Hodowla roślin
Postęp hodowlany w produkcji roślinnej - wczoraj dziś jutro
Sławomir Podlaski
Zaliczenia testowe
Pytanie - kilka zdań odpowiedzi
1 termin obowiązkowy.
Hodowla roślin jako nauka i działalność gospodarki.
Ten kto ma chleb ma wiele problemów
Kto nie ma chleba ma tylko jeden problem
(przysłowie bizantyjskie).
Nauka
Ulepszanie dziedzicznych cech roślin - genetycznych cech roślin uprawnych
Działalność gospodarcza
Bardzo opłacalna
Hodowla roślin jedna z najbardziej innowacyjnych dziedzin nauki ponieważ przeznaczają około 12% dochodów na nowe badania.
Hodowla odmiany populacyjnej - 2mln dolarów
Hodowla odmiany mieszańcowej - 5mln dolarów.
Dzielimy na zachowawczą i twórczą.
Hodowla roślin kształtuje ROŚLINĘ a nie środowisko jak reszta nauk
Hodowca jest artystą a nie rzemieślnikiem.
Potrzebny jest mu instynkt
Żeby uzyskać odmianę ziemniaka uzyskać trzeba pół miliona siewek.
Udział Hodowli w podnoszeniu plonu
Odmiana decyduje o przyroście plonu od 50 do 70%
Reszta czyli 30% to pozostałe czynniki.
Jakoś produktu
Hodowla podnosi prawie o 100%.
Nowe odmiany powstają dzięki postępowi hodowlanemu
Postęp hodowlany -polega na zwiększaniu wielkości, jakości i stabilności plonów roślin oraz produktywności zwierząt w wyniku ich hodowli oraz lepszego poznania biologicznego i ekonomicznego wpływu czynników warunkujących wielkość, jakość i stabilność produkcji rolniczej.
Postęp hodowlany można zdefiniować jako poprawę genetycznych właściwości roślin, populacji ( odmian) w określonym czasie.
Z Gorczycy polna (dzika): Selekcja naturalna i sztuczna do prowadziła do.
Kalafior - sterylność kwiatów.
Brokuły - zahamowanie rozwoju kwiatu.
Kapusta - zahamowanie wzrostu między wieźli
Jarmusz - powiększenie wielkości liści
Kalarepa - powiększenie bocznych merystemów
Postęp biologiczny, społeczny , kulturalny jest sprzężony z postępem biologicznym
Jeśli rolnictwo wyprodukuje wystarczającą ilość żywności - powstaje szansa na rozwój kultury i postępu biologicznego.
Ludność Anglii 6mln około 1300, 1600, 1750.
Ziemniaki nie dały się palić armie nie były w stanie ich niszczyć
Byt określa świadomość, (Karol Marks)
1845, 1846, 1848 - porażenie ziemniaka przez zarazę ziemniaczaną w Irlandii. 1mln ludzi umiera z głodu, 1mln emigruje do ameryki.
Trzy etapy kształtowania się postępu biologicznego
1.Od neolitu (10tys lat temu) do pierwszej połowy XIX wieku
Udomowienie roślin
Jest to proces polegający na tym że człowiek zauważy zależność między siewem a plonem
Są to rośliny które nie przetrwają w środowisku dzikim bez pomocy ludzi.
Motorem zmian cech roślin była selekcja naturalna działająca w łanie roślin i selekcja sztuczna wywołana przez człowieka
Selekcja naturalna
Zmniejszenie lub wyeliminowanie spoczynku nasion.
Preferowany szybszy wzrost - przyśpieszenie wzrostu
Wyrównanie kwitnienia, dojrzewania
Wyeliminowania osypywania
Selekcja sztuczna dokonana przez człowieka
Wyeliminowanie cech niepożądanych np. smak, kolor
Wycinanie lasów więcej ziemi.
W czasach nowożytnych wzrost produkcji rolniczej następuje poprzez zwiększanie powierzchni ziemi uprawnej oraz w technice upraw
Postęp hodowlany wyrażał się w zmianach gatunkowych uprawianych roślin będących wynikiem ich udomowienia bądź aklimatyzacji
Udomawianie roślin trwało przez około 7tys lat, pojawiło się pewne zawężenie roślin hodowanych
Wzrost wielkości nasion lub owoców pod wpływem selekcji naturalnej i sztucznej
2.Od drugiej połowy XIX wieku do lat dziewięćdziesiątych XX wieku ( do 1996r pierwsze pojawienie się GMO)
Dominuje hodowla buraka cukrowego i w mniejszym zakresie ziemniaka
Napoleon zarządził blokadę kontynentalną co wiązało się z brakiem cukru z trzciny cukrowej
AJ 1 - Polska odmiana 23% cukru przy plonie 20 t 1923r.
Dzisiaj 18% cukru ale plonują 60t
Wzrost plonów kukurydzy
Na początku XX wieku wykrywa się zjawisko Heterozji czyli bujności mieszańców 1930 - 1965 - przyrost plonu 63kg na rok w Ameryce
Od 1967 - wzrasta plon 100kg na rok
Pewne odmiany kukurydzy mają dużo więcej tryptofanu i kukurydzy
Wasal i Wasil - wynaleźli kukurydzę
W latach dziewięćdziesiątych pojawia się Quality Protein Maize (QPM)
Rzepaki dwu zerowe. Mutant karłowy NDF 1 poprawia współczynnik plonowania pozbawione glukozyn
Triticale 1970
Zielona rewolucja Norman Borlaught - pierwszy który dostał nagrodę nobla za Hodowle roślin
Nowe odmiany pszenicy, ryżu, kukurydzy i innych zbóż charakteryzuje się następującymi cechami
Niewrażliwość na fotoperiodyzm
Odpornością na choroby (rdze)
Wysokim plonowaniem
Wysokie nakłady
Odmiana poznana w Japonii Norin 10
Postęp Hodowlany zachodzi dzięki
Odkryciu w wykorzystaniu efektu heterozji
Odkryciu genów karłowatości
Lepszemu wykorzystani bioróżnorodności.
Zmiana znaczenia kierunków hodowli
Traci na znaczeniu hodowla zwiększająca plon
Rożne znaczenie hodowli jakościowej i odpornościowej.
Rośnie szybkość transmisji postępu hodowlanego do praktyki
Polska wyjątkiem
Wymiana sadzeniaków 3% nasion zbóż 5%
Finansowanie polskiej hodowli w latach 1995 - 2005 - 0,5mld zł
Zwiększa się obszar plantacji nasiennych odmian zagranicznych.
3.„Genowa rewolucja” - Od Zielonej do genowej rewolucji
Pojawienie się organizmów transgenicznych w 1996 r.
Poszerzenie wykorzystanej zmienności genetycznej z całej przyrody ożywionej
Złoty ryż wzbogacony jest w beta- karoten,
Żelazo, witamina E cynk o lepszej jakości białka
Od 1996 do 2005r powierzchnia upraw transgenicznych wzrosła z 1,7mln do 90mln ha
Soja 54.4mln ha(60%)
Kukurydza 21,2mln ha24%
Bawełna 9,8mln 11%
Rzepak 4.6mln ha 5%
80% odporności na herbicydy totalne
11% odporność na owady
Nowe formy podwójnie zmodyfikowane
Odmiany transgenicznie uprawiane głównie w USA i Argentynie
W Europie Rumunia i Hiszpania, Czechy, Francja, Niemcy, Portugalia
Postęp hodowlany w przyszłości będzie determinowany przez:
Zwiększenie powierzchni upraw odmian transgenicznych
Europa ma pieniądze aby inwestować w rośliny transgeniczne
Koszt jednej odmiany transgenicznej około 60mln$
Firmy sprzedają taniej niż koszty hodowli (około 30% ceny)
Silniejsze zintegrowanie klasycznej hodowli i biotechnologii
Czynniki socjologiczne polityczne i ekonomiczne determinujące akceptację form transgenicznych poprzez społeczeństwo.
Genetyka zajmuje się przenoszenie cech głównych
Słabe ale kumulatywne geny interesują rolników
Możliwość regulowania miejsca ekspresji
W odpowiednie miejsce - tkankę, organ
Ziemniak odporny na stonkę - białko BT tylko w liściach
Brak tego białka w bulwach - nie zjadamy go
Konieczność uzyskania większej precyzji - jeśli chodzi o miejsce w genomie gdzie transgen zostanie wprowadzony
Możliwość wyboru i sterowania miejsca gdzie transgen powinien się znaleźć
Olbrzymie znaczenie ma poznanie genomu roślin
Zboża są znacznie bliżej spokrewnione niż sądzono
Oddzieliły się one od siebie 50 do 70mln temu
Zasiedlają różne rejony świata
Poznano genom ryżu 430mln par nukleotydów
Bez zrozumienia fizjologiczno - biochemicznych procesów determinujących wielkość i jakości plonu wiara, że biotechnologia pozwoli skoncentrować w jednej roślinie „geny plonowania” jest złudna
Duża część ludności nie nadąża mentalnie za zachodzącymi zmianami.
Strach pobudzany przez media
Plon zwiększa się o 1-2% poprzez wprowadzenie nowych odmian
Jedna odmiana jest tworzona przez około 12lat - a ludność w ciągu roku przyrasta około 1,5%
Dlatego głównie postawimy na jakość a nie ilość.
Rzepak - biopaliwa
Wraca nowe
Rząd w projekcie ustawy proponował zakazanie prowadzenia badań nad organizmami transgenicznymi
Jasif Dżugaszwili poprzez „ojca” Agrobiologii T. Łysenko zakazał prowadzenia badań i nauczania genetyki.
Czy „Złoty Ryż” zapobiegający ślepnięciu 1400 dzieci dziennie to koń trojański Biotechnologii czy sposób na przezwyciężenie chorób i niedożywiania?
Historia Polskiej Hodowli
1870r. J. Dobrzański - Pierwsza Firma hodowlana. Burak cukrowy, macher burak pastewny
1880r. Aleksander Janasz - Tworzy firmę która zajmuje się hodowlą buraków i pszenicy
AJ1 - nie pobita 23% zawartość cukru
AJ2
AJ3
AJ4
Kupują farmę w Oregonie
1886. Konstanty Buszczyński i synowie KBS
Kupuję farmę w Anglii - Bush - Johnson w czasie międzywojennym
Koniec XIX w. Handel nasionami nasilił się
1876 - Antoni Sempołowski
Tworzy pierwszą stację oceny nasion
Do 1964r. Tracą kontakty z zagranicą
Triticale - pszenżyto - mieszaniec międzygatunkowy.
Po roku 1990 rolnictwo jest finansowane w 60% przez prywatne firmy.
Firmy są państwowe - brak kapitału brak prywatyzacji
Wady konwencjonalnej hodowli roślin
Nie jesteśmy w stanie spowodować aby do potomstwa weszły tylko te geny które chcemy
W inżynierii genetycznej możemy przekazać tylko jeden gen
Losowe rozejście się chromosomów
Crossing-over
Nad tym który plemnik dokona zapłodnienia
Geny które mogą być przenoszone |
Każdy gen z każdego gatunku |
Tylko geny tego samego gatunku lub spokrewnionego gatunku |
Metoda transferu genów |
Genetyczna inżynieria |
Hybrydyzacja (krzyżowanie), selekcja |
Czas do otrzymania nowych roślin |
Mniej niż 2 lata |
Więcej niż 2 lata (3-4lata) |
Koszt |
Wysoce kosztowna |
Tańsze |
Technologie |
Wysoce wyszukane |
Proste |
Efekt odmiany do około 50% wzrost plonu - odmiana to najtańszy środek produkcji
Reszta to ochrona roślin, nawozy, uprawa itd.
Jeśli chodzi o cechy jakościowe to odmiana daje praktycznie 100%
Postęp w nowych odmianach trawy
Trawniki
Powinny wolno odrastać, na głębokości 20cm wkopać plastikową siatkę, gęsta
Na boiska
Odporne na rozrywanie, szybko rosnące(?), nie gęste, zbite,
Na lotnisku
Żeby samolot się nie wbił darń, twarda, gęsta
Pastwiska
Szybko odrasta, odporna na podgryzanie, nie zakwitająca
Wspólna polityka Rolna
Zmniejszenie produkcji roślinnej
Rolnictwo Ekologiczne
Agroturystyka
Wizualny wygląd farmy
Zarobki większe niż ze zbiorów
Przymusowe odłogowanie
Rolnictwo przestaje być miejscem, gdzie produkuje się pasze i pożywienie
Nowoczesne rośliny energetyczne
Do 2010r 7,5% elektryczności ma pochodzić ze źródeł odnawialnych
W Polsce 10tys ha 70% - wierzba 30- Róża
Benzyna syntetyczna - Metoda Fisher -Tropsh
Etanol 90% sprzedaży energii na świecie
Biopaliwa są ciągle droższe od zwykłej benzyny
Technologia uzyskiwania z celulozy Nowoczesna
Ze ścieków które zwierają 60% materii organicznej
Żywność, pasza, rolnictwo ekologiczne, energetyczne, farmaceutyki
Hodowla roślin nadal będzie polepszała jakość i ilość produkowanych ale stoją przed nią nowe zadania rośliny energetyczne, i rośliny dla rolnictwa Ekologicznego.
Nano materiały - oddziaływają na materie ożywiona.
Genom - założenie informacji genetycznej żywego organizmu
Genom to całkowity DNA komórki obejmujący zarówno wszystkie geny, jak i odcinki między genowe
X - liczba genomowa chromosomów
n - liczba genetyczna chromosomowa
2n - liczba chromosomów w komórce somatycznej
Informacja genetyczna większości organizmów zaliczanych do królestwa zwierząt zawarta jest w dwóch walizeczkach choć ściśle ze sobą współpracujących genomach w jądrowym i mitochądrialnym
Informacja genetyczna organizmów zielonych zawarta jest w trzech genomach - mitochondrialnym, chloroplastowym, jądrowym.
Autopoliploidy - podwojony genom (2n podwajamy do 4n) 4n(tetra poliploidy)
Dzięki bioróżnorodności następuje EWOLUCJIA
Jest to sprawa zasadnicza dla hodowli i paradoksalnie niszczy bioróżnorodność
Pojawia się ogromna zmienność roślin w każdym ekotypie
Do połowy XIX w. istniała tendencja do zwiększania zmienności genetycznej
Homogenizacja odmian z punktu widzenia odbiorcy jest jedną z najważniejszych cech
Prowadzi to do obniżenia kosztów produkcji
Jest to bardzo niebezpieczne z powodów pojawiania się szkodnika i wtedy cała plantacja jest niszczona.
Kukurydza mieszańcowa(TEXAS) - Helmintosporium maydis - w ciągu roku zostało zakażone wszystkie plantacje .
Wszystkie buraki mają gen jednonasienności i męskiej sterylności z USA
Wszystkie pszenice mają gen Norin 10.
Najbardziej zmienne są panmiktyczne populacje obco pylne
Bardzo mało zmienne są samopylne
Najmniej zmienne są odmiany mieszańcowe F1 - są jednolite pod względem gentycznym
Im Bardziej nowoczesna odmiana tym mniejsza zmienność gentyczna
Hodowla roślin której najbardziej zależy na różnorodności genetycznej, przyczyniła się do redukcji różnorodności.
Wszystkie odmiany upodobniają się
Zubożenie puli genetycznej
Dowody historyczne i rodowodowe
Brak postępu (niewielki postęp) w przypadku niektóry rośli
Soja i Ziemniaki - Stagnacja jeśli chodzi o plonowanie
Arabica odmiana krzewu kawy
Miliony krzewów z jednego
Drzewo kauczukowe w Malezji z 21 siewek z Brazylii
Nie więcej niż 6 linii wsobnych dało początek odmianom kukurydzy
Hodowla to pogoń za nowymi genami
Stare geny lub geny z innych organizmów
Sposoby określania zmienności fenotypowej i genetycznej
Fenotypowe
Podzielić osobniki w klasy
Policzyć liczebność klas
Średnia wartość cech
Odchylenie standardowe
Zmienność genotypem
Sposób dziedziczenia
Środowisko
Dziedziczenie Alleliczne(dominacje, niepełna dominacja, nad dominacja, kodominacja (grupa krwi)) i nie alleliczne(epistaza)
Rozwój biochemii pozwala bez potrzeby większej ingerencji
Klasyfikacja istniejącej puli genowej
Kryterium które pozwala nam określenie danego
Homologia chromosomów
Jeśli nie ma homologi nie ma crossing-over
Człowiek nie krzyżuje się z żadnym innym organizmem
Z komórki jajowej można wypchnąć jądro i włożyć jądro komórki somatycznej.
Z komórki jajowej otrzymuje się normalnego osobnika
Informacja genetyczna jest nieśmiertelna.
Płodność
Pierwsza - Podstawowa pula genową tworzą gatunki bardzo blisko spokrewnione ze sobą jest płodna chromosomy koniugują bez problemu
Segregacja potomstwa zgodnie z prawami z Mendla
Druga F1 płodne tylko w pewnym stopniu, reszta sterylna.
Transfer genów umożliwiony tylko przy określonych warunkach
Trzeciorzędowa F1 - częściowo niepłodne
Transfer genów możliwy tylko za pomocą wyspecjalizowanych
Czwarto - wszystkie geny na świecie.
Genetyczne modyfikacje.
Zmienność genetyczna nie jest równa na całym świecie
Centra genetyczne (Bawiłow)
Miejsca gdzie zmienność genetyczna roślin jest największa
Centra dla Kukurydzy
Ameryka południowa
Jukatan
Pszenica
Środkowy wschód
Rzepak (Kapustne)
Europa
Metody zachowania zmienności genetyczne
Tworzenie naturalnych parków genów
Tworzone w centrach
Banki genów
Kolekcje przeznaczone do długotrwałego przechowywania zasobów
Kolekcje aktywne przeznaczone do średnio terminowego przechowywania i roślin
Kolekcje robocze hodowców
Najczęściej przechowywane są nasiona
Nasiona ortodoksyjne - żywotność przedłuża się wraz ze spadkiem temperatury wilgotności i ilości tlenu
Nasiona nieortodoksyjne - nie znoszą obniżenia wilgotności
Jakie części mogą być przechowywane
Nasiona
Pyłek
Kultury tkankowe
Nasienie
Zarodki zwierzęce i ludzkie mogą być przechowywane w azocie
Prof. Malinowski - przewodniczący międzynarodowego koła genetycznego.
Wszystkie te rewolucje prowadzą do uprawy roślin o niesamowitych właściwościach
Przyrost plonu
Pojawienie się odmian nie występujących w naturalnym środowisku.
Rolnik indiański stosował selekcję indywidualną a w europie stosowano selekcję masową
Selekcja masowa - wybieramy rośliny i wszystko idzie do jednego worka
Selekcja indywidualna - zebrane nasiona z każdej rośliny wysiewamy osobno
Dziedziczenie cech związanych z udomowieniem roślin
Względnie prosta genetycznie kontrolna cechy roślin związanych z udomowieniem
Stąd
Proces udomowienia względnie szybki 200 -1000lat
Genom kukurydzy 59tys genów tylko 1200 Genów było celem selekcji
Tylko 3500 roślin dało początek roślinom kukurydzy uprawianym dzisiaj
Udomowienie teosinte - efekt kilku mutacji w 5 miejscach genomu kukurydzy
Zmniejszenie osypywania ziarna ryżu - pojedyncza mutacja
Właściwości autopliploidów - fenotypowe
U autopoliploidów - genom jest zwielokrotniony ( ten sam genom jest zwielokrotniony)
Charakteryzują się większymi komórkami, co często prowadzi do wytworzenia większych organów, nasion, owoców, kwitów, liści i pędów.
Grubsze liście, krótsze i mniej szerokie, ulistnienie jest często ciemniejsze i błyszczące
Większe komórki przyszparkowe zawierają więcej chloroplastów
Niektóre ziarna pyłku są większe
Wolniejszy jest wzrost, późniejsze dojrzewanie i czasami krótszy
Płodność u autopoliploidów jest często gorsza odpowiadającym im diploidów z tego względu produkcja nasienna
Wzrost łagiewki pyłkowej 4x jest często wolniejszy niż u roślin 2x
U osobników diploidalnych mamy idealna mejozę - ponieważ tworzą się biwalenty i następuje idealny podział mejotyczny prowadzący do powstania 4 gamet
Poliploidyzacja mitotyczna i mejotyczna - Jak uzyskujemy autopoliploidy
Mitotyczna poliploidyzacja
Podczas mitozy podział chromosomów staję się wrażliwy na czynnik jak:
Gorąco, zimno, środki chemiczne( eter, chloroform, kolchicyna - alkaloid znajdujący się we wszystkich częściach roślin Ziemowita jesiennego) gaz rozweselający(N2O) pod wysokim ciśnieniem)
Temperatura, promieniowanie UV, - im wyżej i zimniej tym więcej poliploidów
Związki te oddziaływają na wrzeciono kariokinetyczne. Podział chromosomów zachodzi , chromatydy nie są rozciągane do biegunów, wrzeciono nie funkcjonalne, później, centromery się dzielą nie formuje się ściana komórkowa chromosomy są podzielone lecz nie dzieli się komórka
Konsekwencje genetyczne dotyczące mitotycznej poliploidyzacji
Każdy chromosom w wyniki poliploidyzacji wyszukuje swojego partnera
To samo dotyczy genów położonych na chromosomach
Zdublowane dawki każdego allela nie zawsze korzystnie oddziaływają na wszystkie cechy np. płodność jest niższa, plon części wegetatywnych w większości przypadków jest niższy niż u diploidów
Próba wyjaśnienia - przez identyczne zdublowanie rośnie poziom homozygotyczności Aa = 0 AAaa= 0.33
U obcopłodnych rozmnażanych wegetatywnie
Generatywna polipliodyzacja
Bazujemy istnieniu gamet nie zredukowanych - 2n . Częstość gamet 2n genetycznie determinowana, lecz bardzo zależy od środowiska
Genetyczny skład gamet 2n jest określany faktem czy faza dublowania lub restytucji występowania przed czy po redukcji liczby chromosomów
Premejotyczne zdublowanie
Spowodowane jest przez nienormalność rozwoju matecznych komórek prowadzących do powstania woreczka zalążkowego.
Zablokowane komórki przychodzą normalną mitozę
Post mejtoyczne zdublowanie
Występuje jeżeli duże zredukowane gamety łączą się np. dwa jądra w ziarenku pyłku lub w woreczku zalążkowym.
2n gameta homozygotyczna - jądra w ziarenku pyłku lub w woreczku zalążkowym genetycznie identyczne
Szczególną uwagę otrzymała restytucja 2n gamet po redukcji 2n gamet n liczba chromosomów
Dublowanie występuje u 70 lub więcej rodzajów
2n gamety powstają głównie w wyniku 2 metod
FDR
First Devision Restiturion - prowadzi do powstania 2n gamet genetycznie identycznych o takiej samej jak rodzicielska. Uzyskujemy wysoce heterozygotyczne potomstwo
SDR
Prowadzi do powrastania gamet w pełni homozygotycznych - dużo gamet w stanie homozygotyczności
Mejoza
FDR - brak podziału pierwszego podziału (heterozygotyczne gamety
) gamety są diploidalne 2n są to różne chromatydy
SDR - brak drugiego podziału ( homogeniczne gamety) gamety są diploidalne 2n ale posiadają ten sam materiał genetyczny (tworzą homozygoty)
Zmienność genetyczna i jej modyfikacji
Autopoliploidy
Powinny być traktowane oddzielnie, ponieważ odmian 3x jest hodowane, a sposób hodowli i zachowania odbiega od odmian o parzystej liczbie genomów
Triploidalne odmiany występują
- burak cukrowy
- banan
- melony
- astry
Autopoliploidy
Triploidy - nie rozmnażają się przez nasiona
n+1, n+2, n+3
n-1, n-2, n-3
Granice n - 2n
Każdy organizm ma pewien poziom optymalności poliploidyzacji - burak 3x
Powstanie i ewolucja poliploidów w naturze
Spontaniczne mitotyczne dublowanie występuje rzadko
W tk. przyrannych; spowodowane szokiem temperatur
Przetrwanie poliploidalnych zarodków In vitro u roślin np. u kukurydzy około 2-5% komórek jajowych to są formy 2n lecz rośliny takie pozostają 2x
Czynniki ograniczające powstawanie poliploidalnych przez gamety 2n
Niesie częstości produkcji gamet 2n
Szybsze kiełkowanie w pyłku niż 2n
Dziedziczenie cech u autpopoliploidów
Autpoliploidy 2n - 4x posiadają 4 homologiczne genomy. Każdy z chromosomów może się łączyć w pary z innymi lecz bardzo rzadko takie pary występują - tworzenie
Oprócz kwadriwalentów inne konfiguracje takie jak triwalent + uniwalent, 2x biwalent, niekiedy 4 uniwalenty
U autopoliploidów dziedziczenie cech skomplikowane polisemiczne w odróżnieniu do allopoliploidów i diploidów (disomiczne) po dwa chromosomy homologiczne) Skomplikowany sposób dziedziczenia wynika z faktu istnienia więcej niż dwóch alleli jednego genu w locus
Autopoliploidy i samozapylenie
Przy samozapyleniu organizmu 2n rośnie o 50% z każdym pokoleniu około 9-10 pokolenie trzeba aby uzyskać pokolenie
U tetrapoliploida po 24 generacjach uzyskamy pokolenie homozygotyczne
Powtarzalne samozapylenie obok haploidyzacji szybka metoda produkcji homozygotycznych, Jeżeli chcemy osiągnąć 99% homozygotyczności u diploida potrzeba 7 generacji u autotetraploida 27 generacji
Autopoliploidy
F1 = AAaa
F2 = 1A+8Aa+18 Aa + 8Aa+ 1a
F3 = 4A+20Aa+33Aa+20Aa+4a
Z tego wynika
Autopoliploidy - u roślin obcopłodnych
Chów wsobny i heterozja
Możliwość istnienia więcej niż dwóch alleli tego samego genu - większa szansa na uzyskanie efektu heterozji
Wolniejsza szybkość uzyskania równowagi niż u diploidów
Podsumowując można stwierdzić, że sztuczne zablokowanie chromosomów daje pozytywny efekt w stosunku do roślin:
Które mają nie wysoką i suboptymalną liczbę chromosomów
Obcopylnych
Uprawianych na części wegetatywne ( liście pędy bulwy) raczej niż na nasiona ( zła płodność i stabilność )
Gatunki wieloletnie
Zdolne do wegetatywnego rozmnażania Rajgras spełnia te warunki,
Poliploidy wytwarzają plon większy o 18% świeżej masy lecz w suchej masie plon był identyczny
Perspektyw wykorzystania autopliploidów w Hodowli Roślin
Genetyczna kontrola regulowania mejozy - genetyczna inżynieria
Użycie diploidów o szerokiej bazie genetycznej
Zakłócenie w mejozie
Pojawiły się tuż przed drugą wojną światową
2n = 2x
Mamy w komórce somatycznej 2x = to są dwa Genomy - diploidalny - 1x od matki i jeden 1x od ojca
Allopoliploidy - mieszańce oddalone, między gatunkowe
Uzyskujemy głównie w celu przeniesienia cech z gatunków dzikich blisko spokrewnionych
Uzyskanie płodnego potomstwa - kiedy mamy do czynienia z chromosomami homologicznymi
Bariery występujące podczas krzyżowania oddalonego
Zewnętrzne
Różnice w terminie długości kwitnienia
Można je przezwyciężyć poprzez szczepienie
Wewnętrzne
Bariery występujące pomiędzy zapyleniem a zapłodnieniem
W Szyjce występują geny penetracji i geny blokady
To Matka kontroluje w przyrodzie zapłodnienie
Zjawisko to nazywa się sitem matecznym
Samoniezgodność
Cele krzyżowania oddalonego
Przeniesienie pożądanych genów (Tolerancji, odporności)
Odporności na choroby i szkodniki
Stymulacja powstawania haploidów, form sterylnych
Organizmy które mają gametyczną ilość chromosomów
Stwierdzono że jeżeli krzyżujemy rzepak uprawny z dzikim zachodzi wyparcie genów dzikiego, forma mateczna jest sterylna
Określenie stosunków pokrewieństwa między gatunkami
Pszenica heksapoliploidalna jest mieszańcem między 3 gatunkami diploidów - Koniugują ze sobą tylko chromosomy homologiczne stąd możemy stwierdzić które chromosomy pochodzą od danego dawcy
Synteza allopoliploidów
B. czarna
B. carimata B. sarepska
B. olerancea B. campestinis
B. nagus
Translokacje chromosomów lub ich części
Resynteza mieszańców
Generatywna poliploidyzacja
Wytwarzanie gamet nie zredukowanych - posiadają somatyczną ilość
Haploidy
Haploidy - organizmy o gametycznej liczbie chromosomów
Teoretycznie mogą powstać z komórki jajowej, synergidy antypodów i komórki somatycznej
Autonomiczna saprofityczna roślina o gametycznej liczbie chromosomów
Euhaploidy
Monohaploidy
Polihaploidy
Allopolihaploidu
Autopolihaploidy
Aanuehaploidy
1 genom = 3 chromosomy
Monochaploid 3 chromosomy
Autodiahaplond 6 chromosomów
Autotetrapoloid 12 chromosomów
Allodihaplond - 3 chromosomy od jednego gatunku i 3 chromosomy od innego osobnika
Allotetrahaplid - 6 chromosomów od jednego gatunku i 6 chromosomów od innego osobnika
Gatunek wyjściowy
Monoploid 2n = x
Autodipoid 2n=2x monohaploud
Autotriploid 2n=3x autohaploid
Autotetraploid 2n=4x autodiploid - płodny ponieważ posiada chromosomy homologiczne
Autotexaploid 2n=6x autotriploid
Allodiploid 2n=Xa+Xb monoploid
Allotetraploid 2n=2(Xa+Xb)=12 allodihaploid - tworzy 2n=Xa+Xb=6 - niepłodny ponieważ nie posiada chromosomów homologicznych
Allohexaploid 2n(Xa+Xb+Xc) allotrihaploid
Metody uzyskiwania haploidów
In Vitro
Antrogeneza - wykorzystanie pyłku lub pylników. Na pożywce zachodzi bezpośrednia embriogeneza lub poprzez kallus(kallus jest niestabilny i mogą powstawać rożne gamety)
Gynogneza - wytworzenie zarodka lub całej rośliny z nie zapłodnionej komórki jajowej
Wykorzystuje wszystkie komórki znajdujące się w woreczku zalążkowym
In Vivo
Patogeneza - rozwój zarodka z nie zapłodnionej komórki jajowej
Redukcja somatyczna - eliminacja chromosomów jednego gatunku w komórkach zarodka mieszańcowego
Poprzez krzyżowanie
Normalne zapłodnienie
2x zarodek
3x bielmo
Uboczne
Brak jednego pleminka
Zarodek x
Bielmo 3x
Tetraploidy - gamety nie zredukowane
4x zarodek
6x Bielmo
Uboczne
Brak jednej komórki plemnikowe
Zarodek 2x
Bielmo 6x
Częstotliwość monohaploidów - kukurydza 0-3% kakao 0,001-1,84% Monoplidy powstają głównie sposobem (b)
U ziemniaka możemy rozpoznać haploidy po zabarwieniu nasion i hypokotyla
In vivio
Metoda Bublozowa
Horedum Vulgare komórka jajowa Hordeum Bulbosum pyłek
Pyłek zostaje wydalony z komórki jajowej
Eliminacja chromosomów hordeum bulbosum
Powstały zarodek hodujemy in vitro
Cechy haploidów
Monohaploidy
Są bezpłodne
Polihaploidy
Parzysty genom płodne
Nieparzysty genom niepłodne
Wykorzystanie haploidów
W genetyce
Do analizy genomów i ustalania dróg ewolucji gatunków
W badaniach mutacyjnych
Mutację od razu są widoczne w fenotypie ponieważ jest tylko jeden allel danego genu
Nie ma możliwości maskowanie zmutowanych genów
Wykorzystywane są jako bioindyfikatory
Określają moc danych czynników mutagennych ponieważ zmiany ujawniają się fenotypowo
W hodowli roślin
Uzyskiwanie linii homozygotycznych w ciągu 2 sezonów
Pozwala to na szybszą ocenę haploidów
Sprowadzanie hodowli z poziomu tetraploidalnego na diploidalny
Nasiona haploidalne są lżejsze więc można je oddzielić
Tworzą się u roślin które posiadają nasiona bliźniacze
Można stymulować rośliny do zapylenia
Traktowanie pyłku kolchicyną lub promieniowaniem
Mieszańce Somatyczne
Powstają w wyniku fuzji dwóch komórek somatycznych.
Fuzja protoplastu
Trzeba uzyskać protoplasty(komórki roślinne pozbawione ściany komórkowej)
Działamy na tkankę różnymi enzymami celulolitycznymi które niszczą celulozę lub hemicelulozę
Takie enzymy można kupić
Protoplasty mają niewielką gęstość - można je zebrać zwykłą pipetą z roztworu sacharozy( taki roztwór zapobiega pobieraniu wody z podłoża )
Komórka roślinna charakteryzuję się negatywnym czyli ujemnym potencjałem wody. ( czyli chłonie wodę )
Potencjał siła z jaką woda jest pobierana przez dany organizm
Potencjał osmotyczny i potencjał matrycowy
Protoplasty jednocześnie mają ujemny ładunek elektryczny stąd też nie zachodzi spontaniczna fuzja
Wymuszanie fuzji
Wysokie pH
Jony wapnia
Działanie PEG
Elektro fuzja
Protoplasty umieszcza się w polu elektrycznym
Protoplasty posiadają w takim polu dwa bieguny
Układają się w sznureczki \
Przepuszczamy iskrę elektryczną
Który trwa mikro sekundowe części sekundy
Iskra taka powoduje dziurawienie protoplastu i cześć z protoplastów łączy się
W Solanace można w wyniku takiej fuzji uzyskać około 50 % fuzji
Selekcja produktów fuzji
Uzyskanie komórek mieszańcowych
Mieszaniec z połączonymi jadrami i cytoplazmami
Mieszanie z jądrem jednego gatunku a cytoplazmą innego
Jądro jednego gatunku(nie jest połączone)a organelle drugiego CYBRYDA
Połączone jądra i organelle z jednego i drugiego organizmu - HYBRYDA
Uzyskujemy zmienność genetyczną
Następuje mieszanie się cytoplazmy ( dwie komórki somatyczne )
FUZJA
Cybryda HYBRYDA CYBRYDA
Przeniesienie z różnych gatunków cech i właściwości
Fuzja gatunków blisko ze sobą spokrewnionych ma przyszłość ponieważ często się zdarza że są one płodne
Wartość cechy jest determinowana środowiskiem
Wpływ środowiska i genotypu wpływa na cechy które posiadamy
h2 = Vg / Vg + Ve + Ge
Zawiera się od jednego do zera
Określa nam jaka część zmienności w populacji jest determinowana genetycznie a jaka środowiskowo
Jeżeli współczynnik odziedziczalności wynosi 0.3 to oznacza że w 30% tą cechę determinuję genotyp a 70% środowisko.
Krańcowym przypadkiem jest linia czysta gdzie zmienności nie będzie
Wielkość głowy u człowieka jest dziedziczona w bardzo dużym stopniu
Poziom inteligencji posiada stopień dziedziczności 51-52% genotyp reszta środowisko.
U zwierząt wydajność mleka u bydła 0.3
Procent tłuszczu 0.5
Procent Białka 0.6
Ciężar ciała przy urodzeniu to 0.5
Liczba prosiąt w miocie to 0.17
Określenie równania regresji
Y= a + bx - porównanie wpływy jednej cechy na drugą
Wainberg
(p+q)2=p2+2pq+q2
p=A
q=B
p = rogatość - częstotliwość tego allelu jest równa 0.9
q = bezrożność - 0.1
Selekcje robimy w kieruku bezrożności
Rogatych 99%
Bezrożnych 1%
Drugi cykl selekcji
Rogatość 0,8 =0.64+0.32
Bezrogatość 0,2 = 0.,4
Itd.
Przy dużym nasyceniu populacji genem na który nie prowadzimy selekcję jest ona mało efektywna
Dopiero gdy ilość alleli przekroczy 0.5 do 0.5 efekty selekcji są widoczne i satysfakcjonujące.
Cechy ilościowe
Zawsze najwięcej osobników posiada cechy średnie
Możemy je opisać takim danymi statystycznymi
Średnia
Odchylenie standardowe
Selekcjonujemy ze względu na fenotyp.
Różnica selekcyjna
Średnia przed selekcją -(minus)-średnia po selekcji
Ph = Współczynnik selekcyjności * różnica selekcyjna
Efektywność selekcji
Od odziedziczalności
Od wielkości populacji - jedna z najważniejszych pozycji
Od zróżnicowania cechy w populacji
Brak efektywności w postaci linii
Od ostrości selekcjonowania
Im więcej cech selekcjonujemy tym selekcja jest trudniejsza
Jeśli selekcjonujemy jedną cechę to jest to prosto
Od częstotliwości allelu
Czy dana cecha ujawnia się przed kwitnieniem czy po kwitnieniu
Przy mocnej selekcji możemy zatracić inne pożądane cechy niż te które selekcjonujemy
Pułap selekcji
Faza kiedy efektywność selekcji równa się zero - wyeksploatowana została cała zmienność
Selekcja następcza
Prowadzenie selekcji kolejno na każdą cechę
Kryterium selekcji to poziom jakiejś cechy
Cecha po cesze
Hodowla roślin samopylnych
Odmiana jest czystą linią wsobną
Mechaniczne mieszanki różnych linii wsobnych(czystych)
O sukcesie hodowli decyduje duża liczba krzyżowań i dużej liczby roślin w pokoleniu F2
Są oczyszczone z genów letalnych i pół letalnych
Pamniktyczne populacje obcopylne
Metoda hodowli odmian populacyjnych
Selekcja masowa
Bardzo prosta (SM)
Aby była efektywna - duże populacje, duża odziedziczalność cechy zależne od jej odziedziczalności cechy zależna od jej dziedziczenia - aa - najlepsze, możliwość kontroli zapylenia np. poprzez usuwanie osobników przed kwitnieniem
Brak kontroli nad krzyżowaniem
Dobry Fenotyp nie oznacza dobrego Genotypu
Zmniejsza się ilość potomstwa
Im ostrzejsza selekcja tym szybsze zmniejszanie się populacji i szybciej pojawiają się efekty letalne
Selekcja indywidualna z oceną potomstwa (SI)
Bardziej skomplikowana
Pozwala na lepszą ocenę roślin poprzez ocenę ich potomstwa
Możliwa kontrola przepyleń (metoda rezerw)
Metoda izolacji roślin (izolacja czasowa)
Gdy dana cecha warunkowana jest genem dominującym i ujawnia się po kwitnieniu SM=SI
Odmianą jest
Pamniktyczna populacja obcopylna
Syntetyczna populacja
Odmiany syntetyczne
Populacje powstałe w wyniku swobodnego przekrzyżowania linii wsobnych, klonów, ocenionych według wartości kombinacyjnej (WK)
Etapy hodowli
Uzyskanie form rodzicielskich (linie wsobne, klony)
Ocena WK - głównie OWK wg testy polycross
Ustalenie składu i udział każdego z komponentów
Jakość OS zależy od
Plenności form rodzicielskich
Zdolności do kombinacyjnej, czyli efektu heterozji w F1
Liczby linii rodzicielskich. Teoretycznie im więcej tym lepiej, ale im więcej tym niższa WK - stąd 5-10
Oceniamy wartość kombinacyjną - Crossing block
Wartość odmiany syntetycznej w F2 = F1- (F1-P)/n
F1 - średnia wartość mieszańców pojedynczych między liniami
P - średnia wartość linii rodzicielskich
n - liczba linii
Heterozygotyczna Heterogeniczna
Dobór komponentów pod kontem ich wartości kombinacyjnej tylko wtedy, kiedy możemy zagwarantować pewność krzyżowania
Hipotezy heterozji
Dominowanie
Stymulująco działają geny dominujące
Efekt genów dominujących sumuje się
Epistaza w F2
Naddominacja
Aa>aa Aa>AA
Hipoteza równowagi genetycznej
Efekt heterozji - suma współdziałania w obrębie genotypu
Hipoteza równowagi genetycznej
aa - nie wytwarza enzymu A
bb - nie wytwarza enzymu B
AaBb - wytwarza enzym A i B
Mieszańce
Populacje homogeniczne, wysoce heterozygotyczne, uzyskane po ocenie OWK i SWK i kontroli przekrzyżowania
Etapy hodowli mieszańców
Uzyskanie linii homozygotycznych odległych genetycznie i komplementarnych
Ocena OWK i SWK
Opracowanie techniki produkcji nasion mieszańcowych
Warunki wystąpienia maksymalnego efektu heterozji
Formy rodzicielskie homozygotyczne komplementarne
Wysoka wartość rekombinacyjna
Kontrola przepylenia
Mechanizmy gwarantujące kontrolę przepylenia
Dwupienność
Jednopienność
Męska sterylność
Genetyczna - para recesywnych allei w jądrze
Cytoplazmatyczna - geny które znajdują się w mitochondriach
Genetyczno - cytoplazmatyczna CMS - sterylna cytoplazma i para alleli recesywnych w jądrze
Funkcjonalna - u pomidora - Pylniki nie pękają.
Samoniezgodność
Niezdolność do zapłodnienia swoim pyłkiem
Samoniezgodność u kapustnych pomija się
Kastracja
Mechaniczna - możliwa kiedy kwiaty są duże i jest łatwa d przeprowadzenia
Chemiczna
Zalety
Zbędne jest uzyskiwanie CMS, rozmnażanie ich z wykorzystywaniem płodnego analogu oraz prowadzenie i rozmnażanie linii restorerów
Oszczędność czasu potrzebnego do przekształcenia form płodnych w MS
Wady
Gametocyd może powodować sterylność żeńską lub skrócenie czasu kiedy znamię jest zdolne do przyjęcia pyłku
Deszcze i silny wiatr mogą uniemożliwić oprysk gametocydem w optymalnym czasie
Przed opryskiem należy wziąć pod uwagę współdziałanie Gametocydu, Środowiska, Genotypu
Zysk netto z ha uprawy Odmian mieszańcowych
[Plon mieszańca - Plon odmiany populacyjnej] x [cena produktu - [koszt mieszańca - koszt odmiany populacyjnej]
Zalety odmian mieszańcowych
Wysoki plon i jakość - efekt heterozji
Możliwość zrekombinowania w odmianach cech dominujących
Ładna kradzież materiałów hodowlanych
Wady odmian mieszańcowych
Wysoki koszt produkcji nasion
Co roku trzeba odnawiać nasiona !!
Wąska baza genetyczna - niebezpieczeństwo porażenia przez choroby i szkodniki
Aby odmiana mieszańcowa weszła do produkcji efekty heterozji musi pokryć zwiększony koszt zakupu nasion
Wartość kombinacyjna specyficzna
Zdolność do podnoszenia jakiejś cechy pomimo kiepskiego partner
Hodowla odpornościowa
Metody zapobiegające rozprzestrzenianiu się chorób i szkodników
Profilaktyka - Kwarantanna, płodozmian, czyszczenie nasion, selekcja negatywna porażonych roślin, zwalczanie wektorów
Walka chemiczna - Pestycydy
Wady: Kosztowne, zatrucie środowiska, Presja selekcyjna na patogenna,
Walka Biologiczna - Naturalni wrogowie i szkodniki, odmiany odporne
Charakterystyka odmian odpornych
Wysoka odporność na wirusa jest możliwa, ale odbija się to na jakości plonu lub na jego ilości.
Ograniczony stopień odporności jest niezbędny. Duża podatność = wycofanie odmian z rejestru.
Wysoka odporność dobra, gdy nie odbija się to negatywnie na innych cechach
HO - jako cel sam w sobie - błąd, z wyjątkiem, gdy jest to etap wstępny tworzenia odmiany
Doświadczenie Flora na Lnie przy udziale Melanpsora lini
Rośliny bez genów odporności - porażane przez wszystkie genotypy patogenna.
Rośliny z dominującym genem odporności były ODPORNE, gdy patogen miał DOMINUJĄCYY allel AWIRULENCJI
Dominujący gen gospodarza /rośliny/nie chronił rośliny przed poraniem, gdy patogen miał recesywny gen Wirulencji.
Genetyka odporności -
Biffen - stwierdził, że odporność dziedziczy się zgodnie z prawem Mendla
Jednym genem - monogenicznym (pionowa)
Wieloma genami - poligeniczna - na cechę wpływa wiele genów - otrzymamy krzywą Gausa. (pozioma)
Odporność najczęściej jest zapisywana w genach dominujących
Pyzatym łatwiej odkryć działanie genów dominujących
Odporność poligeniczna jest w wysokim stopniu odziedziczalna
Genotyp roślin Genotyp Patogena
V_ vv
R_ O P
rr P P
O,P Odporność i podatność rośliny
R i r - gen odpornośći i wrażliwości rośliny
V - dominujący gen Awirulencji
v - recesywny gen Wirulencji
Wymagania dla efektywnego prowadzenia hodowli odporności
Jaki składnik lub jaka choroba powoduję straty i jakimi sposobami najlepiej prowadzić walkę
Należy znać : Biologię patogen, interakcję: Roślina i patogen
Należy znać źródła patogenne
Rodzaje patogenów i szkodników
Grzyby przenoszone przez powietrze - Intensywna HO
Grzyby glebowe - Intensywna HO
Bakterie intensywna
Grzyby gatunkowo wyspecjalizowane
Wirusy - gatunkowo
Nicienie - mało intensywna
Owady - średnio intensywna
1+2 = 3+4+5+6
BRAK WYKŁADU
Nasiennictwo
SEED INDUSTRY - w XIX w. powstało jako zalążek dzisiejszego nasiennictwa
SEED SCIENCE
SEED SCIENCE
SEDD TECHNOLOGY
Wartość obrotu nasionami na świecie to około 50mld $ rocznie
Przemysł nasienny jest tworzony przez
Firmy hodowlane
Firmy nasienne
Firmy
Banki obsługujące sektor nasienny
Farmy nasienne
Dzielimy przemysł nasienny na
Sektor Państwowy
Instytucje zajmujące się oceną nasion
Instytucje zajmujące się oceną gatunkową
Sektor prywatny
Formy, farmy nasienne
Wartość nasion
Wartość genetyczna nasion
Wartość somatyczna - pojęcie ogólne wigor
Wynik produkcji nasiennej (rejonizacja produkcji, uszlachetnianie produkcji)
Państwa wycofują się z ingerowania w sprawy produkcji rolnej
Pozostawia coraz większą sferę decyzji związkom poza rządowym
Zmiany zachodzące w rolnictwie światowym
Globalizacja,
Wszystkie działania rolników na świecie nabierają znaczenia międzynarodowego.
Negatywne oddziaływanie globalizacji
Problem narkotyków (ułatwienia transportowe)
Prowadzi do postępującej segregacji Przestrzennej kontynentów, państw, narodów, grup społecznych i ich separacji i stopniowego wykluczania w rozwoju
Globalizacja dla nasion i przemysłu nasiennego
Bezpieczeństwo żywnościowe świata
Do 2025roku ludność wrośnie 8,5mld
Spowoduje to wzrost zapotrzebowanie na żywność około 800mln t
Rola przemysłu nasiennego
Nie ma szans na zwiększenie produkcji żywności bez rozwoju produkcji nasiennej
Bezpieczeństwo nasienne
Każdy farmer ma dostęp do takich nasion, jakie chce
Postępująca monopolizacja w produkcji nasion (rynków zapewniających środki produkcji)
Syngenta1, Monstanto2, Adenitis Agro3, Limagrain4,
Procedury anty monopolowe
Odkrycie genu terminatora - zanik możliwości kiełkowania przy uzyskaniu wszystkich innych wartości plonu.
Hodowla około 12% swoich zysków przekazuje na badania naukowe.
Konwencja o ochronie bioróżnorodności.
Harmonizacja
Liberalizacja
Zmiany własnościowe strasznie szybko się zmieniają
Zmiany umożliwiają przeznaczenie większych środków na hodowlę
Monsanto w europie jeśli chodzi o pszenicę około W.Brytania 70% Polska 15%
Patentowanie osiągnięć ma coraz większe znaczenie.
Zaczyna płacić się za powtórne rozmnożenia
Zaczyna się „aprthide” naukowy, pogłębia się segregacja naukowa,
Sytuacja w Polsce
Wymiana sadzeniaków ziemniak 3%
Wymiana nasion zbóż to 6%
Brak łańcucha żywnościowego w Polsce
Droga każdego produktu od wyprodukowania nasion do znalezienia się na stole.
Zainteresowanie nasionami ekologicznymi
Odmiany konwencjonalne nie sprawdzają się w rolnictwie ekologicznym.