Tytuł wykładu
Wykład 3.
Tytuł wykładu: Nowe trendy w
hodowli roślin wynikające z
postępu biologicznego.
Sławomir Podlaski, prof., dr hab.
Program unowocześniania kształcenia w SGGW dla zapewnienia
konkurencyjności oraz wysokiej kompetencji absolwentów
2.Heterozja - historia
3.Heterozja - historia
• 5.Darwin (1876)opisywał wigor mieszańców w swojej książce „The
effect of cross and self fertilization in the vegetable kingdom”.
Stwierdził, że krzyżowe zapylenie zwiększa wigor roślin ich wielkość i
produktywność.
• 6.Beal (1880) – pierwszy uzyskał mieszańce kukurydzy
• 6.Shull(1908-14) zwrócił uwagę na niekorzystne efekty chowu
wsobnego w stosunku do pozytywnego wpływu hybrydyzacji roślin.
Wprowadził termin heterozja dla opisania zwiększenia wigoru
mieszańców w wyniku wzrostu poziomu heterozygotyczności.
• 7.East 1908-9 badał efekty chowu wsobnego i krzyżowania roślin. Jego
prace doprowadziły do sformułowania nowoczesnej koncepcji heterozji
• Heterozja – zjawisko, które z dużym
komercyjnym sukcesem wykorzystano w
hodowli roślin, ale ciągle pozostaje nie w
pełni wyjaśnione
4.Zakres efektu heterozji w stosunku
do plonu u samopłodnych roślin
warzywnych
Gatunki
roślin
Efekt heterozji
Średni
Zakres
Pomidor
41
-59 do 168
Papryka
15
-16 do 52
Fasola
sucha
29
- 38 do 146
Groch
28
- 116 do 218
Sałata
6
-6 do 119
Oberżyna
80
- 29 do 242
5.Globalny
efekt uprawy
mieszańców 4 gatunków
roślin
Gatunki
Areał
uprawy
miesza
ńców
%
Zwyżka
plonu
mieszań
ców
%
Roczny
przyrost
plonu
Roczna
oszczęd
ność
ziemi
uprawne
j
Mln ha
%
Mln
t
Kukuryd
za
65
15
10
55
13
Sorgo
48
40
19
13
9
Słoneczn
ik
60
50
30
7
6
Ryż
12
30
4
15
6
6.Plon mieszańców pojedynczych
kukurydzy(
MP
) (t/ha) oraz średni plon
obu komponentów rodzicielskich (KR)
jak również dynamika przyrostu plonu
mieszańców
(kg /ha/rok).
Plon
Lata – XX wiek
30
40
50
60
70 Przyro
st
plonu
MP
4,6
5,3
6,9
7,0
7,9
83
KR
1,9
2,1
2,8
3,4
3,6
47
MP-KR
2,7
3,2
4,1
3,6
4,3
36
MP/KR
(%)
59
60
59
51
54
7.Warunki komercjalizacji
heterozji
• 1.Mieszańce muszą odpowiadać potrzebom
rolnika w stosunku do wszystkich ważnych
cech.
• 2.Cena nasion mieszańcowych musi być
względnie
niska
aby
zapewnić
zysk
farmerowi który corocznie musi kupić drogie
nasiona mieszańcowe.
• 3.Zysk firmy nasiennej musi być na tyle
wysoki aby pokryć koszty badań naukowych
i koszty produkcji nasion mieszańcowych
8.Apomiksja – opis zjawiska
• Apomiksja tworzenie nasion z tkanki
matecznej bez mejozy i fuzji gamet
Nasiona apomiktycznie powstają z:
• - komórek płciowych nie podlegających mejozie
• - komórek wegetatywnych
• Apomiktyczne rośliny mogą się rozmnażać
bezpłciowo. Ich pyłek jest często żywotny stąd
apomiktycznie rośliny mogą być wykorzystane do
krzyżowania i uzyskiwania nowych apomiktów
9.Możliwości utrwalenia heterozji -
apomiksja
Sposoby rozmnażania
Płciowe
Bezpłciowe
Wegetatywne
Apomiktyczne
10.Rodzaje apomiksji
• 1.Obligatoryjna – roślina rozmnaża się
wyłącznie apomiktycznie. Rozmnażanie
płciowe nie występuje
• 2.Fakultatywna – część nasion wytwarzana
jest na drodze apomiktycznej, część w
wyniku rozmnażania płciowego.
• Oba rodzaje apomiksji mogą występować
jednocześnie w procesie rozmnażania
jednej rośliny lub można obserwować
dominację jednego z nich
11.Korzyści z apomiksji – dla
rośliny
• 1.Umożliwia
rozmnażanie
w
warunkach braku zapylaczy
• 2.Oszczędność energii rośliny w
wyniku
wyeliminowania
procesu
mejozy
• 3.Niektore rośliny zaoszczędzają
energię nie wytwarzając pyłku
12.Rozmnażanie
apomiktycznie – korzyści dla
rolnictwa
1.Korzyści dla procesu hodowli
roślin
2.Zyski dla farmerów
3.Apomiksja a środowisko
4. Nowe problemy dla
przemysłu nasiennego
13.Hodowla odmian
apomiktycznych
• Apomiktyczne linie mogą być
uzyskane 4 sposobami
• 1.Krzyżowanie z dzikimi gatunkami
• 2.Indukowanie mutacji
• 3.Krzyżowanie w obrębie gatunku
lub blisko spokrewnionych
gatunków uprawnych np. Triticum
aestivum i T. turgidum
• 4.Inżynieria genetyczna.
14.Krzyżowanie roślin
uprawnych z dzikimi
gatunkami
Transfer genów do roślin uprawnych
ze spokrewnionych dzikich
apomiktycznych gatunków dotyczy
krzyżowania:
• Tripsacum dactyloides z kukurydzą
• Penisetum orientale i P. squamatum z
prosem perłowym
• Beta trygyna, B. intermedia z burakiem
cukrowym
• Elymus sp. - pszenica
15.Schemat hodowli odmian
apomiktycznych
Materiał wyjściowy
Osobniki rozmnażające Obligatoryjne
apomikty (ojciec)
się płciowo (matka
) X
(gen
dominujący)
F-1
Osobniki rozmnażające się Apomikty
płciowo 1.Selekcja
negatywna
2.Odmiana
16.Inżynieria genetyczna w
indukowaniu apomiksji
Białko argonaute 9 odpowiedzialne za normalny
przebieg megasporogenezy u Arabidopsis
thaliana
Po mutacji genu – rośliny wytwarzały nie
zredukowane gamety
Odkryto i zbadano sekwencję RNA
odpowiedzialną za wytwarzanie białka
argonaute 9.
Możliwość indukowania apomiksji
poprzez inżynierię genetyczną !?
17.Rodzaje zmienności
• 1.Fenotypowa
• 2.Biochemiczna
• 3.Molekularna
• 1.Latwa do obserwacji, silnie zależna silnie od
środowiska, , skomplikowana genetyczna
determinacja
• 2.Wykorzystanie allozymów (odmiennych wariantów
enzymu kodowanego przez różne allele genu)
• 3.Molekularna –bazuje na naturalnie występującym
polmorfizmie w budowie DNA- substytucji,
(zastąpienie) delecji (wycięcie) czy dodaniu różnych
par zasad. Markery molekularne do badania
zmienności genetycznej
.
18.Definicja markerów
molekularnych
• Marker molekularny (MM) lub genetyczny to
gen lub sekwencja DNA, której lokalizacja na
chromosomie jest znana i związana z
określona cechą lub innym genem.
• Markery molekularne związane z określonymi
chorobami mogą być wykrywane w krwi w
celu oznaczenia skłonności osobnika na
zachorowanie na określoną chorobę.
19.Właściwości - selekcja wspomagana
markerami (marker aided analysis,
marker assisted selection)
• 1.Szybka i bardziej efektywna niż selekcja
fenotypowa
• 2.Umożliwia
eliminację
niekorzystnych
osobników na wczesnych etapach selekcji
• 3.Możliwa, gdy selekcja fenotypowa jest
niemożliwa z powodu młodego wieku roślin
uniemożliwiających plonowanie np. drzewa
owocowe
• 4.Najefektywniejsza, gdy interesujące cechy
roślin są trudne do oceny np. w warunkach
niewielkiego porażenia chorobami – trudna
selekcja form odpornych.
20.Wykorzystanie markerów
molekularnych
1.Dobór partnerów rodzicielskich i ocena stabilności
genetycznej uzyskanego potomstwa. Ważne w
hodowli mieszańcowej
2.Ocena zakresu włączenia (introgresji) materiału
genetycznego np. z dzikich gatunków do formy
uprawnej
3.Ocena zróżnicowania genetycznego populacji
4.Identyfikacja sekwencji determinujących specyficzne
cechy np.: męską sterylność czy płeć u roślin.
5Analiza mutacji w obrębie genów.
6.Badanie pokrewieństwa oraz dróg ewolucji gatunków.
21.Mapa głównych genów i QTL
odpowiedzialnych za tolerancję na stresy
abiotyczne. Tolerancja na zasolenie-
pomarańczowe, zimno-niebieskie , susza-
czerwone znaki.
22.Biologia molekularna
– przyszłość
1.W
przyszłości
ciągle
aktualnym
problemem będzie identyfikacja genów
determinujących wzrost plonów.
2.Tylko poprzez integrację różnych dyscyplin
wiedzy możliwy będzie w przyszłości
postęp biologiczny.
3.Klasyczna
hodowla
roślin
oparta
o
krzyżowanie
i ocenę fenotypu w doświadczeniach
porównawczych
pozostanie
ważnym
elementem nowoczesnej hodowli.
23.Hodowla roślin a
biotechnologia
Kierunki hodowli w jakich będzie
zachowana dominacja klasycznej
hodowli roślin
.
.
wielkość plonu potencjalnego
.stabilność plonowania
Kierunki hodowli w których będzie się
zwiększać dominacja biotechnologii
-odporność na choroby i szkodniki
- cechy jakościowe w tym modyfikacja składu
chemicznego
24.GMO - historia
• Zgodnie z oficjalna definicja UE
„Genetycznie zmodyfikowany organizm
to organizm w którym genetyczny
materiał (DNA) został zmieniony w
sposób jaki nie występuje naturalnie w
przyrodzie (selekcja i/lub naturalna
rekombinacja).
• Historia GMO zaczyna się w 1982 roku
kiedy to w USA dopuszczono do użycia
formę ludzkiej insuliny produkowanej
przez bakterie pod nazwą Humulin.
25.Cele hodowli roślin
genetycznie
zmodyfikowanych
1. Tolerancja na herbicydy totalne
2. Oporność na owady
3. Oporność na choroby
4. Zmiana składu chemicznego
5. Wytwarzanie specyficznych
substancji
6. Tolerancja na stresy
środowiskowe
7. Eliminacja zanieczyszczeń -
fitoremediacja
26.Całkowita powierzchna uprawy
roślin transgenicznych (mln ha)
27.Powierzchnia uprawy 4 gatunków
roślin transgenicznych w latach 1996-
2010
28.Powierzchnia uprawy roślin o
różnych cechach genetycznie
zmodyfikowanych
29.Stopień akceptacji (%) uprawy
roślin GM w świecie. Mln ha.
30 Zalety i wady roślin genetycznie
zmodyfikowanych tolerancyjnych na
herbicydy totalne
Zalety:
1. Mniejsze koszty, jedna aplikacja, mniej przejazdów
na polu
2. Łatwiejsza kontrola zachwaszczenia, mniej ważny
termin oprysku, mniejsze dawki substancji aktywnej
3. Wysoka przydatność do uprawy uproszczonej
Wady:
1. Powstawanie odpornych na herbicydy chwastów -
podobnie jak w przypadku każdego herbicydu i
niezmodyfikowanych genetycznie roślin
2. Zmniejszenie bioróżnorodności - motyli, pszczół,
ptaków żywiących się nasionami chwastów - zależne
od gatunku uprawianych roślin.
•
Wpływ na bioróżnorodność nie związany z
modyfikacją genetyczną, ale ze zmianą
rodzaju i sposobu stosowania herbicydów
31. Wady i zalety genetycznie
zmodyfikowanych roślin opornych na
owady
Zalety
1. Wyeliminowanie walki chemicznej
2. Nie zabijanie pożytecznych owadów podczas
oprysku konwencjonalnymi pestycydami
2. Możliwość precyzyjnego ukierunkowania działania
na specyficzne grupy owadów
3. Lokalizacja białka Bt w określonych częściach
rośliny np: w liściach ziemniaka przeciwko stonce
ziemniaczanej
Wady
1. Możliwość niekorzystnego oddziaływania na blisko
spokrewnione ze szkodnikami pożyteczne owady.
32.Globalne korzyści z uprawy 4
roślin transgenicznych w latach
1996-2009.Mln.USD
Cechy
Zwiększenie
dochodu farm w
Zysk farmy w 2009 (%)w
stosunku do całkowitej
produkcji
2009
roku
1996-
2009
W krajach
akceptującyc
h
GMO
Światowe
j
Soja HT
2068,1 25076,5
2,7
2,34
Kukurydz
a HT
392,1
2234,9
0,6
0,3
Bawełna
HT
38,1
907,8
0,13
0,12
Rzepak
HT
362,6
2181,0
7,1
1,59
Kukurydz
a OO
3911,5 14530,6
5,7
3,5
Bawełna
OO
3912,4 19578,1
13,3
12,5
Inne
84,7
230,4
brak danych
Brak
danych
Razem
10
769,5
64739,3
5,84
4,1
33.Globalne zmniejszenie zużycia
insektycydów i herbicydów w wyniku uprawy
4 gatunków roślin GM w 1996 -2009
Cecha/
gatunki
Zmniejsze
nie
zużycia
(as)
Mln kg
Zmian
a w
polowy
m
EIQ.Ml
n
EIQ/ha
Zmniej
szenie
zużyci
a as w
%
% zmian
w
oddziały
wa
-niu na
środowis
ko
Areał
GM
w
2009
mln ha
Rośliny tolerancyjne na herbicydy
Soja
-40,85
-
5632,0
-2,2
-16,0
67,9
Kukuryd
za
-140,26
-3435,4
-9,22
-10,49
25,2
Rzepak
-13,98
-455,8
-16,2
-23,2
6,03
Bawełna -8,87
-281,5
-4,0
-6,9
3,0
Burak
cukrowy
+0,35
-1,0
+18,0
-2,0
0,45
Rośliny odporne na owady
Kukuryd
za
-36,45
-1292,3
-40,6
-34,8
3,0
Bawełna -152,66
-7088,0 -21,8
-24,7
29,6
Razem
-392,73
-18
184,0
-8,7
-17,1
145,58
34.Problemy wynikające z uprawy
roślin GM tolerancyjnych na
herbicydy
1.W świecie jest 21 gatunków
chwastów odpornych na glifosat; na
triazyny -68.
2.Wiele znaleziono tam, gdzie były
stosowane duże dawki glifosatu
3.Rekomendacja- zmiana sposobu
walki z chwastami= stosowanie
łączne glifosatu i innych herbicydów.
35.Sekwestracja węgla w 2009 roku
wynikająca z uprawy roślin transgenicznych
w różnych krajach
Gatunek/
Cecha/
Państwo
Mln kg
CO
2
mniejsza
emisja
w wyniku
zmniejszeni
a zużycia
paliwa
Oszczędno
ści
w liczbie
usuniętych
z
dróg
samochod
ów
Mln kg
CO
2
w wyniku
sekwestra
cji
glebowej
Sekwestracj
a glebowa
równa
liczbie
samochodów
usuniętych z
dróg
Soja HT
świat
1088
484
13236
5883
Rzepak
HT
Kanada
244
108
3025
1344
Bawełna
OO
Świat
33
15
0
0
Kukurydz
a
OO
Brazylia
43
19
0
0
Razem
1408
626
16261
7227
36.Globalny wzrost produkcji 4
gatunków roślin wynikający ze
wzrostu plonów
Gatunki
Dodatkowa produkcja.
Mln.t
1996-2009
2009
Soja
83,5
9,73
Kukurydza
130,5
29,4
Bawełna
10,5
1,88
Rzepak
5,45
0,66
37.Skutki uprawy GMO w
UE- opinie krajów
członkowskich 2011
.
1.Wprowadzenie kukurydzy Bt zwiększyło średnie
zbiory w Hiszpanii o 11,8%, Portugalii Rumunii,
Czechach od 7-12,5%
2.W Rumunii soja HT dawała przyrost plonu o 31%
3.Przepływ genów pomiędzy transgeniczną
konwencjonalną kukurydzą w Holandii wynosił: na
odległości 25 m -0,084% w 2006 i 0,080%w 2007,
na odległość 250 m -0,005% i 0.007%.
4.We wszystkich krajach członkowskich istnieje
zróżnicowanie opinii dotyczącej GMO. W wielu
przypadkach to zróżnicowanie wynika z braku
wiedzy społeczeństwa i lobbingowego działania
różnych organizacji
38.Opinie społeczeństw EU -27 na temat
bezpieczeństwa żywności i żywienia–
najważniejsze problemy. 2011
Obecność chemikaliów
(pestycydy) w
żywności – 19%
Ogólne zatrucie
żywności -12%
Choroby związane z
dietą -10%
Nieświeża żywność -
9%
Dodatki syntetyczne
do żywności- 9%
GMO – 8%
39.Sztuczna(syntetyczna)
biologia
Sztuczna (syntetyczna) biologia to
projektowanie i tworzenie nowych
biologicznych organizmów oraz
biologicznych systemów
nie występujących w naturze..
40.Możliwości syntetycznej
biologii
• 1.Tworzenie nowych biologicznych systemów
funkcjonujących w organizmach
• 2.Okreslenie minimalnej wielkości genomu
gwarantującego przebieg podstawowych funkcji
życiowych.
• 3.Wytwarzanie nowych syntetycznych komórek
organizmów
• 4.Tworzenie nowych systemów biologicznych
na bazie składników biochemicznych nie
istniejących w naturze.
• 5.Chemiczna synteza DNA
41.Człowiek stwórcą życia !? –
pierwsza syntetyczna komórka
drożdży