zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a...
TRANSCRIPT
Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a učitelství
biologie
CZ.1.07/2.2.00/15.0316
Genetické modifikace rostlin
Ing. Lenka Švábová, Ph.D.
25. 11. 2015
Osnova přednášky
• Definice, GMO, biotech plodiny
• Situace ve světě, rozdělení
• Bt technologie
• HT technologie
• Netransgenní technologie
• Situace v Evropě, ČR
• Biotechnologie v Agritecu
• Odkazy na zdroje vědeckých informací
Definice GMO (Zákon o nakládání s geneticky modifikovanými
organismy a genetickými produkty č. 78/2004 Sb.)
• Geneticky modifikovaný organismus je organismus (kromě člověka), jehož dědičný materiál byl změněn genetickou modifikací provedenou některým z technických postupů stanovených v bodu 1 přílohy č. 1 k tomuto zákonu
Příloha1 Geneticky modifikované organismy mohou vzniknout při použití: a) techniky rekombinantní nukleové kyseliny vytvářející nové kombinace dědičného
materiálu vložením úseku nukleové kyseliny připravené jakýmkoli způsobem mimo organismus do jakéhokoliv viru, bakteriálního plasmidu nebo jiného vektorového systému a jeho následným začleněním do organismu příjemce, ve kterém se normálně nevyskytuje, ale ve kterém je schopen dalšího množení,
b) techniky zavádějící dědičný materiál připravený jakýmkoli způsobem mimo organismus přímo do organismu příjemce, zahrnující mikroinjekce, makroinjekce, biolistické metody, mikroenkapsulace a umělé chromosomy, nebo
c) techniky buněčné fúze, včetně fúze protoplastů, nebo hybridizace buněk, při nichž
jsou fúzí dvou nebo několika buněk vytvářeny životaschopné buňky s novou kombinací dědičného materiálu, a to metodami nebo prostředky, které se nevyskytují přirozeně.
BIOTECH CROPS
Genetické modifikace konvenční x biotechnologické
Genetické modifikace konvenční x biotechnologické
Genetická transformace rostlin
Schema interakce genů při tradičním šlechtění, transgenozi a cisgenozi (upraveno podle http://en.wikipedia.org/wiki/Cisgenesis).
Tradiční šlechtění
Zájmový gen
Nežádoucí geny
Zpětné křížení
F1 generace
F2 generace
Mnoho zpětných křížení
Nová odrůda
Nová odrůda
Nová odrůda
Zájmový gen Zájmový gen
Nežádoucí geny
Nežádoucí geny
Současná odrůda Současná
odrůda
Příbuzný planý druh
Současná odrůda
Příbuzný planý druh
Nepříbuzný organismus
Přenos genu do plasmidu Agrobakteria
Přenos genu do plasmidu Agrobakteria
Geny nutné pro přenos
Geny nutné pro přenos
Transgenoze Cisgenoze
Editace a změny původního genomu (intragenoze)
• RNAi technologie – umlčování specifických sekvencí
CÍLENÉ EDITACE GENOMU:
• CRISPR Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats
• ZFN Zinc Finger Nucleases
• TALEN Transcription Activator-Like Effector Nucleases
GM – BIOTECH PLODINY SITUACE VE SVĚTĚ
1,7 mil ha
100 x nárůst ploch
5 generací transgenních rostlin podle způsobu využití:
I. generace – ochrana proti chorobám, škůdcům a plevelům;
II. generace – odolnost k abiotickým stresům (sucho, chlad, zasolení půdy);
III. generace – rostliny s vyšší nutriční hodnotou (výhodné složení mastných kyselin, upravený obsah vitaminů);
IV. generace - ekologicky výhodné rostliny (fytáza; bioremediace);
V. generace – náhrada fosilních paliv, suroviny pro průmysl (výroba etanolu, bionafty, škrobu, vlákna, barviva, maziva, biovakcíny, biofarmaka).
Bt PLODINY REZISTENTNÍ K ŠKŮDCŮM
Bacillus thuringiensis
• Původní Bt technologie (40 let)
• Aplikace kultur v tekutých postřicích
nebo formou granulí na porosty • Obecně se považují za velmi šetrné k
životnímu prostředí (jedná se o běžně se vyskytující půdní bakterii)
• Insekticid (produkovaný Bt toxin) perforuje výstelku střev hmyzu
• Nezasáhne hmyz, který je na spodní straně listu nebo penetroval dovnitř do tkání
• Za slunečného počasí je inaktivován UV, za deštivého počasí je riziko smytí
• Biologické přípravky: Biobit WP, Biobit XL
• Moderní Bt technologie
• Existuje asi 200 typů Bt proteinů • Bt gen zabudovaný do genomu
rostliny působí pouze na škůdce • Hmyz musí mít specifické receptory,
na které se Bt protein váže, je aktivován v alkalickém prostředí ve střevě, dochází k perforaci střeva, po několika dnech úhyn vyhladověním
• Pro užitečný nebo dravý hmyz není toxický
• Testy na pokusných zvířatech a lidech negativní (toxicita, alergenicita)
• UV rozkládá Bt protein, v půdě je středně stabilní, imobilní (nemigruje do spodních vod)
Výhody Bt plodin
• Omezení postřiků insekticidy o 60-70%
• Úspora nákladů (chemikálie, pohonné hmoty, lidská práce), vyšší finanční zisky
• Součást integrované ochrany – Ochrana necílových skupin hmyzu
– Predátoři mohou likvidovat více jiných škůdců
– Refugia, pufrovací zóny (zamezení vzniku rezistentních populací)
– Nižší napadení rostlin houbovými patogeny, snížení obsahu mykotoxinů
PLODINY TOLERANTNÍ K HERBICIDŮM
HT herbicid tolerantní GM plodiny • Rezistence ke glyfosátu
Roundup®
• phosphoenolpyruvate:3-phosphoshikimate 5-O-(1-carboxyvinyl)-transferase
• Glyfosát blokuje EPSPS enzym, který se účastní biosyntézy aromatických AMK, vitaminů a mnoha sekundárních metabolitů.
• Tolerance ke glyfosátu: – Inkorporace genu půdní bakterie,
která produkuje glyfosát-tolerantní formu EPSPS.
– Inkorporace genu půdní bakterie, která produkuje enzym degradující glyfosát.
• Rezistence ke glufosinolátuBasta®, Liberty®
• Glufosinolát obsahuje phosphinothricin, který rostlinám blokuje enzym odpovědný za metabolismus N a za detoxifikaci NH3.
• Tolerantní rostliny obsahují gen pro detoxifikaci glufosinolátu
• Nové HT plodiny – 2,4-D – Dicamba – Isoxaflutole – Sulfonylurea
Výhody HT plodin
• Výborná účinnost herbicidů proti plevelům, zvýšení výnosu plodin;
• Flexibilita – možnost použití i v pozdějších vývojových fázích růstu rostlin;
• Omezený počet postřiků během vegetace; • Snížení spotřeby paliv, nižší nároky na lidskou práci; • Omezení utužení půdy; • Využití účinných látek s nízkou toxicitou, které nepřetrvávají
v půdě; • (USA - možnost využití bezorebného hospodaření na půdě
nebo způsobu s minimálním zpracováním půdy, které je výhodné pro zachování půdní struktury a mikroorganismy (Felsot, 2000)).
Integrovaná ochrana RR soji
GM – BIOTECH PLODINY SITUACE V EVROPĚ
www.europabio.org „Věda nejsou výmysly: je čas znovu přemýšlet o genetických modifikacích“
X Rozhodnutí EU komise o možnosti zakázat pěstování a dovoz biotech plodin nezávisle na okolních státech (leden 2015).
Biotech plodiny (GM)
jsou především politickým tématem
..zelená biotechnologie je schopná vytvořit molekuly s vysokou přidanou hodnotou… …politická rozhodnutí musí být podložena skutečně vědeckými názory… …věda potvrdila že obavy z pěstování GM plodin nejsou opodstatněné… …je čas podívat se zpětně pěstování GM plodin. Musíme vnímat vědecké argumenty…
Biotech plodiny v Evropě
• Silná zelená loby, ekologistické organizace; podpora chemických koncernů.
• Postoj EU je plně poplatný většině voličů.
• Paradoxně dovoz GM krmiv byl donedávna bez problémů na rozdíl od pěstování. Soja z evropské produkce pokryje bílkovinná krmiva jen ze 7%.
• Každým rokem přicházejí farmáři v Evropě o úspory
Impacts of GM crop adoption.
Klümper W, Qaim M (2014) A Meta-Analysis of the Impacts of Genetically Modified Crops. PLoS ONE 9(11): e111629. doi:10.1371/journal.pone.0111629 http://127.0.0.1:8081/plosone/article?id=info:doi/10.1371/journal.pone.0111629
Socio-ekonomické výhody pěstování biotech plodin
• Zvýšení výnosu o 22% (133 miliard USD) • Úspora chemických pesticidů o 37% (1996-2012
úspora 500 mil kg pesticidů) • Zvýšení zisků farmářů o 68%; zmírnění chudoby
16,5 mil drobných farmářů z rozvojových zemí a jejich rodin > 68 mil lidí
• Jen v roce 2013 pokles CO2 emisí o 28 miliard kg, (což představuje emise za 12.4 milionů automobilů ročně)
• Úspora 132 mil ha půdy za léta 1996-2013
V roce 2050 bude na Zemi 9 miliard lidí
Situace v ČR
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014
roky
Výměra kukuřice MON810 a brambor AMFLORA
Kukuřice ha
Brambory ha
Porost kukuřice napadený zavíječem kukuřičným v roce 2006, ZD Mořina
Porost Bt kukuřice v roce 2012, ZD Mořina
BIOTECHNOLOGIE V AGRITECU TRANSGENOZE HRACHU A LNU
Agrobakteriální transformace hrachu
Pea Seed-borne Mosaic Virus (PSbMV)
Host plants (Fabaceae):
pea (Pisum sativum) lentil (Lens culinaris) chickpea (Cicer arietinum) broad bean (Vicia faba)
Musil M (1966) Über das Vorkommen des Virus des Blattrollens der Erbse in der Slowakei. Biologia 21: 133-138. Inouye T (1967) A seed-borne mosaic virus of pea. Ann Phytopathol Soc Japan 33: 38-42.
World-wide distributed virus - Europe, Asia, Africa, North America, South America, Australia, Oceania (30 countries). Limited sources of resistance in Pisum genepool. +ssRNA, Potyvirus
Symptoms: Downward rolling of leaflets Clearing of leave veins, chlorotic mosaics Internodia shortening Stunting Seed deformations
PSbMV (+ PEMV) may cause 20-30% seed yield loss
Relative virus concentration (%) in GM pea lines of cv. Raman (T3) transformed with construct pWell07A (fragment cpPSbMV) two weeks (green column) and four weeks
(blue column) after mechanical inoculation with PSbMV isolate. Segregation; great variation in tolerance reaction
80
,0 94
,6
65
,0
88
,8
18
0,9
34
,3
67
,8
65
,7 75
,4 88
,0
18
4,6
0,3
12
0,1
17
7,1
97
,7
21
,3
46
,1
16
5,3
0,2
19
6,5
16
5,4
13
7,2
13
9,6
17
0,2
13
0,3
10
0,0
33
,5
36
,4
30
,5
21
,4
28
,0
12
,1 21
,7 32
,1 39
,2
13
,8
14
,9
0,1
22
,2
3,3 8
,8
2,2
23
,5
16
,4
0,1
93
,8
31
,0
9,4 12
,1
13
,3 22
,5
10
0,0
0,0
50,0
100,0
150,0
200,0
250,0
10
02
5/1
/1/1
10
02
5/1
/1/4
10
02
5/1
/1/5
10
02
5/1
/2/3
10
02
5/1
/2/4
10
02
5/1
/3/2
10
02
5/1
/3/3
10
02
5/1
/3/5
10
02
5/1
/3/6
10
02
5/1
/3/7
10
02
5/1
/4/6
10
02
5/1
/5/1
10
02
5/1
/5/2
10
02
5/1
/5/5
10
02
5/1
/6/6
10
02
5/1
/7/4
10
02
5/1
/7/5
10
02
5/1
/8/3
10
02
5/1
/8/4
10
02
5/1
/8/5
10
02
5/1
/8/6
10
02
5/1
/9/1
10
02
5/1
/9/2
10
02
5/1
/9/4
10
02
5/1
/9/5 K
Re
lati
ve c
on
cen
trat
ion
of
viru
s [%
]
PTGS mechanism (RNA interference): The behaviour observed is described in literature as „plant recovery“, i.e. the activation of PTGS leads to „plant health restoration“.
*
Two week-old plants at the stage of 2-3 true leaves were mechanically inoculated with virus isolate PSB204CZ.
GM Control+
GM
Control+
GM (T2) and non-GM plants of cv. Raman after mechanical inoculation with PSbMV
Control- Control-
Exp. group Non-GM control GM line 1 GM line 2 GM linie 3
Component % % % %
Wheat meal 33 33 33 33
Maize meal 10 10 10 10
SES 47.5 % 30 30 30 30
GM pea 15 15 15 15
Starch 0.55 0.55 0.55 0.55
Lysin 78% 0.25 0.25 0.25 0.25
MPK macro 3 3 3 3
Vitamins 0,2 0,2 0,2 0,2
Sunflwer oil 8 8 8 8
Summa 100 100 100 100
Composition of feeding mixture (GM pea line derived from cv. Raman with a gene segment for cpPSbMV – T5 generation)
The effect of GM pea feeding on the growth of model animals (rat inbred line Wistar Han)
Males of laboratory rat inbred line Wistar Han, whose anatomical and physiological parameters are similar to human and monogastric animals; 4 experimental groups with 7 individuals of age 35 days; evaluated after 28 days.
Mean growth increase (g) after 28 days of feeding with mixtures containing GM pea meal
All animals were in clinically good healthy state, no differences in development were recorded. No changes in behaviour were recorded.
The effect of GM pea feeding on the growth of model animals (rat inbred line Wistar Han)
Hrách - odolnost vůči hmyzu a houbovým patogenům
Galleria mellonella silk protein inhibitor zavíječ voskový Nárůst mortality larev zrnokaza Bruchus pisorum
Srovnání průměrných podílů larvami listopasů poškozených bakteriálních (Rhizobium) hlízek na kořenech rostlin hrachu ze tří porovnávaných skupin: T = skupina transformovaných rostlin; UU = skupina netransformovaných a neošetřených rostlin; UT = skupina netransformovaných a insekticidně ošetřených rostlin; (2010)
Produkce fytofarmak - terapeutická aktivita je závislá na vlastnostech proteinů. Proteiny existují nejčastěji ve formě glykoproteinů. Glykosylace probíhá v ER. Cíle projektu A) Prozkoumat možnost vložení lidské glykosylační dráhy do semen luštěnin B) Porovnat účinnost lidské glykosylace v různých rostlinných druzích C) Charakterizovat modelový rekombinantní glykoprotein in vitro
Studium vlivu humanizované glykosylace na akumulaci proteinů v semenech rostlin
Man Gal GlcNAc FucNeu5GcNeu5Ac Xyl
AsnAsn
Asn
Asn AsnAsnAsn
GolgiER Insect
pauci-mannose
pauci-mannose
complexHighmannose
Highmannose
PlantYeast
Asn AsnAsnAsnAsn Asn
Human Animal
Len • Tolerance/zvýšení akumulačního potenciálu ve
vztahu k těžkým kovům – pro fytoremediační účely
T0
T1
T5
Len • Odolnost vůči biotickým stresům – ochrana
rostlin proti dřepčíkům
B
C A
Len
• Změna v poměru mastných kyselin obsažených ve lněném oleji – výživa a zdraví.
– Nízkolinolenový len (+ vysoký obsah kys. linolové – obdoba slunečnicového oleje)
– Vyšší obsah ω-3 mastných kyselin (obdoba olivového oleje)
INFORMAČNÍ ZDROJE
ODKAZY na další informace o GMO
• Ministerstva do jejichž kompetence spadá GMO:
– Ministerstvo životního prostředí ČR: www.mzp.cz/cz/geneticky_modifikovane_organismy
– Ministerstvo zemědělství ČR : www.eagri.cz/public/eagri/zemedelstvi/gmo-geneticky-modifikovane-organismy/
– Ministerstvo zdravotnictví ČR: www.mzcr.cz, prostřednictvím www.szu.cz/tema/bezpecnost-potravin/potraviny-noveho-typu
Základní internetové zdroje vědeckých informací
• www.gate2biotech.cz
• www.biotrin.cz
• www.efsa.europa.eu
• www.europabio.org
• www.isaaa.com
• www.foodinsight.org
