2013 OFGSB-2_Genetická diverzita - isb

Zvyšování
konkurenceschopnosti
studentů oboru botanika
a učitelství biologie
CZ.1.07/2.2.00/15.0316
Ochrana fytogenofondu
zemědělských plodin
Základní definice
Význam genetické diverzity
Význam planých rostlin a krajových odrůd
Centra původu rostlin
Centra diverzity
Atributy kulturních rostlin
Koncepce genových poolů
Ochrana fytogenofondu zemědělských plodin
•
•
•
•
•
•
•
•
Doporučená literatura
Schwanitz. 1969. Vývoj kulturních rostlin. SZN, Praha.
Pecharová, Hejný. 1993. Botanika I.
Guarino et al. 1995. Collecting Plant Genetic Diversity. CAB International (IPGRI, FAO, IUCN).
748 pp.
Chloupek. 2000. Genetická diversita, šlechtění a semenářství. 2. vydání, Academia, Praha.
Primack, Kindlmann, Jersáková. 2001. Biologické principy ochrany přírody. Portál, Praha.
Bryja et al. (2010). Koncepce ochrany genetické diverzity planě rostoucích a volně žijících
živočichů v České republice (koncepční materiál pro činnosti v gesci MŽP). MŽP, Brno.
Národní program konzervace a využívání genetických zdrojů rostlin, zvířat a mikroorganismů
významných pro výživu a zemědělství na období 2012 – 2016. MZE, Praha.
(www.genetickezdroje.cz/sites/File/dokumenty/Narodni_program_GZ.pdf‎)
Genofond
soubor všech živých organizmů v určité oblasti, se současně se projevujícími i s potenciálními geny
• Genofond rostlin představuje jednak rostliny
divoké, plané, a dále zemědělské plodiny a kulturní
varianty rostlin
• Ochrana genofondu rostlin
• zajišťuje uchování biologické různorodosti
• zajišťuje zdroj genetické variability pro další
šlechtění v zemědělství, zahradnictví a lesnictví.
• Genové zdroje
• genetický materiál rostlinného, živočišného,
mikrobiálního či jiného původu obsahující
funkční jednotky dědičnosti, který má současné
nebo i potencionální využití
• organismy nebo jejich části, populace a
biotické složky ekosystémů, současné i
potencionální hodnoty
Ochrana fytogenofondu zemědělských plodin zahrnuje:
1.
2.
3.
4.
Plané druhy - wild species
Plané druhy příbuzné ke druhům pěstovaným - wild relatives, progenitors
Krajové odrůdy – landraces, fenotypově nevyrovnané
Šlechtěné odrůdy - advanced cultivars (varietes), F1 hybrids –současné i
restringované
5. Šlechtitelské linie - breeding lines – experimentální šlechtitelský materiál, neuznaná
novošlechtění a genetické linie
Využití genových zdrojů
• V zemědělské praxi.
• Ve šlechtitelských programech.
• Při řešení vědeckých a výzkumných projektů.
• Ve vzdělávacích a výukových programech.
• Při propagačních akcích pro odbornou a laickou veřejnost.
Biodiversita
Představuje obrovské bohatství nového genetického materiálu, nové kombinace
genů pro šlechtění nových variet rostlin a nových plemen hospodářských zvířat.
Současná stav genetické variability zemědělsky významných rostlin a živočichů je
výsledkem jejich přirozené evoluční historie (3mld let) a vlivem člověka zejména
během posledních 12 tisíc let pečlivé selekce a šlechtění posledních století.
Rice seed collection from International Rice Research Institute (IRRI)
Biodiverzita
Biologická rozmanitost neboli biodiverzita je pojem popisující veškerou
proměnlivost života na naší planetě.
Ekologická diverzita
(Soubor typů stanovišť a ekosystémových procesů v krajině)
Druhová diverzita
(Rozsah druhů v ekosystému)
Genetická diverzita
www.biodiversitybc.org
Toto rozdělení je ovšem pouze formální a je užitečné především z hlediska stanovování metod jejich studia a ochrany.
Ve skutečnosti spolu všechny tři úrovně biologické rozmanitosti funkčně těsně souvisejí a navzájem se prolínají.
Ochraně druhové a ekologické diverzity je věnována největší pozornost
mezinárodních a státních institucí i veřejnosti, neboť právě ztráta variability
v této složce biodiverzity je nejnápadnějším indikátorem zhoršující se
kvality životního prostředí člověka.
Poznání samotné genetické diverzity života bylo donedávna tím
nejméně známým aspektem biologické rozmanitosti.
Nové informace jasně ukazují velký význam genetické diverzity pro
přežívání přirozených populací mnoha organismů a tato data dokládají
potřebu implementace pojmu ochrany genetické diverzity do celkové
koncepce ochrany přírody.
Rozvoj studia genetické diverzity v souvislosti s pokroky technik
molekulární biologie.
Několik základních směrů:
- Obecný popis genetické variability populací a genofondových sbírek
- Studium původu plodin
- Charakterizace genofondových kolekcí
- ověření taxonomické determinace položek
- identifikace interspecifických hybridů
- vyloučení duplicitních položek ve sbírkách
- Zrychlení šlechtitelského procesu – MAS (Marker Assisted Selection)
- Detailní charakterizace genů
- Detekce genů souvisejících s procesy domestikace
Mace, E. S. et al. Whole-genome sequencing reveals untapped genetic
potential in Africa’s indigenous cereal crop sorghum.
Nat. Commun. 4:2320 doi: 10.1038/ncomms3320 (2013).
Illumina seq.
44 Sorghum genotypes - display agronomically important traits
including stay-green drought resistance, insect resistance, grain
size and grain quality.
Identified 725 candidate genes for domestication and/or
improvement
Concentric circles show the different features that were drawn using the Circos program57. The 10 chromosomes are portrayed along the
perimeter of each circle.
(a) Gene content density distribution.
(b) Genomic diversity (θπ) of wild and weedy genotypes (red), landraces (green) and improved inbreds (blue).
(c) Tajima’s D of wild and weedy genotypes (red), landraces (green) and improved inbreds (blue).
(d) Number of SNPs in wild and weedy genotypes (red), landraces (green) and improved inbreds (blue).
(e) FST values of improved inbreds versus landraces. (f) FST values of improved inbreds versus wild and weedy genotypes. (g) FST values of
landraces versus wild and weedy genotypes. (h) A graphical view of duplicated annotated genes is indicated by connections between
segments.
Nature 490, 497-501 (2012) doi:10.1038/nature11532
Domestication area
O. sat. ind
a, Phylogenetic tree of 446 O. rufipogon accessions and 1,083 O. sativa varieties
calculated from SNPs in the overall regions of the 55 major domestication sweeps.
b, Geographic locations of 62 O. rufipogon accessions, whose phylogenetic positions
during domestication are indicated. Colour index represents the average of the
genetic distance of O. rufipogon accessions to all cultivated rice accessions. Two
major rivers in southern China are labelled in grey in the map.
e, Schematics of the origin of cultivated rice. The aus and aromatic rice are minor
groups of rice accessions with small geographic distributions.
wild
wild
O. sat. jap
a, Phylogenetic tree of the full population (446 O. rufipogon accessions and 1,083 O. sativa varieties)
calculated from ~8 million SNPs in O. rufipogon and O. sativa. The double-layer rings indicate O.
rufipogon (outer ring: Or-I, Or-II and Or-III are coloured in red, grey and blue, respectively) and O.
sativa (inner ring: indica and japonica subspecies are in pink and sky blue, respectively).
b, Illustration of genetic diversity and population differentiation in O. rufipogon and O. sativa. The
size of the circles represents the level of genetic diversity (π) of the groups, and the FST values
between the groups are indicated. ind, indica; jap, japonica.
Rozmanitost kulturních rostlin
Rostlinná diverzita (rozmanitost) = klíčová složka jakéhokoliv zemědělského
výrobního systému, dokonce jakéhokoliv ekosystému
 Počet užitkových rostlin během posledních
dvou století
18.-19. století
300 druhů
polovina 20.století
1 500 druhů
1959
6 000 druhů
1969
9 000 druhů
1988
13 000 druhů
 Výživou je lidstvo více než z 95% závislé na 30
hlavních plodinách
TOP TEN plodiny živící lidstvo
1.) Kukuřice
822,712,527 tun, průměrný výnos 5.1 t/ha
2.) Pšenice
689,945,712 tun, 3.1 t/ha, největší plocha
3.) Rýže
685,013,374 tun, 4.3 t/ha, druhá nejkonzumovanější,
na 1 kg spotřeba 2000 l vody
4.) Brambory
314,140,107 t, 17.2 t/ha
5.) Maniok jedlý
232,950,180 t, 12.5 t/ha, i chudé půdy
6.) Sója
230,952,636 t, 2.4 t/ha
7.) Batáty / povíjnice batátová
110,128,298 t, 13.5 t/ha
8.) Proso, čirok
65,534,273 t, 1.5 t/ha
9.) Jam (Dioscorea)
51,728,233 t, 10.5 t/ha
10.) Banány
34,343,343 t, 6.3 t/ha
Plodiny a jejich plané progenitory
Crop plants and their relatives
Genetická‎diverzita‎využívaná‎v‎zemědělství‎se‎neustále‎omezuje‎a‎ztrácí.
Pouze‎9‎plodin‎zajišťuje‎75%‎potravin‎rostlinného‎původu‎pro‎pokrytí‎
energetických‎a‎potravinových‎nároků‎lidstva:
- pšenice,
www.icrisat.org
- rýže,‎
- kukuřice,‎
- ječmen,
- čirok/proso,
- brambory,
- sladké‎brambory/yam,
- cukrová‎třtina,‎
- sója.
www.myagri.com
Není‎pravděpodobné,‎že‎by‎některá‎z‎hlavních‎plodin‎byla‎ohrožena‎zánikem.
Jejich‎ohrožení‎ale‎představuje‎ztráta‎jejich‎vnitrodruhové‎genetické‎diverzity.
Malá rozmanitost zdrojů lidské potravy – velká závislost
Diverzita čiroku (Sorghum) a prosa (Panicum)
demonstruje velký potenciál minoritních
plodin využitelný pro potřeby lidstva
Diverzita „fazolí“ – semena různých druhů
Fabaceae
Zvyšování produkce - jediná cesta v řešení vzrůstajících potravinových nároků lidstva?
Zvyšování produkce - jediná cesta v řešení vzrůstajících potravinových nároků lidstva?
Plodiny a jejich plané progenitory
Crop plants and their relatives
Genetická variabilita plodin je stále koncentrována v oblastech
označovaných jako „centra diverzity“, která jsou lokalizovány především v
rozvojových zemích.
Nikolai I. Vavilov (1887-1943)
-
Významný ruský botanik a genetik
Jeden z průkopníků tvorby genofondových kolekcí
Založil světovou sbírku sortimentu kulturních rostlin
Přes 100 výprav po celém světě za účele posbírat co největší
množství rostlin využitelných pro výživu člověka
1920 – Zákon homologických řad dědičné proměnlivosti
HŘ je tvořena skupinou příbuzných druhů, u nichž došlo vlivem prostředí
dlouhodobým vývojem ke vzniku obdobných (homologických) znaků a vlastností
Syntenické znaky = znaky společné původním formám a kulturních i planých
druhů a druhům, které z nich vznikly
-
1926 – Teorie center původu pěstovaných rostlin
-
Původní druhy nejsou rozmístěny na zeměkouli rovnoměrně, ale v
určitých oblastech (centra původu)
-
Narazil na odpůrce genetiky Trofima Lysenka (úzká vazba ke Stalinovi) – ten razil
teorii „záleží pouze na intenzitě podnětů, aby se dostavil požadovaný výsledek“ =
kráva bude dojit fialové mléko pokud ji k tomu bude někdo vhodně stimulovat
V rámci stalinistických represí byl Vavilov obviněn, že zavinil hladomor v 30.
letech 20. století = do gulagu, kde 1943 zemřel
-
http://www.vir.nw.ru/history/vavilov.htm
Genetická diverzita a její význam
• „Centra původu plodin“ – místa původního výskytu původních druhů a
variet
• „Primární centrum původu“ – oblast, kde se kulturní druh oddělil od
planých forem
• „Sekundární centrum původu“ – oblast, kde z nového druhu vznikají nebo
vznikly nové formy, ale nemusejí se zde vyskytovat jeho plané formy
• Ale! Oblasti s max. variabilitou nemusí být identické s centry původu!
Nazývají se „centra diverzity“
• Př: Etiopie: geneticky různorodé druhy a formy rodu Triticum, ale
nenalezen žádný z planých předků – pravděpodobnost introdukce
A: Původ a ochuzování genetické diverzity
Centra původu kulturních rostlin (N.I. Vavilov, 1926)
4. Čína: 4000 př.Kr. – sója, rýže, čirok
Čína, Japonsko, Korea
5. Jihových. Asie: třtina cukrová, rýže,
banánovník, citrus, čajovník
6. Afrika: 2000 př. Kr. – vodní meloun, čirok,
skočec, kávovník
Vých. Súdán, Etiopie
7. Severní Amerika: 5000 př. Kr. – fazol, tykev,
slunečnice, jahodník
•
Mexiko, J. USA
1. Blízký východ: 7000 př.Kr. – pšenice,
ječmen, hrách, čočka
•
Irán, Irák, Sýrie
•
2. Střední východ a centrální Asie:
4000 př.Kr. – réva vinná, oliva, pohanka,
vojtěška, konopí
8. Střední Amerika: 6000 př. Kr. – kukuřice,
tykev, fazol, rajče, avokádo
Mexiko, J. Panama
9. Andské oblasti Jižní Ameriky: 2500 př. Kr.
– brambor, batáty, podzemnice olejná, fazol
•
Afg., Pak., Uzbekistán
Kolumbie, Peru Ekvádor, Bolívie
•
3. Indie: 3000 př. Kr. – palma datlová,
10. Jižní Amerika: podzemnice olejná, ananas,
mango, čajovník, lilek
kakaovník, bavlník, tabák, paprika
Indie + Indomalaisie
Brazílie. Paraguay. Chile
•
Rajče jedlé, též lilek rajče (Solanum lycopersicum L., 1753)
- Centrum původního výskytu bylo v horských oblastech And (Peru, Ekvádor, Chile).
- K domestikaci došlo v Mexiku odkud se rozšířila po celém světě.
- V mnoha zemích používaný název „tomato“ pochází z jednoho z jazyků mexických indiánů.
- Před 450 lety byla rajčata importována do Evropy, ale dlouho nebyla konzumována, protože byla
považována za jedovatá. … Jako potravina přijata teprve v nedávné době.
Solanum galapagense,
Tvar plodů je kulatý
Trichomy produkující sloučeniny chránící rostlinu proti hmyzu.
Moderní kultivary trichomy nemají – nebyla prováděna selekce
Moderní kultivary rajčete
– šlechtění ve prospěch objemu plodů u některých kultivarů
- Tvar plodů – oválné, kulaté, soudkovité, protáhlé…
Photo H. Teppner
Domestic and wild tomatoes. L to
R: Solanum lycopersicum, and wild
relatives S. pimpinellifolium, S.
habrochaites and S. pennellii.
Credit: Brad Townsley, UC Davis.
Solanum carolinense.
Příklad planého druhu, který může být donorem
významných genů rezistence ke škůdcům a chorobám.
Plody tohoto druhu jsou jedovaté.
Genetická diverzita a její význam
•
„Centra původu plodin“ – místa původního výskytu původních druhů a variet
•
Oblasti původu všech hlavních plodin se nacházejí v tropických a subtropických
částech Asie, Afriky a Latinské Ameriky.
- Největší rozmanitost nalezl Vavilov v tropickém a subtropickém pásu v
podhůří velkých pohoří. - např. Himaláje, Apeniny, Andy, Blízký východ…
- Tato pohoří byla vlastně i bariérou vedoucí k omezené migraci rostlin,
lokální izolaci.
•
•
•
silně různorodé podmínky prostředí, které se často mění – neprobíhá
jednostranná selekce na určité znaky
Bariéry (údolí, skalní masivy) = lokální izolace – vznik různých forem
Velké výkyvy teplot a UV záření (mutace), vznik kříženců i u samosprašných
druhů
Pšenice a ječmen na Blízkém východě
Sója a rýže v Číně
Čirok, yam a káva v Africe
Brambory a rajčata v Andách v Jižní Americe
Kukuřice v Jižní a Střední Americe
Krajové odrůdy
Centra „původu“ a „diverzity“ - lokalizovány především v rozvojových zemích.
Farmáři v těchto oblastech stále praktikují tradiční zemědělství, které využívá místní
variety označované jako „krajové odrůdy“ = “land races”.
Ty podléhaly selektovány pro místní podmínky dané oblasti a předávány mezi farmáři
z generace na generaci.
Taxonomicky příbuzné druhy daným plodinám, běžně rostoucí ve volné přírodě se označují jako
„plané progenitory“ hospodářských plodin = “wild relatives” .
Tubers of the potato landraces from Canary
Islands, Azucena Negra, Bonita Blanca,
Bonita Negra, Bonita Colorada, Negra, and
Colorada de Baga.
solcap.msu.edu
http://www.newswise.com/
Krajové odrůdy a plané progenitory představují největší zdroj
genetické diverzity plodin.
Tato diverzita představuje přirozený zdroj genů pro adaptaci k
různým enviromentálním podmínkám a pro různé potřeby
člověka.
Rýže: některé variety rýže snesou pouze nízký roční úhrn srážek, jiné snesou trvalé
zaplavení vodou.
PPI-PPIC (ESEAP)/IRRI Photo
Ztrácí se potenciál využitelný v zemědělství
FAO odhaduje,‎že‎od‎začátku‎20.‎stol‎došlo‎ke‎ztrátě‎asi‎75%‎genetické‎
diverzity‎zemědělských‎plodin.
Jsme‎stále‎více‎závislí‎na‎stále‎menším‎a‎menším‎počtu‎variet‎daných‎plodin‎a‎
potažmo‎na‎jejich‎zužujícím‎se‎zdroji‎genů.
Primární důvod:
- Komerčně‎dostupné‎(zpravidla‎uniformní)‎variety‎vytlačují‎lokální‎variety‎
- Zvláště‎nebezpečné‎je‎to‎v‎oblastech‎center‎diverzity‎plodin
- Dochází‎k‎vytlačení‎a‎nenávratné‎ztrátě‎původních‎variet‎(genetická‎eroze)
Začátky‎tohoto‎procesu‎spadají‎‎do‎50-tých‎let‎20.‎století‎
=‎GREEN‎REVOLUTION‎=‎Zelená‎revoluce
=‎proces,‎ke‎kterému‎došlo‎v‎2.‎polovině‎20.‎století‎a‎který‎díky‎využití‎
moderních‎technologií,‎hnojiv,‎pesticidů‎a‎šlechtění‎nových‎odrůd‎přinesl‎
výrazný‎skok‎v‎zemědělské‎produkci.‎‎
- To‎vedlo‎ke‎zvýšení‎výnosů,‎ale‎k‎poklesu‎diverzity‎plodin‎(genetické‎erozi).
Následky nedostatečné genetické diverzity:
a) genetická zranitelnost
- Náchylnost‎moderních‎variet‎k‎napadení‎chorobami‎a‎škůdci,‎abiotickým‎
stresům‎apod.
- neočekávaný problém (nemoc, výkyv teplot) může způsobit velké ztráty u
většiny nebo všech odrůd plodiny
genetickou zranitelnost je možné zmenšit:
• monitorováním chorob, škůdců, stresů, které mohou produktivitu ohrozit a
včasným šlechtěním tomu předcházet
•
Šlechtěním‎odrůd‎s‎větší‎genetickou‎diverzitou‎(nepříbuzných‎odrůd)
-
Zdrojem‎těchto‎genů‎jsou‎především‎tradiční‎krajové‎odrůdy‎a‎planě‎rostoucí‎
druhy.
b) omezení genetického pokroku
•
•
•
•
Omezení možnosti získat odrůdy s vyššími výnosy
nevíme, zda u dané plodiny bylo dosaženo výnosového maxima
týká se šlechtění kvantitativních znaků
u rostlin se obtížně dokazuje i překonává
„GREEN REVOLUTION“
-1940 – 1960´s
- Začala‎se‎zhoršovat‎výživa‎rostoucí‎lidské‎populace‎zvláště‎v Indii,‎Pákistánu‎a Mexiku.
- Indie v roce 1961:
- 452‎milionů‎obyvatel‎
- Roční‎produkce‎11‎milionů‎tun‎pšenice,‎čili‎něco‎přes‎24‎kg‎na‎osobu‎a rok,‎tj.‎necelých‎70‎gramů‎
na den.
- V roce‎1965‎už‎hrozil‎hladomor‎v‎souvislosti‎s‎výskytem‎rzi‎travní‎na‎pšenici.
Norman Borlaug (1914 – 2009)
- Pracoval‎v‎Mexiku‎pro‎Ministerstvo‎zemědělství‎na‎šlechtění‎pšenice
- cíl‎– zvýšení‎výnosů,‎aby‎Mexiko‎nebylo‎závislé‎na‎importu‎pšenice
- výsledek:‎
- po‎deseti‎letech‎vyšlechtil‎odrůdu‎s‎rezistencí‎ke‎rzi
- problém:‎
- nízké‎výnosy‎– odstranění‎hnojením‎– výsledkem‎byly‎těžké‎klasy‎=‎porost‎poléhal‎=‎
znehodnocení‎výnosů
- 1961‎použil‎ke‎křížení‎japonskou‎polotrpasličí odrůdu‎Norin
- výsledkem‎byla‎‎tzv.‎trpasličí‎pšenice‎s‎krátkým‎nepoléhavým‎stéblem‎a‎bohatým‎odnožováním,‎
která‎byla‎odolná‎ke‎rzi‎travní‎
- během‎tří‎let‎byla‎sklizeň‎pšenice‎6x‎vyšší,‎než‎při‎příchodu‎Borlauga do Mexika
- zvýšila‎výnosy‎v‎zemích‎třetího‎světa
- V roce 1970 se stal nositelem Nobelovy‎ceny‎míru za‎inovace‎v‎oblasti‎pěstování‎nových‎vůči‎nemocím
- Odhaduje‎se,‎že‎zachránil‎asi‎1‎mld.‎lidí‎před‎hladomorem
- Borlaug zavedl‎novou‎odrůdu‎a‎agrotechnické‎postupy‎do‎Indie‎a‎Pákistánu‎
- Mezi‎lety‎1964‎a‎2001‎roční‎produkce‎pšenice‎v‎Indii‎vzrostla‎ze‎12‎na‎75‎milionů‎tun.‎
- V‎Pákistánu‎ze‎4,5‎na‎22‎milionů‎tun.
http://www.gate2biotech.cz
Ug99 - nová linie rzi travní, která se šíří od roku 1999 z Ugandy
(Puccinia graminis f. sp. tritici),
- Prozatím známo osm ras Ug99, které jsou blízce příbuzné a pocházejí ze společného předka
- Testováno 200.000 variet pšenice pěstovaných ve 22 zemí Afriky a Asie
- Ug99 rezistentní variety existují, ale jsou pěstovány pouze na 5-10% pěstebních ploch
- Předpokládá se další šíření na východ především díky převládajícími západními větry
- Nová potenciální hrozba pro Pákistán a Indii
- 40% devastace porostů
http://www.gate2biotech.cz
- Důsledky Zelené revoluce (Green Revolution)
-
Pozitiva
- Dostatek‎potravin‎v‎rozvojových‎zemích
- Zvýšení‎produkce/výnosů
- zlepšení‎ekonomické‎situace
- Zlepšené‎využití‎půdy
- Rozvoj‎vědeckých‎přístupů‎při‎řešení‎problémů‎v‎zemědělství‎
- Nové‎odrůdy‎s‎vyšším‎výnosem‎a‎odolností‎k‎chorobám‎a‎škůdcům
- Negativa
- Genetická‎eroze
- Degradace‎půdy‎(vyčerpání‎živin,‎toxicita‎pesticidů,‎hnojiv….)
- Rozvoj‎plevelů
- Rezistentní‎druhy‎patogenů
- ….
Nebezpečí genetické uniformity
Rozsáhlé‎plochy‎jsou‎osety‎monokulturou‎vysoce‎produktivních‎variet
- Nutnost‎vysokých‎vstupních‎nákladů‎– pro‎zajištění‎maximální‎
produkce:‎hnojení,‎postřiky,‎zavlažování.
- Genetická‎uniformita‎představuje‎nebezpečí‎devastace‎monokultury‎
např.‎novými‎virulentními‎kmeny‎nebo‎druhy‎patogenů
Příklad:‎
- 10. stol. – zhroucení civilizace Mayů v Mexiku vlivem monokulturního pěstování kukuřice
Velký hladomor v Irsku (The Irish Potato Famine)
- Katastrofální‎hladomor‎v‎Irsku‎v‎letech‎1845-1849
- Totální‎neúroda‎brambor,‎na‎kterých‎byli‎Irové‎potravně‎závislí
- Příčiny:‎vlhké‎počasí‎podporující‎šíření‎plísně‎bramborové‎
(Phytophtora infestans)
- Výsledek:‎
- 0,5-1,5‎mil.‎mrtvých‎z‎8mi‎miliónové‎populace‎Irů
- Další‎2‎mil‎emigrovaly‎(USA,‎GB,‎Kanada,‎Austrálie)
- Politická‎rovina‎– zhoršení‎vztahů‎s‎GB,‎kvůli‎jejich‎neochotě‎
pomoci,‎popř.‎kvůli‎směřování‎pomoci‎do‎oblastí‎s‎početnější‎
populací‎Britů
»
»
»
»
»
říše Chromalveolata
kmen Peronosporomycota - řasovky
třída Peronosporomycetes - oomycety
řád Peronosporales - vřetenatkotvaré
čeleď Phytophthoraceae
Cesta Phytophtora infestans do Evropy
Investigation of genomes from historic (1845-1896) herbarium specimens
Based on complete mtDNA genomes, and millions of SNPs
První výskyt choroby:
- Začátkem roku 1843 v USA – Philadelphia a New York City
- Šíření spor vzduchem a v roce 1845 nalezena od Virginie po Ontario
- Do Evropy se dostala v roce 1845 se sadbou brambor mířící do Belgie
www.psmicrographs.co.uk
- Všechny plochy Evropy byly zasaženy infekcí, ale nejvíce škod napáchala v Irsku –
monokultury variety Irish Lumper
- varieta adaptovaná pro pěstování v západním Irsku
- Varieta znovu pěstovaná od 2008 jako krajová odrůda
Kentaro et al., 2013, eLife
Cesta Phytophtora infestans do Evropy
Investigation of genomes from historic (1845-1896) herbarium specimens
Based on complete mtDNA genomes, and millions of SNPs
Linie P. infestans HERB-1 způsobila hladomor v Irsku byla jiným
genotypem než kmeny, které se dostaly do Evropy později.
Zisk rezistence k tomuto kmeni introgresí genů rezistence ze Solanum
demissum (J. Amerika)
Na základě datování genomů P. infestans z herbářových položek se
odhaduje diverzifikace kmenů PI v post-Kolumbovské éře a vznik
samotného druhu v době kratší než 2000 let
www.psmicrographs.co.uk
www.inaturalist.org
 velice rychlá radiace a speciace P. infestans
HERB-1 = 1st global migration, 50 yrs existence (rare or extinct)
US-1 = 2nd global migration, replaced HERB-1, persists
Kentaro et al., 2013, eLife
speciace – štěpení linií, výsledkem je vznik několika nových druhů z původního
Adaptivní radiace je diverzifikace druhů, která umožňuje vyplnění celé řady ekologických nik
Nebezpečí genetické uniformity
Southern Leaf Blight
- spála kukuřice = helmintosporiová skvrnitost listů
(Helminthosporium maydis)
říše Fungi - houby » třída Dothideomycetes » řád Pleosporales - zďovkotvaré
1970 – genetická uniformita monokultur kukuřice v USA náchylných k plísním
- 50% ztrátě výnosu kukuřice = ztráta 1 mld $.
Přes 80% komerčních variet bylo náchylných k onemocnění- southern leaf blight.
– geny rezistence přeneseny z Africké variety Mayorbella.
Rice grassy-stunt virus
- Virus zpomalující růst a vývoj rýže
- 1970s - devastace rýžových polí od Indie do Indonésie
- Hledání zdroje rezistence k RGSV
- Během čtyř let testováno 17 000 známých variet a planých
druhů
- gen rezistence z populace Oryza nivara, grostoucí blízko města
Gonda v Indii
- dnes se pěstují variety obsahující tento gen na 110 000 km2
rýžových polí v Asii
Genetický drift - náhodné změny v poměrném
zastoupení alel v populaci
• Máme ohrožený druh, který se vyskytuje v několika
izolovaných populacích, přičemž každá populace nese
jiné alely.
• Pokud dojde k zániku některé z těchto populací nedojde
ke ztrátě alel různého typu, protože jsou přítomny v
kterékoliv ze zbývajících populací…..
ke změně genofondu nedošlo
Genetická eroze
• Máme ohrožený druh, který se vyskytuje v několika
izolovaných populacích, přičemž každá populace nese
jiné alely.
• Pokud dojde k zániku některé z těchto populací dochází
zároveň k nenávratné ztrátě některých alel = genetická
eroze.…..
……. došlo k nevratnému ochuzení genofondu
Původ a ochuzování genetické diverzity zemědělských plodin
– Zemědělství = promyšlené pěstování plodin
– Euroasie – optimální podmínky pro vznik a rozvoj civilizace
• rostliny se daly optimálně pěstovat a šlechtit + možnost ochočení
zvířat
• 14 savců je dostatečně velkých a použitelných k tahání nákladů a
reprodukce v zajetí (13 Euroasie + andská lama)
• Střední východ (severní konec syrské pouště, údolí Nilu po Eufrat
a Tigris = „Úrodný půlměsíc“ – kolébka civilizace 4. tis. př n. l.
• Čína
„Úrodný půlměsíc“ – kolébka civilizace 4. tis. př n. l.
A: Původ a ochuzování genetické diverzity
V období 10. – 3. tisíc let př. Kr. přešel neolitický člověk k pěstování rostlin
a chovu zvířat
•
nejstarší známý nález pěstovaného
obilí pochází z vykopávek neolitické
osady u Jarmo (Irák) (10-9tis let)
obilky Triticum dicoccum a Hordeum
vulgare var. distichon mají již znaky
pěstovaných rostlin
•
nejstarší zbytky kulturní kukuřice –
jeskyně Bat-cave – Nové Mexiko
staré asi 6000 let
•
7000 l. př. Kr. – Jericho – opevněné
sídliště, husté osídlení, jedno z
nejstarších měst s kontinuálním
osídlením
Původ a ochuzování genetické diverzity
–
–
Vznik pěstovaných rostlin spjat s vývojem člověka-zemědělce – člověka nekočujícího
Člověk se usazoval v místech vyššího výskytu daných rostlin – sběr, setí, odstraňování konkurenčních
druhů … tím ovlivňoval jejich další vývoj
• Existence řady plodin je dnes závislá na člověku:
– Pokud obilky kukuřice vyklíčí na palici – navzájem se „zadusí“ ( změna morfologie
původně prstovitě rozvětveného klasového vřetene na dnešní palice)
– Ztráta generativního rozmnožování (ananasovník, maniok)
změna morfologie původně prstovitě rozvětveného
klasového vřetene na dnešní palice
learn.genetics.utah.edu
Čím se kulturní rostliny vyznačují? Aneb atributy
kulturních rostlin.
 Výnos
 Gigas charakter (mohutnost)
polyploidie, mutace
 Hromadné klíčení semen a
ztráta dormance
 Allometrický růst
 Zvýšení počtu užitečných orgánů
Dodonaeův bylinář 16st. – současné kultivary hyacintů
 Změny chuťových a dietetických vlastností sklízeného produktu
 Změna reprodukční biologie
 (česnek, brambory, ananas)
 Ztráta ochranných mechanických zařízení
 Zhoršení a ztráta přirozených rozšiřovacích zařízení
 Změna habitu
Čím se kulturní rostliny vyznačují?
Příklad domestikace salátu (L. sativa L.)
 Genový pool L. serriola a ostatní
příbuzné druhy JZ Asie
 Domestikace – selekce proti výskytu
trichomů, vysokému obsahu latexu,
hořké chuti listů
 Selekce na pozdní vybíhání a kvetení
Trichomy
Latexové skvrny
L. sativa
L. serriola
Příklad domestikace salátu (L. sativa L.)
L. serriola
 Zkrácení internodií
 Tvorba hlávek
 Zvýšení počtu semen
 Ztráta přirozených rozšiřovacích zařízení
L. sativa
Atributy zemědělských plodin - shrnutí
• Výnos
–
Gigas ch. – vodní meloun
diploid vs indukovaný tetraploid
sklizeň získaná z jedné rostliny, z jednotky plochy
• hromadné klíčení semen
• gigas charakter
–
celkové zvětšení rostliny (může souviset se zvětšením ploidie)
• allometrický růst
–
–
•
•
•
•
Slunečnice – zvětšení počtu květů v
květenství = více semen
nerovnoměrné zvětšení částí rostliny
zvětšení orgánů, které jsou předmětem selekce (plody – rajčata, okurky, dýně; listy zeleniny; stonkové hlízy)
Stonková bulva květáku
zvýšení počtu užitečných orgánů (slunečnice, kukuřice)
změny chuťových a dietetických vlastností sklízeného produktu
změna reprodukční biologie (ztráta generat. rozmn. – česnek, brambory, ananas)
zhoršení a ztráta přirozených rozšiřovacích zařízení
–
plody zůstávají na rostlině, nerozpadavé klasy
• ztráta ochranných mechanických zařízení
• změna habitu (ovocné stromy, salát)
L. sativa
L. serriola
Postavení zákrovních listenů
Rozdělení rostlinných druhů podle křížitelnosti planých a
pěstovaných druhů a životaschopnosti F1 hybridů (Harlan, de Wet
1971)
•
primární gene-pool (GP1): pěstované druhy a jejich příbuzné druhy, u nichž křížení
probíhá víceméně bez problémů a F1 hybridi jsou životaschopní
•
sekundární (GP2): příbuzné druhy, z nichž lze přenést geny do pěstovaných
druhů, ale s obtížemi:
•
•
•
•
zisk semen hybridů, ale nelze dopěstovat F1
pokles fertility potomstva
potomstvo výrazně podobné jednomu z rodičů
terciární (GP3): přenos genů do pěstovaných druhů jen pomocí speciálních
postupů nebo není možný
•
hybridi s GP1 anomální, letální nebo neplodní
příklad: kategorizace planých druhů rodu Lactuca L. do genových poolů
Využití planých druhů pro šlechtění
příklad: kategorizace planých druhů rodu Lactuca L. do genových poolů
- Pozice řady planých druhů není vyřešena
Wild species belonging to primary GP:
L. serriola
L. aculeata
L. altaica
L. georgica
L. dregeana
L. scarioloides
?
See you next week!