Nowe techniki hodowlane innowacje dla zrównoważonego i odpowiedzialnego rozwoju

Transkrypt

1 Nowe techniki hodowlane innowacje dla zrównoważonego i odpowiedzialnego rozwoju Sławomir Sowa Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin Państwowy Instytut Badawczy Warszawa

2 Zrównoważone rolnictwo środowisko społeczeństwo finanse

3 Hodowla cele zrównoważona intensyfikacja Zwiększenie plonów i produkcji zwierzęcej H O D O W L A Ochrona plonów i produktów Jakość produktów Staple crops Orphan crops

4 Wyzwania dla zrównoważonego rolnictwa Zintensyfikowanie uprawy roślin ograniczenia Zmieniający się klimat żyzność gleby (spadek zawartości materii organicznej, erozja, zagęszczanie i pustynnienie) dostępność wody, (degradacja gleby, zasolenie) dostępność składników pokarmowych (N, P, K) zagrożenia ze strony szkodników, chorób i chwastów (pestycydy, integrowana ochrona) zapotrzebowanie na energię (emisja gazów cieplarnianych, nieodnawialne źródła energii) Zróżnicowana intensywność ograniczeń kraje uprzemysłowione i rozwijające się, regiony Europy (czynniki geograficzne, społeczne i gospodarcze) dostęp do innowacji Efektem ograniczeń są rozbieżności w plonach i produkcji zwierzęcej.

5 Wyzwania dla polskiej hodowli Konkurencja firm zagranicznych Inwestycje w B+R Innowacje w hodowli Dzięki innowacyjnym technologiom hodowla staje się coraz bardziej precyzyjna i szybka co pozwala odpowiadać na zapotrzebowanie zmieniających się rynków w skali lokalnej i globalnej.

6 Światowy rozwój rynku nasion wdrażanie innowacji mld USD Nowe wymagania regulacje prawne własność intelektualna Rynek nasion konwencjonalnych Rynek nasion GM Going against the grain. Agricultural Biotechnology Council 2015

7 % na rok year Wzrost plonu - zboża Kraje rozwijające się Świat Kraje uprzemysłowione (FAO)

8 Znaczenie hodowli dla wzrostu produkcji roślin w UE (średnia) % Pszenica Kukurydza Inne zboża Rzepak Słonecznik nasiona Inne oleiste Burak cukrowy Ziemniaki Strączkowe W wielkiej Brytanii 50% wzrostu produktywności roślin to wyniki hodowli roślin w latach Od 1982 wpływ hodowli roślin na wzrost produkcyjności zbóż wzrósł do ponad 90% Steffen Noleppa The economic, social and environmental value of plant breeding in the European Union. HFFA Research GmbH /14/2017 8

9 Typy innowacji Innowacje w obrębie produktów, wiążą się ze znaczącymi zmianami w zakresie wyrobów lub usług. (zarówno całkowicie nowe wyroby i usługi, jak i znaczące udoskonalenia istniejących produktów) Innowacje w obrębie procesów to znaczące zmiany w metodach produkcji i dostarczania produktów. Innowacje marketingowe dotyczą wdrożenia nowych metod marketingowych (promocji dystrybucji, opakowaniu etc) innowacje organizacyjne dotyczą wdrożenia nowych metod organizacyjnych np. zmiany w zakresie przyjętych przez firmę zasad działania, w organizacji miejsca pracy lub w stosunkach firmy z otoczeniem Oslo Manual, OECD

10 Nowe techniki hodowlane - grupy 1. Różne warianty transformacji genetycznej 2. Edytowanie genomu poprzez kierunkową mutagenezę lub modyfikację 3. Negatywne segreganty (null segregants) Innowacje i postęp w hodowli roślin i badaniach naukowych!

11 1. Różne warianty transformacji genetycznej Szczepienie na podkładce GM Cisgeneza - Wprowadzane elementy DNA pochodzą z tego samego gatunku lub z gatunków, które mogą się krzyżować. - Elementy regulatorowe (promotor, terminator) pozostają niezmienione - Takie same zmiany mogą być teoretycznie uzyskane na drodze konwencjonalnej hodowli. Intrageneza (podobnie jak cisgeneza jednak zawiera reorganizację elementów DNA)

12 Cisgeneza wprowadzanie DNA naturalnego dla organizmu GMO? Obawy dot. bezpieczeństwa?

13 2. Edytowanie genomu poprzez kierunkową mutagenezę lub modyfikację o Miejscowo specyficzne nukleazy oparte o naturalne mechanizmy naprawy DNA (HR, NHEJ) Meganukleazy nukleazy z motywem palca cynkowego ZFN 1-3 Aktywujące transkrypcję nukleazy TALENs Bakteryjny system CRISPAR Cas9 o Mutageneza kierowana oligonukleotydami - (ODM)

14 Nukleazy z motywem palców cynkowych - (ZFNs) substytucje, insercje lub delecje w DNA genomowym ZFN 1 wprowadzane bez sekwencji naprawczej. Powstają spontaniczne mutacje jednego lub kilku nukleotydów. ZFN 2 wprowadzane wraz z sekwencjami naprawczymi. Powstają kierunkowe mutacje jednego lub kilku nukleotydów ZFN 3 wprowadzane wraz z sekwencjami genowymi. Wprowadzenie nowych genów lub wymiana genów. Sztuczne enzymy restrykcyjne. Grupa białek fuzyjnych wiążących się z DNA i tnących w określonym miejscu. Umożliwia miejscowo-specyficzne zmiany w genomie przez 2-niciowe nacięcia sekwencji. Domena tnąca DNA Domena wiążąca DNA Sigmaaldrich.com 14

15 CRISPR - Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats zgrupowane, regularnie przerywane, krótkie powtórzenia palindromiczne. Białko Cas działa jak nukleaza CRISPR-Cas9 precyzyjna edycja genomów substytucje, insercje lub delecje w DNA genomowym scalanie niehomologicznych końców DNA (NHEJ) Kierunkowa naprawa na zasadzie homologicznej rekombinacji (HDR)

16 Pierwszy produkt technologii CRISPR-Cas9. Pieczarka dwuzarodnikowa (Agaricus bisporus (J.E. Lange) Naukowcy wykorzystali technikę CRISPR/Cas9 żeby wyciszyć gen odpowiedzialny za brązowienie pieczarki po przecięciu. Dostępny na rynku USA

17 Mutageneza sterowana nukleotydami insercje, delecje, naprawy genów - Rapid Trait Development System bp

18 3. Negatywne segreganty (null segregants) Modyfikacja genetyczna jest wykorzystywana na wstępnych etapach hodowli a nowe odmiany nie zawierają wprowadzonych transgenów (wczesne kwitnienie, hodowla odwrócona) Metylacja DNA zależna od RNA (RdDM) wytworzona odmiana nie zawiera trangenów ale dziedziczy modyfikację epigenetyczną

19 Hodowla odwrócona brak zmian w DNA końcowego produktu Produkcja homozygotycznych linii rodzicielskich z rośliny (mieszańca) stosując inżynierię mejozy. Mieszaniec wyjściowy Gamety Populacja DH Odtworzony mieszaniec

20 New Plant Breeding Techniques increasing the ability for innovation I. Stable insertion of a gene. Cisgenesis and intragenesis Zinc finger nuclease (ZFN-3) Grafting (on GM rootstock) chimeric plants Agro-infiltration ( floral dip) II. Recombinant DNA is introduced temporarily to induce permanent mutation or change Zinc finger nuclease (ZFN-1, ZFN-2 ) TALE nuclease (TALENs) transcriptional activator like effector-nuclease CRISPR-Cas system clustered regularly interspaced short palindromic repeats Oligonucleotide directed mutagenesis (ODM) RNA-dependent DNA methylation (RdDM) III. Temporal introduction of chenges in the gene expression Reverse breeding Agro-infiltration (agro-infiltration sensu stricto, agro-inoculation) Innovation and progress in plant breeding and research!

21 NBT niejasna wykładnia prawa w UE Grupy robocze w UE od 2010 Konsultacje naukowe Zaangażowanie jednostek akademickich Zaangażowanie przemysłu Brak zmiany regulacji prawa w UE! Brak wytycznych dla interpretacji prawa przez Komisji Europejskiej!

22 Zielone światło w tunelu roślina CRISPR-Cas9-to mutant ale nie GMO! Szwedzka Komisja ds. Rolnictwa w odpowiedzi na pytania naukowców z uniwersytetów Umeå i Uppsala, potwierdziły w swojej opinii, że niektóre rośliny otrzymane w wyniku zastosowania techniki CRISPR-Cas9 nie są GMO wg definicji EU Arabidopsis thaliana

23 !!! Propozycja zmiany prawa dot. wprowadzania do obrotu roślin GM w USA Rozporządzenie 7 CFR cześć 340. dot. Importu, Przemieszczania Pomiędzy Stanami i Wprowadzania do Środowiska Wybranych Genetycznie Zmodyfikowanych Organizmów Służba Inspekcji ds. Zdrowia Zwierząt i Roślin (APHIS) Departament Rolnictwa Stanów Zjednoczonych Ameryki (USDA) Rozporządzenie z 1987 r. ostatnia zmiana w 2005 r. Konsultacje społeczne od do

24 Jaka zmiana w genomie nie prowadzi do GMO? Wyłączenia z prawa dot. GMO w USA 1. Modyfikacja genetyczna organizmu polega wyłącznie na delecji dowolnej wielkości lub substytucji jednej pary zasad, które inaczej mogłoby być uzyskane poprzez stosowanie mutagenezy indukowanej chemicznie lub przy pomocy promieniowania. Nie wszystkie przypadki edytowania genomu przy pomocy miejscowo specyficznych nukleaz byłyby wyłączone z regulacji dot. GMO!

25 Jaka zmiana w genomie nie prowadzi do GMO? Wyłączenia z prawa dot. GMO w USA 2. Modyfikacja genetyczna organizmu polega wyłącznie na wprowadzeniu tylko naturalnie występujących sekwencji kwasów nukleinowych pochodzących od organizmów, które mogą się krzyżować z organizmem biorcy i wytwarzać płodne potomstwo za pośrednictwem tradycyjnej hodowli. (cisgeneza?, intrageneza?) 3. Organizm jest negatywnym segregantem ''null segregant''.

26 Biotechnology and science based economy The EU adopted policies designed to promote an increased rate of innovation in agriculture and food systems We need to build bridges between research, technology and stakeholders, including farmers, industry and NGOs Science, technology and innovation promote competitiveness, productivity and sustainable growth. Innovation goes far beyond R&D!

27 Co powinno być powodem regulacji prawnych? 1. Ryzyko? Organizmy, które mogą powodować zagrożenie? 2. Nowy fenotyp? Rośliny z cechami, których wcześniej nie znaliśmy 3. Anowy genotyp? Genotyp, który nie może powstać w naturze 4. Zastosowanie konkretnej technologii? Co jeśli nowa technologia zostanie wymyślona? Aktualne prawo jest kombinacją 3 i 4. (from R. Clusters, 2016)

28 Stan prawny NBT musi być szybko wyjaśniony Europejscy hodowcy roślin chcieliby stosować NBT NBT oferują większą szybkość i precyzję oraz redukcje kosztów hodowli Przejrzysty stan prawny NBT jest podstawą do ich implementacji w hodowli UE Jeśli NBT będą regulowane przez przepisy dot. GMO ich wykorzystanie przez MŚP niemożliwe (problemy z autoryzacją, handlem i znakowaniem) Komisja Europejska musi wyjaśnić stan prawny NBT!

29 Odpowiedzialność Nauka (jakość badań) Odpowiedzialny wzrost Środowisko (produkcja z mniejszym wykorzystaniem naturalnych zasobów) Ekonomia (dostęp do innowacji dla MŚP) Polityka (regulacje prawne powinny być odpowiednie do ryzyka) Kmonunikacja (wyjaśnianie społeczeństwu na czym polega nauka innowacje) Społeczeństwo (podejmowanie decyzji na podstawie danych naukowych) Krytycy biotechnologii nazywają NBT ukrytymi GMO i przykładami wyjątkowych manipulacji genetycznych oraz naciskają na ich regulacje prawem dot GMO. Popierający biotechnologię uważają, że ich regulowanie ograniczy i spowolni innowacje.

30 Wnioski W ciągu ostatnich 15 lat powstało wiele nowych techniki hodowli roślin, wywodzących się z biotechnologii. Prawo dot. GMO nieaktualne do stanu wiedzy na temat NBT. Potencjalnie duże zalety dla hodowców, jednak zakres wykorzystania zależy od statusy prawnego. Rośliny z niektórych NBTs są bardzo blisko komercjalizacji. Dyskusje na temat kwestii prawnych NBTs są prowadzone w wielu krajach. Rozbieżności w zakresie ewentualnego statusu prawnego dla niektórych NBT są już widoczne co może spowodować duże problemy w handlu międzynarodowym.

31 Dziekuję!