No title

Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a učitelství biologie CZ.1.07/2.2.00/15.0316

Ochrana fytogenofondu zemědělských plodin Základní definice Význam genetické diverzity Význam planých rostlin a krajových odrůd Centra původu rostlin Centra diverzity Atributy kulturních rostlin Koncepce genových poolů

Ochrana fytogenofondu zemědělských plodin • • • •

• • • •

Doporučená literatura Schwanitz. 1969. Vývoj kulturních rostlin. SZN, Praha. Pecharová, Hejný. 1993. Botanika I. Guarino et al. 1995. Collecting Plant Genetic Diversity. CAB International (IPGRI, FAO, IUCN). 748 pp. Chloupek. 2000. Genetická diversita, šlechtění a semenářství. 2. vydání, Academia, Praha. Primack, Kindlmann, Jersáková. 2001. Biologické principy ochrany přírody. Portál, Praha. Bryja et al. (2010). Koncepce ochrany genetické diverzity planě rostoucích a volně žijících živočichů v České republice (koncepční materiál pro činnosti v gesci MŽP). MŽP, Brno. Národní program konzervace a využívání genetických zdrojů rostlin, zvířat a mikroorganismů významných pro výživu a zemědělství na období 2012 – 2016. MZE, Praha. (www.genetickezdroje.cz/sites/File/dokumenty/Narodni_program_GZ.pdf‎)

Genofond soubor všech živých organizmů v určité oblasti, se současně se projevujícími i s potenciálními geny

• Genofond rostlin představuje jednak rostliny divoké, plané, a dále zemědělské plodiny a kulturní varianty rostlin

• Ochrana genofondu rostlin • zajišťuje uchování biologické různorodosti • zajišťuje zdroj genetické variability pro další šlechtění v zemědělství, zahradnictví a lesnictví. • Genové zdroje • genetický materiál rostlinného, živočišného, mikrobiálního či jiného původu obsahující funkční jednotky dědičnosti, který má současné nebo i potencionální využití • organismy nebo jejich části, populace a biotické složky ekosystémů, současné i potencionální hodnoty

Ochrana fytogenofondu zemědělských plodin zahrnuje: 1. 2. 3. 4.

Plané druhy - wild species Plané druhy příbuzné ke druhům pěstovaným - wild relatives, progenitors Krajové odrůdy – landraces, fenotypově nevyrovnané Šlechtěné odrůdy - advanced cultivars (varietes), F1 hybrids –současné i restringované 5. Šlechtitelské linie - breeding lines – experimentální šlechtitelský materiál, neuznaná novošlechtění a genetické linie

Využití genových zdrojů • V zemědělské praxi. • Ve šlechtitelských programech. • Při řešení vědeckých a výzkumných projektů. • Ve vzdělávacích a výukových programech. • Při propagačních akcích pro odbornou a laickou veřejnost.

Biodiversita Představuje obrovské bohatství nového genetického materiálu, nové kombinace genů pro šlechtění nových variet rostlin a nových plemen hospodářských zvířat. Současná stav genetické variability zemědělsky významných rostlin a živočichů je výsledkem jejich přirozené evoluční historie (3mld let) a vlivem člověka zejména během posledních 12 tisíc let pečlivé selekce a šlechtění posledních století.

Rice seed collection from International Rice Research Institute (IRRI)

Biodiverzita Biologická rozmanitost neboli biodiverzita je pojem popisující veškerou proměnlivost života na naší planetě.

Ekologická diverzita (Soubor typů stanovišť a ekosystémových procesů v krajině)

Druhová diverzita (Rozsah druhů v ekosystému)

Genetická diverzita

www.biodiversitybc.org

Toto rozdělení je ovšem pouze formální a je užitečné především z hlediska stanovování metod jejich studia a ochrany. Ve skutečnosti spolu všechny tři úrovně biologické rozmanitosti funkčně těsně souvisejí a navzájem se prolínají.

Ochraně druhové a ekologické diverzity je věnována největší pozornost mezinárodních a státních institucí i veřejnosti, neboť právě ztráta variability v této složce biodiverzity je nejnápadnějším indikátorem zhoršující se kvality životního prostředí člověka.

Poznání samotné genetické diverzity života bylo donedávna tím nejméně známým aspektem biologické rozmanitosti.

Nové informace jasně ukazují velký význam genetické diverzity pro přežívání přirozených populací mnoha organismů a tato data dokládají potřebu implementace pojmu ochrany genetické diverzity do celkové koncepce ochrany přírody.

Rozvoj studia genetické diverzity v souvislosti s pokroky technik molekulární biologie. Několik základních směrů: - Obecný popis genetické variability populací a genofondových sbírek - Studium původu plodin - Charakterizace genofondových kolekcí - ověření taxonomické determinace položek - identifikace interspecifických hybridů - vyloučení duplicitních položek ve sbírkách - Zrychlení šlechtitelského procesu – MAS (Marker Assisted Selection) - Detailní charakterizace genů - Detekce genů souvisejících s procesy domestikace

Mace, E. S. et al. Whole-genome sequencing reveals untapped genetic potential in Africa’s indigenous cereal crop sorghum. Nat. Commun. 4:2320 doi: 10.1038/ncomms3320 (2013). Illumina seq. 44 Sorghum genotypes - display agronomically important traits including stay-green drought resistance, insect resistance, grain size and grain quality. Identified 725 candidate genes for domestication and/or improvement Concentric circles show the different features that were drawn using the Circos program57. The 10 chromosomes are portrayed along the perimeter of each circle. (a) Gene content density distribution. (b) Genomic diversity (θπ) of wild and weedy genotypes (red), landraces (green) and improved inbreds (blue). (c) Tajima’s D of wild and weedy genotypes (red), landraces (green) and improved inbreds (blue). (d) Number of SNPs in wild and weedy genotypes (red), landraces (green) and improved inbreds (blue). (e) FST values of improved inbreds versus landraces. (f) FST values of improved inbreds versus wild and weedy genotypes. (g) FST values of landraces versus wild and weedy genotypes. (h) A graphical view of duplicated annotated genes is indicated by connections between segments.

Nature 490, 497-501 (2012) doi:10.1038/nature11532 Domestication area

O. sat. ind a, Phylogenetic tree of 446 O. rufipogon accessions and 1,083 O. sativa varieties calculated from SNPs in the overall regions of the 55 major domestication sweeps. b, Geographic locations of 62 O. rufipogon accessions, whose phylogenetic positions during domestication are indicated. Colour index represents the average of the genetic distance of O. rufipogon accessions to all cultivated rice accessions. Two major rivers in southern China are labelled in grey in the map. e, Schematics of the origin of cultivated rice. The aus and aromatic rice are minor groups of rice accessions with small geographic distributions.

wild

wild

O. sat. jap a, Phylogenetic tree of the full population (446 O. rufipogon accessions and 1,083 O. sativa varieties) calculated from ~8 million SNPs in O. rufipogon and O. sativa. The double-layer rings indicate O. rufipogon (outer ring: Or-I, Or-II and Or-III are coloured in red, grey and blue, respectively) and O. sativa (inner ring: indica and japonica subspecies are in pink and sky blue, respectively). b, Illustration of genetic diversity and population differentiation in O. rufipogon and O. sativa. The size of the circles represents the level of genetic diversity (π) of the groups, and the FST values between the groups are indicated. ind, indica; jap, japonica.

Rozmanitost kulturních rostlin Rostlinná diverzita (rozmanitost) = klíčová složka jakéhokoliv zemědělského výrobního systému, dokonce jakéhokoliv ekosystému  Počet užitkových rostlin během posledních dvou století 18.-19. století

300 druhů

polovina 20.století

1 500 druhů

1959

6 000 druhů

1969

9 000 druhů

1988

13 000 druhů

 Výživou je lidstvo více než z 95% závislé na 30 hlavních plodinách

TOP TEN plodiny živící lidstvo 1.) Kukuřice 822,712,527 tun, průměrný výnos 5.1 t/ha 2.) Pšenice 689,945,712 tun, 3.1 t/ha, největší plocha 3.) Rýže 685,013,374 tun, 4.3 t/ha, druhá nejkonzumovanější, na 1 kg spotřeba 2000 l vody 4.) Brambory 314,140,107 t, 17.2 t/ha 5.) Maniok jedlý 232,950,180 t, 12.5 t/ha, i chudé půdy 6.) Sója 230,952,636 t, 2.4 t/ha 7.) Batáty / povíjnice batátová 110,128,298 t, 13.5 t/ha 8.) Proso, čirok 65,534,273 t, 1.5 t/ha 9.) Jam (Dioscorea) 51,728,233 t, 10.5 t/ha 10.) Banány 34,343,343 t, 6.3 t/ha

Plodiny a jejich plané progenitory Crop plants and their relatives Genetická‎diverzita‎využívaná‎v‎zemědělství‎se‎neustále‎omezuje‎a‎ztrácí. Pouze‎9‎plodin‎zajišťuje‎75%‎potravin‎rostlinného‎původu‎pro‎pokrytí‎ energetických‎a‎potravinových‎nároků‎lidstva: - pšenice, www.icrisat.org - rýže,‎ - kukuřice,‎ - ječmen, - čirok/proso, - brambory, - sladké‎brambory/yam, - cukrová‎třtina,‎ - sója.

www.myagri.com

Není‎pravděpodobné,‎že‎by‎některá‎z‎hlavních‎plodin‎byla‎ohrožena‎zánikem. Jejich‎ohrožení‎ale‎představuje‎ztráta‎jejich‎vnitrodruhové‎genetické‎diverzity.

Malá rozmanitost zdrojů lidské potravy – velká závislost

Diverzita čiroku (Sorghum) a prosa (Panicum) demonstruje velký potenciál minoritních plodin využitelný pro potřeby lidstva

Diverzita „fazolí“ – semena různých druhů Fabaceae

Zvyšování produkce - jediná cesta v řešení vzrůstajících potravinových nároků lidstva?

Zvyšování produkce - jediná cesta v řešení vzrůstajících potravinových nároků lidstva?

Plodiny a jejich plané progenitory Crop plants and their relatives Genetická variabilita plodin je stále koncentrována v oblastech označovaných jako „centra diverzity“, která jsou lokalizovány především v rozvojových zemích. Nikolai I. Vavilov (1887-1943) -

Významný ruský botanik a genetik Jeden z průkopníků tvorby genofondových kolekcí Založil světovou sbírku sortimentu kulturních rostlin Přes 100 výprav po celém světě za účele posbírat co největší množství rostlin využitelných pro výživu člověka 1920 – Zákon homologických řad dědičné proměnlivosti HŘ je tvořena skupinou příbuzných druhů, u nichž došlo vlivem prostředí dlouhodobým vývojem ke vzniku obdobných (homologických) znaků a vlastností Syntenické znaky = znaky společné původním formám a kulturních i planých druhů a druhům, které z nich vznikly

-

1926 – Teorie center původu pěstovaných rostlin

-

Původní druhy nejsou rozmístěny na zeměkouli rovnoměrně, ale v určitých oblastech (centra původu)

-

Narazil na odpůrce genetiky Trofima Lysenka (úzká vazba ke Stalinovi) – ten razil teorii „záleží pouze na intenzitě podnětů, aby se dostavil požadovaný výsledek“ = kráva bude dojit fialové mléko pokud ji k tomu bude někdo vhodně stimulovat V rámci stalinistických represí byl Vavilov obviněn, že zavinil hladomor v 30. letech 20. století = do gulagu, kde 1943 zemřel

-

http://www.vir.nw.ru/history/vavilov.htm

Genetická diverzita a její význam • „Centra původu plodin“ – místa původního výskytu původních druhů a variet • „Primární centrum původu“ – oblast, kde se kulturní druh oddělil od planých forem • „Sekundární centrum původu“ – oblast, kde z nového druhu vznikají nebo vznikly nové formy, ale nemusejí se zde vyskytovat jeho plané formy • Ale! Oblasti s max. variabilitou nemusí být identické s centry původu! Nazývají se „centra diverzity“ • Př: Etiopie: geneticky různorodé druhy a formy rodu Triticum, ale nenalezen žádný z planých předků – pravděpodobnost introdukce

A: Původ a ochuzování genetické diverzity Centra původu kulturních rostlin (N.I. Vavilov, 1926)

4. Čína: 4000 př.Kr. – sója, rýže, čirok Čína, Japonsko, Korea

5. Jihových. Asie: třtina cukrová, rýže, banánovník, citrus, čajovník

6. Afrika: 2000 př. Kr. – vodní meloun, čirok, skočec, kávovník Vých. Súdán, Etiopie

7. Severní Amerika: 5000 př. Kr. – fazol, tykev, slunečnice, jahodník

•

Mexiko, J. USA

1. Blízký východ: 7000 př.Kr. – pšenice, ječmen, hrách, čočka

•

Irán, Irák, Sýrie

•

2. Střední východ a centrální Asie: 4000 př.Kr. – réva vinná, oliva, pohanka, vojtěška, konopí

8. Střední Amerika: 6000 př. Kr. – kukuřice, tykev, fazol, rajče, avokádo Mexiko, J. Panama

9. Andské oblasti Jižní Ameriky: 2500 př. Kr. – brambor, batáty, podzemnice olejná, fazol

•

Afg., Pak., Uzbekistán

Kolumbie, Peru Ekvádor, Bolívie

•

3. Indie: 3000 př. Kr. – palma datlová,

10. Jižní Amerika: podzemnice olejná, ananas,

mango, čajovník, lilek

kakaovník, bavlník, tabák, paprika

Indie + Indomalaisie

Brazílie. Paraguay. Chile

•

Rajče jedlé, též lilek rajče (Solanum lycopersicum L., 1753)

- Centrum původního výskytu bylo v horských oblastech And (Peru, Ekvádor, Chile). - K domestikaci došlo v Mexiku odkud se rozšířila po celém světě. - V mnoha zemích používaný název „tomato“ pochází z jednoho z jazyků mexických indiánů. - Před 450 lety byla rajčata importována do Evropy, ale dlouho nebyla konzumována, protože byla považována za jedovatá. … Jako potravina přijata teprve v nedávné době. Solanum galapagense, Tvar plodů je kulatý Trichomy produkující sloučeniny chránící rostlinu proti hmyzu. Moderní kultivary trichomy nemají – nebyla prováděna selekce

Moderní kultivary rajčete – šlechtění ve prospěch objemu plodů u některých kultivarů - Tvar plodů – oválné, kulaté, soudkovité, protáhlé…

Photo H. Teppner

Domestic and wild tomatoes. L to R: Solanum lycopersicum, and wild relatives S. pimpinellifolium, S. habrochaites and S. pennellii. Credit: Brad Townsley, UC Davis.

Solanum carolinense. Příklad planého druhu, který může být donorem významných genů rezistence ke škůdcům a chorobám. Plody tohoto druhu jsou jedovaté.

Genetická diverzita a její význam •

„Centra původu plodin“ – místa původního výskytu původních druhů a variet

•

Oblasti původu všech hlavních plodin se nacházejí v tropických a subtropických částech Asie, Afriky a Latinské Ameriky.

- Největší rozmanitost nalezl Vavilov v tropickém a subtropickém pásu v podhůří velkých pohoří. - např. Himaláje, Apeniny, Andy, Blízký východ… - Tato pohoří byla vlastně i bariérou vedoucí k omezené migraci rostlin, lokální izolaci. • • •

silně různorodé podmínky prostředí, které se často mění – neprobíhá jednostranná selekce na určité znaky Bariéry (údolí, skalní masivy) = lokální izolace – vznik různých forem Velké výkyvy teplot a UV záření (mutace), vznik kříženců i u samosprašných druhů

Pšenice a ječmen na Blízkém východě Sója a rýže v Číně Čirok, yam a káva v Africe Brambory a rajčata v Andách v Jižní Americe Kukuřice v Jižní a Střední Americe

Krajové odrůdy

Centra „původu“ a „diverzity“ - lokalizovány především v rozvojových zemích. Farmáři v těchto oblastech stále praktikují tradiční zemědělství, které využívá místní variety označované jako „krajové odrůdy“ = “land races”. Ty podléhaly selektovány pro místní podmínky dané oblasti a předávány mezi farmáři z generace na generaci. Taxonomicky příbuzné druhy daným plodinám, běžně rostoucí ve volné přírodě se označují jako „plané progenitory“ hospodářských plodin = “wild relatives” .

Tubers of the potato landraces from Canary Islands, Azucena Negra, Bonita Blanca, Bonita Negra, Bonita Colorada, Negra, and Colorada de Baga.

solcap.msu.edu

http://www.newswise.com/

Krajové odrůdy a plané progenitory představují největší zdroj genetické diverzity plodin. Tato diverzita představuje přirozený zdroj genů pro adaptaci k různým enviromentálním podmínkám a pro různé potřeby člověka.

Rýže: některé variety rýže snesou pouze nízký roční úhrn srážek, jiné snesou trvalé zaplavení vodou.

PPI-PPIC (ESEAP)/IRRI Photo

Ztrácí se potenciál využitelný v zemědělství FAO odhaduje,‎že‎od‎začátku‎20.‎stol‎došlo‎ke‎ztrátě‎asi‎75%‎genetické‎ diverzity‎zemědělských‎plodin.

Jsme‎stále‎více‎závislí‎na‎stále‎menším‎a‎menším‎počtu‎variet‎daných‎plodin‎a‎ potažmo‎na‎jejich‎zužujícím‎se‎zdroji‎genů. Primární důvod: - Komerčně‎dostupné‎(zpravidla‎uniformní)‎variety‎vytlačují‎lokální‎variety‎ - Zvláště‎nebezpečné‎je‎to‎v‎oblastech‎center‎diverzity‎plodin - Dochází‎k‎vytlačení‎a‎nenávratné‎ztrátě‎původních‎variet‎(genetická‎eroze) Začátky‎tohoto‎procesu‎spadají‎‎do‎50-tých‎let‎20.‎století‎ =‎GREEN‎REVOLUTION‎=‎Zelená‎revoluce =‎proces,‎ke‎kterému‎došlo‎v‎2.‎polovině‎20.‎století‎a‎který‎díky‎využití‎ moderních‎technologií,‎hnojiv,‎pesticidů‎a‎šlechtění‎nových‎odrůd‎přinesl‎ výrazný‎skok‎v‎zemědělské‎produkci.‎‎ - To‎vedlo‎ke‎zvýšení‎výnosů,‎ale‎k‎poklesu‎diverzity‎plodin‎(genetické‎erozi).

Následky nedostatečné genetické diverzity: a) genetická zranitelnost

- Náchylnost‎moderních‎variet‎k‎napadení‎chorobami‎a‎škůdci,‎abiotickým‎ stresům‎apod. - neočekávaný problém (nemoc, výkyv teplot) může způsobit velké ztráty u většiny nebo všech odrůd plodiny

genetickou zranitelnost je možné zmenšit:

• monitorováním chorob, škůdců, stresů, které mohou produktivitu ohrozit a včasným šlechtěním tomu předcházet

•

Šlechtěním‎odrůd‎s‎větší‎genetickou‎diverzitou‎(nepříbuzných‎odrůd)

-

Zdrojem‎těchto‎genů‎jsou‎především‎tradiční‎krajové‎odrůdy‎a‎planě‎rostoucí‎ druhy.

b) omezení genetického pokroku • • • •

Omezení možnosti získat odrůdy s vyššími výnosy nevíme, zda u dané plodiny bylo dosaženo výnosového maxima týká se šlechtění kvantitativních znaků u rostlin se obtížně dokazuje i překonává

„GREEN REVOLUTION“ -1940 – 1960´s - Začala‎se‎zhoršovat‎výživa‎rostoucí‎lidské‎populace‎zvláště‎v Indii,‎Pákistánu‎a Mexiku. - Indie v roce 1961: - 452‎milionů‎obyvatel‎ - Roční‎produkce‎11‎milionů‎tun‎pšenice,‎čili‎něco‎přes‎24‎kg‎na‎osobu‎a rok,‎tj.‎necelých‎70‎gramů‎ na den. - V roce‎1965‎už‎hrozil‎hladomor‎v‎souvislosti‎s‎výskytem‎rzi‎travní‎na‎pšenici. Norman Borlaug (1914 – 2009) - Pracoval‎v‎Mexiku‎pro‎Ministerstvo‎zemědělství‎na‎šlechtění‎pšenice - cíl‎– zvýšení‎výnosů,‎aby‎Mexiko‎nebylo‎závislé‎na‎importu‎pšenice - výsledek:‎ - po‎deseti‎letech‎vyšlechtil‎odrůdu‎s‎rezistencí‎ke‎rzi - problém:‎ - nízké‎výnosy‎– odstranění‎hnojením‎– výsledkem‎byly‎těžké‎klasy‎=‎porost‎poléhal‎=‎ znehodnocení‎výnosů - 1961‎použil‎ke‎křížení‎japonskou‎polotrpasličí odrůdu‎Norin - výsledkem‎byla‎‎tzv.‎trpasličí‎pšenice‎s‎krátkým‎nepoléhavým‎stéblem‎a‎bohatým‎odnožováním,‎ která‎byla‎odolná‎ke‎rzi‎travní‎ - během‎tří‎let‎byla‎sklizeň‎pšenice‎6x‎vyšší,‎než‎při‎příchodu‎Borlauga do Mexika - zvýšila‎výnosy‎v‎zemích‎třetího‎světa - V roce 1970 se stal nositelem Nobelovy‎ceny‎míru za‎inovace‎v‎oblasti‎pěstování‎nových‎vůči‎nemocím - Odhaduje‎se,‎že‎zachránil‎asi‎1‎mld.‎lidí‎před‎hladomorem - Borlaug zavedl‎novou‎odrůdu‎a‎agrotechnické‎postupy‎do‎Indie‎a‎Pákistánu‎ - Mezi‎lety‎1964‎a‎2001‎roční‎produkce‎pšenice‎v‎Indii‎vzrostla‎ze‎12‎na‎75‎milionů‎tun.‎ - V‎Pákistánu‎ze‎4,5‎na‎22‎milionů‎tun. http://www.gate2biotech.cz

Ug99 - nová linie rzi travní, která se šíří od roku 1999 z Ugandy (Puccinia graminis f. sp. tritici),

- Prozatím známo osm ras Ug99, které jsou blízce příbuzné a pocházejí ze společného předka - Testováno 200.000 variet pšenice pěstovaných ve 22 zemí Afriky a Asie - Ug99 rezistentní variety existují, ale jsou pěstovány pouze na 5-10% pěstebních ploch - Předpokládá se další šíření na východ především díky převládajícími západními větry - Nová potenciální hrozba pro Pákistán a Indii - 40% devastace porostů

http://www.gate2biotech.cz

- Důsledky Zelené revoluce (Green Revolution) -

Pozitiva - Dostatek‎potravin‎v‎rozvojových‎zemích - Zvýšení‎produkce/výnosů - zlepšení‎ekonomické‎situace - Zlepšené‎využití‎půdy - Rozvoj‎vědeckých‎přístupů‎při‎řešení‎problémů‎v‎zemědělství‎ - Nové‎odrůdy‎s‎vyšším‎výnosem‎a‎odolností‎k‎chorobám‎a‎škůdcům - Negativa - Genetická‎eroze - Degradace‎půdy‎(vyčerpání‎živin,‎toxicita‎pesticidů,‎hnojiv….) - Rozvoj‎plevelů - Rezistentní‎druhy‎patogenů

- ….

Nebezpečí genetické uniformity

Rozsáhlé‎plochy‎jsou‎osety‎monokulturou‎vysoce‎produktivních‎variet - Nutnost‎vysokých‎vstupních‎nákladů‎– pro‎zajištění‎maximální‎ produkce:‎hnojení,‎postřiky,‎zavlažování. - Genetická‎uniformita‎představuje‎nebezpečí‎devastace‎monokultury‎ např.‎novými‎virulentními‎kmeny‎nebo‎druhy‎patogenů Příklad:‎ - 10. stol. – zhroucení civilizace Mayů v Mexiku vlivem monokulturního pěstování kukuřice

Velký hladomor v Irsku (The Irish Potato Famine) - Katastrofální‎hladomor‎v‎Irsku‎v‎letech‎1845-1849 - Totální‎neúroda‎brambor,‎na‎kterých‎byli‎Irové‎potravně‎závislí - Příčiny:‎vlhké‎počasí‎podporující‎šíření‎plísně‎bramborové‎ (Phytophtora infestans) - Výsledek:‎ - 0,5-1,5‎mil.‎mrtvých‎z‎8mi‎miliónové‎populace‎Irů - Další‎2‎mil‎emigrovaly‎(USA,‎GB,‎Kanada,‎Austrálie) - Politická‎rovina‎– zhoršení‎vztahů‎s‎GB,‎kvůli‎jejich‎neochotě‎ pomoci,‎popř.‎kvůli‎směřování‎pomoci‎do‎oblastí‎s‎početnější‎ populací‎Britů » » » » »

říše Chromalveolata kmen Peronosporomycota - řasovky třída Peronosporomycetes - oomycety řád Peronosporales - vřetenatkotvaré čeleď Phytophthoraceae

Cesta Phytophtora infestans do Evropy Investigation of genomes from historic (1845-1896) herbarium specimens Based on complete mtDNA genomes, and millions of SNPs První výskyt choroby: - Začátkem roku 1843 v USA – Philadelphia a New York City - Šíření spor vzduchem a v roce 1845 nalezena od Virginie po Ontario - Do Evropy se dostala v roce 1845 se sadbou brambor mířící do Belgie www.psmicrographs.co.uk - Všechny plochy Evropy byly zasaženy infekcí, ale nejvíce škod napáchala v Irsku – monokultury variety Irish Lumper - varieta adaptovaná pro pěstování v západním Irsku - Varieta znovu pěstovaná od 2008 jako krajová odrůda

Kentaro et al., 2013, eLife

Cesta Phytophtora infestans do Evropy Investigation of genomes from historic (1845-1896) herbarium specimens Based on complete mtDNA genomes, and millions of SNPs Linie P. infestans HERB-1 způsobila hladomor v Irsku byla jiným genotypem než kmeny, které se dostaly do Evropy později. Zisk rezistence k tomuto kmeni introgresí genů rezistence ze Solanum demissum (J. Amerika) Na základě datování genomů P. infestans z herbářových položek se odhaduje diverzifikace kmenů PI v post-Kolumbovské éře a vznik samotného druhu v době kratší než 2000 let

www.psmicrographs.co.uk www.inaturalist.org

 velice rychlá radiace a speciace P. infestans HERB-1 = 1st global migration, 50 yrs existence (rare or extinct)

US-1 = 2nd global migration, replaced HERB-1, persists

Kentaro et al., 2013, eLife

speciace – štěpení linií, výsledkem je vznik několika nových druhů z původního Adaptivní radiace je diverzifikace druhů, která umožňuje vyplnění celé řady ekologických nik

Nebezpečí genetické uniformity Southern Leaf Blight - spála kukuřice = helmintosporiová skvrnitost listů (Helminthosporium maydis) říše Fungi - houby » třída Dothideomycetes » řád Pleosporales - zďovkotvaré

1970 – genetická uniformita monokultur kukuřice v USA náchylných k plísním - 50% ztrátě výnosu kukuřice = ztráta 1 mld $.

Přes 80% komerčních variet bylo náchylných k onemocnění- southern leaf blight. – geny rezistence přeneseny z Africké variety Mayorbella.

Rice grassy-stunt virus - Virus zpomalující růst a vývoj rýže - 1970s - devastace rýžových polí od Indie do Indonésie - Hledání zdroje rezistence k RGSV - Během čtyř let testováno 17 000 známých variet a planých druhů - gen rezistence z populace Oryza nivara, grostoucí blízko města Gonda v Indii - dnes se pěstují variety obsahující tento gen na 110 000 km2 rýžových polí v Asii

Genetický drift - náhodné změny v poměrném zastoupení alel v populaci • Máme ohrožený druh, který se vyskytuje v několika izolovaných populacích, přičemž každá populace nese jiné alely. • Pokud dojde k zániku některé z těchto populací nedojde ke ztrátě alel různého typu, protože jsou přítomny v kterékoliv ze zbývajících populací…..

ke změně genofondu nedošlo

Genetická eroze • Máme ohrožený druh, který se vyskytuje v několika izolovaných populacích, přičemž každá populace nese jiné alely. • Pokud dojde k zániku některé z těchto populací dochází zároveň k nenávratné ztrátě některých alel = genetická eroze.….. ……. došlo k nevratnému ochuzení genofondu

Původ a ochuzování genetické diverzity zemědělských plodin – Zemědělství = promyšlené pěstování plodin

– Euroasie – optimální podmínky pro vznik a rozvoj civilizace • rostliny se daly optimálně pěstovat a šlechtit + možnost ochočení zvířat • 14 savců je dostatečně velkých a použitelných k tahání nákladů a reprodukce v zajetí (13 Euroasie + andská lama) • Střední východ (severní konec syrské pouště, údolí Nilu po Eufrat a Tigris = „Úrodný půlměsíc“ – kolébka civilizace 4. tis. př n. l. • Čína

„Úrodný půlměsíc“ – kolébka civilizace 4. tis. př n. l.

A: Původ a ochuzování genetické diverzity V období 10. – 3. tisíc let př. Kr. přešel neolitický člověk k pěstování rostlin a chovu zvířat •

nejstarší známý nález pěstovaného obilí pochází z vykopávek neolitické osady u Jarmo (Irák) (10-9tis let) obilky Triticum dicoccum a Hordeum vulgare var. distichon mají již znaky pěstovaných rostlin

•

nejstarší zbytky kulturní kukuřice – jeskyně Bat-cave – Nové Mexiko staré asi 6000 let

•

7000 l. př. Kr. – Jericho – opevněné sídliště, husté osídlení, jedno z nejstarších měst s kontinuálním osídlením

Původ a ochuzování genetické diverzity – –

Vznik pěstovaných rostlin spjat s vývojem člověka-zemědělce – člověka nekočujícího Člověk se usazoval v místech vyššího výskytu daných rostlin – sběr, setí, odstraňování konkurenčních druhů … tím ovlivňoval jejich další vývoj • Existence řady plodin je dnes závislá na člověku: – Pokud obilky kukuřice vyklíčí na palici – navzájem se „zadusí“ ( změna morfologie původně prstovitě rozvětveného klasového vřetene na dnešní palice) – Ztráta generativního rozmnožování (ananasovník, maniok)

změna morfologie původně prstovitě rozvětveného klasového vřetene na dnešní palice

learn.genetics.utah.edu

Čím se kulturní rostliny vyznačují? Aneb atributy kulturních rostlin.  Výnos  Gigas charakter (mohutnost) polyploidie, mutace  Hromadné klíčení semen a ztráta dormance  Allometrický růst  Zvýšení počtu užitečných orgánů

Dodonaeův bylinář 16st. – současné kultivary hyacintů

 Změny chuťových a dietetických vlastností sklízeného produktu  Změna reprodukční biologie  (česnek, brambory, ananas)

 Ztráta ochranných mechanických zařízení  Zhoršení a ztráta přirozených rozšiřovacích zařízení  Změna habitu

Čím se kulturní rostliny vyznačují? Příklad domestikace salátu (L. sativa L.)  Genový pool L. serriola a ostatní příbuzné druhy JZ Asie  Domestikace – selekce proti výskytu trichomů, vysokému obsahu latexu, hořké chuti listů  Selekce na pozdní vybíhání a kvetení Trichomy Latexové skvrny L. sativa

L. serriola

Příklad domestikace salátu (L. sativa L.) L. serriola

 Zkrácení internodií  Tvorba hlávek  Zvýšení počtu semen  Ztráta přirozených rozšiřovacích zařízení

L. sativa

Atributy zemědělských plodin - shrnutí • Výnos –

Gigas ch. – vodní meloun diploid vs indukovaný tetraploid

sklizeň získaná z jedné rostliny, z jednotky plochy

• hromadné klíčení semen • gigas charakter –

celkové zvětšení rostliny (může souviset se zvětšením ploidie)

• allometrický růst – –

• • • •

Slunečnice – zvětšení počtu květů v květenství = více semen

nerovnoměrné zvětšení částí rostliny zvětšení orgánů, které jsou předmětem selekce (plody – rajčata, okurky, dýně; listy zeleniny; stonkové hlízy)

Stonková bulva květáku

zvýšení počtu užitečných orgánů (slunečnice, kukuřice) změny chuťových a dietetických vlastností sklízeného produktu změna reprodukční biologie (ztráta generat. rozmn. – česnek, brambory, ananas) zhoršení a ztráta přirozených rozšiřovacích zařízení –

plody zůstávají na rostlině, nerozpadavé klasy

• ztráta ochranných mechanických zařízení • změna habitu (ovocné stromy, salát)

L. sativa

L. serriola

Postavení zákrovních listenů

Rozdělení rostlinných druhů podle křížitelnosti planých a pěstovaných druhů a životaschopnosti F1 hybridů (Harlan, de Wet 1971)

•

primární gene-pool (GP1): pěstované druhy a jejich příbuzné druhy, u nichž křížení probíhá víceméně bez problémů a F1 hybridi jsou životaschopní

•

sekundární (GP2): příbuzné druhy, z nichž lze přenést geny do pěstovaných druhů, ale s obtížemi: • • •

•

zisk semen hybridů, ale nelze dopěstovat F1 pokles fertility potomstva potomstvo výrazně podobné jednomu z rodičů

terciární (GP3): přenos genů do pěstovaných druhů jen pomocí speciálních postupů nebo není možný •

hybridi s GP1 anomální, letální nebo neplodní

příklad: kategorizace planých druhů rodu Lactuca L. do genových poolů

Využití planých druhů pro šlechtění příklad: kategorizace planých druhů rodu Lactuca L. do genových poolů - Pozice řady planých druhů není vyřešena

Wild species belonging to primary GP: L. serriola L. aculeata L. altaica L. georgica L. dregeana L. scarioloides

?

See you next week!