Postęp i ogólne zagrożenia w hodowli, uprawie i technologii zbóż

Wykład 1

Zboża jak większość roślin uprawnych są organizmami poliploidalnymi, o dużej zmienności genetycznej. Cechy użytkowe warunkujące ich jakość są niestabilne, w kolejnych pokoleniach mogą wystąpić w osłabionej formie lub nawet zanikać.

Współczesna hodowla roślin opiera się głównie na znajomości praw genetyki, jednocześnie posiłkuje się innymi dziedzinami naukowymi, takimi jak:

• cytologia,

• fizjologia roślin,

• biochemia,

• fitopatologia.

Rozróżnia się 2 rodzaje hodowli roślin: twórczą i zachowawczą.

1. Twórcza - kreowanie nowych odmian

metody otrzymywania nowych odmian: selekcja (pozytywna, negatywna), krzyżowanie, mutacje, inżynieria genetyczna

2. Zachowawcza - utrzymanie istniejących odmian na jak najwyższym poziomie; metody polegają na produkcji materiału siewnego z odmian dobrej jakości.

W hodowli roślin również i zbóż poza krzyżowaniem osobników o pożądanych cechach wykorzystuje się mutacje.

MUTACJA jest nagłą, skokową, bezkierunkową, dziedziczącą się lub nie dziedziczącą się zmianą w materiale genetycznym organizmu. Wśród mutacji wyróżniamy:

1. MUTACJE GENOWE zwane punktowymi, polegające na zmianach w sekwencji zasad

azotowych w DNA

2. MUTACJE CHROMOSOMOWE - zaburzenia polegają na zmianie struktury chromosomów. Należą do nich:

1. delecje - utrata odcinka chromosomów

2. inwersje - odwrócenie odcinka chromosomu o 180°

3. duplikacje - powielenie odcinka chromosomu

4. translokacje - przeniesienie odcinka między nie homologicznymi chromosomami

3. MUTACJE GENOMOWE polegają na zmianie liczby chromosomów, wskutek zakłóceń podziału jądra komórkowego i prowadzą do powstania aneuploidów - osobników o zmienionej liczbie pojedynczej chromosomów. Zmiany mogą dotyczyć zwielokrotnienia całych genomów, powstają wówczas poliploidy.

POLIPLOIDY są zwykle żywotniejsze, wykazują większe zdolności przystosowawcze w walce o byt - poliploidami są powszechnie znane rośliny uprawne np. pszenica, owies, ziemniak, truskawka; należą do nich liczne uporczywe chwasty.

Mutacje genomowe spontaniczne są szczególnie częstsze u roślin rosnących na obszarach o chłodniejszym klimacie. W hodowli zbóż mutacje genomowe są często wywoływane celowo, dla uzyskania nowych plennych odmian.

Czynniki mutagenne

1. fizyczne to: promieniowanie jonizujące, gamma rentgenowskie i ultrafioletowe.

2. chemiczne to: analogi zasad azotowych, niektóre barwniki i alkaloidy np. kolchicyna.

W hodowli roślin bardzo ważną funkcję pełni tzw. BANK GENÓW, który stanowi zapasową pulę genów. Stworzenie banku genów ma na celu zachowanie bioróżnorodności populacji roślin.

Definicja:

1. Bank genów jest to kolekcja roślin uprawnych i spokrewnionych z nimi gatunków dziki rosnących w formie materiału nasiennego, zawierającego cały genom określonych gatunków lub odmian.

2. Inna definicja bardziej ogólna banku genów mówi, że bank genów to kolekcja żywych organizmów, organów, tkanek lub komórek, mających na celu zachowanie różnorodności genetycznej zagrożonej w warunkach naturalnych.

Materiał nasienny w banku genów okresowo jest odnawiany na specjalnie wydzielonych poletkach i przechowywany w specjalnych warunkach, umożliwiających użycie go do celów hodowlanych nawet po kilkudziesięciu latach.

Jednostką uprawnioną do wprowadzania do krajowego rejestru nowej odmiany oraz kontroli już istniejących odmian jest: Centralny Ośrodek Badań Odmian Roślin Uprawnych - COBORU.

Rejestracja dotyczy wyłącznego prawa hodowcy do odmiany i jest przyznawana przez dyrektora COBORU, ochrona prawna obowiązuje tylko na terenie kraju.

Wyłączne prawo do odmiany przyznaje się na wniosek hodowcy tylko wówczas, jeżeli odmiana:

1. jest odrębna i wyrównana

2. odpowiada kryterium nowości

3. posiada nazwę odpowiadającą obowiązującym wymogom

4. spełnia wymogi formalno-prawne

Czas trwania ochrony wyłącznego prawa hodowcy do odmiany obowiązuje od dnia wydania decyzji o jego przyznaniu i trwa:

• 30 lat w odniesieniu do odmian winorośli, drzew i ziemniaków

• 25 lat do pozostałych gatunków, w tym również zbóż

Nowe odmiany zbóż produkowane są w Stacjach Hodowli Roślin, wyhodowanie nowej odmiany zbóż trwa 12-13 lat.

Do selekcji roślin od początku ich hodowli wykorzystywano MARKERY FENOTYPOWE. Wiele genów zidentyfikowano na podstawie tych markerów.

MARKEREM FENOTYPOWYM jest wygląd zewnętrzny rośliny (fizyczny) np. wielkość i kształt liścia flagowego, wysokość rośliny, długość międzywęźli.

Cechy te mogą być np. zapowiedzią dobrej jakości białek ziarniaków lub wysokiego plonu.
Markery te wykazują szereg wad, przede wszystkim podlegają modyfikującym wpływom środowiska.

Wraz z rozwojem nauk podstawowych pulę markerów wzbogacono o MARKERY BIAŁKOWE (białka gliadynowe i gluteninowe ziarniaków pszennych) oraz MARKERY IZOENZYMATYCZNE.

Znaczący postęp w hodowli zbóż dokonał się wraz z rozwojem biologii molekularnej. Aktualnie w selekcji roślin można wykorzystać markery molekularne, co umożliwia szybką identyfikację określonych genów.

MARKERY MOLEKULARNE to markery oparte bezpośrednio na właściwościach kwasów nukleinowych. Funkcję markera molekularnego spełniają często charakterystyczne wyniki analiz DNA - zwłaszcza obraz rozdziałów elektroforetycznych . Wzory prążków DNA specyficzne dla poszczególnych roślin, mogą być wykorzystane jako pewne cechy morfologiczne. Markery molekularne nie podlegają modyfikującemu wpływowi środowiska.

Główne cele w hodowli pszenicy to odmiany:

1. wysokiej wartości wypiekowej, z czym związana jest dobra jakość glutenu

2. wysoko plonujące

3. odporne na najważniejsze patogeny i choroby

4. odporne na wylęganie

5. odporne na mróz - zimotrwałe

6. odporne na suszę

7. zwiększonej różnorodności

W każdym roku do krajowego Rejestru Odmian (RO) prowadzonego przez COBORU wpisywanych jest ok. 20 odmian zbóż. W 2004 roku odmiany rejestru krajowego znalazły się w katalogu Unii Europejskiej.

Jednym z największych osiągnięć ostatnich lat w hodowli zbóż było uzyskanie krajowych bezłuskowych odmian jęczmienia i owsa.

Wykład 2

Zagrożenia w Hodowli i Uprawie Zbóż

Wyhodowanie nowych odmian zbóż o wysokich parametrach jakościowych zależy nie tylko od czynników genetycznych, ale również od wpływu środowiska.

Ważne warunki środowiska:

1. Klimat

2. Odporność na choroby

3. Występowanie zanieczyszczeń

Zanieczyszczenia środowiska dotyczą całej biosfery: powietrza, wody, gleby i stanowią duży problem w zachowaniu bezpieczeństwa żywności.

Zagrożenia bezpieczeństwa żywności, w tym również produktów zbożowych to:

1. zagrożenia biologiczne - dotyczą chorób wywołanych przez bakterie, wirusy czy grzyby.

2. zagrożenia chemiczne - to m.in. pierwiastki szkodliwe dla zdrowia, pestycydy, azotany, azotyny oraz mikotoksyny.

3. zagrożenia fizyczne - szkło, metale, promieniowanie

Przyczyny występowania zanieczyszczeń w środowisku to:

1. gwałtowny rozwój przemysłu

2. środki i metody intensyfikacji produkcji roślinnej i zwierzęcej.

INTENSYFIKACJA PRODUKCJI ROŚLINNEJ związana jest z nadmiernym nawożeniem mineralnym (azotany, azotyny) oraz chemiczną ochroną roślin (pestycydy).

INTENSYFIKACJA PRODUKCJI ZWIERZĘCEJ dotyczy stosowania antybiotyków zapobiegawczo lub w celach leczniczych, a także stosowania tych specyfików do pobudzania hodowli. Odrębny problem stanowi wykorzystanie pasz zanieczyszczonych grzybami toksynotwórczymi oraz mikotoksynami.

Choroby Zbóż

Choroby zbóż wywołane są:

1. czynnikami abiotycznymi (klimatycznymi, siedliskowymi)

2. czynnikami biotycznymi (bakterie, grzyby, pasożyty zwierzęce)

Zarówno czynniki abiotyczne jak i biotyczne mogą działać na zboża zarówno w czasie wegetacji na polu jak i w magazynie.

CHOROBY ABIOTYCZNE mogą być wywołane przez:

1. niedobór lub nadmiar składników odżywczych,

2. przeciągle deszcze, gradobicie,

3. dużą wilgotność powietrza,

4. suszę,

5. nadmierne lub raptowne wysuszenie ziarna,

6. przymrozki, mrozy,

7. magazynowanie ziarna zbyt mokrego, w zbyt dużych masach.

CZYNNIKAMI BIOTYCZNYMI wywołującymi choroby zbóż są przede wszystkim grzyby.

Fuzariozy - Fusarium

Fuzariozy to choroby wywołane przez grzyby z rodziny Fusarium, zaklasyfikowane do pleśni.

Patogeny te mogą atakować rośliny przez cały okres wegetatywny, w stadium siewki, młodej rośliny oraz dojrzałe osobniki (kłosy i ziarniaki), do zakażeń ziarniaków może dojść również w magazynach.

Do chorób fuzaryjnych należy:

1. pleśń śniegowa

2. fuzaryjna zgorzel siewek

3. zgorzel podstaw źdźbła

4. fuzarioza korzeni

5. fuzarioza kłosów

Choroby te mogą być wywołane przez kilka działających jednocześnie gatunków Fusarium. Zaatakowane kłosy pokryte są grzybnią ze skupieniami zarodników.

Zabarwienie porażonych kłosów może zmieniać się od czerwonego poprzez wiśniowe aż do brunatnoczerwonego.

Ziarna opanowane przez fuzariozę są:

1. Drobne,

2. Źle wykształcone

3. O niskiej zdolności kiełkowania

Mąka z ziarna porażonego fuzariozą:

1. Ma zmieniony skład chemiczny

2. Ma małą zawartość białka i

3. Gluten o obniżonej jakości.

4. Mąka z takiego ziarna nie nadaje się do konsumpcji, ponieważ grzyby z rodziny Fusarium mogą wytwarzać metabolity wtórne, zwane fuzariotoksynami.

Rdze zbożowe - Puccinia sp.

Chorobę tą wywołuje kilka gatunków Puccinia, które są pasożytami bezwzględnymi. Ich cykl rozwojowy przebiega na dwa niespokrewnione gatunki roślin, na berberysie i zbożach.

Na zbożach tworzą się charakterystyczne rdzawe plamy o różnych formach. Rdza zmniejsza powierzchnię asymilacyjną liści i zmniejsza odporność na suszę
i mróz.

Rośliny porażone rdzą mają ziarniaki

1. drobniejsze,

2. niedostatecznie wykształcone,

3. zawierają mniej białka i skrobi.

Okresowe epidemiczne występowanie rdzy źdźbłowej może doprowadzić do obniżenia plonu o 50-80%.

Głownie zbożowe - Ustilagosa

• Występuje ich kilkanaście gatunków.

• Podobnie jak rdze, są pasożytami bezwzględnymi.

Zakażenie roślin następuje przez wykiełkowanie zarodników na młodej siewce. Grzybnia przerasta całą roślinę, a po dotarciu do kwiatostanu przekształca go w skupisko zarodników przetrwalnikowych. Skupienia zarodników mają wygląd czarnych pylących mas, porażone rośliny przypominają osmolone ogniem drewno - głownie.

Drugim sposobem zakażenia jest kiełkowanie zarodników na znamieniu słupka i wnikaniu strzępek grzybni do zalążni, a następnie do zarodka, gdzie grzyb popada w stan życia utajonego. Na zakażonych ziarniakach nie widać objawów choroby, nadają się spożycia. Choroba ujawnia się po wysianiu pozornie zdrowego ziarna w rozwijającej się roślinie, grzybnia przerasta wszystkie tkanki, aż do wytworzenia nowych zarodników w kłosach, które zakażają kolejne rośliny.

Mączniak właściwy - Erysiphe graminis

• Atakuje najczęściej młode siewki i wegetatywne części dorosłej rośliny.

• Na porażonych roślinach występuje szarobiały nalot, zmieniający się w brunatnoszary z ciemnymi punktami, będącymi owocnikami grzyba. Porażone liście zasychają i zamierają.

• Ziarniaki z porażonych roślin są na ogół drobne, jednak nadają się do spożycia.

Śnieć - Tylletia sp.

• Najczęściej występują dwa gatunki śnieci: śnieć cuchnąca i karłowa pszenicy.

• Infekcja następuje w czasie kiełkowania ziarniaka. Grzybnia przerasta tkankę źdźbła aż do kłosów. Wewnątrz ziarniaków tworzą się zarodniki przetrwalnikowe o charakterystycznym zapachu trójetanoloaminy, zbliżonego do zapachu śledzi.

• Porażone kłosy wyróżniają się barwą zieloną, która później zanika, a ziarniaki wypełnione zarodnikami przybierają kształt zbliżony do kulistego. Przy silnym porażeniu plon się zmniejsza, a ziarniaki stają się niebezpieczne dla zdrowia ludzi i zwierząt.

Sporysz - Claviceps purpurea

• Pasożyt ten może porażać liczne gatunki traw, a wśród zbóż najczęściej poraża żyto, w mniejszym stopniu pszenicę, pszenżyto i jęczmień, a tylko sporadycznie owies.

• Infekcja następuje w czasie kwitnienia. Zarodniki kiełkują na znamieniu słupka, gdzie wytwarzają strzępki grzybni, która przerasta zalążnię tworząc przetrwalniki.

• Sporysz wywołuje niewielkie szkody w plonowaniu zbóż

• Obecność w ziarnie jest niebezpieczna dla zdrowia ludzi i zwierząt. W przetrwalnikach występują:

• szczególnie toksyczne alkaloidy: ergotamina, ergozyna oraz

• biogenne aminy - tyramina i histamina.

Alkaloidy zawierają kwas lizerginowy, natomiast wywołana przez sporysz choroba u ludzi nazwana jest ergotyzmem.

• Nadmierne dawki alkaloidów sporyszu wywołują w organizmie człowieka i zwierząt zwężenie włosowatych naczyń krwionośnych. Choroba przejawia się w dwóch formach:

• konwulsyjnej

• gangrenowej

Towarzyszy jej powstanie bolesnych nekroz w kończynach.

• W małych dawkach alkaloidy sporyszu są cennym lekiem, więc przetrwalniki są cennym surowcem farmaceutycznym.

• Pochodne alkaloidu sporyszu jak np. tetradietyloamid kwasu lizerginowego zyskał sławę jako LSD - silny środek psychotropowy.

Masy ziarna przyjmowane do magazynu nie powinny zawierać więcej niż 0,15% sporyszu. Do przemiału nie dopuszcza się ziarna z zawartością sporyszu powyżej 0,05%, a do mieszanek pas treściwych ziarna z zawartością 0,1% sporyszu.

Pierwiastki Metali Ciężkich

Metale ciężkie m.in. rtęć, kadm, ołów kumulują się w organizmie, a objawy chorobowe ujawniają się po upływie szeregu miesięcy, lat, a nawet pokoleń.

Zmiany wywołane przez te pierwiastki to:

1. choroby sercowo-naczyniowe

2. nerek

3. układu nerwowego, kostnego

4. zmiany mutagenne i teratogenne

5. alergie

6. choroby nowotworowe

Rtęć

• Rtęć do środowiska przedostaje się wraz z odpadami przemysłowymi.

• Toksyczność rtęci i pozostałych metali ciężkich dotyczy ich soli i tlenków, w formie pierwiastkowej nie są wchłaniane przez organizm człowieka i zwierząt.

• Rtęć najgroźniejsza jest w formie metylortęci. Związki metylortęci są oporne na procesy degradacji biochemicznej w ustroju.

Jony rtęci wiążą się łatwo z grupami hydrosulfidowymi białek i peptydów, blokują więc m.in. aktywność katalityczną wielu enzymów. Inhibicja może dotyczyć centrum aktywnego zawierającego grupy SH- lub innego obszaru enzymu, co wiąże się ze zmianą konformacji cząsteczki i inaktywacją.

W zbożach średnia zawartość metali ciężkich, w tym rtęci mieści się w zakresie 30-60% dopuszczalnej normy. Niewielkie skażenie roślin zbożowych jest wiązane z wycofaniem preparatów ochrony roślin zawierających rtęć.

Ołów

• Najwięcej związków ołowiu dostaje się do środowiska wraz ze spalinami samochodowymi.

• Przy zatruciach przewlekłych występuje anemia, co jest następstwem zablokowania systemów enzymatycznych kierujących syntezą hemoglobiny.

• Ołów wchłaniany przez organizm w 90% odkładany jest w kościach.

Kadm

• Głównym źródłem zanieczyszczenia środowiska kadmem jest spalanie węgla. Natomiast do gleby kadm trafia wraz z nawozami sztucznymi.

• Toksyczne działanie kadmu polega na zaburzeniu czynności nerek, chorobie nadciśnieniowej oraz zmianach nowotworowych. Na poziomie molekularnym kadm blokuje enzymy CKT.

• Kadm głównie kumuluje się w nerkach i wątrobie. W narządach tych kadm wiąże się z niskocząsteczkowym białkiem - tioeniną. Białka te zawierają dużo grup hydrosulfidowych. Tioenina może wiązać 11% kadmu w stosunku do swojej masy. Wiązanie kadmu przez tioeninę może być traktowane jako swoisty mechanizm detoksykacji, gdzie pojawienie się tego pierwiastka w organizmie stymuluje syntezę tioeniny.

W Polsce jak i w innych krajach UE prowadzone są badania zawartości zanieczyszczeń w tym metali ciężkich w żywności. Badanie te prowadzone są dwiema drogami:

• monitoring

• kontrola urzędowa

Monitoring jest systemem powtarzanych, dostosowanych do założonych celów obserwacji, pomiarów oraz ocen, przeprowadzonych na próbach pobranych losowo, reprezentatywnych dla poszczególnych produktów spożywczych.

Kontrola urzędowa żywności jest programem badań o charakterze inspekcyjnym, gdzie cały system pobierania próbek jest ukierunkowany na wykrywanie skażeń środowiska , substancji nielegalnie stosowanych, czy też przekroczeń dopuszczalnych zawartości.

W ziarniakach zbóż corocznym badaniem jest zawartość metali ciężkich. Uzyskane wyniki wskazują na obniżenie się zawartości tych pierwiastków. Niepokojące jest jednak to, że zawartość kadmu i ołowiu była zbliżona do poziomu zawartości dopuszczalnych, natomiast rtęć wykrywana była tylko w śladowych ilościach.

Wykład 3

Pestycydy

Pestycydy to substancje lub ich mieszaniny przeznaczone do zwalczania wszelkiego rodzaju plag tj. szkodników grzybów patogennych, chwastów czy wylęganie zbóż. Preparaty te są wykorzystywane zarówno do ochrony roślin w czasie wegetacji, jak i do konserwacji ziarna po zbiorze.

Podział pestycydów:

1. insektycydy - zwalczające owady

2. fungicydy - zwalczające grzyby patogenne

3. herbicydy

Ze względu na budowę chemiczną pestycydy dzielimy na:

1. chlorowane węglowodany - związki działające nieselektywnie, trwałe w środowisku, akumulujące się w tkankach człowieka i zwierząt. Należą do nich: DDT, thiodan, dieterina.

2. karbaminiany - w większości nieselektywne, bardzo toksyczne, stosunkowo łatwo rozkładające się w środowisku

3. związki fosforowe - wykazują bardzo różny stopień toksyczności, łatwo rozpadające się w środowisku

Pierwsze próby ochrony roślin na świecie z użyciem związków organicznych to 1930r., gdy zastosowano 2,4-D i insektycydy DDT. Wcześniej stosowano związki nieorganiczne - mieszaniny wodorotlenku miedzi i siarczanu wapnia.

Insektycydy

Pierwszym zastosowanym - DDT -> nieselektywny, toksyczny dla owadów, wnika w sposób kontaktowy przez przewód pokarmowy lub powłoki ciała i powoduje zaburzenie systemu nerwowego.

W latach 60-ych XXw. - stosowany w potężnych ilościach. Wydawał się nietoksyczny. Po latach okazało się, że trudno ulega biodegradacji, w glebie rozkłada się dopiero po kilkunastu latach. Ponadto ma zdolność kumulowania się we wszystkich organizmach żywych.

Wspólną właściwością związków chloroorganicznych jest dobra rozpuszczalność w tłuszczach, w związku z tym łatwość gromadzenia się w tkance tłuszczowej. Wykrycie znacznych stężeń DDT w tkance tłuszczowej ludzi było przyczyną zakazu stosowania preparatów produkowanych na bazie DDT. Zakaz pierwszy raz wprowadzono w latach 60-ych XXw. w USA, a w Polsce 10 lat później.

Poważny problem stanowią pozostałości pestycydów trudno ulegających biodegradacji w środowisku, szczególnie dotyczy to chlorowanych węglowodorów. W celu usunięcia ich z gleby będą bakterie zwane dehalogenazami, które zdolne są do usuwania atomowego chloru z cząstek organicznych.

Aktualnie w celu ograniczenia populacji owadów szkodliwych próbuje się wykorzystać grupy związków pochodzenia naturalnego.

Są to detergenty pokarmowe, zwane antyfidantami. Substancje te naturalnie występują w roślinach, oddziaływują na narządy smaku owadów, powodując zaprzestanie żerowania, co w konsekwencji prowadzi do śmierci głodowej.

Cechy antyfidantów jest:

1. Selektywne działanie - są one aktywne wobec określonej grupy owadów, a pozostają obojętne dla innych.

2. Podobieństwo strukturalne do znacznej części związków naturalnych, a więc są to związki łatwo ulegające biodegradacji w środowisku.

Naturalnie antyfidanty występują w roślinach w niewielkich ilościach, więc pozyskiwanie ich na skalę przemysłową jest trudne. Dlatego też stosowanie ich jako środki ochrony roślin i magazynów żywności jest ograniczone. Równie synteza chemiczna ze względu na skomplikowaną strukturę jest wieloetapowa, bardzo trudna i kosztowna. Aktualnie prowadzone są badania nad otrzymaniem syntetycznych antyfidantów naturalnych.

Fungicydy

Zboża i inne rośliny podatne na choroby grzybowe. Głównym składnikiem środka jest substancja aktywna. Oprócz niej są inne związki: nośniki, stabilizatory, aktywatory lub związki powierzchniowo czynne, które poprawiają właściwości fizyczne fungicydów.

Podział ze względu na sposób działania:

1. kontaktowe - pozostają na powierzchni rośliny

2. systemiczne - wnikające do tkanek rośliny.

Współczesna klasyfikacja działania fungicydów wiąże się z patogenezą choroby i obejmuje 3 następujące etapy:

1. działanie przed infekcją

2. działanie w czasie infekcji

3. działanie w czasie inkubacji choroby

Działanie fungicydu przed infekcją dotyczy większości tradycyjnych środków grzybobójczych i pomimo zróżnicowania pod względem chemicznym mają szereg wspólnych cech.:

1. podobny mechanizm działania grzybobójczego, polegający na blokowaniu procesów energetycznych w kiełkujących zarodnikach grzybów

2. mała selektywność działania na roślinę i grzyba i związana z tym możliwość uszkodzenia tkanek roślin

3. zróżnicowana, przeważnie mała aktywność grzybobójcza in vitro

Przykład: związki miedzi, nieorganiczne zw. siarki, zw. organiczne: tiokarbaminowe i zw. aromatyczne

Działanie w czasie infekcji - przy występowaniu pierwszych objawów choroby polega na zahamowaniu wzrostu grzybni i przerwaniu rozwoju grzyba; nie może on wytwarzać zarodników.

Działanie w czasie inkubacji choroby - kontakt preparatu z organami grzyba. Główne cechy:

• zróżnicowany mechanizm działania, najczęściej zahamowanie biosyntezy związków sterolowych, kwasów nukleinowych, białek i procesów związanych z podziałem mitotoksycznym jądra komórkowego

• duża selektywność działania i związane z tym małe prawdopodobieństwo uszkodzenia tkanek rośliny

• zróżnicowana, duża aktywność fungistatyczna (skuteczne w małych ilościach)

Wadą jest duże prawdopodobieństwo uodpornienia się na substancję czynną.

Przykład: zw. triazdowe i pirymidynowe

Mechanizm działania fungicydów - działanie fungicydalne ma miejsce wówczas, gdy fungicyd powoduje nieodwracalne zmiany w komórce grzyba. Działanie fungistatyczne - zmiany są przejściowe, ustępują w miarę zanikania substancji toksycznej (grzyb wraca do zdrowia).

Zakłócenie w funkcji fizjologicznej grzyba polegają na blokowaniu:

1. Procesów energetycznych

2. Biosyntez

3. Działania błony cytoplazmatycznej

4. Nietoksycznego podziału jądra komórkowego

Ad 1. Zakłócenia w uwalnianiu energii polegają na blokowaniu enzymów uczestniczących w przemianach oksydacyjnych. W procesach utleniania zachodzące w komórkach grzybów najwrażliwsze są początkowy i końcowy etap tych przemian. Pierwszy z nich to proces glikolizy przekształcający glukozę do kwasu pirogronowego oraz końcowy - fosforylacja oksydacyjna prowadząca do powstania ATP.

W hamowaniu enzymów uczestniczą składniki fungicydów reagujące z grupami: hydrosulfidową, aminową i iminową. Do fungicydów tak działających należą preparaty zawierające miedź, cynk, siarkę i jej nieorganiczne związki siarkowe.

Ad 2. Zahamowanie biosyntez może być bezpośrednim następstwem ograniczenia procesów energetycznych, jak również może być spowodowane bezpośrednim wpływem substancji toksycznej na ośrodki, w których tworzone są składniki komórki. Głównymi procesami hamowania przez fungicydy są: biosynteza kwasów nukleinowych, białek i związków sterolowych.

Zakłócenie w biosyntezie kwasów nukleinowych dotyczy blokowania aktywności polimerazy II, odpowiedzialnej za biosyntezę mRNA. Niewrażliwa okazała się polimeraza I odpowiedzialna za powstawanie rRNA. Zmienną aktywność wykazała polimeraza III, katalizująca syntezę tRNA.

Spośród 3 etapów biosyntezy białka enzymatycznej aktywności aminokwasu z udziału ATP, reakcja aktywnego aminokwasu ze specyficznym tRNA oraz przenoszeniu kompleksu aminokwasu tRNA na układ rybosomalny - mRNA i włączaniu aminokwasu w łańcuch polipeptydowy, najbardziej wrażliwy na działanie fungicydu okazał się ostatni etap biosyntezy białek. Fungicydami działającymi na te procesy są związki organiczne fosforu i dichlorofenyloamidowe.

Związkiem sterolowym występującym w grzybach jest ergosterol, wchodzący w skład błony cytoplazmatycznej. Ergosterol jest prowitaminą D oraz związkiem prekursorowym, z którego powstają auksyny. Mechanizm zakłócenia biosyntezy ergosterolu polega na zahamowaniu jego przemian w substancje wzrostowe - auksyny oraz na zahamowaniu powstawania związków tłuszczowych. Fungicydami blokującymi biosyntezę ergosterolu są: zw. azolowe, skuteczne przy zwalczaniu pasożytów ścisłych, głównie mączniaków prawdziwych i rdzy.

Ad 3. Uszkodzenie struktury błon komórkowych grzyba dotyczy głównie części białkowej błon i jest związane z zakłóceniem przepuszczalności, co prowadzi do zamierania komórki grzyba. Działanie takie określa się jako fungicydalne.

Ad 4. Mechanizm działania fungicydów blokujących mitotyczny podział jądra komórkowego polega na inaktywacji procesu powstawania białek tubulinowych uczestniczących w podziale jądra komórkowego. W procesie tym skuteczne są zw. benzymidazolowe, ich działanie określa się jako fungistatyczne.

Odrębną grupą związków grzybobójczych są preparaty wzmagające odporność na infekcje. Stymulowanie odporności roślin na infekcję może polegać na wzmożeniu lignifikacji ścian komórkowych, wzbudzenie kumulacji fitoaleksyn. Do tych związków należą: zw. fosfoorganiczne łatwo ulegające biodegradacji.

Wykład 4

Herbicydy

W Polsce zarejestrowanych jest ponad 400 herbicydów, z czego ok. 100 przeznaczonych jest do odchwaszczania zbóż. Herbicydy można klasyfikować ze względu na:

1. budowę chemiczną

2. działanie na roślinę

3. sposób stosowania

Podział ze względu na budowę chemiczną:

1. związki nieorganiczne - amidosulfonian amonu, boraks, chloran sodu;

2. związki organiczne - pochodne kwasu fenoksyoctowego, pochodne triazylowe i karbaminianowe.

Preparaty handlowe mogą zawierać jedną substancję aktywną lub ich mieszaninę.

Ze względu na działanie na roślinę wyróżniamy:

1. herbicydy kontaktowe - działające po zetknięciu się z powierzchnią rośliny

2. systemiczne - wnikające do wnętrza tkanek.

Inny podział to

1. herbicydy systemiczne - działające niszcząco wyłącznie na chwasty jednoliścienne lub dwuliścienne

2. herbicydy nieselektywne - wykazujące fitotoksyczność do chwastów zarówno jedno- jak i dwuliściennych.

Ze względu na sposób stosowania rozróżnia się:

1. związki stosowane doglebowo (przedsiewnie)

2. stosowane polistnie (po wschodowo)
   

Działanie chwastobójcze (fitotoksyczne) herbicydu polega głównie na zaburzeniu:

1. procesu fotosyntezy

2. przemian enzymatycznych u roślin

3. hamowaniu podziału komórek

4. wzroście transpiracji.

Pobór właściwego herbicydu zależy od:

1. gatunku rośliny uprawnej

2. składu botanicznego chwastów.

Na skuteczność chwastobójczą i bezpieczeństwo preparatu mają wpływ:

1. sposób ich stosowania

2. warunki środowiska.

Bezpieczeństwo i skuteczność zależy od wielu procesów fizykochemicznych. Są to m.in.: adsorpcja, absorpcja, rozkład chemiczny i mikrobiologiczny oraz przemieszczanie się w profilu glebowym.

Rozkład herbicydów w glebach:

Niezależnie od terminu stosowania i pokrywy roślinnej, część herbicydu trafia zawsze do gleby. Preparaty herbicydów ulegają w glebie różnym procesom biologicznym, fizykochemicznym, w wyniku których powinny zostać całkowicie rozłożone. Jednak część herbicydów wiązana jest przez składniki gleby, następnie mogą być pobierane przez korzenie roślin uprawnych i chwastów.

W glebach bogatych w mikroorganizmy rozkład herbicydów jest wyraźnie szybszy niż w ubogich w drobnoustroje. Natomiast procesy biodegradacji w głębszych warstwach gleby przebiegają znacznie wolniej. W konsekwencji pozostałości herbicydów mogą przedostać się do wód gruntowych, co stanowi jedno z największych zagrożeń.

Niebezpieczeństwo stosowania herbicydów poza kumulowaniem się w glebie, może również dotyczyć uodpornienia się chwastów na określony preparat. Zjawisko takie może mieć miejsce w przypadku wystąpienia mutacji, wśród większości roślin danej populacji.

Mutacja może doprowadzić do powstania mechanizmu obronnego, czyli wywołania odporności na daną substancję czynną.

Następnie podczas krzyżowania może dojść do przeniesienia tej cechy na nowo powstałe chwasty i pojawia się nowa populacja odporna na działanie substancji aktywnej. Wówczas najczęściej stosuje się preparaty o innych mechanizmach działania, które zwykle są skuteczne. Pociąga to za sobą zwiększenie koncentracji ksenofobików w środowisku.

Aktualnie do najczęściej stosowanych herbicydów fosfoorganicznych należą preparaty, których substancję aktywną stanowi glifosat. Jest to związek działający nieselektywnie - niszczy chwasty i rośliny uprawne. Jego zaletą jest szybki rozkład w glebie do związków nietoksycznych.

Pestycydy - podsumowanie

Kryteria decydujące o szkodliwości pestycydów to: toksyczność, trwałość, wielkość produkcji oraz możliwość występowania jednocześnie w różnych częściach środowiska. Powszechnie stosowanie pestycydów stwarza niebezpieczeństwo kumulowania się tych związków oraz ich metabolitów w glebie, w wodzie oraz w roślinach.

Wszystkie pestycydy objęte są ścisłą kontrolą toksykologiczną. Przed laty wśród związków ochrony roślin znajdowały się związki rtęci czy DDT, które praktycznie wycofano z użycia. Aktualnie stosowane są przed wszystkim związki organiczne o nie wykrytej dotychczas szkodliwości dla ludzi i zwierząt.

Ustalenie stopnia toksyczności pestycydu jest jednym z warunków dopuszczenia go do stosowania w ochronie roślin. Sprawy te regulują specjalne przepisy nakładające obowiązek rejestracji wszystkich pestycydów.

W Polsce obowiązuje podział pestycydów na pięć klas według ich toksyczności. Przynależność do danej grupy jest określana wartością LD₅₀, czyli dawką śmiertelną wyrażoną w ilości mg substancji toksycznej na kg ciała, która po jednorazowym podaniu powoduje śmierć 50% badanej populacji zwierząt.

Toksyczność pestycydów wobec żywych organizmów jest bardzo różna, zależy od rodzaju samego organizmu, warunków środowiska oraz rodzaju, formy oraz sposobu podania pestycydu. Mimo, że nowoczesny przemysł produkuje coraz mniej szkodliwych środków ochrony roślin, to nie wyprodukowano takiego preparatu, który byłby całkowicie bezpieczny dla ludzi i zwierząt.

Trwałość pestycydu w środowisku jest najbardziej decydującym czynnikiem przy rozważaniu zakresu ich stosowania. Stąd podzielono je na 4 grupy: bardzo trwałe, trwałe, nietrwałe i szybko zanikające. Do określenia trwałości związków organicznych w środowisku wprowadzono pojęcie czasu półtrwania lub czasu rozkładu tego związku w środowisku. Najtrwalsze z pestycydów to związki chloroorganiczne, dlatego obecnie wycofane są z użycia.

Rozkład pestycydów w środowisku może zachodzić na drodze biochemicznej - działanie bakterii (enzymatyczny rozkład), jak równie może być spowodowany reakcjami fotochemicznymi - rozkład pod wpływem światła słonecznego i chemicznymi - hydroliza, utlenienie, redukcja. Jednak należy zwrócić uwagę, że produkty rozpadu mogą być bardziej toksyczne niż związki wyjściowe.

Przystąpienie polski do UE zobowiązało krajowe władze do wprowadzenia w życie rozporządzeń Komisji Europejskiej dotyczących wszystkich decyzji z zakresu ochrony roślin. W minionej dekadzie obowiązywała dyrektywa 91/414/EEC regulująca wszystkie zasady dotyczące wprowadzania oraz zakazu wprowadzania poszczególnych substancji aktywnych. Komisja Europejska kontynuuje proces oceny substancji radioaktywnych w ochronie roślin.

Wykład 5

Mikotoksyny

Mikotoksyny to związki syntetyzowane przez grzyby mikroskopowe, określane potocznie pleśniami. Związki te są wydzielane do podłoża w celu zahamowania rozwoju innych organizmów - bakterii, roślin, zwierząt czy innych grzybni. Mikotoksyny można traktować jako swoistą bio-broń skierowaną przeciwko zagrażającym im gatunkom z obszaru flory i fauny.

Niektóre mikotoksyny w znacznych stężeniach wykazują ostre działanie toksyczne, które może przejawić się własnościami

1. mutagennymi

2. kancerogennymi

3. teratogennymi

4. estrogennymi.

Mogą powstawać w wielu surowcach i artykułach spożywczych w różnych warunkach.

Skażenie mikotoksynami może nastąpić w trakcie wegetacji roślin, jak i po zbiorze w magazynach. Ze względu na różnorodny efekt toksyczny, dużą odporność na działanie wysokich temperatur, stanowią poważne zagrożenie dla ludzi i zwierząt. Odrębnym problemem jest ich zdolność do kumulowania się w poszczególnych organizmach łańcucha pokarmowego.

Mikotoksyny mają również znaczący wpływ na gospodarkę żywnościową, ponieważ powodują straty w pogłowiu zwierząt i utrudniają ich hodowlę. Ponadto obecność mikotoksyny w artykułach spożywczych, zgodnie z uregulowaniami prawnymi uniemożliwiają ich obrót w skali kraju i międzynarodowym.

Problem toksyczności metabolitów grzybowych dotyka ludzkość od wieków i jest obecny również aktualnie.
Pięć mikotoksyn na ponad tysiąc poznanych, uznaje się jako znaczące z punktu widzenia toksykologicznego i ekonomicznego w skali światowej:

1. aflatoksyny

2. ochratoksynę A

3. deoksyniwalenon wraz z pochodnymi

4. zearalenon

5. fumonizyny.

Aflatoksyny

Spośród mikotoksyn jako pierwsze zostały zidentyfikowane aflatoksyny, syntetyzowane przez grzyby z rodzaju Aspergillus.

Cztery główne toksyny wytwarzane przez ten rodzaj podzielono na 2 grupy:
B, G - na podstawie koloru (niebieskie, zielone) na jaki świecą w świetle UV po adsorpcji na substracie w fazie stałej.

Są to aflatoksyny B1, B2, G1,

W produktach roślinnych najczęściej w najwyższej ilości występują metabolity B1 i B2.

Zanieczyszczenie aflatoksynami może pojawić się podczas wegetacji roślin na polu, jak również po zbiorach, co wynika z nieprawidłowego przechowywania produktów rolnych.

Podczas wegetacji

Aktualnie przyjmuje się, że:

• A. parasticus jest dobrze przystosowany do życia w środowisku gleby,

• A. flavus rozwija się na częściach nadziemnych roślin (kwiaty, liście), przeważa na kukurydzy, nasionach bawełny, orzechach.

Różnica biochemiczna między tymi gatunkami polega na tym, że:

1. A. parasticus może wytwarzać wszystkie 4 toksyny (B1, B2, G1, G2),

2. A. flavus zwykle tylko B1 i B2.

W magazynach

Jednak największe skażenie aflatoksynami związane jest z pleśnieniem artykułów rolnych w magazynach.

Zakażenia można uniknąć, zapewniając szybkie suszenie po zbiorze i przechowywanie w odpowiednich warunkach.

Szczególnie podatne na zakażenie aflatoksynami są orzeszki ziemne, ale mogą wystąpić w:

• zbożach,

• ziarnie kakaowym

• przyprawach kuchennych (pieprz, papryka)

• owocach suszonych, pochodzących z innych stref klimatycznych jak figi, rodzynki, migdały.

Warunki rozwoju:

1. tropikalne - większość szczepów Aspergillus optymalnie rozwija się w warunkach klimatu tropikalnego,

2. w klimacie umiarkowanym i chłodnym - skażenie aflatoksynami jest sporadyczne.

Najczęściej skażenie aflatoksynami występuje w niektórych krajach Afryki, w Brazylii, Chinach i niektórych stanach USA. Kraje europejskie narażone są na kontakt z aflatoksynami przez konsumpcję surowców i artykułów importowanych.

Dotyczy to:

• orzechów arachidowych,

• przypraw kuchennych, ziarna kakaowego,

• komponentów do produkcji pasz jak i ich samych.

Występowanie tych toksyn w paszach jest szczególnie niebezpieczne, bo poza zagrożeniem dla zwierząt jest również szkodliwe dla człowieka. Aflatoksyny bowiem mogą kumulować się w produktach pochodzenia zwierzęcego, takich jak jaja i mięso.

Dodatkowym zagrożeniem dla człowieka jest fakt, że Aflatoksyna B1 przyjmowana z paszą przez bydło mleczne, ulega konwersji przez hydroksylację do tzw. „toksyny mlecznej” M1. Aflatoksyna M1 w mleku surowym i jego przetworach jest dość trwała, jest stabilna podczas pasteryzacji i przyrządzania serów i jogurtów. Przetworzenie mleka surowego na mleko w proszku powoduje znaczne podwyższenie jej zawartości.

Wpływ na zdrowie ludzi i zwierząt

Aflatoksyny są szczególnie niebezpiecznymi truciznami zagrażającymi zdrowiu ludzi i zwierząt i chociaż są toksyczne w dużych stężeniach, to systematyczne ich pobieranie w małych ilościach stanowi duże zagrożenie dla zdrowia.

Aflatoksyny od dawna uważane są za kancerogeny zwierzęce, wykazano bowiem ich działanie rakotwórcze u wielu gatunków zwierząt.

Przypisuje się im działanie mutagenne przejawiające się zapaleniem wątroby, rakiem wątroby oraz marskością wątroby.

W rozwiniętych krajach świata skażenie aflatoksynami wydaje się mało prawdopodobne, dzięki kontroli produkcji i przetwarzania żywności. Problem zanieczyszczenia aflatoksynami dotyczy krajów trzeciego świata i nas jeśli importujemy produkty skażone.

Toksyny fuzaryjne

Toksyny wytwarzane przez grzyby należące do rodzaju Fuzarium należą do trzech grup:

1. Trichoteceny - F. graminearum, F. culmorum

2. Fumonizyny - F. moniliforme, F. proliferatum

3. Zearalenon i jego pochodne - F. graminearum, F. culmorum

Trichoteceny

• Do tej pory zidentyfikowano ok. 150 różnych trichotecenów.

• Najlepiej poznano niwalenon, deoksyniwalenon i toksynę T-2.
  

Deoksyniwalenon zwany jest womitoksyną - toksyną wymiotną.
Objawy zatrucia trichotecenami to:

1. wymioty,

2. krwotoki,

3. krwawe wybroczyny,

4. uszkodzenia szpiku kostnego

5. anemie charakterystyczne dla białaczki żywieniowej.

Występowanie:

Trichoteceny mogą występować we wszystkich zbożach w warunkach klimatu chłodnego i umiarkowanego w atmosferze znacznej wilgotności. Znaczące ilości deoksyniwalenonu wykrywano w pszenicy, jęczmieniu, kukurydzy i owsie, pochodzących z Ameryki Północnej, Japonii i Europy. Mniejsze zanieczyszczenia występują w życie, sorgo i ryżu.

W ziarnie zdrowym zawartość deoksyniwalenonu jest niewielka <0,05mg/kg. Kraje Unii Europejskiej zalecają, żeby zawartość DON w ziarnie pszenicy nie przekraczała wartości 1mg/kg, a w mące 0,5mg/kg.

Fumonizyny

Fumonizyny stanowią grupę ok.15 poznanych mikotoksyn. Związki te zidentyfikowano późno, bo dopiero w latach 80-ych XX w., co związane jest z ich odrębną budową chemiczną i właściwościami fizycznymi niż wykazują pozostałe mikotoksyny. Obecnie dzięki dostępności nowych metod analitycznych możliwe jest ich dokładne zbadanie.

Zanieczyszczenia fumonizynami dotyczy przede wszystkim pasz i żywności otrzymanych z kukurydzy, chociaż niewielkie stężenia fumonizyny wykrywano w ryżu, makaronie pszennym i przyprawach, jak również w sorgo i piwie. Toksyczność tych związków jest znacznie mniejsza niż pozostałych mikotoksyn, to jednak stanowią duże zagrożenie, ponieważ występują w znacznie większych ilościach.

Toksyczne działanie fumonizyn polega na zakłóceniu biosyntezy tłuszczu w komórkach nerwowych.

• U koni objawia się to rozmieszczeniem istoty białej mózgu, u świń powoduje obrzęk płuc.

• U ludzi ich toksyczne działanie nie zostało do końca poznane, jednak stwierdzono, że w RPA istnieje statystyczna zależność pomiędzy występowaniem fumonizyn a zachorowalnością na raka przełyku.

Międzynarodowa Agencja Badań Nad Rakiem uznała fumonizyny za potencjalnie kancerogenne. Mikotoksyny te stanowią problem w wielu krajach naszego kontynentu i również w USA, a przede wszystkim krajach Afryki i Azji.

Zearalenon

Mikotoksyna ta występuje w zbożach, jednak głównie w kukurydzy i jej produktach. Zearalenon i jego pochodne wykazują działanie przede wszystkim estrogene. Obecność tej toksyny w paszach powodowała bezpłodność, zwłaszcza u świń i owiec. Związek ten wykazuje również działanie teratogenne w stosunku do zwierząt. Jego toksyczne działanie na organizm ludzi nie jest do końca poznane.

Ochratoksyna A

Wytwarzana jest przez grzyby z rodziny Penicillium oraz Aspergillus.

Grzyby te często atakują zboża w warunkach klimatu umiarkowanego i chłodnego, wykrywane są więc w surowcach i przetworach zbożowych.

Obecność ochratoksyny A stwierdzono w:

1. życie

2. pszenicy

3. jęczmieniu

4. w innych surowcach i produktach spożywczych np. kawie i herbacie.

Jest typową mikotoksyną przechowalniczą, rozwija się na ziarniakach zbóż w trakcie ich składowania w magazynach.

Grzyby z rodzaju Penicillium rozwijają się na ziarniakach zbóż w czasie ich przechowywania w szerokim zakresie temperatur 0-30°C, z optimum wzrostu w temperaturze ok. 20-22°C i aktywności wody 0,953.

Ziarniaki porażone grzybami z rodziny Penicillium lub Aspergillus mogą zawierać ochratoksynę A we wszystkich swoich tkankach, to też po przemianie przechodzi ona do mąki.

Ponieważ jak większość mikotoksyn jest odporna na działanie wysokich temperatur może występować w pieczywie. Obecnie szacuje się, że w Europie przynajmniej 50% dziennego pobrania OTA pochodzi od zbóż i przetworów zbożowych.

Zboża skażone OTA mają zwiększoną wilgotność i są gorszej jakości, dlatego często przeznaczane są na paszę głównie dla trzody chlewnej. Po podaniu takiej paszy zwierzętom często dochodzi do kumulacji tej toksyny w różnych narządach oraz krwi i mięśniach. Toteż przetwory z takich zwierząt stanowią potencjalne zagrożenie dla ludzi. Spośród zwierząt użytkowych najwrażliwsze na OTA okazały się świnie.

Pasze skażone OTA w ilości 5-50mg/kg powodowały u świń poważne uszkodzenie nerek, również we krwi utrzymywał się wysoki poziom tej toksyny.

Wiele badań dotyczących skutków karmienia trzody chlewnej paszą zanieczyszczoną OTA potwierdziło wystąpienie nefropatii ochratoksynowej u tych zwierząt.

Obecność OTA w żywności, zarówno pochodzenia roślinnego jak i zwierzęcego, pozwala przypuszczać, że następnym ogniwem biologicznym może być człowiek. Zostało to potwierdzone w badaniach na obecność OTA w surowicy krwi ludzkiej, gdzie w grupie ponad 1000 osób w ponad 7% stwierdzono jej występowanie. Aktualnie uważa się, że obecność OTA we krwi ludzkiej jest pośrednim wskaźnikiem narażenia.

W 1993r. OTA została sklasyfikowana przez Międzynarodową Agencję Badań Nad Rakiem jako związek prawdopodobnie kancerogenny dla człowieka w grupie 2B. Jednak wiele wyników badań krajowych dotyczących występowania OTA w surowcach i produktach zbożowych wskazuje, że poziom tej toksyny nie przekracza dopuszczalnej zawartości.

Niebezpieczeństwo OTA polega na właściwościach kumulowania się w organizmach ludzkich czy zwierzęcych, to też jej toksyczne działanie w odległym czasie jest trudne do przewidzenia. OTA poza właściwościami nefrotoksycznymi wykazuje działanie teratogenne i mutagenne.

Wykład 6

GMO

Organizmy zmodyfikowane genetycznie mają zmienioną pulę genową w obrębie swojego gatunku. W celu zmiany genotypu danego organizmu wykorzystuje się techniki rekombinacji DNA, które polegają na wprowadzeniu lub usunięciu, względnie modyfikacji pewnego fragmentu DNA.

Wg artykułu 3 z dnia 22 czerwca 2001r. o organizmach genetycznie modyfikowanych (Dz. U. nr 76 poz. 811), GMO to organizm inny niż organizm człowieka, w którym materiał genetyczny został zmieniony w sposób nie zachodzący w warunkach naturalnych wskutek krzyżowania lub naturalnej rekombinacji.

Modyfikacje, jakim podlega organizm można podzielić na 3 rodzaje:

1. zmieniona zostaje aktywność genów naturalnie występujących w danym organizmie

2. do organizmu zostaje wprowadzona kopia jego własnych genów

3. wprowadzony gen pochodzi od organizmu innego gatunku (organizm transgeniczny)

Świadoma manipulacja materiałem genetycznym w obrębie danego gatunku, jak i między gatunkami stała się możliwa dzięki odkryciu narzędzi molekularnych, którymi są enzymy - endonukleazy restrykcyjne (restrykazy) i ligazy.

W drugiej połowie XXw. mikrobiolog D. Nathans odkrył enzymy restrykcyjne
i był prekursorem prac badawczych nad ich zastosowaniem w inżynierii genetycznej. Za to przełomowe odkrycie wraz z W. Arberem i H. Smithem w 1978r. otrzymał nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny. Mechanizm działania enzymów restrykcyjnych polega na rozcięciu DNA w jednym specyficznym miejscu tak, że powstają komplementarne końce (końce lepkie).

Do rozciętego w ten sposób np. plazmidu można wprowadzić dowolny fragment DNA, niosący cechę pożądaną przez nas. Powtórne łączenie zrekombinowanych fragmentów DNA odbywa się z udziałem ligaz, tworzących wiązania fosfodiestrowe pomiędzy nukleotydami lepkich końców. Plazmidy to dwuniciowe cząsteczki DNA, będące wektorami (nośnikami genów) i które mogą replikować się niezależnie od chromosomów gospodarza.

Opanowanie najnowszych technik inżynierii genetycznej umożliwiło otrzymanie organizmów modyfikowanych genetycznie, w tym również roślin uprawnych.

Kierunki modyfikacji roślin uprawnych

Transgeneza roślin uprawnych najczęściej dotyczy:

1. zwiększenia tolerancji na działanie herbicydów, odporności na atak owadów oraz choroby wirusowe i grzybowe

2. zmiany architektury rośliny, w tym ich wysokości ora terminu kwitnienia i dojrzewania

3. zwiększenia tolerancji na środowisko szkodnika, w tym niskie, wysokie temperatury, niedobór wody i zasolenie gleby

4. zmiany w składzie chemicznym i wartości użytkowej jadalnych części roślin, dotyczy to np. zwiększenia zawartości lizyny w białkach zbóż, czy metioniny w nasionach roślin strączkowych.

5. zmian składu i właściwości chemicznych skrobi ziemniaczanej i pszennej oraz glutenu, poprawy cech sensorycznych warzyw i owoców

Metody tworzenia GMO

METODY Z WYKORZYSTANIEM WEKTORA do wprowadzenia materiału genetycznego do organizmu biorcy, najczęściej rośliny. Wektorami są cząsteczki DNA naturalnego pochodzenia, mające zdolność autonomicznej replikacji w komórce gospodarza. Mogą to być np. plazmidy. Metoda ta ma ograniczenia, ponieważ można ją stosować tylko w transformacji roślin dwuliściennych, gdy tylko one ulegają zakażeniu przez Rhizobium. Rośliny jednoliścienne, do których należą zboża, nie mogą być modyfikowane w ten sposób.

METODA BEZ WYKORZYSTANIA WEKTORA, polegająca na bezpośrednim wprowadzeniu DNA do komórek roślinnych lub innego transformowanego organizmu. Metody fizyczne: elektroporacja, mikrowstrzykiwanie. Elektroporacja polega na wykorzystaniu serii impulsów elektrycznych, które naruszają strukturę błony komórkowej, powodując powstanie w niej porów, prze które DNA może wniknąć do wnętrza komórki. Mikrowstrzykiwanie polega na wykorzystaniu mikroskopijnych kulek ze złota lub wolframu o średnicy 0,5-5µm. Fragment DNA, który ma być wprowadzony opłaszcza się na tych kulkach, a następnie używając armatki genowej wstrzeliwuje się do komórek roślinnych. Wadą jest niska wydajność oraz zmiażdżenie organelli.

METODY CHEMICZNE z użyciem glikolu polietylenowego (PEG), który powoduje zwiększenie przepuszczalności błon komórkowych, co pozwala na wniknięcie transgenu do komórek wraz z DNA nośnikowym. Mikroinekcja - polega na wprowadzeniu DNA do komórki biorcy za pomocą igły manipulatora, co wykonuje się ręcznie. Jest to metoda praco- i czasochłonna.

Do tej pory przetestowano ok. 5000 roślin transgenicznych, spośród których wykorzystano mniej niż 50. W tej grupie roślin dopuszczono do uprawy polowej i obrotu kilka odmian soi oraz kilkanaście odmian kukurydzy i pomidorów. Transgeneza tych roślin dotyczyła głównie odporności na działanie herbicydów lub atak owadów.

Pierwszą rośliną o zmienionym genomie, wprowadzoną do obrotu w 1994r. w USA był pomidor Flaver Saver. Transformacja polegała na wprowadzeniu do rośliny odwróconego genu odpowiedzialnego za biosyntezę poligalakturonazy. Enzym ten rozkłada ścianę komórkową, jest więc odpowiedzialny za proces dojrzewania i mięknięcia.

Mechanizmy odporności:

1. Mechanizm tolerancji na herbicydy

Wykorzystując metody inżynierii genetycznej, stworzono rośliny odporne na działanie herbicydów. Po raz pierwszy w 1984r. wykorzystano nieselektywny herbicyd kontaktowy, którego substancją czynną jest glufosynat amonowy (glifosat). Jest ona naturalnym metabolitem grzybów z rodziny promieniowców występującym w przyrodzie.

Mechanizm działania preparatu chwastobójczego polega na tym, że po znalezieniu się w komórce roślinnej hamuje aktywność enzymu - syntetazy glutaminowej, odpowiedzialnego za detoksykację amoniaku. Nadmiar amoniaku zakłóca przebieg procesu fotosyntezy i w konsekwencji prowadzi do śmierci całej rośliny. Glufosynat działa na wszystkie zielone części roślin, nie odróżnia roślin od chwastów.

Mechanizm odporności roślin uprawnych polega na tym, że metodą inżynierii genetycznej wprowadza się do ich genomu dodatkowy gen odpowiedzialny za tolerancję herbicydu. Gen ten pochodzi z tego samego organizmu (promieniowce) co glufosynat, a produktem jego ekspansji jest enzym (białko PAT) acylotransferaza fosfinotrycyny. Enzym ten przez acylację fosfinotrycyny powoduje całkowitą inaktywację herbicydu.

Wówczas proces detoksykacji amoniaku może przebiegać bez zakłóceń. Wyposażając roślinę w mechanizm tolerancji na tę substancję czynimy ją całkowicie odporną na działanie herbicydu. Stosując glufosynat w uprawach roślin transgenicznych niszczymy tylko chwasty.

Do najważniejszych zalet glufosynatu należą:

• szybki rozkład w glebie (3 do 20 dni),

• szerokie spektrum zastosowania,

• nie kumuluje się w glebie,

• produktami jego rozkładu są związki nieszkodliwe - kwas foliowy, dwutlenek węgla, woda.

Modyfikację PAT zastosowano po raz pierwszy w soi, następnie w kukurydzy i wielu roślinach uprawnych.

2. Mechanizm odporności na atak owadów

Najbardziej znanym przykładem organizmu owadobójczego jest bakteria glebowa Bacillus thuringiensis (Bt), produkująca przetrwalniki o bardzo długim okresie aktywności. Pierwotnie przetrwalnikująca bakteria produkuje kryształki białka (potocznie określanego jako białko Bt lub Cry), które uważane jest są w zależności od sposobu działania jako substancje odstraszające (repelenty) lub toksyczne.

Modyfikacja Bt polega na wprowadzeniu do rośliny genów bakterii Bacillus thuringiensis odpowiedzialnych za biosyntezę białka Cry, powodującego odporność na owady. Białka Cry w środowisku zasadowym przewodu pokarmowego owada aktywuje się, potem następuje połączenie ich ze specyficznymi receptorami komórek układu pokarmowego, w wyniku którego następuje perforacja jelita i owad ginie.

Stwierdzono, że receptory białek Cry nie występują na powierzchni jelita ssaków, dlatego też zwierzęta i ludzie nie są wrażliwe na to białko. Białka Cry jako repelenty nie dopuszczają owadów do żerowania na zmodyfikowanych roślinach. Kukurydza była pierwszą rośliną, którą zmodyfikowano, potem zmodyfikowany został ziemniak.

3. Mechanizm odporności na choroby

Choroby roślin wywołują: wirusy, bakterie i grzyby. Odporność na choroby wywołane przez bakterie i grzyby uzyskuje się przez wprowadzenie do roślin genów kodujących enzymy glukanazę i chitynazę, które niszczą ścianę komórkową tych patogenów. Inną modyfikacją jest wprowadzenie do rośliny genu odpowiedzialnego za biosyntezę osmotyny. Białko to wiąże się z błoną komórkową patogenu niszcząc jej strukturę, co skutkuje zniszczeniem bakterii lub grzyba.

MODYFIKACJE PSZENICY

Zmiany w genomie pszenicy dotyczy głównie składu frakcyjnego białek glutenowych. Podjednostkami gluteniny odpowiedzialnymi za wartość wypiekową pszenicy są HMW gluteniny. Zwiększenie zawartości tej frakcji może nastąpić przez wprowadzenie dodatkowego genu odpowiedzialnego za biosyntezę tej frakcji. Pierwszą transgeniczną pszenicą z dodatkowym genem HMW otrzymano w 1992r. w USA. W roku 1996 wprowadzono ten gen do odmiany uprawnej Bobwhite, która miała o 61% więcej HMW glutenin.

Inny rodzaj transgenezy pszenicy to przyspieszenie jej dojrzewania oraz wzbogacenie w związki żelaza i cynku. Po raz pierwszy amerykańscy i izraelscy naukowcy zidentyfikowali geny odpowiedzialne za te cechy. Geny te naturalnie występują w dzikich gatunkach pszenic. Są one spotykane we współczesnych odmianach, ale w formie nieaktywnej. Najprawdopodobniej zostały one wyłączone w wyniku jakiejś mutacji, powstałej w czasie prac hodowlanych nad uszlachetnianiem pszenicy.

Potencjalne zagrożenia związane z wykorzystaniem GMO

• alergie wywołane przez obce białko kodowane przez geny wprowadzone do organizmu gospodarza

• zagrożenie dla człowieka przez wprowadzenie genów odpornych na antybiotyki

• wprowadzenie genów odpowiedzialnych za odporność roślin na środki ochrony (herbicydy uniwersalne), ucieczka tego genu spod kontroli i powstanie superchwastu

• zmniejszenie bioróżnorodności naturalnych gatunków

Kontrargumenty zwolenników nowej biotechnologii

• zgodnie z informacjami podanymi w publikacjach medycznych alergie pokarmowe wywołane są prze 9 grup produktów zawierających: orzechy ziemne, ryby, mleko krowie, soję, skorupiaki, pszenicę, jaja, orzechy ziemne.

• w transformacji genetycznej zaprzestano stosowania genów antybiotykowych jako markerów

• owadobójcza toksyna Bt z Bacillus thuringiensis stanowi substancję czynną w pestycydach, tzw. biopreparatach

18

---