Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a učitelství biologie
CZ.1.07/2.2.00/15.0316
Domestikace a šlechtění rostlin
aneb jak si člověk ochočil rostliny
Petr Smýkal Katedra botaniky, UPOL
9000 BC First evidence of plant domestication 700 BC
Egyptians/Mesopotamians artificially pollinated date palm
1676
Crew suggested the function of ovules and pollen
1694
Camerarius first to demonstrate sex in (monoecious) plants and suggested crossing as a method to obtain new plant types
1714
Mather observed natural crossing in maize
1761-1766 Kohlreuter demonstrated that hybrid offspring received traits from both parents and were intermediate in most traits, first scientific hybrid in tobacco 1866
Mendel: Experiments in plant hybridization
1900
Mendel’s laws of heredity rediscovered
1944
Avery, MacLeod, McCarty discovered DNA is hereditary material
1953
Watson, Crick, Wilkins proposed a model for DNA structure
1970
Borlaug received Nobel Prize for the Green Revolution Berg, Cohen, and Boyer introduced the recombinant DNA technology
1994
‘FlavrSavr’ tomato developed as first GMO
1995
Bt-corn developed
Charles Darwin (1809-1882)
Variation of Animals and Plants under Domestication (1868) On the Origin of Species (1859) Alfonse De Candolle (1806 – 1893) Géographie Botanique Raisonée (1855) L´Origine des Plantes Cultivées (1883)
Nikolaj Ivanovič Vavilov (1887-1943) Centers of Origin of Cultivated Plants (1926) The Phytogeographical Basis for Plant Breeding (1935)
J.G. Mendel a hrách aneb kde v roce 1865 začala genetika
(*1822 - †1884)
Uchování genofondu rostlin • 1890 Vienna - International Agriculture and Forestry Congress, Emmanuel Ritter von Proskowetz, Kvasice u Kroměříže – význam krajových odrůd (landraces) pro šlechtění • 1914 Baur (Německo) – varování před genetickou erozí v důsledku rozvoje šlechtění a zemědělské výroby • 1920-30 N.I. Vavilov (Leningrad, Rusko) – definování genových center kulturních rostlin, sběrové expedice • 1959 - 10. konference FAO – rezoluce o významu gen. zdrojů a o nebezpečí genetické eroze • 1960 ustavení CGIAR - Consultative Group on International Agricultural Research • 1967 FAO/IBPGR Technical Conference on the Exploration, Utilization and Conservation of Plant Genetic Resources (PGR) • 1968 ustavení EUCARPIA Genebank Committee - návrh na ustavení čtyř regionálních genových bank • 1982 rezoluce FAO - International Undertaking on Plant Genetic Resourcesvypracování globální strategie konzervace a využívání genových zdrojů • 1992 UNCED- United Nations Conference on Environment and Development (Rio de Janeiro), Convention on Biological Diversity - první globální dohoda o ochraně biodiverzity a genových zdrojů
Historie novodobého šlechtění aneb významní „šlechtitelé“ Královské a klášterní zahrady A.N. Duchesne (1765-éra Ludvíka XV) – jahody L. Burbank (1849–1926) „A Gardener Touched With Genius“ I.V. Mičurin (1855- 1935) N. I. Vavilov (1887-1943) G. H. Shull (1974-1954) 1908 heteroze M.M. Rhoades (1903-1991) – 1933 CMS N. Borlaug (1914 - ) Zelená revoluce W. Bateson (1861-1926) – genetika, JIC Norwich 1910
E.Tschermak (1871 – 1962) – „znovuobjevitel“ J.G. Mendela E. Proskowetz (1848 – 1944)
Norman Borlaug (1914 - 2009) - Green Revolution pšenice Norin 10
Mutant v genu pro kratší internodia
reduced height(rht)
homolog gibberellin insensitive (gai1) Arabidopsis slender rice (slr1)
Rýže IR8 (Miracle Rice) Nobelova cena míru 1970 positiva (produkce, potravinová soběstačnost-Indie, high-yielding cv.) negativa (snížení diversity, zvýšení užití pesticidů, zavlažování, mechanizace, proměna venkova)
Kombinace přístupů pro zjištění možného geografického původu kulturních rostlin
Harlan, 1971 1. Byla domestikace lokalizovaná nebo geograficky méně specifikovaná ? 2. Proběhla rychle nebo spíše pomaleji ?
Úrodný půlměsíc
Střední Amerika
Jižní Amerika
Jihovýchodní Asie
Domestikace – zemědělství změna stylu lidské společnosti
ko-evoluce prostřednictvím potravy „jsme to co jíme“ • Alkohol dehydrogenáza Indo-evropané, kavkazský typ : ALDH1 a ALDH2 Asiaté: jen ALDH1 • Diabetes • netolerance laktozy – konzumace mléka
Domestikace a rozšíření infekčních chorob zvířata
člověk
zarděnky, tuberkulóza, neštovice – dobytek chřipka – prasata a kachny Nakonec i prostředek „dobývání“ Nového Světa podobně došlo k rozšíření chorob, škůdců rostlin
Domestikace probíhala postupně a na více místech
Domestikované druhy partnertsví obilovin a luskovin Asie: rýže – sója
Střední východ – Středomoří: pšenice, ječmen – hrách, bob, čočka Střední Amerika: kukuřice – fazole
Afrika: proso, čirok - Vigna
Rychlost domestikace
fixace znaku 100 – 2000 let frekvence výskytu nerozpadavého klasu v archeologických nálezech
ječmen , pšenice, rýže
Purugganan et al. 2009
Plané formy – předchůdci pěstovaných plodin slunečnice
kukuřice
pšenice
Domestikační syndrom - selekce vhodných genotypů • větší zásobní orgány - semena, hlízy • rozpadavost klasu – šíření semen • dormance • odnožování x dominance • popínavost x keřovitost • partenokarpie • pohlaví květu – oboupohlavnost • samosprašnost – homozygozita • ploidie • fotoperiodismus • jednoletost • toxické látky
Domestikační syndrom • větší semena
• rozpadavost klasu/pukavost plodů • apikální dominance
• perioda kvetení/ zrání
Fabaceae Gramineae Brasicaceae Solanaceae Cruciferae Cucurbitaceae Rosaceae Liliaceae Daucaceae Asteraceae
41 29 25 18 13 13 11 11 9 8
fazole, hrách, čočka, soja, vigna kukuřice, rýže, pšenice, proso zelí, řepka,hořčice rajče, brambor, paprika, tabák řepka, zelí , ředkev okurek, meloun, dýně jabloň, broskve, švestky cibule, česnek,pór mrkev, fenykl, kopr, kmín slunečnice, topinambur
Domestikace a výběr
Pěstované formy/druhy 70% diverzity planých druhů
Genové banky ne muzea ale živé zdroje variability
DNA-banky
Studium genetické diverzity genofondové sbírky Genetická příbuznost
Populační struktura
Core kolekce
Diverzita rodu Pisum
kulturní hrách setý
Kolekce a genetická eroze
In small populations there will be random fluctuation in allele frequencies leading to the chance loss of alleles (genetic drift).
Analýza změny distribuce genetické diverzity v čase
Význam genetické diversity
Mayové - monokultury kukuřice - choroby/šůdci/eroze Irsko (1846) - Phytophtora infestans u brambor
USA (1970) - kukuřice x Helminthosporium maydis T typ CMS ve vazbě na gen náchylnosti USA
- Xanthomonas campestris u citrusů
současnost - banánovník cv. Cavendish - houba Black Sigatoka
Pšenice ztratila během domestikace gen pro ukládání proteinů, zinku a železa. gen GPC-B1, se vyskytuje v planě rostoucí pšenici dvouzrnce (Triticum turgidum dicoccoides), ale postrádají jej všechny současné odrůdy.
Během domestikace došlo k mutaci tohoto genu a ten je u současné pšenici nefunkční. Gen urychluje vyzrávání zrna a zvyšuje množství proteinů, zinku a železa ukládaného do zrna o 10 až 15%.
Diverzita - případ pšenice x rez travní (Puccinia graminis)
positiva (produkce, potravinová soběstačnost-Indie, high-yielding cv.) negativa (snížení diversity, zvýšení užití pesticidů, zavlažování, mechanizace, proměna venkova)
důsledek- „ zelené revoluce“ - Norman Borlaug (1914 - 2009 )
Polyploidie - častý stav genomu kulturních rostlin 3n: banán, jablko, zázvor, řepa 4n: durum pšenice, kukuřice, bavlník, brambor, zelí, tabák, podzemnice 6n: chrysantéma, pšenice, oves 8n: jahodník, jiřiny, cukr. třtina
Mezidruhová / mezirodová hybridizace příklad -rod Brassica
Vesmír 9/2009
Archeobotanika - archeogenetika
vrs1 lokus ječmene
Rychlost domestikace
fixace znaku 100 – 2000 let
frekvence výskytu nerozpadavého klasu v archeologických nálezech versus modelování a experimenty
ječmen , pšenice, rýže
Purugganan et al. 2009
Rychlost domestikace
Vliv genetické komplexity na rychlost fixace
Monogenní znaky – déle Polygenní - rychleji Allaby, 2008
Přírodní
umělý výběr
gene flow mezi proto-domestikovanými formami a planými formami zpomaloval proces
Chronologie fixace znaků
velikost semen
waxy vernalizace/fotoperioda
nezávislý vznik na více místech je po kontaktu setřen vlivem působení driftu
rozpadavost klasu
Domestikace jednou nebo vícenásobně ?
Rozdíl - analyzujeme-li jen jeden, několik genů nebo napříč celým genomem
Peterson et al. 2006
Domestikace a co dál ? Super domestikace
• modifikace charakteru-využití plodin
• domestikace nových druhů • „ztracené druhy“
• superdomestikace
Pyramidování genů - Breeding by design
SoyBase and the Soybean Breeder's Toolbox
Integrating Genetics and Molecular Biology for Soybean Researchers
Transgenose (GMO) mezi vědou, etikou a politikou
Pěstování GMO rostlin
Roundup Ready
- glyphosate story
Bt kukuřice (MON 810) -
komerční story by
B. thuringiensis objeveno v roce 1901 v Japonsku 1911 v Německu Ernst Berliner nemoc housenek motýlů (Schlaffsucht)
StarLink kukuřice (Aventis crop Science) 2002
cry gen - protein
Golden rice story
carotene Peter Beyer a Ingo Potrykus
desaturase
b- karoten 1-3 µg/g 10-30 µg/g • psy (phytoene synthase) (Narcissus pseudonarcissus) • lyc (lycopene cyclase) (Narcissus pseudonarcissus) • crt1 - z půdní bakterie Erwinia uredovora
http://www.goldenrice.org
deficience vitaminu A - slepota
Jedlé vakcíny - futuristická vize či realita .... • • • • •
enterogenní E.coli cholera Hepatitis B vzteklina cytomegalovirus
• kulhavka- slintavka • gastroenteritis • coronavirus
Šlechtitelská práce
Šlechtění rostlin
genotyp x fenotyp
Odrůda - kultivar - varieta The International Union for the Protection of New Varieties of Plants (UPOV) • DISTINCTNESS • UNIFORMITY • STABILITY
DUS
Odrůdy: • klony (vegetativně množené druhy) • linie (samosprašné druhy) • hybridní (F1) • populace (cizosprašné druhy, krajové odrůdy, syntetické)
Šlechtění – umění a věda Genetická variabilita
křížení
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
vytvoření variability křížení výběr (selekce) hodnocení registrace množení distribuce nové odrůdy
výběr
Nová odrůda
(+10 let)
Základní postup ve šlechtění rostlin 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
vytvoření variability křížení výběr (selekce) hodnocení registrace množení distribuce nové odrůdy
Základní šlechtitelské postupy
Moose S. P., Mumm R. H. Plant Physiol. 2010:147:969-977
Biotechnologie a šlechtění rostlin
Mutační šlechtění • • • •
fyzikální chemická transposony T-DNA
TILLING - identifikace bodových mutací (Targeting Induced Local Lesions In Genomes)
Dihaploidie cesta získání homozygotních linií 2n = Aa
n= A/a
2n = AA/ aa
Heterose -”hybridní síla F1” G.Schull - 1909
Samčí sterilita ? • Definice: neschopnost produkce funkčního pylu • samčí sterility je agronomicky výhodná pro produkci hybridních semen
fertilní květ
sterilní květ
CMS Ogura u řepky fůze protoplastů ředkev - řepka transkripce- translace - mitochodriální orf 138 jaderně kódovaný - obnovitel feritility -Restorer (Rfo) - postranskripční regulace (3-UTR)orf 138
Fenotyp versus genotyp Výsledek selekce s použitím nepřímého markeru
Rezistentní
Náchylná
Rezistentní Rezistentní
Rezistentní
Rezistentní
Marker Assisted Breeding/Selection (MAS)
Analýza DNA
Výběr
křížení
Analýza DNA
Nová odrůda
Šlechtitelský proces, včera, dnes a zítra
Šlechtění v genomické době Genotypizace analýza DNA, databáze – standardizace • Fenotypizace
objektivita a kvantifikace uložení dat- databáze, hodnotící kategorie, měřítka – sjednocení • Spojení genotypu a fenotypu
Odběr materiálu Isolace DNA Analýza DNA
Výsledek selekce s použitím nepřímého markeru Výsledek - interpretace
Rezistentní
Náchylná
Rezistentní Rezistentní
Rezistentní
Rezistentní
High throughput genotyping
Genotypizace aneb výběr „vhodných alel“
Známe-li genom Můžeme odvodit fenotyp ?
Popis fenotypového projevu Semeno hrachu - barva v plné zralosti 1. světležlutá 2. žlutorůžová 3. vosková/dvoubarevná 4. žlutozelená 5. šedozelená 6. tmavozelená 7. světlehnědá 8. hnědá 9. černá Číselné zhodnocení průměrných pozic souřadnic L,a,b v CIE-LAB barevném prostoru (3D)
Colour deviation: ΔEa,b ΔEa,b=(ΔL2+Δa2+Δb2)1/2
Matrix of eigenvalues and vectors of principa field and fodder pea assessed in morphologic
Morfologické klasifikátory
Trait Core Entire Stipules-character of anthocyan spot 0.64 0.68 Flower-wings colour 1.43 1.42 Eigenvalues Flower-vexillum colour 1.28 1.34 Leaflet-margin shape on the second realleaf Variance 1.35 1.23 Seed-funiculus stability 0.00 0.00 Leaflet-margin shape at the first flowering node% Total 0.87contribution 0.78 Seed-colour at full ripeness 1.65 1.80 % Accumulated Seed-cotyledons colour 1.03 1.16 Leaf-type 0.11 0.25 Eigenvectors Seed-hilum colour 0.46 0.47 Plant-seeds number Leaflet-colour 1.41 1.42 Leaflet-shape (at the first flowering node) 1.60 1.52 Plant-pods number Leaflet-appex shape 0.97 1.11 Seed-testa colour 0.66 0.70 Stem-lenght to first productive Seed-surface 0.82 0.74 Mean Index 0.95 0.97 Stem-length
Kvalitativní znaky (15)
Kvantitativní znaky (8) Descriptor list of genus Pisum L.
4
5
5
0
0 node
0
0
Thousand seeds weight
-0
Plant-seeds weight Stem-lenght of internode under the first productive node Stem-number of sterile nodes
0.
0.
0.
* Values in the bold are larger than the treshold (average from
UPOV “Protocol for Distinctness, Uniformity and Stability Tests Pisum sativum L. sensu lato. Pea”
Heritabilita a vzájemná korelace Matrix of eigenvalues and vectors of principal components for 15 qualitative characters of field and fodder pea assessed in morphological trials
PC1
Principal components (PC) PC2 PC3 PC4 PC5
PC6
Variance
4.429
2.783
1.838
1.180
0.867
0.790
% Total contribution
29.53
18.55
12.26
7.87
5.79
5.27
% Accumulated
29.53
48.09
60.35
68.22
74.00
79.27
Stipules-character of anthocyan spot
0.917
NAZEV -0,123ECN -0,256
Flower-wings colour
0,898
-0,094
Eigenvalues
Eigenvectors
Flower-vexillum colour
0,876
Leaflet-margin shape on the second realleaf
0,084
Seed-funiculus stability
0,269
Leaflet-margin shape at the first flowering node
0,080
Seed-colour at full ripeness
0,805
Seed-cotyledons colour
0,078
Leaf-type
0,235
Seed-hilum colour
Shluk
Lodyha Lodyha Lodyha délka do Lodyha déka pod Lodyha poèet Lodyha Lodyha vìtvení Lodyha Lístek tvar v Lístek tvar okraje List typ délka 1. prod. nodu 1. prod nodem sterilních nodù typ vìtví na bázi olistìní 1 kvìt nodu u 2 prav listu
tvar -0,054
-0,280 -0,037 0,0 Var. koeficient L0100762 Adept 1 1 -0,078 L0100777-0,253Alan -0,102 1 1 L0100530 Bohatyr 1 1 0,694 0,282Janus -0,531 L0100732 1 1 L0100736 1 1 -0,171 0,677Komet -0,090 L0100763 Merkur 1 1 L01007660,294Pegas -0,414 1 1 0,735 L0100765 Primus 1 1 L01006880,344 Romeo 0,195 1 1 -0,086 L0100761 Sonet 1 1 0,000 L01009780,736 Baryton 0,430 2 1 L0100982 Hardy 2 1
-0,095
0,010
-0,166 12,5 12,9 4 5 4-0,1876 4 4 -0,0805 4 4 0,518 5 4 5 4-0,1466 4 5 4-0,1406 4 5 4-0,2555 4 5
-0,023 20,2
0,730
-0,105
0,268
0,575
-0,165
0,062
-0,048
0,491
-0,393
Leaflet-colour
0,101
0,730
0,024
0,058
-0,036
-0,443 Lodyha délka do 1. déka pod 1.
Leaflet-shape (in the first flowering node)
0,234
L0100762 -0,384 Adept 0,460
ECN
NAZEV
L0100762
Adept
0,246
0,210
11,3 5 6 5 5 5 5 5 5 5 5 4 4
6 -0,087 6 5 0,0696 0,1516 5 0,1165 6 6 -0,055 6 -0,119 6 6
-0,216
A 0,305 B
1 1
4 0,406 4
Leaflet-appex shape
0,165
0,615 L0100762 -0,122 Adept
0,458
0,024 C
Seed-testa colour
0,734
-0,096
0,046
-0,284
0,114
0,181
Seed-surface
0,509
-0,048
0,406
0,230
-0,148
0,277
1
50,3 1 3 3 1 3 2 2 2 1 2 1 1
82,7 7 7 6 6 6 7 6 7 6 6 1 1
67,2 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 1 1
23,1 2 5 3 3 3 3 2 2 2 4 0 0
43,0 1 1 1 2 2 1 1 1 1 1 0 0
Lodyha poèet Lodyha Lístek tvar Lístek tvar Lístek tvar sterilních Lodyha vìtvení Lodyha v 1 kvìt okraje u 2 okraje v 1 Lístek tvar Lístek prod. nodu prod nodem nodù typ vìtví na bázi olistìní List typ nodu prav listu kvìt nodu vrcholu barva Lodyha
Opakování Lodyha tvar délka
75,5 6 4 4 8 9 9 5 9 7 6 1 1
0,227 4
Lodyha
5
6
5
9
1
7
5
2
1
1
2
7
5
6
5
9
0
7
5
2
1
1
2
7
5
7
5
5
1
5
5
3
1
1
2
3
Kvalitativní znaky
Kvantitativní znaky (QTLs) interakce genotyp x prostředí
Gutierrez-Gonzalez et al. 2010 BMC Plant Biology
QTL mapování Spočívá ve analýze statistické závislosti mezi kvantitativními znaky a genetickými markery
„-omics“ postupy Genomics
Genomika
(DNA sekvence)
Transkriptomika (RNA exprese) - kandidátní geny
Kombinace genetiky, genomiky a transkriptomiky
13 kandidátních genů pro obsah oleje a proteinů v semeni soji
Proteomika
Máme DNA sekvence genomu Máme fenotypická data – pozorování
Chceme je spojit, asociovat
tj. ideálně za co který gen zodpovídá
Princip asociačního mapování Nazývané také linkage disequilibrium (LD) mapování, spočívá v korelaci mezi genetickým markerem a fenotypem v genofondové sbírce
Využití rekombinací předchozích generací
Pyramidování genů - Breeding by design
Rozšíření užitných vlastností introgrese a transgenose
Plané druhy - rezervoár nových genů
Solanum lycopersicoides x kulturní rajče
X F1 hybrid
Canady et al. 2005, Genome
Crop – wild relatives introgression
Po většinu své existence lidstvo žilo v těsném kontaktu s přírodou, půdou
• lovci – sběrači • zemědělci • industriální
300 000 generací 600 8 – 10 generací
Zemědělství neprovozují jen lidé, ale třeba také mravenci
