlechtění rostlin
Mutační šlechtění fyzikální chemická transposony T-DNA
TILLING - identifikace bodových mutací (Targeting Induced Local Lesions In Genomes)
Dihaploidie cesta získání homozygotních linií 2n = Aa n = A / a 2n = AA/ aa
Heterose - hybridní síla F1 G.Schull - 1909
Samčí sterilita? Definice: neschopnost produkce funkčního pylu samčí sterility je agronomicky výhodná pro produkci hybridních semen fertilní květ sterilní květ
CMS Ogura u řepky fůze protoplastů ředkev - řepka transkripce- translace - mitochodriální orf 138 jaderně kódovaný - obnovitel feritility -Restorer (Rfo) - postranskripční regulace (3-UTR)orf 138
Fenotyp versus genotyp Výsledek selekce s použitím nepřímého markeru Rezistentní Náchylná Rezistentní Rezistentní Rezistentní Rezistentní
Marker Assisted Breeding/Selection (MAS)
Analýza DNA křížení Výběr Analýza DNA Nová odrůda
Šlechtitelský proces, včera, dnes a zítra
Šlechtění v genomické době Genotypizace analýza DNA, databáze standardizace Fenotypizace objektivita a kvantifikace uložení dat- databáze, hodnotící kategorie, měřítka sjednocení Spojení genotypu a fenotypu
Odběr materiálu Isolace DNA Analýza DNA Výsledek - interpretace Výsledek selekce s použitím nepřímého markeru Rezistentní Náchylná Rezistentní Rezistentní Rezistentní Rezistentní
High throughput genotyping
Genotypizace aneb výběr vhodných alel
Známe-li genom Můžeme odvodit fenotyp?
Popis fenotypového projevu Semeno hrachu - barva v plné zralosti 1. světležlutá 2. žlutorůžová 3. vosková/dvoubarevná 4. žlutozelená 5. šedozelená 6. tmavozelená 7. světlehnědá 8. hnědá 9. černá Číselné zhodnocení průměrných pozic souřadnic L,a,b v CIE-LAB barevném prostoru (3D) Colour deviation: ΔEa,b ΔEa,b=(ΔL2+Δa2+Δb2)1/2
Morfologické Matrix of eigenvalues and vectors of principa field and fodder pea assessed in morphologic klasifikátory Descriptor list of genus Pisum L. Trait Core Entire Stipules-character of anthocyan spot 0.64 0.68 Flower-wings colour Eigenvalues 1.43 1.42 Flower-vexillum colour 1.28 1.34 Leaflet-margin shape on the second realleaf 1.35 1.23 Seed-funiculus stability 0.00 0.00 Leaflet-margin shape at the first flowering node 0.87 0.78 Seed-colour at full ripeness 1.65 1.80 Seed-cotyledons colour 1.03 1.16 Leaf-type Eigenvectors 0.11 0.25 Seed-hilum colour 0.46 0.47 Leaflet-colour 1.41 1.42 Leaflet-shape (at the first flowering node) 1.60 1.52 Leaflet-appex shape 0.97 1.11 Seed-testa colour 0.66 0.70 Seed-surface 0.82 0.74 Mean Index 0.95 0.97 Kvantitativní znaky (8) Kvalitativní znaky (15) Variance 4 % Total contribution 5 % Accumulated 5 Plant-seeds number 0 Plant-pods number 0 Stem-lenght to first productive node 0 Stem-length 0 Thousand seeds weight -0 Plant-seeds weight 0. Stem-lenght of internode under the first productive node 0. Stem-number of sterile nodes 0. * Values in the bold are larger than the treshold (average from UPOV Protocol for Distinctness, Uniformity and Stability Tests Pisum sativum L. sensu lato. Pea
Heritabilita a vzájemná korelace Matrix of eigenvalues and vectors of principal components for 15 qualitative characters of field and fodder pea assessed in morphological trials Eigenvalues Principal components (PC) PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 Variance 4.429 2.783 1.838 1.180 0.867 0.790 % Total contribution 29.53 18.55 12.26 7.87 5.79 5.27 % Accumulated 29.53 48.09 60.35 68.22 74.00 79.27 Eigenvectors ECN NAZEV Shluk Lodyha Lodyha Lodyha délka do Lodyha déka pod 1. prod nodem Stipules-character of anthocyan spot 0.917-0,123-0,256-0,054 tvar délka -0,095 1. prod. nodu 0,010 Flower-wings colour 0,898-0,094-0,280-0,037-0,166-0,023 Flower-vexillum colour 0,876-0,078-0,253-0,102-0,187-0,087 Leaflet-margin shape on the second realleaf 0,084 0,694 0,282-0,531-0,080 0,069 Seed-funiculus stability 0,269-0,171 0,677-0,090 0,518 0,151 Leaflet-margin shape at the first flowering node 0,080 0,735 0,294-0,414-0,146 0,116 Seed-colour at full ripeness 0,805-0,086 0,344 0,195-0,140-0,055 Seed-cotyledons colour 0,078 0,000 0,736 0,430-0,255-0,119 Leaf-type 0,235 0,730-0,105 0,268 0,210-0,216 Seed-hilum colour 0,575-0,165 0,062-0,048 0,491-0,393 Leaflet-colour 0,101 0,730 0,024 0,058-0,036-0,443 Lodyha Leaflet-shape (in the first flowering node) 0,234 0,460-0,384 0,246 0,305 0,406 Leaflet-appex shape 0,165 0,615-0,122 0,458 0,024 0,227 Seed-testa colour 0,734-0,096 0,046-0,284 0,114 0,181 Seed-surface 0,509-0,048 0,406 0,230-0,148 0,277 Lodyha poèet Lodyha Lodyha vìtvení Lodyha List typ sterilních nodù typ vìtví na bázi olistìní Lístek tvar v 1 kvìt nodu Lístek tvar okraje u 2 prav listu Var. koeficient 0,0 12,5 12,9 20,2 11,3 75,5 50,3 82,7 67,2 23,1 43,0 L0100762 Adept 1 1 4 5 6 5 6 1 7 5 2 1 L0100777 Alan 1 1 4 6 6 6 4 3 7 5 5 1 L0100530 Bohatyr 1 1 4 4 5 5 4 3 6 5 3 1 L0100732 Janus 1 1 4 5 6 5 8 1 6 5 3 2 L0100736 Komet 1 1 4 5 6 5 9 3 6 5 3 2 L0100763 Merkur 1 1 4 5 5 5 9 2 7 5 3 1 L0100766 Pegas 1 1 4 6 5 5 5 2 6 5 2 1 L0100765 Primus 1 1 4 5 6 5 9 2 7 5 2 1 L0100688 Romeo 1 1 4 6 6 5 7 1 6 5 2 1 L0100761 Sonet 1 1 4 5 6 5 6 2 6 5 4 1 L0100978 Baryton 2 1 4 5 6 4 1 1 1 1 0 0 L0100982 Hardy 2 1 4 5 6 4 1 1 1 1 0 0 ECN NAZEV Opakování Lodyha tvar délka Lodyha Lodyha Lodyha poèet Lodyha Lístek tvar Lístek tvar Lístek tvar délka do 1. déka pod 1. sterilních Lodyha vìtvení Lodyha v 1 kvìt okraje u 2 okraje v 1 Lístek tvar Lístek prod. nodu prod nodem nodù typ vìtví na bázi olistìní List typ nodu prav listu kvìt nodu vrcholu barva L0100762 Adept A 1 4 5 6 5 9 1 7 5 2 1 1 2 7 L0100762 Adept B 1 4 5 6 5 9 0 7 5 2 1 1 2 7 L0100762 Adept C 1 4 5 7 5 5 1 5 5 3 1 1 2 3
Kvalitativní znaky
Kvantitativní znaky (QTLs) interakce genotyp x prostředí Gutierrez-Gonzalez et al. 2010 BMC Plant Biology
QTL mapování Spočívá ve analýze statistické závislosti mezi kvantitativními znaky a genetickými markery
Genomics -omics postupy
Genomika (DNA sekvence)
Transkriptomika (RNA exprese) - kandidátní geny
Kombinace genetiky, genomiky a transkriptomiky 13 kandidátních genů pro obsah oleje a proteinů v semeni soji
Proteomika
Máme DNA sekvence genomu Máme fenotypická data pozorování Chceme je spojit, asociovat tj. ideálně za co který gen zodpovídá
Princip asociačního mapování Nazývané také linkage disequilibrium (LD) mapování, spočívá v korelaci mezi genetickým markerem a fenotypem v genofondové sbírce Využití rekombinací předchozích generací
Pyramidování genů - Breeding by design
Rozšíření užitných vlastností introgrese a transgenose
Plané druhy - rezervoár nových genů
Solanum lycopersicoides x kulturní rajče X F1 hybrid Canady et al. 2005, Genome
Crop wild relatives introgression
Po většinu své existence lidstvo žilo v těsném kontaktu s přírodou, půdou lovci sběrači 300 000 generací zemědělci 600 industriální 8 10 generací
Zemědělství neprovozují jen lidé, ale třeba také mravenci