HODOWLA I NASIENNICTWO - WYKŁAD IV - "Zmienność genetyczna i jej modyfikacje"

Wpływ rozwoju rolnictwa na roślinną zmienność genetyczną. Sposoby określania poziomu zmienności genetycznej i fenotypowej. Klasyfikacja istniejącej puli genowej. Metody zachowania roślinnej zmienności genetycznej. Naturalne i sztuczne banki genów. Międzynarodowa współpraca w zakresie zachowania zmienności. Techniczne i ekonomiczne zmiany w zakresie sposobów zachowania zmienności.

/Jeżeli zmienność genetyczna się zmienia to populacja po prostu ginie/

Geny letalne - powodują śmierć
Geny Supbletalne - ograniczają żywotność

Zmienność ziemniaków - różny kształt, różna barwa. Te ziemniaki stanowią podstawę genetyczną

Zmienność biologiczna - to zmienność form życia na każdym poziomie organizacji biologicznej. Każdy jest inny pod względem fentypowym i genotypowym. Rodzaje:
- kolekularna
- genetyczna
- gatunkowa
- ekosystemów

Zmienność molekularna: bogactwo bidowy różnych molekuł determinujących ważne funkcje życiowe organizmów, zminokwasów białek itp. Zmienność pomiędzy dwoma nićmi DNA w układzie...

Zmienność genetyczna - całkowieta liczba różnych kombinacji genowych występujących w ramach danej puli genetycznej. Mutacje wymiana genów, zmiana częstotliwości genomów w populacji występująca na poziomie DNA jest siłą napędową ewolucji.
Genetyczna erozja powstaje w wyniku śmierci organizmów. Mała zmienność genetyczna w populacji prowadzi do zmniejszenia puli genowej, chowy wsobnego, osłabienia systemu odpornościowego organizmów i szybkiej ich eliminacji.
Więcej niekorzystnych mutacji u Amerykanów pochodzenia Europejskiego niż Afrykanskiego wskazuje, że w rozwoju dziejowym nastąpiło ograniczenie zmienności genetycznej w populacji.

Ludzie stracili większość swojej zmienności w dwóch wydarzeniah, które drastycznie zmniejszyły liczebność populacji, po wyruszeniu z Afryki 50-60 tys lat temu (wojny, głód itp).
Afrykanie są najbardziej zróżnicowani genetycznie w świecie.
Pierwsze zmniejszenie -3 mln lat temu populacja ludzka zmniejszyła się około 10 tys osobników.
Drugie zmniejszenie - populacja ludzka zmniejszyła się z 13 500 około 150 ys lat temu to około 1200 pomiędzy 20 a 40 tys lat temu.

Zmienność gatunkowa - całkowita liczba gatunków jest prawdopodobnie większa od znanej obecnie:
- 10-30 mln owagów, 0,9 mln znanych obecnie
-5-10 mln gatunków...

Zmienność ekosystemów - jest determinowana przez klimat, szerokość geograficzną, jakość gleby i obecność innych gatunków. Bioróżnorodoność ekosystemów zmniejza się od równiaka do biegunów. Specyficzne ekostystemy takie jak lasy deszczowe w Brazylii czy bagna torfowe w Europie charakteryzują się dużą zmiennością ekosystemów. W Polsce - Biebrzański Park Narodowy, gdzie jest różnorodność gatunków - od małych do bardzo dużych zwierząt.

HISTORIA ROLNICTWA A ZMIENNOŚĆ GENETYCZNA

1. Hodowla roślin to ciągła pogoń za nowymi genami. Gdy nowe geny nie istnieją lub trudno je znaleźć - Hodowla roślin jest nie możliwa
2. Piczątek rolnictwa (10 tys p.n.e.) powstanie ekotypów i lokalnych odmian. Zmienność ogromna wewnątrz ekotypów i pomiędzy nimi
3. Do połowy XIX w tendencja do zwiększania zmienności, później tendencja zahamowana ze względu na rozwój transportu i wymianę nasion.

ZMIENNOŚĆ GENETYCZNA A POSTĘP ROLNICTWA
Dość powszechne wrażenie - intensywna godowla roślin prowadzona przez fługi czas zmniejszyła zmienność genetyczną materiałów godowlanych i zasobów genetycznych.
Wrażenie jest potęgowane przez fenotypową jednolitość szczególnie gdy chodzi o krótkosłome odmiany zbóż.
Czy wystąpiło ograniczenie zmienności i kiedy?
Rośliny dzikie ---- udomowione ---- mniej lub bardziej czyste linie --- naukowa hodowla ---- naturalna i sztuczna selekcja
Ograniczenie zmienności genetycznej nastąpiło głównie w wyniku przejścia od ekotypów do nowoczesnych odmian. Francuskie ekotypy pszenicy okazały się o 25% bogatsze pod względem występowania poszczególnych alleli niż odmiany.
W latach 1960-70 obserwowano ograniczenie zmienności genetycznej w pszenicy (przyczyna - Zielona Rewolucja)
Jeżeli chcemy maksymalizować zachowanie zmienności genetycznej powinniśmy pobierać próby z ekotypów a nie odmian uprawnych.

/Każda odmiana która została zarejestrowana musi przejść tzw. test OWT - odrębności, wyrównanie i trwałość/

Postęp w rolnictwie prowadzi do zmniejszenia zmienności!!! geneycznej czy fenotypowaj.
Obecnie odmiany selekcjonowane pod kątem jednorodności. Test OWT. Homogenność fenotypowa jest korzystna dla farmera i przemysłu, prowadzi do obniżenia kosztów produkcji i niższej ceny.
Globalizacja prowadzi do jednoroności i zmniejszenia zmienności genetycznej odmian - dość powszechny pogląd.

Duża homogenność genetyczna - niebezpieczna - stymuluje przystosowanie się nowych ras chorób i szkodników do nowej odmiany. Brak plastyczności w przystosowaniu do zmian klimaty.
- Hodowla roślin (selekcja) prowadzi do zmniejszenia zmienności genetycznej w obrębie selekcjonowanych cech. (plonowanie, jakość, odporność, zapotrzebowanie na składniki, krzewieienie itp - przede wszystkim w obrębie tych cech)
- U obcopylnych - następuje zmniejszenie niepożadanych alleli w wyniku selekcji
U samopylnych czyste linie wsobne homozygotyczne lub mieszania linii
- F-1 w pełni jednorodne hetero....

KONSEKWENSJE ZMIENNOŚCI GENETYCZNEJ ODMIAN
1846 - Irlandia - Ziemniak - Głód, zaraza
1800 - Sri Lanka - Kawa - Zniszczone farmy
1940 - USA - Różne - 2x większe straty - owady
1943 - Indie - Ryż - Wielki głód - rdza
1960 - USA - pszenica - Epidemia rdzy
1970 - USA - Kukurydza - 1mld USD (H.m.) Plon mniejszy o 15%
1984 - USA, Floryda - Cytrusy - 18 mln drzew zniszczonych

55 odmian pszenicy i 134 jęczmienia jarego poczynając od 1930 roku
Analizowano genotyp przez AFLP i SSR ---------------- pszenica może wyginąć

Wpływ systemu organizacyjnego HR na zmienność
- hodowca może bezpłatnie korzystać z materiałów hodowlanych - nie wpłynęły na zmienność
System Recommended List jest korzystny dla farmerów a nie wpłuywa negatywnie na zmienność genetyczną odmian

Skład genetyczny nowoczesnych odmian roślinnych diploidalnych (foto - Natalia)

Samopylność powoduje to, że poziom heterozygotyczności maleje o 50% z pokolenia na pokolenie.

Stopień zmienności genetycznej i heterozygotyczność odmian - tabela - foto - Natalia

Podsumowanie
Hodowla roślin w największym stopniu przyczyniała się do ograniczenia zmienności genetycznej na etapie przejścia od kotypów do nowoczesnych odmian.
Nowoczesne odmiany charakteryzują się podobną zmienności na przestrzeni lat
Duża liczba mniejszych firm prowadzących hodowlę sprzyja zachowaniu zmienności genetycznej

Podstawy prawne zachowania bioróżnorodności:
2 Traktaty:
1. Konwencja Zróżnizowania Biologicznego - obejmuje zmienność biologiczną roślin i zwierząt
2. Międzynarodowy Traktat na rzecz zachowania roślinnych zasobów genetycznych dla rolnictwa i produkcji żywności. Wspiera światową produkcję żywności.

Ad. 1 Convention on Biological Diversity
CBN - zasoby genetyczne stanowią wspólne światowe dziedzictwo, lecz państwo na którym terenie się znajduje ma suwerenną władzę nad nimi i prawo do korzyści z tego powodu
Oznacza to, że każdy kto chce wykorzystać zasoby musi podpisać dwustronne porozumienie z państwem właścicielem zasobów genetyczncy i podzielić się zyskami z wykorzystania zmienności

Ad. 2. FAO IT PGRFA - ograniczony do ochrony zmienności roślinnej dla rolnictwa i prosdukcji żywności. Obejmuje 64 gatunki roślin, które tworzą jedną...

Problemy z ograniczoną zmiennością genetyczną
Dowody na zubożenie puli genetycznej
historyczne - rodowodowe
brak postępu hodowlanego przy dobrze zaplanowanym programie hodowlanym

Dane historyczne o wąskiej bazie genetycznej niektórych odmian:
- wiele milionów krzewów kawy ARABICA pochodzi od krzewu uprawianego w 1706 roku w OB. w Amsterdamie

- Kauczukowiec uprawiany w Malezji pochodzi od 22 siewek z Brazylii
- Wszystkie odmiany soi pochodzą z 11 linii wyselekcjonowanych z wschodnioazjatyckiej koleki
- Nie więcej niż 6 wsobnych linii kukurydzy dało początek najlepszym mieszańcom
- odmiany ziemniaków powstały w 18 w w kilkunastu z 4

Słaby postępo hodowli ma miejsce w przypadku soi i ziemniaków w których po wszczepieniu istniejącej puli genowej nastapił regres w plonowaniu

Sposoby określania zmienności fen i genotypowej
Zmienność fenotypowa - pogrupowanie pojedynków w klasy, określenie średniej odchylenia standardowego i współzynnika zmienności. Pogrupowanie w klasy maskuje zmienność genetyczną. Pełna dominacja (AA = Aa) fenotypowo, nierówna aa. Stąd 3 genotypy a 2 fenotypy (czerwony i biały).

Określenie genotypów każdego pojedynku poprzez:
- Krzyżowanie testowe, określenie pokolenia F-1 i F-2. Wpływ środowiska
- RELP, PCR - analiza DNA, brak wpływu środowiska
- PCA - Principal Component Analysis

Klasyfikacja istniejącej puli genowej - rośliny uprawne
Odmiany uprawne - wysoka produktywność homogenność, podatność na stresy biotyczne i abiotyczne
Odmiany miejscowe - powstałe w wyniku naturalnej, sztucznej selekcji i migracji roślin. Ogromna zmienność pomiędzy i wewnątrz ekotypów, tolerancja na stresy, niska...

Dystrybucja zmienności genetycznej
Wawiłow opracował teorię nt. cetrów pochodzenia roślin uprawnych. Stwierdził, że rośliny nie zostały udomowione w przypadkowych miejscach świata lech tam gdzie była ich największa zmienność. Do niedawna sądzono, że centra pochodzenia są także centrami zmienności, gdzie duża...

Obecnie badanie zmienności DNA nie potwierdziło założenia Wawiłowa....

W początkowej fazie udomowienia gatunki podróżowały wraz z człowiekiem
Wiele gatunków pochodziło z jednego obszaru geograficznego....

Nikolaj Ivanowicz - Wawiłow
Łysenko!!!

Centra pochodzenia udomowionych roślin- foto

Sposoby zwiększania zmienności w agrosystemach
- Agrotechniczne - płodozmian, polikultury rolnicze, międzyplony
- Genetyczne - różne odmiany o różnym pochodzeniu, mieszanki odmian, populacje wielo liniowe
- Organizacyjne - organizacyjne zasady funkcjonowania ekostystemów, wsparcie władzy, lokalnych społeczności

Matody zachowania zmienności genetycznej
- tworzenie naturalnych parków genów i sztucznych kolekcji w laboratorium i polu
NPG powinno być zlokalizowane w centrach genowych i tam gdzie duża zmienność - Meksyk - park genowy dla zachowania Zea diploperennis i Izraelu dla dzikiego jęczmienia i 4x pszenicy
Parki ogrodnicze i rolnicze - uprawa starych odmian, niekoszenie miedz, zniechanie walki z chwastami

Sztuczne kolekcje - kolekcje podstawowe, aktywne i robocze
Podstawowe - doskonałe wyposażenie dla zachowania żywotności nasion... foto!

Hodowla roślin w zachowaniu zmienności genetycznej
Pierwszy bank genów został założony przez hodowców w latach 30 XX wieku
Około 88% firm nasiennych prowadzi działania związane...

Banki genów - zachowanie ZG ex situ
Zmienność gen. maleje bardzo szybko
liczba banków gen rośnie bardzo szybko od 1970 gdzie było 10 banków
FAO - ponad 1,4 tys kolekcji...

Polowe banki genów
PGN - zbór cennych materiałów i założenia plantacji w innym miejscu
Gatunki z recalcitrant seeds; produkujące mało nasion lub wcale, rozmnażanie wegetatywne o mdługim cyku życiowym
Drzewa kakaowca, kauczukowca, orzecha kokosowego, kawowe, trzciny cukrowej, ananasy, drzewa owocowe i rozmnażane wegetatywnie: dzikie...

Wielkośc banków
pszenica w kolekcjach: Bari - 26 tys, Izrael - 32 tys
Japonia 7000, ISA 47 tys
Rosja 70 tys
Pecs (węgry) - 1135 winorośli

Międzynarodowe organizacje prowadzące hodowlę roślin i banki genów:
- IRRI - Filipiny, bank ryżu
- CIMMYT - Maksyk, kukurydza

.....

Podsumowanie:
W świecie robi się bardzo wiele aby zachować zmienność genetyczną organizmów żywych
Zachowanie genotypów in situ lub ex situ są podstawowymi sposobami zachowania zmienności

Afrykanie mają największą zmienność genetyczną!