SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA V NITRE FAKULTA AGROBIOLÓGIE A POTRAVINOVÝCH ZDROJOV KATEDRA GENETIKY A ŠĽACHTENIA RASTLÍN Prednáška z Rastlinných biotechnológií Predmet štúdia rastlinných biotechnológií. História rastlinných biotechnológií. Metódy rastlinných biotechnológií. Základné smery rozvoja rastlinných biotechnológií. prof. RNDr. Milan BEŽO, CSc.
Biotechnológie Termín biotechnológie použil roku 1919 Károly (Karl) Ereky na označenie ľudskej činnosti, pri ktorej sa výsledky vedy o prírode využívajú pomocou techniky (biológia a technológie). Všeobecne sú biotechnológie považované za: Aplikovanú biológiu. Priemyselné využívanie biologických procesov. Technológie, ktoré využívajú živé organizmy prípadne ich časti na výrobu alebo úpravu produktov, zlepšujú vlastnosti rastlín a živočíchov a upravujú vlastnosti mikroorganizmov pre ich špecifické využitie.
Významové členenie biotechnológií Tradičné biotechnológie výber a hybridizácia v šľachtení rastlín a zvierat, fermentácie a využívanie enzýmov. Moderné biotechnológie techniky molekulovej biológie a genetiky, ktoré priamo zasahujú do genetického materiálu živého organizmu alebo živej bunky, tak že tieto tvoria nové produkty alebo vykonávajú nové funkcie. Biotechnológie majú dosah na zdravie ľudí, výrobu potravín, poľnohospodárstvo a ochranu životného prostredia.
Podľa Kartágenského protokolu (Montreal, rok 2000) moderné biotechnológie sú: (a) Techniky in vitro s nukleovými kyselinami, vrátane rekombinácie deoxyribonukleovej kyseliny (DNA) a priame vstrekovanie nukleovej kyseliny mikroinjekciou do jadra bunky alebo inej bunkovej organely. (b) Splývanie (fúzia) buniek rôznych taxonomických skupín, ktorými sa prekonávajú fyziologické hranice rozmnožovania organizmov alebo prekážky rekombinácií, a ktoré nie sú používané v tradičnom šľachtení. (http://www.biosafety.ihe.be /Biodiv/BP/BP_Ann3.htm, 2001)
Uplatnenie biotechnológií Medicína červené biotechnológie. Terapia a diagnostika chorôb ľudí, tvorba antibiotík a vakcín mikroorganizmami a rastlinami. Priemysel biele biotechnológie. Produkcia dôležitých chemických látok alebo surovín pre priemysel mikrorganizmami a rastlinami. Poľnohospodárstvo zelené biotechnológie. Vyššia produkcia a lepšia kvality produktov biotechnologicky upravených rastlín a hospodárskych zvierat. Molekulové farmárčenie rastlín. Morské a vodné hospodárstvo modré biotechnológie. Biotechnologické úpravy produktov mora. Odstraňovanie znečistenia vody.
Rastlinné biotechnológie Technológie, ktoré optimalizujú klasické šľachtiteľské metódy rastlín. Hlavné oblasti rastlinných biotechnológií sú pletivové kultúry rastlín a genetické inžinierstvo rastlín. V súčasnosti sa v rastlinných biotechnológiách uplatňuje najmä začleňovanie cudzorodých génov do genómov ekonomicky významných druhov rastlín na zlepšenie ich úžitkových vlastností a tvorbu nových produktov v rastlinách.
Pôvod rastlinných biotechnológií Zásahy do genetickej výbavy rastlín začali v predhistorickej dobe (4 000 rokov p. n. l.), kedy pestovatelia rastlín vyberali semená alebo plody z najlepších rastlín, pre pestovanie v nasledujúcich rokoch. Stovky rokov pestovatelia krížili rastliny, vyberali najlepšie kombinácie potomstva s lepšími úžitkovými vlastnosťami pre pestovateľa a všeobecne pre človeka.
Tradičné zásahy do genómu rastlín Spoznanie princípov dedičnosti J. G. Mendelom v roku 1865 dali pestovateľom možnosť cieľavedome využívať hybridizáciu v šľachtení rastlín. Hybridy kukurice, ktoré sa začali pestovať v USA v roku 1933, trojnásobne zvýšili úrody zrna kukurice za obdobie ďalších päťdesiat rokov. Uplatnením teórie genetiky v šľachtení rastlín sa dosiahli prenikavé výsledky pri tvorbe nových odrôd pšenice. Norman Borlaug tvorca revolúcie v šľachtení rastlín získal v roku 1970 Nobelovu cena za mier.
Rok 1865 Johann Gregor MENDEL (1822 1884) J. G. Mendel v roku 1865 pred Brnenskou prírodovedeckou spoločnosťou informoval a v roku 1866 v zborníku tejto spoločnosti publikoval princípy dedičnosti. Všeobecne platné princípy dedičnosti odvodil z výsledkov kríženia hrachu siateho. Položené boli základy genetiky a teórie šľachtenia.
Rok 1970 Norman BORLAUG Tvorca revolúcie v šľachtení rastlín. Úspešne uplatnil poznatky genetiky v šľachtení rastlín. Vyšľachtené odrody pšenice zvýšili úrody zrna o 70 %. Za prínos pre odstránenie hladu získal v roku 1970 Nobelovu cenu za mier.
Začiatky moderných rastlinných biotechnológií Molekulová biológia, molekulová genetika a biotechnológie umožnili priamu analýzu génu genómov rastlín. J. Watson a F. Crick v roku 1953 popísali dvojitú špirálu DNA. S. Cohen a H. Boyer v roku 1973 úspešne preniesli izolovaný gén do bunky baktérie. Základ moderných biotechnológii.
Rok 1953 James WATSON Francis CRICK Popísaná dvojzávitnica molekuly deoxyribonukleovej kyseliny (DNA). Model štruktúry DNA umožnil lepšie pochopiť význam molekuly pre dedičnosť.
Rok 1973 Stanley COHEN Herbert BOYER Izolovali gén jedného druhu baktérie a cudzorodý gén začlenili do iného organizmu. Začiatok moderných biotechnológií.
Moderné rastlinné biotechnológie Spojením pletivových kultúr rastlín a genetického inžinierstva sa do genómu rastlín prenášajú jednotlivé cudzorodé gény z nepríbuzných organizmov (živočíchy, mikroorganizmy). V roku 1982 bola vytvorená prvá biotechnologicky upravená rastlina. Rastlina tabaku mala gén s odolnosťou voči antibiotikám. Plody biotechnologicky upraveného rajčiaka jedlého s označením FlavSavr TM sa v roku 1994 začali predávať ako potravina.
Moderné rastlinné biotechnológie V roku 2000 bola ukončená úplná analýza genómu arábkovky Thalovej. V postgenomickej ére, od roku 2001, sa rozvíjajú genomika (pochopenie významu všetkých génov v genómoch organizmu), proteomika (poznanie významu a využitia produktov génov, bielkovín) a bioinformatika (uplatnenie výpočtovej techniky pre komplexné využitie informácii o biologických procesoch).
Rok 1994 Prvá potravina z biotechnologicky upravenej rastliny (geneticky modifikovaný organizmus GMO), rajčiak FlavrSavr TM sa dostal do obchodnej siete. Plody rajčiaka mali pomalšie dozrievanie a dlhšiu skladovateľnosť. Začala revolúcia v manipulácii s génmi.
Rok 2000 Zmapovaný bol genóm druhu arábkovka Thalova (Arabidopsis thaliana L.). Genóm jadra bunky má 27 443 génov.
Rok 2001 Začiatok postgenomickej éry. Rozvoj genomiky, proteomiky, bioinformatiky.
Metódy moderných rastlinných biotechnológií Pletivové kultúry rastlín Bunkové kultúry. Protoplastové kultúry. Meristémové kultúry. Kalusové kultúry. Kultúry zygotových embryí. Peľové a peľnicové kultúry a kultúry vajíčka rastlín.
Metódy moderných rastlinných biotechnológií Genetické inžinierstvo rastlín Izolácia a klonovanie génov. Rekombinácia molekúl DNA in vitro. Knižnice génov. Prenos cudzorodých génov do rastlín. Biologické metódy Agrobacterium tumefaciens prenosový mechanizmus. Mechanické metódy nastreľovanie (biolistika) a iné.
Oblasti využívania biotechnológií A. Zvýšovanie dostupnosti potravín, krmív a obnoviteľných zdrojov Optimálne zvýšiť výnosy hlavných plodín, úžitok z chovu hospodárskych zvierat, vodných kultúr a lesných produktov. Znížiť objem potravín skvalitnením výživnej hodnoty rastlinných, živočíšnych a mikrobiálnych produktov. Zabezpečiť komplexnú ochranu voči chorobám a škodcom. Využiť potenciál okrajových oblastí. Agenda 21. Kapitola 16. Environmentálne vhodné využívanie biotechnológií.
Oblasti využívania biotechnológií A. Zvyšovanie dostupnosti potravín, krmív a obnoviteľných zdrojov Zvýšiť výnosy a využívať produkty v lesnom hospodárstve. Zvýšiť účinnosť viazania dusíka a využívania nerastných látok symbiózou rastlín a mikroorganizmov. Agenda 21. Kapitola 16. Environmentálne vhodné využívanie biotechnológií.
Oblasti využívania biotechnológií B. Zlepšovanie ľudského zdravia Zvýšiť účinnú ochranu pred prenosnými chorobami. Pomôcť pri zabezpečovaní dobrého zdravotného stavu celej populácie. Agenda 21. Kapitola 16. Environmentálne vhodné využívanie biotechnológií.
Oblasti využívania biotechnológií C. Skvalitňovanie ochrany životného prostredia Zabrániť, zastaviť a zvrátiť poškodzovanie životného prostredia. Optimálne využívať prírodné zdroje, recyklovať biomasu, minimalizovať odpad. Biologicky rekultivovať krajinu, zlepšením kvality vody, spracovaním odpadov a zachovaním pôdy. Agenda 21. Kapitola 16. Environmentálne vhodné využívanie biotechnológií.
Oblasti využívania biotechnológií D. Zlepšovanie bezpečnosti a vypracovanie medzinárodných mechanizmov spolupráce Uzatvárať dohody o zásadach posudzovania a riadenia rizík biotechnológií. E. Vytvorenie mechanizmov umožňujúcich rozvoj a environmentálne vhodné uplatnenie biotechnológií Podporovať vývoj a uplatňovanie biotechnológií vo všetkých krajinách. Agenda 21. Kapitola 16. Environmentálne vhodné využívanie biotechnológií.
Rozvoj rastlinných biotechnológií Genetické mapovanie. DNA čipy. Genomika, proteomika a bioinformatika. Genetické inžinierstvo odolnosť rastlín voči herbicídom, odolnosť rastlín voči vírusom, baktériám a hubám, odolnosť rastlín voči živočíšnym škodcom, molekulárne farmárčenie (tvorba vakcín, antibiotík a iných látok rastlinami), kontrolovaná biosyntéza pre vyššiu kvalitu rastlinných produktov.
Ďakujem za pozornosť