54
Metode oplemenjvanja 2

oplemenjivanje organizama2

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: oplemenjivanje organizama2

Metode oplemenjvanja 2

Page 2: oplemenjivanje organizama2

• Šta su osnovni ciljevi oplemenjivanja?– Prinos, odolevanje bolestima, kvalitet

• Kako se ti ciljevi postižu?– Poznavanje genetike i biologije organizama sa kojima se vrši

oplemenjivanje

• Šta je opravdanje za oplemenjivanje organizama?– kontrolisano genetičko prilagodjavanje organizama da služe čoveku

Page 3: oplemenjivanje organizama2

• Na primer…..

• Da li nam treba poboljšanje i povećanje proizvodnje hrane? – Porast brojnosti populacije –etičko pitanje - nahraniti čovečanstvo, domaće životinje, biogorivo

– Pad raspoloživosti plodnog zemljišta i vodenih resursa - etičko pitanje odgovornosti prema ekosistemu i budućim generacijama

– Porast potrebe za djubrivima, navodnjavanjem, hrebicidima, pesticidima – zdravstveno i etičko pitanje zaštite sredine

• kolateral pitanje…Da li nam treba poboljšanje zdravlja?..

Page 4: oplemenjivanje organizama2

Oplemenjivanje biljaka i životinja

• Genetički pristupi• “konvencionalni” i kombinovani sa

molekularno genetičkim

– ukrštanja– selekcija– inbriding– hibridizacija– molekularni markeri– mutageneza– poliploidija– transgene tehnologije

stvaranje sorti, rasa, varijeteta, kultivara...sa željenim osobinama

Page 5: oplemenjivanje organizama2

Mutageneza kao metod u oplemenjivanju

• Osnov za oplemenjivanje je genetička varijabilnost• Ako je nema prirodno, treba je izazvati• mutageneza je mehanizam stvaranje novih alela• Muller (oko 1920.) prvi put na Drosophila, X zračenje za

dobijanje mutanata, primenjeno zatim na poljopriovredno vredne biljke

• Do 1995. stvoreno je 77 kultivara mutagenezom a te godine 484! …i od tada raste broj

• hrana, hortikultura, drveće-voće• zrenje, otpornost na zimu, ornamentika• Bioethnologija, kasnije - ciljane mutacije, a mutageneza

“random”-slučajno• Roditelji treba da budu različiti po mutacijama da bi

segregirali osobine u F2

Page 6: oplemenjivanje organizama2

• Mutacije– nasledne promene u genima,

hromozomima i vanjedarnoj DNK

– slučajni dogadjaji– spontane / indukovane– germinativne/somatske

nastanak izmenjenih ćelija i tkiva

•delovanjem hemijskih i fizi čkih agenasa – mutagena•unošenjem željenih sekvenci u genom

naslednekroz generacijeu populacijama

Page 7: oplemenjivanje organizama2

• oštećenja DNK mogu uzrokovati mutacije

• mutacije mogu promeniti – strukturu gena– funkciju gena

• dominantne (redje)/recesivne (češće)• mutacije mogu biti

– povoljne– nepovoljne

• mutacije mogu nastajati – pod kontrolom čoveka – kao posledica antropogenih aktivnosti (stil života, zagadjenje)

Page 8: oplemenjivanje organizama2

• Mutageni agensi– fizički (zračenje, temperatura)– hemijski (bazni analozi, alkilirajući agensi..)

• Za mutagenezu se koristi– Cela biljka ili delovi– Cela biljka - češće za fizičke– Seme - najčešće i za hemijske i fizičke– Polen – izbegne se stvaranje himera, dobiju se željeni

heterozigoti, ali nema ga dovoljno – Kultura tkiva

Page 9: oplemenjivanje organizama2

• Mutageneza se sprovodi na– biljkama sa semenom (samooplodne/stranooplodne)– klonalno propagirajućim

• Kod stranooplodnih je teže razdvojiti heterozigote.Kada se tretira seme parentalne generacije, dobija se F1 u kojoj mutacije mogu biti različite

• Metode koje se primenjuju su– bulk (grupno od F1 se ide na F2)– pojedinačnih semena (od nekoliko F1 jedinki)– metod pedigrea (od svake jedinke)

Page 10: oplemenjivanje organizama2

Dostignuća mutageneze u oplemenjivanju

• Rezistentnost na patogene• Izmena izgleda,strukture biljke (patuljasti mutanti

cerealija, žbunast rast pasulja)• Nutricione osobine (sastav endosperma kod

kukuruza)• Promene hemijskog sastava (radi izbegavanja

alergena)• Hortikulturalne varijante (ukrasne biljke)• Muška sterilnost (radi lakšeg ukrštanja kod kukuruza)• Oplemenjivanje bespolno propagirajućih vrsta• Razvoj genetički konsturisanih linija

Page 11: oplemenjivanje organizama2

ograničenja mutageneze kao pristupa oplemenjivanju

• slučajnost mutacija kao dogadjaja

• sporedni efekti• potrebna velika segregirajuća populacija F2

(većina mutacija se ne može uočiti ili je štetna)• recesivnost mutacija (prepoznaju se kao

homozigoti, što je pogodno samo kod vrsta koje prirodno inbreduju)

Page 12: oplemenjivanje organizama2

Hromozomske mutacije - odstupanja od normalnog kariotipa

• numeričke• aneuplodije• euploidije

• strukturne• delecije

• duplikacije• inverzije

• translokacije

Poliploidija kao metod u oplemenjivanju

Page 13: oplemenjivanje organizama2

Ekstremi-minimalni i maksimalni broj hromozoma• Podvrsta mrava Myrmecia pilosula

– Ženke imaju jedan par hromozoma. Vrsta se razmnožava haplodiploidijom, oplodjena jaja se razviju u ženski pol (diploidi), neoplodjena (haploidi) u mužjake.

• Familija paprati, maksimalni broj kod Ophioglossum reticulatum. Oko 630 pari hromozoma u ćeliji

Page 14: oplemenjivanje organizama2

EUPLOIDIJE – promene u broju celih setova hromozoma

poliploidijeneparne

parne

monoploidije

Page 15: oplemenjivanje organizama2

monoploidija

• pogodno u oplemenjivanju biljaka, hortikulturi, jednostavnija manipulacija nego sa diploidima

• stvaranje monoploida sa željenim genotipovima, zatim dupliranje genoma u fertilnu jedinku

Page 16: oplemenjivanje organizama2

Upotreba kolhicina pri dobijanju diploida od monoploidaKolhicin se dodaje u ćelije u metafazi ili anafazi inhibira stvaranje deobnog vretena, hromatide ostaju zajedno u jednoj ćeliji

Dobijanje monoploidnih biljaka iz kulture tkivaHaploidni polen se zaseje na agaru sa hormonimarasta.Raste haploidna biljka

Page 17: oplemenjivanje organizama2

AUTOPOLIPLOIDIJA – udvajanje setova genoma iste vrste;krupniji usled krupnijih ćelija; ALOPOLIPLOIDIJA – kombinacija setova genoma različitih vrsta

Page 18: oplemenjivanje organizama2

• Triploidija• nastanak: nerazdvajanje hromozoma u

mejozi, oplodjenje sa 2 spermatozoida, eksprimentalno..

• Triploidi reñi u prirodi od tetra zbog nestabilnosti genoma

• najčešće sterilni- usled nejednakogsegregiranja u mejozi, stvaraju nebalansirane gamete

• niska verovatnoća da će univalenti otići na isti pol i dati haploidni gamet (1/2x-1)

• – bez semenki,vegetativno razmnožavanje

• ekonomski značajni triploidi: krompir, Winesap jabuke, banane, lubenice, ljiljani...

AUTOPOLIPLOIDIJA

Page 19: oplemenjivanje organizama2

• Retke unije diploidnih gametaviše produkata genakomercijalna prednost: veličina ploda,

cveta...• Tetraploidi: alfalfa, kafa, kikiriki,

Mcintosh jabuke, jagoda – oktoploid

AUTOTETRAPLOIDI (parna ploidija)

Balansirani, parni genomi–bivalenti u mejozi često daju kompletne gamete

Page 20: oplemenjivanje organizama2

alopoliploidi

• Ukrštanjem srodnih vrsta i udvajanjem broja hromozoma kod hibrida

• alopoliploidi su retko fertilni• nebalansirani gameti – hromozomski setovi su

homeologi• udvajanje diploidnog genoma ćelijskom fuzijom

(kolhicin)

• amfidiploidija – od dva diploidna roditelja

Page 21: oplemenjivanje organizama2

• Amfidiploidi mogu stvarati fertilne gamete

• Nalaze se češće u prirodi

Nicotiana tabacum, 48 hromozoma, amfidiploid

Page 22: oplemenjivanje organizama2

Gossypium, kiltivisani američki pamuk,ima 26 pari hromozoma, 13 velikih i 13 malih

Vrsta iz Starog sveta, ima samo 13 velikih, a divlji američki ima 13 malih - amfidiploidija

Page 23: oplemenjivanje organizama2

Amfidiploidija roda Brassica

Page 24: oplemenjivanje organizama2

• Hibridi obično ispoljavaju osobine oba roditelja, ali...

• teško je predvideti kod hibrida kombinacijuosobina roditeljskih vrsta (Raphanobrassica)

Page 25: oplemenjivanje organizama2

Ploidija kod žita

21 par hromozoma u mejozi, homologo sparivanje- svaki hromozomima samo 1 homologa, a ne 6 mogućih homeologa

Supresija homeologog sparivanja-alel Ph na 5. hromozomu B seta

Page 26: oplemenjivanje organizama2

FUZIJA PROTOPLASTA monoploidnih linija duvana,osetljivih na svetlost usled 2 recesivne mutacije na različitim lokusima,daje diplodini zeleni hibrid

SOMATSKA ALOPOLIPLOIDIJA

Page 27: oplemenjivanje organizama2

poliploidija kod životinja

• reñe nego kod biljaka• pljosnati crvi, vaši, neki rakovi, brojni

vodozemci i reptili, neke ribe• familija Salmonidae – nastala poliploidijom• uglavnom partenogenetska reprodukcija• ostrige: komercijalne (triploidi)-ukusne jer

su sterilne, obične (diploidi)- neukusne

Page 28: oplemenjivanje organizama2

biotehnologija u oplemenjivanju

• Izazivanje ciljane mutacije, a mutageneza izaziva “random”-slučajne

• Transgeni organizmi• Klonirani organizmi

– Nije isto!

Page 29: oplemenjivanje organizama2

Transgene tehnologije• tehnologija rekombinantne DNK – bitna u primeni:

– genske terapije– kreiranja transgenih organizama– sekvenciranja genoma

Transpozoni se široko koriste u transgenezi kod biljaka i insekata.

Page 30: oplemenjivanje organizama2
Page 31: oplemenjivanje organizama2
Page 32: oplemenjivanje organizama2
Page 33: oplemenjivanje organizama2

podru čja primene transgenih organizama

medicinai farmacija

šumarstvo

ostalo

poljoprivreda

Potrebe za primenom rezultata istraživanja

�Globalne�Regionalne�Lokalne

Page 34: oplemenjivanje organizama2

poljoprivredaMIKROORGANIZMI, GLJIVE, KVASCI

– enzimi za procesovanje hrane, sokova, sireva (nema ih u krajnjem proizvodu)

BILJKEkukuruz, soja, lucerka, pirina č, šećerna repa, uljana repica, pamuk, krompir, duvan, šljiva, bundeva...itd.

• hrana, sto čna hrana • proizvodi dobijeni preradom GMO

biljaka– ulje, brašno,še ćeri, sirupi, etanol

• osnovni ciljevi: – veći prinos

• kroz otpornost na šteto čine i patogene, vremenske uslove, herbicide

– hranljive vrednosti• pove ćanje vitamina, minerala,

antioksidanata, gvož ña• smanjenje alergena

Page 35: oplemenjivanje organizama2

ŽIVOTINJE– promena kvaliteta mesa, mleka

• otpornost na patogene– povećanje prinosa mesa, mleka– biofarming (za dobijanje terapeutika kroz mleko)

Page 36: oplemenjivanje organizama2

GM biljke

Page 37: oplemenjivanje organizama2
Page 38: oplemenjivanje organizama2

40

48

46

51

35

36

32

34

45

52

38

21

24

27

44

20

39

22

45

33

22

31

30

22

21

44

29

44

10

15

0 20 40 60 80 100

United Kingdom

Switzerland

Sweden

Netherlands

Italy

Germany

France

Austria

United States

Canada

Percent Response

False (Correct) Don't Know True

DA LI JE TAČAN STAV:“običan paradajz ne sadrži gene, genetički modifikovani

sadrži”

Source: Tom Hoban

1996 - 1998

Page 39: oplemenjivanje organizama2

Način pripreme hrane bez obzira da li sadrži GM , predstavlja najbitniji i sveprisutni faktor rizika za nastanak mutacija u ćelijama

mutacija u genomu GM organizma koji se jede“ne ulazi” u genom onih koji ga jedu

Page 40: oplemenjivanje organizama2

šumarstvo

Page 41: oplemenjivanje organizama2

• Common name - Botanical name - Year of release for fi rst field trials• 1. GE European Aspen - Populus tremula - 1988

2. GE North American Black Walnut (nut) - Juglans nigra - 19893. GE Hawaiian Papaya (fruit) - Carica papaya - 1991 and later approved for commercial crop planting in Hawaii4. GE North American Apple (fruit) - Malus domestica - 19915. GE European Sweet Chestnut - Castanea sativa - 19926. GE North American Plum (fruit) - Prunus domestica - 19927. GE Red River Gum - Eucalyptus camaldulensis - 19938. GE North American Black Spruce (conifer) - Picea mariana - 19939. GE North American Sweetgum - Liquidambar styraciflua - 199410. GE Plum (fruit) - Prunus domestica - 199411. GE Apricot (fruit) - Prunus armenica - 199412. GE Hardy Orange (fruit) - Poncirus trifoliata - 199413. GE Sweet Orange (fruit) - Citrus sinensis - 199514. GE European Black Poplar - Populus nigra - 1994 field trials; 1998 large scale plantation release in China.15. GE Gray Sheoak tree - Casuarina glauca - 199616. GE North American Silver Birch - Betula pendula - 199617. GE North American Chestnut - Castanea dentata - 199618. GE Sweet Orange (fruit) - Citrus sinensis - 199619. GE Tasmanian Blue Gum - Eucalyptus globulus - 199620. GE Norway Spruce (conifer) - Picea abies - 199621. GE North American Scots Pine (conifer) - Pinus sylvestris - 199622. GE Tropical Acacia - Acacia species - 199723. GE Western North American Monterey Pine (conifer) - Pinus radiata - 199724. GE Teak - Tectona grandis - 199725. GE Lime (fruit) - Citrus aurantifolia - 199726. GE Sour Orange (fruit) - Citrus aurantium - 199727. GE Pummelo (fruit) - Citrus grandis - 1997 6 field trials28. GE Casuarina tree - Allocasuarina verticiliata - 199729. GE Flooded Gum - Eucalyptus grandis - 199830. GE Italian Olive (fruit) - Olea europea - 199831. GE Eastern North American Cottonwood - Populus deltoides - 199832. GE North American Quaking Aspen - Populus tremuloides - 199833. GE North American Cherry (fruit) - Prunus avium - 199834. GE Tropical Avocado (fruit) - Persea species - 1 field trial35. GE South American Coffee (bean) - Coffea arabica - 3 field trials36. GE Grapefruit (fruit) - Citrus paradisi hybrid (C. maximum x C. sinensis) - 6 field trials37. GE North American Pear (fruit) - Pyrus communis - 5 field trials38. GE Persimmon (fruit) - Diospyros species - 4 field trials39. GE North American Walnut (nut) - Juglans species - 13 field trials40. GE Southeastern North American Loblolly Pine (conifer) - Pinus taeda - field trials41. GE Western North American Douglas fir (conifer) - Pseudotsuga menziesii - future field trials42. GE English Elm - Ulmus species - field trials43. GE New Zealand Kiwi fruit tree (fruit) - Actinidia chinensis - 1999 - 4 field trials44. GE Chinese White Poplar - Populus tomentosa - 1999 China45. GE Tropical Banana (fruit) - Musa acuminata - 2000 - 5 field trials46. GE-pharmaceutical Indonesian Rubber tree - blood clotting factor - Hevea brasiliensis - 200047. GE Eastern North American Rhododendron - Rhododendron species - 2000 -48. GE North American Cottonwood Hybrid - Populus trichocarpa x P. deltoides - 200149. GE North American Cottonwood Hybrid - Populus trichocarpa x P. nigra - 200150. GE North American Cottonwood Hybrid - Populus deltoides x P. nigra - 200151. GE North American Cottonwood Hybrid - Populus simonii x P. nigra - 200152. GE Chinese Larch/Tamarack (conifer) - Larix species (L. decidua, L. sibirica) - China53. GE Chinese Empress (Supa) trees - Paulownia species (P. tomentosa, P. fortunei)54. GE Persian Walnut (nut) - Juglans regia - field trials55. GE Chinese Poplar hybrid 741 - Populus alba x P. davidiana x P. simonii x P. tomentosa - 2001 China56. GE Western Australia Eucalyptus - Eucalyptus occidentalis - 200257. GE Brazilian Eucalyptus hybrids - Eucalyptus grandis x E. urophylla - 200258. GE Chinese Birch - Betula platyphylla - China59. GE Indonesian Sandalwood (essential oils) - Santalum album -60. GE North American Beech - Fagus sylvatica -61. GE Mandarin Orange (fruit) - Citrus reticulata - 200262. GE Poplar/Quaking Aspen hybrids - Populus tremula x P. tremuloides - 200463. GE North American Elm - Ulmus americana - 2004

svrha primene broj vrsta

drvena masa, papir

34

plod, ulje 25

ukrasne 2

pošumljavanje 2

etarsko ulje 1

detoksikacija zemljišta

1

biofarmacija 1

Stotine poljskih ogleda širom sveta, od 1980.samo 2 primera u komercijalnom gajenju

Page 42: oplemenjivanje organizama2

• samo dva slu čaja komercijalne primene

• papaja – Havaji– otpornost na ringspot virus

• Bt topola – Kina– pošumljavanje, sprečavanje

erozije

• primeri problemati čnih probnih primena

– ArborGen GMeukaliptus, Novi Zeland

• otpornost na hladnoću– FuturaGene GM

eukaliptus, Izrael• brži rast

Page 43: oplemenjivanje organizama2

proizvod ili rezultat modifikacijeporeme ćaj ili oboljenje organizam doma ćin

modifikacije

insulineritropoetininterferonitkivni plazminogen tPAhormon rastafaktori koagulacijeAntitrombin (Atryn)antitripsinantigen hepatitisa Bantigen Vibrio choleraeglikoproteiniS1 inhibitorletalnost larvi u potomstvu komaracaletalnost Plasmodium falciparium

dijabetesanemijamutlipla skleroza, kancerinfarkt srca i mozgapatuljasti rasthemofilija Anasledni nedostatak antitrombinaefizem plućahepatitis Bkolerakancernasledni angioedemmalarijamalarija

E. coliE. coli, sisarske ćel. u kulturiE. coli, sisarske ćel. u kulturisisarske ćelije u kulturiE. coli, sisarske ćelije u kulturiovca, svinjakozaovcakvasac, banane pirinač, šargarepa bakulovirus/ćelije insekatazeckomaracP. agglomerans/komarac

medicina i farmacija

neki primeri genskih modifikacija u primeni ili u procesu proveravanja i odobravanja

Page 44: oplemenjivanje organizama2

medicina i farmacija

– GM malari čni komarac• preko redukcije brojnosti larvi

unošenjem letalnog gena u mužjake

• unošenjem GM bakterije P. agglomerans, izaziva se smrtnost Plasmodium falciparium uzročnika malarije

– praćenje širenja i populacione dinamike

Proizvodnja vakcina– kolera, hepatitis B

• subjedinice patogena kao antigeni se unose u npr. kvasac i prečišćavaju

• izazov: unos vakcine preko plodova koji su široko zastupljeni u ishrani

– kancer• ćelije insekata na stupnju

gusenice i bakulovirus

– grip (Flublok) • sa proteinima tri soja virusa,

rekombinovanih sa bakulovirusom

epidemiologija

Page 45: oplemenjivanje organizama2

OSTALO... šire potrebe čoveka... • biogorivo

– GM gljive, mikroalge• efikasno razdvajanje

lignina od celuloze

• predivo– gen za svileni protein pauka

unet u epitelne ćelije mlečnih žlezda koze

– u hirurgiji, zaštitni prsluci, ribarske mreže, optička vlakna

• hortikultura– dodavanje gena i blokada

gena, u sintezi pigmenata

Santori, Florigen

• zaštita sredine– detekcija minskih

ostataka, teških metala

Page 46: oplemenjivanje organizama2

OSTALO...primarna namena i sekundarna upotreba

•zeleni fluorescentni protein•meduza Aequorea victoria

•enzim luciferaza

•svitac, Photinus pyralis

•geni reporteri

koral - Anthozoa, Scleractinia

•Shimomura, Chalfie i Tsien, Nobelova nagrada 2008, hemija

Page 47: oplemenjivanje organizama2

• u medicinskim istraživanjima– praćenje regeneracije tkiva putem

matičnih ćelija, regeneracija neuronskih ćelija, transplantacija

– neurogenetika, optogenetika– imunologija

• biomonitoring– detekcija teških metala i drugih

sastojaka u zemljištu, vodi

osnovna primena GMO sa fluorescentim pigmentom

Page 48: oplemenjivanje organizama2

..izazovi....i komercijalna primena...

GM Abies nordmanniana

GloFish

BioArtBrainbow

kućni ljubimcidekoracijaumetnost

Page 49: oplemenjivanje organizama2

Kloniranje gena, tkiva, organa, organizama

• U jedrima potpuno diferenciranih ćelija mali skup gena se uključuje, a ekspresija ostalih je sprečena– Ova regulacija je uglavnom rezultat epigenetičkih promena u

hromatinu, kao što je acetilacija histona ili metilacija DNK. – Mnoge od ovih promena moraju biti povratne u jedru donora da

bi se geni pravilno eksprimirali ili represirali u ranim stupnjevimarazvića.

– Nadjeno je da DNK ćelija iz kloniranih embriona, kao i kod diferenciranih ćelija često ima više metil grupa nego DNK ekvivalentni molekuli iz nekloniranih iste vrste.

– Pošto DNK metilacija pomaže u regulaciji genske ekspresije, metilisana DNK jedra donora može ometati gensku ekspresiju neophodnu za normalno razviće.

Page 50: oplemenjivanje organizama2

Odavno je moguće klonirati različite vrste sisara upotrebom jedara ili ćelija ranih embriona

• 1997. godina, Edinburg• Doli, jagnje klonirano iz

odrasle ovce, jedarnom transplantacijom iz diferencirane ćelije mlečnih žlezda, koja je fuzionisana sa jajnom ćelijom druge ovce kojoj je uklonjeno jedro.

• Rezultujuće ćelije su se delile i rani embrioni su implantirani u surogat majke. Pri tome je samo jedan od stotine embriona kompletirao razviće

Page 51: oplemenjivanje organizama2

Nastanak prvog kloniranog sisaraneke somatske ćelije održe genetičku informaciju za celokupno razviće, pa ih je moguće koristiti za kloniranje organizma

Page 52: oplemenjivanje organizama2
Page 53: oplemenjivanje organizama2
Page 54: oplemenjivanje organizama2

• Eksperimentalno kloniranje dalo je neke bitne rezultate– Klonirane jedinke iste vrste ne

ponašaju se i ne izgledaju potpuno identično

– Uticaj sredine i slučajni fenomeni se ne mogu zanemariti tokom razvića

– Godine 2003, Dolly je obolela od oboljenja pluća i artritisa, uobičajeno za ostarele jedinke i uginula je što možda ukazuje na nekompletno reprogramiranje transplantiranog jedra.

• Kloniranje u farmaceutske i medicinske svrhe je od značaja u kombinaciji sa transgenim tehnologijama