Főbb trendek a növénynemesítésben R. W. Allard (1996) Termesztett növények Tájfajta
Régi fajtapopulációk
Modern fajták
populáció heterogenitás igen nagy
Genetikai elszegényedés és a hasznos gének akkumulációja
nagy homogén
Nemesítési haladás • Genetikai variáció kutatása és új genetikai variáció létrehozása növénynemesítési módszerekkel • Transzgresszív szegregáció új tulajdonságokat hordozó genotípusok nemesítésére • Szelekciós módszerek kidolgozása új növényfajták előállítására
1 9 0 1 -1 9 0 5 1 9 0 6 -1 9 1 0 1 9 1 1 -1 9 1 5 1 9 1 6 -1 9 2 0 1 9 2 1 -1 9 2 5 1 9 2 6 -1 9 3 0 1 9 3 1 -1 9 3 5 1 9 3 6 -1 9 4 0 1 9 4 1 -1 9 4 5 1 9 4 6 -1 9 5 0 1 9 5 1 -1 9 5 5 1 9 5 6 -1 9 6 0 1 9 6 1 -1 9 6 5 1 9 6 6 -1 9 7 0 1 9 7 1 -1 9 7 5 1 9 7 6 -1 9 8 0 1 9 8 1 -1 9 8 5 1 9 8 6 -1 9 9 0 1 9 9 1 -1 9 9 5 1 9 9 6 -2 0 0 0
T e r m ő te r ü le t ( 1 0 0 0 h a )
200000 2,5
150000 2
100000 1,5
1
50000 0,5
0 0
Termőterület (1000 ha) Termésátlag (t/ha)
Év
T e r m é s á tla g ( t/h a )
250000
A búza termőterülete és termésátlaga 1901-2000 között a Világon 3
A hagyományos növénynemesítés alapjai • Szaporodásbiológia • Tulajdonságok öröklődése • Tulajdonság öröklődését meghatározó gének száma
Hagyományos nemesítés Nemesítési cél
Genetikai variáció felmérése, genetikai források felkutatása
Keresztezés- értékelés – szelekció
Tesztelés, adatfeldolgozás
Új fajta regisztrálása
Fajtafenntartás – tulajdonságok genetikai stabilitása (UPOV szabályok)
• Vegetativ módszerrel szaporítás • Öntermékenyülő és magterméssel szaporított növények •Idegentermékenyülő növények – heterózis nemesítés
1800 1600 Million hectar
1400 1200 1000 800 600 400 200 0 1950
1960 area in 1999
1970
1980
1990
1999
area on the yield level in 1949
Szelekció fenotípusos tulajdonságok alapján, klasszikus genetikai vizsgálatokkal Nőtt a növények genetikailag meghatározott produktivitása a zöld forradalom hatására, nagyarányú kemizálás, gépesítés, öntözéses gazdálkodás
Fenotípus: egy szervezet megjelenési formája a genotípus és a környezet kölcsönhatásaként Genotípus: a szervezet genetikai felépítése, öröklődő tulajdonságainak összessége
A harvest index változása Van Dobben (1962)
34% régi 40% új fajták
Vogel et al. (1963)
32% régi 38% új fajták
Szunics et al. (1985)
22.9% régi 47% új fajták
Litvinenko (2001)
21.2% régi 43.5% új fajták
Lukjanenko (1966)
optimális arány 50%
A biomassza produkció változása (Austin et al. 1989)
Biomass (g/m2) Straw (g/m2) Grain (g/m2) 0
200
400
600
800
Very old
Old
Intermediate
1000 1200 1400 1600 Modern
Genetikai haladás
England
1908-1985
38 kg/ha/year
(Austin 1989)
France
1800-1950
10 kg/ha/year
(Bonjean 2001)
France
1950-1999
50 kg/ha/year
(Bonjean 2001)
Hungary
1960-1985
59 kg/ha/year
(Balla et al. 1986)
Mexico
1950-1982
60 kg/ha/year (Hernandez Sierra 1988)
Kansas USA 1919-1987
16 kg/ha/year
(Cox et al. 1988)
Genetikai források a genetikai variáció növelésére Genetikai források
Genetikai variáció
növényfajták Egzotikus források Tájfajták Vad és termesztett rokon fajok mutánsok
X XX XXX XXXX XXXX
Vad és termesztett rokon fajok Új rezisztencia forrás Szárazságtűrő forrás Táplálkozási minőség forrás
Hátrányok • Nehéz keresztezhetőség • Genetikai kapcsoltság hátrányos tulajdonsággal • Öröklődő kis produktivitás • Több évtizedig tartó nemesítés
Búza x rozs kromoszóma szubsztituciók és transzlokációk Riebesel (1920-as évek és 1931) Salzmünder Bartweizen 1BL/1RS Katterman (1937) Zorba és Markus 1BL/1RS Pm 8, Lr 26, Sr 31 és Yr 9 Sebesta (1976) Amigo 1AL/1RS Gb2, Pm 17, Lr 24, Sr 24
A búza x rozs keresztezése hagyományos nemesítéssel Az első sikeres keresztezés ( Riebesel 1924) Criewener 104/Petkus hibrid kombination a Riebesel 47-51 Az első regisztrált fajta Németországban 1957 (Halle 14-44, ST 14-44 and Neuzucht 14-44) : Pm 8, Lr 26, Sr 31, Yr 9, ). Elterjedése 1980-90-ben: évente több tízmillió hektáron termesztik világszerte Az idegen gén bevitele ellenére semmilyen élelmiszerbiztonsági vagy környezetbiztonsági probléma eddig nem merült fel
A hagyományos nemesítési módszer hátránya Hosszú nemesítési idő (33 év) Szoros kapcsoltság hátrányos génnel – ragacsos kenyértészta Új módszerek keresése Szövettenyésztés Doubled haploid nemesítés Szomaklonális variáció kihasználása
1901-2005 7 6 Yield (t/ha)
5 4 3 2 1 0
1901- 1911- 1921- 1931- 1941- 1951- 1961- 1971- 1981- 1991- 20011905 1915 1925 1935 1945 1955 1965 1975 1985 1995 2005
Új kihívások a növénynemesítésben Évi termésnövekedés a 20. század második felében (L. R. Brown 1998) A termésnövekedés lassulásának okai:
3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 1950-60
1960-70
1970-80
1980-90
1990-95
• instabil produktivitás • a beltartalmi minőség jelentősége nő • kevesebb kémiai anyag felhasználás • klímaváltozás hatásai • élelmiszerbiztonság jelentősége nő
A biztonságos élelmiszertermelés rizikója nő • • •
Szél és a szállítás miatt új agresszív rasszok terjednek el igen gyorsan világszerte Rekombinágió új agresszív patogén genotípusok létrejöttéhez járul hozzá Pathogének gyorsabban alkalmazkodnak a klímaváltozáshoz mint a növények rezisztenciája
A búza termésátlaga és a felhasznált műtrágya mennyisége Magyarországon NPK kg/ha/év
(KSH, FM, STAGEK, AKII) 1951-2004
t/ha
5
282
4,5
250
4
218
3,5
3,32
4,04
4,6
300
4,9 4,24
250
230 3,81
200
3 2,5
150
2,42
2
1,86
109
1,5 1 0,5 0
60 0,78
57 44
100 70,6 50
15 1951- 1961- 1966- 1971- 1976- 1981- 1986- 1991- 1996- 200060 65 70 75 80 85 90 95 99 04
0
Termésbiztonság növelése, nagy szezonális szélsőségek csökkentése Biotikus és abiotikus stresszrezisztencia növelése Funkcionális élelmiszer alapanyag előállítására alkalmas növényfajta Bioenergetikai célra alkalmas növények nemesítése WUE és NUE javítása Technológiai rendszerekre adaptált és/vagy nemesített fajták
Biotechnológiai eljárások a növénynemesítésben –
– – –
Szomaklonális variabilitás: kallusz, sejtszuszpenzió, protoplaszt (zigóta eredetű) kultúrákból szelektált növények genetikai determinált variabilitása Gametoklonális variabilitás: a meiozis során bekövetkező variabilitás a gaméta eredetű dihaploid növények között Mutánsok izolálása in vitro sejt- és szövettenyésztészetekben In vitro haploid indukció, felhasználása a dihaploid nemesítésben
A dihaploid nemesítés új genotípusok gyorsított előállítására
Új genetikai források gyorsított létrehozása A nemesítés idejének, a homozigóta genotípus létrehozásának és szelekciós szakasz idejének 3-4 évvel történő lerövidítése
- Új referencia populációk előállítása molekuláris genetikai vizsgálatokhoz - A transzformációs technológia hatékony eszköze homozigóta traszgénikus növény előállítására - Az in vitro dihaploid nemesítés hasznos kiegészítője a klasszikus nemesítésnek amennyiben igen szelektív kritériumok alapján kívánunk létrehozni/tanulmányozni a nemesítésben igen fontos populációkat - Az in vitro haploid sejt szelekció nem versenyképes a tudatosan bevitt gén(ek) felhasználásával végzett transzformációs technológiával
A genetikai variabilitás szélesítése molekuláris technikák alkalmazásával Molekuláris növénynemesítés: új növényi genotípusok szelekciója modern DNS technikák felhasználásával. A genotípusból kiindulva, annak célirányos megváltoztatásával hozza létre a növény fenotípusát. - Molekuláris markerek segítségével történő szelekció - Növényi géntechnológia genetikailag módosított növényfajták előállítására DNS: a növényi sejtmagban és egyes sejtorganellumokban (kloroplasztisz, mitokondrium) megtalálható örökítő anyag, amelynek az információt a nukleotidok sorrendje határozza meg.
Európai növénynemesítők és a géntechnológia módszereinek alkalmazása (Arundel et al. Nature Biotechnology, 2000) Genetikai transzformáció & hagyományos nemesítés 1999 33% 2002 49% Molekuláris marker szelekcióval kiegészített hagyományos nemesítés 1999 23%
2002 31% Hagyományos nemesítés 1999 44%
2002 20%
A kultúrnövények DNS szintű jellemzése • Teljes genom szekvenálási programok a mezőgazdaságilag fontos növényfajoknál Gén: a DNS azon szakasza, amely egy vagy több fehérje kódját és annak megnyilvánulásához szükséges regulációs szekvenciákat tartalmazza Genom: a sejtmagban található DNS szekvenciákat jelenti Növényi genom szekvenálás: a genomiális DNS nukleotid sorrendjének megállapítása Arabidopsis thaliana 800 millió nukleotid Kukorica 3,9 milliárd nukleotid Búza 17,0 milliárd nukleotid Funkcionális genomanalízis: a gének helyének meghatározása térképezési eljárásokkal
A molekuláris marker által segített szelekció előnyei Fenotípus, biokémiai és molekuláris markerek Egy tulajdonság megváltoztatására hatékony szelekció Környezeti befolyástól mentes (pl. beltartalmi tulajdonság esetén) Gén piramidálás BC felgyorsítása a rekurrens szülői tulajdonság szelektálására Patogén ritka előfordulása esetén
Géntechnológia a molekuláris növénynemesítésben Géntechnológia: a növényi sejtmagban és sejtorganellumokban (mitokondrium, plasztiszok) meglévő genetikai program megváltoztatása molekuláris genetikai módszerekkel Genetikai transzformáció: idegen származású DNS bevitele a növényi genomba hagyományos szexuális út kikerülésével, modern génátviteli módszerek alkalmazásával Transzgénikus vagy genetikailag módosított (gm) növény: a genomjába idegen származású gén bejuttatása géntechnológiai módszerrel, amely a genomba integrálódik, működik és öröklődik. Ezáltal a gm növények idegen származású fehérjét termelnek. Ciszgénikus növény: saját vagy rokon fajból származó gén bejuttatása géntechnológiai módszerrel, amely a genomba integrálódik, működik és öröklődik.
A hagyományos nemesítéssel nehezen, vagy nem megoldható változások létrehozása idegen gén bevitelével A stresszrezisztencia növelése, a termésstabilitás javítása, környezetkímélő technológiák fejlesztése Új feldolgozóipari tulajdonságok kutatása, bioaktív komponenseket tartalmazó növények előállítása Bioenergetikai célra alkalmas genotípusok nemesítése
Nemesítésben használható transzformációs protokoll Agronómiailag hasznos gén transzformáció céljára Transzformációhoz felhasználható célgenom: hagyományos nemesítéssel előállított homozigóta növény Megfelelő hatékonyságú és biztonságú promóter (a transzformált gén expressziójának mértékéért és programozottságáért felelős regulátor génszakasz) Szelekciós rendszer a transzgént tartalmazó genotípus kiválasztására Hatékony növényregenerációs szövettenyésztési rendszer a transzformált növény regenerálására
A bevitt gén stabil expresszióját szabályozza a megfelelő szövetben, növényi szervben és az egyedfejlődés megfelelő időpontjában A promóter típusa – konstitutív (pl. CaMV35S), szelektív vagy induktív (hormon által, v. vegyszeres kezeléssel, környezet által szabályozott) - függ az expresszió helyétől és idejétől Enhancer elemek: a gének kifejeződését fokozzák, növelik a promóter aktivitását
Transzgénikus növényekkel végzett kutatások Tulajdonság
Gén
BÚZA
Lisztharmat rezisztencia
Pm3
genetikai módosítás, GM növények értékelése
Fagytűrés
CBF4, 15, 12, 16
genetikai módosítás, GM növények értékelése
Sütőipari minőség
1Dx5, 1Ax1
GM növények értékelése
Tápérték
Ama1
GM növények értékelése
KUKORICA
gen. módosítás, GM növ. értékelése
Chi
genetikai módosítás, GM növények értékelése
MDMV-CP-i-PC
genetikai módosítás, GM növények értékelése
Rovar rezisztencia
Cry
genetikai módosítás, GM növények értékelése
Gyomirtószer rezisztencia
Bar, Epsps
genetikai módosítás, GM növények értékelése
Gomba rezisztencia Vírus rezisztencia
ÁRPA
•
•
Agrobacterium tumefaciens közvetítésével létrehozott transzformáció – tumort indukáló plazmid (Ti) T-DNS-e átkerül a növényi sejtekbe, integrálódik a növényi sejtmag DNS-ébe - Ti plazmidok felhasználása a génátvitelben transzformációs vektorként Direkt génbeviteli technikák - DNS bejuttatása protoplasztba kémiai vagy fizikai kezelésekkel (hősokk, PEG) - elektroporáció: elektromos impulzus révén DNS bejuttatása a protoplasztba - biolisztikus eljárással gén bejuttatása éretlen embrióba
Biolisztikus géntranszformáció Helium gas nyomás
arany részecskék
embryos on plate
vector
Regeneration and selection
A génbevitel után • 3 hét kallusz indukció sötét körülmények között • 3 hét növény regeneráció • 2×3 hét a szelekciós táptalajon • szelektált túlélő növények
Antibiotikum szelekció (kanamycin, geneticin, hydromycin, etc.) Herbicid szelekció (bar vagy phosphinitricin acetyl transferase) A szelekcióra használt marker eltávolítása Vizuális markerek használata (pl. GFP)
Szelekciós markerek • bar (PAT) as selection marker gene • uidA, GUS activity in various wheat tissues • GFP (green fluorescent protein) in callus
Felnevelés a szövettenyésztésben
kallusz
isolation
Érett vagy éretlen embriók
A regenerációs képesség több növényfajnál erősen genotípus függő
•
Mv Toborzo
Mv Emese
Cadenza
Bobwhite
Szelekció bar rezisztens genotípusokra a T1 növényeknél
A genetikailag módosított fajta nemesítése: a transzgénikus növénytől a transzgénikus fajtáig Transzformációs technológiával létrehozott transzgénikus növény regenerálása szövettenyésztéssel: diploid és haploid regeneráns, rediploidizáció Nemesítési értékkel rendelkező transzgénikus törzsek tesztelése, szelekciója Agronómiai és feldolgozóipari célra alkalmas, biztonságosan termeszthető transzgénikus fajta A molekuláris és hagyományos nemesítési módszerek együttes alkalmazása: integrált növénynemesítés
Év 1983 1986 1989 1990 1992 1993 1994 1995 1996
Növényfaj Dohány Arabidopsis Rizs Kukorica Cukornád, tavaszi búza, zab Cirok, Őszi búza Rozs, Tavaszi árpa Köles Őszi árpa, durumbúza
• • • • • •
Több generációban stabilan expresszálódó, homozigóta transzgénikus növények szelekciója Az UPOV követelményeinek megfelelő fajta, amely stabil genommal rendelkezik, és az változatlan módon öröklődik: az idegen gén stabil expressziója Esetleges negatív fejlődési rendellenességek vagy agronómiai tulajdonságok eliminálása visszakeresztezéssel az eredeti recipiens fajtával A bevitt gén a többi tulajdonságot nem befolyásolja hátrányosan Virágzásbiológiai tulajdonságai stabilak, a vetőmag biztonságosan és gazdaságosan előállítható Termesztése nem okoz környezeti és egészségügyi kockázatot, élelmiszer- és takarmány alapanyagként felhasználható
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1996
1997
1998
Forrás: Clive James, 2005.
1999
2000 2001
2002
2003
2004
2005
Millió ha
Herbicid toleráns szója Bt kukorica Bt és herbicid toleráns kukorica Bt gyapot Herbicid toleráns repce Bt és herbicid toleráns gyapot Herbicid toleráns kukorica Herbicid toleráns gyapot Összesen
Millió ha 54,4
GM % 60
11,3 6,5 4,9 4,6 3,6 3,4 1,3 90,0
13 7 5 5 4 4 2 100,0
Termés előny
Környezeti előny (USA 1997-98)
Bt kukorica
+ 10%
72% csökkenés az inszekticid használatban
Bt gyapot
+ 4.4%
46% csökkenés az inszekticid használatban
+ 5%
22% csökkenés a herbicid használatban 90% csökkenés a talajerózióban
GM növények
Roundup Ready szója
A törvény célja, hogy szabályozza az együttermesztést a gm-, a nem gm növényeknél, és az ökogazdálkodásban, valamint megakadályozza a gm növények keveredését a nem gm növényekkel Meghatározza a gm növények termesztésének, szállításának és raktározásának feltételeit Előírja a termesztésbe történő bocsátás követelményeinek dokumentációját Monitoring rendszert állít fel az ellenőrzésre
Szakképzési kurzus elvégzése Jóváhagyás megszerzése a szomszédos földtulajdonosoktól A környezetvédelmi hatóság engedélyének megszerzése a termesztéshez Izolációs távolság betartása Természetvédelmi területeken, Natura 2000 területen tilos a gm növény termesztése
Konklúzió (FAO: The state of food and agriculture, 2003-2004) A biotechnológia világszerte növeli az élelmiszertermelést Lehetővé teszi a jobb élelmiszer ellátást és többféle élelmiszer termelést A biotechnológia csökkenti a termés kiesés rizikóját Hozzájárul a tokszikus kemikáliák használatának csökkentéséhez A gm növények új generációja javíthatja az élelmiszer táplálkozási értékét FAO elősegíti a tagországok tudományos alapokon történő informálását Jacques Diouf (FAO Director General)
Alkalmazott biokémia, transzgénikus organizmusok
- Transzgénikus növényi alapanyag élelmiszerbiztonsági szabályozása (okt. 12 – Gelencsér Éva) - Transzgénikus növények környezetbiztonsági szabályozása (okt. 19 – Balázs Ervin) - Transzgénikus növények nemzetközi szabályozása, etikai kérdések Virusellenálló transzgénikus növények előállítása (okt. 26 – Balázs Ervin) - Genomikai módszerek felhasználása az abiotikus stresszellenállóság javítására (nov. 2 - Galiba Gábor) - Molekuláris markerek fejlesztése és alkalmazása (nov. 2 – Vida Gyula) - Beltartalmi tulajdonságok módosítása (nov. 9 – Bedő Zoltán, Rakszegi Mariann) -Genetikailag módosított növények kockázati kérdései (nov. 16 – Roszik Péter) - Transzgénikus növények szántóföldi kísérleti módszerei, GM növények elterjedése (nov. 16 – Bedő Zoltán)
