Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a učitelství biologie
CZ.1.07/2.2.00/15.0316
letní semestr 2011/2012
Molekulární markery ve šlechtění rostlin BOT/MMSR Univerzita Palackého v Olomouci Přírodovědecká fakulta Katedra botaniky Přednáška 1. března 2012
Rostlinná rozmanitost a šlechtění rostlin
Eva Křístková Univerzita Palackého v Olomouci Přírodovědecká fakulta Katedra botaniky
[email protected]
Vývoj šlechtitelských metod:
počátky vzniku užitkových rostlin – neuvědomělý výběr primitivní empirický výběr bez vědeckých základů 2. pol. 18. stol. – průmyslová a vědecká revoluce: šlechtění hosp. zvířat (B. Bakewell, 1725 – 1795) hybridizace rostlin (T.A. Knight, 1759 – 1838) individuální výběr (L.L. de Vilmorin, 1810 – 1900) J.G. Mendel (1822 – 1884) 20. stol. - rozvoj šlechtitelských metod: základní metoda: křížení a výběr (morfologické, výnosové znaky) zkoušení rozvoj biotechnologií: vzdálená hybridizace (interspecifická, intergenerická) metody překonání nekřižitelnosti: metoda mostu kultivace embryí in-vitro somatická hybridizace (= fůze protoplastů) mutační šlechtění polyploidozace genové manipulace - (GMO) „transgenní rostliny“
Šlechtění rostlin – proces vedoucí k vzniku nových forem pěstovaných rostlin ale také ke zúžení jejich genetického základu:
tvůrčí proces směřující k zlepšování genetického základu rostlin tak, aby se zvýšila jejich hospodářská hodnota
Odrůda: skupina organismů, které v rámci určitého rostlinného druhu tvoří vyhraněnou skupinu v mezích dané biologické proměnlivosti
Odrůda (mezinárodní definice): záměrně pěstovaný porost vyznačující a odlišující se od jiné odrůdy závažnými morfologickými, fyziologickými, cytologickými, chemickými, hospodářskými nebo jinými znaky a vlastnostmi, které jsou pro něj typické a které se při (pohlavním) rozmnožování zachovávají. DUS – distinctness – uniformity - stability
Důsledek šlechtitelského procesu – genetický základ šlechtění se zužuje – „efekt nálevky“ krajové formy (landraces) + exotické genotypy
1850 – 1920 zemědělské velkovýrobní technologie – požadavky na vlastnosti odrůd 1920 – 1980
úspěšná šlechtění a dobře adaptované hlavní odrůdy
1980 – 1990
DNA fragmenty
2000 ?
jednotlivé geny růst produktivity odrůd
Důsledky zužování genetického základu pěstovaných rostlinných odrůd (druhů):
snížení plasticity odrůd (vhodnost pouze pro specifické podmínky) zranitelnost (nestabilita) – choroby a škůdci (např. Irsko 1846 - 1851 úrody brambor zničeny plísní – hladomor; zemřelo přes milion lidí a ještě více jich emigrovalo do Spojených států; počet obyvatel Irska tak klesl na polovinu) - abiotické vlivy (např. Česká republika zima 2002 – 2003 vymrzání ozimů - zejména zahraničních nevhodně zvolených odrůd pšenice, řepky)
Výchozí materiál pro šlechtění a tvorba genetické variability 1.
2.
adaptované odrůdy – odrůdy přizpůsobené pěstitelským podmínkám dané oblasti (cílem je obvykle další zvýšení výnosu) exotický, neadaptovaný materiál, včetně planě rostoucích příbuzných druhů – zdroj rezistence k abiotickým nebo biotickým faktorům
V posledních 30 letech – růst zájmu o planě rostoucí druhy v řadě šlechtitelských firem I tzv. plevelné druhy se stávají strategicky významnými genový pool
Křížení
tvorba komplexní populace: konvergentním křížením: (AxB) x (CxD) x (E x F) dialelním křížením: A x B, A x C, A x D, B x C, B x D, C x D reciproké křížení: výměna role – otcovské a mateřské komponenty neúplé dialelí křížení: v prvním cyklu – úplné dialelní křížení, ve druhém cyklu – křížení jen některých kříženců navzájem; osivo se pak sklízí dohromady a použije se jako heterogenní a heterozygotní výchozí materiál
Vzdálená hybridizace - mezidruhové, mezirodové hybridizace shodný počet chromozomů kompatibilita – také genově specifická použití různým doprovodných technik: npř. opylování v různém vývojovém stupni blizny a čnělky, zkácení čnělky, odstranění blizny a její nahrazení pastou s fytohormony, extirpace nezralého embrya a jeho kultivace in-vitro překonání sterility F1 hybridů: zpětné křížení, polypoidizace, u F2 – pěstování velké populace, kde se zvyšuje pravděpodobnost nalezení fertilních jedinců
Příklady mezidruhových a mezirodových hybridů
T. aestivum x T. durum – ozimé tvrdé pšenice Solanum (tuberosum x phureja, t. x andigenum) – rezistentní šlechtění Beta v. x trigyna, maritima – jednosemenné, suchovzdorné, rezistenntní řepy Medicago sativa x falcata – zimuvzdornost, suchovzdornost Lolium multiflorum x perennis Lolium x Festuca – vyšší výnos tritikale (2n=56): T. aestivum (2n=42) x S. cereale (2n=14) Hordeum, Elymus Sorghum, Saccharum Brassica, Rahpanus, Sinapis
Mutageneze
mutace – náhlá změna genotypu, tj. změna „skokem“, mutagenezí vhodná je tehdy, není-li požadovaný znak dostupný po hybridizaci nebo selekci je nutná selekce rozsáhlého rostlinného materiálu ovlivněného mutageny v provokačních podmínkách frekvence spontání mutace pro jednotlivý gen – 10-6 mutageny: záření - X, gama, neutronové, beta, UV (hlavně na pyl); chemikálie – etylmetanosulfát (EMS), dietylsulfát (DES) aj. typy mutací: genomové – změny počtu celých chromozomových sádek nebo jejich částí, chromozomové – chr. aberace (delece, inverze, duplikace, deficience), translokace, genové (bodové) – změny nukleotidových bazí genu (gen informace – dána sekvencí 4 nuikleotidů), obvykle navozena chemicky nechromozomové – v cytoplasmě (např. CMS), ovlivnění mitochondr. a plastidového genomu (ethidium-bromid, streptomys¨cin, soli těžkých kovů, EMS, záření)
aplikace: na semena, semenáčky, pyl. zrna, řízky, apikální pupeny, explantáty doba půs.: hodiny až měsíce druhově specifická doba i dávka mutagenu mutace - většinou recesivní, fenotypově se úprojeví až v M2 generaci příklad: J. Bouma 1965 – odrůda ječmene Valtický (UV záření) – Diamant – a 120 odrůd tzv. diamantové řady zvýšení obs. kys. olejové ve slunečnici, snížení obs. linolové kys. v řepce
Polyploidizace
x – základní číslo chromozomů v buňce (jeden genom, C) somatická buňka 2n = 2x autohexaploidní rostliny, 2n=6x, gamety n=3x auto, allo spontánní polyploidizace – např. pšenice navozená – kolchicin na meristémy
Strategie šlechtění
stanovení cíle – např. výnos, adaptabilita, rezistence výběr rodičů vhodná metoda vytvoření genetické variability znalost způsobu reprodukce daného druhu, znalost květní biologie
Základní pojmy
kmen: bezprostřední potomstvo jedné rostliny nebo jednoho klonu vzniklé generativně bez ohledu na samo- nebo cizosprašnost následné generace u cizosprašných – rodina, rod linie: generativní potomstvo jedné rostliny vzniklé opakovaným samoopylováním kmenová matka: rostlina vybraná ze štěpící populace
Odrůda a její typy
odrůda = kultivar Odrůda je soubor jedinců uvnitř nejnižšího botanického třídění, definovaný projevem genetických znaků, které si při reprodukci zachovává, a odlišující se alespoň jedním z projevených znaků nebo jejich kombinací od jiných odrůd. DUS
A. Odrůdy typu linie
skupina rostlin stejného genetického původu u samosprašných druhů jednoliniové - potomstvo jedné rostliny víceliniové – potomstvo více sesterských rostlin téhož původu, vybraných z již téměř homozygotní linie; linie jsou prakticky geneticky identické, ale mohou se lišit např. geny rezistence; jsou adaptabilnější; pokud se ale izolinie lisí výnosem semen, měnila by se genetická struktura odrůdy při množení, a proto se každá linie udržuje zvlášť a míchají se do základního osiva linie jsou jak homozygotní, tak homogenní
B. Hybridní odrůdy jde o F1 generaci po řízeném křížení dvou linií (single-cross) dvou jednoduchých kříženců (double-cross) jednoduchého křížence s inbrední linií (three-way cross) inbrední linie nebo jednoduchého křížence s odrůdou z volného opylení nebo se syntetickou odrůdou dvou vybraných klonů nebo odrůd hybridy jsou homogenní, ale heterozygotní
Pylová sterilita
u mateřské komponenty při výrobě hybrida, není nutná kastrace typy: jadená: řízena jadernými geny, obvykle jdnoduchý recesivní gen ms (rajče, ječmen, brambor) cytoplasmatická: původ v mitochondriální DNA (vojtěška, mrkev) cytoplasmaticko-jaderná: široce se využívá (např. cibule, kukuice, cukrovka)
C. Odrůdy typu populace u cizosprašných druhů ty po příbuzenském křížení vykazují inbrední depresi, proto tyto odrůdy sestávají z více rodin, což je úpříčinou určité nevyrovnanosti bez migrace, selekce a mutace však zůstává populace v násldných generacích konstantní také krajpvé odrůdy představují z hledniska genetické struktury heterogenní populace populace jsou heterogenní a převážně heterozygotní
Syntetické populace
jsou oddobou kříženců hlavně u plodin, které nesnášení samoopylování (např. jeteloviny, trávy) vznikají záměrným křížením vybraných linií a klonů tak, aby po několik generací poskytovaly vysoký výnos od odrůd-populací se liší tím, že se reprodukují z původních rodičovských komponent, kterých bývá omezený počet počet rodičů značně vyšší než u kříženců (min. 5, ale i několik desítek)
D. Odrůdy typu klonů u vegetativně množených rostlin (hlízy, cibule, řízky, in-vitro) nemají prakticky vnitroodrůdovou genetickou variabilitu sestávají z jednoho nebo několika velice podobných klonů u některých druhů se množí i semeny vzniklých apomikticky – např. lipnice luční (potřebná gen. variabilita se u těchto druhů při šlechtění navozuje mutacemi – vzniká tzv. sexuální typ) klony bývají homogenní a heterozygotní
Doporučená základní literatura: Chloupek O., 2008. Genetická diverzita, šlechtění a semenářství, Academia ČMT, Praha.
