Tytuł wykładu

Wykład 3.

Tytuł wykładu: Nowe trendy w
hodowli roślin wynikające z
postępu biologicznego.

Sławomir Podlaski, prof., dr hab.

Program unowocześniania kształcenia w SGGW dla zapewnienia
konkurencyjności oraz wysokiej kompetencji absolwentów

2.Heterozja - historia

3.Heterozja - historia

• 5.Darwin (1876)opisywał wigor mieszańców w swojej książce „The

effect of cross and self fertilization in the vegetable kingdom”.
Stwierdził, że krzyżowe zapylenie zwiększa wigor roślin ich wielkość i
produktywność.

• 6.Beal (1880) – pierwszy uzyskał mieszańce kukurydzy
• 6.Shull(1908-14) zwrócił uwagę na niekorzystne efekty chowu

wsobnego w stosunku do pozytywnego wpływu hybrydyzacji roślin.
Wprowadził termin heterozja dla opisania zwiększenia wigoru
mieszańców w wyniku wzrostu poziomu heterozygotyczności.

• 7.East 1908-9 badał efekty chowu wsobnego i krzyżowania roślin. Jego

prace doprowadziły do sformułowania nowoczesnej koncepcji heterozji

• Heterozja – zjawisko, które z dużym

komercyjnym sukcesem wykorzystano w
hodowli roślin, ale ciągle pozostaje nie w
pełni wyjaśnione

4.Zakres efektu heterozji w stosunku

do plonu u samopłodnych roślin

warzywnych

Gatunki

roślin

Efekt heterozji

Średni

Zakres

Pomidor

41

-59 do 168

Papryka

15

-16 do 52

Fasola
sucha

29

- 38 do 146

Groch

28

- 116 do 218

Sałata

6

-6 do 119

Oberżyna

80

- 29 do 242

5.Globalny

efekt uprawy

mieszańców 4 gatunków

roślin

Gatunki

Areał
uprawy

miesza
ńców

%

Zwyżka
plonu

mieszań
ców

%

Roczny
przyrost

plonu

Roczna
oszczęd

ność
ziemi

uprawne
j

Mln ha

%

Mln
t

Kukuryd
za

65

15

10

55

13

Sorgo

48

40

19

13

9

Słoneczn
ik

60

50

30

7

6

Ryż

12

30

4

15

6

6.Plon mieszańców pojedynczych

kukurydzy(

MP

) (t/ha) oraz średni plon

obu komponentów rodzicielskich (KR)

jak również dynamika przyrostu plonu

mieszańców

(kg /ha/rok).

Plon

Lata – XX wiek

30

40

50

60

70 Przyro

st

plonu

MP

4,6

5,3

6,9

7,0

7,9

83

KR

1,9

2,1

2,8

3,4

3,6

47

MP-KR

2,7

3,2

4,1

3,6

4,3

36

MP/KR

(%)

59

60

59

51

54

7.Warunki komercjalizacji

heterozji

• 1.Mieszańce muszą odpowiadać potrzebom

rolnika w stosunku do wszystkich ważnych
cech.

• 2.Cena nasion mieszańcowych musi być

względnie

niska

aby

zapewnić

zysk

farmerowi który corocznie musi kupić drogie
nasiona mieszańcowe.

• 3.Zysk firmy nasiennej musi być na tyle

wysoki aby pokryć koszty badań naukowych
i koszty produkcji nasion mieszańcowych

8.Apomiksja – opis zjawiska

• Apomiksja tworzenie nasion z tkanki

matecznej bez mejozy i fuzji gamet

Nasiona apomiktycznie powstają z:

• - komórek płciowych nie podlegających mejozie
• - komórek wegetatywnych
• Apomiktyczne rośliny mogą się rozmnażać

bezpłciowo. Ich pyłek jest często żywotny stąd
apomiktycznie rośliny mogą być wykorzystane do
krzyżowania i uzyskiwania nowych apomiktów

9.Możliwości utrwalenia heterozji -

apomiksja

Sposoby rozmnażania

Płciowe

Bezpłciowe

Wegetatywne

Apomiktyczne

10.Rodzaje apomiksji

• 1.Obligatoryjna – roślina rozmnaża się

wyłącznie apomiktycznie. Rozmnażanie
płciowe nie występuje

• 2.Fakultatywna – część nasion wytwarzana

jest na drodze apomiktycznej, część w
wyniku rozmnażania płciowego.

• Oba rodzaje apomiksji mogą występować

jednocześnie w procesie rozmnażania
jednej rośliny lub można obserwować
dominację jednego z nich

11.Korzyści z apomiksji – dla

rośliny

• 1.Umożliwia

rozmnażanie

w

warunkach braku zapylaczy

• 2.Oszczędność energii rośliny w

wyniku

wyeliminowania

procesu

mejozy

• 3.Niektore rośliny zaoszczędzają

energię nie wytwarzając pyłku

12.Rozmnażanie

apomiktycznie – korzyści dla

rolnictwa

1.Korzyści dla procesu hodowli

roślin

2.Zyski dla farmerów
3.Apomiksja a środowisko
4. Nowe problemy dla

przemysłu nasiennego

13.Hodowla odmian

apomiktycznych

• Apomiktyczne linie mogą być

uzyskane 4 sposobami

• 1.Krzyżowanie z dzikimi gatunkami
• 2.Indukowanie mutacji
• 3.Krzyżowanie w obrębie gatunku

lub blisko spokrewnionych
gatunków uprawnych np. Triticum
aestivum i T. turgidum

• 4.Inżynieria genetyczna.

14.Krzyżowanie roślin

uprawnych z dzikimi

gatunkami

Transfer genów do roślin uprawnych

ze spokrewnionych dzikich

apomiktycznych gatunków dotyczy

krzyżowania:

• Tripsacum dactyloides z kukurydzą
• Penisetum orientale i P. squamatum z

prosem perłowym

• Beta trygyna, B. intermedia z burakiem

cukrowym

• Elymus sp. - pszenica

15.Schemat hodowli odmian

apomiktycznych

Materiał wyjściowy

Osobniki rozmnażające Obligatoryjne

apomikty (ojciec)

się płciowo (matka

) X

(gen

dominujący)

F-1

Osobniki rozmnażające się Apomikty
płciowo 1.Selekcja

negatywna

2.Odmiana

16.Inżynieria genetyczna w

indukowaniu apomiksji

Białko argonaute 9 odpowiedzialne za normalny

przebieg megasporogenezy u Arabidopsis

thaliana

Po mutacji genu – rośliny wytwarzały nie

zredukowane gamety

Odkryto i zbadano sekwencję RNA

odpowiedzialną za wytwarzanie białka

argonaute 9.

Możliwość indukowania apomiksji

poprzez inżynierię genetyczną !?

17.Rodzaje zmienności

• 1.Fenotypowa
• 2.Biochemiczna
• 3.Molekularna

• 1.Latwa do obserwacji, silnie zależna silnie od

środowiska, , skomplikowana genetyczna
determinacja

• 2.Wykorzystanie allozymów (odmiennych wariantów

enzymu kodowanego przez różne allele genu)

• 3.Molekularna –bazuje na naturalnie występującym

polmorfizmie w budowie DNA- substytucji,
(zastąpienie) delecji (wycięcie) czy dodaniu różnych
par zasad. Markery molekularne do badania
zmienności genetycznej

.

18.Definicja markerów

molekularnych

• Marker molekularny (MM) lub genetyczny to

gen lub sekwencja DNA, której lokalizacja na
chromosomie jest znana i związana z
określona cechą lub innym genem.

• Markery molekularne związane z określonymi

chorobami mogą być wykrywane w krwi w
celu oznaczenia skłonności osobnika na
zachorowanie na określoną chorobę.

19.Właściwości - selekcja wspomagana

markerami (marker aided analysis,

marker assisted selection)

• 1.Szybka i bardziej efektywna niż selekcja

fenotypowa

• 2.Umożliwia

eliminację

niekorzystnych

osobników na wczesnych etapach selekcji

• 3.Możliwa, gdy selekcja fenotypowa jest

niemożliwa z powodu młodego wieku roślin
uniemożliwiających plonowanie np. drzewa
owocowe

• 4.Najefektywniejsza, gdy interesujące cechy

roślin są trudne do oceny np. w warunkach
niewielkiego porażenia chorobami – trudna
selekcja form odpornych.

20.Wykorzystanie markerów

molekularnych

1.Dobór partnerów rodzicielskich i ocena stabilności

genetycznej uzyskanego potomstwa. Ważne w
hodowli mieszańcowej

2.Ocena zakresu włączenia (introgresji) materiału

genetycznego np. z dzikich gatunków do formy
uprawnej

3.Ocena zróżnicowania genetycznego populacji
4.Identyfikacja sekwencji determinujących specyficzne

cechy np.: męską sterylność czy płeć u roślin.

5Analiza mutacji w obrębie genów.
6.Badanie pokrewieństwa oraz dróg ewolucji gatunków.

21.Mapa głównych genów i QTL

odpowiedzialnych za tolerancję na stresy

abiotyczne. Tolerancja na zasolenie-

pomarańczowe, zimno-niebieskie , susza-

czerwone znaki.

22.Biologia molekularna

– przyszłość

1.W

przyszłości

ciągle

aktualnym

problemem będzie identyfikacja genów
determinujących wzrost plonów.

2.Tylko poprzez integrację różnych dyscyplin

wiedzy możliwy będzie w przyszłości
postęp biologiczny.

3.Klasyczna

hodowla

roślin

oparta

o

krzyżowanie

i ocenę fenotypu w doświadczeniach

porównawczych

pozostanie

ważnym

elementem nowoczesnej hodowli.

23.Hodowla roślin a

biotechnologia

Kierunki hodowli w jakich będzie

zachowana dominacja klasycznej

hodowli roślin

.

.

wielkość plonu potencjalnego

.stabilność plonowania

Kierunki hodowli w których będzie się

zwiększać dominacja biotechnologii

-odporność na choroby i szkodniki
- cechy jakościowe w tym modyfikacja składu

chemicznego

24.GMO - historia

• Zgodnie z oficjalna definicja UE

„Genetycznie zmodyfikowany organizm
to organizm w którym genetyczny
materiał (DNA) został zmieniony w
sposób jaki nie występuje naturalnie w
przyrodzie (selekcja i/lub naturalna
rekombinacja).

• Historia GMO zaczyna się w 1982 roku

kiedy to w USA dopuszczono do użycia
formę ludzkiej insuliny produkowanej
przez bakterie pod nazwą Humulin.

25.Cele hodowli roślin

genetycznie

zmodyfikowanych

1. Tolerancja na herbicydy totalne
2. Oporność na owady
3. Oporność na choroby
4. Zmiana składu chemicznego
5. Wytwarzanie specyficznych

substancji

6. Tolerancja na stresy

środowiskowe

7. Eliminacja zanieczyszczeń -

fitoremediacja

26.Całkowita powierzchna uprawy

roślin transgenicznych (mln ha)

27.Powierzchnia uprawy 4 gatunków

roślin transgenicznych w latach 1996-

2010

28.Powierzchnia uprawy roślin o

różnych cechach genetycznie

zmodyfikowanych

29.Stopień akceptacji (%) uprawy

roślin GM w świecie. Mln ha.

30 Zalety i wady roślin genetycznie

zmodyfikowanych tolerancyjnych na

herbicydy totalne

Zalety:

1. Mniejsze koszty, jedna aplikacja, mniej przejazdów

na polu

2. Łatwiejsza kontrola zachwaszczenia, mniej ważny

termin oprysku, mniejsze dawki substancji aktywnej

3. Wysoka przydatność do uprawy uproszczonej

Wady:

1. Powstawanie odpornych na herbicydy chwastów -

podobnie jak w przypadku każdego herbicydu i

niezmodyfikowanych genetycznie roślin

2. Zmniejszenie bioróżnorodności - motyli, pszczół,

ptaków żywiących się nasionami chwastów - zależne

od gatunku uprawianych roślin.

•

Wpływ na bioróżnorodność nie związany z

modyfikacją genetyczną, ale ze zmianą

rodzaju i sposobu stosowania herbicydów

31. Wady i zalety genetycznie

zmodyfikowanych roślin opornych na

owady

Zalety

1. Wyeliminowanie walki chemicznej
2. Nie zabijanie pożytecznych owadów podczas

oprysku konwencjonalnymi pestycydami

2. Możliwość precyzyjnego ukierunkowania działania

na specyficzne grupy owadów

3. Lokalizacja białka Bt w określonych częściach

rośliny np: w liściach ziemniaka przeciwko stonce

ziemniaczanej

Wady

1. Możliwość niekorzystnego oddziaływania na blisko

spokrewnione ze szkodnikami pożyteczne owady.

32.Globalne korzyści z uprawy 4

roślin transgenicznych w latach

1996-2009.Mln.USD

Cechy

Zwiększenie
dochodu farm w

Zysk farmy w 2009 (%)w
stosunku do całkowitej

produkcji

2009
roku

1996-
2009

W krajach
akceptującyc
h

GMO

Światowe
j

Soja HT

2068,1 25076,5

2,7

2,34

Kukurydz

a HT

392,1

2234,9

0,6

0,3

Bawełna

HT

38,1

907,8

0,13

0,12

Rzepak
HT

362,6

2181,0

7,1

1,59

Kukurydz
a OO

3911,5 14530,6

5,7

3,5

Bawełna
OO

3912,4 19578,1

13,3

12,5

Inne

84,7

230,4

brak danych

Brak

danych

Razem

10

769,5

64739,3

5,84

4,1

33.Globalne zmniejszenie zużycia

insektycydów i herbicydów w wyniku uprawy

4 gatunków roślin GM w 1996 -2009

Cecha/
gatunki

Zmniejsze
nie
zużycia

(as)
Mln kg

Zmian
a w
polowy

m
EIQ.Ml
n
EIQ/ha

Zmniej
szenie
zużyci

a as w
%

% zmian
w
oddziały

wa
-niu na
środowis
ko

Areał
GM
w

2009
mln ha

Rośliny tolerancyjne na herbicydy

Soja

-40,85

-
5632,0

-2,2

-16,0

67,9

Kukuryd
za

-140,26

-3435,4

-9,22

-10,49

25,2

Rzepak

-13,98

-455,8

-16,2

-23,2

6,03

Bawełna -8,87

-281,5

-4,0

-6,9

3,0

Burak

cukrowy

+0,35

-1,0

+18,0

-2,0

0,45

Rośliny odporne na owady

Kukuryd
za

-36,45

-1292,3

-40,6

-34,8

3,0

Bawełna -152,66

-7088,0 -21,8

-24,7

29,6

Razem

-392,73

-18

184,0

-8,7

-17,1

145,58

34.Problemy wynikające z uprawy

roślin GM tolerancyjnych na

herbicydy

1.W świecie jest 21 gatunków

chwastów odpornych na glifosat; na
triazyny -68.

2.Wiele znaleziono tam, gdzie były

stosowane duże dawki glifosatu

3.Rekomendacja- zmiana sposobu

walki z chwastami= stosowanie
łączne glifosatu i innych herbicydów.

35.Sekwestracja węgla w 2009 roku

wynikająca z uprawy roślin transgenicznych

w różnych krajach

Gatunek/
Cecha/
Państwo

Mln kg
CO

2

mniejsza

emisja
w wyniku
zmniejszeni
a zużycia

paliwa

Oszczędno
ści
w liczbie

usuniętych
z
dróg
samochod

ów

Mln kg
CO

2

w wyniku

sekwestra
cji
glebowej

Sekwestracj
a glebowa
równa

liczbie
samochodów
usuniętych z
dróg

Soja HT
świat

1088

484

13236

5883

Rzepak
HT

Kanada

244

108

3025

1344

Bawełna
OO
Świat

33

15

0

0

Kukurydz

a
OO
Brazylia

43

19

0

0

Razem

1408

626

16261

7227

36.Globalny wzrost produkcji 4

gatunków roślin wynikający ze

wzrostu plonów

Gatunki

Dodatkowa produkcja.

Mln.t

1996-2009

2009

Soja

83,5

9,73

Kukurydza

130,5

29,4

Bawełna

10,5

1,88

Rzepak

5,45

0,66

37.Skutki uprawy GMO w

UE- opinie krajów

członkowskich 2011

.

1.Wprowadzenie kukurydzy Bt zwiększyło średnie

zbiory w Hiszpanii o 11,8%, Portugalii Rumunii,
Czechach od 7-12,5%

2.W Rumunii soja HT dawała przyrost plonu o 31%
3.Przepływ genów pomiędzy transgeniczną

konwencjonalną kukurydzą w Holandii wynosił: na
odległości 25 m -0,084% w 2006 i 0,080%w 2007,
na odległość 250 m -0,005% i 0.007%.

4.We wszystkich krajach członkowskich istnieje

zróżnicowanie opinii dotyczącej GMO. W wielu
przypadkach to zróżnicowanie wynika z braku
wiedzy społeczeństwa i lobbingowego działania
różnych organizacji

38.Opinie społeczeństw EU -27 na temat
bezpieczeństwa żywności i żywienia–
najważniejsze problemy. 2011

Obecność chemikaliów
(pestycydy) w
żywności – 19%
Ogólne zatrucie
żywności -12%
Choroby związane z
dietą -10%
Nieświeża żywność -
9%
Dodatki syntetyczne
do żywności- 9%
GMO – 8%

39.Sztuczna(syntetyczna)

biologia

Sztuczna (syntetyczna) biologia to
projektowanie i tworzenie nowych
biologicznych organizmów oraz
biologicznych systemów
nie występujących w naturze..

40.Możliwości syntetycznej

biologii

• 1.Tworzenie nowych biologicznych systemów

funkcjonujących w organizmach

• 2.Okreslenie minimalnej wielkości genomu

gwarantującego przebieg podstawowych funkcji
życiowych.

• 3.Wytwarzanie nowych syntetycznych komórek

organizmów

• 4.Tworzenie nowych systemów biologicznych

na bazie składników biochemicznych nie
istniejących w naturze.

• 5.Chemiczna synteza DNA

41.Człowiek stwórcą życia !? –

pierwsza syntetyczna komórka

drożdży