Wykorzystanie zasobów genowych w hodowli roślin i pracach badawczych

Transkrypt

1 Wykorzystanie zasobów genowych w hodowli roślin i pracach badawczych Prof. dr hab. Edward Arseniuk Instytut Hodowli i Aklimatyzacji Roślin-PIB Radzików, Błonie ZASOBY GENOWE ROŚLIN UŻYTKOWYCH NA RZECZ HODOWLI ROŚLIN Kazimierz Dolny r.

2 Zwiększona troska ostatnich 2 3 dekad o ochronę i zrównoważone użytkowanie roślinnych zasobów genetycznych roślin użytkowych wynika z zaniepokojenia: trwałą i pogłębiającą się erozją genetyczną tych zasobów skutkującą zanikiem bioróżnorodności, postępującymi zmianami klimatu i skażeniem środowiska, dążeniem do zapewnienia bezpieczeństwa żywnościowego dla dość gwałtownego przyrostu populacji ludzkiej.

3 Jakie są przyczyny zmniejszania bioróżnorodności w rolnictwie: Wraz z postępem technologicznym zmniejsza się różnorodność biologiczna, co wynika z: uprawy ograniczonej liczby odmian danego gatunku na dużych obszarach, wykorzystywania już zarejestrowanych odmian jako materiału wyjściowego do hodowli następnych, jeszcze plenniejszych/lepszych jakościowo odmian przyczynia się do dalszego zawężania ich składu genetycznego, w ciągu wieków nasi przodkowie wykorzystali prawie 7 tys. gatunków roślin do produkcji żywności, paszy i surowców dla przemysłu, obecnie tylko 150 gatunków stanowi źródło żywności, paszy i włókna z czego 4 (ryż, pszenica, kukurydza i ziemniak) dostarczają 50% pożywienia.

4 W preambule do Międzynarodowego traktatu zawartego w Rzymie 3 listopada 2001 r. stwierdzono, że: zasoby genetyczne roślin dla celów wyżywienia i rolnictwa będą wykorzystywane jako wyjściowy materiał roślinny, niezbędny do genetycznego doskonalenia roślin użytkowych na drodze selekcji prowadzonej przez rolników i klasycznej hodowli roślin oraz współczesnej biotechnologii, posiadanie dużych, bogatych i dobrze opisanych kolekcji okazuje się niezbędne do osiągnięcia sukcesu hodowlanego, zasoby są także niezbędne w procesie adaptacji roślin do nieprzewidywalnych zmian środowiskowych oraz dla zaspokojenia przyszłych potrzeb człowieka.

5 Jak powstały i o czym stanowią zasoby genowe roślin użytkowych: powstały na drodze ewolucji i selekcji form dzikich, ekotypów, odmian tradycyjnych bądź miejscowych. są objęte szczególnym zainteresowaniem i troską. stanowią źródło wielu cech użytkowych, jak np. jakość czy odporność na stresy biotyczne (patogeny) czy abiotyczne. kolekcje nasion tworzą bank genów, bowiem interesują nas nie tyle same nasiona, ile zawarta w nich informacja genetyczna, tj. geny stanowiące o dziedziczeniu cech użytkowych. Nasiona to tylko opakowanie DNA.

6 Badania naukowe znaczenie biotechnologii i inżynierii genetycznej w hodowli roślin. hodowla roślin to proces ciągły w którym różnorodne zasoby genetyczne stanowią istotny wkład w podnoszenie wielkości i jakości produkcji rolniczej, Źródło: Reports on Crop Genetic Resources-USDA-ERS.

7 Rola nauki, wdrażanie nowych technik i technologii (biotechnologia i inżynieria genetyczna) do hodowli roślin (1). rozwój biotechnologii i inżynierii genetycznej poszerzając pulę genetyczną roślin dla potrzeb hodowli zwiększa zapotrzebowanie na zasoby genetyczne, podstawowym celem inżynierii genetycznej jest uproszczenie procesu wprowadzania nowych cech do odmian roślin użytkowych, zastosowanie inżynierii genetycznej i innych (bio-) technik, np. markerów molekularnych ułatwia wprowadzanie korzystnych cech z odmian miejscowych i gatunków pokrewnych do nowych odmian rolniczych, tym samym upraszcza i przyspiesza proces hodowlany, rośliny w swoim DNA posiadają wiele genów nieaktywnych, bez ekspresji, które po uaktywnieniu mogą być przydatne w hodowli, naukowcom pozostaje więc uaktywnienie i określenie przydatności tych genów do hodowli nowych odmian.

8 Rola nauki, wdrażanie nowych technik i technologii (biotechnologia i inżynieria genetyczna) do hodowli roślin (2). Badania naukowe, w tym biologia molekularna, genomika, fenomika, metabolomika i inne nowoczesne dyscypliny naukowe redukują koszty poszukiwań i ułatwiają identyfikację użytecznych genów w zasobach genowych roślin. Dla przykładu, czego dotyczą prace badawcze z zakresu genomiki dotyczą m. in.: 1) mapowania genomu, 2) sekwencjonowania DNA, 3) identyfikacji użytecznych genów, 4) badania genetycznej zmienności wewnątrz gatunków, 5) badania genetycznego podobieństwa, 6) określania funkcji i struktury genów, syntezy białek i ścieżek metabolicznych, 7) badania interakcji i regulacji genów, w tym ich aktywacji i wyciszania.

9 Dla jasności: Współczesna hodowla to ukierunkowana ewolucja roślin uprawnych z przewagą selekcji sztucznej nad naturalną wykorzystująca: 1. nowoczesne metody korekty genotypu roślinnego, 2. kierunki użytkowania, 3. aktualne potrzeby społeczeństwa i rolnictwa, 4. potencjał biologiczny i genetyczny roślin. Odmiany w najtańszy sposób przyczyniają się do zwiększenia i rozwoju produkcji rolniczej. Łatwiej i taniej jest dostosować roślinę do środowiska, niż odwrotnie.

10 Przykłady wykorzystania materiałów kolekcyjnych na przykładzie pszenicy (według pracowników KCRZG) W latach ze wszystkich krajowych kolekcji przechowujących zasoby genowe roślin dla wyżywienia i rolnictwa, zarówno in situ jak i ex situ, udostępniono: ok prób firmom hodowlanym, ok prób instytucjom naukowym, ok prób rolnikom, organizacjom rolniczym i samorządom. Ponad 90% udostępnionych prób stanowiły materiały genetyczne ziemniaka, Od roku 2008 wykonano łącznie testów żywotności nasion przechowywanych. Źródło: Rolnictwo XXI wieku problemy i wyzwania

11 Gatunek, sposób i powód wykorzystania. Orkisz, Triticum spelta L. 5 odmian, 3 są zarejestrowane i uprawiane; posiada wysoką koncentrację składników pokarmowych, stosowana w dietach leczniczych. Wartość odżywcza Pszenica orkisz, surowa (w 100 g produktu) Wartość energetyczna 1414 kj (338 kcal) Białko 14,57 g Węglowodany 70,19 g Tłuszcze 2,43 g Woda 11,02 g Witaminy Mikroelementy Dane liczbowe na podstawie: USDA National Nutrient Database for Standard

12 Gatunek, sposób i powód wykorzystania. Samopsza, Triticum monococcum L. 1 odmiana ozima uprawiana na ok. 100 ha; 2 odmiany jare, obecnie namnażane; posiada wysoką zawartość substancji bioaktywnych; stanowi żywność funkcjonalną, prozdrowotną. Pszenica samopsza (Triticum monococcum L.) gatunek zbóż z rodziny wiechlinowatych. Uprawiana dawniej na obszarach od Atlantyku po Persję. Zasięg naturalny obejmuje region Kaukazu, Iran, Afganistan, Azję Mniejszą, Bałkany, Krym. Jako gatunek mało plenny, T. monococcum jest uprawiany na górzystych terenach Zakaukazia. Ziarno zebrane w wąskim spłaszczonym kłosie. Kłos ościsty, dwurzędowy z bródką. Słoma bardzo delikatna. Aby ziarno mogło nadawać się do spożycia, musi zostać poddane łuskaniu oraz ewentualnie bieleniu.

13 Gatunek, sposób i powód wykorzystania. Płaskurka, Triticum dicoccum (Schrank) Schübl. 1 odmiana ozima, uprawiana w 5 gospodarstwach koło Brodnicy, w woj. warmińsko-mazurskim, areał uprawy 15 ha, Pszenica starsza niż orkisz o cennych właściwościach odżywczych. Płaskurka należy do grupy pierwotnych zbóż, tzw. farro do których zaliczamy również twarde pszenice typu samopsza i orkisz. Należy do najmniej kalorycznych zbóż (335 kcal w 100 g), co w połączeniu z jej niskim indeksem glikemicznym znacznie. wpływa na redukcję masy ciała oraz stabilizację poziomu glukozy

14 Trzy techniki badania odporności ozimych odmian pszenicy, pszenżyta i orkiszu na inokulację Stagonospora nodorum.

15 Charakterystyka zasobów genowych prace przedhodowlane Fenotypowa reakcja 34 obiektów pszenic jarych z Banku Genów w doświadczeniu polowym na porażenie Parastagonospora nodorum czynnik sprawczy septoriozy liści i plew zbóż. Lp. LINIA wszes. śrd. LINIA wys. śrd. LINIA NL- śrd LINIA NK- śrd 1. CARGIFLASH 158 CARGIFLASH 95 T. aethiopicum 4,0 T. sphaerococcum 4,1 2. HELA / T. aethiopicum 4,1 T. aethiopicum 4,3 3. K-1/755/ T. aethiopicum 107 T. sphaerococcum 4,2 K-1/799/84 4,5 4. K-1/757/ Trit. monococcum 115 T. sphaerococcum 4,5 K-1/824/84 4,5 5. K-1/774/ T. sphaerococcum 118 K-1/799/84 4,7 T. aethiopicum 4,5 6. K-1/786/ T. sphaerococcum 120 K-12/790/84 4,7 T. aethiopicum 4,5 T. sphaerococcum 7. K-1/787/ Dickson J.G v. votudatumeum 4,7 K-2/783/84 4,7 8. K-1/799/ T. monococcum 125 T. aethiopicum 4,7 K-1/774/84 4,8 T. sphaerococcum v. 9. K-1/824/ votudatumeum 128 K-10/790/84 4,8 K-1/797/84 5,0 10. K-1/825/ K-1/825/ K-2/782/84 4,8 K-1/860/84 5,0 11. K-1/875/ K-10/790/ CARGIFLASH 5,0 K-2/782/84 5,0 12. K-10/790/ K-1/755/ DICKSON J.G ,0 DICKSON J.G ,0 13. K-12/790/ K-2/783/ K-1/757/84 5,1 K-10/790/84 5,1 Średnio podatne 14. K-14/790/ T.monococcum 132 K-1/824/84 5,2 T. sphaerococcum 5,1 15. K-2/782/ K-1/825/84 5,2 K-1/755/84 5,2 16. K-2/783/ T. aethiopicum 132 K-14/790/84 5,2 K-1/757/84 5,2 17. DICKSON J.G T. aethiopicum /97 5,3 K-1/800/84 5,2 18. T. sphaerococcum 158 K-1/800/ K-1/755/84 5,3 K-12/790/84 5,2 Podatne

16 Fenotypowa reakcja 34 obiektów pszenic jarych Banku Genów w doświadczeniu polowym na porażenie Parastagonospora nodorum czynnik sprawczy septoriozy liści i plew zbóż. Lp. LINIA wszes. śrd. LINIA wys. śrd. LINIA NL- śrd LINIA NK- śrd 19. T. sphaerococcum 158 K-1/875/ K-1/800/84 5,4 K-1/825/84 5,3 T. sphaerococcum v. 20. votudatumeum 158 K-1/774/ HELA 5,5 K-1/787/84 5,3 21. T. aethiopicum 158 K-1/787/ K-1/797/84 5,5 K-1/875/84 5,3 22. T. aethiopicum 158 K-14/790/ TR. SPELTA 5,5 K-14/790/84 5,3 23. T. aethiopicum 158 T. spelta 135 K-2/783/84 5,6 T. sphaerococcum v. votudatumeum 5, / K-1/757/ K-1/787/84 5,7 CARGIFLASH 5,5 25. K-1/800/ K-1/786/ K-1/860/84 5,7 HELA 5,7 26. K-1/860/ K-1/797/ K-1/774/84 5,8 K-1/786/84 5,7 27. K-1/797/ K-1/799/ , ,7 28. Trit.monococcum 162 K-2/782/ Trit.monococcum 6, /97 5,9 29. Trit.monococcum 162 K-1/860/ K-1/786/84 6,3 T. spelta 6,5 30. Trit.monococcum 162 K-12/790/ T. spelta 6,4 Trit.monococcum 6,5 31. T. spelta 172 T. spelta 138 K-1/875/84 6,5 Trit.monococcum 6,5 32. T. spelta Trit.monococcum 6,6 Trit.monococcum 6, HELA 140 Trit.monococcum 6, , K-1/824/ ,0 T. spelta 7,3 Odporne Średnio odporne

17 Ocena reakcji na porażenie linii introgresywnych pszenżyta przez S. nodorum w warunkach polowych i w stadium siewki WYNIKI

18 Rozkład czasu inkubacji septoriozy w dniach na 5tym liściu siewek introgresywnych linii pszenżyta 25 y = 72 * 0,5 * normal (x; 3,9; 0,6) Number of tcl lines (n = 72) LT 176/10 = 3,0 LT 522/6 = 3,2 D. Zlote = 4,4 T. monococcum = 4,7 0 <= 3 (3;3,5] (3,5;4] (4;4,5] (4,5;5] (5;5,5] > 5,5 Incubation period (Days)

19 Rozkład czasu utajenia (latencji) septoriozy w dniach na 5tym liściu siewek introgresywnych linii pszenżyta Number of tcl lines (n = 72) y = 72 * 0,5 * normal (x; 19,9; 1,2) LT 522/6 LT 176/10 T. monococcum Rye cv. Dank. Zlote 0 <= 15,5 16,0 17,0 18,0 19,0 20,0 21,0 => 22 Latent period (Days)

20 Rozkład stopnia porażenia septoriozą 5tego liścia siewek introgresywnych linii pszenżyta Number of tcl lines (n = 72) Rye cv. Dank. Zlote = 2,3 T. monococcum = 4,5 LT 522/6 = 7,8 LT 176/10 = 8,7 0 <= 2 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 7,5 =>8,5 Phenotypic values on 1 (resistant) - 9 (susceptible) scale

21 12 Rozkład stopnia porażenia septoriozą liści roślin introgresywnych linii pszenżyta w polu. y = 37 * 0,2 * normal (x; 4,4; 0,39) Number of tcl lines (n = 37) T. monococcum LT 522/6 Rye cv. Dank. Zlote 0 <= 3,6 3,9 4,3 4,7 5,1 5,5 5,9 Phenotypic values on 1 (resistant) - 9 (susceptible) scale

22 15 Rozkład stopnia porażenia septoriozą plew roślin introgresywnych linii pszenżyta w polu. y = 37 * 0,5 * normal (x; 2,5; 0,6) Number of tcl lines (n = 37) Rye cv. Dank. Zlote T. monococcum LT 522/6 0 <= 1,5 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 > 4 Phenotypic values on 1 (resistant) - 9 (susceptible) scale Wniosek: Odporność na septoriozę liści i plew może być trwale przeniesiona z Triticum monococcum do pszenżyta.

23 Wykorzystanie w hodowli gatynków pokrewnych Pochodzenie genów i QTLi w genomie ziemniaka warunkujących odporność niektórych linii ziemniaka na P. infestans. gen Rpi-phu1 pochodzi z S. stenotomum x S. phureja na IX chromosomie, gen Rpi-mch1 pochodzi z S. michoacanum na VII chromosomie. Geny Rpi-mch1 zmapowano technologią DArT technology, jedna z pierwszych map genomu ziemniaka z markerami DArT. gen Rpi-rzc1 pochodzi z S. ruiz-ceballosii na chromosomie X. (DArT technology), QTL z odpornością na P. infestans pochodzi z mieszańca S. Microdontum i S. verrucosum. Source: E. Zimnoch-Guzowska, IHAR-PIB Center Młochów

24 Efektywność wykorzystania zasobów genowych w praktyce hodowlanej (1) niezadowalająca, brak stabilnego finansowego wsparcia programów hodowlanych znacznie ogranicza popyt na zmienność genetyczną, jaką można by wydobyć z banków genów, ze względu na nakład pracy i wydłużanie cyklu hodowlanego hodowcy niezbyt chętnie sięgają po material genetyczny zgromadzony w BG, dlatego podnoszenie wiedzy hodowców o roli i znaczeniu zasobów genetycznych roślin ma podstawowe znaczenie dla ich naukowej chrakterystyki i wykorzystania w praktyce hodowlanej.

25 Efektywność wykorzystania zasobów genowych w praktyce hodowlanej (2) ustanowienie systemu kontroli rynku nasiennego z udziałem hodowców może być czynnikiem przesądzającym o zwiększeniu popytu na wykorzystanie zasobów genowych w hodowli, dla przykładu, rynek nasienny w Polsce w olbrzymim stopniu pozostaje poza kontrolą hodowców i nie zwiększa ich przychodów, stabilny system finansowania zachęcałby hodowców do podejmowania ryzyka i trudu krzyżowania gatunków oddalonych,

26