UNIVERZITA KARLOVA V PRAZE PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Katedra experimentální biologie rostlin Studijní program: Chemie Studijní obor: Chemie a biologie se zaměřením na vzdělávání
Jana Nedělová
GM rostliny pro budoucnost globálně oteplované planety – aktualizace gymnaziálního studia biologie GM plants for future of globally warmed planet – updating the biology curriculum in grammar schools
Bakalářská práce
Školitel: prof. RNDr. Zdeněk Opatrný, CSc. Konzultantky: doc. RNDr. Jana Albrechtová, Ph.D. doc. RNDr. Věra Číţková, CSc.
Praha, 2011
Prohlášení: Prohlašuji, ţe jsem bakalářskou práci na téma „GM rostliny pro budoucnost globálně oteplované planety – aktualizace gymnaziálního studia biologie“ vypracovala samostatně pod vedením prof. RNDr. Zdeňka Opatrného, CSc. a ţe jsem uvedla všechny pouţité informační zdroje a literaturu. Tato práce ani její podstatná část nebyla předloţena k získání jiného nebo stejného akademického titulu.
V Praze dne 18. 8. 2011
Podpis:
2
Poděkování Chtěla bych srdečně poděkovat prof. RNDr. Zdeňkovi Opatrnému, CSc. za odborné vedení, cenné rady a trpělivost. Velké poděkování patří také konzultantkám doc. RNDr. Janě Albrechtové, Ph.D. a doc. RNDr. Věře Číţkové, CSc. za cenné připomínky a pomoc. Dále děkuji své rodině a příteli Tomášovi za podporu.
3
ABSTRAKT S globálním oteplováním planety a tím i změnami místních teplotních a vlhkostních reţimů přichází do zemědělství řada problémů, majících neblahý vliv na úrodu. Ty budou významné především v rozvojových zemích, které jsou jiţ nyní zasahovány suchem a ohroţeny hladomorem. Velkým cílem je proto vytvořit rostliny odolné vůči těmto klimatickým změnám. Samotné klasické šlechtění na tyto úkoly evidentně nestačí. Významně by však mohlo přispět genové inţenýrství prostřednictvím geneticky modifikovaných (GM) rostlin. Tato moderní šlechtitelsko-pěstitelské technologie má na rozdíl od klasického šlechtění několik výhod. Jednou z nich je například cílená a dobře kontrolovatelná změna genotypu, coţ umoţňuje získat rostliny s konkrétními poţadovanými vlastnostmi. Klíčová slova: genové inţenýrství, geneticky modifikované rostliny, globální oteplování, klimatické změny, stres, tolerance, sucho, vodní deficit, salinita, učivo biologie
ABSTRACT Many problems which have an adverse impact on crops, come into the agriculture with global warming the planet and thus changes in regional temperature and humidity regimes. These problems will be significant especially in developing countries that are already interfered by drought and threatened by famine. Therefore major target is developing of plants resistant to these climatic changes. Only the very classical breeding doesn't clearly sufficient for these tasks. However, genetic engineering could contribute significantly by genetically modified (GM) plants. This modern breeding-cultivation technology has several advantages in comparison with traditional breeding. One of them is for example targeted and well-controlled change in genotype, which allows obtaining plants with specific desired properties.
Key words: genetic engineering, genetically modified plants, global warming, climatic changes, stress, tolerance, drought, water deficit, salinity, biology curriculum
4
Obsah ABSTRAKT ............................................................................................................................... 4 ABSTRACT ............................................................................................................................... 4 SEZNAM POUŢITÝCH ZKRATEK ........................................................................................ 6 ÚVOD ........................................................................................................................................ 7 1. Globálně oteplovaná planeta ................................................................................................. 8 1.1 Příčiny změny klimatu ...................................................................................................... 8 1.2 Současné změny klimatu a výhled do budoucnosti .......................................................... 9 1.3 Rostliny a CO2 ................................................................................................................ 11 1.5 Globální oteplování, sucho a dostupnost vody v zemědělství ........................................ 12 2. GM rostliny .......................................................................................................................... 14 2.1 Od neuvědomělých genetických změn aţ k cíleným genetickým modifikacím............. 14 2.2 Příprava GM rostlin ........................................................................................................ 15 2.2.1 Rekombinantní DNA a klonování genů ................................................................... 15 2.2.2 Přenos genů .............................................................................................................. 17 2.2.3 Detekce a selekce transformovaných buněk ............................................................ 19 2.2.4 Rostlinné explantáty a regenerace rostliny .............................................................. 19 3. GM rostliny se zvýšenou odolností vůči klimatické změně ................................................. 20 3.1 GM rostliny odolné vůči vodnímu deficitu .................................................................... 21 3.2 GM rostliny odolné vůči salinitě .................................................................................... 25 3.3 Transformace C3 rostlin na C4 rostliny ......................................................................... 26 4. Potenciální rizika GM rostlin ............................................................................................... 27 5. GM rostliny a globální oteplování ve výuce na gymnáziích ................................................ 29 5.1 Analýza problematiky v kurikulárních dokumentech .................................................... 29 5.2 Analýza problematiky v učebnicích biologie doporučených pro gymnázia ................... 30 5.3 Důvody zařazení témat GM rostlin a globálního oteplování do výuky biologie ............ 32 ZÁVĚR..................................................................................................................................... 33 PŘEHLED POUŢITÉ LITERATURY: ................................................................................... 34
5
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK BADH
betainaldehyddehydrogenáza
Bt
obsahující gen kódující endotoxin z Bacillus thuringiensis
C3
typ rostlin, u nichţ je prvním produktem fixace CO2 tříuhlíkatá sloučenina
C4
typ rostlin, u nichţ je prvním produktem fixace CO2 čtyřuhlíkatá sloučenina
CDH
cholindehydrogenáza
CKX
cytokinin cytokininoxidáza/dehydrogenáza
CMO
cholinmonooxygenáza
COD
cholinoxidáza
CSPs
cold shock proteins
DNA
deoxyribonukleová kyselina
DRE
dehydration responsive element
DREB
DRE binding factor (transkripční faktor vázající se do oblasti DRE)
GFP
zelený fluorescenční protein
GM
geneticky modifikovaná/é
GMO
geneticky modifikovaný organismus
GMP
geneticky modifikovaná plodina
Ht
tolerantní k herbicidům
IPCC
Intergovernmental Panel on Climate Change
OSN
Organizace spojených národů
PEP
fosfoenolpyruvát
PCR
polymerázova řetězová reakce
P5CS
pyrrolin-5-karboxylát syntetáza
ppm
parts per milion; miliontina
RNA
ribonukleová kyselina
RVP G
rámcový vzdělávací program pro gymnázia
SOS
salt overly sensitive
Ti
tumor indukující
3-PGA
3-fosfoglycerát
6
ÚVOD Velkou výzvou současného světa, zejména zemědělství, je uspokojit stále se zvyšující poptávku v oblasti produkce potravin, a zabezpečit tak výţivu stále narůstající lidské populace, která by podle předpokladů měla v roce 2050 činit více neţ 9 miliard (Evans, 2009). Jiţ nyní jsou rozsáhlé plochy orné půdy zasaţeny nedostatkem vody či salinitou. Tyto abiotické faktory nepříznivě ovlivňují růst a vývoj rostlin, čímţ mají rozhodující vliv na výnos zemědělských plodin. Výţiva lidí přitom jednoznačně závisí na produkci kulturních rostlin, z nichţ rozhodující úlohu v lidské výţivě hrají obilniny – pšenice, kukuřice a rýţe (Nátr, 2006b). Nepříznivé abiotické faktory budou ještě více zesilovány s přicházející globální změnou klimatu, která do blízké budoucnosti předpokládá kromě oteplování téţ změny v délce vegetačního období a delší a častější období sucha a horka. To bude mít za následek velké změny ve výnosech, a tím zvýšení hladomoru, zvláště v tropických a subtropických oblastech. Je tedy zapotřebí těmto změnám čelit, a snaţit se získat rostliny odolné vůči suchu či salinitě, která je častým důsledkem intenzivního zavlaţování v suchých regionech. Přes mnohá vědecká bádání se stále ozývají hlasy zpochybňující antropogenní vliv člověka na globální oteplování nebo dokonce, ţe k ţádné klimatické změně nedochází či ţe potravin bude stále dostatek. I kdyby se však vědci mýlili, tak „udělat vše nezbytné pro zvládnutí nepříznivé alternativy nevyvolá velké škody ani v případě, že tato alternativa nenastane. Naproti tomu nebýt připraven ještě v době nástupu oné horší alternativy může vést k definitivním katastrofám“ (Nátr, 2002). Významně by přitom mohlo pomoci genové inţenýrství prostřednictvím geneticky modifikovaných neboli transgenních rostlin. Jedná se vlastně o novou metodu laboratorního šlechtění rostlin, která má na rozdíl od konvenčního šlechtění několik zásadních výhod. Umoţňuje totiţ přenést do rostliny konkrétní gen zodpovědný pouze za poţadované vlastnosti. Navíc se mohou přenášet i geny z rostlin, se kterými je šlechtěná rostlina nekřiţitelná, a dokonce i ze zcela jiných organismů – bakterií či ţivočichů. Kulturní rostliny by tak mohly být vybaveny současně několika prospěšnými ţádoucími vlastnostmi, jako jsou tolerance k zvýšeným teplotám a nedostatku vláhy či tolerance vůči zvýšenému obsahu solí při zachování či zvýšení uţitkových vlastností rostlin. Základním předpokladem získání takových rostlin je hluboká znalost nejen molekulární biologie a genetiky, ale také fyziologie rostlin. 7
Cílem této práce je shrnutí podstatných faktů souvisejících s globální změnou klimatu a současně poskytnutí základních poznatků o GM rostlinách formou pouţitelnou pro učitele a studenty na gymnáziích. Práce proto uvádí i konkrétní příklady strategií přípravy GM rostlin odolných zejména vůči abiotickému stresu. Ilustruje tak aktuálnost této problematiky a současně kriticky posuzuje moţnost jejího zařazení do gymnaziálního studia biologie.
1. Globálně oteplovaná planeta 1.1 Příčiny změny klimatu Připustíme-li jako fakt, ţe planeta se v současnosti opravdu „globálně otepluje“, jaké mohou být důvody či nástroje tohoto jevu? Jednou z hlavních příčin globální změny klimatu je zřejmě zesílení skleníkového efektu v důsledku zvýšení koncentrace CO2 a dalších skleníkových plynů (vodní páry, metanu, oxidů dusíku, ozonu či freonů) v atmosféře. Skleníkové plyny se vyznačují silnou absorpcí dlouhovlnného infračerveného záření, čímţ ovlivňují radiační bilanci Země, tedy poměr mezi mnoţstvím pohlcovaného a emitovaného záření (Nátr, 2006a). Oxid uhličitý je významným skleníkovým plynem. Jeho koncentrace se zvýšila z úrovně 280 ppm v preindustriálním období na hodnotu 389 ppm v roce 2010 a v červnu 2011 měla jiţ hodnotu 393,69 ppm (viz. http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/). Nejstarší stanicí, kde se od roku 1958
konají
přesná
měření
koncentrace CO2 je v lokalitě Mauna Loa na Havajských ostrovech (Obr. 1). Hlavním
zdrojem
nárůstu koncentrace CO2
je
především vzrůstající mnoţství spalovaných fosilních paliv. – se
Současně
vzrůstající
spotřebou fosilních paliv se zvyšuje počet obyvatel na Zemi
Obrázek 1: Záznam přímého měření koncentrace CO2 v atmosféře
i jejich nároky na potraviny, (červená křivka) na lokalitě Mauna Loa. Černá křivka představuje suroviny
a
prostor,
s
sezónně upravená data – trend vývoje.
čímţ Zdroj: http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/mlo.html 8
dochází ke změně ve vyuţívání krajiny (odstraňování přírodních porostů) a tím k poklesu fotosyntetické fixace CO2 (Nátr, 2006a). 1.2 Současné změny klimatu a výhled do budoucnosti Se zvyšující se intenzitou skleníkového efektu se tedy zvyšuje i průměrná globální teplota Země. V roce 1988 byl zaloţen mezivládní vědecký orgán pro hodnocení rizik klimatických změn – Mezivládní panel pro změnu klimatu (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC). Podle jeho Čtvrté hodnotící zprávy (IPCC, 2007a) z pozorování nárůstu průměrné globální teploty vzduchu a oceánů, rozsáhlého tání sněhu a ledu a zvyšování průměrné celosvětové hladiny moře je oteplení klimatického systému jednoznačné (Obr. 2). Průměrná globální teplota Země se za 100 let (1906 aţ 2005) zvýšila o 0,74 °C (0,56 °C aţ 0,92 °C). Co se týče budoucí změny teploty, mohou nastat různé scénáře, kdy se na konci 21. století předpokládá změna teploty v rozsahu 1,1 °C aţ 6,4 °C.
Obrázek 2: Pozorované změny globální průměrné povrchové teploty. Všechny změny jsou vztaţeny k odpovídajícím průměrům za období let 1901-2000. Zdroj: http://www.ncdc.noaa.gov/sotc/global/2008/13
Podle (IPCC, 2007a) byly pozorovány změny teplotních a vlhkostních reţimů poukazující jednoznačně na globální klimatické změny, ovšem s regionálním dopadem, jako příklad bych uvedla tyto: Významné zvýšení sráţek bylo pozorováno ve východních částech Severní a Jiţní Ameriky, v severní Evropě a severní a střední Asii. Naopak pokles sráţek byl 9
pozorován v oblasti Sahelu, Středomoří, jiţní Afriky a části jiţní Asie. Sráţky jsou časově a prostorově velmi proměnlivé. Intenzivnější a delší sucha byla pozorována zejména v tropech a subtropech, coţ souvisí s vyššími teplotami a niţšími sráţkami. Četnost chladných dnů, chladných nocí a mrazů se sniţuje, zatímco horké dny, horké noci a vlny veder jsou stále častější. IPCC (2007b) také uvedl předpokládané dopady změny klimatu, která nás čeká v blízké budoucnosti. Jako příklad bych uvedla následující: Do poloviny století se průměrný roční odtok řek a dostupnost vody zvýší o 10 aţ 40 % ve vyšších zeměpisných šířkách a některých vlhkých tropických oblastech a sníţí o 10 aţ 30 % v některých suchých oblastech ve středních zeměpisných šířkách a v suchých tropických oblastech, z nichţ některé jsou v současnosti vystaveny vodnímu stresu. Rozloha oblastí postiţených suchem se pravděpodobně zvětší. Případy intenzivnějších sráţek, které se s velkou pravděpodobností budou vyskytovat častěji, zvýší riziko povodní. Při nárůstu průměrných lokálních teplot o 1 aţ 3 °C se produktivita plodin ve středních aţ vyšších zeměpisných šířkách mírně zvýší podle druhu plodiny a poté při vyšším nárůstu v některých oblastech poklesne. V niţších zeměpisných šířkách, především v oblastech sezónně suchých a tropických, se i v případě mírného nárůstu lokální teploty o 1 aţ 2 °C produktivita plodin sníţí, coţ by zvýšilo riziko hladomoru. Častější období sucha a zvýšený výskyt povodní negativně ovlivní lokální produkci, a to především v samozásobitelských oblastech v niţších zeměpisných šířkách. Je zřejmé, ţe klimatické změny probíhají a probíhat budou v následující blízké aţ střednědobé budoucnosti. Nicméně, přesný odhad budoucího vývoje je velmi obtíţný aţ nemoţný. A to nejen kvůli sloţitosti zasahujících faktorů, ale i klimatického systému samotného. Kromě stále se zvyšující koncentrace skleníkových plynů v atmosféře a dopadů vychýlené radiační bilance Země, velkou roli v komplexním utváření klimatu hrají i další zemské faktory (oceány, vodní pára v atmosféře, ledovce a sníh, sopečné výbuchy…), sluneční aktivita či cyklické změny orbitální dráhy Země (Nátr, 2006a, Metelka a Tolasz, 2009). 10
V kaţdém případě však rostliny v nejbliţším století budou vystaveny stále se měnícím podmínkám prostředí, a s velkou pravděpodobností se bude zvyšovat jejich stresová zátěţ měnícími se faktory prostředí. Zemědělská výroba ve spolupráci s akademickou sférou a výzkumem bude muset rychle zareagovat získáním nových genotypů, odolnějších vůči stresovým faktorům prostředí – abiotickým i biotickým, které s klimatickou změnou souvisejí.
1.3 Rostliny a CO2 Oxid uhličitý a teplota patří mezi základní faktory vnějšího prostředí ovlivňující rostliny. Zvyšování koncentrace CO2 a skleníkového klimatu proto bude mít na rostliny jisté účinky, které se nepochybně odrazí i v tvorbě rostlinné biomasy prostřednictvím fotosyntézy. Rozlišujeme v podstatě dva typy fotosyntézy označované jako C3 a C4. Fotosyntéza typu C3 se vyskytuje u většiny rostlin. V těchto rostlinách reaguje CO2 s ribulóza-1,5-bisfosfátem za katalýzy enzymem Rubisco a prvním stálým produktem je tříuhlíkatá (proto C3) sloučenina 3-fosfoglycerát (3-PGA), respektive dvě molekuly 3-PGA. Celý proces fixace CO2 probíhá v chloroplastech mezofylových buněk. Rostliny C3 obsazují především oblasti s mírnou ozářeností a teplotou. Patří mezi ně např. pšenice, rýţe či sója. Nevýhodou tohoto způsobu fixace CO2
je skutečnost, ţe enzym Rubisco nemá pouze
karboxylázovou, ale i oxygenázovou aktivitu – můţe tedy katalyzovat navázání kyslíku, čímţ navozuje metabolickou cestu zvanou jako fotorespirace. Fotorespirace probíhá především při niţší koncentraci CO2 a vyšších teplotách. Fotorespirace je energeticky náročná a lze na ni z hlediska výnosu pohlíţet jako na ztrátový proces (Jannson, 2010, Pavlová, 2005). U fotosyntézy typu C4 je CO2 fixován dvakrát, přičemţ jsou tyto fixace od sebe prostorově odděleny. Nejprve je CO2 fixován v mezofylových buňkách, kde dochází k navázání HC
na fosfoenolpyruvát (PEP) za katalýzy enzymem PEPkarboxylázou, jenţ
má na rozdíl od Rubisco pouze oxygenázovou aktivitu. Produktem této reakce je čtyřuhlíkatá (proto C4) sloučenina oxalacetát. Ten je následně redukován na malát (popř. aspartát), který je transportován do buněk cévního svazku tvořících charakteristickou věnčitou strukturu, tzv. Kranz anatomii, kde je dekarboxylován. Uvolněný CO2 se váţe za katalýzy enzymem Rubisco na ribulóza-1,5-bisfosfát a dále probíhají reakce cyklu C3. Respirace u C4 rostlin je tak potlačena. Rostliny C4 tedy mohou prosperovat i při nízkých koncentracích CO2 a při vysokých teplotách v tropickém a subtropickém klimatu. Mezi C4 rostliny patří např. kukuřice, čirok, cukrová třtina či proso (Jannson, 2010, Pavlová, 2005).
11
Při současné koncentraci CO2 je u rostlin C4 rychlost fotosyntézy téměř plně saturována oxidem uhličitým, zatímco u rostlin C3 dochází vlivem zvyšování koncentrace CO2 k dalšímu zrychlení jejich fotosyntézy. Při stávajícím zvyšování atmosférické koncentrace CO2 tedy budou ve výhodě rostliny C3 ve srovnání s rostlinami C4. Jelikoţ průvodním jevem změn klimatu je i zvyšující se teplota, rostliny C3 nejsou zvýhodňovány tak jednoznačně. Při vyšších teplotách mají rostliny C4 vyšší rychlost fotosyntézy neţ rostliny C3 (Obr. 3), zvyšování teploty na Zemi tedy bude naopak zvýhodňovat rostliny C4 (Nátr, 2006a).
Obrázek 3: Vliv teploty na rychlost fotosyntézy u C3 a C4 rostlin. Zdroj: Nátr, 2006a.
Různé druhy rostlin budou reagovat na zvýšení koncentrace CO2 a teploty rozdílně, coţ můţe způsobit v přirozených porostech změnu druhového sloţení s následným vlivem na sloţení hmyzu a dalších ţivočichů potravního řetězce. Některé druhy plevelů mohou na dané změny reagovat jinak neţ určitá kulturní rostlina a tím zvýšit svou agresivitu v porostech plodin (Nátr, 2006a). 1.5 Globální oteplování, sucho a dostupnost vody v zemědělství O druhu pěstovaných plodin rozhoduje především rozdělení teploty a sráţek během roku. Jelikoţ se klima mění s projevem globálního oteplování, měla by se zákonitě měnit skladba pěstovaných plodin a jejich územní rozloţení v závislosti na regionálních změnách klimatu. Klíčovým faktorem ovlivňujícím zemědělství a produkci potravin je dostupnost vody. Ohroţení zdrojů vody změnou klimatu negativně ovlivní pěstování plodin a produkci potravin, přičemţ největší riziko je v aridních a semiaridních oblastech, tedy většinou 12
v rozvojových zemích, kde hrozí výskytu hladomoru. Nerovnoměrnost v zásobování potravinami mezi vyspělým a rozvojovým světem se bude zvětšovat (Houghton, 1995). Suché kraje přitom tvoří okolo 41 % zemské souše a obývá je cca 1/3 obyvatel světa, z toho více neţ 90 % v rozvojových zemích. Lidé v suchých oblastech jsou vystaveni řadě problémů, neboť jsou pro tyto oblasti typické malé a proměnlivé sráţky, vysoké teploty, nízká úroveň organické hmoty v půdě či vysoké náklady dodávky elektřiny a vody (Millenium ecosystem assessment, 2005). Zavlaţováno je asi jen 15 % zemědělsky obdělávané půdy, z této plochy je však získávána téměř polovina světové produkce plodin. Dostupnost vody pro závlahy bude omezena, coţ se projeví v omezení růstu produkce potravin. Voda je navíc v závlahových systémech vyuţívána velmi nedostatečně. – Plných 30% této vody je ztraceno při jejím uchování a v systémech rozvodu vody (Nátr, 2006b). Se zavlaţováním je spojen problém zasolení půdy, kterým jsou zatíţeny velké rozlohy zemědělské půdy v semiaridních a aridních oblastech. Voda vyuţívaná k zavlaţování obsahující rozpustné soli způsobí degradaci půdy, čímţ bude docházet ke sníţení výnosu. Dodávky kvalitní vody jsou stále více omezovány v mnoha oblastech světa, zejména v suchých oblastech, coţ se bude stupňovat s růstem obyvatelstva. Oblastí vhodných pro zemědělství bude ubývat a produktivita některých plodin bude klesat, zatímco lidská populace bude stále růst. Riziko hladomoru se tak bude stále prohlubovat, jak je zřejmé i ze současnosti, kdy OSN vyhlásila hladomor v dalších oblastech Somálska (viz. http://www.osn.cz/zpravodajstvi/zpravy/zprava.php?id=1706). U kulturních rostlin proto budou poţadovány vlastnosti, jako jsou mj tolerance k zvýšeným teplotám a nedostatku vláhy či tolerance vůči zvýšenému obsahu solí. Příprava takových nových odrůd je samozřejmě dlouholetým cílem různých programů klasického šlechtění. Nové metodické postupy a zejména pak moţnost tvorbu takových rostlin podstatně časově zkrátit však nabízejí techniky genových / genetických modifikací.
13
2. GM rostliny Geneticky modifikované (GM) neboli transgenní či transformované rostliny jsou takové rostliny, do jejichţ genomu byl uměle vloţen nepůvodní gen (tzv. transgen) nebo skupina genů prostřednictvím genetické modifikace neboli transgenoze (Chawla, 2009). Genetická modifikace je podle zákona (78/2004 Sb.) „cílená změna dědičného materiálu spočívající ve vnesení cizorodého dědičného materiálu do dědičného materiálu organismu nebo vynětí části dědičného materiálu organismu způsobem, kterého se nedosáhne přirozenou rekombinací“. 2.1 Od neuvědomělých genetických změn až k cíleným genetickým modifikacím Přibliţně před 10 000 lety začal mít člověk stále větší vliv na dědičné vlastnosti ţivých organismů, i kdyţ tak zpočátku činil neuvědoměle. Z kočovného ţivota, kdy se ţivil sběrem a lovem, přešel postupně na zemědělský způsob ţivota. Všiml si, ţe některé rostliny mají lepší vlastnosti a ty vybíral (selektoval) pro další mnoţení. Nato začal záměrně vybírat rodičovské páry, které mezi sebou kříţil (Vondrejs, 2010). Na počátku 20. století byly poloţeny Mendelovy zákony, které jsou základem klasického šlechtění rostlin vyuţívající křížení (hybridizaci) rodičovských linií, kdy dochází k rekombinaci jejich DNA, a následného výběru potomstva s vhodnou vlastností (vhodnou kombinací genů). Klasickému šlechtění vděčíme za vznik řady kulturních rostlin, má však jisté nevýhody. Spolu s ţádoucím genem (vlastností) můţe být přenesen i neţádoucí gen, obvykle v důsledku malé vzdálenosti těchto genů na stejném chromozomu. Kříţit lze rostliny jen stejných nebo blízce příbuzných druhů. Rekombinace existujících genotypů je omezena přítomnou genetickou variabilitou, kříţením tak nelze přidat gen, který nemá ţádný z rodičů. (Halford, 2006). Šlechtění rostlin je dlouhodobá záleţitost, vyhledání úspěšného kříţence s vhodnými vlastnostmi trvá i několik let. Šlechtění lze však urychlit pouţitím markeru (molekulárního znaku úzce vázaného na gen), kdy pomocí analýzy DNA lze najít úsek čili marker, jenţ je spojen s poţadovanou vlastností (Drobník, 2008). V polovině 20. století začala být vyuţívána tzv. indukovaná mutageneze, která je zaloţena na vyvolání dědičné změny pomocí záření (rentgenového, ultrafialového či gama záření) nebo chemických látek s mutagenními účinky. U vyvolané mutageneze dochází k poškození DNA, coţ vede ke změnám v sekvenci DNA. Tento proces má tu nevýhodu, ţe poškození jsou zcela náhodná, a tak dochází jen k nízkému počtu mutací, které dají vzniknout uţitečnému mutantu (Halford, 2006). 14
V 80. letech 20. století došlo ke zrodu genového inženýrství, které umoţňuje cílené modifikace organismů zaloţené na přenosu cizorodého genetického materiálu (včetně chemicky syntetizovaného). Dárcem i příjemcem můţe být jakýkoliv organismus. Genové inţenýrství ve srovnání s výše zmíněnými postupy představuje podstatné rozšíření moţností (Vondrejs, 2010). Genetické modifikace tak umoţňují rostlinám získat vlastnosti, které by byly klasickými postupy obtíţně dosaţitelné či nemoţné získat. Výsledkem genetické modifikace můţe být získání vlastnosti nové, ale také naopak potlačení vlastnosti neţádoucí. Pomocí genetických modifikací rostlin mohou být vyšlechtěny nové odrůdy, které se vyznačují mj. vyšším výnosem, zvýšenou nutriční hodnotou, rezistencí vůči herbicidům, škůdcům a různým chorobám či tolerancí k nepříznivým abiotickým faktorům. V souvislosti s globálním oteplováním bude po kulturních rostlinách poţadována odolnost resp. tolerance vůči zvýšeným teplotám, nedostatku vláhy či zasolení, přičemţ by byly zachovány jejich produkční schopnosti. Právě takové vlastnosti by mohly poskytnout GM rostliny. 2.2 Příprava GM rostlin Příprava GM rostlin zahrnuje několik dílčích kroků. Nejprve je třeba vybrat gen či více genů kódující poţadovanou vlastnost a zvolit vhodný rostlinný explantát. Cílový gen se musí izolovat, patřičně upravit a namnoţit (naklonovat). Dále je zapotřebí jej vhodným způsobem přenést do rostlinného genomu. Poté se provede selekce transformovaných buněk, které posléze zregenerují v GM rostlinu. 2.2.1 Rekombinantní DNA a klonování genů Na začátku 70. let minulého století byl poprvé izolován poţadovaný úsek DNA, coţ umoţnilo vytváření nových molekul DNA ve zkumavkách a jejich zpětné zavádění do ţivých organismů. „Tyto nové metody nazývané „rekombinantní DNA“, přes sestřih genů“ či „genové inženýrství“, umožňují vytvoření chromozomů s kombinacemi genů, které by se v přírodě nikdy nevyskytly“ (Alberts, 1998). Klonování genů zahrnuje výstavbu nových molekul DNA, označovaných jako rekombinantní DNA (Obr. 4), spojením DNA sekvencí z různých zdrojů. Nejprve je třeba z DNA „vystřihnout“ úsek představující gen našeho zájmu. Tento fragment DNA je zasazen do tzv. vektoru – molekuly DNA zajišťující klonování (amplifikaci) poţadovaného genu. Jako 15
vektory jsou vyuţívány obvykle bakteriální plazmidy (např. plazmid bakterie Escherichia coli), bakteriofágy, kvasinky, cosmidy, umělé bakteriální nebo kvasinkové chromosomy. Vektor je třeba „rozstřihnout“ stejným enzymem, jakým byl získán úsek představující gen našeho zájmu. Rekombinantní vektor neboli rekombinantní DNA se zavede do hostitelské buňky (bakterie či kvasinky), kde se mnohonásobně namnoţí (pozn. - dochází k namnoţení plazmidů v buňce, ale i k mnoţení buňky samotné), čímţ se namnoţí i vloţený gen (Chawla, 2009). Při tvorbě rekombinantní DNA jsou molekuly DNA „stříhány“ pomocí enzymů, tzv. restrikčních endonukleáz. Restrikční endonukleázy štěpí DNA pouze v místech se specifickou krátkou nukleotidovou sekvencí (Alberts, 1998). V současné době jich je popsáno více neţ 3500 a lze je rozdělit cca na 250 skupin, lišících se rozeznávaným místem a polohou vazeb, jenţ jsou štěpeny (Vondrejs, 2010). Fragmenty DNA umoţňuje spojit dohromady enzym DNA-ligáza. Pokud jsou vektorová DNA a cílová DNA rozstřiţeny stejnou restrikční endonukleázou, jejich překrývající se konce jsou komplementární, čímţ můţe dojít k jejich spojení DNA-ligázou (Chawla, 2009).
Obrázek 4: Vloţení fragmentu DNA do bakteriálního vektoru. Zdroj: Alberts, 1998.
DNA lze naklonovat i bez pouţití buněk metodou nazývanou jako polymerázová řetězová reakce (PCR), pomocí níţ můţe být rychle a vysoce selektivně namnoţena určitá nukleotidová sekvence. Syntéza DNA je řízena primery (chemicky nasyntetizovanými krátkými oligonukleotidy), které se párují s templátovou DNA na počátku a na konci klonovaného fragmentu, kaţdý s jiným vláknem původní dvouřetězcové molekuly DNA. Pomocí těchto primerů nasyntetizuje DNA-polymeráza velké mnoţství kopií poţadované sekvence (Alberts, 1998).
16
2.2.2 Přenos genů Různé techniky přenosu genů lze rozdělit do dvou hlavních kategorií: 2.2.2.1 Nepřímé metody (vektory zprostředkovaný přenos genů) Nepřímé metody přenosu genů do rostlinného genomu vyuţívají vektory, pomocné molekuly DNA, jimiţ mohou být plazmidy bakterie rodu Agrobacterium, viry či transpozóny (Chawla, 2009). Nejvyuţívanější je přenos pomocí Agrobacterium tumefaciens (Obr. 5), přirozeně se vyskytující půdní bakterie, která infikuje poraněné části dvouděloţných rostlin a způsobuje u nich nádory, tzv. crown galls. Vznik nádoru závisí na přítomnosti plazmidu známého jako Ti (tumor inducing), kdy část tohoto plazmidu označovaná jako T-DNA (transferred DNA) je přenesena z bakterie do rostlinné buňky a integrována do jaderného genomu rostliny (Slater et al., 2005). T-DNA, definovaná pravou a levou hraniční sekvencí, nese geny pro syntézu rostlinných fytohormonů (auxinů a cytokininů), které vedou k proliferaci rostlinných buněk a vytvoření nádoru. Dále nese geny pro produkci opinů, které slouţí k výţivě bakterie. Ti plazmid obsahuje také geny virulence, které jsou zodpovědné za uvolnění T-DNA z plazmidu, její přenos a integraci do rostlinného genomu (Gelvin, 2003).
Obrázek 5: Vztah mezi Agrobacterium tumefaciens a rostlinnou buňkou. Zdroj: Vejl, 2007 (upraveno podle Weidner a Furelaud).
17
V praxi se vyuţívá právě schopnosti Agrobacterium přenášet T-DNA, genoví inţenýři tak do jisté míry napodobují samotnou přírodu. Jako vektory se však pouţívají upravené (tzv. odzbrojené) Ti plazmidy.
Onkogenní geny způsobující nádorovitost jsou vyjmuty a
nahrazeny geny našeho zájmu. Tyto cílové geny jsou vkládány mezi hraniční sekvence TDNA (Gelvin, 2003). Transformace dvouděloţných rostlin, jeţ Agrobacterium přirozeně napadá, je poměrně jednoduchá. Transformace jednoděloţných rostlin je však sloţitější, a můţe vyţadovat pouţití supervirulentních kmenů Agrobacterium (Slater et al., 2005). Jednou ze standardních metod transgenoze u Arabidopsis thaliana je např. namáčení celých raných květenství (tzv. floral dip metoda) v suspenzi Agrobacteria. Z takto ošetřených rostlin jsou posléze získána semena, která jsou selektována vyklíčením na příslušném selekčním mediu (Zhang et al., 2006). Po provedení transformace rostlinných buněk je Agrobacterium obvykle usmrceno vhodným antibiotikem, které však nesmí poškozovat rostlinný explantát (Slater et al., 2005). 2.2.2.2 Přímé metody (bezvektorové) Metody přímého genového přenosu jsou zaloţeny na přenosu „nahé“ DNA do rostlinné buňky, vyuţívají přitom fyzikální či chemické postupy. (Chawla, 2009). Nejčastější a nejefektivnější metodou přímého přenosu je biolistika neboli nastřelování (particle bombardment). Princip biolistiky je zaloţen na nabalení DNA na wolframové či zlaté částice - tyto částice jsou pak vysokou rychlostí nastřelovány do rostlinných buněk, kde se DNA uvolní a začlení do rostlinného genomu (Slater et al., 2005). K nastřelování se vyuţívá tzv. genové (částicové) dělo (particle gun), které pracuje na principu stlačeného helia, jenţ dodává částicím potřebnou energii (Chawla, 2009). Uţitečnost této metody spočívá v její univerzálnosti – lze ji pouţít např. tam, kde se chceme či musíme (protoţe daný materiál to neumí) vyhnout de novo regeneraci transgenních rostlin v podmínkách in vitro, ať jiţ formou embryogeneze či organogeneze (Veluthambi et al., 2003). Jiné metody přímého přenosu vyuţívají laser, mikroinjekce či elektroporaci. Elektroporace je proces vyuţívající elektrické impulsy o vysokém napětí k vytvoření pórů v plazmatické membráně, jimiţ pak DNA vstupuje do buňky Příkladem chemické metody je pouţití polyethylenglykolu, jenţ destabilizuje plasmatickou membránu protoplastů a učiní ji propustnou pro DNA (Slater et al., 2005).
18
Přímé metody přenosu mají oproti přenosu pomocí Agrobacterium jisté nevýhody, jeţ spočívají ve vyšší frekvenci genetických změn a poměrně vysokém počtu kopií transgenu, coţ můţe vést k umlčení exprese genu (Slater et al., 2003). 2.2.3 Detekce a selekce transformovaných buněk Velmi často dojde k transformaci jen několika rostlinných buněk, je tedy nezbytné umět tyto transformované buňky rozpoznat (Slater et al., 2005). Pro rozeznání úspěšnosti rostlinné transformace je k cílovému genu, jenţ má být vnesen, připojen tzv. markerový gen. Rozlišujeme dva typy markerových genů: selekční a reportérové. Selekční geny jsou nedílnou součástí úspěšné transformace rostlin. Selekční geny umoţňují transformovaným buňkám přeţít v mediu obsahujícím toxickou hladinu selekčního činidla, zatímco netransformované buňky umírají (Chawla, 2009). Původně byly pro tyto účely pouţívány geny kódující rezistenci vůči antibiotikům, např. k hygromycinu, streptomycinu či gentamycinu. Princip selekce buněk spočíval v tom, ţe na médiích s antibiotiky byly schopny vegetovat pouze GM buňky. Z důvodu teoretického nebezpečí vzniku rezistencí vůči antibiotiku byly tyto geny nahrazeny geny pro rezistenci k herbicidům, např. k glufosinátu (Vejl, 2007), případně můţe být vyuţit gen pro enzym fosfomanóza izomerázu či xylóza izomerázu, jenţ pouze transformovaným buňkám dovolí přeţití na mediu bez obvyklé sacharózy leč s náhradní manózou či xylózou (Slater, 2005). Reportérové neboli signální geny jsou charakteristické tím, ţe jejich exprese je snadno měřitelná, například vizuálně. Ideální reportérový gen by měl být snadno detekovatelný nedestruktivním stanovením a měl by vykazovat nízkou nebo ţádnou vnitřní aktivitu v transformované rostlině. Jedná se zejména o gen pro β-glukuronidázu původem z bakterie Escherichia coli, gen pro GFP (green fluorescent protein) izolovaný z medúzy či gen pro luciferázu pocházející ze světlušky (Slater et al., 2005). Jejich vyuţití je velmi vhodné pro různé detekce, ale komerční, masivní selekce transformantů by jen s jejich pomocí byla neúměrně časově i fyzicky náročná. 2.2.4 Rostlinné explantáty a regenerace rostliny Rostlinné explantáty (respektive jejich kultury) a regenerace rostliny jsou nezřídka klíčovou součástí metodologie rostlinných transformací. V ideálním případě by jediná úspěšně transformovaná buňka měla být schopná zregenerovat v kompletní plodnou GM rostlinu. 19
Rostlinné explantáty jsou izolované části (orgány, pletiva či buňky) rostliny pouţívané ke kultivaci v in vitro podmínkách. Existuje několik typů kultur, např. kalusová, buněčná, prašníková či protoplastová kultura. Kultivační medium by kromě vody, makroelementů, mikroelementů, sacharidů či vitaminů mělo obsahovat růstové regulátory (fytohormony), jeţ určují další vývoj rostlinných buněk. Vysoká regenerační schopnost rostlin je dána vlastnostmi jejich buněk – plasticitou (přizpůsobení se podmínkám prostředí) a totipotencí. Totipotence buňky je její schopnost dát vznik všem typům buněk v organismu, coţ souvisí se zachováním úplné genetické informace. V podstatě jsou dva způsoby regenerace vedoucí k získání kompletní rostliny – organogeneze a somatická embryogeneze. Organogeneze spočívá ve vytvoření orgánů buď přímo z explantátu, nebo z kalusu, přičemţ je regulována změnou sloţení růstového media, zejména vzájemným poměrem auxinů a cytokininů. Při somatické (asexuální) embryogenezi se od počátku vyvíjí nová rostlina jako struktura se stonkovým a kořenovým pólem, přičemţ prochází stadii odpovídajícím stadiím zygotické embryogeneze (Pavlová, 2005, Slater et al., 2005). Ne všechny regenerační metody jsou kompatibilní se všemi transformačními technikami. Některé rostliny mohou být přístupné různým regeneracím a transformačním strategiím, jiné mohou být naopak přístupné pouze jednomu konkrétnímu postupu.
3. GM rostliny se zvýšenou odolností vůči klimatické změně Klimatická změna přináší rostlinám řadu situací, kdy jsou vystavené vyšší stresové zátěţi – především stresu vodního deficitu, zvýšené teploty, v zavlaţovaných oblastech stresu salinity. „Stres je stav rostliny, která reaguje na působení zátěžových, tj. stresových faktorů neboli stresorů aktivací obranných mechanismů“ (Pavlová, 2005). Stresové faktory lze obecně rozlišit na abiotické a biotické. Abiotické stresory jsou povahy fyzikální nebo chemické, a patří sem např. příliš vysoká nebo příliš nízká ozářenost, extrémní teploty, nedostatek vody i zaplavení stanoviště vedoucí k nedostatku kyslíku, nadbytek iontů v půdním roztoku (zasolení půd), vysoké nebo nízké pH půdního roztoku či nedostatek esenciálních minerálních prvků v půdě. Biotické stresory jsou povahy biologické a patří mezi ně zejména působení patogenů a konkurenčních druhů rostlin a poškození rostliny způsobené ţivočichy. Schopnost přeţít tyto nepříznivé podmínky je označována jako odolnost neboli rezistence (Pavlová, 2005). 20
V souvislosti s klimatickými změnami je moţno očekávat změny v rozšíření škůdců a jejich nebezpečnosti nejen v důsledku změn environmentálních faktorů, ale i v důsledku narušení či změny potravních řetězců (Nátr, 2000). Proto při hledání odolných rostlin vůči klimatické změně je třeba brát v úvahu i odolnost vůči různým škůdcům a patogenům. Některé fyziologické mechanismy mohou mít protichůdné účinky vzhledem k různým stresům. Například, některé rostliny se tepelnému stresu brání zvýšenou vodivostí průduchů a následným ochlazením díky transpiraci. Zavírání průduchů však pomáhá sniţovat ztráty vody a udrţovat turgor v podmínkách s nízkou dostupností půdní vody. Tyto dva mechanismy budou v konfliktu v případě současného působení vysoké teploty a sucha, coţ je však poměrně častá situace (Rizhsky et al., 2004). Předpovídané klimatické změny spojené s globálním oteplováním pravděpodobně umocní působení vnějších stresorů na plodiny, a zvýší poţadavek vyvinout odrůdy odolné vůči stresu. Navíc je zvyšován tlak na rozšíření území pěstování plodin i v oblastech, které nejsou optimální pro růst významných plodin. Zemědělské plodiny by přitom měly mít schopnost stresové podmínky nejen přeţít, ale i schopnost zachovat si produktivitu. Tolerance k abiotickému stresu je komplexní vlastnost, která je podmíněna velkým mnoţstvím genů. Vědci se samozřejmě jiţ řadu let snaţí tyto geny identifikovat a zjistit, jakou roli hrají při stresové reakci vedoucí k toleranci. Cílený přenos těchto genů by pak měl společně s technikami klasického „resistenčního šlechtění“ jiţ v ohledné době vést k širokému vyuţití GM plodin v řešení zmíněných celosvětových problémů. 3.1 GM rostliny odolné vůči vodnímu deficitu „Vodní stres vzniká v důsledku vodního deficitu, tj. nedostatečného zásobení rostliny vodou. Vodní deficit vede ke ztrátě turgoru, projevuje se zastavením růstu a vadnutím. Růst je ovlivněn nejen v důsledku osmotických poměrů protoplastu a změny turgoru ale také v důsledku snížené asimilace CO2 a následného nedostatku stavebních látek“ (Pavlová, 2005). Nedostatečné zásobení rostliny vodou můţe mít různé příčiny. Vodní deficit můţe být důsledkem sucha, skutečného nedostatku vody v půdě po dlouhých obdobích velmi nízkých vodních sráţek či jejich úplné absence (Pavlová, 2005). Zvýšená okolní teplota způsobuje větší ztrátu vody jak evaporací, tak rostlinou transpirací, která není kompenzována příjmem vody kořeny z půdy. Také zasolení půdy je příčinou vodního deficitu, jelikoţ je sníţen vodní potenciál půdního roztoku, coţ zabraňuje kořenům přijímat vodu z půdy (Slater et al., 2005).
21
Rostliny si vyvinuly různé ochranné mechanismy zabraňující vodnímu deficitu. Jedním z nich je zvýšení počtu osmoticky aktivních částic, které má za následek sníţení vodního potenciálu a zvýšený příjem a zadrţování vody. Tento proces je nazýván jako osmotické přizpůsobení (Pavlová, 2005). Důleţitou roli zde hrají kompatibilní soluty neboli kompatibilní osmolyty. Jsou to vysoce rozpustné sloučeniny, které nenesou za fyziologického pH ţádný náboj a nejsou toxické při vysokých koncentracích. Zvyšují osmotický tlak v cytoplazmě a mnohdy také stabilizují bílkoviny a buněčné membrány. Patří mezi ně zejména kvartérní amonné sloučeniny – betainy (glycinbetain), sacharidy a cukerné alkoholy (trehalóza, mannitol, sorbitol) a aminokyseliny jako je prolin. Různé rostlinné druhy akumulují různé kompatibilní soluty, některé významné zemědělské plodiny (rýţe, brambory či sója) však tuto schopnost postrádají (McNeil et al., 1999). Velkou snahou genových inţenýrů je tedy připravit transgenní rostliny, u kterých by vnesení genu pro biosyntézu kompatibilních solutů pomohlo překonat osmotický stres způsobený vodním deficitem. Prvním předpokladem úspěchu je samozřejmě znalost příslušných biochemických drah. Například, biosyntéza glycinbetainu je studována především u rostlin třídy Chenopodiaceae (špenát, řepa), jenţ glycinbetain přirozeně akumulují. Glycinbetain je v tomto
případě
syntetizován
dvoustupňovou
oxidací
cholinu,
přes
meziprodukt
betainaldehyd, za katalýzy cholinmonooxygenázou (CMO) a betainaldehyddehydrogenázou (BADH). Oba tyto enzymy jsou indukovány osmotickým stresem (McNeil et al., 1999). Escherichia coli vyuţívá v prvním kroku syntézy, na rozdíl od rostlin, enzym cholindehydrogenázu (CDH). Arthrobacter globiformis vyuţívá jediný enzym cholinoxidázu (COD), který katalyzuje přímou přeměnu cholinu na glycinbetain (Sakamoto and Murata, 2000). Geny kódující tyto enzymy byly naklonovány a pouţity k transformaci Arabidopsis (huseníčku), tabáku či rýţe. Transgenní rostliny vykazovaly větší toleranci k vodnímu deficitu, glycinbetain ale akumulovaly v poměrně malém mnoţství, zvýšení tolerance tedy nelze připisovat jen osmotickému přizpůsobení. Hlavní role glycinbetainu však mohla být v jeho ochraně membrán a makromolekul před škodlivými účinky stresu (Sakamoto and Murata, 2000). Akumulace prolinu, jako reakce na vodní deficit, byla prokázána u transgenního tabáku, do něhoţ byl vloţen gen pro klíčový enzym pyrrolin-5-karboxylát syntetázu (P5CS) v biosyntéze prolinu. Výsledky ukázaly (Obr. 6), ţe akumulace prolinu v rostlinách zvyšuje produkci biomasy a usnadňuje vývoj květů za stresových podmínek (Kishor P.B.K. et al., 22
1995). Prolin se podílí při stresové ochraně nejen jako osmolyt, také odstraňuje volné radikály, stabilizuje proteiny a membrány či vyrovnává buněčný redox potenciál.
Obrázek 6: Srovnání fenotypu kontrolní a transgenní (P5CS) rostliny, pěstovaných pod osmotickým stresem. Zdroj: Kishor P.B.K. et al., 1995.
Základní adaptací rostlin na nedostatek vody na stanovišti je vytvoření efektivního kořenového systému a sníţení rychlosti transpirace (Pavlová, 2005). Při pěstování polních plodin je však omezení transpirace vesměs jevem neţádoucím, protoţe je téměř vţdy doprovázeno poklesem rychlosti růstu (Nátr, 2002). Další moţností je tedy vpravení genů, které prodluţují kořeny rostlin a umoţňují jim za sucha vstřebat více vody z hlubokých vrstev půdy. Například, transkripční faktor DREB1A umoţnil rostlinám podzemnice olejné zvýšit absorpci vody, jelikoţ u nich za podmínek vodního deficitu vyvolal zvýšení poměru mezi kořenovým systémem a prýtem. Transgenní rostliny podzemnice, jejichţ kořeny při vodním deficitu rostly i do hlubších vrstev půdy, vykazovaly oproti netransformovaným rostlinám vyšší absorpci vody aţ o 20-30 % (Vadez et al., 2007). Toto zjištění nebylo nijak zvlášť překvapující, neboť DREB1A se jeví jako hlavní „spínač“ pro kaskádu genů, které jsou aktivovány vodním deficitem. Jiţ dřívější experimenty objevily signální dráhu společnou pro stres dehydratací a chladem. – Geny reagující na tyto stresy obsahují ve svých promotorech specifickou sekvenci zvanou DRE (dehydration responsive element). Transkripční faktory DREB (DRE-binding factors) se váţí do této oblasti a tím indukují expresi těchto genů (Smirnoff and Bryant, 1999). 23
Nadměrná exprese genu DREB1A, jenţ byl pod kontrolou stresem indukovaného promotoru genu rd29A, měla za následek výrazně vyšší toleranci transgenních rostlin Arabidopsis vůči suchu, zasolení a mrazu (Kasuga et al., 1999). Studie na transgenních rostlinách, které nadměrně exprimují suchem indukované transkripční faktory DREB vedoucí ke zvýšené toleranci rostlin k dehydrataci a salinitě, jsou slibné a naznačují, ţe pouţití transkripčních faktorů spolu se stresem indukovanými promotory můţe být velmi efektivní způsob, jak vyvinout vůči stresu tolerantní rostliny, aniţ by byl negativně ovlivněn jejich výnos (Agarwal et al., 2006). Výraznější rozvoj kořenové soustavy (aţ o 60 %) byl shledán u transgenních rostlin Arabidopsis a tabáku, u nichţ docházelo v kořenech k vyšší degradaci hormonu cytokininu, negativního regulátoru růstu kořenů. V transgenních rostlinách bylo dosaţeno specificky v kořenech
zvýšené
exprese
genu
pro
enzym
degradující
cytokinin
cytokininoxidázu/dehydrogenázu (CKX). Tyto rostliny se vyznačovaly rozsáhlejším kořenovým systémem a díky tomu i zvýšenou odolností vůči suchu (Werner, 2010). Vědci z univerzity v Tel Avivu přišli s moţností, jak získat rostliny, jejichţ kořeny budou aktivněji hledat vodu v suchých či neefektivně zavlaţovaných oblastech - objevili gen, jenţ řídí hydrotropismus, tj. schopnost růst směrem k místu s vyšší vlhkostí. Geneticky modifikované rostliny, jejichţ kořenový systém bude mít vyšší schopnost vyhledat vlhkost, tak budou moct přeţít v prostředí s menším mnoţstvím vody (American Friends of Tel Aviv University, 2008; viz. http://www.aftau.org/site/News2?page=NewsArticle&id=7489). Do kukuřice byl vloţen gen CspB z půdní bakterie Bacillus subtilis, který udělil transgenním rostlinám odolnost vůči nedostatku vody. CspB kóduje tzv. RNA chaperony, běţně se vyskytující bílkoviny, které se váţí na molekuly RNA a zajišťují jejich správnou funkci. Tyto bílkoviny (CSPs neboli cold shock proteins) byly poprvé identifikovány u bakterií vystavených extrémnímu chladu, pomáhají však také rostlinám vyrovnat se s vodním stresem. Pokusy ukázaly, ţe transgenní kukuřice pěstovaná v suchých oblastech měla aţ o 15 % vyšší výnosy neţ běţná kukuřice (Castiglioni et al., 2008).
24
3.2 GM rostliny odolné vůči salinitě Salinita je označení pro vysokou koncentraci rozpustných solí v půdním roztoku, přičemţ koncentrace chloridu sodného (NaCl), nejrozšířenější a dobře rozpustné soli, by při salinitě měla přesahovat 40 mM. Obecně lze rostliny rozdělit do dvou skupin - na halofyty, jeţ jsou rezistentní k vysoké koncentraci iontů, a glykofyty, jeţ jsou citlivé na vysokou koncentraci iontů v půdním roztoku (Munns and Tester, 2008). Solný stres ovlivňuje celosvětovou produkci plodin. Vysoký obsah solí v půdním roztoku je příčinou nejen vodního deficitu vlivem horší dostupnosti vody pro rostlinu, ale také v cytosolu narušuje strukturu proteinů a metabolické procesy. „Obsah některých iontů ve zvýšené koncentraci může být specificky toxický, např. vysoká koncentrace Na+ může vytěsňovat Ca2+ z membrán a narušovat jejich funkci“ (Pavlová, 2005). Strategie akumulace kompatibilních solutů (viz. výše) můţe poskytnout ochranu proti osmotickým účinkům solného prostředí, ne však proti iontové toxicitě (Slater et al. 2005). Strategie genových inţenýrů, jak zmírnit toxický účinek Na+ iontů v cytosolu, mohou spočívat ve zlepšení transportu Na+ iontů z cytoplazmy do vakuol, popřípadě mezibuněčných prostor. Další moţností je translokace solí do určitých buněk či pletiv obecně tolerantnějších k vyššímu obsahu solí (např. do buněk kořene) a zabránění hromadění solí v méně tolerantních buňkách nadzemních částí rostliny (zejména v meristémech). V tonoplastu jsou lokalizovány transportní proteiny Na+/H+, tzv. NHX transportéry. Jelikoţ jsou ionty Na+
transportovány proti koncentračnímu gradientu, vyţaduje tento
transport energii. K transportu je vyuţívána energie v podobě protonmotorické síly vytvořené vakuolárními translokačními enzymy – H+ adenosintrifosfatázou (ATPázou) či
H+
pyrofosfatázou, přičemţ ionty Na+ jsou transportovány z cytosolu do vakuoly antiportem s H+. Podobné transportní proteiny, označované jako SOS1 (salt overly sensitive 1), které jsou regulovány signální dráhou zvanou SOS, nalezneme také v plazmatické membráně. Na+ ionty jsou však v tomto případě transportovány z cytosolu do apoplastu (Blumwald et al., 2000, Munns and Tester, 2008). Například, transgenní rostliny rajčete byly upraveny tak, aby nadměrně exprimovaly vakuolární transportní protein - do jejich genomu byl vloţen gen AtNHX1 z Arabidopsis. Transgenní rajčata pěstovaná v prostředí obsahující 200 mM NaCl byla schopná růst, kvést a produkovat plody. Přestoţe listy akumulovaly Na+ ionty ve vysokých koncentracích, plody vykazovaly jen nízký obsah Na+ iontů (Zhang and Blumwald, 2001). 25
Nedávný výzkum se zabýval tolerancí vůči salinitě u šesti různých transgenních rostlin Arabidopsis, které nadměrně exprimovaly AtNHX1, SOS3, AtNHX1 + SOS3, SOS1, SOS2 + SOS3 nebo SOS1 + SOS2 + SOS3. Zvýšená tolerance byla prokázána u transformantů, u kterých docházelo k nadměrné expresi genů SOS1 nebo SOS3 (Yang et al., 2009). Tento výzkum však nepotvrdil předchozí výsledky (Apse et al., 1999), kdy zvýšená exprese genu AtNHX1 umoţnila rostlinám Arabidopsis růst v prostředí s vysokou koncentrací NaCl. Opětovně se tak potvrzuje časté zjištění experimentátorů o komplexitě fyziologických funkcí rostlinného organizmu – a o tom, ţe kupř. změna endogenní hladiny nějaké „protekční látky“ (kupř. vázající xenobiotika typu těţkých kovů) ještě nemusí vést ke zvýšené rezistenci daného organizmu vůči přítomnosti takových látek. Rýţe, základní plodina poskytující obţivu lidem po celém světě, je často pěstována na půdách náchylných k zasolení. Podařilo se u ní, specificky v buňkách pokoţky a kůry kořene, zvýšit expresi genu AtHKT1;1 kódujícího membránové proteiny transportujícící Na+ ionty z transpiračního proudu do buněk. Pomocí genetické modifikace se Na+ ionty akumulovaly v kořeni, kde jsou pro rostliny méně škodlivé, čímţ se zabránilo transportu Na+ iontů do citlivějších nadzemních částí. Transgenní rostliny této rýţe jsou díky tomu tolerantnější vůči zasolení (Plett, 2010).
3.3 Transformace C3 rostlin na C4 rostliny Rostliny C4 mají obecně vyšší teplotní optima (25 aţ 40 °C) neţ rostliny C3 (15 aţ 25 °C) (Obr. 3). Se zvyšující se teplotou klesá poměr koncentrací CO2/O2 rozpuštěných ve vodě a rychlost čisté fotosyntézy u rostlin C3 tak klesá v důsledku zvýšené transpirace (viz. 1.3 Rostliny a CO2). Rostliny C4 se adaptovaly na suchá stanoviště s vysokou teplotou a vysokou ozářeností. Na suchých stanovištích efektivně fixují uhlík i za podmínek, kdy jim nedostatek vody nutí sníţit ztráty vody stomatární transpirací a přivřít průduchy, coţ zároveň znamená omezení přístupu CO2 do fotosyntetizujících struktur (Pavlová, 2005). Rostliny C4 mají oproti C3 rostlinám v horkém a suchém prostředí vyšší výnosy, niţší ztráty vody (vyšší účinnost vyuţití vody) a vyšší účinnost vyuţití dusíku (Sage, 2004). Genetická manipulace, která by zajistila vyšší výnos za sušších a teplejších podmínek, by tedy mohla spočívat v úpravě původně C3 rostliny na C4. Přitom geny kódující enzymy zapojené do biochemických drah C4 cyklu jsou přítomné i v C3 rostlinách, ale míra jejich exprese je mnohem niţší neţ v C4 rostlinách (Hibberd et al., 2008). Bylo provedeno několik 26
pokusů, které spočívaly v zavedení genů pro enzymy z C4 metabolismu kukuřice či čiroku do C3 rostlin jako je rýţe, zatím však bez většího úspěchu (Taniguchi et al., 2008). Nicméně je velkou snahou vědců vytvořit transformovanou rýţi, která by měla pozměněnou listovou anatomii a produkovala by enzymy pro C4 metabolismus, čímţ by mohla být navozena cesta pro C4 fotosyntézu (Kajala et al., 2011). Vytvoření C4 rýţe by významně pomohlo zvýšit její výnosy, které by do budoucnosti zajistily značnou část výţivy pro rostoucí populaci.
4. Potenciální rizika GM rostlin Veřejnost nezná mnoho (pravdivých) faktů souvisejících s genetickými modifikacemi. Řada lidí se o toto téma ani nezajímá, jelikoţ pro ně není dostatečně atraktivní a ani jednoduché. Navíc, pokud uţ je o genetických modifikacích slyšet, tak často z řad odpůrců, kteří mohou podávat zkreslené a neúplné informace. Proto je třeba, aby se k veřejnosti dostalo přístupnou formou více pravdivých informací, které by genetické modifikace osvětlily. Někteří lidé odmítají obecně genetické modifikace z čistě principiálního důvodu, jelikoţ se jedná o umělý zásah do přírody. Někteří lidé však odmítají potraviny z GM rostlin z důvodu obavy z moţných toxických či alergenních účinků „transgenů“ a negativního dopadu na jejich zdraví. Jejich obavy jsou pochopitelné (člověk můţe být alergický teoreticky na všechno), nikoliv však opodstatněné. „Velmi významné je to, že dosud nebyl vědecky prokázán ani jediný případ nepříznivého vlivu tržně uvolněné GM plodiny na zdraví člověka čí zvířat, přestože odpůrci genetických modifikací neustále předkládají nové důkazy o jejich zdravotních rizicích a nežádoucích účincích“ (Rakouský, 2008). Produkty zavedených genů jsou snadno identifikovatelné a výsledek transgenoze dobře charakterizovatelný, coţ však nelze říct o klasickém šlechtění včetně vyvolané mutageneze. Transgenní plodiny jsou navíc velmi podrobně testovány. V důsledku toho jsou potraviny z GM rostlin ještě bezpečnější neţ potraviny z rostlin netransgenních (Halford and Shewry, 2000). Pro pěstitele mají při pěstování transgenních rostlin ve volném prostředí význam zejména rizika vznikající v důsledku toku genů mezi příbuznými rostlinami. Můţe však k takovému samovolnému horizontálnímu přenosu „transgenů“ vůbec dojít? A pokud ano, jaká skutečná, biologicky závaţná rizika můţe takový přenos zavinit?
27
K cizosprášení, hybridizaci a tedy i k toku genů můţe docházet jak v rámci jedné plodiny, tak mezi různými plodinami, či mezi plodinou a příbuznými planými nebo plevelnými druhy. Nutno však dodat, ţe kulturní formy rostlin mají vlivem domestikace často omezenou moţnost kříţení i s relativně blízce příbuznými rostlinami (Soukup a Holec, 2007). Riziko vstupu samotných transgenních plodin do přirozených ekosystémů je relativně nízké, neboť ani doposud většina kulturních rostlin není schopna mimo prostředí agroekosystémů existovat, coţ platí obdobně i pro transgenní plodiny (Soukup a Holec, 2007). „Rizika možností úniku nežádoucích genů respektive GMO je pochopitelně nutné brát v úvahu a pečlivě je posuzovat z mnoha hledisek. Rizika se mění v závislosti na použité GMP, přenášeném genu, způsobu jeho začlenění do modifikovaného organismu a na skladbě rostlinných druhů v okolí pole s vysetou GMP. Je proto nutné posuzovat jednotlivé případy individuálně“ (Vondrejs, 2010). Velkou pozornost upoutaly geny pro Bt-toxiny (specifické insekticidy) v souvislosti s potenciálním vznikem rezistentních škůdců. Vzhledem k dostatečné produkci specifického toxinu transgenní Bt-rostlinou bývá však ochranný účinek prakticky stoprocentní a vznik rezistentního hmyzu je tedy mnohem vzácnější neţ u klasicky aplikovaných insekticidů (Vondrejs, 2010). Laik by si také měl uvědomit, ţe pokud k němu vůbec dochází, pak vzniklí jedinci jsou opět pouze a jedině odolní k příslušnému specifickému Bt pesticidu. A představují tedy pouze komerční riziko pro farmáře, kteří buď vyuţívají Bt insekticidy jako ekologicky doporučovaný „biopesticid“ nebo pro velkopěstitele transgenních Bt plodin (zvláště bavlny). Navíc jsou prováděna opatření, díky kterým by se případný rezistentní mutant nemohl dále rozmnoţit. V řadě zemí je kupř. uzákoněna povinnost systému tzv. refugií pro vývoj „normálních“ škůdců, kteří se pak kříţí s potenciálními rezistenty. Vzniklé potomstvo tak Bt odolnost opět ztrácí (Drobník, 2008). Co je významné: „Ve srovnání s aplikací pesticidů je tento způsob boje proti škůdcům nesporně mnohem ohleduplnější k životnímu prostředí“ (Vondrejs, 2010). Mnohaleté pokusy potvrdily, ţe vliv Bt-toxinů na drobné obratlovce a nespecifický úhyn hmyzu je zanedbatelný (Marvier et al., 2007). Častým tématem ekologických diskuzí jsou také plodiny tolerantní vůči herbicidům (Ht-plodiny). I s nimi je spojeno riziko moţného vzniku rezistentních plevelů při pouţívání stále stejných herbicidů, a to buď v důsledku přírodní selekce spontánně vznikajících mutantů nebo jako odraz horizontálních přenosu příslušných genů z transgenní plodiny do příbuzných plevelů. Rezistence vůči herbicidům však vzniká všude, kde se herbicidy dlouhodobě pouţívají (Jursík et al., 2011), není tedy pro transgenní rostliny nijak specifická. Nicméně, 28
nemělo by se nic podceňovat, a měly by se herbicidy a plodiny na polích střídat. „I plevele s takto přenesenou rezistencí lze ovšem hubit herbicidy s jinou účinnou látkou“ (Doubková, 2003). A sama moţnost vzniku nějakých „superplevelů“ odolných vůči jakémukoliv herbicidu je prostě biologický nesmysl. Transgenose bývá svými odpůrci, zejména v rámci Evropské unie, často prohlašována za jedinou rizikovou metodu šlechtění. Velkou pozornost naopak nevyvolávají rostliny, jejichţ genom je pozměněn například ozářením – tzv. radiační mutanty, jeţ jsou přitom daleko rizikovější. Tyto rostliny nepodléhají tak přísným kontrolám jako plodiny získané genetickou modifikací, nevyvolávají obavy z alergenních účinků či z moţného šíření neznámých genů v ţivotním prostředí. „Poškozením při umělé mutagenezí se náhodně mění více genů, ale o jejich počtu a charakteru změn nemáme informace, protože se testují jen vybrané změny významné pro užitek a pro popis odrůdy“ (Drobník, 2008). Takto vznikly například bezjaderné grapefruity, tvrdá pšenice či rýţe tolerantní k vyššímu obsahu solí v půdě. V celé debatě o rizicích komerčního vyuţití transgenních (GM) rostlin by nadto neměl být přehlédnut další významný pohled: zváţení rizik, jimţ se lidstvo vystavuje v důsledku včasného nepřijetí této moderní šlechtitelsko-pěstitelské technologie. Rizik hospodářských, ekologických či sociologických, zbytečně narůstající chudoby a hladu, kontaminace vod i půdy zbytečnými tunami klasických pesticidů, šíření chorob rostlinných i lidských. Myslím, ţe ţáci či studenti by si měli být vědomi nutnosti takového nezaujatého, srovnávacího hodnocení „přínosů a rizik GM technologií“. A vědomě konfrontovat vědecké poznatky s povrchní ideologií jakéhokoliv typu.
5. GM rostliny a globální oteplování ve výuce na gymnáziích 5.1 Analýza problematiky v kurikulárních dokumentech V Rámcovém vzdělávacím programu pro gymnázia (RVP G) není o GM rostlinách ani obecně o genetických modifikacích ţádná zmínka, rovněţ zde nenajdeme přímo pojem globální oteplování či globální změny klimatu (pouze globální environmentální problémy). Problematika GM rostlin či globálních změn klimatu by však mohla být probírána v rámci vzdělávacích oblastí Člověk a příroda, Člověk a zdraví, popřípadě Člověk a společnost. Největší prostor této problematice dává vzdělávací oblast ČLOVĚK A 29
PŘÍRODA, jejíţ součástí je vzdělávací obor Biologie. V oboru Biologie by GM rostliny či globální změny klimatu mohly být obsaţeny v rámci následujícího učiva: „Obecná biologie“ (rostlinná buňka a DNA, plazmidy…); „Biologie virů“ (význam virů jako vektorů…); „Biologie bakterií“ (úloha plazmidů, Agrobacterium…); „Biologie rostlin“ (příprava GM rostlin a jejich vyuţití, vliv klimatických změn na růst a vývoj rostlin…); „Genetika“ (metody genového inţenýrství, příprava a význam GM rostlin…) či „Ekologie“ (GM rostliny a ţivotní prostředí, příčiny vzniku globálních změn a jejich moţné důsledky…). Globální změny klimatu a jejich následky (sucho, hladomor) by mohly být rozebírány také v rámci oboru Geografie. Ve vzdělávací oblasti ČLOVĚK A ZDRAVÍ být mohl být diskutován vliv GM rostlin na lidské zdraví, v oblasti ČLOVĚK A SPOLEČNOST by mohly být rozebírány společenské postoje vůči GM plodinám a jejich moţný přínos pro řešení globálních problémů lidstva. Jak je z výše uvedeného textu patrné, problematika GM rostlin i globálních změn klimatu má značně interdisciplinární charakter. Navíc se jedná o velmi aktuální témata. Bylo by tedy moţné je také zařadit do průřezových témat, jako je Výchova k myšlení v evropských a globálních souvislostech, Environmentální výchova a Mediální výchova. Pomocí průřezových témat by mohly být obě tyto problematiky navíc vhodně propojeny. 5.2 Analýza problematiky v učebnicích biologie doporučených pro gymnázia Analýze jsem podrobila 12 učebnic biologie doporučených pro výuku na gymnáziích, které by dle mého domnění mohly obsahovat problematiku GM rostlin a globálního oteplování (a s ním souvisejícího růstu koncentrace CO2). Kromě obecného tématu GM rostlin jsem se zaměřila na informace týkající se GM rostlin v kontextu s jejich moţným vyuţitím pro řešení problémů globálně oteplované planety, jakoţto vytvoření odolných odrůd vůči abiotickým faktorům jako je nedostatek vláhy, zvýšená teplota či zasolení půdy, ţádná učebnice (kromě Genetika, Šmarda J., 2003) však tyto informace přímo neobsahovala. Botanika, Kubát K. a kol., 1998; Biologie rostlin, Kincl L. a kol., 2003 : Není zde ţádná zmínka o GM rostlinách ani o globální změně klimatu. Kincl v kapitole 6.1 „Fotosyntéza“ zmiňuje skleníkový efekt. Biologie pro gymnázia, Jelínek J. a Zicháček V., 2007: V části „Genetika prokaryotické buňky“ jsou zmíněny plazmidy, jeţ jsou vyuţívány genovým inţenýrstvím. Část „Genové inţenýrství“ popisuje princip a základní postupy genového inţenýrství. 30
V obrazové příloze „Od Linného ke genovému inţenýrství“ nalezneme část „Transgenoze rostlin“, jeţ celkem výstiţně popisuje přípravu transgenních rostlin včetně obrazového doprovodu. V části „Člověk a prostředí“ je zmíněno zvýšení obsahu CO2 v atmosféře, coţ se můţe projevit oteplením světového klimatu. Základy ekologie, Kvasničková D., 2004: V části „Ţivotní prostředí člověka“ se nachází kapitola „Ohroţování základních sloţek biosféry“ poukazující na zvyšování účinku skleníkového efektu a ovlivňování zemského podnebí. Klimatické změny jsou zmíněny také v kapitole „Rozsah ekologických problémů“. V části „Péče o ţivotní prostředí jako základní předpoklad udrţitelného rozvoje“ v kapitole „Ekologické přístupy k hospodaření v krajině“ je uvedeno, ţe aktuálním problémem pro hospodaření v krajině je vyuţívání geneticky modifikovaných organismů v zemědělství. Základy ekologie a ochrany životního prostředí, Braniš M., 2004: V kapitole 1.2.4 „Přírodní výběr, domestikace a genetické inţenýrství“ je krátce zmíněno genetické inţenýrství jakoţto cílená manipulace s genetickým materiálem. Kapitola 1.4.3 „Koloběh látek v přírodě“ upozorňuje na narušení koloběhu uhlíku díky spalování fosilních paliv či odlesňování. Kapitola 2.5.4 „Změny klimatu a poškozování ozonové vrstvy způsobené činností člověka“ popisuje zesílení skleníkového jevu a následky globálního oteplování. Ekologie pro gymnázia, Šlégl a kol., 2002: V kapitole 2.1.2.1 „Abiotické faktory“ a 3.3.1.1. „Hlavní znečišťující faktory“ je poukázáno na zvyšující se obsah CO2 v atmosféře, jenţ skleníkovým efektem zapříčiňuje oteplování planety. GM rostliny zde zmíněny nejsou. Obecná biologie, Kubišta V., 2000: V kapitole 1.1 „Člověk a ţivý svět“ je zmíněno moţné oteplení Země díky skleníkovému efektu. V kapitole 1.4 „Význam biologie pro lidskou společnost“ je v podkapitole „Biologie a výţiva lidstva“ zmínka o získání odolnějších a produktivnějších odrůd genovou manipulací. Biologie buněk, Závodská R., 2006: Kapitola 10 „Bakterie: Velký svět nejmenších buněk (nepřátelé i pomocníci člověka)“ obsahuje zmínku o plazminech a jejich vyuţití v genovém inţenýrství. Bakteriologie a virologie, Rosypal S., 1994: V kapitole „Vyuţití bakterií v průmyslu“ jsou zmíněny plazmidy a pojem genové inţenýrství. Genetika, Šmarda J., 2003: Část učebnice „Molekulární genetika“ obsahuje kapitolu 3.4 „Rekombinace DNA“, která podává základní informace o metodách genového inţenýrství a transgenních rostlinách. Diskutována je i zbytečná obava některých evropských zemí z moţných ekologicky neţádoucích efektů či důsledků pro lidské zdraví. Je zde zmínka o snaze genového inţenýrství zvýšit do budoucna fotosyntetickou aktivitu u rostlin. 31
Genetika, Nečásek J., 1993: Obsahuje kapitolu 10 „Genové inţenýrství“, která pojednává o jeho základních postupech (tvorbě rekombinantní DNA) a úloze plazmidů. V závěru kapitoly je podotknuto, ţe zvýšení fotosyntetické aktivity u rostlin je významným cílem genového inţenýrství. Dále jsou GM rostliny zmíněny v kapitole 13 „Šlechtění rostlin“. Genetika, Kočárek E., 2008: Geneticky modifikované plodiny jsou zmíněny v kapitole 14 „Člověk mění rostliny a ţivočichy ke svému uţitku (šlechtitelství rostlin a ţivočichů)“. O vyuţití virů jako vektorů v genovém inţenýrství pojednává kapitola 22 „Čím viry obohatily genetiku? (základy molekulární virologie a genového inţenýrství)“. Kapitola 23 „Genetika na rozcestí (klonování, transgenoze, etické aspekty moderní genetiky)“ poukazuje na polemiky o potencionálním riziku genetických modifikací, popisuje základní postupy genového inţenýrství a vyuţití transgenních organismů. Jsou zde zmíněny cíle genových manipulací rostlin (zvýšení výnosů, odolnosti a kvality zemědělských plodin) a význam GM rostlin, které jsou odolné mj. vůči suchu či zasolení půdy. 5.3 Důvody zařazení témat GM rostlin a globálního oteplování do výuky biologie Genetické modifikace a GM rostliny jsou v současnosti velmi diskutovaná témata, která jsou však opředena různými desinterpretacemi a mylnými fakty. Aktuální gymnaziální učebnice pojednávají o této problematice mnohdy jen okrajově. Do budoucna přitom GM rostliny slibují nemalý přínos, a tak mohou chtě nechtě ovlivnit ţivot nás všech. Ţáci by proto měli být dostatečně seznámeni s principem genetických modifikací, s moţným vyuţitím GM rostlin ale i jejich potenciálními riziky. Získání základních informací o GM rostlinách a pochopení principu genetických modifikací by jim pomohlo rozlišovat pravdivé skutečnosti od lţí a polopravd a utvořit si vlastní názor o GM rostlinách. V poslední době je také často slýcháno o tom, ţe dochází ke globálnímu oteplování či globálním změnám klimatu, coţ by mohlo pochopitelně poznamenat ţivot lidí na celém světě. Ţáci by proto měli být upozorněni na moţné příčiny a důsledky těchto změn a měli by být schopni je sami domýšlet. Na základě toho by mohli vyvozovat moţná řešení, jeţ by zmírnila dopady těchto změn na ţivotní prostředí a ţivot lidí (zvýšené riziko hladomoru). Moţná řešení by mohla spočívat mj. právě i v GM rostlinách… Proto by uvedeným tématům měla být věnována větší pozornost nejen v současně platných učebnicích biologie rostlin, ale i přímo ve vzdělávacím obsahu a očekávaných výstupech vzdělávacího oboru biologie v RVP G. Aktuálnost a potřebnost řešení této
32
problematiky mě vedla nejen k výběru tématu bakalářské práce, ale chtěla bych ji pro potřeby středoškolské výuky hlouběji rozpracovat i v navazující diplomové práci.
ZÁVĚR Genetické modifikace i globální oteplování mají své zastánce i odpůrce, ať jiţ mezi odborníky či laickou veřejností. Globální změny klimatu a zvyšování průměrné globální teploty Země jsou však v dnešní době dostatečně prokázány. Tyto změny se budou pochopitelně odráţet i na ţivobytí samotných lidí. – Zemědělství bude muset čelit stále zhoršujícím se podmínkám pro růst a vývoj plodin, coţ se s velkou pravděpodobností odrazí v niţší produkci potravin. Proto je potřeba co nejrychleji zareagovat a tyto problémy patřičně řešit. Genové inţenýrství nabízí získat rostliny, jeţ by byly nejen odolnější vůči negativním vlivům prostředí, ale oproti konvenčnímu zemědělství i mnohem šetrnější k ţivotnímu prostředí, které je jiţ nyní kvůli nepřiměřeným zásahům lidstva značně narušeno. Získání tolerantních rostlin vůči abiotickému stresu je problematika značně široká, avšak jiţ na pár zmiňovaných příkladech je patrný nemalý přínos genetických modifikací. GM rostliny jsou však leckdy bez racionálních důvodů odmítány a tím je zbytečně zpomaleno jejich pouţití a ohroţeno řešení přicházejících problémů, které nás tak mohou lehce předehnat. Jelikoţ se jedná o velmi aktuální a závaţná témata, která nás budou jistě provázet i do budoucnosti, měla by s nimi být veřejnost a především mladá generace dostatečně seznámena. K tomu by mohla nápomoci i tato bakalářská práce.
33
PŘEHLED POUŽITÉ LITERATURY: Agarwal P. K., Agarwal P., Reddy M. K.,Sopory S. K. (2006): Role of DREB transcription factors in abiotic and biotic stress tolerance in plants. Plant Cell Reports 25, 1263-1274. Alberts B., Bray D., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts K., Walter P. (2. vydání 1998): Základy buněčné biologie. Úvod do molekulární biologie buňky. Ústí nad Labem: Espero Publishing. ISBN 80-902906-2-0. Apse M. P., Aharon G. S., Snedden W. S., Blumwald E. (1999): Salt Tolerance Conferred by Overexpression of a Vacuolar Na+/H+ Antiport in Arabidopsis. Science 285: 1256-1258. Blumwald E., Aharon G. S., Apse M. P. (2000): Sodium transport in plant cells. Biochimica et Biophysica Acta 1465: 140-151. Braniš M. (3. vydání 2004): Základy ekologie a ochrany životního prostředí. Praha: Informatorium. ISBN 80-7333-024-5. Castiglioni P., Warner D., Bensen R. J., Anstrom D. C., Harrison J., Stoecker M., Abad M., Kumar G., Salvador S., D’Ordine R., Navarro S., Back S., Fernandes M., Targolli J., Dasgupta S., Bonin C., Luethy M. H., Heard J. E. (2008): Bacterial RNA Chaperones Confer Abiotic Stress Tolerance in Plants and Improved Grain Yield in Maize under Water-Limited Conditions. Plant Physiology 147: 446-455. Chawla H. S. (2009): Introduction to Plant Biotechnology. Enfield: Science Publishers. ISBN 978-1-57808-636-8. Doubková Z. (Ed.) (2003): Geneticky modifikované organismy. Otázky spojené s jejich vznikem a využíváním. Praha: Ministerstvo ţivotního prostředí. ISBN 80-7212-259-2. Drobník J. (2008): Biotechnologie a společnost. Praha: Karolinum. ISBN 978-80-246-1484-7. Evans A. (2009): The Feeding of the Nine Billion: Global Food Security for the 21st Century. London: Chatham House. ISBN 978-1-86203-212-5. Gelvin S. B. (2003): Agrobacterium-Mediated Plant Transformation: the Biology behind the “Gene-Jockeing” Tool. Microbiology and Molecular Biology Rewies 67: 16-37. Halford N. G. Shewry P. R. (2000): Genetically modified crops: methodology, benefits, regulation and public concerns. British Medical Bulletin 56 (1): 62-73. Halford N. G. (2006): Plant Biotechnology - Current and Future Applications of Genetically Modified Crops. Chichester: John Wiley & Sons Ltd. ISBN-10 0-470-02181-0. Hibberd J. M., Sheehy J. E., Langdale J. A (2008): Using C4 photosynthesisto increase the yield of rice – rationale and feasibility. Current Opinion in Plant Biology 11: 228-231.
34
Houghton J. (1995): Global Warming: The Complete Briefing. Oxford: Lion Publishing. (český překlad K. a J. Jeníkovi (1998): Globální oteplování. Praha: Academia. ISBN: 80-2000636-2. IPCC (2007a): Climate Change 2007 (Fourth Assessment Report): The Physical Science Basic. Summary for Polycimakers. IPCC (2007b): Climate Change 2007(Fourth Assessment Report): Impacts, Adaptions and Vulnerability. Summary for Polycimakers. Jansson C., Wullschleger S. D., Kallury U. C., Tuskan G. A. (2010): Phytosequestration: Carbon Biosequestration by Plants and the Prospects of Genetic Engineering. BioScience 60 (9): 685-696. Jelínek J., Zicháček V. (9. vydání 2007): Biologie pro gymnázia. Olomouc: Nakladatelství Olomouc. ISBN 978-80-7182-213-4. Jursík M., Hamouzová K., Soukup J., Holec J. (2011): Rezistence plevelů vůči herbicidům a problémy s rezistentními populacemi v ČR. Listy cukrovarnické a řepařské 127 (4): 123-129. Kajala K., Covshoff S., Karki S., Woodfield H., Toley B. J., Dionora M. J. A., Mogul R. T., Mabilangan A. E., Danila F. R. Hibberd J. M., Quick W. P. (2011): Strategies of engineering a two-celled C4 photosynthetic pathway into rice. Journal of Experimental Botany 62 (9): 3001–3010. Kasuga M., Liu Q., Miura S., Yamaguchi-Shinozaki K., Shinozaki K. (1999): Improving plant drought, salt and freezing tolerance by gene transfer of a single stress-inducible transcription factor. Nature Bitechnology 17, 287-291. Kincl L., Kincl M., Jakrlová J. (3. vydání 2003): Biologie rostlin. Praha: Fortuna. ISBN 807168-736-7. Kishor P. B. K., Hong Z., Miao G.-H., Hu C.-A. A., Verma D. P. S. (1995): Overexpression of Δ-pyrroline-5-Carboxylate
Synthetase
Increases
Proline
Production
and
Confers
Osmotolerance in Transgenic Plants. Plant Physiol 108: 1387-1394. Kočárek E. (2. vydání 2008): Genetika. Praha: Scientia. ISBN 978-80-86960-36-4. Kubát K., Kalina T., Kováč J., Kubátová D., Prach K., Urban Z. (1. vydání 1998): Botanika. Praha: Scientia. ISBN 80-7183-053-4. Kubišta V. (3. vydání 2000): Obecná biologie. Praha: Fortuna. ISBN 80-7168-714-6. Kvasničková D. (3. vydání 2004): Základy ekologie. Praha: Fortuna. ISBN 80-7168-902-5. Marvier M., McCreedy C., Regetz J., Kareiva P. (2007): A Meta-Analysis of Effects of Bt Cotton and Maize on Nontarget Invertebrates. Science 316: 1475-1477. McNeil S. D., Nuccio M. L., Hanson A. D. (1999): Betaines and Related Osmoprotectants. Targets for Metabolic Engineering of Stress Resistance. Plant Physiology 120: 945-949.
35
Metelka L. a Tolasz R. (2009): Klimatické změny: Fakta bez mýtů. Praha: UK v Praze, Centrum pro otázky ţivotního prostředí. ISBN 978-80-87076-13-2 Millenium ecosystem assessment (2005): Ekosystémy a lidský blahobyt, Syntéza. Praha: Centrum pro otázky ţivotního prostředí. ISBN 80-239-6300-7. Munns R., Tester M. (2008): Mechanisms of salinity tolerance. Annual Review of Plant Biology 59: 651-681. Nátr, L. (2000): Koncentrace CO2 a rostliny. Praha: ISV. ISBN 80-85866-62-5. Nátr, L. (2002): Fotosyntetická produkce a výživa lidstva. Praha: ISV. ISBN 80-85866-92-7. Nátr, L. (2006a): Země jako skleník: Proč se bát CO2?. Praha: Academia. ISBN 80-200-13628. Nátr, L. (2006b): Rozvoj trvale neudržitelný. Praha: Karolinum. ISBN 80-246-0987-8. Nečásek J. (1. vydání 1993): Genetika. Praha: Scientia. ISBN 80-85827-04-2. Plett D., Safwat G., Gilliham M., Møller I. S., Roy S., Shirley N., Jacobs A., Johnson A., Tester M. (2010): Improved Salinity Tolerance of Rice Through Cell Type-Specific Expression of AtHKT1;1. PloS ONE 5 (9): e12571. Rakouský S. (2008): Bezpečnost a zdravotní rizika geneticky modifikovaných plodin, potravin a krmiv z nich vyrobených. In Genetické modifikace – možnosti jejich využití a rizika, pp. 1823. Ministerstvo ţivotního prostředí České republiky. Rizhsky L., Liang H., Shuman J., Shulaev V., Davletova S., Mittler R. (2004): When Defense Pathways Collide. The response of Arabidopsis to a Combination of Drought and Heat Stress. Plant Physiology 134: 1683-1996. Rosypal S. (1. vydání 1994): Bakteriologie a virologie. Praha: Scientia. ISBN 80-85827-16-6. Sage R. F. (2004): The evolution of C4 photosynthesis. New Phytologist 161: 341-370. Sakamoto A., Murata N. (2000): Genetic engineering of glycinebetaine synthesis in plants: current status and implications for enhancement of stress tolerance. Journal of Experimental Botany 51 (342): 81-88. Slater A., Scott N., Fowler M. (3rd ed. 2005): Plant Biotechnology – The genetic manipulation of plants. Oxford: Oxford University Press. ISBN-13 978-0-19-925468-2. Smirnoff N. and Bryant J. A. (1999): DREB takes the stress out of growing up. Nature Biotechnology 17, 229-230. Soukup J., Holec J. (2007): Agroekologické aspekty pěstování transgenních plodin. In Geneticky modifikované organismy v agroekosystému a jeho okolí, pp. 3-14. Ministerstvo zemědělství ČR a ČZU v Praze. Šlégl J., Kislinger F., Laníková J. (1. vydání 2002): Ekologie a ochrana životního prostředí. Praha: Fortuna. ISBN 80-7168-828-2. Šmarda J. (1. vydání 2003): Genetika. Praha: Fortuna. ISBN 80-7168-851-7.
36
Taniguchi Y, Ohkawa H., Masumoto C., Fakuda T., Tamai T., Lee K., Sudoh S., Tsuchida H., Sasaki H., Fukayama H., Miyao M. (2008): Overproduction of C4 photosynthetic enzymes in transgenic rice plants: an approach to introduce the C4-like photosynthetic pathway into rice. Journal of Experimental Botany 59 (7): 1799–1809. Vadez V., Rao S., Sharma K. K., Bhatnagar-Mathur P., Devi M. J. (2007): DREB1A allows for more water uptake in groundnut by a large modification in the root/shoot ratio under water deficit. Journal of SAT Agricultural Research 5 (1). Vejl P. (2007): Geneticky modifikovaný organismus z pohledu genetiky a šlechtění. In Geneticky modifikované organismy v agroekosystému a jeho okolí, pp. 3-14. Ministerstvo zemědělství ČR a ČZU v Praze. Veluthambi K., Gupta A. K., Sharma A. (2003): The current status of plant transformation technologies. Current Science 84 (3), 368-380. Vondrejs V. (2010): Otazníky kolem genového inženýrství. Praha: Academia. ISBN 978-80200-1892-2. Werner T., Nehnevajova E., Köllmer I., Novák O., Strnad M., Krämer U., Schmülling T. (2010): Root-Specific Reduction of Cytokinin Causes Enhanced Root Growth, Drought Tolerance, and Leaf Mineral Enrichment in Arabidopsis and Tobacco. The Plant Cell 22: 3905-3920. Yang Q., Chen Z.-Z., Zhou X.-F., Yin H.-B., Li X., Xin X.-F., Hong X.-H., Zhu J.-K., Gong Z. (2009): Overexpression of SOS (Salt Overly Sensitive) Genes Increases Salt Tolerance in Transgenic Arabidopsis. Molecular Plant 2 (1): 22-31. Závodská R. (1. vydání 2006) Biologie buněk. Praha: Scientia. ISBN 80-86960-15-3. Zhang H.-X., Blumwald E. (2001): Transgenic salt-tolerant tomato plants accumulate salt in foliage but not in fruit. Nature Biotechnology 19: 765-768. Zhang X., Henriques R., Lin S.-S., Niu Q.-W., Chua N.-H. (2006): Agrobacterium-mediated transformation of Arabidopsis thaliana using the floral dip method. Nature Protocols 1: 641646
Internetové zdroje: American Friends of Tel Aviv University (2008): TAU Researchers Root Out New and Efficient
Crop
Plants.
Dostupné
z URL:
[http://www.aftau.org/site/News2?page=NewsArticle&id=7489] [cit. 28. 7. 2010] Informační
centrum
OSN
v Praze.
Situace
v Africkém
rohu.
Dostupné
[http://www.osn.cz/zpravodajstvi/zpravy/zprava.php?id=1706] [cit. 11. 8. 2010]
37
z URL:
Rámcový vzdělávací program pro gymnázia (2007). Praha: Výzkumný ústav pedagogický v Praze. ISBN 978-80-87000-11-3. Dostupné z URL: [http://rvp.cz/informace/dokumentyrvp/rvp-g] [cit. 2011-06-28] Zákon č. 78/2004 Sb. o nakládání s GMO a genetickými produkty, ve znění pozdějších předpisů.
Ministerstvo
ţivotního
prostředí.
[http://www.mzp.cz/cz/legislativa_a_formulare] [cit. 12. 7. 2010]
38
Dostupné
z
URL:
