101
Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a učitelství biologie CZ.1.07/2.2.00/15.0316

Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,

  • Upload
    others

  • View
    1

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,

Zvyšovaacuteniacute konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a učitelstviacute

biologie

CZ1072200150316

BOTBRGMO

Biotechnologie rostlin a GMO

garant Božena Navraacutetilovaacute

přednaacutešejiacuteciacute Božena Navraacutetilovaacute Lenka Švaacutebovaacute cvičiacuteciacute Božena Navraacutetilovaacute Petr Dvořaacutek 20142015 ZS

Ciacutel předmětu navaacutezat na zaacutekladniacute předměty vyacuteuky a rozšiacuteřit znalosti v oblasti biotechnologiiacute zejmeacutena rostlinnyacutech naacutevaznost na předměty - obecnaacute biologie fyziologie rostlin genetika ekologie konfrontace s praxiacute - čaacutest přednaacutešek zajišťuje AGRITEC Šumperk

přednaacuteškycvičeniacute 11 hodtyacuteden blokovaacuteno podle možnostiacute kredity 3 ukončeniacute kolokvium

Přednaacutešky blokovaacuteny (2 - 3hod) Biotechnologie - historie od počaacutetku po současnost členěniacute interdisciplinaacuternost rostlinneacute bdquozeleneacuteldquo biotechnologie (Božena Navraacutetilovaacute UPOL) Potenciaacutel rostlinneacute buňky a podstata explantaacutetovyacutech kultur rostlin metody (techniky zachovaacutevajiacuteciacute a techniky zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu rostlin) a jejich aplikace ve šlechtěniacute rostlin (Božena Navraacutetilovaacute UPOL) Využitiacute rostlinnyacutech biotechnologiiacute v zemědělstviacute farmaceutickeacutem průmyslu uchovaacutevaacuteniacute genofondu a fytoremediaci (Božena Navraacutetilovaacute UPOL) Možnosti využitiacute geneticky modifikovanyacutech plodin (Lenka Švaacutebovaacute Agritec Šumperk)

Sylabus a naacutevody botanyupolcz naacutevody sylabus 2014

Kolokvium 10 prosince 2014 Vyhodnoceniacute založenyacutech experimentů rozprava

Vlastniacute prezentace vybraneacute biotechnologie (1 ndash 3 studenti)

Sylabus a naacutevody botanyupolcz naacutevody sylabus 2014

Kolokvium 10 prosince 2014 Vyhodnoceniacute založenyacutech experimentů rozprava

Vlastniacute prezentace vybraneacute biotechnologie (1 ndash 3 studenti)

Cvičeniacute blokace (max 6 studentů ve skupině) naacutevody na www straacutenkaacutech katedry botaniky vyacuteukoveacute materiaacutely httpbotanyupolczmaterialyids[]=311k311 I čaacutest Cvičeniacute - zaacutekladniacute metody explantaacutetovyacutech kultur rostlin (Božena Navraacutetilovaacute) řiacutejen ndash listopad 2014 1 Bezpečnost praacutece a zaacutesady praacutece v aseptickeacutem prostřediacute 2 Sterilizace rostlinneacuteho materiaacutelu naacutestrojů skla a dalšiacutech pomůcek přiacuteprava meacutediiacute 3 Kultivace explantaacutetů pasaacutežovaacuteniacute 4 Mikropropagace rostlin 5 Embryokultury izolace a kultivace embryiacute 6 Prašniacutekoveacute kultury izolace a kultivace prašniacuteků II čaacutest Transgenoacuteze (Petr Dvořaacutek) řiacutejen ndash listopad 2014 Transformace bakteriiacute modrobiacutelaacute selekce pomociacute vektoru s rezistenciacute pro antibiotika

BEZPEČNOST PRAacuteCE

Student je povinen řiacutedit se pokyny vedouciacuteho cvičeniacute - dbaacutet osobniacute bezpečnosti a bezpečnosti svyacutech kolegů v laboratoři

Student je povinen přichaacutezet na praktickaacute cvičeniacute včas seznaacutemen s naacutevodem praktickeacuteho cvičeniacute a doporučenyacutemi pomůckami

Student musiacute byacutet vybaven přezůvkami osobniacute věci (tašku batoh oblečeniacute) si uložiacute na vyhrazeneacute miacutesto ktereacute je zabezpečeno před zcizeniacutem

Před cvičeniacutem si student umyje a desinfikuje ruce určenyacutem desinfekčniacutem prostředkem - OROSEPT 70 etanol

Při praacuteci ve flowboxu student dodržuje zaacutesady pro aseptickou praacuteci desinfekčniacutem roztokem vytře box (ISORAPID) spustiacute box 10 min před zahaacutejeniacutem praacutece dbaacute aby saacutem nebyl zdrojem kontaminaciacute při nachlazeniacute použije roušku udržuje v boxu pořaacutedek

Student dbaacute bezpečnosti při praacuteci s ohněm (lihoveacute kahany)

Student dbaacute bezpečnosti a se zvyacutešenou opatrnostiacute pracuje s řeznyacutemi naacutestroji se sklem lihovyacutem kahanem a s elektřinou

Student zachaacuteziacute se svěřenyacutemi přiacutestroji šetrně jejich zaacutevady ihned hlaacutesiacute vyučujiacuteciacutemu (saacutem neopravuje)

Student hlaacutesiacute veškeraacute poraněniacute vyučujiacuteciacutemu

Po ukončeniacute cvičeniacute student vypne a uklidiacute flowbox uzavře kahan Zbytky rostlinneacuteho materiaacutelu zlikviduje umyje použiteacute sklo

BIOTECHNOLOGIE

- členěniacute interdisciplinaacuternost (mezioborovost)

- historie od počaacutetku po současnost - rostlinneacute bdquozeleneacuteldquo biotechnologie

Použitaacute literatura Bajaj Y P S Somatic hybridization in crop improvement 1994

Callaway D J Callaway M B Breeding ornamental plants Timber Press Oregon 2000

George E F Plant propagation by tissue culture The technology Exegetics Limited Edington 1993

Hall R D Plant cell culture protocols Humana Press Totowa (NJ) 1999

Heldman D R Wheler M B Hoover DG Encyklopedia of biotechnology in agriculture and food CRC Press 2011

Kreuzer H Massey A Biology and biotechnology Science Applications and issues ASM Press Washington DC 2005

Lindsey K Plant tissue culture Manual Kluwer Academic Publishers London 1992

Kučerovaacute P Mackovaacute M Macek T Chemickeacute listy 93 19-26 1999

Murphy D Plants biotechnology and agriculture Cambridge University Press 2011

Ovesnaacute J Kučera L Otaacutezky biologickeacute bezpečnosti GMO a mezinaacuterodniacute zaacutevazky ČR Sborniacutek VUacuteRV Praha 2004

Prochaacutezka S a kolektiv Fyziologie rostlin Academia 1998

Smith R H Plant tissue culture Techniques and experiments Second edition Academic Press 2000

Smith J E Biotechnology Cambridge 2009

Trigiano R N Gray D J Plant development and biotechnology CRC Press 2005

Biotechnologie

Biotechnologie jsou na zaacutekladě Evropskeacute federace pro biotechnologii (EFB) z roku 1981 definovaacuteny jako

bdquoSoubor postupů založenyacutech na technologiiacutech při nichž se využiacutevaacute metabolickeacuteho potenciaacutelu mikroskopickyacutech organizmůldquo Jsou to interdisciplinaacuterniacute obory zahrnujiacuteciacute a využiacutevajiacuteciacute poznatky mikrobiologie biochemie chemie a přiacuteslušnyacutech průmyslovyacutech odvětviacuteldquo wwwscimuniczmikrobkvasbiotechbiotechnologiebiotechnologiehtml

Multidisciplinaacuterniacute povaha (Smith 2009)

Biotechnologie podle definice OECD představuje aplikovaacuteniacute vědeckyacutech a technologickyacutech metod na živeacute organismy a jejich čaacutesti produkty nebo modely za uacutečelem přeměny živyacutech i neživyacutech materiaacutelů pro vytvaacuteřeniacute znalostiacute zbožiacute a služeb

z řečtiny bios + techne + logos

život + dovednost + znalost

staraacute definice

novaacute definice

OECD Organizace pro ekonomickou spolupraacuteci a rozvoj Organisation for Economic Co-operation and Development

Biotechnologie

BIOTECHNOLOGIE novyacute nebo staryacute vynaacutelez biotechnologie průmysloveacute zemědělskeacute leacutekařskeacute biotechnologie mikrobiaacutelniacute živočišneacute rostlinneacute obsah i dosah

biologickyacute psychologickyacute ekonomickyacute ekologickyacute (postoj Amišů ndash meacuteně pesticidů neniacute v rozporu s jejich životniacutem stylem rizika při uvaacuteděniacute do životniacuteho prostřediacute) etickyacute - oteviacuteraacuteme bdquoPandořinu skřiacutenkuldquo

- věda jako zachraacutence nebo nepřiacutetel lidstva

odpor GMO plodinaacutem potravinaacutem

akceptovatelneacute rezistentniacute plodiny k herbicidům

BIOTECHNOLOGIE - rozvoj 21 stoletiacute - integrovanaacute aplikace přiacuterodniacutech a inženyacuterskyacutech věd - ciacutelem je využitiacute organismů a čaacutestiacute organismů k vyacuterobě produktů nebo použitiacute různyacutech metod (postupů)

ČLENĚNIacute PODLE ODVĚTVIacuteZAMĚŘENIacute ČERVENAacute BIOTECHNOLOGIE (mediciacutena a farmacie) - leacutekařstviacute je považovaacutena za nejdůležitějšiacute oblast použitiacute - biotechnologickeacute postupy rostouciacute roli při vyacutevoji novyacutech leacuteků (např k leacutečbě rakoviny) diagnostice (DNA) využitiacute kmenovyacutech buněk při leacutečbě zaacutevažnyacutech chorob

ZELENAacute BIOTECHNOLOGIE (zemědělstviacute a potravinaacuteřstviacute) bdquoRostlinneacute biotechnologieldquo nejstaršiacute - moderniacute šlechtěniacute rostlin ciacuteleně se zvyšujiacute odolnosti proti hmyzu pliacutesniacutem virům a herbicidům - vyacuteznam genoveacute techniky kteraacute je zaacutekladem pro přenos určityacutech genů z jednoho druhu na jineacute rostliny a umožňuje vyacutevoj odolnosti vůči hellip

ŠEDAacute BIOTECHNOLOGIE (životniacute prostřediacute-environmentaacutelniacute) - obnoveniacute znečištěneacuteho prostřediacute biomonitoring - indikaacutetory znečištěniacute - biotechnologickeacute postupy při sanaci půdy uacutepravě odpadniacutech vod čištěniacute vyacutefukovyacutech plynů využitiacute odpadu

BIacuteLAacute BIOTECHNOLOGIE (často spojovanaacute s šedou biotechnologiiacute) - chemickyacute průmysl vyprodukovat substance jako např alkohol vitamiacuteny aminokyseliny antibiotika enzymy způsobem ktereacute šetřiacute zdroje a životniacute prostřediacute s pomociacute živyacutech buněk (kvasinky pliacutesně bakterie)

MODRAacute BIOTECHNOLOGIE mořskeacute biologie biologickeacute organismy světovyacutech mořiacute - zdroje potravin energie leacutečiv surovin - bioprocessing šlechtěniacute a ochrana mořskyacutech organismů ciacutelenyacute chov vodniacutech organismů (aquaculture )

ZELENAacute BIOTECHNOLOGIE (zemědělstviacute a potravinaacuteřstviacute)

bdquoRostlinneacute biotechnologieldquo nejstaršiacute - moderniacute šlechtěniacute rostlin = ciacuteleně se zvyšujiacute odolnosti vůči hmyzu pliacutesniacutem virům a herbicidům - genoveacute techniky = přenos určityacutech genů z jednoho druhu na jinyacute umožňujiacute vyacutevoj odolnosti vůči hellip - využitiacute bakteriiacute ke zvyacutešeneacutemu růstu rostlin

- biomonitoring = využitiacute rostlin jako indikaacutetorů znečištěniacute půdy (kovy) - fytomining

Rostlinneacute biotechnologie

Kde by lideacute byli bez rostlin

Historie rostlin čas před proces vyacuteznam

45 miliardy let tvorba země nemožnyacute život

39 oceaacuteny voda je předpokladem pro uhliacutek-založenyacute život

35 nejstaršiacute cyanobacteria efektivnějšiacute fotosynteacuteza- rychlejšiacute růst O2

24 kysliacutek v atmosfeacuteře aerobniacute org postupně převažujiacute nad aerobniacutemi

21 endosymbioacuteza mezi cyanobacterium a eukaryotniacutem hostitelem prvniacute fotosyntetizujiacuteciacute eukaryotickyacute org -

jednobuněčnaacute řasa

16 mnohobuněčneacute řasy zeleneacute a červeneacute řasy

13 v atmosfeacuteře 3 O2 dominujiacute aerobniacute org nad aerobniacutemi

1 zvyšujiacuteciacute se počet mořskyacutech řas zvyacutešeniacute atmosfeacuterickeacuteho 02

750 milioacutenů mnohobuněčneacute zeleneacute řasy začaacutetek buněčneacute specializace

550 v atmosfeacuteře 12 O2

500 prvniacute suchozemskeacute rostliny eukaryotickaacute kolonizace země

470 prvniacute spory jaterniacutekům podobneacute rostliny

428 Cooksonia 2-3 cm velkeacute steacutelka Bryophyta s dominantniacute haploidniacute generaciacute

ceacutevnateacute rostliny bez semen- mechy přesličky kapradiny převažuje 2n generace

360 nejstaršiacute fosilniacute nahosemenneacute

140 nejstaršiacute krytosemenneacute

85 nejstaršiacute obiloviny

68 nejstaršiacute luštěniny adaptace na deficit N2

11 tisiacutec let domestifikace rostlin vliv člověka na rostliny

500 let globalizace zemědělskyacutech plodin světoveacute rozšiacuteřeniacute domestifikovanyacutech rostlin

300 člověkem prvniacute vyrobeneacute hybridniacute rostliny zaacuteměrneacute vytvaacuteřeniacute novyacutech druhů pro člověka

100 začaacutetek vědeckeacuteho šlechtěniacute rostlin manipulace s genomem a fenotypem rostlin

30 prvniacute transgenniacute rostlina novyacute gen do rostlinneacuteho genomu

20 prvniacute schvaacutelenaacute GMO rostlina - potravina rajče cv FLAVR SAVR Murphy 2011

6000 pnl produkce piva fermentaciacute (kvašeniacutem) Babyloacuteňaneacute Sumeroveacute

4000 pnl využitiacute kvasinek ve vyacuterobě piva a viacutena v Egyptě a Čiacuteně (znaacutem ječmen)

1675 Leeuwenhoek pozoroval bakterie

1860 Koch - rozvoj mikrobiologie

1857 Pasteur demonstrace fermentace - otec biotechnologiiacute

1877 Koch vypracoval techniky izolace a barveniacute bakteriiacute

1919 Ereky zavedeniacute termiacutenu biotechnologie

1935 Fleming objev peniciliacutenu - zavedeniacute sterilizace

1953 Watson a Crick popis struktury DNA

1975 Kohler a Milstein - produkce monoklonaacutelniacutech protilaacutetek

1978 produkce 1 lidskeacuteho proteinu v buňce firmou Genntech (USA) = inzuliacuten 1 praktickeacute využitiacute

1980 zavedeniacute metod rekombinantniacute DNA produkce inzuliacutenu v E coli

1994 schvaacuteleniacute prvniacute geneticky modifikovaneacute potraviny ndash rajče

1996 klonovaacuteniacute ovce Dolly Wilmuth a kol

Biotechnologie - historie

vyacuteroba jiacutedla a naacutepojů procesy vyviacutejeny za nesterilniacutech podmiacutenek zavedeniacute sterilniacutech podmiacutenek do biotechnologickyacutech procesů aplikace genetiky a technologie rekombinantniacute DNA

přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

nevyacutehoda - nekontrolovaneacute

zavedeniacute lidskeacuteho genu určujiacuteciacuteho produkci specifickeacute biacutelkoviny (inzuliacutenu) do bakterie pomociacute plazmidu - po zabudovaacuteniacute do genetickeacuteho aparaacutetu hostitelskeacute buňky je bakterie schopna produkovat AMK v přesně daneacutem pořadiacute a syntetizovat

lidskyacute inzuliacuten

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve

velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 11 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1843 superfosfaacutet hellip intenzivniacute hnojeniacute v zemědělstviacute

1849 Darwin - vznik druhů přirozenou selekciacute (cesta kolem světa Galapaacutegy)

1846-1850 krize monokultur - bdquobramborovyacuteldquo hladomor v Irsku (Phytophtora infestans)

1857 Pasteur - fermentace - otec biotechnologiiacute

1866 Mendel - publikuje svoje zaacutekony (znovu objeveny 1900)

1869 Miescher - objevuje DNA

1902 Haberlant - totipotence rostlinneacute buňky

1910 odrůda brambor Bintje (Holandsko) - odrůda roku 2012

1919 Ing Karl (Kaacuteroly) Ereky - termiacuten biotechnologie

migrace do Ameriky

technologie přeměny surovin na využitelneacute produkty pomociacute živyacutech organismů

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho

průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 10 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1923 Burbank USA - křiacuteženci bramboru odrůda

bdquoRUSSET BURBANKldquo (skladovatelnost hliacutez)

1933 prvniacute hybridi kukuřice

1941 Beadle a Tatum - hypoteacuteza 1 gen-1 enzym

1941 24-D (syntetickyacute auxin) jako prvyacute moderniacute herbicid

1950 1 radiomutanti chemomutanti řepka pšenice ryacuteže biacuteleacute fazole

ječmen (1965 - DIAMANT)

1960 ndash1970 ldquozelenaacute revoluceldquo zakrsliacute hybridi - Norman Borlaug

1970 NC miacuteru

1969 Triticale (Triticosecale tritikale žitovec - hybridniacute obilnina Triticum x Secale)

REKOMBINANTNIacute TECHNIKY

1985 prvniacute GM rostliny na poliacutech v UK

1995 odrůda bdquoBT NEW LEAF RUSSET BURBANKldquo

1998 zlataacute ryacuteže

2010 1 GMO hraacutech (Agritec)

I GMO odrůda brambor - odolnaacute vůči mandelince bramboroveacute vložen gen z bakteacuterie Bacillus thuringiensis produkujiacuteciacute protein narušujiacuteciacute vnitřnosti mandelinky

Mexiko 1943 import frac12 spotřeby pšenice 1944 plnaacute soběstačnost pšenice 1964 export 05 milionů tun pšenice

httpenwikipediaorgwikiNorman_Borlaug

Budoucnost biotechnologiiacute v ČR bdquoBiotechnologie jsou celosvětově nejprogresivnějšiacutech oblast vyacutezkumu vyacutevoje a podnikaacuteniacuteldquo

produkce viacutena - 1 psanaacute zmiacutenka r 276 (na Paacutelavě řiacutemskeacute legie) produkce piva - 11 stoletiacute syacutery destilaacutety 14 stoletiacute 1356 - kraacutelovskyacute dekret o produkci viacutena v Českyacutech zemiacutech alchymie (Rudolf II) 1518 - založeniacute Paliacuterny U Zeleneacuteho stromu v Prostějově 1887 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu pivovarskeacuteho a sladařskeacuteho v Praze 1949 - průmyslovaacute produkce peniciliacutenu v Roztokaacutech u Prahy 1966 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu antibiotik a transformaciacute (již neexistuje)

wwwbiotrincz wwwgate2biotechcz

AV ČR Univerzity Vyacutezkumneacute uacutestavy Šlechtitelskeacute stanice

kaacutemen mudrců elixiacuter mlaacutediacute přeměna hmoty

glukosa + kvasinky etanol + oxid uhličityacute přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces carlsbergensis

Biotechnologie v ČR

18 prosince 2008 bylo založeno sdruženiacute CzechBio - asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR zspo 1 asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR spojuje třicet soukromyacutech biotechnologickyacutech společnostiacute a akademickyacutech uacutestavů podpora spolupraacutece komerčniacute sfeacutery s vědeckou httpwwwczechbioorgcs

projekt Algatech ndash Centrum řasovyacutech biotechnologiiacute vyacutevoj novyacutech kultivačniacute zařiacutezeniacute a postupů na zpracovaacuteniacute řasoveacute biomasy pro vyacuterobu biopaliv krmiv potravniacutech doplňků a cennyacutech laacutetek Mikrobiologickyacute uacutestav Akademie věd ČR Třeboň

Centrum regionu Hanaacute pro biotechnologickyacute a zemědělskyacute vyacutezkum

UPOL + VUacuteRV + UacuteEB AV ČR - vytvaacuteřeniacute zemědělskyacutech plodin s vyššiacutemi vyacutenosy toleranciacute vůči nepřiacuteznivyacutem vlivům vnějšiacuteho prostřediacute

- transformace rostlin ječmene a dalšiacutech obilnin

wwwcr-hanaeu

Biotechnologie v ČR

wwwalgaczcscs-algatechhtml

Českaacute technologickaacute platforma rostlinnyacutech biotechnologiiacute ndash rozvoj biotechnologiiacute v ČR = Rostliny pro budoucnost (ČTP RB) - nepotravinaacuteřskeacute využitiacute rostlin vedlejšiacutech produktů odpadů - vyacutevoj novyacutech odrůd kulturniacutech rostlin - uplatněniacute rostlinnyacutech biotechnologiiacute v raacutemci životniacuteho prostřediacute

httpwwwczechinvestorgceska-technologicka-platforma -rostlinnych-biotechnologii

selekce - vyacuteběr nejlepšiacutech rostlin křiacuteženiacute GMO

Přiacuteklad šlechtěniacute - novyacute typ ryacuteže - maleacute vzpřiacutemeneacute listoveacute čepele - hodně odnožiacute - žaacutedneacute neproduktivniacute odnože - silneacute steacuteblo - C3 ryacuteže na C4 ryacuteže

Rostlinneacute biotechnologie Co pěstujeme na poliacutech v zahradaacutech a v sadech a co naacutesledně jiacuteme prošlo za několik tisiacuteciletiacute proměnou Prvniacute změna - předkoveacute opustili životniacute styl lovců a sběračů a stali se pěstiteli zemědělskyacutech plodina a chovateli hospodaacuteřskyacutech zviacuteřat

zlataacute ryacuteže geny z 5 různyacutech druhů

- Phaseolus vulgaris pro ferritin - Aspergilus fumigatus - ferritin - ryacuteže Basmati - ferritin - Narcissus pseudonarcissus synteacuteza karotenu - Erwinia uredovora - synteacuteza karotenu

bdquozlataacute ryacuteželdquo tvořiacute zvyacutešeneacute množstviacute provitaminu A zabraacuteniacute hladu zachraacuteniacute zrak vznikla na požadavek humanitaacuterniacute organizace bdquoHumanitarien Rice Boardldquo kteraacute se snažiacute řešit probleacutemy s nedostatkem potravy v nejchudšiacutech čaacutestech našiacute planety

švyacutecarskyacute genetik Ingo Portykus a německyacute genetik Peter Bayer

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute

ekologickaacute udržitelnost kvantita a kvalita zaacutekladniacutech zdrojů zemědělstviacute ekonomickaacute udržitelnost zemědělskaacute produkce (uacuteroda na ha) a zisk cena za produkty sociaacutelniacute (společenskaacute) udržitelnost kvalita života zemědělců vysokaacute kvalita potravin bez rizika na zdraviacute a prostřediacute

Co je udržitelneacute zemědělstviacute Mohou biotechnologie pomaacutehat

snižovaacuteniacute kvality zaacutekladniacutech zdrojů vyčerpaacuteniacute zaacutekladniacutech zdrojů

Vyhliacutedky na budoucnost

naacuterůst počtu obyvatel

zvyacutešeniacute životniacuteho standardu

pokles plochy orneacute půdy

pokles pracovniacuteků v zemědělstviacute

naacuterůst cen potravin

Naacuterůst zemědělskeacute produkce s využitiacutem biotechnologiiacute

šlechtěniacute (rezistence k chorobaacutem)

noveacute plodiny

nutričniacute kvalita plodin

ochrana rostlin

bezpečnost produktů

hybnou silou biotechnologiiacute je naacuterůst obyvatel Kolik lidiacute by mělo žiacutet na planetě Zemi

Rostlinneacute biotechnologie

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute mutace s naacuteslednou selekciacute odchylek noveacute techniky EK ciacutelenyacute přenos genů

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

prvniacute zemědělci

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) BT prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute MUTACE s naacuteslednou selekciacute odchylek - odrůda ječmene bdquoDIAMANTldquo

noveacute TECHNIKY EK VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

ciacutelenyacute přenos genů GMO

CO BUDE DAacuteL zvyšovat vyacutenosy BUDE VĚTŠINA PĚSTOVANYacuteCH ZEMĚDĚLSKYacuteCH PLODIN TRANSGENNIacute

vznik zemědělstviacute

1954

jsme moudřejšiacute

maacuteme většiacute možnosti

Počaacutetek EK 1902 Gottlieb Haberland segmenty listů 1904 Hannig zralaacute embrya

Potenciaacutel rostlinneacute buňky a podstata

explantaacutetovyacutech kultur rostlin

metody a jejich aplikace

ve šlechtěniacute rostlin

EK - historie

TOTIPOTENCE rostlinneacute buňky genetickeacute informace - jaacutedro plastidy mitochondrie

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

daacute se přeneacutest v raacutemci šlechtěniacute

blok totipotence

vyjaacutedřeniacute totipotence 1 dediferenciace buňky do buněčneacuteho cyklu a pokračovaacuteniacute v děleniacute 2 rediferenciace - tvorba organickyacutech struktur - přiacutemaacute regenerace tvorba kalusu - nepřiacutemaacute regenerace

vliv růstovyacutech regulaacutetorů

Rostlinneacute biotechnologie prvniacute generace - od explantaacutetovyacutech kultur po GMO

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute rostlin - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

Explantaacutet = aseptickaacute kultivace izolovanyacutech čaacutestiacute rostlin za umělyacutech podmiacutenek

EXPLANTAacuteTOVEacute KULTURY - VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

EK - historie

Metody EK využitelneacute v zemědělstviacute Meristeacutemoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Somatickaacute embryogeneze

Embryokultury

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze + buněčneacute inženyacuterstviacute

Genetickeacute manipulace

VITRIFIKACE (hyperhydricita) ndash vyjadřuje abnormality růstu in vitro skelnatyacute syndrom vyacutehonů křehkeacute mokryacute vzhled pryacutetů (vodou nasycenyacutech) průsvitnyacute sukulentniacute vzhled

metody zachovaacutevajiacuteciacute genotyp beze změn během kultivace metody zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu během kultivace

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK 1 rychleacute namnoženiacute

2 ozdravovaacuteniacute

3 překonaacuteniacute nekřiacutežitelnosti - embryokultury

4 dlouhodobeacute udržovaacuteniacute genetickyacutech zdrojů

5 indukce mutantů - ziacuteskaacuteniacute novyacutech genotypů

6 předselekce - urychleniacute šlechtitelskeacuteho cyklu

7 ziacuteskaacuteniacute novyacutech a udrženiacute genotypů s pylovou sterilitou

8 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho procesu

9 produkce haploidů

10 produkce polyploidů

11 rychlejšiacute ziacuteskaacuteniacute vyacutechoziacuteho šlechtitelskeacuteho materiaacutelu pro noveacute odrůdy

12 somatickaacute hybridizace - fuacuteze

13 konstrukce novyacutech genotypů kulturniacutech plodin přenos bdquoužitečnyacutech genůldquo

14 udržovaacuteniacute genofondu

15 selekce in vitro - rezistence k abiotickyacutem a biotickyacutem stresům

16 produkce sekundaacuterniacutech metabolitů

Plodina Technika

ječmen pšenice kukuřice

řepka paprika brukvovitaacute

zelenina mrkev

androgeneze

cibule gynogeneze

jahodniacutek česnek ozdravovaacuteniacute

brambor traacutevy polyploidizace in vitro

jeteloviny drobneacute ovoce

ovocneacute dřeviny podnože traacutevy mikropropagace

brambor řepka somatickaacute hybridizace

hraacutech brambor rezistence k chorobaacutem

traacutevy embryokultury

Kombinace metod embryokultury oplozeniacute in vitro fuacuteze protoplastů

plodiny se geneticky upravujiacute pro většiacute rezistenci k herbicidům - ničeniacute plevele bez poškozeniacute uacuterody GM rajčata potlačujiacute gen pro polygalakturonaacutezu enzym degradujiacuteciacute pektin způsobujiacuteciacute měknutiacute pletiv (Deacon a kol 2002)

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK

Meristeacutemoveacute kultury

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny meristeacutemoveacute kultury

Vyacutehody maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky naacuteslednaacute mikropropagace ozdraveneacuteho materiaacutelu bdquovirus - freeldquo

Vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana Iniciace kultury Testovaacuteniacute in vitro Přenos do nesterilniacutech podmiacutenek Testovaacuteniacute

MERISTEacuteM ndash děliveacute nediferencovaneacute pletivo ozdravovaacuteniacute rostlin (02 - 05 mm) meristeacutemy

OZDRAVOVAacuteNIacute Termoterapie (vyššiacute teplota)

Meristeacutemovaacute kultura Chemoterapie (antivirotika)

viry - nebuněčneacute mikroorganismy virovaacute čaacutestice = virion sklaacutedaacute se z RNA nebo DNA a kapsidu

fytopatologie in vitro

ribavirin

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny

Vyacuteznamneacute viroveacute choroby rostlin v ČR od 30 ztraacutet CaMV - 1968 PVY 30 -70 VMCH (virus mozaiky chmele) až o 70 mozaika česneku 25 - 50 žloutenka cibule až 100 bronzovitost rajčat

- žloutnutiacute listů kroužky a čaacutery na listech nevyvinuteacute rostliny abnormaacutelniacute růst - vstupujiacute různyacutemi poraněniacutemi - šiacuteřiacute se plasmodesmaty - velmi odolneacute proti inaktivaci - přenaacutešeny semeny hliacutezami pylem roubovaacuteniacutem hmyzem houbami červy

1952 Morel a Martin u jiřin

Využitiacute metody jahodniacutek česnek zeleniny květiny okrasneacute dřeviny ovocneacute dřeviny banaacutenovniacutek hellip

Tvorba bezviroacutezniacutech rostlin

1 meristeacutem = 1 rostlina testovaacuteniacute

wwwoselczindexphpclanek=2819

viroacutezniacute x zdravaacute

M Navraacutetil KBBPřFUPOL

PVY

In vitro klonovaacuteniacute mikropropagace meristeacutemoveacute kultury

zisk geneticky identickeacute rostliny vegetativniacutem množeniacutem

VYacuteHODY

maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny ktereacute jsou geneticky stabilniacute

v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky

vyššiacute množitelskyacute koeficient - potenciaacutelniacute hodnota zisku rostlin

Postup - vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana - iniciace kultury - mikropropagace - přenos do nesterilniacutech podmiacutenek

KLON - kolekce geneticky identickyacutech individuiacute původem z jedineacuteho rodiče

komerčně od 1960

httpwwwjanholubcz

In vitro meristeacutemoveacute kultury - využitiacute - zaacutechrana a množeniacute ohroženyacutech druhů kaktusy

- zaacutechranneacute množeniacute cennyacutech genotypů a liniiacute sterilniacutech rostlin - udrženiacute rodičovskyacutech komponent pro tvorbu hybridniacutech odrůd

- množeniacute transgenniacutech rostlin

- zachyceniacute a klonovaacuteniacute nově nalezenyacutech mutantů při šlechtěniacute

- klonovaacuteniacute nejlepšiacutech jedinců pro produkci elitniacuteho osiva

- vegetativniacute množeniacute okrasnyacutech rostlin karafiaacutet gerbera anthurie orchideje

sanpaulie kapradiny hellip

- množeniacute drobneacuteho ovoce jahodniacutek maliniacutek reacuteva

- množeniacute dřevin podnože pro školkařstviacute lesniacute dřeviny tropickeacute dřeviny

- v zelinaacuteřstviacute množeniacute brambor zeliacute

- množeniacute pouze samičiacutech rostlin datlovaacute palma

- kryoprezervace (-196 oC) jahodniacutek maliniacutek hraacutech brambor karafiaacutet

Genoveacute

banky

Mikropropagace multiplikace klonovaacuteniacute nejen z meristeacutemů

Solanum tuberosum Cucumis sativus Olea europea Eucalyptus grandis Salix sp Syringa sp Juglans regia

Schopnost regenerace tvorba identickyacutech rostlin = přiacutemaacute somatickaacute embryogeneze

Meristeacutemy Pryacutetoveacute segmenty Kalusy Embrya

Zdroje odchylek bull vysokeacute daacutevky růstovyacutech regulaacutetorů typ regulaacutetoru bull rostliny regenerujiacute z basaacutelniacuteho kalusu (možnost gen změn)

Kalusoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Primaacuterniacute explantaacutet kalus meristemoid orgaacutenoveacute primordium

Kalus = masa děliacuteciacutech se a rostouciacutech buněk

nejsou uniformniacute mohou se lišit velikostiacute tvarem pigmentaciacute metabolismem nebo počtem chromosomů

bull za určityacutech podmiacutenek regenerace pryacutetů a kořiacutenků

tma x světlo

subkultivace

metoda geneticky nestabilniacute

Kalusoveacute kultury - somaklonaacutelniacute variabilita ndash MUTACE a zisk novyacutech znaků

- mikropropagace ndash cibule žen-šen hellip

- vyacutechoziacute materiaacutel pro suspenzniacute a protoplastovou kulturu

- materiaacutel pro indukovaneacute mutace (zaacuteřeniacute chemomutageny)

- sekundaacuterniacute metabolity (alkaloidy AMK saponiny oleje složky vůniacute protinaacutedoroveacute laacutetky steroidy )

polyploidie aneuploidie

Selekce mutantů se zlepšenou nutričniacute hodnotou (viacutece biacutelkovin v zrnu)

Rezistence vůči zasoleniacute (vysokyacute turgor v buňkaacutech akumulace NaCl ve vakuolaacutech)

Rezistence vůči chorobaacutem (synteacuteza fytotoxinů fytoalexinů)

Sekundaacuterniacute metabolity (= chemickeacute individuality v rostlinaacutech ndash barviva vůně chuti obrana)

Artemisia annua - artemisin (antimalarika) Capsicum sp - capsaicin (protinaacutedoroveacute)

Digitalis lanata - digoxin (srdečniacute stimulanty) Papaver somniferum - codein (sedativa)

Taxus breviola - taxol (protinaacutedoroveacute) Vanilla planifolia - vaniliacuten (aroma)

Panax ginseng - (imunitniacute systeacutem) Zingiber officinale ndash gingerol (antioxidant)

Somatickaacute embryogeneze a suspenzniacute kultury

Využitiacute

umělaacute semena (enkapsulace somatickyacutech embryiacute)

využitiacute somatickeacute variability

klonoveacute množeniacute

sekundaacuterniacute metabolismus (suspenze)

kryoprezervace

Buněčnaacute suspenze = převedeme kalus do tekuteacuteho meacutedia

a provzdušňujeme (kontakt buněk a shluků buněk s meacutediem)

vznikaacute bipolaacuterniacute struktura obsahujiacuteciacute kořen a pryacutet

auxin (24-D)

umělaacute semena

Mutace RADIOMUTANT PROSPĚCH NEBO ZAacuteLUDNOST

SPONTAacuteNNIacute MUTACE využiacutevaacute člověk při šlechtěniacute odrůd spur typy (kompakt typy) jabloniacute absence trnů u ostružiniacuteku variabilita květenstviacute jiřinky proměnliveacute vznik plemen domaacuteciacutech zviacuteřat je založen na podchyceniacute spontaacutenniacutech mutaciacute ndash plemena psů

INDUKOVANEacute MUTACE působeniacute mutagenů

zaacuteměrneacute ndash ve vyacutezkumu ve šlechtěniacute rostlin (př odrůdy ječmene DIAMANT (zkraacuteceniacute steacutebel ndash nepoleacutehaacute) kompaktniacute růst a samosprašnost třešně změna barvy slupky u jabloně ndash sbquoredlsquo mutace)

nezaacuteměrneacute ndash důsledek použitiacute jadernyacutech a chemickyacutech zbraniacute ndash Yperit jaderneacute a jineacute katastrofy

1950 radiomutace chemomutace 1965 ječmen Diamant

Suspenzniacute kultury - SK KULTURA V TEKUTEacuteM MEacuteDIU ROSTE A DĚLIacute SE NĚKOLIKANAacuteSOBNĚ RYCHLEJI NEŽ KULTURA

NA PEVNEacuteM MEacuteDIU Využitiacute jako experimentaacutelniacute model produkce sekundaacuterniacutech metabolitů indukce somaklonaacutelniacute variability a naacutesledneacute selekce mikropropagace (pod kontrolou genetickeacute stability) pohyb kultury v bioreaktoru maacute za naacutesledek potlačeniacute apikaacutelniacute dominance tiacutem se stimuluje růst mnohonaacutesobnyacutech pryacutetů

Bioreaktory firmy VitroSys Inc Korea

ideaacutelniacute SK ndash rychlyacute růst karyologickaacute stabilita životnost buněk rentabilita

Minimaacutelně 103 ml buněk 110 suspenze v exponenciaacutelniacute faacutezi se doplniacute čerstvyacutem meacutediem Koncentrace sacharidů prodlužuje periodu růstu

Velkokapacitniacute kultivace rostlinnyacutech buněk v tekutyacutech meacutediiacutech sterilniacute prostřediacute obsahujiacuteciacute živiny a laacutetky potřebneacute pro růst a jeho regulaci vhodneacute pro kultivaci rostlinnyacutech mikrobiaacutelniacutech a živočišnyacutech buněk

Bioreaktor

Bioreaktory s tekutyacutem meacutediem explantaacutety jsou ponořeny v tekuteacutem meacutediu Bioreaktory s pravidelnyacutem zaplavovaacuteniacutem (temporary immersion bioreactor TIB) explantaacutety jsou pravidelně zaplavovaacuteny

Bioreaktor

httpwwwuebcasczcscontentzensenove-spagety

pěstujiacute se jen kořeny - zisk GINSENOSIDŮ za 3 měsiacutece v laboratoři stejnyacute zisk jako z rostlin ženšenu v přiacuterodě za 8 let obsah GINSENOSIDŮ je srovnatelnyacute s planě rostouciacutemi rostlinami množstviacutem i vzaacutejemnyacutem poměrem jednotlivyacutech laacutetek

v Koreji od r 2004

hairy-root systeacutem a sekundaacuterniacute metabolity

Sekundaacuterniacute metabolity - SM ROSTLINA BUNĚČNAacute KULTURA

EXTRAKT prověřovaacuteniacute oddělovaacuteniacute čištěniacute aktivniacute složky testovaacuteniacuteprověřovaacuteniacute

ČISTAacute BIOAKTIVNIacute LAacuteTKA

SM z buněčneacute kultury - extrakty ziacuteskaneacute za reprodukovatelnyacutech podmiacutenek spolehliveacute zdroje meacutedium - množstviacute čisteacuteho produktu

buňky rostou v tekuteacutem meacutediu -ne celaacute rostlina

produkt rostlina in vitro ()

rostlina ()

poměr

ginsenoside Panax ginseng 27 45 6 x

rosmarinic acid Coleus blumei 27 3 9 x

caffeic acid Vanilla planifolia 002 0005 4 x

shikonin Lithospermum erythrorhizon

20 15 135 x

ubiquinon-10 Nicotiana tabacum 0036 0003 12 x Heldman et al 2011

anti

oxy

dan

ty v sušině

bioreaktory

Sekundaacuterniacute metabolity - SM Rostlina Uacutečinnaacute laacutetka Uacutečinek

Artemisia annua pelyněk ročniacute artemisinin antimalarikum

Digitalis lanata naacuteprstniacutek vlnatyacute digoxin srdečniacute stimulants

Dubosia myoporoides lilkoviteacute atropin

scopolamin

očniacute přiacutepravky mořskaacute nemoc

Lithospermum

erythrorhizon

kamejka

rudokořennaacute

shikonin protinaacutedoroveacute

Panax ginseng ženšen pravyacute stimulant imunitniacuteho systeacutemu

Salix alba vrba biacutelaacute salicin antirevmatikum proti horečce

Taxus brevifolia tis

zaacutepadoamerickyacute

baccatin taxol protinaacutedoroveacute

Vinca rosea barviacutenek růžovyacute vinblastin

vinkristin

protinaacutedoroveacute alkaloidy

leukeacutemie

buněčnaacute kultura

Rostlina Extrakt Uacutečinek

Linum usitatissimum len setyacute olej

Mentha piperita maacuteta peprnaacute maacutetovyacute olej -

mentol

žaludečniacute potiacuteže

Mentha spicata maacuteta klasnataacute mentol žaludečniacute potiacuteže

Zingiber officinale zaacutezvor leacutekařskyacute gingerol antioxidant

informace z tradičniacute lidoveacute mediciacuteny - použitiacute extraktů a purifikace zdroje z nedotčeneacuteho ekosysteacutemu

kalusovaacute kultura buněčnaacute suspenze orgaacutenovaacute kultura - Artemisia Mentha - pryacutety

rostliny jsou vyacuterobci sekundaacuterniacutech metabolitů

cytostatikum

Sekundaacuterniacute metabolity - SM

Heldman et al 2011

VYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY

nezaacutevisleacute na geografickyacutech podmiacutenkaacutech

nezaacutevisleacute na sezoacutenniacutech podmiacutenkaacutech

v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

v přiacuterodě kontrolovaacuteno množstviacute in vitro ne

nepřetržitaacute dodaacutevka produktu

uniformniacute kvalita produktu

uniformniacute vyacutetěžnost produktu (průběžně)

vyacuteběr vhodneacute linie s vyššiacute produkciacute produktu

možnost tvorby novyacutech laacutetek nenormaacutelniacutech u donora

NEVYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY staacutele se vyviacutejejiacuteciacute

překaacutežky - pomalyacute růst

genetickaacute nestabilita

různorodost

niacutezkyacute obsah metabolitu

produkty vylučovaacuteniacute provozniacute - světelneacute podmiacutenky aseptickeacute podmiacutenky

STRATEGIE TVORBY SM vyacuteběr donorovyacutech rostlin - biochemickeacute testy

iniciace kalusů

vyacuteběr buněčneacute linie - rychle rostouciacute vysokaacute produkce

ciacutelenyacute metabolismus - kultivačniacute meacutedium (složeniacute koncentrace proporcionalita)

kultivačniacute podmiacutenky (teplota světlo pH) zvlaacuteštniacute požadavky (prekurzor simulace stresu - napadeniacute patogenem)

uvolněniacute do meacutedia

Embryokultury

Embryokultury = kultivace zralyacutech nebo nezralyacutech embryiacute in vitro

1904 Hannig - embrya u ředkve

1925 Laibach - aplikace v mezidruhoveacutem křiacuteženiacute r Linum sp

1945 Randolph - zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu u r Iris sp

1970 Kasha Kao - ziacuteskaacuteniacute haplodů u ječmene

Hordeum vulgare (zůstaacutevaacute) x Hordeum bulbosum (eliminace chromozoacutemů)

Zygotickaacute embrya vyacuteživa z endospermu (heterotrofniacute)

Embrya in vitro vyacuteživa z kultivačniacuteho meacutedia

In vitro oplodněniacute u člověka - 1978 pro neplodneacute paacutery

geneticky stabilniacute metoda

Embryokultury- in vitro

I Kultura semennyacutech embryiacute tj izolace plně vyvinutyacutech

bipolaacuterniacutech struktur obsahujiacuteciacutech kořenovyacute a stonkovyacute systeacutem

II Kultura proembryiacute tj izolace nezralyacutech zaacuterodků předchaacutezejiacuteciacutech

diferenciaci děloh

Embryogeneze zygotickeacuteho embrya (in vivo)

zygota (přiacuteprava na 1 děleniacute)

faacuteze pomaleacuteho vyacutevinu embrya po oplozeniacute

faacuteze rychleacuteho vyacutevinu růstu a diferenciace embrya

faacuteze dozraacutevaacuteniacute embrya

faacuteze přechodu embrya do dormance (ABA)

Embryokultury

1 překonaacuteniacute barieacuter vzdaacuteleneacuteho křiacuteženiacute (abortace hybridniacutech embryiacute sterility semen)

2 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu (viacutece generaciacute za rok)

3 řešeniacute jarovizačniacuteho staacutedia

4 primaacuterniacute explantaacutet pro dalšiacute kultury

5 eliminace inhibice kliacutečeniacute

6 studium mineraacutelniacute vyacuteživy

7 umělaacute semena

8 studium metabolickyacutech vztahů mezi embryem a endospermem embryem a dělohami

9 ziacuteskaacuteniacute haploidniacutech rostlin

Opylovaacuteniacute in vitro

Opylovaacuteniacute in situ

in vitro

Inkompatibilita rostlin

zaručuje stabilitu druhu

Barieacutery procesu opyleniacute a oplozeniacute

vnějšiacute (teplota vlhkost nedostatečnaacute vyacuteživa )

vnitřniacute (inkompatibilita samčiacute nebo samičiacute sterilita)

využitiacute v raacutemci šlechtěniacute rostlin k překonaacuteniacute prezygotickyacutech barieacuter vznik mezidruhovyacutech mezirodovyacutech hybridů

Barieacutery Technika překonaacuteniacute

Před oplodněniacutem selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute blizny pestiacuteku pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

rezistence vůči abiotickeacutemu stresu rezistence vůči škůdcům vyššiacute vyacutenos

přenos z jineacuteho druhu

EK využitiacute ve šlechtěniacute

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury HAPLOID rostlina s n počtem chromozomů menšiacute sterilniacute

1963 T Yamada a kol Tradescantia reflexa (haploidy)

1964 - 1966 S Guha SC Maheswari Datura diploidizace kolchicinem

1969 JP Nitsch a kol celeacute rostliny (tabaacutek)

1973 JP Nitsch Norrel mikrosporoveacute kultury

2000 šlechtitelskeacute programy polniacutech plodin (obiloviny řepka)

využiacutevajiacute haploidniacute kultury in vitro

Androgeneze prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Androgeneze - kultivace prašniacuteků pyl zrn mikrospor = samčiacute genotyp

Gynogeneze - kultivace neoplodněnyacutech vajiacuteček = samičiacute genotyp

Haploidie - spontaacutenniacute = haploidniacute partenogeneze (gynogeneze androgeneze) frekvence 10-6

- experimentaacutelniacute indukovanaacute

fyzikaacutelniacute faktory = UV γ-zaacuteřeniacute X-paprsky teplotniacute šoky

zaacutesahy do procesů opyleniacute a oplozeniacute (inaktivniacute pyl)

explantaacutetoveacute metody = prašniacutekoveacute a pyloveacute kultury kultivace semeniacuteků a vajiacuteček

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury Ontogeneze pylu

In vivo mikrosporogeneze

pylovaacute mateřskaacute buňka

meiosa

pyloveacute tetraacutedy

vyacutevoj mikrospory (1 pyl mitoacuteza)

In vitro vyacutevoj embryoidu

(vegetativniacute generativniacute buňka)

- přiacutemaacute embryogeneze

- nepřiacutemaacute embryogeneze

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

využitiacute haploidů (majiacute jen jednu sadu chromosomů)

segregace vloh na gametickeacute uacuterovni ndash homozygoacutetniacute stav (čisteacute linie v F2 generaci)

detekce recesivniacutech mutaciacute (fenotypickyacute projev)

trpasličiacute varieta ndash u okrasnyacutech rostlin

Dihaploidizace

n rostliny - sterilniacute

104 ndash 105 mikrospoacuterml meacutedia

Brassica sp

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Prašniacutekoveacute kultury

viacutece než 200 druhů (řepka ryacuteže kukuřice obiloviny)

20-60 dnů

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

vyacutevoj globulaacuterniacuteho embrya a naacutesledně haploidniacute rostliny přiacutemo z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory

z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory vznikaacute kalus rarr indukce organogeneze

TYPY ANDROGENEZE

vzaacutecně

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Solanaceae

Brassicaceae

Poaceae

prašniacuteky

Androgeneze

Indukovanaacute androgeneze ndash přiacuteklady

Beta vulgaris - homozygotniacute linie

Brassica napus - novaacute odrůda linie

Hordeum vulgare

Lycopersicon - novaacute odrůda

Nicotiana - noveacute odrůdy

Oryza - noveacute odrůdy

Pelargonium - trpasličiacute variety

Triticum ndash cv Florin Huapei

Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby Praha Vyacutezkumnyacute uacutestav obilnaacuteřskyacute Kroměřiacutež Vyacutezkumnyacute uacutestav olejnin Oseva

Gynogeneze kultury izolovanyacutech vajiacuteček

kultury izolovanyacutech semeniacuteků

kultury izolovanyacutech květenstviacute in vitro

haploidniacute rostliny

spontaacutenniacute dihaploidniacute rostliny

ječmen kukuřice moruše

slunečnice cibule

kultivace vajiacuteček Beta vulgaris Tomaszewska-Sowa 2010

327 haploids 458 diploids and 215 ndash mixoploids

x opyleniacute ozaacuteřenyacutem pylem

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

Polyploidizace in vitro

duplikace celeacuteho genomu až 70 všech krytosemennyacutech rostlin je polyploidniacutech (Masterson 1994) POLYPLOID metabolicky aktivnějšiacute a rozměrnějšiacute plodiny ktereacute jsou vhodneacute pro pěstovaacuteniacute a leacutepe se vyrovnaacutevajiacute se stresovyacutemi podmiacutenkami

kolchicin

oryzalin

trifluralin

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze protoplastů

1892 Klecker - 1 mechanickaacute izolace protoplastů Stratiotes aloides (řezan pilolistyacute) 1960 EC Cocking 1 enzymatickaacute izolace protoplastů Nicotiana sp 1978 G Melchers a kol 1 mezirodovyacute hybrid bdquopomatoldquo bdquotopatoldquo Solanum tuberosum x S lycopersicum (Lycopersicum esculentum)

httptheplanetfixerorg387new-vegetable-created-the-tomato-potato-plant

Protoplastoveacute kultury

= kultivace rostlinnyacutech buněk zbavenyacutech buněčneacute stěny

Protoplast = rostlinnaacute buňka bez buněčneacute stěny jejiacute povrch tvořiacute cytoplazmatickaacute membraacutena maacute kulovityacute tvar

Protoplastoveacute kultury - regenerace

Faktory ovlivňujiacuteciacute kultivaci a regeneraci

Hustota ( počet protoplastů v 1 ml)

Životnost ()

Podmiacutenky kultivace a meacutedium

bull Studium synteacutezy buněčneacute stěny vyacutevoj buňky fyziologie buňky a cytogenetiku

bull Studium hodnoceniacute uacutečinků farmak potravinovyacutech doplňků agrochemickyacutech laacutetek na rostlinnou

buňku

bull Studium transportu iontů a laacutetek přes cytoplasmatickou membraacutenu

bull Somatickaacute hybridizace (fuacuteze protoplastů)

bull Inkorporace exogenniacuteho genetickeacuteho materiaacutelu ndash organel cybridizace

bull Genoveacute transformace (cizorodaacute DNA z bakteriaacutelniacuteho plasmidu)

Protoplastoveacute kultury - fuacuteze

Využitiacute

kombinace znaků odlišnyacutech druhů a rodů ktereacute by nevznikly přirozenou cestou

jedinečneacute kombinace jadernyacutech a organelovyacutech genomů vytvaacuteřiacute noveacute genetickeacute zdroje

často jen - čaacutest chromozomů asymetrickeacute jaderneacute hybridy

chloroplasty

mitochondrie

chemickeacute fuacuteze - pomalejšiacute elektrofuacuteze - fuacutezanti po 10 min vyššiacute frekvence fuacutezantů

cytoplazmickeacute hybridy - cybridy

Charakterizace hybridů - morfologicky cytologicky molekulaacuterniacute analyacutezy

Přirozenaacute mezidruhovaacute hybridizace - vznik některyacutech kulturniacutech plodin

B oleracea + B campestris = Brassica napus Nicotiana sylvestris + N tomentosa = Nicotiana tabacum

cybridy nelze ziacuteskat klasickou hybridizaciacute (křiacuteženiacutem) ndash samčiacute pohlavniacute buňky (pyl zrna) nemajiacute plastidy a mitochondrie

V přiacuterodě blesky do půdy modifikace bakteriiacute

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

Přenos jaderneacute a cytoplazmatickeacute genetickeacute informace mezi rostlinnyacutemi druhy rody

- překonaacuteniacute sexuaacutelniacute inkompatibility

- přenos genů rezistence vůči virovyacutem houbovyacutem chorobaacutem

- přenos cytoplazmatickeacute samčiacute sterility

- přenos rezistence vůči stresům (teplotniacutem zasoleniacute)

- přenos rezistence vůči hmyziacutem škůdcům

(synteacuteza fytoalexinů)

- přenos genů pro synteacutezu zaacutesobniacutech proteinů vitamiacutenů

alkaloidů

plnokvětost

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

využitiacute pro fytoremediace

Brassica juncea Tlaspi caerulescens brukev siacutetinovitaacute peniacutezek modravyacute akumulace Pb akumulace Zn a Ni hybrid se zvyacutešenou rezistenciacute k Pb Zn a Ni rychlyacute naacuterůst

biomasy

Brassica napus Thlaspi caerulescens hybridi rostly na vysokeacutem obsahu Zn

Fuacuteze protoplastů rodu Brassica s planyacutemi druhy

Armoracia rusticana

Barbarea vulgaris

Camelina sativa

Capsella bursa pastoris

Diplotaxis catholica

Diplotaxis muralis

Diplotaxis harra

Eruca sativa

Lesquerella fendleri

Mathiola incana

Moricandia arvensis C4

Moricandia nitens C4

Raphanus sativus

Sinapis alba

Sinapis arvensis

Thlaspi perfoliatum

Thlaspi caerulescens

Genoveacute banky In vitro genoveacute banky

2397 vzorků 1249 odrůd Solanum tuberosum 450 teraploidniacutech křiacuteženců S tuberosum 266 dihaploidů 119 mezidruhovyacutech hybridů rodu Solanum 313 genotypů kulturniacutech genotypů 23 planyacutech druhů

Havliacutečkův Brod

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu rostlin

1 Uchovaacutevaacuteniacute semen ndash semenneacute banky (od 1 roku - hellip)

2 Uchovaacutevaacuteniacute vegetativniacutech orgaacutenů ndash hliacutezy cibule řiacutezky

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro Kraacutetkodobeacute - aktivně rostouciacute kultury (pravidelneacute pasaacuteže) - uchovaacuteniacute kultur v minimaacutelniacutem růstu nižšiacute teploty kultivace

Dlouhodobeacute u rostlin kde nejsou semena

- za velmi niacutezkyacutech teplot (-196oC) = kryobanka

Databaacuteze ndash přiacutestupneacute z celeacuteho světa

Špicberky

genobanka - wwwvurvcz part databases EVIGEZ

vyacuteznam v mediciacuteně

Zaacuteložniacute fond semena potravinaacuteřskyacutech plodin z celeacuteho světa

stane se zaacuteložniacutem fondem pro ostatniacutech 1400

semennyacutech bank po celeacutem světě

v Iraacuteku a v Afghaacutenistaacutenu byla podobnaacute zařiacutezeniacute za

vaacutelky zcela zničena

na Filipiacutenaacutech je v roce 2006 poškodila povodeň

semennaacute banka pro světoveacute plodiny je umiacutestěna v hoře

maacute vyztuženeacute stěny betonem a železem

třiacute komory o velikosti 27 kraacutet 10 metrů

teplota minus 18 oC (konzervace po stovky až tisiacutece let) httpwwwnorambczarkivBasisartikler---OversettelserIkke-

bruktnovinkyseedvault_eng

k 1172010 zde bylo uloženo 716 523 vzorků semen patřiacuteciacutech ke 4 205 druhům

českaacute banka uloženaacute v Praze-Ruzyni zaacuteloha na Slovensku

Špicberky

Uchovaacutevaacuteniacute genofonduv ČR

genofond odrůd meruněk broskvoniacute mandloniacute reacutevy vinneacute kdouloniacute lonicer rakytniacuteků a dřiacutenů

2400 položek

25 000 položek

5400 položek 2397

položek

4700 položek

2000 položek

2300 položek

Naacuterodniacute informačniacute systeacutem genetickyacutech zdrojů EVIGEZ httpwwwgenbankvurvczgeneticresources

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro

KRYOBANKA

prašniacuteky a pyl pletiva a orgaacuteny meristeacutemy

kalus

suspennzniacute somatickaacute kultury embrya

dlouhodobeacute skladovaacuteniacute

nižšiacute naacuteroky na uchovaacuteniacute

mezinaacuterodniacute vyacuteměna

nižšiacute podiacutel lidskeacute praacutece

potřeba menšiacuteho prostoru

uchovaacuteniacute genetickeacute stability

omezeniacute staacuternutiacute

ozdravenyacute materiaacutel

prodlouženeacute použitiacute pylu

uchovaacuteniacute vzaacutecnyacutech rostlin

apikaacutelniacute vrcholy

Biotechnologickaacute laboratoř Nestleacute - uchovaacutevaacute buněčneacute embryogenniacute linie kaacutevy kakaa a banaacutenů

Německaacute sbiacuterka mikroorganismů a buněčnyacutech kultur (DSMZ Braunschweig Německo) meristeacutemy 519 staryacutech kultivarů brambor ndash metoda mrazeniacute alginaacutetovyacutech perel

International Potato Centre (CIP Lima Peru) - 345 kultivarů brambor

INIBAP Leuven Belgie - 306 kultivarů banaacutenu (14 ze světoveacuteho počtu kultivarů)

Naacuterodniacute genobanka klonů NCGR USA - ročniacute naacuteklady

udržovaacuteniacute jedneacute položky v sadu (hrušně) 77 dolarů na skladovaacuteniacute in vitro 23 dolarů na kryoprezervaci 1 dolar (při počaacutetečniacute investici na kryometodu 50 dolarů za uchovaacutevanou jednotku)

Přiacuteklady komerčniacuteho využitiacute kryoprezervace meristeacutemů

Aplikace biotechnologiiacute ve šlechtěniacute rostlin

rostliny postraacutedajiacute schopnost aktivně se přesouvat z dosahu nepřiacuteznivyacutech vlivů rostliny vyvinuly adaptačniacute mechanismy pro překonaacuteniacute stresů a tiacutem přežitiacute v extreacutemniacutech podmiacutenkaacutech

Biotechnologie v zemědělstviacute ekologickeacute zemědělstviacute

VLIV ŠKŮDCŮ CHOROB A PLEVELŮ NA ZEMĚDĚLSKEacute PLODINY

1 sniacuteženiacute velikosti a vaacutehy zrna 2 ztraacuteta ve velikosti hliacutez a kořenů 3 zvyacutešeniacute obsahu vlhkosti 4 změny v chemickeacutem složeniacute zrna hliacutez a kořenů 5 odbarveniacute zrna a hliacutez - deformace 6 tvorba mykotoxinů patogeny 7 sniacuteženiacute kliacutečivosti 8 redukce krmiva

spotřeba vody - rezistence k suchu sniacutežiacute spotřebu uchovaacuteniacute vody rostlinou aplikace hnojiv chemickaacute kontrola škůdců

- studium abiotickeacuteho stresu

- zlepšeniacute ochrany rostlin vůči škůdcům

- ochrana životniacuteho prostřediacute

- zlepšeniacute kvality potravin

odstraněniacute hladu GMO fytoremediace

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

ohroženiacute klimatickyacutem suchem v ČR ndash nejrizikovějšiacute oblasti nižšiacute polohy na jižniacute a středniacute Moravě v prostoru mezi Prahou Uacutestiacutem nad Labem a Žatcem zaacutepadně od Pardubic

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

Rezistence k suchu - využitiacute vody

Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

vyacutevoj samčiacuteho gametofytu - spojen s expresiacute genů - 150 specifickyacutech genů spraacutevneacute načasovaacuteniacute

sporofyt gametofyt

2n 1n

rostlina pylovaacute zrnazaacuterodečnyacute vak

pohlavniacute rozmnožovaacuteniacute přiacuterodniacute vyacuteběr

pylzrna - exina (ovlivněna sporofytem) ochrana před UV laacutekaacuteniacute opylovačů - barva vůně komunikace s bliznou produkce alergenů

strategie rostlin zabraacuteněniacute samoopyleniacute

Biotechnologie v zemědělstviacute samčiacute gametofyt n TETRASPORE (TES) reg gen je vyžadovaacuten ke tvorbě přepaacutežek mezi produkty meioacutezy u mutanta všechna čtyři jaacutedra mikrospoacutery zůstaacutevajiacute ve stejneacute cytoplazmě polyploidniacute jedinci n GEMINI POLLEN 1 (GEM1) reg gen je vyžadovaacuten k orientaci mitotickeacuteho vřeteacutenka mutant tvořiacute dvě symetrickaacute jaacutedra typu vegetativniacuteho vede ke sterilitě n SIDECAR POLLEN (SCP) reg gen je vyžadovaacuten k děleniacute pylu prvniacute symetrickaacute pylovaacute mitoacuteza mutanta daacutevaacute dvě stejneacute buňky jedna extra- vegetativniacute (sterilniacute sidecar) a druhaacute regvegetativniacute a generativniacute mutace nevede ke sterilitě n QUARTET (QRT) reg gen je vyžadovaacuten k separaci pylovyacutech zrn u mutantů jsou stěny meiotickyacutech produktů pyloveacute mateřskeacute buňky fuacutezovaacuteny a zrna se uvolňujiacute v tetraacutedaacutech

samičiacute makrogametofyt n FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED (FIS) a FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) reg geny hrajiacute regulačniacute role ve vyacutevinu semene po oplozeniacute u mutantů se diploidniacute jaacutedra endospermu vyviacutejejiacute bez oplozeniacute pak atrofujiacute mutace neovlivňujiacute vaječnou buňku - procesy embryogeneze a vyacutevinu endospermu jsou odlišneacute n MEDEA (MEA) reg mutace genu způsobuje hypertrofii a zaacutenik embrya neniacute jasneacute na jakeacute uacuterovni se gen projevuje zaacuterodečnyacute vak endosperm nebo maternaacutelně imprintovanyacute embryonaacutelniacute gen

Biotechnologie ve šlechtěniacute rostlin Selektivniacute šlechtěniacute rostlin - přiacuterodniacute genetickeacute diverzity rostlin Techniky překonaacuteniacute barieacuter šlechtěniacute

Barieacutery Technika překonaacuteniacute Před oplodněniacutem

selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute pestiacuteku

pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony

pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro

selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů

odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute

abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry

sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

vyacutevoj semen

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

Škůdci v historii naacutelety sarančat (Staryacute zaacutekon)

ochrana saze tabaacutek

začaacutetek 19 stol - siacutera na houboveacute patogeny 1939 objev DDT uacutečinek na hmyz teorie bdquohmyz se může staacutet rezistentniacuteldquo 1948 Nobelova cena P Muumlller

50 leacuteta 20 st - herbicidy - postřiky na plevele ( rezistence na herbicid) 1972 zaacutekaz DDT (vyacutejimka - boj s malaacuteriiacute v Africe - naacutevrat DDT)

škůdce - hmyz hliacutestice 1861 - v Americe Iowa Nebraska 1880 1 pesticid v S Americe arzeacutenem bdquoParis greenldquo

S rostouciacute intenzitou pěstovaacuteniacute roste hospodaacuteřskyacute vyacuteznam škodlivyacutech organismů objem škod se zvyšuje staacutele přibyacutevajiacute noveacute druhy škodlivyacutech organismů zavaacutedějiacute se staacutele noveacute prostředky

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin - hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy

1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho

obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

ROS Reactive oxygen species reaktivniacute formy kysliacuteku SAR Systemic acquired resistance systeacutemově ziacuteskanaacute rezistence = neinfikovaneacute buňky začiacutenajiacute s přiacutepravou na atak patogena

napadeneacute rostliny uvolňujiacute signaacutelniacute molekuly (těkaveacute laacutetky - druhově specifickeacute) a varujiacute okolniacute rostliny ještě před napadeniacutem hmyzem

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin -hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy 1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

produkujiacute u různyacutech rostlin různě - sekundaacuterniacute metabolity - odstrašeniacute nebo zničeniacute patogena - proteiny inhibujiacuteciacute aktivitu zažiacutevaciacutech enzymů hmyzu - enzymy degradujiacuteciacute buněčnou stěnu hub (chitinaacutezy) - proteiny inhibujiacuteciacute překlad proteinů u škůdce - antiviroveacute složky degradujiacuteciacute virovou RNA blokujiacute vstup do buňky zastavujiacute replikaci

geny ktereacute bdquoSARldquo zapiacutenajiacute zvyšujiacute rezistenci rostliny

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům - již v čaacutesti fytotatologie

Co je plevel soutěžiacute s plodinou o živiny světlo a prostor intenziacutevně roste podiacuteliacute se na šiacuteřeniacute chorob a škůdců

lat herba - rostlina řeč cidoacute - ničiacutem

Vznik rezistence plevelů vůči některyacutem herbicidniacutem laacutetkaacutem = reakce plevelnyacutech druhů na podmiacutenky současneacuteho pěstovaacuteniacute rostlin = dlouhodobeacute působeniacute herbicidů

Vyacutevoj plevelů na zemědělskeacute půdě v naacutevaznosti na skladbu pěstovanyacutech plodin Vznik rezistence plevelů vůči herbicidům Problematika invaziacute a expanziacute plevelů

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům

Rezistenci vůči herbicidům způsobujiacute biochemickeacute fyziologickeacute změny nebo morfologickeacute odlišnosti ktereacute ovlivňujiacute přiacutejem herbicidů rostlinou

- degradujiacute herbicid

- měniacute jeho biochemickou funkci v rostlině

- pozměňujiacute miacutesto na ktereacute herbicid v rostlině působiacute

Rezistence rostlin vůči herbicidům dědičnaacute schopnost odolaacutevat takoveacute daacutevce herbicidů při ktereacute by za normaacutelniacutech okolnostiacute byla populace potlačena

směr pro šlechtěniacute

Aplikace rostlinnyacutech biotechnologiiacute v životniacutem

prostřediacute

takto nebo takto

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Těžba a zpracovaacuteniacute surovin(těžkeacute kovy- Cd Pb prach) Průmyslovaacute vyacuteroba (barviva)

Skladovaacuteniacute (haldy kaliště sklaacutedky) Zemědělstviacute (pesticidy herbicidy)

Domaacuteciacute odpad (leacutečiva detergenty praciacute prostředky)

čin

no

st č

lově

ka

půda voda ovzdušiacute

znečištěniacute

degradace organismy produkujiacuteciacute laacutetky (enzymy) pro

ciacutelenyacute rozklad

organismy snižujiacuteciacute toxicitu toxickeacute laacutetky metylaciacute dehalogenace hydroxylace hydrolyacuteza deaminacehellip

substraacutet je zdrojem C a energie

dekontaminace

+ katastrofy Černobyl vaacutelečneacute konflikty

remediace = navraacuteceniacute k původniacutemu stavu

Biodegradace všechny přirozeneacute procesy ktereacute jsou uskutečňovaacuteny bakteriemi a jinyacutemi mikroorganizmy nebo vyššiacutemi organismy ktereacute vedou k destrukci organickyacutech molekul = organickyacute substraacutet je přeměňovaacuten až na CO2 Bioremediace (bakterie houby)

spočiacutevaacute v akceleraci přirozenyacutech biodegradačniacutech procesů nebo v ciacuteleneacute biodegradace - vede k ozdraveniacute kontaminovaneacuteho prostřediacute - detoxifikace měniacute se na netoxickeacute = neškodneacute laacutetky - aplikaciacute mikroorganismů

Fytoremediace (rostliny) niacutezkaacute cena

využitiacute rostlin k odstraněniacute toxickeacute zaacutetěže (těžkeacute kovy) řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny Zooremediace (zviacuteřata)

zpracovaacuteniacute odpadů pomociacute zviacuteřat bezobratliacute - perlorodky měkkyacuteši

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

nevyacutehody pomalaacute viacutece než 2 roky maleacute rozměry vhodnyacutech rostlin maacutelo druhů vhodnyacutech rostlin neniacute 100 probleacutem s rostlinnyacutem odpadem - potřeba zvlaacuteštniacutech sklaacutedek spadeneacute listiacute

- řiacutezeneacute spalovaacuteniacute

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacute len slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

vyacutehody mineralizace organickyacutech sloučenin niacutezkeacute naacuteklady pasiacutevniacute metoda bez transportu kontaminovaneacute půdy energie ze slunečniacuteho zaacuteřeniacute nepoškozuje okoliacute - sniacuteženiacute prašnosti

estetickyacute přiacutenos etickyacute uacutečinek (veřejnosti přijatelnyacute)

2005 cca 450 rostlinnyacutech druhů - tzv bdquohyperakumulaacutetoryldquo 100 x vyššiacute akumulace než u ostatniacutech rostlin

teorie vzniku - obrana vůči hmyzu - hmyz preferuje

niacutezkeacute koncentrace kovu

Thlaspi careulescens

X bagrovaacuteniacute kontaminovaneacute zeminy transport zeminy dekontaminace

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute přiacutejem kořeny - z půdy přiacutejem nadzemniacute čaacutestiacute rostliny - vyacutefukoveacute plyny

akumuluje

degraduje

detoxifikuje

roste na kontaminovaneacute půdě

produkuje velkeacute množstviacute biomasy

tolerantniacute k salinitě a jinyacutem toxickyacutem podmiacutenkaacutem

poskytuje ekonomickeacute hodnoty - textilniacute vlaacutekna (len konopiacute)

GMO - gen fytovolatizace - bakteriaacutelniacute geny transformovaacuteny do rostlin transgeny merA a merB fytoextrakce - gen gsh1 a gsh2 z E coli do Brassica juncea

potenciaacutel je v GMO rostlinaacutech

Laboratoř rostlinnyacutech biotechnologiiacute Společnaacute laboratoř UacuteEB AV ČR vvi A VUacuteRV vvi Akademie věd Českeacute Republiky Mendelova univerzita v Brně Uacutestav experimentaacutelniacute botaniky AV ČR Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby v Praze Metoda použita na čištěniacute uranem a radiem znečištěneacute vody v Mydlovarech - kořenovaacute čistiacuterna

ideaacutelniacute rostlina

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

proces substraacutet ciacutel rostlina

fytoextrakce fytoakumulace

odstraněniacute toxickyacutech laacutetek z půdy a vody - akumulaciacute rychle rostouciacute rostlinou (zůstaacutevaacute v rostlině)

půda sedimenty kaly odpadniacute vody

toxickeacute kovy radionuklidy

Thlaspi sp Brassica sp

fytostabilizace ciacuteleneacute pěstovaacuteniacute tolerantniacutech druhů zamezeniacute eroziacute

půda haldy odkaliště těžkeacute kovy dlouheacute a bohateacute kořeny

fytovolatizace odstraněniacute Hg pomociacute genu koacutedujiacuteciacuteho reduktaacutezu Hg2+ na Hg0

a uvolněniacute do ovzdušiacute

půdy sedimenty odkaliště průmysloveacute a zemědělskeacute odpadniacute vody

kovy - Se Hg chlorovanaacute rozpouštědla

stromy traacutevy Brassica sp

fytodegradace degradace kontaminantů rostlinou na netoxickeacute laacutetky

půdy sedimenty odkaliště odpadniacute vody

ropneacute laacutetky pesticidy detergenty

stromy traacutevy

rhizofiltrace odstraněniacute pomociacute rostlinnyacutech kořenů

povrchoveacute vody odpadniacute vody

těžkeacute kovy - Co Cu Cr Mn Ni radionuklidy

Brassica sp Helianthus vodniacute rostliny hydroponie

superrostliny

niacutezkeacute naacuteklady

kořenovaacute čistička = umělyacute mokřad oddělenyacute od okoliacute nepropustnou foacuteliiacute využiacutevaacute samočisticiacutech procesů probiacutehajiacuteciacutech v propustneacutem půdniacutem prostřediacute za spoluuacutečasti rostlin čištěniacute odpadniacutech vod z domaacutecnostiacute sklaacutedek a některyacutech průmyslovyacutech provozů

Rhizofiltrace

httpwwwnemcoviceczcontentviewfull3607

rostliny s vysokyacutemi

naacuteroky na vyacuteživu

+

bakterie

může zapaacutechat

5x - 10 x nižšiacute naacuteklady

Člověk čistiacute odpadniacute vodu za pomoci zařiacutezeniacute

ale přiacuteroda to zvlaacutedaacute bez přiacutestrojů a mnohem levněji

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute niacutezkeacute naacuteklady

rostlina chemickaacute sloučenina

pšenice 24 -D MCPA jako zdroj uhliacuteku

kukuřice atrazin degradace atrazinu mikroorganismy rhizosfeacutery

fazole diazinon parathion mineralizace v rhizosfeacuteře

luštěniny nafta

Kučerovaacute et al 1999 Chemickeacute listy

přiacutejem - velikost kořenoveacuteho systeacutemu přiacutestupnost pro rostlinu např chelaacutety

transport rostlinou - apoplast (difuacuteziacute)

symplast (specifickeacute přenašeče)

miacutesto uskladněniacute hustota rostlin v porostu

zaacutevažnějšiacute ekologickyacute a toxikologickyacute vyacuteznam přibližně 16 prvků (Fe Mo Mn Zn NiCo Cu V W Cr Hg Pb Cd Sb Ag a U)

Budoucnost fytoremediaciacute niacutezkeacute naacuteklady

Fytoremediace v praxi

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Ural 1953 odstraněniacute těžkyacutech kovů

Amana Iowa hybridniacute topoly atrazin odstraněna čaacutest až 20

Beaverton Kreton

hybridniacute topoly

organickeacute laacutetky kovy

a amonneacute sloučeniny

celkoveacute vyčistěniacute oblasti

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Fukušima 113 2011 slunečnice radioaktivniacute cesium dekontaminace půdy

Černobyl 2641986 slunečnice jabloně

cesium stroncium dekontaminace půdy povrchoveacute vody

paacutes 30 km - likvidace radioaktivniacutech rostlin

nebudou spaacuteleny rozloženy a kompostovaacuteny - speciaacutelniacute bakterie

slunečnice spotřebovaacutevajiacute z půdy drasliacutek kteryacute patřiacute mezi alkalickeacute kovy stejně jako cesium drasliacutek neniacute v půdě přiacutetomen květiny využijiacute praacutevě druhyacute prvek - Cs

Biotechnologie v ŽP niacutezkeacute naacuteklady

fytomining - fytodobyacutevaacuteniacute fytodolovaacuteniacute

ziacuteskaacutevaacuteniacute kovů z rostlin kde klasickaacute těžba je nevyacutehodnaacute rostliny - bdquotěžaři vzaacutecnyacutech kovůldquo a polokovů AuTh Co U Cd Ni Cu Mn

v rostlinaacutech hyperakumulaacutetorech je akumulace prvku sušina rostliny jako -ldquobio-rudaldquo

vyacutehody

- obsah kovu v bdquobio-ruděldquo je vyššiacute než v běžneacute rudě

- meacuteně skladovatelneacuteho miacutesta

- zelenaacute technologie jako alternativa

fytomining Ni pomociacute Alyssum bertolonii

Robinson et al 1997 The nickel hyperaccumulator plant Alyssum bertolonii as a potential agent for phytoremediation and phytomining of

nickel Journal of Geochemical Exploration59(2)75-86

zlatonosneacute rostliny

zlataacute jablka

zlateacute kapradiacute

hledaacuteniacute nalezišť

technologie budoucnosti

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute bioplasty z biomasy (škroby tuky) nahrazujiacute fosilniacute zdroje vyacutehodou je biodegradace biopaliva rostlinnyacute materiaacutel a řasy bioethanol GMO rezistentniacute rostliny vůči postřikům hmyziacutem škůdcům transfer genů pro symbiotickou fixaci dusiacuteku z luštěnin do dalšiacutech plodin přenos genů z bdquoC4ldquo do bdquoC3ldquo rostlin pro dosaženiacute uacutečinnějšiacute fotosynteacutezy (ryacuteže)

Transgenoziacute se přenaacutešiacute přirozeneacute geny vznikleacute evoluciacute z jednoho organismu do druheacuteho kteryacute se s daacutercem genu obvykle

nemůže křiacutežit pouze dokaacuteže přenosy mezi vyacutevojově ještě vzdaacutelenějšiacutemi organismy

Geny použiacutevaneacute při transgenosi jsou braacuteny z přiacuterody např gen v soacuteji tolerujiacuteciacute glyfosaacutet - je z bakterie rodu Agrobacterium

Klasičtiacute šlechtiteleacute takto pracujiacute daacutevno např smiacutechali geny pšenice a žita

GMO

Transgenoze ndash vnaacutešeniacute znaacutemyacutech jednotlivyacutech genů do dědičneacuteho

zaacutekladu (poprveacute 1978)

Pro přenos - Agrobacterium tumefaciens A rhizogenes E coli

httpblogscassuffolkeduiglesias20140424gmos

GMO bez obalu httpwwwbezpecnostpotravinczUserFilespublikaceGMO_web_1pdf

GMO - transgenniacute rostliny CARTAGENSKYacute PROTOKOL o biologickeacute bezpečnosti 29 1 2000 Montreal (OSN ndash program pro životniacute prostřediacute UNEP) platnost 11 9 2003

ČR podepsala 24 52000 (gmovschtcz) nyniacute 160 staacutetů

opatřeniacute ve staacutetech ktereacute se připojiacute k projektu (dovoz vyacutevoz transport)

vzdělaacuteniacute odborniacuteků a informovaacuteniacute veřejnosti

vytvořeniacute noveacute legislativy GMO (wwwenvcz )

spolupraacutece při vyacuteměně zkušenostiacute

Svět 2010 - viacutece než 150 mil ha viacutece než 20 zemiacute

pro vegetačniacute čaacutesti

nebo plody

CIacuteL PROTOKOLU - zajistit ochranu a bezpečnost při zachaacutezeniacute využiacutevaacuteniacute a přenosu živyacutech modifikovanyacutech organismů ktereacute jsou vyacutesledkem moderniacutech biotechnologiiacute a ktereacute mohou miacutet nepřiacuteznivyacute vliv na zachovaacutevaacuteniacute biologickeacute rozmanitosti a zdraviacute člověka Protokol je zaměřen předevšiacutem na převoz GMO přes hranice staacutetů a maacute ochraňovat zejmeacutena staacutety kteryacutem dosud chybiacute vlastniacute vnitrostaacutetniacute praacutevniacute předpisy v oblasti GMO

GMO - transgenniacute rostliny historie

EVROPA

SRN - Max-Planck-Institut

Belgie - Universita Ghent

Švyacutecarsko- ETH Zurych

ČR - Biofyzikaacutelniacute uacutestav Brno (Agrobacterium jako vhodnyacute přenašeč genů)

ČR - UacuteEB ČSAV Českeacute Budějovice (metody modifikaciacute)

2010 1 transgenniacute hraacutech v Evropě (ČR Agritec Šumperk)

transgenniacute len - oleje

FYTOPATOLOGIE IN VITRO

Fytopatologie in vitro

in vitro selekce = kultivace buněk se selekčniacutem činitelem (fitraacutet inokulum toxin)

ndash přežiacutevajiacuteciacute buňky jsou regenerovaacuteny do rostlin resistentniacuteho fenotypu

Studium interakce rostlina x patogen v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

Druh Patogen Typ biologickeacuteho testu Ciacutel

Coffea arabica Colletotrichum kahawae růst houby na kalusech vyacuteběr rezistentniacutech genotypů

Vitis vinifera Elsinoe ampelina růst kalusu na meacutediu s patogenem testy rezistence

Lycopersicon aes Alternaria alternata testy na izollistech in vitro hodnoceniacute toxicity

Pinus taeda Cronartium quercuum embryokultury s houbami vyacuteběr rezistentniacutech embryiacute

Triticum aestivum Microdochium nivale listy semenaacutečky in vitro vyacuteběr rezistentniacutech kultivarů

ozdravovaacuteniacute rostlin

klonoveacute množeniacute rezistentniacutech taxonů

Page 2: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,

BOTBRGMO

Biotechnologie rostlin a GMO

garant Božena Navraacutetilovaacute

přednaacutešejiacuteciacute Božena Navraacutetilovaacute Lenka Švaacutebovaacute cvičiacuteciacute Božena Navraacutetilovaacute Petr Dvořaacutek 20142015 ZS

Ciacutel předmětu navaacutezat na zaacutekladniacute předměty vyacuteuky a rozšiacuteřit znalosti v oblasti biotechnologiiacute zejmeacutena rostlinnyacutech naacutevaznost na předměty - obecnaacute biologie fyziologie rostlin genetika ekologie konfrontace s praxiacute - čaacutest přednaacutešek zajišťuje AGRITEC Šumperk

přednaacuteškycvičeniacute 11 hodtyacuteden blokovaacuteno podle možnostiacute kredity 3 ukončeniacute kolokvium

Přednaacutešky blokovaacuteny (2 - 3hod) Biotechnologie - historie od počaacutetku po současnost členěniacute interdisciplinaacuternost rostlinneacute bdquozeleneacuteldquo biotechnologie (Božena Navraacutetilovaacute UPOL) Potenciaacutel rostlinneacute buňky a podstata explantaacutetovyacutech kultur rostlin metody (techniky zachovaacutevajiacuteciacute a techniky zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu rostlin) a jejich aplikace ve šlechtěniacute rostlin (Božena Navraacutetilovaacute UPOL) Využitiacute rostlinnyacutech biotechnologiiacute v zemědělstviacute farmaceutickeacutem průmyslu uchovaacutevaacuteniacute genofondu a fytoremediaci (Božena Navraacutetilovaacute UPOL) Možnosti využitiacute geneticky modifikovanyacutech plodin (Lenka Švaacutebovaacute Agritec Šumperk)

Sylabus a naacutevody botanyupolcz naacutevody sylabus 2014

Kolokvium 10 prosince 2014 Vyhodnoceniacute založenyacutech experimentů rozprava

Vlastniacute prezentace vybraneacute biotechnologie (1 ndash 3 studenti)

Sylabus a naacutevody botanyupolcz naacutevody sylabus 2014

Kolokvium 10 prosince 2014 Vyhodnoceniacute založenyacutech experimentů rozprava

Vlastniacute prezentace vybraneacute biotechnologie (1 ndash 3 studenti)

Cvičeniacute blokace (max 6 studentů ve skupině) naacutevody na www straacutenkaacutech katedry botaniky vyacuteukoveacute materiaacutely httpbotanyupolczmaterialyids[]=311k311 I čaacutest Cvičeniacute - zaacutekladniacute metody explantaacutetovyacutech kultur rostlin (Božena Navraacutetilovaacute) řiacutejen ndash listopad 2014 1 Bezpečnost praacutece a zaacutesady praacutece v aseptickeacutem prostřediacute 2 Sterilizace rostlinneacuteho materiaacutelu naacutestrojů skla a dalšiacutech pomůcek přiacuteprava meacutediiacute 3 Kultivace explantaacutetů pasaacutežovaacuteniacute 4 Mikropropagace rostlin 5 Embryokultury izolace a kultivace embryiacute 6 Prašniacutekoveacute kultury izolace a kultivace prašniacuteků II čaacutest Transgenoacuteze (Petr Dvořaacutek) řiacutejen ndash listopad 2014 Transformace bakteriiacute modrobiacutelaacute selekce pomociacute vektoru s rezistenciacute pro antibiotika

BEZPEČNOST PRAacuteCE

Student je povinen řiacutedit se pokyny vedouciacuteho cvičeniacute - dbaacutet osobniacute bezpečnosti a bezpečnosti svyacutech kolegů v laboratoři

Student je povinen přichaacutezet na praktickaacute cvičeniacute včas seznaacutemen s naacutevodem praktickeacuteho cvičeniacute a doporučenyacutemi pomůckami

Student musiacute byacutet vybaven přezůvkami osobniacute věci (tašku batoh oblečeniacute) si uložiacute na vyhrazeneacute miacutesto ktereacute je zabezpečeno před zcizeniacutem

Před cvičeniacutem si student umyje a desinfikuje ruce určenyacutem desinfekčniacutem prostředkem - OROSEPT 70 etanol

Při praacuteci ve flowboxu student dodržuje zaacutesady pro aseptickou praacuteci desinfekčniacutem roztokem vytře box (ISORAPID) spustiacute box 10 min před zahaacutejeniacutem praacutece dbaacute aby saacutem nebyl zdrojem kontaminaciacute při nachlazeniacute použije roušku udržuje v boxu pořaacutedek

Student dbaacute bezpečnosti při praacuteci s ohněm (lihoveacute kahany)

Student dbaacute bezpečnosti a se zvyacutešenou opatrnostiacute pracuje s řeznyacutemi naacutestroji se sklem lihovyacutem kahanem a s elektřinou

Student zachaacuteziacute se svěřenyacutemi přiacutestroji šetrně jejich zaacutevady ihned hlaacutesiacute vyučujiacuteciacutemu (saacutem neopravuje)

Student hlaacutesiacute veškeraacute poraněniacute vyučujiacuteciacutemu

Po ukončeniacute cvičeniacute student vypne a uklidiacute flowbox uzavře kahan Zbytky rostlinneacuteho materiaacutelu zlikviduje umyje použiteacute sklo

BIOTECHNOLOGIE

- členěniacute interdisciplinaacuternost (mezioborovost)

- historie od počaacutetku po současnost - rostlinneacute bdquozeleneacuteldquo biotechnologie

Použitaacute literatura Bajaj Y P S Somatic hybridization in crop improvement 1994

Callaway D J Callaway M B Breeding ornamental plants Timber Press Oregon 2000

George E F Plant propagation by tissue culture The technology Exegetics Limited Edington 1993

Hall R D Plant cell culture protocols Humana Press Totowa (NJ) 1999

Heldman D R Wheler M B Hoover DG Encyklopedia of biotechnology in agriculture and food CRC Press 2011

Kreuzer H Massey A Biology and biotechnology Science Applications and issues ASM Press Washington DC 2005

Lindsey K Plant tissue culture Manual Kluwer Academic Publishers London 1992

Kučerovaacute P Mackovaacute M Macek T Chemickeacute listy 93 19-26 1999

Murphy D Plants biotechnology and agriculture Cambridge University Press 2011

Ovesnaacute J Kučera L Otaacutezky biologickeacute bezpečnosti GMO a mezinaacuterodniacute zaacutevazky ČR Sborniacutek VUacuteRV Praha 2004

Prochaacutezka S a kolektiv Fyziologie rostlin Academia 1998

Smith R H Plant tissue culture Techniques and experiments Second edition Academic Press 2000

Smith J E Biotechnology Cambridge 2009

Trigiano R N Gray D J Plant development and biotechnology CRC Press 2005

Biotechnologie

Biotechnologie jsou na zaacutekladě Evropskeacute federace pro biotechnologii (EFB) z roku 1981 definovaacuteny jako

bdquoSoubor postupů založenyacutech na technologiiacutech při nichž se využiacutevaacute metabolickeacuteho potenciaacutelu mikroskopickyacutech organizmůldquo Jsou to interdisciplinaacuterniacute obory zahrnujiacuteciacute a využiacutevajiacuteciacute poznatky mikrobiologie biochemie chemie a přiacuteslušnyacutech průmyslovyacutech odvětviacuteldquo wwwscimuniczmikrobkvasbiotechbiotechnologiebiotechnologiehtml

Multidisciplinaacuterniacute povaha (Smith 2009)

Biotechnologie podle definice OECD představuje aplikovaacuteniacute vědeckyacutech a technologickyacutech metod na živeacute organismy a jejich čaacutesti produkty nebo modely za uacutečelem přeměny živyacutech i neživyacutech materiaacutelů pro vytvaacuteřeniacute znalostiacute zbožiacute a služeb

z řečtiny bios + techne + logos

život + dovednost + znalost

staraacute definice

novaacute definice

OECD Organizace pro ekonomickou spolupraacuteci a rozvoj Organisation for Economic Co-operation and Development

Biotechnologie

BIOTECHNOLOGIE novyacute nebo staryacute vynaacutelez biotechnologie průmysloveacute zemědělskeacute leacutekařskeacute biotechnologie mikrobiaacutelniacute živočišneacute rostlinneacute obsah i dosah

biologickyacute psychologickyacute ekonomickyacute ekologickyacute (postoj Amišů ndash meacuteně pesticidů neniacute v rozporu s jejich životniacutem stylem rizika při uvaacuteděniacute do životniacuteho prostřediacute) etickyacute - oteviacuteraacuteme bdquoPandořinu skřiacutenkuldquo

- věda jako zachraacutence nebo nepřiacutetel lidstva

odpor GMO plodinaacutem potravinaacutem

akceptovatelneacute rezistentniacute plodiny k herbicidům

BIOTECHNOLOGIE - rozvoj 21 stoletiacute - integrovanaacute aplikace přiacuterodniacutech a inženyacuterskyacutech věd - ciacutelem je využitiacute organismů a čaacutestiacute organismů k vyacuterobě produktů nebo použitiacute různyacutech metod (postupů)

ČLENĚNIacute PODLE ODVĚTVIacuteZAMĚŘENIacute ČERVENAacute BIOTECHNOLOGIE (mediciacutena a farmacie) - leacutekařstviacute je považovaacutena za nejdůležitějšiacute oblast použitiacute - biotechnologickeacute postupy rostouciacute roli při vyacutevoji novyacutech leacuteků (např k leacutečbě rakoviny) diagnostice (DNA) využitiacute kmenovyacutech buněk při leacutečbě zaacutevažnyacutech chorob

ZELENAacute BIOTECHNOLOGIE (zemědělstviacute a potravinaacuteřstviacute) bdquoRostlinneacute biotechnologieldquo nejstaršiacute - moderniacute šlechtěniacute rostlin ciacuteleně se zvyšujiacute odolnosti proti hmyzu pliacutesniacutem virům a herbicidům - vyacuteznam genoveacute techniky kteraacute je zaacutekladem pro přenos určityacutech genů z jednoho druhu na jineacute rostliny a umožňuje vyacutevoj odolnosti vůči hellip

ŠEDAacute BIOTECHNOLOGIE (životniacute prostřediacute-environmentaacutelniacute) - obnoveniacute znečištěneacuteho prostřediacute biomonitoring - indikaacutetory znečištěniacute - biotechnologickeacute postupy při sanaci půdy uacutepravě odpadniacutech vod čištěniacute vyacutefukovyacutech plynů využitiacute odpadu

BIacuteLAacute BIOTECHNOLOGIE (často spojovanaacute s šedou biotechnologiiacute) - chemickyacute průmysl vyprodukovat substance jako např alkohol vitamiacuteny aminokyseliny antibiotika enzymy způsobem ktereacute šetřiacute zdroje a životniacute prostřediacute s pomociacute živyacutech buněk (kvasinky pliacutesně bakterie)

MODRAacute BIOTECHNOLOGIE mořskeacute biologie biologickeacute organismy světovyacutech mořiacute - zdroje potravin energie leacutečiv surovin - bioprocessing šlechtěniacute a ochrana mořskyacutech organismů ciacutelenyacute chov vodniacutech organismů (aquaculture )

ZELENAacute BIOTECHNOLOGIE (zemědělstviacute a potravinaacuteřstviacute)

bdquoRostlinneacute biotechnologieldquo nejstaršiacute - moderniacute šlechtěniacute rostlin = ciacuteleně se zvyšujiacute odolnosti vůči hmyzu pliacutesniacutem virům a herbicidům - genoveacute techniky = přenos určityacutech genů z jednoho druhu na jinyacute umožňujiacute vyacutevoj odolnosti vůči hellip - využitiacute bakteriiacute ke zvyacutešeneacutemu růstu rostlin

- biomonitoring = využitiacute rostlin jako indikaacutetorů znečištěniacute půdy (kovy) - fytomining

Rostlinneacute biotechnologie

Kde by lideacute byli bez rostlin

Historie rostlin čas před proces vyacuteznam

45 miliardy let tvorba země nemožnyacute život

39 oceaacuteny voda je předpokladem pro uhliacutek-založenyacute život

35 nejstaršiacute cyanobacteria efektivnějšiacute fotosynteacuteza- rychlejšiacute růst O2

24 kysliacutek v atmosfeacuteře aerobniacute org postupně převažujiacute nad aerobniacutemi

21 endosymbioacuteza mezi cyanobacterium a eukaryotniacutem hostitelem prvniacute fotosyntetizujiacuteciacute eukaryotickyacute org -

jednobuněčnaacute řasa

16 mnohobuněčneacute řasy zeleneacute a červeneacute řasy

13 v atmosfeacuteře 3 O2 dominujiacute aerobniacute org nad aerobniacutemi

1 zvyšujiacuteciacute se počet mořskyacutech řas zvyacutešeniacute atmosfeacuterickeacuteho 02

750 milioacutenů mnohobuněčneacute zeleneacute řasy začaacutetek buněčneacute specializace

550 v atmosfeacuteře 12 O2

500 prvniacute suchozemskeacute rostliny eukaryotickaacute kolonizace země

470 prvniacute spory jaterniacutekům podobneacute rostliny

428 Cooksonia 2-3 cm velkeacute steacutelka Bryophyta s dominantniacute haploidniacute generaciacute

ceacutevnateacute rostliny bez semen- mechy přesličky kapradiny převažuje 2n generace

360 nejstaršiacute fosilniacute nahosemenneacute

140 nejstaršiacute krytosemenneacute

85 nejstaršiacute obiloviny

68 nejstaršiacute luštěniny adaptace na deficit N2

11 tisiacutec let domestifikace rostlin vliv člověka na rostliny

500 let globalizace zemědělskyacutech plodin světoveacute rozšiacuteřeniacute domestifikovanyacutech rostlin

300 člověkem prvniacute vyrobeneacute hybridniacute rostliny zaacuteměrneacute vytvaacuteřeniacute novyacutech druhů pro člověka

100 začaacutetek vědeckeacuteho šlechtěniacute rostlin manipulace s genomem a fenotypem rostlin

30 prvniacute transgenniacute rostlina novyacute gen do rostlinneacuteho genomu

20 prvniacute schvaacutelenaacute GMO rostlina - potravina rajče cv FLAVR SAVR Murphy 2011

6000 pnl produkce piva fermentaciacute (kvašeniacutem) Babyloacuteňaneacute Sumeroveacute

4000 pnl využitiacute kvasinek ve vyacuterobě piva a viacutena v Egyptě a Čiacuteně (znaacutem ječmen)

1675 Leeuwenhoek pozoroval bakterie

1860 Koch - rozvoj mikrobiologie

1857 Pasteur demonstrace fermentace - otec biotechnologiiacute

1877 Koch vypracoval techniky izolace a barveniacute bakteriiacute

1919 Ereky zavedeniacute termiacutenu biotechnologie

1935 Fleming objev peniciliacutenu - zavedeniacute sterilizace

1953 Watson a Crick popis struktury DNA

1975 Kohler a Milstein - produkce monoklonaacutelniacutech protilaacutetek

1978 produkce 1 lidskeacuteho proteinu v buňce firmou Genntech (USA) = inzuliacuten 1 praktickeacute využitiacute

1980 zavedeniacute metod rekombinantniacute DNA produkce inzuliacutenu v E coli

1994 schvaacuteleniacute prvniacute geneticky modifikovaneacute potraviny ndash rajče

1996 klonovaacuteniacute ovce Dolly Wilmuth a kol

Biotechnologie - historie

vyacuteroba jiacutedla a naacutepojů procesy vyviacutejeny za nesterilniacutech podmiacutenek zavedeniacute sterilniacutech podmiacutenek do biotechnologickyacutech procesů aplikace genetiky a technologie rekombinantniacute DNA

přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

nevyacutehoda - nekontrolovaneacute

zavedeniacute lidskeacuteho genu určujiacuteciacuteho produkci specifickeacute biacutelkoviny (inzuliacutenu) do bakterie pomociacute plazmidu - po zabudovaacuteniacute do genetickeacuteho aparaacutetu hostitelskeacute buňky je bakterie schopna produkovat AMK v přesně daneacutem pořadiacute a syntetizovat

lidskyacute inzuliacuten

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve

velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 11 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1843 superfosfaacutet hellip intenzivniacute hnojeniacute v zemědělstviacute

1849 Darwin - vznik druhů přirozenou selekciacute (cesta kolem světa Galapaacutegy)

1846-1850 krize monokultur - bdquobramborovyacuteldquo hladomor v Irsku (Phytophtora infestans)

1857 Pasteur - fermentace - otec biotechnologiiacute

1866 Mendel - publikuje svoje zaacutekony (znovu objeveny 1900)

1869 Miescher - objevuje DNA

1902 Haberlant - totipotence rostlinneacute buňky

1910 odrůda brambor Bintje (Holandsko) - odrůda roku 2012

1919 Ing Karl (Kaacuteroly) Ereky - termiacuten biotechnologie

migrace do Ameriky

technologie přeměny surovin na využitelneacute produkty pomociacute živyacutech organismů

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho

průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 10 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1923 Burbank USA - křiacuteženci bramboru odrůda

bdquoRUSSET BURBANKldquo (skladovatelnost hliacutez)

1933 prvniacute hybridi kukuřice

1941 Beadle a Tatum - hypoteacuteza 1 gen-1 enzym

1941 24-D (syntetickyacute auxin) jako prvyacute moderniacute herbicid

1950 1 radiomutanti chemomutanti řepka pšenice ryacuteže biacuteleacute fazole

ječmen (1965 - DIAMANT)

1960 ndash1970 ldquozelenaacute revoluceldquo zakrsliacute hybridi - Norman Borlaug

1970 NC miacuteru

1969 Triticale (Triticosecale tritikale žitovec - hybridniacute obilnina Triticum x Secale)

REKOMBINANTNIacute TECHNIKY

1985 prvniacute GM rostliny na poliacutech v UK

1995 odrůda bdquoBT NEW LEAF RUSSET BURBANKldquo

1998 zlataacute ryacuteže

2010 1 GMO hraacutech (Agritec)

I GMO odrůda brambor - odolnaacute vůči mandelince bramboroveacute vložen gen z bakteacuterie Bacillus thuringiensis produkujiacuteciacute protein narušujiacuteciacute vnitřnosti mandelinky

Mexiko 1943 import frac12 spotřeby pšenice 1944 plnaacute soběstačnost pšenice 1964 export 05 milionů tun pšenice

httpenwikipediaorgwikiNorman_Borlaug

Budoucnost biotechnologiiacute v ČR bdquoBiotechnologie jsou celosvětově nejprogresivnějšiacutech oblast vyacutezkumu vyacutevoje a podnikaacuteniacuteldquo

produkce viacutena - 1 psanaacute zmiacutenka r 276 (na Paacutelavě řiacutemskeacute legie) produkce piva - 11 stoletiacute syacutery destilaacutety 14 stoletiacute 1356 - kraacutelovskyacute dekret o produkci viacutena v Českyacutech zemiacutech alchymie (Rudolf II) 1518 - založeniacute Paliacuterny U Zeleneacuteho stromu v Prostějově 1887 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu pivovarskeacuteho a sladařskeacuteho v Praze 1949 - průmyslovaacute produkce peniciliacutenu v Roztokaacutech u Prahy 1966 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu antibiotik a transformaciacute (již neexistuje)

wwwbiotrincz wwwgate2biotechcz

AV ČR Univerzity Vyacutezkumneacute uacutestavy Šlechtitelskeacute stanice

kaacutemen mudrců elixiacuter mlaacutediacute přeměna hmoty

glukosa + kvasinky etanol + oxid uhličityacute přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces carlsbergensis

Biotechnologie v ČR

18 prosince 2008 bylo založeno sdruženiacute CzechBio - asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR zspo 1 asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR spojuje třicet soukromyacutech biotechnologickyacutech společnostiacute a akademickyacutech uacutestavů podpora spolupraacutece komerčniacute sfeacutery s vědeckou httpwwwczechbioorgcs

projekt Algatech ndash Centrum řasovyacutech biotechnologiiacute vyacutevoj novyacutech kultivačniacute zařiacutezeniacute a postupů na zpracovaacuteniacute řasoveacute biomasy pro vyacuterobu biopaliv krmiv potravniacutech doplňků a cennyacutech laacutetek Mikrobiologickyacute uacutestav Akademie věd ČR Třeboň

Centrum regionu Hanaacute pro biotechnologickyacute a zemědělskyacute vyacutezkum

UPOL + VUacuteRV + UacuteEB AV ČR - vytvaacuteřeniacute zemědělskyacutech plodin s vyššiacutemi vyacutenosy toleranciacute vůči nepřiacuteznivyacutem vlivům vnějšiacuteho prostřediacute

- transformace rostlin ječmene a dalšiacutech obilnin

wwwcr-hanaeu

Biotechnologie v ČR

wwwalgaczcscs-algatechhtml

Českaacute technologickaacute platforma rostlinnyacutech biotechnologiiacute ndash rozvoj biotechnologiiacute v ČR = Rostliny pro budoucnost (ČTP RB) - nepotravinaacuteřskeacute využitiacute rostlin vedlejšiacutech produktů odpadů - vyacutevoj novyacutech odrůd kulturniacutech rostlin - uplatněniacute rostlinnyacutech biotechnologiiacute v raacutemci životniacuteho prostřediacute

httpwwwczechinvestorgceska-technologicka-platforma -rostlinnych-biotechnologii

selekce - vyacuteběr nejlepšiacutech rostlin křiacuteženiacute GMO

Přiacuteklad šlechtěniacute - novyacute typ ryacuteže - maleacute vzpřiacutemeneacute listoveacute čepele - hodně odnožiacute - žaacutedneacute neproduktivniacute odnože - silneacute steacuteblo - C3 ryacuteže na C4 ryacuteže

Rostlinneacute biotechnologie Co pěstujeme na poliacutech v zahradaacutech a v sadech a co naacutesledně jiacuteme prošlo za několik tisiacuteciletiacute proměnou Prvniacute změna - předkoveacute opustili životniacute styl lovců a sběračů a stali se pěstiteli zemědělskyacutech plodina a chovateli hospodaacuteřskyacutech zviacuteřat

zlataacute ryacuteže geny z 5 různyacutech druhů

- Phaseolus vulgaris pro ferritin - Aspergilus fumigatus - ferritin - ryacuteže Basmati - ferritin - Narcissus pseudonarcissus synteacuteza karotenu - Erwinia uredovora - synteacuteza karotenu

bdquozlataacute ryacuteželdquo tvořiacute zvyacutešeneacute množstviacute provitaminu A zabraacuteniacute hladu zachraacuteniacute zrak vznikla na požadavek humanitaacuterniacute organizace bdquoHumanitarien Rice Boardldquo kteraacute se snažiacute řešit probleacutemy s nedostatkem potravy v nejchudšiacutech čaacutestech našiacute planety

švyacutecarskyacute genetik Ingo Portykus a německyacute genetik Peter Bayer

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute

ekologickaacute udržitelnost kvantita a kvalita zaacutekladniacutech zdrojů zemědělstviacute ekonomickaacute udržitelnost zemědělskaacute produkce (uacuteroda na ha) a zisk cena za produkty sociaacutelniacute (společenskaacute) udržitelnost kvalita života zemědělců vysokaacute kvalita potravin bez rizika na zdraviacute a prostřediacute

Co je udržitelneacute zemědělstviacute Mohou biotechnologie pomaacutehat

snižovaacuteniacute kvality zaacutekladniacutech zdrojů vyčerpaacuteniacute zaacutekladniacutech zdrojů

Vyhliacutedky na budoucnost

naacuterůst počtu obyvatel

zvyacutešeniacute životniacuteho standardu

pokles plochy orneacute půdy

pokles pracovniacuteků v zemědělstviacute

naacuterůst cen potravin

Naacuterůst zemědělskeacute produkce s využitiacutem biotechnologiiacute

šlechtěniacute (rezistence k chorobaacutem)

noveacute plodiny

nutričniacute kvalita plodin

ochrana rostlin

bezpečnost produktů

hybnou silou biotechnologiiacute je naacuterůst obyvatel Kolik lidiacute by mělo žiacutet na planetě Zemi

Rostlinneacute biotechnologie

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute mutace s naacuteslednou selekciacute odchylek noveacute techniky EK ciacutelenyacute přenos genů

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

prvniacute zemědělci

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) BT prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute MUTACE s naacuteslednou selekciacute odchylek - odrůda ječmene bdquoDIAMANTldquo

noveacute TECHNIKY EK VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

ciacutelenyacute přenos genů GMO

CO BUDE DAacuteL zvyšovat vyacutenosy BUDE VĚTŠINA PĚSTOVANYacuteCH ZEMĚDĚLSKYacuteCH PLODIN TRANSGENNIacute

vznik zemědělstviacute

1954

jsme moudřejšiacute

maacuteme většiacute možnosti

Počaacutetek EK 1902 Gottlieb Haberland segmenty listů 1904 Hannig zralaacute embrya

Potenciaacutel rostlinneacute buňky a podstata

explantaacutetovyacutech kultur rostlin

metody a jejich aplikace

ve šlechtěniacute rostlin

EK - historie

TOTIPOTENCE rostlinneacute buňky genetickeacute informace - jaacutedro plastidy mitochondrie

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

daacute se přeneacutest v raacutemci šlechtěniacute

blok totipotence

vyjaacutedřeniacute totipotence 1 dediferenciace buňky do buněčneacuteho cyklu a pokračovaacuteniacute v děleniacute 2 rediferenciace - tvorba organickyacutech struktur - přiacutemaacute regenerace tvorba kalusu - nepřiacutemaacute regenerace

vliv růstovyacutech regulaacutetorů

Rostlinneacute biotechnologie prvniacute generace - od explantaacutetovyacutech kultur po GMO

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute rostlin - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

Explantaacutet = aseptickaacute kultivace izolovanyacutech čaacutestiacute rostlin za umělyacutech podmiacutenek

EXPLANTAacuteTOVEacute KULTURY - VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

EK - historie

Metody EK využitelneacute v zemědělstviacute Meristeacutemoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Somatickaacute embryogeneze

Embryokultury

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze + buněčneacute inženyacuterstviacute

Genetickeacute manipulace

VITRIFIKACE (hyperhydricita) ndash vyjadřuje abnormality růstu in vitro skelnatyacute syndrom vyacutehonů křehkeacute mokryacute vzhled pryacutetů (vodou nasycenyacutech) průsvitnyacute sukulentniacute vzhled

metody zachovaacutevajiacuteciacute genotyp beze změn během kultivace metody zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu během kultivace

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK 1 rychleacute namnoženiacute

2 ozdravovaacuteniacute

3 překonaacuteniacute nekřiacutežitelnosti - embryokultury

4 dlouhodobeacute udržovaacuteniacute genetickyacutech zdrojů

5 indukce mutantů - ziacuteskaacuteniacute novyacutech genotypů

6 předselekce - urychleniacute šlechtitelskeacuteho cyklu

7 ziacuteskaacuteniacute novyacutech a udrženiacute genotypů s pylovou sterilitou

8 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho procesu

9 produkce haploidů

10 produkce polyploidů

11 rychlejšiacute ziacuteskaacuteniacute vyacutechoziacuteho šlechtitelskeacuteho materiaacutelu pro noveacute odrůdy

12 somatickaacute hybridizace - fuacuteze

13 konstrukce novyacutech genotypů kulturniacutech plodin přenos bdquoužitečnyacutech genůldquo

14 udržovaacuteniacute genofondu

15 selekce in vitro - rezistence k abiotickyacutem a biotickyacutem stresům

16 produkce sekundaacuterniacutech metabolitů

Plodina Technika

ječmen pšenice kukuřice

řepka paprika brukvovitaacute

zelenina mrkev

androgeneze

cibule gynogeneze

jahodniacutek česnek ozdravovaacuteniacute

brambor traacutevy polyploidizace in vitro

jeteloviny drobneacute ovoce

ovocneacute dřeviny podnože traacutevy mikropropagace

brambor řepka somatickaacute hybridizace

hraacutech brambor rezistence k chorobaacutem

traacutevy embryokultury

Kombinace metod embryokultury oplozeniacute in vitro fuacuteze protoplastů

plodiny se geneticky upravujiacute pro většiacute rezistenci k herbicidům - ničeniacute plevele bez poškozeniacute uacuterody GM rajčata potlačujiacute gen pro polygalakturonaacutezu enzym degradujiacuteciacute pektin způsobujiacuteciacute měknutiacute pletiv (Deacon a kol 2002)

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK

Meristeacutemoveacute kultury

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny meristeacutemoveacute kultury

Vyacutehody maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky naacuteslednaacute mikropropagace ozdraveneacuteho materiaacutelu bdquovirus - freeldquo

Vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana Iniciace kultury Testovaacuteniacute in vitro Přenos do nesterilniacutech podmiacutenek Testovaacuteniacute

MERISTEacuteM ndash děliveacute nediferencovaneacute pletivo ozdravovaacuteniacute rostlin (02 - 05 mm) meristeacutemy

OZDRAVOVAacuteNIacute Termoterapie (vyššiacute teplota)

Meristeacutemovaacute kultura Chemoterapie (antivirotika)

viry - nebuněčneacute mikroorganismy virovaacute čaacutestice = virion sklaacutedaacute se z RNA nebo DNA a kapsidu

fytopatologie in vitro

ribavirin

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny

Vyacuteznamneacute viroveacute choroby rostlin v ČR od 30 ztraacutet CaMV - 1968 PVY 30 -70 VMCH (virus mozaiky chmele) až o 70 mozaika česneku 25 - 50 žloutenka cibule až 100 bronzovitost rajčat

- žloutnutiacute listů kroužky a čaacutery na listech nevyvinuteacute rostliny abnormaacutelniacute růst - vstupujiacute různyacutemi poraněniacutemi - šiacuteřiacute se plasmodesmaty - velmi odolneacute proti inaktivaci - přenaacutešeny semeny hliacutezami pylem roubovaacuteniacutem hmyzem houbami červy

1952 Morel a Martin u jiřin

Využitiacute metody jahodniacutek česnek zeleniny květiny okrasneacute dřeviny ovocneacute dřeviny banaacutenovniacutek hellip

Tvorba bezviroacutezniacutech rostlin

1 meristeacutem = 1 rostlina testovaacuteniacute

wwwoselczindexphpclanek=2819

viroacutezniacute x zdravaacute

M Navraacutetil KBBPřFUPOL

PVY

In vitro klonovaacuteniacute mikropropagace meristeacutemoveacute kultury

zisk geneticky identickeacute rostliny vegetativniacutem množeniacutem

VYacuteHODY

maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny ktereacute jsou geneticky stabilniacute

v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky

vyššiacute množitelskyacute koeficient - potenciaacutelniacute hodnota zisku rostlin

Postup - vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana - iniciace kultury - mikropropagace - přenos do nesterilniacutech podmiacutenek

KLON - kolekce geneticky identickyacutech individuiacute původem z jedineacuteho rodiče

komerčně od 1960

httpwwwjanholubcz

In vitro meristeacutemoveacute kultury - využitiacute - zaacutechrana a množeniacute ohroženyacutech druhů kaktusy

- zaacutechranneacute množeniacute cennyacutech genotypů a liniiacute sterilniacutech rostlin - udrženiacute rodičovskyacutech komponent pro tvorbu hybridniacutech odrůd

- množeniacute transgenniacutech rostlin

- zachyceniacute a klonovaacuteniacute nově nalezenyacutech mutantů při šlechtěniacute

- klonovaacuteniacute nejlepšiacutech jedinců pro produkci elitniacuteho osiva

- vegetativniacute množeniacute okrasnyacutech rostlin karafiaacutet gerbera anthurie orchideje

sanpaulie kapradiny hellip

- množeniacute drobneacuteho ovoce jahodniacutek maliniacutek reacuteva

- množeniacute dřevin podnože pro školkařstviacute lesniacute dřeviny tropickeacute dřeviny

- v zelinaacuteřstviacute množeniacute brambor zeliacute

- množeniacute pouze samičiacutech rostlin datlovaacute palma

- kryoprezervace (-196 oC) jahodniacutek maliniacutek hraacutech brambor karafiaacutet

Genoveacute

banky

Mikropropagace multiplikace klonovaacuteniacute nejen z meristeacutemů

Solanum tuberosum Cucumis sativus Olea europea Eucalyptus grandis Salix sp Syringa sp Juglans regia

Schopnost regenerace tvorba identickyacutech rostlin = přiacutemaacute somatickaacute embryogeneze

Meristeacutemy Pryacutetoveacute segmenty Kalusy Embrya

Zdroje odchylek bull vysokeacute daacutevky růstovyacutech regulaacutetorů typ regulaacutetoru bull rostliny regenerujiacute z basaacutelniacuteho kalusu (možnost gen změn)

Kalusoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Primaacuterniacute explantaacutet kalus meristemoid orgaacutenoveacute primordium

Kalus = masa děliacuteciacutech se a rostouciacutech buněk

nejsou uniformniacute mohou se lišit velikostiacute tvarem pigmentaciacute metabolismem nebo počtem chromosomů

bull za určityacutech podmiacutenek regenerace pryacutetů a kořiacutenků

tma x světlo

subkultivace

metoda geneticky nestabilniacute

Kalusoveacute kultury - somaklonaacutelniacute variabilita ndash MUTACE a zisk novyacutech znaků

- mikropropagace ndash cibule žen-šen hellip

- vyacutechoziacute materiaacutel pro suspenzniacute a protoplastovou kulturu

- materiaacutel pro indukovaneacute mutace (zaacuteřeniacute chemomutageny)

- sekundaacuterniacute metabolity (alkaloidy AMK saponiny oleje složky vůniacute protinaacutedoroveacute laacutetky steroidy )

polyploidie aneuploidie

Selekce mutantů se zlepšenou nutričniacute hodnotou (viacutece biacutelkovin v zrnu)

Rezistence vůči zasoleniacute (vysokyacute turgor v buňkaacutech akumulace NaCl ve vakuolaacutech)

Rezistence vůči chorobaacutem (synteacuteza fytotoxinů fytoalexinů)

Sekundaacuterniacute metabolity (= chemickeacute individuality v rostlinaacutech ndash barviva vůně chuti obrana)

Artemisia annua - artemisin (antimalarika) Capsicum sp - capsaicin (protinaacutedoroveacute)

Digitalis lanata - digoxin (srdečniacute stimulanty) Papaver somniferum - codein (sedativa)

Taxus breviola - taxol (protinaacutedoroveacute) Vanilla planifolia - vaniliacuten (aroma)

Panax ginseng - (imunitniacute systeacutem) Zingiber officinale ndash gingerol (antioxidant)

Somatickaacute embryogeneze a suspenzniacute kultury

Využitiacute

umělaacute semena (enkapsulace somatickyacutech embryiacute)

využitiacute somatickeacute variability

klonoveacute množeniacute

sekundaacuterniacute metabolismus (suspenze)

kryoprezervace

Buněčnaacute suspenze = převedeme kalus do tekuteacuteho meacutedia

a provzdušňujeme (kontakt buněk a shluků buněk s meacutediem)

vznikaacute bipolaacuterniacute struktura obsahujiacuteciacute kořen a pryacutet

auxin (24-D)

umělaacute semena

Mutace RADIOMUTANT PROSPĚCH NEBO ZAacuteLUDNOST

SPONTAacuteNNIacute MUTACE využiacutevaacute člověk při šlechtěniacute odrůd spur typy (kompakt typy) jabloniacute absence trnů u ostružiniacuteku variabilita květenstviacute jiřinky proměnliveacute vznik plemen domaacuteciacutech zviacuteřat je založen na podchyceniacute spontaacutenniacutech mutaciacute ndash plemena psů

INDUKOVANEacute MUTACE působeniacute mutagenů

zaacuteměrneacute ndash ve vyacutezkumu ve šlechtěniacute rostlin (př odrůdy ječmene DIAMANT (zkraacuteceniacute steacutebel ndash nepoleacutehaacute) kompaktniacute růst a samosprašnost třešně změna barvy slupky u jabloně ndash sbquoredlsquo mutace)

nezaacuteměrneacute ndash důsledek použitiacute jadernyacutech a chemickyacutech zbraniacute ndash Yperit jaderneacute a jineacute katastrofy

1950 radiomutace chemomutace 1965 ječmen Diamant

Suspenzniacute kultury - SK KULTURA V TEKUTEacuteM MEacuteDIU ROSTE A DĚLIacute SE NĚKOLIKANAacuteSOBNĚ RYCHLEJI NEŽ KULTURA

NA PEVNEacuteM MEacuteDIU Využitiacute jako experimentaacutelniacute model produkce sekundaacuterniacutech metabolitů indukce somaklonaacutelniacute variability a naacutesledneacute selekce mikropropagace (pod kontrolou genetickeacute stability) pohyb kultury v bioreaktoru maacute za naacutesledek potlačeniacute apikaacutelniacute dominance tiacutem se stimuluje růst mnohonaacutesobnyacutech pryacutetů

Bioreaktory firmy VitroSys Inc Korea

ideaacutelniacute SK ndash rychlyacute růst karyologickaacute stabilita životnost buněk rentabilita

Minimaacutelně 103 ml buněk 110 suspenze v exponenciaacutelniacute faacutezi se doplniacute čerstvyacutem meacutediem Koncentrace sacharidů prodlužuje periodu růstu

Velkokapacitniacute kultivace rostlinnyacutech buněk v tekutyacutech meacutediiacutech sterilniacute prostřediacute obsahujiacuteciacute živiny a laacutetky potřebneacute pro růst a jeho regulaci vhodneacute pro kultivaci rostlinnyacutech mikrobiaacutelniacutech a živočišnyacutech buněk

Bioreaktor

Bioreaktory s tekutyacutem meacutediem explantaacutety jsou ponořeny v tekuteacutem meacutediu Bioreaktory s pravidelnyacutem zaplavovaacuteniacutem (temporary immersion bioreactor TIB) explantaacutety jsou pravidelně zaplavovaacuteny

Bioreaktor

httpwwwuebcasczcscontentzensenove-spagety

pěstujiacute se jen kořeny - zisk GINSENOSIDŮ za 3 měsiacutece v laboratoři stejnyacute zisk jako z rostlin ženšenu v přiacuterodě za 8 let obsah GINSENOSIDŮ je srovnatelnyacute s planě rostouciacutemi rostlinami množstviacutem i vzaacutejemnyacutem poměrem jednotlivyacutech laacutetek

v Koreji od r 2004

hairy-root systeacutem a sekundaacuterniacute metabolity

Sekundaacuterniacute metabolity - SM ROSTLINA BUNĚČNAacute KULTURA

EXTRAKT prověřovaacuteniacute oddělovaacuteniacute čištěniacute aktivniacute složky testovaacuteniacuteprověřovaacuteniacute

ČISTAacute BIOAKTIVNIacute LAacuteTKA

SM z buněčneacute kultury - extrakty ziacuteskaneacute za reprodukovatelnyacutech podmiacutenek spolehliveacute zdroje meacutedium - množstviacute čisteacuteho produktu

buňky rostou v tekuteacutem meacutediu -ne celaacute rostlina

produkt rostlina in vitro ()

rostlina ()

poměr

ginsenoside Panax ginseng 27 45 6 x

rosmarinic acid Coleus blumei 27 3 9 x

caffeic acid Vanilla planifolia 002 0005 4 x

shikonin Lithospermum erythrorhizon

20 15 135 x

ubiquinon-10 Nicotiana tabacum 0036 0003 12 x Heldman et al 2011

anti

oxy

dan

ty v sušině

bioreaktory

Sekundaacuterniacute metabolity - SM Rostlina Uacutečinnaacute laacutetka Uacutečinek

Artemisia annua pelyněk ročniacute artemisinin antimalarikum

Digitalis lanata naacuteprstniacutek vlnatyacute digoxin srdečniacute stimulants

Dubosia myoporoides lilkoviteacute atropin

scopolamin

očniacute přiacutepravky mořskaacute nemoc

Lithospermum

erythrorhizon

kamejka

rudokořennaacute

shikonin protinaacutedoroveacute

Panax ginseng ženšen pravyacute stimulant imunitniacuteho systeacutemu

Salix alba vrba biacutelaacute salicin antirevmatikum proti horečce

Taxus brevifolia tis

zaacutepadoamerickyacute

baccatin taxol protinaacutedoroveacute

Vinca rosea barviacutenek růžovyacute vinblastin

vinkristin

protinaacutedoroveacute alkaloidy

leukeacutemie

buněčnaacute kultura

Rostlina Extrakt Uacutečinek

Linum usitatissimum len setyacute olej

Mentha piperita maacuteta peprnaacute maacutetovyacute olej -

mentol

žaludečniacute potiacuteže

Mentha spicata maacuteta klasnataacute mentol žaludečniacute potiacuteže

Zingiber officinale zaacutezvor leacutekařskyacute gingerol antioxidant

informace z tradičniacute lidoveacute mediciacuteny - použitiacute extraktů a purifikace zdroje z nedotčeneacuteho ekosysteacutemu

kalusovaacute kultura buněčnaacute suspenze orgaacutenovaacute kultura - Artemisia Mentha - pryacutety

rostliny jsou vyacuterobci sekundaacuterniacutech metabolitů

cytostatikum

Sekundaacuterniacute metabolity - SM

Heldman et al 2011

VYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY

nezaacutevisleacute na geografickyacutech podmiacutenkaacutech

nezaacutevisleacute na sezoacutenniacutech podmiacutenkaacutech

v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

v přiacuterodě kontrolovaacuteno množstviacute in vitro ne

nepřetržitaacute dodaacutevka produktu

uniformniacute kvalita produktu

uniformniacute vyacutetěžnost produktu (průběžně)

vyacuteběr vhodneacute linie s vyššiacute produkciacute produktu

možnost tvorby novyacutech laacutetek nenormaacutelniacutech u donora

NEVYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY staacutele se vyviacutejejiacuteciacute

překaacutežky - pomalyacute růst

genetickaacute nestabilita

různorodost

niacutezkyacute obsah metabolitu

produkty vylučovaacuteniacute provozniacute - světelneacute podmiacutenky aseptickeacute podmiacutenky

STRATEGIE TVORBY SM vyacuteběr donorovyacutech rostlin - biochemickeacute testy

iniciace kalusů

vyacuteběr buněčneacute linie - rychle rostouciacute vysokaacute produkce

ciacutelenyacute metabolismus - kultivačniacute meacutedium (složeniacute koncentrace proporcionalita)

kultivačniacute podmiacutenky (teplota světlo pH) zvlaacuteštniacute požadavky (prekurzor simulace stresu - napadeniacute patogenem)

uvolněniacute do meacutedia

Embryokultury

Embryokultury = kultivace zralyacutech nebo nezralyacutech embryiacute in vitro

1904 Hannig - embrya u ředkve

1925 Laibach - aplikace v mezidruhoveacutem křiacuteženiacute r Linum sp

1945 Randolph - zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu u r Iris sp

1970 Kasha Kao - ziacuteskaacuteniacute haplodů u ječmene

Hordeum vulgare (zůstaacutevaacute) x Hordeum bulbosum (eliminace chromozoacutemů)

Zygotickaacute embrya vyacuteživa z endospermu (heterotrofniacute)

Embrya in vitro vyacuteživa z kultivačniacuteho meacutedia

In vitro oplodněniacute u člověka - 1978 pro neplodneacute paacutery

geneticky stabilniacute metoda

Embryokultury- in vitro

I Kultura semennyacutech embryiacute tj izolace plně vyvinutyacutech

bipolaacuterniacutech struktur obsahujiacuteciacutech kořenovyacute a stonkovyacute systeacutem

II Kultura proembryiacute tj izolace nezralyacutech zaacuterodků předchaacutezejiacuteciacutech

diferenciaci děloh

Embryogeneze zygotickeacuteho embrya (in vivo)

zygota (přiacuteprava na 1 děleniacute)

faacuteze pomaleacuteho vyacutevinu embrya po oplozeniacute

faacuteze rychleacuteho vyacutevinu růstu a diferenciace embrya

faacuteze dozraacutevaacuteniacute embrya

faacuteze přechodu embrya do dormance (ABA)

Embryokultury

1 překonaacuteniacute barieacuter vzdaacuteleneacuteho křiacuteženiacute (abortace hybridniacutech embryiacute sterility semen)

2 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu (viacutece generaciacute za rok)

3 řešeniacute jarovizačniacuteho staacutedia

4 primaacuterniacute explantaacutet pro dalšiacute kultury

5 eliminace inhibice kliacutečeniacute

6 studium mineraacutelniacute vyacuteživy

7 umělaacute semena

8 studium metabolickyacutech vztahů mezi embryem a endospermem embryem a dělohami

9 ziacuteskaacuteniacute haploidniacutech rostlin

Opylovaacuteniacute in vitro

Opylovaacuteniacute in situ

in vitro

Inkompatibilita rostlin

zaručuje stabilitu druhu

Barieacutery procesu opyleniacute a oplozeniacute

vnějšiacute (teplota vlhkost nedostatečnaacute vyacuteživa )

vnitřniacute (inkompatibilita samčiacute nebo samičiacute sterilita)

využitiacute v raacutemci šlechtěniacute rostlin k překonaacuteniacute prezygotickyacutech barieacuter vznik mezidruhovyacutech mezirodovyacutech hybridů

Barieacutery Technika překonaacuteniacute

Před oplodněniacutem selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute blizny pestiacuteku pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

rezistence vůči abiotickeacutemu stresu rezistence vůči škůdcům vyššiacute vyacutenos

přenos z jineacuteho druhu

EK využitiacute ve šlechtěniacute

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury HAPLOID rostlina s n počtem chromozomů menšiacute sterilniacute

1963 T Yamada a kol Tradescantia reflexa (haploidy)

1964 - 1966 S Guha SC Maheswari Datura diploidizace kolchicinem

1969 JP Nitsch a kol celeacute rostliny (tabaacutek)

1973 JP Nitsch Norrel mikrosporoveacute kultury

2000 šlechtitelskeacute programy polniacutech plodin (obiloviny řepka)

využiacutevajiacute haploidniacute kultury in vitro

Androgeneze prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Androgeneze - kultivace prašniacuteků pyl zrn mikrospor = samčiacute genotyp

Gynogeneze - kultivace neoplodněnyacutech vajiacuteček = samičiacute genotyp

Haploidie - spontaacutenniacute = haploidniacute partenogeneze (gynogeneze androgeneze) frekvence 10-6

- experimentaacutelniacute indukovanaacute

fyzikaacutelniacute faktory = UV γ-zaacuteřeniacute X-paprsky teplotniacute šoky

zaacutesahy do procesů opyleniacute a oplozeniacute (inaktivniacute pyl)

explantaacutetoveacute metody = prašniacutekoveacute a pyloveacute kultury kultivace semeniacuteků a vajiacuteček

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury Ontogeneze pylu

In vivo mikrosporogeneze

pylovaacute mateřskaacute buňka

meiosa

pyloveacute tetraacutedy

vyacutevoj mikrospory (1 pyl mitoacuteza)

In vitro vyacutevoj embryoidu

(vegetativniacute generativniacute buňka)

- přiacutemaacute embryogeneze

- nepřiacutemaacute embryogeneze

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

využitiacute haploidů (majiacute jen jednu sadu chromosomů)

segregace vloh na gametickeacute uacuterovni ndash homozygoacutetniacute stav (čisteacute linie v F2 generaci)

detekce recesivniacutech mutaciacute (fenotypickyacute projev)

trpasličiacute varieta ndash u okrasnyacutech rostlin

Dihaploidizace

n rostliny - sterilniacute

104 ndash 105 mikrospoacuterml meacutedia

Brassica sp

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Prašniacutekoveacute kultury

viacutece než 200 druhů (řepka ryacuteže kukuřice obiloviny)

20-60 dnů

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

vyacutevoj globulaacuterniacuteho embrya a naacutesledně haploidniacute rostliny přiacutemo z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory

z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory vznikaacute kalus rarr indukce organogeneze

TYPY ANDROGENEZE

vzaacutecně

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Solanaceae

Brassicaceae

Poaceae

prašniacuteky

Androgeneze

Indukovanaacute androgeneze ndash přiacuteklady

Beta vulgaris - homozygotniacute linie

Brassica napus - novaacute odrůda linie

Hordeum vulgare

Lycopersicon - novaacute odrůda

Nicotiana - noveacute odrůdy

Oryza - noveacute odrůdy

Pelargonium - trpasličiacute variety

Triticum ndash cv Florin Huapei

Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby Praha Vyacutezkumnyacute uacutestav obilnaacuteřskyacute Kroměřiacutež Vyacutezkumnyacute uacutestav olejnin Oseva

Gynogeneze kultury izolovanyacutech vajiacuteček

kultury izolovanyacutech semeniacuteků

kultury izolovanyacutech květenstviacute in vitro

haploidniacute rostliny

spontaacutenniacute dihaploidniacute rostliny

ječmen kukuřice moruše

slunečnice cibule

kultivace vajiacuteček Beta vulgaris Tomaszewska-Sowa 2010

327 haploids 458 diploids and 215 ndash mixoploids

x opyleniacute ozaacuteřenyacutem pylem

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

Polyploidizace in vitro

duplikace celeacuteho genomu až 70 všech krytosemennyacutech rostlin je polyploidniacutech (Masterson 1994) POLYPLOID metabolicky aktivnějšiacute a rozměrnějšiacute plodiny ktereacute jsou vhodneacute pro pěstovaacuteniacute a leacutepe se vyrovnaacutevajiacute se stresovyacutemi podmiacutenkami

kolchicin

oryzalin

trifluralin

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze protoplastů

1892 Klecker - 1 mechanickaacute izolace protoplastů Stratiotes aloides (řezan pilolistyacute) 1960 EC Cocking 1 enzymatickaacute izolace protoplastů Nicotiana sp 1978 G Melchers a kol 1 mezirodovyacute hybrid bdquopomatoldquo bdquotopatoldquo Solanum tuberosum x S lycopersicum (Lycopersicum esculentum)

httptheplanetfixerorg387new-vegetable-created-the-tomato-potato-plant

Protoplastoveacute kultury

= kultivace rostlinnyacutech buněk zbavenyacutech buněčneacute stěny

Protoplast = rostlinnaacute buňka bez buněčneacute stěny jejiacute povrch tvořiacute cytoplazmatickaacute membraacutena maacute kulovityacute tvar

Protoplastoveacute kultury - regenerace

Faktory ovlivňujiacuteciacute kultivaci a regeneraci

Hustota ( počet protoplastů v 1 ml)

Životnost ()

Podmiacutenky kultivace a meacutedium

bull Studium synteacutezy buněčneacute stěny vyacutevoj buňky fyziologie buňky a cytogenetiku

bull Studium hodnoceniacute uacutečinků farmak potravinovyacutech doplňků agrochemickyacutech laacutetek na rostlinnou

buňku

bull Studium transportu iontů a laacutetek přes cytoplasmatickou membraacutenu

bull Somatickaacute hybridizace (fuacuteze protoplastů)

bull Inkorporace exogenniacuteho genetickeacuteho materiaacutelu ndash organel cybridizace

bull Genoveacute transformace (cizorodaacute DNA z bakteriaacutelniacuteho plasmidu)

Protoplastoveacute kultury - fuacuteze

Využitiacute

kombinace znaků odlišnyacutech druhů a rodů ktereacute by nevznikly přirozenou cestou

jedinečneacute kombinace jadernyacutech a organelovyacutech genomů vytvaacuteřiacute noveacute genetickeacute zdroje

často jen - čaacutest chromozomů asymetrickeacute jaderneacute hybridy

chloroplasty

mitochondrie

chemickeacute fuacuteze - pomalejšiacute elektrofuacuteze - fuacutezanti po 10 min vyššiacute frekvence fuacutezantů

cytoplazmickeacute hybridy - cybridy

Charakterizace hybridů - morfologicky cytologicky molekulaacuterniacute analyacutezy

Přirozenaacute mezidruhovaacute hybridizace - vznik některyacutech kulturniacutech plodin

B oleracea + B campestris = Brassica napus Nicotiana sylvestris + N tomentosa = Nicotiana tabacum

cybridy nelze ziacuteskat klasickou hybridizaciacute (křiacuteženiacutem) ndash samčiacute pohlavniacute buňky (pyl zrna) nemajiacute plastidy a mitochondrie

V přiacuterodě blesky do půdy modifikace bakteriiacute

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

Přenos jaderneacute a cytoplazmatickeacute genetickeacute informace mezi rostlinnyacutemi druhy rody

- překonaacuteniacute sexuaacutelniacute inkompatibility

- přenos genů rezistence vůči virovyacutem houbovyacutem chorobaacutem

- přenos cytoplazmatickeacute samčiacute sterility

- přenos rezistence vůči stresům (teplotniacutem zasoleniacute)

- přenos rezistence vůči hmyziacutem škůdcům

(synteacuteza fytoalexinů)

- přenos genů pro synteacutezu zaacutesobniacutech proteinů vitamiacutenů

alkaloidů

plnokvětost

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

využitiacute pro fytoremediace

Brassica juncea Tlaspi caerulescens brukev siacutetinovitaacute peniacutezek modravyacute akumulace Pb akumulace Zn a Ni hybrid se zvyacutešenou rezistenciacute k Pb Zn a Ni rychlyacute naacuterůst

biomasy

Brassica napus Thlaspi caerulescens hybridi rostly na vysokeacutem obsahu Zn

Fuacuteze protoplastů rodu Brassica s planyacutemi druhy

Armoracia rusticana

Barbarea vulgaris

Camelina sativa

Capsella bursa pastoris

Diplotaxis catholica

Diplotaxis muralis

Diplotaxis harra

Eruca sativa

Lesquerella fendleri

Mathiola incana

Moricandia arvensis C4

Moricandia nitens C4

Raphanus sativus

Sinapis alba

Sinapis arvensis

Thlaspi perfoliatum

Thlaspi caerulescens

Genoveacute banky In vitro genoveacute banky

2397 vzorků 1249 odrůd Solanum tuberosum 450 teraploidniacutech křiacuteženců S tuberosum 266 dihaploidů 119 mezidruhovyacutech hybridů rodu Solanum 313 genotypů kulturniacutech genotypů 23 planyacutech druhů

Havliacutečkův Brod

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu rostlin

1 Uchovaacutevaacuteniacute semen ndash semenneacute banky (od 1 roku - hellip)

2 Uchovaacutevaacuteniacute vegetativniacutech orgaacutenů ndash hliacutezy cibule řiacutezky

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro Kraacutetkodobeacute - aktivně rostouciacute kultury (pravidelneacute pasaacuteže) - uchovaacuteniacute kultur v minimaacutelniacutem růstu nižšiacute teploty kultivace

Dlouhodobeacute u rostlin kde nejsou semena

- za velmi niacutezkyacutech teplot (-196oC) = kryobanka

Databaacuteze ndash přiacutestupneacute z celeacuteho světa

Špicberky

genobanka - wwwvurvcz part databases EVIGEZ

vyacuteznam v mediciacuteně

Zaacuteložniacute fond semena potravinaacuteřskyacutech plodin z celeacuteho světa

stane se zaacuteložniacutem fondem pro ostatniacutech 1400

semennyacutech bank po celeacutem světě

v Iraacuteku a v Afghaacutenistaacutenu byla podobnaacute zařiacutezeniacute za

vaacutelky zcela zničena

na Filipiacutenaacutech je v roce 2006 poškodila povodeň

semennaacute banka pro světoveacute plodiny je umiacutestěna v hoře

maacute vyztuženeacute stěny betonem a železem

třiacute komory o velikosti 27 kraacutet 10 metrů

teplota minus 18 oC (konzervace po stovky až tisiacutece let) httpwwwnorambczarkivBasisartikler---OversettelserIkke-

bruktnovinkyseedvault_eng

k 1172010 zde bylo uloženo 716 523 vzorků semen patřiacuteciacutech ke 4 205 druhům

českaacute banka uloženaacute v Praze-Ruzyni zaacuteloha na Slovensku

Špicberky

Uchovaacutevaacuteniacute genofonduv ČR

genofond odrůd meruněk broskvoniacute mandloniacute reacutevy vinneacute kdouloniacute lonicer rakytniacuteků a dřiacutenů

2400 položek

25 000 položek

5400 položek 2397

položek

4700 položek

2000 položek

2300 položek

Naacuterodniacute informačniacute systeacutem genetickyacutech zdrojů EVIGEZ httpwwwgenbankvurvczgeneticresources

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro

KRYOBANKA

prašniacuteky a pyl pletiva a orgaacuteny meristeacutemy

kalus

suspennzniacute somatickaacute kultury embrya

dlouhodobeacute skladovaacuteniacute

nižšiacute naacuteroky na uchovaacuteniacute

mezinaacuterodniacute vyacuteměna

nižšiacute podiacutel lidskeacute praacutece

potřeba menšiacuteho prostoru

uchovaacuteniacute genetickeacute stability

omezeniacute staacuternutiacute

ozdravenyacute materiaacutel

prodlouženeacute použitiacute pylu

uchovaacuteniacute vzaacutecnyacutech rostlin

apikaacutelniacute vrcholy

Biotechnologickaacute laboratoř Nestleacute - uchovaacutevaacute buněčneacute embryogenniacute linie kaacutevy kakaa a banaacutenů

Německaacute sbiacuterka mikroorganismů a buněčnyacutech kultur (DSMZ Braunschweig Německo) meristeacutemy 519 staryacutech kultivarů brambor ndash metoda mrazeniacute alginaacutetovyacutech perel

International Potato Centre (CIP Lima Peru) - 345 kultivarů brambor

INIBAP Leuven Belgie - 306 kultivarů banaacutenu (14 ze světoveacuteho počtu kultivarů)

Naacuterodniacute genobanka klonů NCGR USA - ročniacute naacuteklady

udržovaacuteniacute jedneacute položky v sadu (hrušně) 77 dolarů na skladovaacuteniacute in vitro 23 dolarů na kryoprezervaci 1 dolar (při počaacutetečniacute investici na kryometodu 50 dolarů za uchovaacutevanou jednotku)

Přiacuteklady komerčniacuteho využitiacute kryoprezervace meristeacutemů

Aplikace biotechnologiiacute ve šlechtěniacute rostlin

rostliny postraacutedajiacute schopnost aktivně se přesouvat z dosahu nepřiacuteznivyacutech vlivů rostliny vyvinuly adaptačniacute mechanismy pro překonaacuteniacute stresů a tiacutem přežitiacute v extreacutemniacutech podmiacutenkaacutech

Biotechnologie v zemědělstviacute ekologickeacute zemědělstviacute

VLIV ŠKŮDCŮ CHOROB A PLEVELŮ NA ZEMĚDĚLSKEacute PLODINY

1 sniacuteženiacute velikosti a vaacutehy zrna 2 ztraacuteta ve velikosti hliacutez a kořenů 3 zvyacutešeniacute obsahu vlhkosti 4 změny v chemickeacutem složeniacute zrna hliacutez a kořenů 5 odbarveniacute zrna a hliacutez - deformace 6 tvorba mykotoxinů patogeny 7 sniacuteženiacute kliacutečivosti 8 redukce krmiva

spotřeba vody - rezistence k suchu sniacutežiacute spotřebu uchovaacuteniacute vody rostlinou aplikace hnojiv chemickaacute kontrola škůdců

- studium abiotickeacuteho stresu

- zlepšeniacute ochrany rostlin vůči škůdcům

- ochrana životniacuteho prostřediacute

- zlepšeniacute kvality potravin

odstraněniacute hladu GMO fytoremediace

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

ohroženiacute klimatickyacutem suchem v ČR ndash nejrizikovějšiacute oblasti nižšiacute polohy na jižniacute a středniacute Moravě v prostoru mezi Prahou Uacutestiacutem nad Labem a Žatcem zaacutepadně od Pardubic

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

Rezistence k suchu - využitiacute vody

Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

vyacutevoj samčiacuteho gametofytu - spojen s expresiacute genů - 150 specifickyacutech genů spraacutevneacute načasovaacuteniacute

sporofyt gametofyt

2n 1n

rostlina pylovaacute zrnazaacuterodečnyacute vak

pohlavniacute rozmnožovaacuteniacute přiacuterodniacute vyacuteběr

pylzrna - exina (ovlivněna sporofytem) ochrana před UV laacutekaacuteniacute opylovačů - barva vůně komunikace s bliznou produkce alergenů

strategie rostlin zabraacuteněniacute samoopyleniacute

Biotechnologie v zemědělstviacute samčiacute gametofyt n TETRASPORE (TES) reg gen je vyžadovaacuten ke tvorbě přepaacutežek mezi produkty meioacutezy u mutanta všechna čtyři jaacutedra mikrospoacutery zůstaacutevajiacute ve stejneacute cytoplazmě polyploidniacute jedinci n GEMINI POLLEN 1 (GEM1) reg gen je vyžadovaacuten k orientaci mitotickeacuteho vřeteacutenka mutant tvořiacute dvě symetrickaacute jaacutedra typu vegetativniacuteho vede ke sterilitě n SIDECAR POLLEN (SCP) reg gen je vyžadovaacuten k děleniacute pylu prvniacute symetrickaacute pylovaacute mitoacuteza mutanta daacutevaacute dvě stejneacute buňky jedna extra- vegetativniacute (sterilniacute sidecar) a druhaacute regvegetativniacute a generativniacute mutace nevede ke sterilitě n QUARTET (QRT) reg gen je vyžadovaacuten k separaci pylovyacutech zrn u mutantů jsou stěny meiotickyacutech produktů pyloveacute mateřskeacute buňky fuacutezovaacuteny a zrna se uvolňujiacute v tetraacutedaacutech

samičiacute makrogametofyt n FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED (FIS) a FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) reg geny hrajiacute regulačniacute role ve vyacutevinu semene po oplozeniacute u mutantů se diploidniacute jaacutedra endospermu vyviacutejejiacute bez oplozeniacute pak atrofujiacute mutace neovlivňujiacute vaječnou buňku - procesy embryogeneze a vyacutevinu endospermu jsou odlišneacute n MEDEA (MEA) reg mutace genu způsobuje hypertrofii a zaacutenik embrya neniacute jasneacute na jakeacute uacuterovni se gen projevuje zaacuterodečnyacute vak endosperm nebo maternaacutelně imprintovanyacute embryonaacutelniacute gen

Biotechnologie ve šlechtěniacute rostlin Selektivniacute šlechtěniacute rostlin - přiacuterodniacute genetickeacute diverzity rostlin Techniky překonaacuteniacute barieacuter šlechtěniacute

Barieacutery Technika překonaacuteniacute Před oplodněniacutem

selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute pestiacuteku

pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony

pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro

selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů

odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute

abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry

sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

vyacutevoj semen

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

Škůdci v historii naacutelety sarančat (Staryacute zaacutekon)

ochrana saze tabaacutek

začaacutetek 19 stol - siacutera na houboveacute patogeny 1939 objev DDT uacutečinek na hmyz teorie bdquohmyz se může staacutet rezistentniacuteldquo 1948 Nobelova cena P Muumlller

50 leacuteta 20 st - herbicidy - postřiky na plevele ( rezistence na herbicid) 1972 zaacutekaz DDT (vyacutejimka - boj s malaacuteriiacute v Africe - naacutevrat DDT)

škůdce - hmyz hliacutestice 1861 - v Americe Iowa Nebraska 1880 1 pesticid v S Americe arzeacutenem bdquoParis greenldquo

S rostouciacute intenzitou pěstovaacuteniacute roste hospodaacuteřskyacute vyacuteznam škodlivyacutech organismů objem škod se zvyšuje staacutele přibyacutevajiacute noveacute druhy škodlivyacutech organismů zavaacutedějiacute se staacutele noveacute prostředky

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin - hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy

1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho

obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

ROS Reactive oxygen species reaktivniacute formy kysliacuteku SAR Systemic acquired resistance systeacutemově ziacuteskanaacute rezistence = neinfikovaneacute buňky začiacutenajiacute s přiacutepravou na atak patogena

napadeneacute rostliny uvolňujiacute signaacutelniacute molekuly (těkaveacute laacutetky - druhově specifickeacute) a varujiacute okolniacute rostliny ještě před napadeniacutem hmyzem

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin -hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy 1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

produkujiacute u různyacutech rostlin různě - sekundaacuterniacute metabolity - odstrašeniacute nebo zničeniacute patogena - proteiny inhibujiacuteciacute aktivitu zažiacutevaciacutech enzymů hmyzu - enzymy degradujiacuteciacute buněčnou stěnu hub (chitinaacutezy) - proteiny inhibujiacuteciacute překlad proteinů u škůdce - antiviroveacute složky degradujiacuteciacute virovou RNA blokujiacute vstup do buňky zastavujiacute replikaci

geny ktereacute bdquoSARldquo zapiacutenajiacute zvyšujiacute rezistenci rostliny

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům - již v čaacutesti fytotatologie

Co je plevel soutěžiacute s plodinou o živiny světlo a prostor intenziacutevně roste podiacuteliacute se na šiacuteřeniacute chorob a škůdců

lat herba - rostlina řeč cidoacute - ničiacutem

Vznik rezistence plevelů vůči některyacutem herbicidniacutem laacutetkaacutem = reakce plevelnyacutech druhů na podmiacutenky současneacuteho pěstovaacuteniacute rostlin = dlouhodobeacute působeniacute herbicidů

Vyacutevoj plevelů na zemědělskeacute půdě v naacutevaznosti na skladbu pěstovanyacutech plodin Vznik rezistence plevelů vůči herbicidům Problematika invaziacute a expanziacute plevelů

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům

Rezistenci vůči herbicidům způsobujiacute biochemickeacute fyziologickeacute změny nebo morfologickeacute odlišnosti ktereacute ovlivňujiacute přiacutejem herbicidů rostlinou

- degradujiacute herbicid

- měniacute jeho biochemickou funkci v rostlině

- pozměňujiacute miacutesto na ktereacute herbicid v rostlině působiacute

Rezistence rostlin vůči herbicidům dědičnaacute schopnost odolaacutevat takoveacute daacutevce herbicidů při ktereacute by za normaacutelniacutech okolnostiacute byla populace potlačena

směr pro šlechtěniacute

Aplikace rostlinnyacutech biotechnologiiacute v životniacutem

prostřediacute

takto nebo takto

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Těžba a zpracovaacuteniacute surovin(těžkeacute kovy- Cd Pb prach) Průmyslovaacute vyacuteroba (barviva)

Skladovaacuteniacute (haldy kaliště sklaacutedky) Zemědělstviacute (pesticidy herbicidy)

Domaacuteciacute odpad (leacutečiva detergenty praciacute prostředky)

čin

no

st č

lově

ka

půda voda ovzdušiacute

znečištěniacute

degradace organismy produkujiacuteciacute laacutetky (enzymy) pro

ciacutelenyacute rozklad

organismy snižujiacuteciacute toxicitu toxickeacute laacutetky metylaciacute dehalogenace hydroxylace hydrolyacuteza deaminacehellip

substraacutet je zdrojem C a energie

dekontaminace

+ katastrofy Černobyl vaacutelečneacute konflikty

remediace = navraacuteceniacute k původniacutemu stavu

Biodegradace všechny přirozeneacute procesy ktereacute jsou uskutečňovaacuteny bakteriemi a jinyacutemi mikroorganizmy nebo vyššiacutemi organismy ktereacute vedou k destrukci organickyacutech molekul = organickyacute substraacutet je přeměňovaacuten až na CO2 Bioremediace (bakterie houby)

spočiacutevaacute v akceleraci přirozenyacutech biodegradačniacutech procesů nebo v ciacuteleneacute biodegradace - vede k ozdraveniacute kontaminovaneacuteho prostřediacute - detoxifikace měniacute se na netoxickeacute = neškodneacute laacutetky - aplikaciacute mikroorganismů

Fytoremediace (rostliny) niacutezkaacute cena

využitiacute rostlin k odstraněniacute toxickeacute zaacutetěže (těžkeacute kovy) řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny Zooremediace (zviacuteřata)

zpracovaacuteniacute odpadů pomociacute zviacuteřat bezobratliacute - perlorodky měkkyacuteši

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

nevyacutehody pomalaacute viacutece než 2 roky maleacute rozměry vhodnyacutech rostlin maacutelo druhů vhodnyacutech rostlin neniacute 100 probleacutem s rostlinnyacutem odpadem - potřeba zvlaacuteštniacutech sklaacutedek spadeneacute listiacute

- řiacutezeneacute spalovaacuteniacute

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacute len slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

vyacutehody mineralizace organickyacutech sloučenin niacutezkeacute naacuteklady pasiacutevniacute metoda bez transportu kontaminovaneacute půdy energie ze slunečniacuteho zaacuteřeniacute nepoškozuje okoliacute - sniacuteženiacute prašnosti

estetickyacute přiacutenos etickyacute uacutečinek (veřejnosti přijatelnyacute)

2005 cca 450 rostlinnyacutech druhů - tzv bdquohyperakumulaacutetoryldquo 100 x vyššiacute akumulace než u ostatniacutech rostlin

teorie vzniku - obrana vůči hmyzu - hmyz preferuje

niacutezkeacute koncentrace kovu

Thlaspi careulescens

X bagrovaacuteniacute kontaminovaneacute zeminy transport zeminy dekontaminace

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute přiacutejem kořeny - z půdy přiacutejem nadzemniacute čaacutestiacute rostliny - vyacutefukoveacute plyny

akumuluje

degraduje

detoxifikuje

roste na kontaminovaneacute půdě

produkuje velkeacute množstviacute biomasy

tolerantniacute k salinitě a jinyacutem toxickyacutem podmiacutenkaacutem

poskytuje ekonomickeacute hodnoty - textilniacute vlaacutekna (len konopiacute)

GMO - gen fytovolatizace - bakteriaacutelniacute geny transformovaacuteny do rostlin transgeny merA a merB fytoextrakce - gen gsh1 a gsh2 z E coli do Brassica juncea

potenciaacutel je v GMO rostlinaacutech

Laboratoř rostlinnyacutech biotechnologiiacute Společnaacute laboratoř UacuteEB AV ČR vvi A VUacuteRV vvi Akademie věd Českeacute Republiky Mendelova univerzita v Brně Uacutestav experimentaacutelniacute botaniky AV ČR Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby v Praze Metoda použita na čištěniacute uranem a radiem znečištěneacute vody v Mydlovarech - kořenovaacute čistiacuterna

ideaacutelniacute rostlina

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

proces substraacutet ciacutel rostlina

fytoextrakce fytoakumulace

odstraněniacute toxickyacutech laacutetek z půdy a vody - akumulaciacute rychle rostouciacute rostlinou (zůstaacutevaacute v rostlině)

půda sedimenty kaly odpadniacute vody

toxickeacute kovy radionuklidy

Thlaspi sp Brassica sp

fytostabilizace ciacuteleneacute pěstovaacuteniacute tolerantniacutech druhů zamezeniacute eroziacute

půda haldy odkaliště těžkeacute kovy dlouheacute a bohateacute kořeny

fytovolatizace odstraněniacute Hg pomociacute genu koacutedujiacuteciacuteho reduktaacutezu Hg2+ na Hg0

a uvolněniacute do ovzdušiacute

půdy sedimenty odkaliště průmysloveacute a zemědělskeacute odpadniacute vody

kovy - Se Hg chlorovanaacute rozpouštědla

stromy traacutevy Brassica sp

fytodegradace degradace kontaminantů rostlinou na netoxickeacute laacutetky

půdy sedimenty odkaliště odpadniacute vody

ropneacute laacutetky pesticidy detergenty

stromy traacutevy

rhizofiltrace odstraněniacute pomociacute rostlinnyacutech kořenů

povrchoveacute vody odpadniacute vody

těžkeacute kovy - Co Cu Cr Mn Ni radionuklidy

Brassica sp Helianthus vodniacute rostliny hydroponie

superrostliny

niacutezkeacute naacuteklady

kořenovaacute čistička = umělyacute mokřad oddělenyacute od okoliacute nepropustnou foacuteliiacute využiacutevaacute samočisticiacutech procesů probiacutehajiacuteciacutech v propustneacutem půdniacutem prostřediacute za spoluuacutečasti rostlin čištěniacute odpadniacutech vod z domaacutecnostiacute sklaacutedek a některyacutech průmyslovyacutech provozů

Rhizofiltrace

httpwwwnemcoviceczcontentviewfull3607

rostliny s vysokyacutemi

naacuteroky na vyacuteživu

+

bakterie

může zapaacutechat

5x - 10 x nižšiacute naacuteklady

Člověk čistiacute odpadniacute vodu za pomoci zařiacutezeniacute

ale přiacuteroda to zvlaacutedaacute bez přiacutestrojů a mnohem levněji

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute niacutezkeacute naacuteklady

rostlina chemickaacute sloučenina

pšenice 24 -D MCPA jako zdroj uhliacuteku

kukuřice atrazin degradace atrazinu mikroorganismy rhizosfeacutery

fazole diazinon parathion mineralizace v rhizosfeacuteře

luštěniny nafta

Kučerovaacute et al 1999 Chemickeacute listy

přiacutejem - velikost kořenoveacuteho systeacutemu přiacutestupnost pro rostlinu např chelaacutety

transport rostlinou - apoplast (difuacuteziacute)

symplast (specifickeacute přenašeče)

miacutesto uskladněniacute hustota rostlin v porostu

zaacutevažnějšiacute ekologickyacute a toxikologickyacute vyacuteznam přibližně 16 prvků (Fe Mo Mn Zn NiCo Cu V W Cr Hg Pb Cd Sb Ag a U)

Budoucnost fytoremediaciacute niacutezkeacute naacuteklady

Fytoremediace v praxi

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Ural 1953 odstraněniacute těžkyacutech kovů

Amana Iowa hybridniacute topoly atrazin odstraněna čaacutest až 20

Beaverton Kreton

hybridniacute topoly

organickeacute laacutetky kovy

a amonneacute sloučeniny

celkoveacute vyčistěniacute oblasti

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Fukušima 113 2011 slunečnice radioaktivniacute cesium dekontaminace půdy

Černobyl 2641986 slunečnice jabloně

cesium stroncium dekontaminace půdy povrchoveacute vody

paacutes 30 km - likvidace radioaktivniacutech rostlin

nebudou spaacuteleny rozloženy a kompostovaacuteny - speciaacutelniacute bakterie

slunečnice spotřebovaacutevajiacute z půdy drasliacutek kteryacute patřiacute mezi alkalickeacute kovy stejně jako cesium drasliacutek neniacute v půdě přiacutetomen květiny využijiacute praacutevě druhyacute prvek - Cs

Biotechnologie v ŽP niacutezkeacute naacuteklady

fytomining - fytodobyacutevaacuteniacute fytodolovaacuteniacute

ziacuteskaacutevaacuteniacute kovů z rostlin kde klasickaacute těžba je nevyacutehodnaacute rostliny - bdquotěžaři vzaacutecnyacutech kovůldquo a polokovů AuTh Co U Cd Ni Cu Mn

v rostlinaacutech hyperakumulaacutetorech je akumulace prvku sušina rostliny jako -ldquobio-rudaldquo

vyacutehody

- obsah kovu v bdquobio-ruděldquo je vyššiacute než v běžneacute rudě

- meacuteně skladovatelneacuteho miacutesta

- zelenaacute technologie jako alternativa

fytomining Ni pomociacute Alyssum bertolonii

Robinson et al 1997 The nickel hyperaccumulator plant Alyssum bertolonii as a potential agent for phytoremediation and phytomining of

nickel Journal of Geochemical Exploration59(2)75-86

zlatonosneacute rostliny

zlataacute jablka

zlateacute kapradiacute

hledaacuteniacute nalezišť

technologie budoucnosti

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute bioplasty z biomasy (škroby tuky) nahrazujiacute fosilniacute zdroje vyacutehodou je biodegradace biopaliva rostlinnyacute materiaacutel a řasy bioethanol GMO rezistentniacute rostliny vůči postřikům hmyziacutem škůdcům transfer genů pro symbiotickou fixaci dusiacuteku z luštěnin do dalšiacutech plodin přenos genů z bdquoC4ldquo do bdquoC3ldquo rostlin pro dosaženiacute uacutečinnějšiacute fotosynteacutezy (ryacuteže)

Transgenoziacute se přenaacutešiacute přirozeneacute geny vznikleacute evoluciacute z jednoho organismu do druheacuteho kteryacute se s daacutercem genu obvykle

nemůže křiacutežit pouze dokaacuteže přenosy mezi vyacutevojově ještě vzdaacutelenějšiacutemi organismy

Geny použiacutevaneacute při transgenosi jsou braacuteny z přiacuterody např gen v soacuteji tolerujiacuteciacute glyfosaacutet - je z bakterie rodu Agrobacterium

Klasičtiacute šlechtiteleacute takto pracujiacute daacutevno např smiacutechali geny pšenice a žita

GMO

Transgenoze ndash vnaacutešeniacute znaacutemyacutech jednotlivyacutech genů do dědičneacuteho

zaacutekladu (poprveacute 1978)

Pro přenos - Agrobacterium tumefaciens A rhizogenes E coli

httpblogscassuffolkeduiglesias20140424gmos

GMO bez obalu httpwwwbezpecnostpotravinczUserFilespublikaceGMO_web_1pdf

GMO - transgenniacute rostliny CARTAGENSKYacute PROTOKOL o biologickeacute bezpečnosti 29 1 2000 Montreal (OSN ndash program pro životniacute prostřediacute UNEP) platnost 11 9 2003

ČR podepsala 24 52000 (gmovschtcz) nyniacute 160 staacutetů

opatřeniacute ve staacutetech ktereacute se připojiacute k projektu (dovoz vyacutevoz transport)

vzdělaacuteniacute odborniacuteků a informovaacuteniacute veřejnosti

vytvořeniacute noveacute legislativy GMO (wwwenvcz )

spolupraacutece při vyacuteměně zkušenostiacute

Svět 2010 - viacutece než 150 mil ha viacutece než 20 zemiacute

pro vegetačniacute čaacutesti

nebo plody

CIacuteL PROTOKOLU - zajistit ochranu a bezpečnost při zachaacutezeniacute využiacutevaacuteniacute a přenosu živyacutech modifikovanyacutech organismů ktereacute jsou vyacutesledkem moderniacutech biotechnologiiacute a ktereacute mohou miacutet nepřiacuteznivyacute vliv na zachovaacutevaacuteniacute biologickeacute rozmanitosti a zdraviacute člověka Protokol je zaměřen předevšiacutem na převoz GMO přes hranice staacutetů a maacute ochraňovat zejmeacutena staacutety kteryacutem dosud chybiacute vlastniacute vnitrostaacutetniacute praacutevniacute předpisy v oblasti GMO

GMO - transgenniacute rostliny historie

EVROPA

SRN - Max-Planck-Institut

Belgie - Universita Ghent

Švyacutecarsko- ETH Zurych

ČR - Biofyzikaacutelniacute uacutestav Brno (Agrobacterium jako vhodnyacute přenašeč genů)

ČR - UacuteEB ČSAV Českeacute Budějovice (metody modifikaciacute)

2010 1 transgenniacute hraacutech v Evropě (ČR Agritec Šumperk)

transgenniacute len - oleje

FYTOPATOLOGIE IN VITRO

Fytopatologie in vitro

in vitro selekce = kultivace buněk se selekčniacutem činitelem (fitraacutet inokulum toxin)

ndash přežiacutevajiacuteciacute buňky jsou regenerovaacuteny do rostlin resistentniacuteho fenotypu

Studium interakce rostlina x patogen v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

Druh Patogen Typ biologickeacuteho testu Ciacutel

Coffea arabica Colletotrichum kahawae růst houby na kalusech vyacuteběr rezistentniacutech genotypů

Vitis vinifera Elsinoe ampelina růst kalusu na meacutediu s patogenem testy rezistence

Lycopersicon aes Alternaria alternata testy na izollistech in vitro hodnoceniacute toxicity

Pinus taeda Cronartium quercuum embryokultury s houbami vyacuteběr rezistentniacutech embryiacute

Triticum aestivum Microdochium nivale listy semenaacutečky in vitro vyacuteběr rezistentniacutech kultivarů

ozdravovaacuteniacute rostlin

klonoveacute množeniacute rezistentniacutech taxonů

Page 3: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,

Ciacutel předmětu navaacutezat na zaacutekladniacute předměty vyacuteuky a rozšiacuteřit znalosti v oblasti biotechnologiiacute zejmeacutena rostlinnyacutech naacutevaznost na předměty - obecnaacute biologie fyziologie rostlin genetika ekologie konfrontace s praxiacute - čaacutest přednaacutešek zajišťuje AGRITEC Šumperk

přednaacuteškycvičeniacute 11 hodtyacuteden blokovaacuteno podle možnostiacute kredity 3 ukončeniacute kolokvium

Přednaacutešky blokovaacuteny (2 - 3hod) Biotechnologie - historie od počaacutetku po současnost členěniacute interdisciplinaacuternost rostlinneacute bdquozeleneacuteldquo biotechnologie (Božena Navraacutetilovaacute UPOL) Potenciaacutel rostlinneacute buňky a podstata explantaacutetovyacutech kultur rostlin metody (techniky zachovaacutevajiacuteciacute a techniky zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu rostlin) a jejich aplikace ve šlechtěniacute rostlin (Božena Navraacutetilovaacute UPOL) Využitiacute rostlinnyacutech biotechnologiiacute v zemědělstviacute farmaceutickeacutem průmyslu uchovaacutevaacuteniacute genofondu a fytoremediaci (Božena Navraacutetilovaacute UPOL) Možnosti využitiacute geneticky modifikovanyacutech plodin (Lenka Švaacutebovaacute Agritec Šumperk)

Sylabus a naacutevody botanyupolcz naacutevody sylabus 2014

Kolokvium 10 prosince 2014 Vyhodnoceniacute založenyacutech experimentů rozprava

Vlastniacute prezentace vybraneacute biotechnologie (1 ndash 3 studenti)

Sylabus a naacutevody botanyupolcz naacutevody sylabus 2014

Kolokvium 10 prosince 2014 Vyhodnoceniacute založenyacutech experimentů rozprava

Vlastniacute prezentace vybraneacute biotechnologie (1 ndash 3 studenti)

Cvičeniacute blokace (max 6 studentů ve skupině) naacutevody na www straacutenkaacutech katedry botaniky vyacuteukoveacute materiaacutely httpbotanyupolczmaterialyids[]=311k311 I čaacutest Cvičeniacute - zaacutekladniacute metody explantaacutetovyacutech kultur rostlin (Božena Navraacutetilovaacute) řiacutejen ndash listopad 2014 1 Bezpečnost praacutece a zaacutesady praacutece v aseptickeacutem prostřediacute 2 Sterilizace rostlinneacuteho materiaacutelu naacutestrojů skla a dalšiacutech pomůcek přiacuteprava meacutediiacute 3 Kultivace explantaacutetů pasaacutežovaacuteniacute 4 Mikropropagace rostlin 5 Embryokultury izolace a kultivace embryiacute 6 Prašniacutekoveacute kultury izolace a kultivace prašniacuteků II čaacutest Transgenoacuteze (Petr Dvořaacutek) řiacutejen ndash listopad 2014 Transformace bakteriiacute modrobiacutelaacute selekce pomociacute vektoru s rezistenciacute pro antibiotika

BEZPEČNOST PRAacuteCE

Student je povinen řiacutedit se pokyny vedouciacuteho cvičeniacute - dbaacutet osobniacute bezpečnosti a bezpečnosti svyacutech kolegů v laboratoři

Student je povinen přichaacutezet na praktickaacute cvičeniacute včas seznaacutemen s naacutevodem praktickeacuteho cvičeniacute a doporučenyacutemi pomůckami

Student musiacute byacutet vybaven přezůvkami osobniacute věci (tašku batoh oblečeniacute) si uložiacute na vyhrazeneacute miacutesto ktereacute je zabezpečeno před zcizeniacutem

Před cvičeniacutem si student umyje a desinfikuje ruce určenyacutem desinfekčniacutem prostředkem - OROSEPT 70 etanol

Při praacuteci ve flowboxu student dodržuje zaacutesady pro aseptickou praacuteci desinfekčniacutem roztokem vytře box (ISORAPID) spustiacute box 10 min před zahaacutejeniacutem praacutece dbaacute aby saacutem nebyl zdrojem kontaminaciacute při nachlazeniacute použije roušku udržuje v boxu pořaacutedek

Student dbaacute bezpečnosti při praacuteci s ohněm (lihoveacute kahany)

Student dbaacute bezpečnosti a se zvyacutešenou opatrnostiacute pracuje s řeznyacutemi naacutestroji se sklem lihovyacutem kahanem a s elektřinou

Student zachaacuteziacute se svěřenyacutemi přiacutestroji šetrně jejich zaacutevady ihned hlaacutesiacute vyučujiacuteciacutemu (saacutem neopravuje)

Student hlaacutesiacute veškeraacute poraněniacute vyučujiacuteciacutemu

Po ukončeniacute cvičeniacute student vypne a uklidiacute flowbox uzavře kahan Zbytky rostlinneacuteho materiaacutelu zlikviduje umyje použiteacute sklo

BIOTECHNOLOGIE

- členěniacute interdisciplinaacuternost (mezioborovost)

- historie od počaacutetku po současnost - rostlinneacute bdquozeleneacuteldquo biotechnologie

Použitaacute literatura Bajaj Y P S Somatic hybridization in crop improvement 1994

Callaway D J Callaway M B Breeding ornamental plants Timber Press Oregon 2000

George E F Plant propagation by tissue culture The technology Exegetics Limited Edington 1993

Hall R D Plant cell culture protocols Humana Press Totowa (NJ) 1999

Heldman D R Wheler M B Hoover DG Encyklopedia of biotechnology in agriculture and food CRC Press 2011

Kreuzer H Massey A Biology and biotechnology Science Applications and issues ASM Press Washington DC 2005

Lindsey K Plant tissue culture Manual Kluwer Academic Publishers London 1992

Kučerovaacute P Mackovaacute M Macek T Chemickeacute listy 93 19-26 1999

Murphy D Plants biotechnology and agriculture Cambridge University Press 2011

Ovesnaacute J Kučera L Otaacutezky biologickeacute bezpečnosti GMO a mezinaacuterodniacute zaacutevazky ČR Sborniacutek VUacuteRV Praha 2004

Prochaacutezka S a kolektiv Fyziologie rostlin Academia 1998

Smith R H Plant tissue culture Techniques and experiments Second edition Academic Press 2000

Smith J E Biotechnology Cambridge 2009

Trigiano R N Gray D J Plant development and biotechnology CRC Press 2005

Biotechnologie

Biotechnologie jsou na zaacutekladě Evropskeacute federace pro biotechnologii (EFB) z roku 1981 definovaacuteny jako

bdquoSoubor postupů založenyacutech na technologiiacutech při nichž se využiacutevaacute metabolickeacuteho potenciaacutelu mikroskopickyacutech organizmůldquo Jsou to interdisciplinaacuterniacute obory zahrnujiacuteciacute a využiacutevajiacuteciacute poznatky mikrobiologie biochemie chemie a přiacuteslušnyacutech průmyslovyacutech odvětviacuteldquo wwwscimuniczmikrobkvasbiotechbiotechnologiebiotechnologiehtml

Multidisciplinaacuterniacute povaha (Smith 2009)

Biotechnologie podle definice OECD představuje aplikovaacuteniacute vědeckyacutech a technologickyacutech metod na živeacute organismy a jejich čaacutesti produkty nebo modely za uacutečelem přeměny živyacutech i neživyacutech materiaacutelů pro vytvaacuteřeniacute znalostiacute zbožiacute a služeb

z řečtiny bios + techne + logos

život + dovednost + znalost

staraacute definice

novaacute definice

OECD Organizace pro ekonomickou spolupraacuteci a rozvoj Organisation for Economic Co-operation and Development

Biotechnologie

BIOTECHNOLOGIE novyacute nebo staryacute vynaacutelez biotechnologie průmysloveacute zemědělskeacute leacutekařskeacute biotechnologie mikrobiaacutelniacute živočišneacute rostlinneacute obsah i dosah

biologickyacute psychologickyacute ekonomickyacute ekologickyacute (postoj Amišů ndash meacuteně pesticidů neniacute v rozporu s jejich životniacutem stylem rizika při uvaacuteděniacute do životniacuteho prostřediacute) etickyacute - oteviacuteraacuteme bdquoPandořinu skřiacutenkuldquo

- věda jako zachraacutence nebo nepřiacutetel lidstva

odpor GMO plodinaacutem potravinaacutem

akceptovatelneacute rezistentniacute plodiny k herbicidům

BIOTECHNOLOGIE - rozvoj 21 stoletiacute - integrovanaacute aplikace přiacuterodniacutech a inženyacuterskyacutech věd - ciacutelem je využitiacute organismů a čaacutestiacute organismů k vyacuterobě produktů nebo použitiacute různyacutech metod (postupů)

ČLENĚNIacute PODLE ODVĚTVIacuteZAMĚŘENIacute ČERVENAacute BIOTECHNOLOGIE (mediciacutena a farmacie) - leacutekařstviacute je považovaacutena za nejdůležitějšiacute oblast použitiacute - biotechnologickeacute postupy rostouciacute roli při vyacutevoji novyacutech leacuteků (např k leacutečbě rakoviny) diagnostice (DNA) využitiacute kmenovyacutech buněk při leacutečbě zaacutevažnyacutech chorob

ZELENAacute BIOTECHNOLOGIE (zemědělstviacute a potravinaacuteřstviacute) bdquoRostlinneacute biotechnologieldquo nejstaršiacute - moderniacute šlechtěniacute rostlin ciacuteleně se zvyšujiacute odolnosti proti hmyzu pliacutesniacutem virům a herbicidům - vyacuteznam genoveacute techniky kteraacute je zaacutekladem pro přenos určityacutech genů z jednoho druhu na jineacute rostliny a umožňuje vyacutevoj odolnosti vůči hellip

ŠEDAacute BIOTECHNOLOGIE (životniacute prostřediacute-environmentaacutelniacute) - obnoveniacute znečištěneacuteho prostřediacute biomonitoring - indikaacutetory znečištěniacute - biotechnologickeacute postupy při sanaci půdy uacutepravě odpadniacutech vod čištěniacute vyacutefukovyacutech plynů využitiacute odpadu

BIacuteLAacute BIOTECHNOLOGIE (často spojovanaacute s šedou biotechnologiiacute) - chemickyacute průmysl vyprodukovat substance jako např alkohol vitamiacuteny aminokyseliny antibiotika enzymy způsobem ktereacute šetřiacute zdroje a životniacute prostřediacute s pomociacute živyacutech buněk (kvasinky pliacutesně bakterie)

MODRAacute BIOTECHNOLOGIE mořskeacute biologie biologickeacute organismy světovyacutech mořiacute - zdroje potravin energie leacutečiv surovin - bioprocessing šlechtěniacute a ochrana mořskyacutech organismů ciacutelenyacute chov vodniacutech organismů (aquaculture )

ZELENAacute BIOTECHNOLOGIE (zemědělstviacute a potravinaacuteřstviacute)

bdquoRostlinneacute biotechnologieldquo nejstaršiacute - moderniacute šlechtěniacute rostlin = ciacuteleně se zvyšujiacute odolnosti vůči hmyzu pliacutesniacutem virům a herbicidům - genoveacute techniky = přenos určityacutech genů z jednoho druhu na jinyacute umožňujiacute vyacutevoj odolnosti vůči hellip - využitiacute bakteriiacute ke zvyacutešeneacutemu růstu rostlin

- biomonitoring = využitiacute rostlin jako indikaacutetorů znečištěniacute půdy (kovy) - fytomining

Rostlinneacute biotechnologie

Kde by lideacute byli bez rostlin

Historie rostlin čas před proces vyacuteznam

45 miliardy let tvorba země nemožnyacute život

39 oceaacuteny voda je předpokladem pro uhliacutek-založenyacute život

35 nejstaršiacute cyanobacteria efektivnějšiacute fotosynteacuteza- rychlejšiacute růst O2

24 kysliacutek v atmosfeacuteře aerobniacute org postupně převažujiacute nad aerobniacutemi

21 endosymbioacuteza mezi cyanobacterium a eukaryotniacutem hostitelem prvniacute fotosyntetizujiacuteciacute eukaryotickyacute org -

jednobuněčnaacute řasa

16 mnohobuněčneacute řasy zeleneacute a červeneacute řasy

13 v atmosfeacuteře 3 O2 dominujiacute aerobniacute org nad aerobniacutemi

1 zvyšujiacuteciacute se počet mořskyacutech řas zvyacutešeniacute atmosfeacuterickeacuteho 02

750 milioacutenů mnohobuněčneacute zeleneacute řasy začaacutetek buněčneacute specializace

550 v atmosfeacuteře 12 O2

500 prvniacute suchozemskeacute rostliny eukaryotickaacute kolonizace země

470 prvniacute spory jaterniacutekům podobneacute rostliny

428 Cooksonia 2-3 cm velkeacute steacutelka Bryophyta s dominantniacute haploidniacute generaciacute

ceacutevnateacute rostliny bez semen- mechy přesličky kapradiny převažuje 2n generace

360 nejstaršiacute fosilniacute nahosemenneacute

140 nejstaršiacute krytosemenneacute

85 nejstaršiacute obiloviny

68 nejstaršiacute luštěniny adaptace na deficit N2

11 tisiacutec let domestifikace rostlin vliv člověka na rostliny

500 let globalizace zemědělskyacutech plodin světoveacute rozšiacuteřeniacute domestifikovanyacutech rostlin

300 člověkem prvniacute vyrobeneacute hybridniacute rostliny zaacuteměrneacute vytvaacuteřeniacute novyacutech druhů pro člověka

100 začaacutetek vědeckeacuteho šlechtěniacute rostlin manipulace s genomem a fenotypem rostlin

30 prvniacute transgenniacute rostlina novyacute gen do rostlinneacuteho genomu

20 prvniacute schvaacutelenaacute GMO rostlina - potravina rajče cv FLAVR SAVR Murphy 2011

6000 pnl produkce piva fermentaciacute (kvašeniacutem) Babyloacuteňaneacute Sumeroveacute

4000 pnl využitiacute kvasinek ve vyacuterobě piva a viacutena v Egyptě a Čiacuteně (znaacutem ječmen)

1675 Leeuwenhoek pozoroval bakterie

1860 Koch - rozvoj mikrobiologie

1857 Pasteur demonstrace fermentace - otec biotechnologiiacute

1877 Koch vypracoval techniky izolace a barveniacute bakteriiacute

1919 Ereky zavedeniacute termiacutenu biotechnologie

1935 Fleming objev peniciliacutenu - zavedeniacute sterilizace

1953 Watson a Crick popis struktury DNA

1975 Kohler a Milstein - produkce monoklonaacutelniacutech protilaacutetek

1978 produkce 1 lidskeacuteho proteinu v buňce firmou Genntech (USA) = inzuliacuten 1 praktickeacute využitiacute

1980 zavedeniacute metod rekombinantniacute DNA produkce inzuliacutenu v E coli

1994 schvaacuteleniacute prvniacute geneticky modifikovaneacute potraviny ndash rajče

1996 klonovaacuteniacute ovce Dolly Wilmuth a kol

Biotechnologie - historie

vyacuteroba jiacutedla a naacutepojů procesy vyviacutejeny za nesterilniacutech podmiacutenek zavedeniacute sterilniacutech podmiacutenek do biotechnologickyacutech procesů aplikace genetiky a technologie rekombinantniacute DNA

přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

nevyacutehoda - nekontrolovaneacute

zavedeniacute lidskeacuteho genu určujiacuteciacuteho produkci specifickeacute biacutelkoviny (inzuliacutenu) do bakterie pomociacute plazmidu - po zabudovaacuteniacute do genetickeacuteho aparaacutetu hostitelskeacute buňky je bakterie schopna produkovat AMK v přesně daneacutem pořadiacute a syntetizovat

lidskyacute inzuliacuten

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve

velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 11 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1843 superfosfaacutet hellip intenzivniacute hnojeniacute v zemědělstviacute

1849 Darwin - vznik druhů přirozenou selekciacute (cesta kolem světa Galapaacutegy)

1846-1850 krize monokultur - bdquobramborovyacuteldquo hladomor v Irsku (Phytophtora infestans)

1857 Pasteur - fermentace - otec biotechnologiiacute

1866 Mendel - publikuje svoje zaacutekony (znovu objeveny 1900)

1869 Miescher - objevuje DNA

1902 Haberlant - totipotence rostlinneacute buňky

1910 odrůda brambor Bintje (Holandsko) - odrůda roku 2012

1919 Ing Karl (Kaacuteroly) Ereky - termiacuten biotechnologie

migrace do Ameriky

technologie přeměny surovin na využitelneacute produkty pomociacute živyacutech organismů

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho

průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 10 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1923 Burbank USA - křiacuteženci bramboru odrůda

bdquoRUSSET BURBANKldquo (skladovatelnost hliacutez)

1933 prvniacute hybridi kukuřice

1941 Beadle a Tatum - hypoteacuteza 1 gen-1 enzym

1941 24-D (syntetickyacute auxin) jako prvyacute moderniacute herbicid

1950 1 radiomutanti chemomutanti řepka pšenice ryacuteže biacuteleacute fazole

ječmen (1965 - DIAMANT)

1960 ndash1970 ldquozelenaacute revoluceldquo zakrsliacute hybridi - Norman Borlaug

1970 NC miacuteru

1969 Triticale (Triticosecale tritikale žitovec - hybridniacute obilnina Triticum x Secale)

REKOMBINANTNIacute TECHNIKY

1985 prvniacute GM rostliny na poliacutech v UK

1995 odrůda bdquoBT NEW LEAF RUSSET BURBANKldquo

1998 zlataacute ryacuteže

2010 1 GMO hraacutech (Agritec)

I GMO odrůda brambor - odolnaacute vůči mandelince bramboroveacute vložen gen z bakteacuterie Bacillus thuringiensis produkujiacuteciacute protein narušujiacuteciacute vnitřnosti mandelinky

Mexiko 1943 import frac12 spotřeby pšenice 1944 plnaacute soběstačnost pšenice 1964 export 05 milionů tun pšenice

httpenwikipediaorgwikiNorman_Borlaug

Budoucnost biotechnologiiacute v ČR bdquoBiotechnologie jsou celosvětově nejprogresivnějšiacutech oblast vyacutezkumu vyacutevoje a podnikaacuteniacuteldquo

produkce viacutena - 1 psanaacute zmiacutenka r 276 (na Paacutelavě řiacutemskeacute legie) produkce piva - 11 stoletiacute syacutery destilaacutety 14 stoletiacute 1356 - kraacutelovskyacute dekret o produkci viacutena v Českyacutech zemiacutech alchymie (Rudolf II) 1518 - založeniacute Paliacuterny U Zeleneacuteho stromu v Prostějově 1887 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu pivovarskeacuteho a sladařskeacuteho v Praze 1949 - průmyslovaacute produkce peniciliacutenu v Roztokaacutech u Prahy 1966 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu antibiotik a transformaciacute (již neexistuje)

wwwbiotrincz wwwgate2biotechcz

AV ČR Univerzity Vyacutezkumneacute uacutestavy Šlechtitelskeacute stanice

kaacutemen mudrců elixiacuter mlaacutediacute přeměna hmoty

glukosa + kvasinky etanol + oxid uhličityacute přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces carlsbergensis

Biotechnologie v ČR

18 prosince 2008 bylo založeno sdruženiacute CzechBio - asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR zspo 1 asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR spojuje třicet soukromyacutech biotechnologickyacutech společnostiacute a akademickyacutech uacutestavů podpora spolupraacutece komerčniacute sfeacutery s vědeckou httpwwwczechbioorgcs

projekt Algatech ndash Centrum řasovyacutech biotechnologiiacute vyacutevoj novyacutech kultivačniacute zařiacutezeniacute a postupů na zpracovaacuteniacute řasoveacute biomasy pro vyacuterobu biopaliv krmiv potravniacutech doplňků a cennyacutech laacutetek Mikrobiologickyacute uacutestav Akademie věd ČR Třeboň

Centrum regionu Hanaacute pro biotechnologickyacute a zemědělskyacute vyacutezkum

UPOL + VUacuteRV + UacuteEB AV ČR - vytvaacuteřeniacute zemědělskyacutech plodin s vyššiacutemi vyacutenosy toleranciacute vůči nepřiacuteznivyacutem vlivům vnějšiacuteho prostřediacute

- transformace rostlin ječmene a dalšiacutech obilnin

wwwcr-hanaeu

Biotechnologie v ČR

wwwalgaczcscs-algatechhtml

Českaacute technologickaacute platforma rostlinnyacutech biotechnologiiacute ndash rozvoj biotechnologiiacute v ČR = Rostliny pro budoucnost (ČTP RB) - nepotravinaacuteřskeacute využitiacute rostlin vedlejšiacutech produktů odpadů - vyacutevoj novyacutech odrůd kulturniacutech rostlin - uplatněniacute rostlinnyacutech biotechnologiiacute v raacutemci životniacuteho prostřediacute

httpwwwczechinvestorgceska-technologicka-platforma -rostlinnych-biotechnologii

selekce - vyacuteběr nejlepšiacutech rostlin křiacuteženiacute GMO

Přiacuteklad šlechtěniacute - novyacute typ ryacuteže - maleacute vzpřiacutemeneacute listoveacute čepele - hodně odnožiacute - žaacutedneacute neproduktivniacute odnože - silneacute steacuteblo - C3 ryacuteže na C4 ryacuteže

Rostlinneacute biotechnologie Co pěstujeme na poliacutech v zahradaacutech a v sadech a co naacutesledně jiacuteme prošlo za několik tisiacuteciletiacute proměnou Prvniacute změna - předkoveacute opustili životniacute styl lovců a sběračů a stali se pěstiteli zemědělskyacutech plodina a chovateli hospodaacuteřskyacutech zviacuteřat

zlataacute ryacuteže geny z 5 různyacutech druhů

- Phaseolus vulgaris pro ferritin - Aspergilus fumigatus - ferritin - ryacuteže Basmati - ferritin - Narcissus pseudonarcissus synteacuteza karotenu - Erwinia uredovora - synteacuteza karotenu

bdquozlataacute ryacuteželdquo tvořiacute zvyacutešeneacute množstviacute provitaminu A zabraacuteniacute hladu zachraacuteniacute zrak vznikla na požadavek humanitaacuterniacute organizace bdquoHumanitarien Rice Boardldquo kteraacute se snažiacute řešit probleacutemy s nedostatkem potravy v nejchudšiacutech čaacutestech našiacute planety

švyacutecarskyacute genetik Ingo Portykus a německyacute genetik Peter Bayer

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute

ekologickaacute udržitelnost kvantita a kvalita zaacutekladniacutech zdrojů zemědělstviacute ekonomickaacute udržitelnost zemědělskaacute produkce (uacuteroda na ha) a zisk cena za produkty sociaacutelniacute (společenskaacute) udržitelnost kvalita života zemědělců vysokaacute kvalita potravin bez rizika na zdraviacute a prostřediacute

Co je udržitelneacute zemědělstviacute Mohou biotechnologie pomaacutehat

snižovaacuteniacute kvality zaacutekladniacutech zdrojů vyčerpaacuteniacute zaacutekladniacutech zdrojů

Vyhliacutedky na budoucnost

naacuterůst počtu obyvatel

zvyacutešeniacute životniacuteho standardu

pokles plochy orneacute půdy

pokles pracovniacuteků v zemědělstviacute

naacuterůst cen potravin

Naacuterůst zemědělskeacute produkce s využitiacutem biotechnologiiacute

šlechtěniacute (rezistence k chorobaacutem)

noveacute plodiny

nutričniacute kvalita plodin

ochrana rostlin

bezpečnost produktů

hybnou silou biotechnologiiacute je naacuterůst obyvatel Kolik lidiacute by mělo žiacutet na planetě Zemi

Rostlinneacute biotechnologie

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute mutace s naacuteslednou selekciacute odchylek noveacute techniky EK ciacutelenyacute přenos genů

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

prvniacute zemědělci

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) BT prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute MUTACE s naacuteslednou selekciacute odchylek - odrůda ječmene bdquoDIAMANTldquo

noveacute TECHNIKY EK VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

ciacutelenyacute přenos genů GMO

CO BUDE DAacuteL zvyšovat vyacutenosy BUDE VĚTŠINA PĚSTOVANYacuteCH ZEMĚDĚLSKYacuteCH PLODIN TRANSGENNIacute

vznik zemědělstviacute

1954

jsme moudřejšiacute

maacuteme většiacute možnosti

Počaacutetek EK 1902 Gottlieb Haberland segmenty listů 1904 Hannig zralaacute embrya

Potenciaacutel rostlinneacute buňky a podstata

explantaacutetovyacutech kultur rostlin

metody a jejich aplikace

ve šlechtěniacute rostlin

EK - historie

TOTIPOTENCE rostlinneacute buňky genetickeacute informace - jaacutedro plastidy mitochondrie

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

daacute se přeneacutest v raacutemci šlechtěniacute

blok totipotence

vyjaacutedřeniacute totipotence 1 dediferenciace buňky do buněčneacuteho cyklu a pokračovaacuteniacute v děleniacute 2 rediferenciace - tvorba organickyacutech struktur - přiacutemaacute regenerace tvorba kalusu - nepřiacutemaacute regenerace

vliv růstovyacutech regulaacutetorů

Rostlinneacute biotechnologie prvniacute generace - od explantaacutetovyacutech kultur po GMO

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute rostlin - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

Explantaacutet = aseptickaacute kultivace izolovanyacutech čaacutestiacute rostlin za umělyacutech podmiacutenek

EXPLANTAacuteTOVEacute KULTURY - VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

EK - historie

Metody EK využitelneacute v zemědělstviacute Meristeacutemoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Somatickaacute embryogeneze

Embryokultury

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze + buněčneacute inženyacuterstviacute

Genetickeacute manipulace

VITRIFIKACE (hyperhydricita) ndash vyjadřuje abnormality růstu in vitro skelnatyacute syndrom vyacutehonů křehkeacute mokryacute vzhled pryacutetů (vodou nasycenyacutech) průsvitnyacute sukulentniacute vzhled

metody zachovaacutevajiacuteciacute genotyp beze změn během kultivace metody zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu během kultivace

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK 1 rychleacute namnoženiacute

2 ozdravovaacuteniacute

3 překonaacuteniacute nekřiacutežitelnosti - embryokultury

4 dlouhodobeacute udržovaacuteniacute genetickyacutech zdrojů

5 indukce mutantů - ziacuteskaacuteniacute novyacutech genotypů

6 předselekce - urychleniacute šlechtitelskeacuteho cyklu

7 ziacuteskaacuteniacute novyacutech a udrženiacute genotypů s pylovou sterilitou

8 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho procesu

9 produkce haploidů

10 produkce polyploidů

11 rychlejšiacute ziacuteskaacuteniacute vyacutechoziacuteho šlechtitelskeacuteho materiaacutelu pro noveacute odrůdy

12 somatickaacute hybridizace - fuacuteze

13 konstrukce novyacutech genotypů kulturniacutech plodin přenos bdquoužitečnyacutech genůldquo

14 udržovaacuteniacute genofondu

15 selekce in vitro - rezistence k abiotickyacutem a biotickyacutem stresům

16 produkce sekundaacuterniacutech metabolitů

Plodina Technika

ječmen pšenice kukuřice

řepka paprika brukvovitaacute

zelenina mrkev

androgeneze

cibule gynogeneze

jahodniacutek česnek ozdravovaacuteniacute

brambor traacutevy polyploidizace in vitro

jeteloviny drobneacute ovoce

ovocneacute dřeviny podnože traacutevy mikropropagace

brambor řepka somatickaacute hybridizace

hraacutech brambor rezistence k chorobaacutem

traacutevy embryokultury

Kombinace metod embryokultury oplozeniacute in vitro fuacuteze protoplastů

plodiny se geneticky upravujiacute pro většiacute rezistenci k herbicidům - ničeniacute plevele bez poškozeniacute uacuterody GM rajčata potlačujiacute gen pro polygalakturonaacutezu enzym degradujiacuteciacute pektin způsobujiacuteciacute měknutiacute pletiv (Deacon a kol 2002)

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK

Meristeacutemoveacute kultury

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny meristeacutemoveacute kultury

Vyacutehody maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky naacuteslednaacute mikropropagace ozdraveneacuteho materiaacutelu bdquovirus - freeldquo

Vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana Iniciace kultury Testovaacuteniacute in vitro Přenos do nesterilniacutech podmiacutenek Testovaacuteniacute

MERISTEacuteM ndash děliveacute nediferencovaneacute pletivo ozdravovaacuteniacute rostlin (02 - 05 mm) meristeacutemy

OZDRAVOVAacuteNIacute Termoterapie (vyššiacute teplota)

Meristeacutemovaacute kultura Chemoterapie (antivirotika)

viry - nebuněčneacute mikroorganismy virovaacute čaacutestice = virion sklaacutedaacute se z RNA nebo DNA a kapsidu

fytopatologie in vitro

ribavirin

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny

Vyacuteznamneacute viroveacute choroby rostlin v ČR od 30 ztraacutet CaMV - 1968 PVY 30 -70 VMCH (virus mozaiky chmele) až o 70 mozaika česneku 25 - 50 žloutenka cibule až 100 bronzovitost rajčat

- žloutnutiacute listů kroužky a čaacutery na listech nevyvinuteacute rostliny abnormaacutelniacute růst - vstupujiacute různyacutemi poraněniacutemi - šiacuteřiacute se plasmodesmaty - velmi odolneacute proti inaktivaci - přenaacutešeny semeny hliacutezami pylem roubovaacuteniacutem hmyzem houbami červy

1952 Morel a Martin u jiřin

Využitiacute metody jahodniacutek česnek zeleniny květiny okrasneacute dřeviny ovocneacute dřeviny banaacutenovniacutek hellip

Tvorba bezviroacutezniacutech rostlin

1 meristeacutem = 1 rostlina testovaacuteniacute

wwwoselczindexphpclanek=2819

viroacutezniacute x zdravaacute

M Navraacutetil KBBPřFUPOL

PVY

In vitro klonovaacuteniacute mikropropagace meristeacutemoveacute kultury

zisk geneticky identickeacute rostliny vegetativniacutem množeniacutem

VYacuteHODY

maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny ktereacute jsou geneticky stabilniacute

v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky

vyššiacute množitelskyacute koeficient - potenciaacutelniacute hodnota zisku rostlin

Postup - vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana - iniciace kultury - mikropropagace - přenos do nesterilniacutech podmiacutenek

KLON - kolekce geneticky identickyacutech individuiacute původem z jedineacuteho rodiče

komerčně od 1960

httpwwwjanholubcz

In vitro meristeacutemoveacute kultury - využitiacute - zaacutechrana a množeniacute ohroženyacutech druhů kaktusy

- zaacutechranneacute množeniacute cennyacutech genotypů a liniiacute sterilniacutech rostlin - udrženiacute rodičovskyacutech komponent pro tvorbu hybridniacutech odrůd

- množeniacute transgenniacutech rostlin

- zachyceniacute a klonovaacuteniacute nově nalezenyacutech mutantů při šlechtěniacute

- klonovaacuteniacute nejlepšiacutech jedinců pro produkci elitniacuteho osiva

- vegetativniacute množeniacute okrasnyacutech rostlin karafiaacutet gerbera anthurie orchideje

sanpaulie kapradiny hellip

- množeniacute drobneacuteho ovoce jahodniacutek maliniacutek reacuteva

- množeniacute dřevin podnože pro školkařstviacute lesniacute dřeviny tropickeacute dřeviny

- v zelinaacuteřstviacute množeniacute brambor zeliacute

- množeniacute pouze samičiacutech rostlin datlovaacute palma

- kryoprezervace (-196 oC) jahodniacutek maliniacutek hraacutech brambor karafiaacutet

Genoveacute

banky

Mikropropagace multiplikace klonovaacuteniacute nejen z meristeacutemů

Solanum tuberosum Cucumis sativus Olea europea Eucalyptus grandis Salix sp Syringa sp Juglans regia

Schopnost regenerace tvorba identickyacutech rostlin = přiacutemaacute somatickaacute embryogeneze

Meristeacutemy Pryacutetoveacute segmenty Kalusy Embrya

Zdroje odchylek bull vysokeacute daacutevky růstovyacutech regulaacutetorů typ regulaacutetoru bull rostliny regenerujiacute z basaacutelniacuteho kalusu (možnost gen změn)

Kalusoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Primaacuterniacute explantaacutet kalus meristemoid orgaacutenoveacute primordium

Kalus = masa děliacuteciacutech se a rostouciacutech buněk

nejsou uniformniacute mohou se lišit velikostiacute tvarem pigmentaciacute metabolismem nebo počtem chromosomů

bull za určityacutech podmiacutenek regenerace pryacutetů a kořiacutenků

tma x světlo

subkultivace

metoda geneticky nestabilniacute

Kalusoveacute kultury - somaklonaacutelniacute variabilita ndash MUTACE a zisk novyacutech znaků

- mikropropagace ndash cibule žen-šen hellip

- vyacutechoziacute materiaacutel pro suspenzniacute a protoplastovou kulturu

- materiaacutel pro indukovaneacute mutace (zaacuteřeniacute chemomutageny)

- sekundaacuterniacute metabolity (alkaloidy AMK saponiny oleje složky vůniacute protinaacutedoroveacute laacutetky steroidy )

polyploidie aneuploidie

Selekce mutantů se zlepšenou nutričniacute hodnotou (viacutece biacutelkovin v zrnu)

Rezistence vůči zasoleniacute (vysokyacute turgor v buňkaacutech akumulace NaCl ve vakuolaacutech)

Rezistence vůči chorobaacutem (synteacuteza fytotoxinů fytoalexinů)

Sekundaacuterniacute metabolity (= chemickeacute individuality v rostlinaacutech ndash barviva vůně chuti obrana)

Artemisia annua - artemisin (antimalarika) Capsicum sp - capsaicin (protinaacutedoroveacute)

Digitalis lanata - digoxin (srdečniacute stimulanty) Papaver somniferum - codein (sedativa)

Taxus breviola - taxol (protinaacutedoroveacute) Vanilla planifolia - vaniliacuten (aroma)

Panax ginseng - (imunitniacute systeacutem) Zingiber officinale ndash gingerol (antioxidant)

Somatickaacute embryogeneze a suspenzniacute kultury

Využitiacute

umělaacute semena (enkapsulace somatickyacutech embryiacute)

využitiacute somatickeacute variability

klonoveacute množeniacute

sekundaacuterniacute metabolismus (suspenze)

kryoprezervace

Buněčnaacute suspenze = převedeme kalus do tekuteacuteho meacutedia

a provzdušňujeme (kontakt buněk a shluků buněk s meacutediem)

vznikaacute bipolaacuterniacute struktura obsahujiacuteciacute kořen a pryacutet

auxin (24-D)

umělaacute semena

Mutace RADIOMUTANT PROSPĚCH NEBO ZAacuteLUDNOST

SPONTAacuteNNIacute MUTACE využiacutevaacute člověk při šlechtěniacute odrůd spur typy (kompakt typy) jabloniacute absence trnů u ostružiniacuteku variabilita květenstviacute jiřinky proměnliveacute vznik plemen domaacuteciacutech zviacuteřat je založen na podchyceniacute spontaacutenniacutech mutaciacute ndash plemena psů

INDUKOVANEacute MUTACE působeniacute mutagenů

zaacuteměrneacute ndash ve vyacutezkumu ve šlechtěniacute rostlin (př odrůdy ječmene DIAMANT (zkraacuteceniacute steacutebel ndash nepoleacutehaacute) kompaktniacute růst a samosprašnost třešně změna barvy slupky u jabloně ndash sbquoredlsquo mutace)

nezaacuteměrneacute ndash důsledek použitiacute jadernyacutech a chemickyacutech zbraniacute ndash Yperit jaderneacute a jineacute katastrofy

1950 radiomutace chemomutace 1965 ječmen Diamant

Suspenzniacute kultury - SK KULTURA V TEKUTEacuteM MEacuteDIU ROSTE A DĚLIacute SE NĚKOLIKANAacuteSOBNĚ RYCHLEJI NEŽ KULTURA

NA PEVNEacuteM MEacuteDIU Využitiacute jako experimentaacutelniacute model produkce sekundaacuterniacutech metabolitů indukce somaklonaacutelniacute variability a naacutesledneacute selekce mikropropagace (pod kontrolou genetickeacute stability) pohyb kultury v bioreaktoru maacute za naacutesledek potlačeniacute apikaacutelniacute dominance tiacutem se stimuluje růst mnohonaacutesobnyacutech pryacutetů

Bioreaktory firmy VitroSys Inc Korea

ideaacutelniacute SK ndash rychlyacute růst karyologickaacute stabilita životnost buněk rentabilita

Minimaacutelně 103 ml buněk 110 suspenze v exponenciaacutelniacute faacutezi se doplniacute čerstvyacutem meacutediem Koncentrace sacharidů prodlužuje periodu růstu

Velkokapacitniacute kultivace rostlinnyacutech buněk v tekutyacutech meacutediiacutech sterilniacute prostřediacute obsahujiacuteciacute živiny a laacutetky potřebneacute pro růst a jeho regulaci vhodneacute pro kultivaci rostlinnyacutech mikrobiaacutelniacutech a živočišnyacutech buněk

Bioreaktor

Bioreaktory s tekutyacutem meacutediem explantaacutety jsou ponořeny v tekuteacutem meacutediu Bioreaktory s pravidelnyacutem zaplavovaacuteniacutem (temporary immersion bioreactor TIB) explantaacutety jsou pravidelně zaplavovaacuteny

Bioreaktor

httpwwwuebcasczcscontentzensenove-spagety

pěstujiacute se jen kořeny - zisk GINSENOSIDŮ za 3 měsiacutece v laboratoři stejnyacute zisk jako z rostlin ženšenu v přiacuterodě za 8 let obsah GINSENOSIDŮ je srovnatelnyacute s planě rostouciacutemi rostlinami množstviacutem i vzaacutejemnyacutem poměrem jednotlivyacutech laacutetek

v Koreji od r 2004

hairy-root systeacutem a sekundaacuterniacute metabolity

Sekundaacuterniacute metabolity - SM ROSTLINA BUNĚČNAacute KULTURA

EXTRAKT prověřovaacuteniacute oddělovaacuteniacute čištěniacute aktivniacute složky testovaacuteniacuteprověřovaacuteniacute

ČISTAacute BIOAKTIVNIacute LAacuteTKA

SM z buněčneacute kultury - extrakty ziacuteskaneacute za reprodukovatelnyacutech podmiacutenek spolehliveacute zdroje meacutedium - množstviacute čisteacuteho produktu

buňky rostou v tekuteacutem meacutediu -ne celaacute rostlina

produkt rostlina in vitro ()

rostlina ()

poměr

ginsenoside Panax ginseng 27 45 6 x

rosmarinic acid Coleus blumei 27 3 9 x

caffeic acid Vanilla planifolia 002 0005 4 x

shikonin Lithospermum erythrorhizon

20 15 135 x

ubiquinon-10 Nicotiana tabacum 0036 0003 12 x Heldman et al 2011

anti

oxy

dan

ty v sušině

bioreaktory

Sekundaacuterniacute metabolity - SM Rostlina Uacutečinnaacute laacutetka Uacutečinek

Artemisia annua pelyněk ročniacute artemisinin antimalarikum

Digitalis lanata naacuteprstniacutek vlnatyacute digoxin srdečniacute stimulants

Dubosia myoporoides lilkoviteacute atropin

scopolamin

očniacute přiacutepravky mořskaacute nemoc

Lithospermum

erythrorhizon

kamejka

rudokořennaacute

shikonin protinaacutedoroveacute

Panax ginseng ženšen pravyacute stimulant imunitniacuteho systeacutemu

Salix alba vrba biacutelaacute salicin antirevmatikum proti horečce

Taxus brevifolia tis

zaacutepadoamerickyacute

baccatin taxol protinaacutedoroveacute

Vinca rosea barviacutenek růžovyacute vinblastin

vinkristin

protinaacutedoroveacute alkaloidy

leukeacutemie

buněčnaacute kultura

Rostlina Extrakt Uacutečinek

Linum usitatissimum len setyacute olej

Mentha piperita maacuteta peprnaacute maacutetovyacute olej -

mentol

žaludečniacute potiacuteže

Mentha spicata maacuteta klasnataacute mentol žaludečniacute potiacuteže

Zingiber officinale zaacutezvor leacutekařskyacute gingerol antioxidant

informace z tradičniacute lidoveacute mediciacuteny - použitiacute extraktů a purifikace zdroje z nedotčeneacuteho ekosysteacutemu

kalusovaacute kultura buněčnaacute suspenze orgaacutenovaacute kultura - Artemisia Mentha - pryacutety

rostliny jsou vyacuterobci sekundaacuterniacutech metabolitů

cytostatikum

Sekundaacuterniacute metabolity - SM

Heldman et al 2011

VYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY

nezaacutevisleacute na geografickyacutech podmiacutenkaacutech

nezaacutevisleacute na sezoacutenniacutech podmiacutenkaacutech

v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

v přiacuterodě kontrolovaacuteno množstviacute in vitro ne

nepřetržitaacute dodaacutevka produktu

uniformniacute kvalita produktu

uniformniacute vyacutetěžnost produktu (průběžně)

vyacuteběr vhodneacute linie s vyššiacute produkciacute produktu

možnost tvorby novyacutech laacutetek nenormaacutelniacutech u donora

NEVYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY staacutele se vyviacutejejiacuteciacute

překaacutežky - pomalyacute růst

genetickaacute nestabilita

různorodost

niacutezkyacute obsah metabolitu

produkty vylučovaacuteniacute provozniacute - světelneacute podmiacutenky aseptickeacute podmiacutenky

STRATEGIE TVORBY SM vyacuteběr donorovyacutech rostlin - biochemickeacute testy

iniciace kalusů

vyacuteběr buněčneacute linie - rychle rostouciacute vysokaacute produkce

ciacutelenyacute metabolismus - kultivačniacute meacutedium (složeniacute koncentrace proporcionalita)

kultivačniacute podmiacutenky (teplota světlo pH) zvlaacuteštniacute požadavky (prekurzor simulace stresu - napadeniacute patogenem)

uvolněniacute do meacutedia

Embryokultury

Embryokultury = kultivace zralyacutech nebo nezralyacutech embryiacute in vitro

1904 Hannig - embrya u ředkve

1925 Laibach - aplikace v mezidruhoveacutem křiacuteženiacute r Linum sp

1945 Randolph - zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu u r Iris sp

1970 Kasha Kao - ziacuteskaacuteniacute haplodů u ječmene

Hordeum vulgare (zůstaacutevaacute) x Hordeum bulbosum (eliminace chromozoacutemů)

Zygotickaacute embrya vyacuteživa z endospermu (heterotrofniacute)

Embrya in vitro vyacuteživa z kultivačniacuteho meacutedia

In vitro oplodněniacute u člověka - 1978 pro neplodneacute paacutery

geneticky stabilniacute metoda

Embryokultury- in vitro

I Kultura semennyacutech embryiacute tj izolace plně vyvinutyacutech

bipolaacuterniacutech struktur obsahujiacuteciacutech kořenovyacute a stonkovyacute systeacutem

II Kultura proembryiacute tj izolace nezralyacutech zaacuterodků předchaacutezejiacuteciacutech

diferenciaci děloh

Embryogeneze zygotickeacuteho embrya (in vivo)

zygota (přiacuteprava na 1 děleniacute)

faacuteze pomaleacuteho vyacutevinu embrya po oplozeniacute

faacuteze rychleacuteho vyacutevinu růstu a diferenciace embrya

faacuteze dozraacutevaacuteniacute embrya

faacuteze přechodu embrya do dormance (ABA)

Embryokultury

1 překonaacuteniacute barieacuter vzdaacuteleneacuteho křiacuteženiacute (abortace hybridniacutech embryiacute sterility semen)

2 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu (viacutece generaciacute za rok)

3 řešeniacute jarovizačniacuteho staacutedia

4 primaacuterniacute explantaacutet pro dalšiacute kultury

5 eliminace inhibice kliacutečeniacute

6 studium mineraacutelniacute vyacuteživy

7 umělaacute semena

8 studium metabolickyacutech vztahů mezi embryem a endospermem embryem a dělohami

9 ziacuteskaacuteniacute haploidniacutech rostlin

Opylovaacuteniacute in vitro

Opylovaacuteniacute in situ

in vitro

Inkompatibilita rostlin

zaručuje stabilitu druhu

Barieacutery procesu opyleniacute a oplozeniacute

vnějšiacute (teplota vlhkost nedostatečnaacute vyacuteživa )

vnitřniacute (inkompatibilita samčiacute nebo samičiacute sterilita)

využitiacute v raacutemci šlechtěniacute rostlin k překonaacuteniacute prezygotickyacutech barieacuter vznik mezidruhovyacutech mezirodovyacutech hybridů

Barieacutery Technika překonaacuteniacute

Před oplodněniacutem selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute blizny pestiacuteku pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

rezistence vůči abiotickeacutemu stresu rezistence vůči škůdcům vyššiacute vyacutenos

přenos z jineacuteho druhu

EK využitiacute ve šlechtěniacute

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury HAPLOID rostlina s n počtem chromozomů menšiacute sterilniacute

1963 T Yamada a kol Tradescantia reflexa (haploidy)

1964 - 1966 S Guha SC Maheswari Datura diploidizace kolchicinem

1969 JP Nitsch a kol celeacute rostliny (tabaacutek)

1973 JP Nitsch Norrel mikrosporoveacute kultury

2000 šlechtitelskeacute programy polniacutech plodin (obiloviny řepka)

využiacutevajiacute haploidniacute kultury in vitro

Androgeneze prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Androgeneze - kultivace prašniacuteků pyl zrn mikrospor = samčiacute genotyp

Gynogeneze - kultivace neoplodněnyacutech vajiacuteček = samičiacute genotyp

Haploidie - spontaacutenniacute = haploidniacute partenogeneze (gynogeneze androgeneze) frekvence 10-6

- experimentaacutelniacute indukovanaacute

fyzikaacutelniacute faktory = UV γ-zaacuteřeniacute X-paprsky teplotniacute šoky

zaacutesahy do procesů opyleniacute a oplozeniacute (inaktivniacute pyl)

explantaacutetoveacute metody = prašniacutekoveacute a pyloveacute kultury kultivace semeniacuteků a vajiacuteček

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury Ontogeneze pylu

In vivo mikrosporogeneze

pylovaacute mateřskaacute buňka

meiosa

pyloveacute tetraacutedy

vyacutevoj mikrospory (1 pyl mitoacuteza)

In vitro vyacutevoj embryoidu

(vegetativniacute generativniacute buňka)

- přiacutemaacute embryogeneze

- nepřiacutemaacute embryogeneze

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

využitiacute haploidů (majiacute jen jednu sadu chromosomů)

segregace vloh na gametickeacute uacuterovni ndash homozygoacutetniacute stav (čisteacute linie v F2 generaci)

detekce recesivniacutech mutaciacute (fenotypickyacute projev)

trpasličiacute varieta ndash u okrasnyacutech rostlin

Dihaploidizace

n rostliny - sterilniacute

104 ndash 105 mikrospoacuterml meacutedia

Brassica sp

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Prašniacutekoveacute kultury

viacutece než 200 druhů (řepka ryacuteže kukuřice obiloviny)

20-60 dnů

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

vyacutevoj globulaacuterniacuteho embrya a naacutesledně haploidniacute rostliny přiacutemo z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory

z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory vznikaacute kalus rarr indukce organogeneze

TYPY ANDROGENEZE

vzaacutecně

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Solanaceae

Brassicaceae

Poaceae

prašniacuteky

Androgeneze

Indukovanaacute androgeneze ndash přiacuteklady

Beta vulgaris - homozygotniacute linie

Brassica napus - novaacute odrůda linie

Hordeum vulgare

Lycopersicon - novaacute odrůda

Nicotiana - noveacute odrůdy

Oryza - noveacute odrůdy

Pelargonium - trpasličiacute variety

Triticum ndash cv Florin Huapei

Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby Praha Vyacutezkumnyacute uacutestav obilnaacuteřskyacute Kroměřiacutež Vyacutezkumnyacute uacutestav olejnin Oseva

Gynogeneze kultury izolovanyacutech vajiacuteček

kultury izolovanyacutech semeniacuteků

kultury izolovanyacutech květenstviacute in vitro

haploidniacute rostliny

spontaacutenniacute dihaploidniacute rostliny

ječmen kukuřice moruše

slunečnice cibule

kultivace vajiacuteček Beta vulgaris Tomaszewska-Sowa 2010

327 haploids 458 diploids and 215 ndash mixoploids

x opyleniacute ozaacuteřenyacutem pylem

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

Polyploidizace in vitro

duplikace celeacuteho genomu až 70 všech krytosemennyacutech rostlin je polyploidniacutech (Masterson 1994) POLYPLOID metabolicky aktivnějšiacute a rozměrnějšiacute plodiny ktereacute jsou vhodneacute pro pěstovaacuteniacute a leacutepe se vyrovnaacutevajiacute se stresovyacutemi podmiacutenkami

kolchicin

oryzalin

trifluralin

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze protoplastů

1892 Klecker - 1 mechanickaacute izolace protoplastů Stratiotes aloides (řezan pilolistyacute) 1960 EC Cocking 1 enzymatickaacute izolace protoplastů Nicotiana sp 1978 G Melchers a kol 1 mezirodovyacute hybrid bdquopomatoldquo bdquotopatoldquo Solanum tuberosum x S lycopersicum (Lycopersicum esculentum)

httptheplanetfixerorg387new-vegetable-created-the-tomato-potato-plant

Protoplastoveacute kultury

= kultivace rostlinnyacutech buněk zbavenyacutech buněčneacute stěny

Protoplast = rostlinnaacute buňka bez buněčneacute stěny jejiacute povrch tvořiacute cytoplazmatickaacute membraacutena maacute kulovityacute tvar

Protoplastoveacute kultury - regenerace

Faktory ovlivňujiacuteciacute kultivaci a regeneraci

Hustota ( počet protoplastů v 1 ml)

Životnost ()

Podmiacutenky kultivace a meacutedium

bull Studium synteacutezy buněčneacute stěny vyacutevoj buňky fyziologie buňky a cytogenetiku

bull Studium hodnoceniacute uacutečinků farmak potravinovyacutech doplňků agrochemickyacutech laacutetek na rostlinnou

buňku

bull Studium transportu iontů a laacutetek přes cytoplasmatickou membraacutenu

bull Somatickaacute hybridizace (fuacuteze protoplastů)

bull Inkorporace exogenniacuteho genetickeacuteho materiaacutelu ndash organel cybridizace

bull Genoveacute transformace (cizorodaacute DNA z bakteriaacutelniacuteho plasmidu)

Protoplastoveacute kultury - fuacuteze

Využitiacute

kombinace znaků odlišnyacutech druhů a rodů ktereacute by nevznikly přirozenou cestou

jedinečneacute kombinace jadernyacutech a organelovyacutech genomů vytvaacuteřiacute noveacute genetickeacute zdroje

často jen - čaacutest chromozomů asymetrickeacute jaderneacute hybridy

chloroplasty

mitochondrie

chemickeacute fuacuteze - pomalejšiacute elektrofuacuteze - fuacutezanti po 10 min vyššiacute frekvence fuacutezantů

cytoplazmickeacute hybridy - cybridy

Charakterizace hybridů - morfologicky cytologicky molekulaacuterniacute analyacutezy

Přirozenaacute mezidruhovaacute hybridizace - vznik některyacutech kulturniacutech plodin

B oleracea + B campestris = Brassica napus Nicotiana sylvestris + N tomentosa = Nicotiana tabacum

cybridy nelze ziacuteskat klasickou hybridizaciacute (křiacuteženiacutem) ndash samčiacute pohlavniacute buňky (pyl zrna) nemajiacute plastidy a mitochondrie

V přiacuterodě blesky do půdy modifikace bakteriiacute

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

Přenos jaderneacute a cytoplazmatickeacute genetickeacute informace mezi rostlinnyacutemi druhy rody

- překonaacuteniacute sexuaacutelniacute inkompatibility

- přenos genů rezistence vůči virovyacutem houbovyacutem chorobaacutem

- přenos cytoplazmatickeacute samčiacute sterility

- přenos rezistence vůči stresům (teplotniacutem zasoleniacute)

- přenos rezistence vůči hmyziacutem škůdcům

(synteacuteza fytoalexinů)

- přenos genů pro synteacutezu zaacutesobniacutech proteinů vitamiacutenů

alkaloidů

plnokvětost

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

využitiacute pro fytoremediace

Brassica juncea Tlaspi caerulescens brukev siacutetinovitaacute peniacutezek modravyacute akumulace Pb akumulace Zn a Ni hybrid se zvyacutešenou rezistenciacute k Pb Zn a Ni rychlyacute naacuterůst

biomasy

Brassica napus Thlaspi caerulescens hybridi rostly na vysokeacutem obsahu Zn

Fuacuteze protoplastů rodu Brassica s planyacutemi druhy

Armoracia rusticana

Barbarea vulgaris

Camelina sativa

Capsella bursa pastoris

Diplotaxis catholica

Diplotaxis muralis

Diplotaxis harra

Eruca sativa

Lesquerella fendleri

Mathiola incana

Moricandia arvensis C4

Moricandia nitens C4

Raphanus sativus

Sinapis alba

Sinapis arvensis

Thlaspi perfoliatum

Thlaspi caerulescens

Genoveacute banky In vitro genoveacute banky

2397 vzorků 1249 odrůd Solanum tuberosum 450 teraploidniacutech křiacuteženců S tuberosum 266 dihaploidů 119 mezidruhovyacutech hybridů rodu Solanum 313 genotypů kulturniacutech genotypů 23 planyacutech druhů

Havliacutečkův Brod

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu rostlin

1 Uchovaacutevaacuteniacute semen ndash semenneacute banky (od 1 roku - hellip)

2 Uchovaacutevaacuteniacute vegetativniacutech orgaacutenů ndash hliacutezy cibule řiacutezky

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro Kraacutetkodobeacute - aktivně rostouciacute kultury (pravidelneacute pasaacuteže) - uchovaacuteniacute kultur v minimaacutelniacutem růstu nižšiacute teploty kultivace

Dlouhodobeacute u rostlin kde nejsou semena

- za velmi niacutezkyacutech teplot (-196oC) = kryobanka

Databaacuteze ndash přiacutestupneacute z celeacuteho světa

Špicberky

genobanka - wwwvurvcz part databases EVIGEZ

vyacuteznam v mediciacuteně

Zaacuteložniacute fond semena potravinaacuteřskyacutech plodin z celeacuteho světa

stane se zaacuteložniacutem fondem pro ostatniacutech 1400

semennyacutech bank po celeacutem světě

v Iraacuteku a v Afghaacutenistaacutenu byla podobnaacute zařiacutezeniacute za

vaacutelky zcela zničena

na Filipiacutenaacutech je v roce 2006 poškodila povodeň

semennaacute banka pro světoveacute plodiny je umiacutestěna v hoře

maacute vyztuženeacute stěny betonem a železem

třiacute komory o velikosti 27 kraacutet 10 metrů

teplota minus 18 oC (konzervace po stovky až tisiacutece let) httpwwwnorambczarkivBasisartikler---OversettelserIkke-

bruktnovinkyseedvault_eng

k 1172010 zde bylo uloženo 716 523 vzorků semen patřiacuteciacutech ke 4 205 druhům

českaacute banka uloženaacute v Praze-Ruzyni zaacuteloha na Slovensku

Špicberky

Uchovaacutevaacuteniacute genofonduv ČR

genofond odrůd meruněk broskvoniacute mandloniacute reacutevy vinneacute kdouloniacute lonicer rakytniacuteků a dřiacutenů

2400 položek

25 000 položek

5400 položek 2397

položek

4700 položek

2000 položek

2300 položek

Naacuterodniacute informačniacute systeacutem genetickyacutech zdrojů EVIGEZ httpwwwgenbankvurvczgeneticresources

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro

KRYOBANKA

prašniacuteky a pyl pletiva a orgaacuteny meristeacutemy

kalus

suspennzniacute somatickaacute kultury embrya

dlouhodobeacute skladovaacuteniacute

nižšiacute naacuteroky na uchovaacuteniacute

mezinaacuterodniacute vyacuteměna

nižšiacute podiacutel lidskeacute praacutece

potřeba menšiacuteho prostoru

uchovaacuteniacute genetickeacute stability

omezeniacute staacuternutiacute

ozdravenyacute materiaacutel

prodlouženeacute použitiacute pylu

uchovaacuteniacute vzaacutecnyacutech rostlin

apikaacutelniacute vrcholy

Biotechnologickaacute laboratoř Nestleacute - uchovaacutevaacute buněčneacute embryogenniacute linie kaacutevy kakaa a banaacutenů

Německaacute sbiacuterka mikroorganismů a buněčnyacutech kultur (DSMZ Braunschweig Německo) meristeacutemy 519 staryacutech kultivarů brambor ndash metoda mrazeniacute alginaacutetovyacutech perel

International Potato Centre (CIP Lima Peru) - 345 kultivarů brambor

INIBAP Leuven Belgie - 306 kultivarů banaacutenu (14 ze světoveacuteho počtu kultivarů)

Naacuterodniacute genobanka klonů NCGR USA - ročniacute naacuteklady

udržovaacuteniacute jedneacute položky v sadu (hrušně) 77 dolarů na skladovaacuteniacute in vitro 23 dolarů na kryoprezervaci 1 dolar (při počaacutetečniacute investici na kryometodu 50 dolarů za uchovaacutevanou jednotku)

Přiacuteklady komerčniacuteho využitiacute kryoprezervace meristeacutemů

Aplikace biotechnologiiacute ve šlechtěniacute rostlin

rostliny postraacutedajiacute schopnost aktivně se přesouvat z dosahu nepřiacuteznivyacutech vlivů rostliny vyvinuly adaptačniacute mechanismy pro překonaacuteniacute stresů a tiacutem přežitiacute v extreacutemniacutech podmiacutenkaacutech

Biotechnologie v zemědělstviacute ekologickeacute zemědělstviacute

VLIV ŠKŮDCŮ CHOROB A PLEVELŮ NA ZEMĚDĚLSKEacute PLODINY

1 sniacuteženiacute velikosti a vaacutehy zrna 2 ztraacuteta ve velikosti hliacutez a kořenů 3 zvyacutešeniacute obsahu vlhkosti 4 změny v chemickeacutem složeniacute zrna hliacutez a kořenů 5 odbarveniacute zrna a hliacutez - deformace 6 tvorba mykotoxinů patogeny 7 sniacuteženiacute kliacutečivosti 8 redukce krmiva

spotřeba vody - rezistence k suchu sniacutežiacute spotřebu uchovaacuteniacute vody rostlinou aplikace hnojiv chemickaacute kontrola škůdců

- studium abiotickeacuteho stresu

- zlepšeniacute ochrany rostlin vůči škůdcům

- ochrana životniacuteho prostřediacute

- zlepšeniacute kvality potravin

odstraněniacute hladu GMO fytoremediace

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

ohroženiacute klimatickyacutem suchem v ČR ndash nejrizikovějšiacute oblasti nižšiacute polohy na jižniacute a středniacute Moravě v prostoru mezi Prahou Uacutestiacutem nad Labem a Žatcem zaacutepadně od Pardubic

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

Rezistence k suchu - využitiacute vody

Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

vyacutevoj samčiacuteho gametofytu - spojen s expresiacute genů - 150 specifickyacutech genů spraacutevneacute načasovaacuteniacute

sporofyt gametofyt

2n 1n

rostlina pylovaacute zrnazaacuterodečnyacute vak

pohlavniacute rozmnožovaacuteniacute přiacuterodniacute vyacuteběr

pylzrna - exina (ovlivněna sporofytem) ochrana před UV laacutekaacuteniacute opylovačů - barva vůně komunikace s bliznou produkce alergenů

strategie rostlin zabraacuteněniacute samoopyleniacute

Biotechnologie v zemědělstviacute samčiacute gametofyt n TETRASPORE (TES) reg gen je vyžadovaacuten ke tvorbě přepaacutežek mezi produkty meioacutezy u mutanta všechna čtyři jaacutedra mikrospoacutery zůstaacutevajiacute ve stejneacute cytoplazmě polyploidniacute jedinci n GEMINI POLLEN 1 (GEM1) reg gen je vyžadovaacuten k orientaci mitotickeacuteho vřeteacutenka mutant tvořiacute dvě symetrickaacute jaacutedra typu vegetativniacuteho vede ke sterilitě n SIDECAR POLLEN (SCP) reg gen je vyžadovaacuten k děleniacute pylu prvniacute symetrickaacute pylovaacute mitoacuteza mutanta daacutevaacute dvě stejneacute buňky jedna extra- vegetativniacute (sterilniacute sidecar) a druhaacute regvegetativniacute a generativniacute mutace nevede ke sterilitě n QUARTET (QRT) reg gen je vyžadovaacuten k separaci pylovyacutech zrn u mutantů jsou stěny meiotickyacutech produktů pyloveacute mateřskeacute buňky fuacutezovaacuteny a zrna se uvolňujiacute v tetraacutedaacutech

samičiacute makrogametofyt n FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED (FIS) a FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) reg geny hrajiacute regulačniacute role ve vyacutevinu semene po oplozeniacute u mutantů se diploidniacute jaacutedra endospermu vyviacutejejiacute bez oplozeniacute pak atrofujiacute mutace neovlivňujiacute vaječnou buňku - procesy embryogeneze a vyacutevinu endospermu jsou odlišneacute n MEDEA (MEA) reg mutace genu způsobuje hypertrofii a zaacutenik embrya neniacute jasneacute na jakeacute uacuterovni se gen projevuje zaacuterodečnyacute vak endosperm nebo maternaacutelně imprintovanyacute embryonaacutelniacute gen

Biotechnologie ve šlechtěniacute rostlin Selektivniacute šlechtěniacute rostlin - přiacuterodniacute genetickeacute diverzity rostlin Techniky překonaacuteniacute barieacuter šlechtěniacute

Barieacutery Technika překonaacuteniacute Před oplodněniacutem

selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute pestiacuteku

pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony

pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro

selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů

odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute

abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry

sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

vyacutevoj semen

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

Škůdci v historii naacutelety sarančat (Staryacute zaacutekon)

ochrana saze tabaacutek

začaacutetek 19 stol - siacutera na houboveacute patogeny 1939 objev DDT uacutečinek na hmyz teorie bdquohmyz se může staacutet rezistentniacuteldquo 1948 Nobelova cena P Muumlller

50 leacuteta 20 st - herbicidy - postřiky na plevele ( rezistence na herbicid) 1972 zaacutekaz DDT (vyacutejimka - boj s malaacuteriiacute v Africe - naacutevrat DDT)

škůdce - hmyz hliacutestice 1861 - v Americe Iowa Nebraska 1880 1 pesticid v S Americe arzeacutenem bdquoParis greenldquo

S rostouciacute intenzitou pěstovaacuteniacute roste hospodaacuteřskyacute vyacuteznam škodlivyacutech organismů objem škod se zvyšuje staacutele přibyacutevajiacute noveacute druhy škodlivyacutech organismů zavaacutedějiacute se staacutele noveacute prostředky

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin - hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy

1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho

obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

ROS Reactive oxygen species reaktivniacute formy kysliacuteku SAR Systemic acquired resistance systeacutemově ziacuteskanaacute rezistence = neinfikovaneacute buňky začiacutenajiacute s přiacutepravou na atak patogena

napadeneacute rostliny uvolňujiacute signaacutelniacute molekuly (těkaveacute laacutetky - druhově specifickeacute) a varujiacute okolniacute rostliny ještě před napadeniacutem hmyzem

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin -hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy 1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

produkujiacute u různyacutech rostlin různě - sekundaacuterniacute metabolity - odstrašeniacute nebo zničeniacute patogena - proteiny inhibujiacuteciacute aktivitu zažiacutevaciacutech enzymů hmyzu - enzymy degradujiacuteciacute buněčnou stěnu hub (chitinaacutezy) - proteiny inhibujiacuteciacute překlad proteinů u škůdce - antiviroveacute složky degradujiacuteciacute virovou RNA blokujiacute vstup do buňky zastavujiacute replikaci

geny ktereacute bdquoSARldquo zapiacutenajiacute zvyšujiacute rezistenci rostliny

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům - již v čaacutesti fytotatologie

Co je plevel soutěžiacute s plodinou o živiny světlo a prostor intenziacutevně roste podiacuteliacute se na šiacuteřeniacute chorob a škůdců

lat herba - rostlina řeč cidoacute - ničiacutem

Vznik rezistence plevelů vůči některyacutem herbicidniacutem laacutetkaacutem = reakce plevelnyacutech druhů na podmiacutenky současneacuteho pěstovaacuteniacute rostlin = dlouhodobeacute působeniacute herbicidů

Vyacutevoj plevelů na zemědělskeacute půdě v naacutevaznosti na skladbu pěstovanyacutech plodin Vznik rezistence plevelů vůči herbicidům Problematika invaziacute a expanziacute plevelů

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům

Rezistenci vůči herbicidům způsobujiacute biochemickeacute fyziologickeacute změny nebo morfologickeacute odlišnosti ktereacute ovlivňujiacute přiacutejem herbicidů rostlinou

- degradujiacute herbicid

- měniacute jeho biochemickou funkci v rostlině

- pozměňujiacute miacutesto na ktereacute herbicid v rostlině působiacute

Rezistence rostlin vůči herbicidům dědičnaacute schopnost odolaacutevat takoveacute daacutevce herbicidů při ktereacute by za normaacutelniacutech okolnostiacute byla populace potlačena

směr pro šlechtěniacute

Aplikace rostlinnyacutech biotechnologiiacute v životniacutem

prostřediacute

takto nebo takto

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Těžba a zpracovaacuteniacute surovin(těžkeacute kovy- Cd Pb prach) Průmyslovaacute vyacuteroba (barviva)

Skladovaacuteniacute (haldy kaliště sklaacutedky) Zemědělstviacute (pesticidy herbicidy)

Domaacuteciacute odpad (leacutečiva detergenty praciacute prostředky)

čin

no

st č

lově

ka

půda voda ovzdušiacute

znečištěniacute

degradace organismy produkujiacuteciacute laacutetky (enzymy) pro

ciacutelenyacute rozklad

organismy snižujiacuteciacute toxicitu toxickeacute laacutetky metylaciacute dehalogenace hydroxylace hydrolyacuteza deaminacehellip

substraacutet je zdrojem C a energie

dekontaminace

+ katastrofy Černobyl vaacutelečneacute konflikty

remediace = navraacuteceniacute k původniacutemu stavu

Biodegradace všechny přirozeneacute procesy ktereacute jsou uskutečňovaacuteny bakteriemi a jinyacutemi mikroorganizmy nebo vyššiacutemi organismy ktereacute vedou k destrukci organickyacutech molekul = organickyacute substraacutet je přeměňovaacuten až na CO2 Bioremediace (bakterie houby)

spočiacutevaacute v akceleraci přirozenyacutech biodegradačniacutech procesů nebo v ciacuteleneacute biodegradace - vede k ozdraveniacute kontaminovaneacuteho prostřediacute - detoxifikace měniacute se na netoxickeacute = neškodneacute laacutetky - aplikaciacute mikroorganismů

Fytoremediace (rostliny) niacutezkaacute cena

využitiacute rostlin k odstraněniacute toxickeacute zaacutetěže (těžkeacute kovy) řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny Zooremediace (zviacuteřata)

zpracovaacuteniacute odpadů pomociacute zviacuteřat bezobratliacute - perlorodky měkkyacuteši

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

nevyacutehody pomalaacute viacutece než 2 roky maleacute rozměry vhodnyacutech rostlin maacutelo druhů vhodnyacutech rostlin neniacute 100 probleacutem s rostlinnyacutem odpadem - potřeba zvlaacuteštniacutech sklaacutedek spadeneacute listiacute

- řiacutezeneacute spalovaacuteniacute

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacute len slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

vyacutehody mineralizace organickyacutech sloučenin niacutezkeacute naacuteklady pasiacutevniacute metoda bez transportu kontaminovaneacute půdy energie ze slunečniacuteho zaacuteřeniacute nepoškozuje okoliacute - sniacuteženiacute prašnosti

estetickyacute přiacutenos etickyacute uacutečinek (veřejnosti přijatelnyacute)

2005 cca 450 rostlinnyacutech druhů - tzv bdquohyperakumulaacutetoryldquo 100 x vyššiacute akumulace než u ostatniacutech rostlin

teorie vzniku - obrana vůči hmyzu - hmyz preferuje

niacutezkeacute koncentrace kovu

Thlaspi careulescens

X bagrovaacuteniacute kontaminovaneacute zeminy transport zeminy dekontaminace

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute přiacutejem kořeny - z půdy přiacutejem nadzemniacute čaacutestiacute rostliny - vyacutefukoveacute plyny

akumuluje

degraduje

detoxifikuje

roste na kontaminovaneacute půdě

produkuje velkeacute množstviacute biomasy

tolerantniacute k salinitě a jinyacutem toxickyacutem podmiacutenkaacutem

poskytuje ekonomickeacute hodnoty - textilniacute vlaacutekna (len konopiacute)

GMO - gen fytovolatizace - bakteriaacutelniacute geny transformovaacuteny do rostlin transgeny merA a merB fytoextrakce - gen gsh1 a gsh2 z E coli do Brassica juncea

potenciaacutel je v GMO rostlinaacutech

Laboratoř rostlinnyacutech biotechnologiiacute Společnaacute laboratoř UacuteEB AV ČR vvi A VUacuteRV vvi Akademie věd Českeacute Republiky Mendelova univerzita v Brně Uacutestav experimentaacutelniacute botaniky AV ČR Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby v Praze Metoda použita na čištěniacute uranem a radiem znečištěneacute vody v Mydlovarech - kořenovaacute čistiacuterna

ideaacutelniacute rostlina

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

proces substraacutet ciacutel rostlina

fytoextrakce fytoakumulace

odstraněniacute toxickyacutech laacutetek z půdy a vody - akumulaciacute rychle rostouciacute rostlinou (zůstaacutevaacute v rostlině)

půda sedimenty kaly odpadniacute vody

toxickeacute kovy radionuklidy

Thlaspi sp Brassica sp

fytostabilizace ciacuteleneacute pěstovaacuteniacute tolerantniacutech druhů zamezeniacute eroziacute

půda haldy odkaliště těžkeacute kovy dlouheacute a bohateacute kořeny

fytovolatizace odstraněniacute Hg pomociacute genu koacutedujiacuteciacuteho reduktaacutezu Hg2+ na Hg0

a uvolněniacute do ovzdušiacute

půdy sedimenty odkaliště průmysloveacute a zemědělskeacute odpadniacute vody

kovy - Se Hg chlorovanaacute rozpouštědla

stromy traacutevy Brassica sp

fytodegradace degradace kontaminantů rostlinou na netoxickeacute laacutetky

půdy sedimenty odkaliště odpadniacute vody

ropneacute laacutetky pesticidy detergenty

stromy traacutevy

rhizofiltrace odstraněniacute pomociacute rostlinnyacutech kořenů

povrchoveacute vody odpadniacute vody

těžkeacute kovy - Co Cu Cr Mn Ni radionuklidy

Brassica sp Helianthus vodniacute rostliny hydroponie

superrostliny

niacutezkeacute naacuteklady

kořenovaacute čistička = umělyacute mokřad oddělenyacute od okoliacute nepropustnou foacuteliiacute využiacutevaacute samočisticiacutech procesů probiacutehajiacuteciacutech v propustneacutem půdniacutem prostřediacute za spoluuacutečasti rostlin čištěniacute odpadniacutech vod z domaacutecnostiacute sklaacutedek a některyacutech průmyslovyacutech provozů

Rhizofiltrace

httpwwwnemcoviceczcontentviewfull3607

rostliny s vysokyacutemi

naacuteroky na vyacuteživu

+

bakterie

může zapaacutechat

5x - 10 x nižšiacute naacuteklady

Člověk čistiacute odpadniacute vodu za pomoci zařiacutezeniacute

ale přiacuteroda to zvlaacutedaacute bez přiacutestrojů a mnohem levněji

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute niacutezkeacute naacuteklady

rostlina chemickaacute sloučenina

pšenice 24 -D MCPA jako zdroj uhliacuteku

kukuřice atrazin degradace atrazinu mikroorganismy rhizosfeacutery

fazole diazinon parathion mineralizace v rhizosfeacuteře

luštěniny nafta

Kučerovaacute et al 1999 Chemickeacute listy

přiacutejem - velikost kořenoveacuteho systeacutemu přiacutestupnost pro rostlinu např chelaacutety

transport rostlinou - apoplast (difuacuteziacute)

symplast (specifickeacute přenašeče)

miacutesto uskladněniacute hustota rostlin v porostu

zaacutevažnějšiacute ekologickyacute a toxikologickyacute vyacuteznam přibližně 16 prvků (Fe Mo Mn Zn NiCo Cu V W Cr Hg Pb Cd Sb Ag a U)

Budoucnost fytoremediaciacute niacutezkeacute naacuteklady

Fytoremediace v praxi

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Ural 1953 odstraněniacute těžkyacutech kovů

Amana Iowa hybridniacute topoly atrazin odstraněna čaacutest až 20

Beaverton Kreton

hybridniacute topoly

organickeacute laacutetky kovy

a amonneacute sloučeniny

celkoveacute vyčistěniacute oblasti

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Fukušima 113 2011 slunečnice radioaktivniacute cesium dekontaminace půdy

Černobyl 2641986 slunečnice jabloně

cesium stroncium dekontaminace půdy povrchoveacute vody

paacutes 30 km - likvidace radioaktivniacutech rostlin

nebudou spaacuteleny rozloženy a kompostovaacuteny - speciaacutelniacute bakterie

slunečnice spotřebovaacutevajiacute z půdy drasliacutek kteryacute patřiacute mezi alkalickeacute kovy stejně jako cesium drasliacutek neniacute v půdě přiacutetomen květiny využijiacute praacutevě druhyacute prvek - Cs

Biotechnologie v ŽP niacutezkeacute naacuteklady

fytomining - fytodobyacutevaacuteniacute fytodolovaacuteniacute

ziacuteskaacutevaacuteniacute kovů z rostlin kde klasickaacute těžba je nevyacutehodnaacute rostliny - bdquotěžaři vzaacutecnyacutech kovůldquo a polokovů AuTh Co U Cd Ni Cu Mn

v rostlinaacutech hyperakumulaacutetorech je akumulace prvku sušina rostliny jako -ldquobio-rudaldquo

vyacutehody

- obsah kovu v bdquobio-ruděldquo je vyššiacute než v běžneacute rudě

- meacuteně skladovatelneacuteho miacutesta

- zelenaacute technologie jako alternativa

fytomining Ni pomociacute Alyssum bertolonii

Robinson et al 1997 The nickel hyperaccumulator plant Alyssum bertolonii as a potential agent for phytoremediation and phytomining of

nickel Journal of Geochemical Exploration59(2)75-86

zlatonosneacute rostliny

zlataacute jablka

zlateacute kapradiacute

hledaacuteniacute nalezišť

technologie budoucnosti

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute bioplasty z biomasy (škroby tuky) nahrazujiacute fosilniacute zdroje vyacutehodou je biodegradace biopaliva rostlinnyacute materiaacutel a řasy bioethanol GMO rezistentniacute rostliny vůči postřikům hmyziacutem škůdcům transfer genů pro symbiotickou fixaci dusiacuteku z luštěnin do dalšiacutech plodin přenos genů z bdquoC4ldquo do bdquoC3ldquo rostlin pro dosaženiacute uacutečinnějšiacute fotosynteacutezy (ryacuteže)

Transgenoziacute se přenaacutešiacute přirozeneacute geny vznikleacute evoluciacute z jednoho organismu do druheacuteho kteryacute se s daacutercem genu obvykle

nemůže křiacutežit pouze dokaacuteže přenosy mezi vyacutevojově ještě vzdaacutelenějšiacutemi organismy

Geny použiacutevaneacute při transgenosi jsou braacuteny z přiacuterody např gen v soacuteji tolerujiacuteciacute glyfosaacutet - je z bakterie rodu Agrobacterium

Klasičtiacute šlechtiteleacute takto pracujiacute daacutevno např smiacutechali geny pšenice a žita

GMO

Transgenoze ndash vnaacutešeniacute znaacutemyacutech jednotlivyacutech genů do dědičneacuteho

zaacutekladu (poprveacute 1978)

Pro přenos - Agrobacterium tumefaciens A rhizogenes E coli

httpblogscassuffolkeduiglesias20140424gmos

GMO bez obalu httpwwwbezpecnostpotravinczUserFilespublikaceGMO_web_1pdf

GMO - transgenniacute rostliny CARTAGENSKYacute PROTOKOL o biologickeacute bezpečnosti 29 1 2000 Montreal (OSN ndash program pro životniacute prostřediacute UNEP) platnost 11 9 2003

ČR podepsala 24 52000 (gmovschtcz) nyniacute 160 staacutetů

opatřeniacute ve staacutetech ktereacute se připojiacute k projektu (dovoz vyacutevoz transport)

vzdělaacuteniacute odborniacuteků a informovaacuteniacute veřejnosti

vytvořeniacute noveacute legislativy GMO (wwwenvcz )

spolupraacutece při vyacuteměně zkušenostiacute

Svět 2010 - viacutece než 150 mil ha viacutece než 20 zemiacute

pro vegetačniacute čaacutesti

nebo plody

CIacuteL PROTOKOLU - zajistit ochranu a bezpečnost při zachaacutezeniacute využiacutevaacuteniacute a přenosu živyacutech modifikovanyacutech organismů ktereacute jsou vyacutesledkem moderniacutech biotechnologiiacute a ktereacute mohou miacutet nepřiacuteznivyacute vliv na zachovaacutevaacuteniacute biologickeacute rozmanitosti a zdraviacute člověka Protokol je zaměřen předevšiacutem na převoz GMO přes hranice staacutetů a maacute ochraňovat zejmeacutena staacutety kteryacutem dosud chybiacute vlastniacute vnitrostaacutetniacute praacutevniacute předpisy v oblasti GMO

GMO - transgenniacute rostliny historie

EVROPA

SRN - Max-Planck-Institut

Belgie - Universita Ghent

Švyacutecarsko- ETH Zurych

ČR - Biofyzikaacutelniacute uacutestav Brno (Agrobacterium jako vhodnyacute přenašeč genů)

ČR - UacuteEB ČSAV Českeacute Budějovice (metody modifikaciacute)

2010 1 transgenniacute hraacutech v Evropě (ČR Agritec Šumperk)

transgenniacute len - oleje

FYTOPATOLOGIE IN VITRO

Fytopatologie in vitro

in vitro selekce = kultivace buněk se selekčniacutem činitelem (fitraacutet inokulum toxin)

ndash přežiacutevajiacuteciacute buňky jsou regenerovaacuteny do rostlin resistentniacuteho fenotypu

Studium interakce rostlina x patogen v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

Druh Patogen Typ biologickeacuteho testu Ciacutel

Coffea arabica Colletotrichum kahawae růst houby na kalusech vyacuteběr rezistentniacutech genotypů

Vitis vinifera Elsinoe ampelina růst kalusu na meacutediu s patogenem testy rezistence

Lycopersicon aes Alternaria alternata testy na izollistech in vitro hodnoceniacute toxicity

Pinus taeda Cronartium quercuum embryokultury s houbami vyacuteběr rezistentniacutech embryiacute

Triticum aestivum Microdochium nivale listy semenaacutečky in vitro vyacuteběr rezistentniacutech kultivarů

ozdravovaacuteniacute rostlin

klonoveacute množeniacute rezistentniacutech taxonů

Page 4: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,

Přednaacutešky blokovaacuteny (2 - 3hod) Biotechnologie - historie od počaacutetku po současnost členěniacute interdisciplinaacuternost rostlinneacute bdquozeleneacuteldquo biotechnologie (Božena Navraacutetilovaacute UPOL) Potenciaacutel rostlinneacute buňky a podstata explantaacutetovyacutech kultur rostlin metody (techniky zachovaacutevajiacuteciacute a techniky zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu rostlin) a jejich aplikace ve šlechtěniacute rostlin (Božena Navraacutetilovaacute UPOL) Využitiacute rostlinnyacutech biotechnologiiacute v zemědělstviacute farmaceutickeacutem průmyslu uchovaacutevaacuteniacute genofondu a fytoremediaci (Božena Navraacutetilovaacute UPOL) Možnosti využitiacute geneticky modifikovanyacutech plodin (Lenka Švaacutebovaacute Agritec Šumperk)

Sylabus a naacutevody botanyupolcz naacutevody sylabus 2014

Kolokvium 10 prosince 2014 Vyhodnoceniacute založenyacutech experimentů rozprava

Vlastniacute prezentace vybraneacute biotechnologie (1 ndash 3 studenti)

Sylabus a naacutevody botanyupolcz naacutevody sylabus 2014

Kolokvium 10 prosince 2014 Vyhodnoceniacute založenyacutech experimentů rozprava

Vlastniacute prezentace vybraneacute biotechnologie (1 ndash 3 studenti)

Cvičeniacute blokace (max 6 studentů ve skupině) naacutevody na www straacutenkaacutech katedry botaniky vyacuteukoveacute materiaacutely httpbotanyupolczmaterialyids[]=311k311 I čaacutest Cvičeniacute - zaacutekladniacute metody explantaacutetovyacutech kultur rostlin (Božena Navraacutetilovaacute) řiacutejen ndash listopad 2014 1 Bezpečnost praacutece a zaacutesady praacutece v aseptickeacutem prostřediacute 2 Sterilizace rostlinneacuteho materiaacutelu naacutestrojů skla a dalšiacutech pomůcek přiacuteprava meacutediiacute 3 Kultivace explantaacutetů pasaacutežovaacuteniacute 4 Mikropropagace rostlin 5 Embryokultury izolace a kultivace embryiacute 6 Prašniacutekoveacute kultury izolace a kultivace prašniacuteků II čaacutest Transgenoacuteze (Petr Dvořaacutek) řiacutejen ndash listopad 2014 Transformace bakteriiacute modrobiacutelaacute selekce pomociacute vektoru s rezistenciacute pro antibiotika

BEZPEČNOST PRAacuteCE

Student je povinen řiacutedit se pokyny vedouciacuteho cvičeniacute - dbaacutet osobniacute bezpečnosti a bezpečnosti svyacutech kolegů v laboratoři

Student je povinen přichaacutezet na praktickaacute cvičeniacute včas seznaacutemen s naacutevodem praktickeacuteho cvičeniacute a doporučenyacutemi pomůckami

Student musiacute byacutet vybaven přezůvkami osobniacute věci (tašku batoh oblečeniacute) si uložiacute na vyhrazeneacute miacutesto ktereacute je zabezpečeno před zcizeniacutem

Před cvičeniacutem si student umyje a desinfikuje ruce určenyacutem desinfekčniacutem prostředkem - OROSEPT 70 etanol

Při praacuteci ve flowboxu student dodržuje zaacutesady pro aseptickou praacuteci desinfekčniacutem roztokem vytře box (ISORAPID) spustiacute box 10 min před zahaacutejeniacutem praacutece dbaacute aby saacutem nebyl zdrojem kontaminaciacute při nachlazeniacute použije roušku udržuje v boxu pořaacutedek

Student dbaacute bezpečnosti při praacuteci s ohněm (lihoveacute kahany)

Student dbaacute bezpečnosti a se zvyacutešenou opatrnostiacute pracuje s řeznyacutemi naacutestroji se sklem lihovyacutem kahanem a s elektřinou

Student zachaacuteziacute se svěřenyacutemi přiacutestroji šetrně jejich zaacutevady ihned hlaacutesiacute vyučujiacuteciacutemu (saacutem neopravuje)

Student hlaacutesiacute veškeraacute poraněniacute vyučujiacuteciacutemu

Po ukončeniacute cvičeniacute student vypne a uklidiacute flowbox uzavře kahan Zbytky rostlinneacuteho materiaacutelu zlikviduje umyje použiteacute sklo

BIOTECHNOLOGIE

- členěniacute interdisciplinaacuternost (mezioborovost)

- historie od počaacutetku po současnost - rostlinneacute bdquozeleneacuteldquo biotechnologie

Použitaacute literatura Bajaj Y P S Somatic hybridization in crop improvement 1994

Callaway D J Callaway M B Breeding ornamental plants Timber Press Oregon 2000

George E F Plant propagation by tissue culture The technology Exegetics Limited Edington 1993

Hall R D Plant cell culture protocols Humana Press Totowa (NJ) 1999

Heldman D R Wheler M B Hoover DG Encyklopedia of biotechnology in agriculture and food CRC Press 2011

Kreuzer H Massey A Biology and biotechnology Science Applications and issues ASM Press Washington DC 2005

Lindsey K Plant tissue culture Manual Kluwer Academic Publishers London 1992

Kučerovaacute P Mackovaacute M Macek T Chemickeacute listy 93 19-26 1999

Murphy D Plants biotechnology and agriculture Cambridge University Press 2011

Ovesnaacute J Kučera L Otaacutezky biologickeacute bezpečnosti GMO a mezinaacuterodniacute zaacutevazky ČR Sborniacutek VUacuteRV Praha 2004

Prochaacutezka S a kolektiv Fyziologie rostlin Academia 1998

Smith R H Plant tissue culture Techniques and experiments Second edition Academic Press 2000

Smith J E Biotechnology Cambridge 2009

Trigiano R N Gray D J Plant development and biotechnology CRC Press 2005

Biotechnologie

Biotechnologie jsou na zaacutekladě Evropskeacute federace pro biotechnologii (EFB) z roku 1981 definovaacuteny jako

bdquoSoubor postupů založenyacutech na technologiiacutech při nichž se využiacutevaacute metabolickeacuteho potenciaacutelu mikroskopickyacutech organizmůldquo Jsou to interdisciplinaacuterniacute obory zahrnujiacuteciacute a využiacutevajiacuteciacute poznatky mikrobiologie biochemie chemie a přiacuteslušnyacutech průmyslovyacutech odvětviacuteldquo wwwscimuniczmikrobkvasbiotechbiotechnologiebiotechnologiehtml

Multidisciplinaacuterniacute povaha (Smith 2009)

Biotechnologie podle definice OECD představuje aplikovaacuteniacute vědeckyacutech a technologickyacutech metod na živeacute organismy a jejich čaacutesti produkty nebo modely za uacutečelem přeměny živyacutech i neživyacutech materiaacutelů pro vytvaacuteřeniacute znalostiacute zbožiacute a služeb

z řečtiny bios + techne + logos

život + dovednost + znalost

staraacute definice

novaacute definice

OECD Organizace pro ekonomickou spolupraacuteci a rozvoj Organisation for Economic Co-operation and Development

Biotechnologie

BIOTECHNOLOGIE novyacute nebo staryacute vynaacutelez biotechnologie průmysloveacute zemědělskeacute leacutekařskeacute biotechnologie mikrobiaacutelniacute živočišneacute rostlinneacute obsah i dosah

biologickyacute psychologickyacute ekonomickyacute ekologickyacute (postoj Amišů ndash meacuteně pesticidů neniacute v rozporu s jejich životniacutem stylem rizika při uvaacuteděniacute do životniacuteho prostřediacute) etickyacute - oteviacuteraacuteme bdquoPandořinu skřiacutenkuldquo

- věda jako zachraacutence nebo nepřiacutetel lidstva

odpor GMO plodinaacutem potravinaacutem

akceptovatelneacute rezistentniacute plodiny k herbicidům

BIOTECHNOLOGIE - rozvoj 21 stoletiacute - integrovanaacute aplikace přiacuterodniacutech a inženyacuterskyacutech věd - ciacutelem je využitiacute organismů a čaacutestiacute organismů k vyacuterobě produktů nebo použitiacute různyacutech metod (postupů)

ČLENĚNIacute PODLE ODVĚTVIacuteZAMĚŘENIacute ČERVENAacute BIOTECHNOLOGIE (mediciacutena a farmacie) - leacutekařstviacute je považovaacutena za nejdůležitějšiacute oblast použitiacute - biotechnologickeacute postupy rostouciacute roli při vyacutevoji novyacutech leacuteků (např k leacutečbě rakoviny) diagnostice (DNA) využitiacute kmenovyacutech buněk při leacutečbě zaacutevažnyacutech chorob

ZELENAacute BIOTECHNOLOGIE (zemědělstviacute a potravinaacuteřstviacute) bdquoRostlinneacute biotechnologieldquo nejstaršiacute - moderniacute šlechtěniacute rostlin ciacuteleně se zvyšujiacute odolnosti proti hmyzu pliacutesniacutem virům a herbicidům - vyacuteznam genoveacute techniky kteraacute je zaacutekladem pro přenos určityacutech genů z jednoho druhu na jineacute rostliny a umožňuje vyacutevoj odolnosti vůči hellip

ŠEDAacute BIOTECHNOLOGIE (životniacute prostřediacute-environmentaacutelniacute) - obnoveniacute znečištěneacuteho prostřediacute biomonitoring - indikaacutetory znečištěniacute - biotechnologickeacute postupy při sanaci půdy uacutepravě odpadniacutech vod čištěniacute vyacutefukovyacutech plynů využitiacute odpadu

BIacuteLAacute BIOTECHNOLOGIE (často spojovanaacute s šedou biotechnologiiacute) - chemickyacute průmysl vyprodukovat substance jako např alkohol vitamiacuteny aminokyseliny antibiotika enzymy způsobem ktereacute šetřiacute zdroje a životniacute prostřediacute s pomociacute živyacutech buněk (kvasinky pliacutesně bakterie)

MODRAacute BIOTECHNOLOGIE mořskeacute biologie biologickeacute organismy světovyacutech mořiacute - zdroje potravin energie leacutečiv surovin - bioprocessing šlechtěniacute a ochrana mořskyacutech organismů ciacutelenyacute chov vodniacutech organismů (aquaculture )

ZELENAacute BIOTECHNOLOGIE (zemědělstviacute a potravinaacuteřstviacute)

bdquoRostlinneacute biotechnologieldquo nejstaršiacute - moderniacute šlechtěniacute rostlin = ciacuteleně se zvyšujiacute odolnosti vůči hmyzu pliacutesniacutem virům a herbicidům - genoveacute techniky = přenos určityacutech genů z jednoho druhu na jinyacute umožňujiacute vyacutevoj odolnosti vůči hellip - využitiacute bakteriiacute ke zvyacutešeneacutemu růstu rostlin

- biomonitoring = využitiacute rostlin jako indikaacutetorů znečištěniacute půdy (kovy) - fytomining

Rostlinneacute biotechnologie

Kde by lideacute byli bez rostlin

Historie rostlin čas před proces vyacuteznam

45 miliardy let tvorba země nemožnyacute život

39 oceaacuteny voda je předpokladem pro uhliacutek-založenyacute život

35 nejstaršiacute cyanobacteria efektivnějšiacute fotosynteacuteza- rychlejšiacute růst O2

24 kysliacutek v atmosfeacuteře aerobniacute org postupně převažujiacute nad aerobniacutemi

21 endosymbioacuteza mezi cyanobacterium a eukaryotniacutem hostitelem prvniacute fotosyntetizujiacuteciacute eukaryotickyacute org -

jednobuněčnaacute řasa

16 mnohobuněčneacute řasy zeleneacute a červeneacute řasy

13 v atmosfeacuteře 3 O2 dominujiacute aerobniacute org nad aerobniacutemi

1 zvyšujiacuteciacute se počet mořskyacutech řas zvyacutešeniacute atmosfeacuterickeacuteho 02

750 milioacutenů mnohobuněčneacute zeleneacute řasy začaacutetek buněčneacute specializace

550 v atmosfeacuteře 12 O2

500 prvniacute suchozemskeacute rostliny eukaryotickaacute kolonizace země

470 prvniacute spory jaterniacutekům podobneacute rostliny

428 Cooksonia 2-3 cm velkeacute steacutelka Bryophyta s dominantniacute haploidniacute generaciacute

ceacutevnateacute rostliny bez semen- mechy přesličky kapradiny převažuje 2n generace

360 nejstaršiacute fosilniacute nahosemenneacute

140 nejstaršiacute krytosemenneacute

85 nejstaršiacute obiloviny

68 nejstaršiacute luštěniny adaptace na deficit N2

11 tisiacutec let domestifikace rostlin vliv člověka na rostliny

500 let globalizace zemědělskyacutech plodin světoveacute rozšiacuteřeniacute domestifikovanyacutech rostlin

300 člověkem prvniacute vyrobeneacute hybridniacute rostliny zaacuteměrneacute vytvaacuteřeniacute novyacutech druhů pro člověka

100 začaacutetek vědeckeacuteho šlechtěniacute rostlin manipulace s genomem a fenotypem rostlin

30 prvniacute transgenniacute rostlina novyacute gen do rostlinneacuteho genomu

20 prvniacute schvaacutelenaacute GMO rostlina - potravina rajče cv FLAVR SAVR Murphy 2011

6000 pnl produkce piva fermentaciacute (kvašeniacutem) Babyloacuteňaneacute Sumeroveacute

4000 pnl využitiacute kvasinek ve vyacuterobě piva a viacutena v Egyptě a Čiacuteně (znaacutem ječmen)

1675 Leeuwenhoek pozoroval bakterie

1860 Koch - rozvoj mikrobiologie

1857 Pasteur demonstrace fermentace - otec biotechnologiiacute

1877 Koch vypracoval techniky izolace a barveniacute bakteriiacute

1919 Ereky zavedeniacute termiacutenu biotechnologie

1935 Fleming objev peniciliacutenu - zavedeniacute sterilizace

1953 Watson a Crick popis struktury DNA

1975 Kohler a Milstein - produkce monoklonaacutelniacutech protilaacutetek

1978 produkce 1 lidskeacuteho proteinu v buňce firmou Genntech (USA) = inzuliacuten 1 praktickeacute využitiacute

1980 zavedeniacute metod rekombinantniacute DNA produkce inzuliacutenu v E coli

1994 schvaacuteleniacute prvniacute geneticky modifikovaneacute potraviny ndash rajče

1996 klonovaacuteniacute ovce Dolly Wilmuth a kol

Biotechnologie - historie

vyacuteroba jiacutedla a naacutepojů procesy vyviacutejeny za nesterilniacutech podmiacutenek zavedeniacute sterilniacutech podmiacutenek do biotechnologickyacutech procesů aplikace genetiky a technologie rekombinantniacute DNA

přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

nevyacutehoda - nekontrolovaneacute

zavedeniacute lidskeacuteho genu určujiacuteciacuteho produkci specifickeacute biacutelkoviny (inzuliacutenu) do bakterie pomociacute plazmidu - po zabudovaacuteniacute do genetickeacuteho aparaacutetu hostitelskeacute buňky je bakterie schopna produkovat AMK v přesně daneacutem pořadiacute a syntetizovat

lidskyacute inzuliacuten

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve

velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 11 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1843 superfosfaacutet hellip intenzivniacute hnojeniacute v zemědělstviacute

1849 Darwin - vznik druhů přirozenou selekciacute (cesta kolem světa Galapaacutegy)

1846-1850 krize monokultur - bdquobramborovyacuteldquo hladomor v Irsku (Phytophtora infestans)

1857 Pasteur - fermentace - otec biotechnologiiacute

1866 Mendel - publikuje svoje zaacutekony (znovu objeveny 1900)

1869 Miescher - objevuje DNA

1902 Haberlant - totipotence rostlinneacute buňky

1910 odrůda brambor Bintje (Holandsko) - odrůda roku 2012

1919 Ing Karl (Kaacuteroly) Ereky - termiacuten biotechnologie

migrace do Ameriky

technologie přeměny surovin na využitelneacute produkty pomociacute živyacutech organismů

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho

průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 10 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1923 Burbank USA - křiacuteženci bramboru odrůda

bdquoRUSSET BURBANKldquo (skladovatelnost hliacutez)

1933 prvniacute hybridi kukuřice

1941 Beadle a Tatum - hypoteacuteza 1 gen-1 enzym

1941 24-D (syntetickyacute auxin) jako prvyacute moderniacute herbicid

1950 1 radiomutanti chemomutanti řepka pšenice ryacuteže biacuteleacute fazole

ječmen (1965 - DIAMANT)

1960 ndash1970 ldquozelenaacute revoluceldquo zakrsliacute hybridi - Norman Borlaug

1970 NC miacuteru

1969 Triticale (Triticosecale tritikale žitovec - hybridniacute obilnina Triticum x Secale)

REKOMBINANTNIacute TECHNIKY

1985 prvniacute GM rostliny na poliacutech v UK

1995 odrůda bdquoBT NEW LEAF RUSSET BURBANKldquo

1998 zlataacute ryacuteže

2010 1 GMO hraacutech (Agritec)

I GMO odrůda brambor - odolnaacute vůči mandelince bramboroveacute vložen gen z bakteacuterie Bacillus thuringiensis produkujiacuteciacute protein narušujiacuteciacute vnitřnosti mandelinky

Mexiko 1943 import frac12 spotřeby pšenice 1944 plnaacute soběstačnost pšenice 1964 export 05 milionů tun pšenice

httpenwikipediaorgwikiNorman_Borlaug

Budoucnost biotechnologiiacute v ČR bdquoBiotechnologie jsou celosvětově nejprogresivnějšiacutech oblast vyacutezkumu vyacutevoje a podnikaacuteniacuteldquo

produkce viacutena - 1 psanaacute zmiacutenka r 276 (na Paacutelavě řiacutemskeacute legie) produkce piva - 11 stoletiacute syacutery destilaacutety 14 stoletiacute 1356 - kraacutelovskyacute dekret o produkci viacutena v Českyacutech zemiacutech alchymie (Rudolf II) 1518 - založeniacute Paliacuterny U Zeleneacuteho stromu v Prostějově 1887 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu pivovarskeacuteho a sladařskeacuteho v Praze 1949 - průmyslovaacute produkce peniciliacutenu v Roztokaacutech u Prahy 1966 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu antibiotik a transformaciacute (již neexistuje)

wwwbiotrincz wwwgate2biotechcz

AV ČR Univerzity Vyacutezkumneacute uacutestavy Šlechtitelskeacute stanice

kaacutemen mudrců elixiacuter mlaacutediacute přeměna hmoty

glukosa + kvasinky etanol + oxid uhličityacute přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces carlsbergensis

Biotechnologie v ČR

18 prosince 2008 bylo založeno sdruženiacute CzechBio - asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR zspo 1 asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR spojuje třicet soukromyacutech biotechnologickyacutech společnostiacute a akademickyacutech uacutestavů podpora spolupraacutece komerčniacute sfeacutery s vědeckou httpwwwczechbioorgcs

projekt Algatech ndash Centrum řasovyacutech biotechnologiiacute vyacutevoj novyacutech kultivačniacute zařiacutezeniacute a postupů na zpracovaacuteniacute řasoveacute biomasy pro vyacuterobu biopaliv krmiv potravniacutech doplňků a cennyacutech laacutetek Mikrobiologickyacute uacutestav Akademie věd ČR Třeboň

Centrum regionu Hanaacute pro biotechnologickyacute a zemědělskyacute vyacutezkum

UPOL + VUacuteRV + UacuteEB AV ČR - vytvaacuteřeniacute zemědělskyacutech plodin s vyššiacutemi vyacutenosy toleranciacute vůči nepřiacuteznivyacutem vlivům vnějšiacuteho prostřediacute

- transformace rostlin ječmene a dalšiacutech obilnin

wwwcr-hanaeu

Biotechnologie v ČR

wwwalgaczcscs-algatechhtml

Českaacute technologickaacute platforma rostlinnyacutech biotechnologiiacute ndash rozvoj biotechnologiiacute v ČR = Rostliny pro budoucnost (ČTP RB) - nepotravinaacuteřskeacute využitiacute rostlin vedlejšiacutech produktů odpadů - vyacutevoj novyacutech odrůd kulturniacutech rostlin - uplatněniacute rostlinnyacutech biotechnologiiacute v raacutemci životniacuteho prostřediacute

httpwwwczechinvestorgceska-technologicka-platforma -rostlinnych-biotechnologii

selekce - vyacuteběr nejlepšiacutech rostlin křiacuteženiacute GMO

Přiacuteklad šlechtěniacute - novyacute typ ryacuteže - maleacute vzpřiacutemeneacute listoveacute čepele - hodně odnožiacute - žaacutedneacute neproduktivniacute odnože - silneacute steacuteblo - C3 ryacuteže na C4 ryacuteže

Rostlinneacute biotechnologie Co pěstujeme na poliacutech v zahradaacutech a v sadech a co naacutesledně jiacuteme prošlo za několik tisiacuteciletiacute proměnou Prvniacute změna - předkoveacute opustili životniacute styl lovců a sběračů a stali se pěstiteli zemědělskyacutech plodina a chovateli hospodaacuteřskyacutech zviacuteřat

zlataacute ryacuteže geny z 5 různyacutech druhů

- Phaseolus vulgaris pro ferritin - Aspergilus fumigatus - ferritin - ryacuteže Basmati - ferritin - Narcissus pseudonarcissus synteacuteza karotenu - Erwinia uredovora - synteacuteza karotenu

bdquozlataacute ryacuteželdquo tvořiacute zvyacutešeneacute množstviacute provitaminu A zabraacuteniacute hladu zachraacuteniacute zrak vznikla na požadavek humanitaacuterniacute organizace bdquoHumanitarien Rice Boardldquo kteraacute se snažiacute řešit probleacutemy s nedostatkem potravy v nejchudšiacutech čaacutestech našiacute planety

švyacutecarskyacute genetik Ingo Portykus a německyacute genetik Peter Bayer

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute

ekologickaacute udržitelnost kvantita a kvalita zaacutekladniacutech zdrojů zemědělstviacute ekonomickaacute udržitelnost zemědělskaacute produkce (uacuteroda na ha) a zisk cena za produkty sociaacutelniacute (společenskaacute) udržitelnost kvalita života zemědělců vysokaacute kvalita potravin bez rizika na zdraviacute a prostřediacute

Co je udržitelneacute zemědělstviacute Mohou biotechnologie pomaacutehat

snižovaacuteniacute kvality zaacutekladniacutech zdrojů vyčerpaacuteniacute zaacutekladniacutech zdrojů

Vyhliacutedky na budoucnost

naacuterůst počtu obyvatel

zvyacutešeniacute životniacuteho standardu

pokles plochy orneacute půdy

pokles pracovniacuteků v zemědělstviacute

naacuterůst cen potravin

Naacuterůst zemědělskeacute produkce s využitiacutem biotechnologiiacute

šlechtěniacute (rezistence k chorobaacutem)

noveacute plodiny

nutričniacute kvalita plodin

ochrana rostlin

bezpečnost produktů

hybnou silou biotechnologiiacute je naacuterůst obyvatel Kolik lidiacute by mělo žiacutet na planetě Zemi

Rostlinneacute biotechnologie

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute mutace s naacuteslednou selekciacute odchylek noveacute techniky EK ciacutelenyacute přenos genů

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

prvniacute zemědělci

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) BT prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute MUTACE s naacuteslednou selekciacute odchylek - odrůda ječmene bdquoDIAMANTldquo

noveacute TECHNIKY EK VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

ciacutelenyacute přenos genů GMO

CO BUDE DAacuteL zvyšovat vyacutenosy BUDE VĚTŠINA PĚSTOVANYacuteCH ZEMĚDĚLSKYacuteCH PLODIN TRANSGENNIacute

vznik zemědělstviacute

1954

jsme moudřejšiacute

maacuteme většiacute možnosti

Počaacutetek EK 1902 Gottlieb Haberland segmenty listů 1904 Hannig zralaacute embrya

Potenciaacutel rostlinneacute buňky a podstata

explantaacutetovyacutech kultur rostlin

metody a jejich aplikace

ve šlechtěniacute rostlin

EK - historie

TOTIPOTENCE rostlinneacute buňky genetickeacute informace - jaacutedro plastidy mitochondrie

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

daacute se přeneacutest v raacutemci šlechtěniacute

blok totipotence

vyjaacutedřeniacute totipotence 1 dediferenciace buňky do buněčneacuteho cyklu a pokračovaacuteniacute v děleniacute 2 rediferenciace - tvorba organickyacutech struktur - přiacutemaacute regenerace tvorba kalusu - nepřiacutemaacute regenerace

vliv růstovyacutech regulaacutetorů

Rostlinneacute biotechnologie prvniacute generace - od explantaacutetovyacutech kultur po GMO

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute rostlin - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

Explantaacutet = aseptickaacute kultivace izolovanyacutech čaacutestiacute rostlin za umělyacutech podmiacutenek

EXPLANTAacuteTOVEacute KULTURY - VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

EK - historie

Metody EK využitelneacute v zemědělstviacute Meristeacutemoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Somatickaacute embryogeneze

Embryokultury

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze + buněčneacute inženyacuterstviacute

Genetickeacute manipulace

VITRIFIKACE (hyperhydricita) ndash vyjadřuje abnormality růstu in vitro skelnatyacute syndrom vyacutehonů křehkeacute mokryacute vzhled pryacutetů (vodou nasycenyacutech) průsvitnyacute sukulentniacute vzhled

metody zachovaacutevajiacuteciacute genotyp beze změn během kultivace metody zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu během kultivace

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK 1 rychleacute namnoženiacute

2 ozdravovaacuteniacute

3 překonaacuteniacute nekřiacutežitelnosti - embryokultury

4 dlouhodobeacute udržovaacuteniacute genetickyacutech zdrojů

5 indukce mutantů - ziacuteskaacuteniacute novyacutech genotypů

6 předselekce - urychleniacute šlechtitelskeacuteho cyklu

7 ziacuteskaacuteniacute novyacutech a udrženiacute genotypů s pylovou sterilitou

8 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho procesu

9 produkce haploidů

10 produkce polyploidů

11 rychlejšiacute ziacuteskaacuteniacute vyacutechoziacuteho šlechtitelskeacuteho materiaacutelu pro noveacute odrůdy

12 somatickaacute hybridizace - fuacuteze

13 konstrukce novyacutech genotypů kulturniacutech plodin přenos bdquoužitečnyacutech genůldquo

14 udržovaacuteniacute genofondu

15 selekce in vitro - rezistence k abiotickyacutem a biotickyacutem stresům

16 produkce sekundaacuterniacutech metabolitů

Plodina Technika

ječmen pšenice kukuřice

řepka paprika brukvovitaacute

zelenina mrkev

androgeneze

cibule gynogeneze

jahodniacutek česnek ozdravovaacuteniacute

brambor traacutevy polyploidizace in vitro

jeteloviny drobneacute ovoce

ovocneacute dřeviny podnože traacutevy mikropropagace

brambor řepka somatickaacute hybridizace

hraacutech brambor rezistence k chorobaacutem

traacutevy embryokultury

Kombinace metod embryokultury oplozeniacute in vitro fuacuteze protoplastů

plodiny se geneticky upravujiacute pro většiacute rezistenci k herbicidům - ničeniacute plevele bez poškozeniacute uacuterody GM rajčata potlačujiacute gen pro polygalakturonaacutezu enzym degradujiacuteciacute pektin způsobujiacuteciacute měknutiacute pletiv (Deacon a kol 2002)

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK

Meristeacutemoveacute kultury

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny meristeacutemoveacute kultury

Vyacutehody maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky naacuteslednaacute mikropropagace ozdraveneacuteho materiaacutelu bdquovirus - freeldquo

Vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana Iniciace kultury Testovaacuteniacute in vitro Přenos do nesterilniacutech podmiacutenek Testovaacuteniacute

MERISTEacuteM ndash děliveacute nediferencovaneacute pletivo ozdravovaacuteniacute rostlin (02 - 05 mm) meristeacutemy

OZDRAVOVAacuteNIacute Termoterapie (vyššiacute teplota)

Meristeacutemovaacute kultura Chemoterapie (antivirotika)

viry - nebuněčneacute mikroorganismy virovaacute čaacutestice = virion sklaacutedaacute se z RNA nebo DNA a kapsidu

fytopatologie in vitro

ribavirin

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny

Vyacuteznamneacute viroveacute choroby rostlin v ČR od 30 ztraacutet CaMV - 1968 PVY 30 -70 VMCH (virus mozaiky chmele) až o 70 mozaika česneku 25 - 50 žloutenka cibule až 100 bronzovitost rajčat

- žloutnutiacute listů kroužky a čaacutery na listech nevyvinuteacute rostliny abnormaacutelniacute růst - vstupujiacute různyacutemi poraněniacutemi - šiacuteřiacute se plasmodesmaty - velmi odolneacute proti inaktivaci - přenaacutešeny semeny hliacutezami pylem roubovaacuteniacutem hmyzem houbami červy

1952 Morel a Martin u jiřin

Využitiacute metody jahodniacutek česnek zeleniny květiny okrasneacute dřeviny ovocneacute dřeviny banaacutenovniacutek hellip

Tvorba bezviroacutezniacutech rostlin

1 meristeacutem = 1 rostlina testovaacuteniacute

wwwoselczindexphpclanek=2819

viroacutezniacute x zdravaacute

M Navraacutetil KBBPřFUPOL

PVY

In vitro klonovaacuteniacute mikropropagace meristeacutemoveacute kultury

zisk geneticky identickeacute rostliny vegetativniacutem množeniacutem

VYacuteHODY

maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny ktereacute jsou geneticky stabilniacute

v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky

vyššiacute množitelskyacute koeficient - potenciaacutelniacute hodnota zisku rostlin

Postup - vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana - iniciace kultury - mikropropagace - přenos do nesterilniacutech podmiacutenek

KLON - kolekce geneticky identickyacutech individuiacute původem z jedineacuteho rodiče

komerčně od 1960

httpwwwjanholubcz

In vitro meristeacutemoveacute kultury - využitiacute - zaacutechrana a množeniacute ohroženyacutech druhů kaktusy

- zaacutechranneacute množeniacute cennyacutech genotypů a liniiacute sterilniacutech rostlin - udrženiacute rodičovskyacutech komponent pro tvorbu hybridniacutech odrůd

- množeniacute transgenniacutech rostlin

- zachyceniacute a klonovaacuteniacute nově nalezenyacutech mutantů při šlechtěniacute

- klonovaacuteniacute nejlepšiacutech jedinců pro produkci elitniacuteho osiva

- vegetativniacute množeniacute okrasnyacutech rostlin karafiaacutet gerbera anthurie orchideje

sanpaulie kapradiny hellip

- množeniacute drobneacuteho ovoce jahodniacutek maliniacutek reacuteva

- množeniacute dřevin podnože pro školkařstviacute lesniacute dřeviny tropickeacute dřeviny

- v zelinaacuteřstviacute množeniacute brambor zeliacute

- množeniacute pouze samičiacutech rostlin datlovaacute palma

- kryoprezervace (-196 oC) jahodniacutek maliniacutek hraacutech brambor karafiaacutet

Genoveacute

banky

Mikropropagace multiplikace klonovaacuteniacute nejen z meristeacutemů

Solanum tuberosum Cucumis sativus Olea europea Eucalyptus grandis Salix sp Syringa sp Juglans regia

Schopnost regenerace tvorba identickyacutech rostlin = přiacutemaacute somatickaacute embryogeneze

Meristeacutemy Pryacutetoveacute segmenty Kalusy Embrya

Zdroje odchylek bull vysokeacute daacutevky růstovyacutech regulaacutetorů typ regulaacutetoru bull rostliny regenerujiacute z basaacutelniacuteho kalusu (možnost gen změn)

Kalusoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Primaacuterniacute explantaacutet kalus meristemoid orgaacutenoveacute primordium

Kalus = masa děliacuteciacutech se a rostouciacutech buněk

nejsou uniformniacute mohou se lišit velikostiacute tvarem pigmentaciacute metabolismem nebo počtem chromosomů

bull za určityacutech podmiacutenek regenerace pryacutetů a kořiacutenků

tma x světlo

subkultivace

metoda geneticky nestabilniacute

Kalusoveacute kultury - somaklonaacutelniacute variabilita ndash MUTACE a zisk novyacutech znaků

- mikropropagace ndash cibule žen-šen hellip

- vyacutechoziacute materiaacutel pro suspenzniacute a protoplastovou kulturu

- materiaacutel pro indukovaneacute mutace (zaacuteřeniacute chemomutageny)

- sekundaacuterniacute metabolity (alkaloidy AMK saponiny oleje složky vůniacute protinaacutedoroveacute laacutetky steroidy )

polyploidie aneuploidie

Selekce mutantů se zlepšenou nutričniacute hodnotou (viacutece biacutelkovin v zrnu)

Rezistence vůči zasoleniacute (vysokyacute turgor v buňkaacutech akumulace NaCl ve vakuolaacutech)

Rezistence vůči chorobaacutem (synteacuteza fytotoxinů fytoalexinů)

Sekundaacuterniacute metabolity (= chemickeacute individuality v rostlinaacutech ndash barviva vůně chuti obrana)

Artemisia annua - artemisin (antimalarika) Capsicum sp - capsaicin (protinaacutedoroveacute)

Digitalis lanata - digoxin (srdečniacute stimulanty) Papaver somniferum - codein (sedativa)

Taxus breviola - taxol (protinaacutedoroveacute) Vanilla planifolia - vaniliacuten (aroma)

Panax ginseng - (imunitniacute systeacutem) Zingiber officinale ndash gingerol (antioxidant)

Somatickaacute embryogeneze a suspenzniacute kultury

Využitiacute

umělaacute semena (enkapsulace somatickyacutech embryiacute)

využitiacute somatickeacute variability

klonoveacute množeniacute

sekundaacuterniacute metabolismus (suspenze)

kryoprezervace

Buněčnaacute suspenze = převedeme kalus do tekuteacuteho meacutedia

a provzdušňujeme (kontakt buněk a shluků buněk s meacutediem)

vznikaacute bipolaacuterniacute struktura obsahujiacuteciacute kořen a pryacutet

auxin (24-D)

umělaacute semena

Mutace RADIOMUTANT PROSPĚCH NEBO ZAacuteLUDNOST

SPONTAacuteNNIacute MUTACE využiacutevaacute člověk při šlechtěniacute odrůd spur typy (kompakt typy) jabloniacute absence trnů u ostružiniacuteku variabilita květenstviacute jiřinky proměnliveacute vznik plemen domaacuteciacutech zviacuteřat je založen na podchyceniacute spontaacutenniacutech mutaciacute ndash plemena psů

INDUKOVANEacute MUTACE působeniacute mutagenů

zaacuteměrneacute ndash ve vyacutezkumu ve šlechtěniacute rostlin (př odrůdy ječmene DIAMANT (zkraacuteceniacute steacutebel ndash nepoleacutehaacute) kompaktniacute růst a samosprašnost třešně změna barvy slupky u jabloně ndash sbquoredlsquo mutace)

nezaacuteměrneacute ndash důsledek použitiacute jadernyacutech a chemickyacutech zbraniacute ndash Yperit jaderneacute a jineacute katastrofy

1950 radiomutace chemomutace 1965 ječmen Diamant

Suspenzniacute kultury - SK KULTURA V TEKUTEacuteM MEacuteDIU ROSTE A DĚLIacute SE NĚKOLIKANAacuteSOBNĚ RYCHLEJI NEŽ KULTURA

NA PEVNEacuteM MEacuteDIU Využitiacute jako experimentaacutelniacute model produkce sekundaacuterniacutech metabolitů indukce somaklonaacutelniacute variability a naacutesledneacute selekce mikropropagace (pod kontrolou genetickeacute stability) pohyb kultury v bioreaktoru maacute za naacutesledek potlačeniacute apikaacutelniacute dominance tiacutem se stimuluje růst mnohonaacutesobnyacutech pryacutetů

Bioreaktory firmy VitroSys Inc Korea

ideaacutelniacute SK ndash rychlyacute růst karyologickaacute stabilita životnost buněk rentabilita

Minimaacutelně 103 ml buněk 110 suspenze v exponenciaacutelniacute faacutezi se doplniacute čerstvyacutem meacutediem Koncentrace sacharidů prodlužuje periodu růstu

Velkokapacitniacute kultivace rostlinnyacutech buněk v tekutyacutech meacutediiacutech sterilniacute prostřediacute obsahujiacuteciacute živiny a laacutetky potřebneacute pro růst a jeho regulaci vhodneacute pro kultivaci rostlinnyacutech mikrobiaacutelniacutech a živočišnyacutech buněk

Bioreaktor

Bioreaktory s tekutyacutem meacutediem explantaacutety jsou ponořeny v tekuteacutem meacutediu Bioreaktory s pravidelnyacutem zaplavovaacuteniacutem (temporary immersion bioreactor TIB) explantaacutety jsou pravidelně zaplavovaacuteny

Bioreaktor

httpwwwuebcasczcscontentzensenove-spagety

pěstujiacute se jen kořeny - zisk GINSENOSIDŮ za 3 měsiacutece v laboratoři stejnyacute zisk jako z rostlin ženšenu v přiacuterodě za 8 let obsah GINSENOSIDŮ je srovnatelnyacute s planě rostouciacutemi rostlinami množstviacutem i vzaacutejemnyacutem poměrem jednotlivyacutech laacutetek

v Koreji od r 2004

hairy-root systeacutem a sekundaacuterniacute metabolity

Sekundaacuterniacute metabolity - SM ROSTLINA BUNĚČNAacute KULTURA

EXTRAKT prověřovaacuteniacute oddělovaacuteniacute čištěniacute aktivniacute složky testovaacuteniacuteprověřovaacuteniacute

ČISTAacute BIOAKTIVNIacute LAacuteTKA

SM z buněčneacute kultury - extrakty ziacuteskaneacute za reprodukovatelnyacutech podmiacutenek spolehliveacute zdroje meacutedium - množstviacute čisteacuteho produktu

buňky rostou v tekuteacutem meacutediu -ne celaacute rostlina

produkt rostlina in vitro ()

rostlina ()

poměr

ginsenoside Panax ginseng 27 45 6 x

rosmarinic acid Coleus blumei 27 3 9 x

caffeic acid Vanilla planifolia 002 0005 4 x

shikonin Lithospermum erythrorhizon

20 15 135 x

ubiquinon-10 Nicotiana tabacum 0036 0003 12 x Heldman et al 2011

anti

oxy

dan

ty v sušině

bioreaktory

Sekundaacuterniacute metabolity - SM Rostlina Uacutečinnaacute laacutetka Uacutečinek

Artemisia annua pelyněk ročniacute artemisinin antimalarikum

Digitalis lanata naacuteprstniacutek vlnatyacute digoxin srdečniacute stimulants

Dubosia myoporoides lilkoviteacute atropin

scopolamin

očniacute přiacutepravky mořskaacute nemoc

Lithospermum

erythrorhizon

kamejka

rudokořennaacute

shikonin protinaacutedoroveacute

Panax ginseng ženšen pravyacute stimulant imunitniacuteho systeacutemu

Salix alba vrba biacutelaacute salicin antirevmatikum proti horečce

Taxus brevifolia tis

zaacutepadoamerickyacute

baccatin taxol protinaacutedoroveacute

Vinca rosea barviacutenek růžovyacute vinblastin

vinkristin

protinaacutedoroveacute alkaloidy

leukeacutemie

buněčnaacute kultura

Rostlina Extrakt Uacutečinek

Linum usitatissimum len setyacute olej

Mentha piperita maacuteta peprnaacute maacutetovyacute olej -

mentol

žaludečniacute potiacuteže

Mentha spicata maacuteta klasnataacute mentol žaludečniacute potiacuteže

Zingiber officinale zaacutezvor leacutekařskyacute gingerol antioxidant

informace z tradičniacute lidoveacute mediciacuteny - použitiacute extraktů a purifikace zdroje z nedotčeneacuteho ekosysteacutemu

kalusovaacute kultura buněčnaacute suspenze orgaacutenovaacute kultura - Artemisia Mentha - pryacutety

rostliny jsou vyacuterobci sekundaacuterniacutech metabolitů

cytostatikum

Sekundaacuterniacute metabolity - SM

Heldman et al 2011

VYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY

nezaacutevisleacute na geografickyacutech podmiacutenkaacutech

nezaacutevisleacute na sezoacutenniacutech podmiacutenkaacutech

v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

v přiacuterodě kontrolovaacuteno množstviacute in vitro ne

nepřetržitaacute dodaacutevka produktu

uniformniacute kvalita produktu

uniformniacute vyacutetěžnost produktu (průběžně)

vyacuteběr vhodneacute linie s vyššiacute produkciacute produktu

možnost tvorby novyacutech laacutetek nenormaacutelniacutech u donora

NEVYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY staacutele se vyviacutejejiacuteciacute

překaacutežky - pomalyacute růst

genetickaacute nestabilita

různorodost

niacutezkyacute obsah metabolitu

produkty vylučovaacuteniacute provozniacute - světelneacute podmiacutenky aseptickeacute podmiacutenky

STRATEGIE TVORBY SM vyacuteběr donorovyacutech rostlin - biochemickeacute testy

iniciace kalusů

vyacuteběr buněčneacute linie - rychle rostouciacute vysokaacute produkce

ciacutelenyacute metabolismus - kultivačniacute meacutedium (složeniacute koncentrace proporcionalita)

kultivačniacute podmiacutenky (teplota světlo pH) zvlaacuteštniacute požadavky (prekurzor simulace stresu - napadeniacute patogenem)

uvolněniacute do meacutedia

Embryokultury

Embryokultury = kultivace zralyacutech nebo nezralyacutech embryiacute in vitro

1904 Hannig - embrya u ředkve

1925 Laibach - aplikace v mezidruhoveacutem křiacuteženiacute r Linum sp

1945 Randolph - zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu u r Iris sp

1970 Kasha Kao - ziacuteskaacuteniacute haplodů u ječmene

Hordeum vulgare (zůstaacutevaacute) x Hordeum bulbosum (eliminace chromozoacutemů)

Zygotickaacute embrya vyacuteživa z endospermu (heterotrofniacute)

Embrya in vitro vyacuteživa z kultivačniacuteho meacutedia

In vitro oplodněniacute u člověka - 1978 pro neplodneacute paacutery

geneticky stabilniacute metoda

Embryokultury- in vitro

I Kultura semennyacutech embryiacute tj izolace plně vyvinutyacutech

bipolaacuterniacutech struktur obsahujiacuteciacutech kořenovyacute a stonkovyacute systeacutem

II Kultura proembryiacute tj izolace nezralyacutech zaacuterodků předchaacutezejiacuteciacutech

diferenciaci děloh

Embryogeneze zygotickeacuteho embrya (in vivo)

zygota (přiacuteprava na 1 děleniacute)

faacuteze pomaleacuteho vyacutevinu embrya po oplozeniacute

faacuteze rychleacuteho vyacutevinu růstu a diferenciace embrya

faacuteze dozraacutevaacuteniacute embrya

faacuteze přechodu embrya do dormance (ABA)

Embryokultury

1 překonaacuteniacute barieacuter vzdaacuteleneacuteho křiacuteženiacute (abortace hybridniacutech embryiacute sterility semen)

2 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu (viacutece generaciacute za rok)

3 řešeniacute jarovizačniacuteho staacutedia

4 primaacuterniacute explantaacutet pro dalšiacute kultury

5 eliminace inhibice kliacutečeniacute

6 studium mineraacutelniacute vyacuteživy

7 umělaacute semena

8 studium metabolickyacutech vztahů mezi embryem a endospermem embryem a dělohami

9 ziacuteskaacuteniacute haploidniacutech rostlin

Opylovaacuteniacute in vitro

Opylovaacuteniacute in situ

in vitro

Inkompatibilita rostlin

zaručuje stabilitu druhu

Barieacutery procesu opyleniacute a oplozeniacute

vnějšiacute (teplota vlhkost nedostatečnaacute vyacuteživa )

vnitřniacute (inkompatibilita samčiacute nebo samičiacute sterilita)

využitiacute v raacutemci šlechtěniacute rostlin k překonaacuteniacute prezygotickyacutech barieacuter vznik mezidruhovyacutech mezirodovyacutech hybridů

Barieacutery Technika překonaacuteniacute

Před oplodněniacutem selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute blizny pestiacuteku pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

rezistence vůči abiotickeacutemu stresu rezistence vůči škůdcům vyššiacute vyacutenos

přenos z jineacuteho druhu

EK využitiacute ve šlechtěniacute

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury HAPLOID rostlina s n počtem chromozomů menšiacute sterilniacute

1963 T Yamada a kol Tradescantia reflexa (haploidy)

1964 - 1966 S Guha SC Maheswari Datura diploidizace kolchicinem

1969 JP Nitsch a kol celeacute rostliny (tabaacutek)

1973 JP Nitsch Norrel mikrosporoveacute kultury

2000 šlechtitelskeacute programy polniacutech plodin (obiloviny řepka)

využiacutevajiacute haploidniacute kultury in vitro

Androgeneze prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Androgeneze - kultivace prašniacuteků pyl zrn mikrospor = samčiacute genotyp

Gynogeneze - kultivace neoplodněnyacutech vajiacuteček = samičiacute genotyp

Haploidie - spontaacutenniacute = haploidniacute partenogeneze (gynogeneze androgeneze) frekvence 10-6

- experimentaacutelniacute indukovanaacute

fyzikaacutelniacute faktory = UV γ-zaacuteřeniacute X-paprsky teplotniacute šoky

zaacutesahy do procesů opyleniacute a oplozeniacute (inaktivniacute pyl)

explantaacutetoveacute metody = prašniacutekoveacute a pyloveacute kultury kultivace semeniacuteků a vajiacuteček

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury Ontogeneze pylu

In vivo mikrosporogeneze

pylovaacute mateřskaacute buňka

meiosa

pyloveacute tetraacutedy

vyacutevoj mikrospory (1 pyl mitoacuteza)

In vitro vyacutevoj embryoidu

(vegetativniacute generativniacute buňka)

- přiacutemaacute embryogeneze

- nepřiacutemaacute embryogeneze

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

využitiacute haploidů (majiacute jen jednu sadu chromosomů)

segregace vloh na gametickeacute uacuterovni ndash homozygoacutetniacute stav (čisteacute linie v F2 generaci)

detekce recesivniacutech mutaciacute (fenotypickyacute projev)

trpasličiacute varieta ndash u okrasnyacutech rostlin

Dihaploidizace

n rostliny - sterilniacute

104 ndash 105 mikrospoacuterml meacutedia

Brassica sp

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Prašniacutekoveacute kultury

viacutece než 200 druhů (řepka ryacuteže kukuřice obiloviny)

20-60 dnů

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

vyacutevoj globulaacuterniacuteho embrya a naacutesledně haploidniacute rostliny přiacutemo z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory

z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory vznikaacute kalus rarr indukce organogeneze

TYPY ANDROGENEZE

vzaacutecně

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Solanaceae

Brassicaceae

Poaceae

prašniacuteky

Androgeneze

Indukovanaacute androgeneze ndash přiacuteklady

Beta vulgaris - homozygotniacute linie

Brassica napus - novaacute odrůda linie

Hordeum vulgare

Lycopersicon - novaacute odrůda

Nicotiana - noveacute odrůdy

Oryza - noveacute odrůdy

Pelargonium - trpasličiacute variety

Triticum ndash cv Florin Huapei

Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby Praha Vyacutezkumnyacute uacutestav obilnaacuteřskyacute Kroměřiacutež Vyacutezkumnyacute uacutestav olejnin Oseva

Gynogeneze kultury izolovanyacutech vajiacuteček

kultury izolovanyacutech semeniacuteků

kultury izolovanyacutech květenstviacute in vitro

haploidniacute rostliny

spontaacutenniacute dihaploidniacute rostliny

ječmen kukuřice moruše

slunečnice cibule

kultivace vajiacuteček Beta vulgaris Tomaszewska-Sowa 2010

327 haploids 458 diploids and 215 ndash mixoploids

x opyleniacute ozaacuteřenyacutem pylem

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

Polyploidizace in vitro

duplikace celeacuteho genomu až 70 všech krytosemennyacutech rostlin je polyploidniacutech (Masterson 1994) POLYPLOID metabolicky aktivnějšiacute a rozměrnějšiacute plodiny ktereacute jsou vhodneacute pro pěstovaacuteniacute a leacutepe se vyrovnaacutevajiacute se stresovyacutemi podmiacutenkami

kolchicin

oryzalin

trifluralin

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze protoplastů

1892 Klecker - 1 mechanickaacute izolace protoplastů Stratiotes aloides (řezan pilolistyacute) 1960 EC Cocking 1 enzymatickaacute izolace protoplastů Nicotiana sp 1978 G Melchers a kol 1 mezirodovyacute hybrid bdquopomatoldquo bdquotopatoldquo Solanum tuberosum x S lycopersicum (Lycopersicum esculentum)

httptheplanetfixerorg387new-vegetable-created-the-tomato-potato-plant

Protoplastoveacute kultury

= kultivace rostlinnyacutech buněk zbavenyacutech buněčneacute stěny

Protoplast = rostlinnaacute buňka bez buněčneacute stěny jejiacute povrch tvořiacute cytoplazmatickaacute membraacutena maacute kulovityacute tvar

Protoplastoveacute kultury - regenerace

Faktory ovlivňujiacuteciacute kultivaci a regeneraci

Hustota ( počet protoplastů v 1 ml)

Životnost ()

Podmiacutenky kultivace a meacutedium

bull Studium synteacutezy buněčneacute stěny vyacutevoj buňky fyziologie buňky a cytogenetiku

bull Studium hodnoceniacute uacutečinků farmak potravinovyacutech doplňků agrochemickyacutech laacutetek na rostlinnou

buňku

bull Studium transportu iontů a laacutetek přes cytoplasmatickou membraacutenu

bull Somatickaacute hybridizace (fuacuteze protoplastů)

bull Inkorporace exogenniacuteho genetickeacuteho materiaacutelu ndash organel cybridizace

bull Genoveacute transformace (cizorodaacute DNA z bakteriaacutelniacuteho plasmidu)

Protoplastoveacute kultury - fuacuteze

Využitiacute

kombinace znaků odlišnyacutech druhů a rodů ktereacute by nevznikly přirozenou cestou

jedinečneacute kombinace jadernyacutech a organelovyacutech genomů vytvaacuteřiacute noveacute genetickeacute zdroje

často jen - čaacutest chromozomů asymetrickeacute jaderneacute hybridy

chloroplasty

mitochondrie

chemickeacute fuacuteze - pomalejšiacute elektrofuacuteze - fuacutezanti po 10 min vyššiacute frekvence fuacutezantů

cytoplazmickeacute hybridy - cybridy

Charakterizace hybridů - morfologicky cytologicky molekulaacuterniacute analyacutezy

Přirozenaacute mezidruhovaacute hybridizace - vznik některyacutech kulturniacutech plodin

B oleracea + B campestris = Brassica napus Nicotiana sylvestris + N tomentosa = Nicotiana tabacum

cybridy nelze ziacuteskat klasickou hybridizaciacute (křiacuteženiacutem) ndash samčiacute pohlavniacute buňky (pyl zrna) nemajiacute plastidy a mitochondrie

V přiacuterodě blesky do půdy modifikace bakteriiacute

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

Přenos jaderneacute a cytoplazmatickeacute genetickeacute informace mezi rostlinnyacutemi druhy rody

- překonaacuteniacute sexuaacutelniacute inkompatibility

- přenos genů rezistence vůči virovyacutem houbovyacutem chorobaacutem

- přenos cytoplazmatickeacute samčiacute sterility

- přenos rezistence vůči stresům (teplotniacutem zasoleniacute)

- přenos rezistence vůči hmyziacutem škůdcům

(synteacuteza fytoalexinů)

- přenos genů pro synteacutezu zaacutesobniacutech proteinů vitamiacutenů

alkaloidů

plnokvětost

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

využitiacute pro fytoremediace

Brassica juncea Tlaspi caerulescens brukev siacutetinovitaacute peniacutezek modravyacute akumulace Pb akumulace Zn a Ni hybrid se zvyacutešenou rezistenciacute k Pb Zn a Ni rychlyacute naacuterůst

biomasy

Brassica napus Thlaspi caerulescens hybridi rostly na vysokeacutem obsahu Zn

Fuacuteze protoplastů rodu Brassica s planyacutemi druhy

Armoracia rusticana

Barbarea vulgaris

Camelina sativa

Capsella bursa pastoris

Diplotaxis catholica

Diplotaxis muralis

Diplotaxis harra

Eruca sativa

Lesquerella fendleri

Mathiola incana

Moricandia arvensis C4

Moricandia nitens C4

Raphanus sativus

Sinapis alba

Sinapis arvensis

Thlaspi perfoliatum

Thlaspi caerulescens

Genoveacute banky In vitro genoveacute banky

2397 vzorků 1249 odrůd Solanum tuberosum 450 teraploidniacutech křiacuteženců S tuberosum 266 dihaploidů 119 mezidruhovyacutech hybridů rodu Solanum 313 genotypů kulturniacutech genotypů 23 planyacutech druhů

Havliacutečkův Brod

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu rostlin

1 Uchovaacutevaacuteniacute semen ndash semenneacute banky (od 1 roku - hellip)

2 Uchovaacutevaacuteniacute vegetativniacutech orgaacutenů ndash hliacutezy cibule řiacutezky

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro Kraacutetkodobeacute - aktivně rostouciacute kultury (pravidelneacute pasaacuteže) - uchovaacuteniacute kultur v minimaacutelniacutem růstu nižšiacute teploty kultivace

Dlouhodobeacute u rostlin kde nejsou semena

- za velmi niacutezkyacutech teplot (-196oC) = kryobanka

Databaacuteze ndash přiacutestupneacute z celeacuteho světa

Špicberky

genobanka - wwwvurvcz part databases EVIGEZ

vyacuteznam v mediciacuteně

Zaacuteložniacute fond semena potravinaacuteřskyacutech plodin z celeacuteho světa

stane se zaacuteložniacutem fondem pro ostatniacutech 1400

semennyacutech bank po celeacutem světě

v Iraacuteku a v Afghaacutenistaacutenu byla podobnaacute zařiacutezeniacute za

vaacutelky zcela zničena

na Filipiacutenaacutech je v roce 2006 poškodila povodeň

semennaacute banka pro světoveacute plodiny je umiacutestěna v hoře

maacute vyztuženeacute stěny betonem a železem

třiacute komory o velikosti 27 kraacutet 10 metrů

teplota minus 18 oC (konzervace po stovky až tisiacutece let) httpwwwnorambczarkivBasisartikler---OversettelserIkke-

bruktnovinkyseedvault_eng

k 1172010 zde bylo uloženo 716 523 vzorků semen patřiacuteciacutech ke 4 205 druhům

českaacute banka uloženaacute v Praze-Ruzyni zaacuteloha na Slovensku

Špicberky

Uchovaacutevaacuteniacute genofonduv ČR

genofond odrůd meruněk broskvoniacute mandloniacute reacutevy vinneacute kdouloniacute lonicer rakytniacuteků a dřiacutenů

2400 položek

25 000 položek

5400 položek 2397

položek

4700 položek

2000 položek

2300 položek

Naacuterodniacute informačniacute systeacutem genetickyacutech zdrojů EVIGEZ httpwwwgenbankvurvczgeneticresources

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro

KRYOBANKA

prašniacuteky a pyl pletiva a orgaacuteny meristeacutemy

kalus

suspennzniacute somatickaacute kultury embrya

dlouhodobeacute skladovaacuteniacute

nižšiacute naacuteroky na uchovaacuteniacute

mezinaacuterodniacute vyacuteměna

nižšiacute podiacutel lidskeacute praacutece

potřeba menšiacuteho prostoru

uchovaacuteniacute genetickeacute stability

omezeniacute staacuternutiacute

ozdravenyacute materiaacutel

prodlouženeacute použitiacute pylu

uchovaacuteniacute vzaacutecnyacutech rostlin

apikaacutelniacute vrcholy

Biotechnologickaacute laboratoř Nestleacute - uchovaacutevaacute buněčneacute embryogenniacute linie kaacutevy kakaa a banaacutenů

Německaacute sbiacuterka mikroorganismů a buněčnyacutech kultur (DSMZ Braunschweig Německo) meristeacutemy 519 staryacutech kultivarů brambor ndash metoda mrazeniacute alginaacutetovyacutech perel

International Potato Centre (CIP Lima Peru) - 345 kultivarů brambor

INIBAP Leuven Belgie - 306 kultivarů banaacutenu (14 ze světoveacuteho počtu kultivarů)

Naacuterodniacute genobanka klonů NCGR USA - ročniacute naacuteklady

udržovaacuteniacute jedneacute položky v sadu (hrušně) 77 dolarů na skladovaacuteniacute in vitro 23 dolarů na kryoprezervaci 1 dolar (při počaacutetečniacute investici na kryometodu 50 dolarů za uchovaacutevanou jednotku)

Přiacuteklady komerčniacuteho využitiacute kryoprezervace meristeacutemů

Aplikace biotechnologiiacute ve šlechtěniacute rostlin

rostliny postraacutedajiacute schopnost aktivně se přesouvat z dosahu nepřiacuteznivyacutech vlivů rostliny vyvinuly adaptačniacute mechanismy pro překonaacuteniacute stresů a tiacutem přežitiacute v extreacutemniacutech podmiacutenkaacutech

Biotechnologie v zemědělstviacute ekologickeacute zemědělstviacute

VLIV ŠKŮDCŮ CHOROB A PLEVELŮ NA ZEMĚDĚLSKEacute PLODINY

1 sniacuteženiacute velikosti a vaacutehy zrna 2 ztraacuteta ve velikosti hliacutez a kořenů 3 zvyacutešeniacute obsahu vlhkosti 4 změny v chemickeacutem složeniacute zrna hliacutez a kořenů 5 odbarveniacute zrna a hliacutez - deformace 6 tvorba mykotoxinů patogeny 7 sniacuteženiacute kliacutečivosti 8 redukce krmiva

spotřeba vody - rezistence k suchu sniacutežiacute spotřebu uchovaacuteniacute vody rostlinou aplikace hnojiv chemickaacute kontrola škůdců

- studium abiotickeacuteho stresu

- zlepšeniacute ochrany rostlin vůči škůdcům

- ochrana životniacuteho prostřediacute

- zlepšeniacute kvality potravin

odstraněniacute hladu GMO fytoremediace

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

ohroženiacute klimatickyacutem suchem v ČR ndash nejrizikovějšiacute oblasti nižšiacute polohy na jižniacute a středniacute Moravě v prostoru mezi Prahou Uacutestiacutem nad Labem a Žatcem zaacutepadně od Pardubic

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

Rezistence k suchu - využitiacute vody

Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

vyacutevoj samčiacuteho gametofytu - spojen s expresiacute genů - 150 specifickyacutech genů spraacutevneacute načasovaacuteniacute

sporofyt gametofyt

2n 1n

rostlina pylovaacute zrnazaacuterodečnyacute vak

pohlavniacute rozmnožovaacuteniacute přiacuterodniacute vyacuteběr

pylzrna - exina (ovlivněna sporofytem) ochrana před UV laacutekaacuteniacute opylovačů - barva vůně komunikace s bliznou produkce alergenů

strategie rostlin zabraacuteněniacute samoopyleniacute

Biotechnologie v zemědělstviacute samčiacute gametofyt n TETRASPORE (TES) reg gen je vyžadovaacuten ke tvorbě přepaacutežek mezi produkty meioacutezy u mutanta všechna čtyři jaacutedra mikrospoacutery zůstaacutevajiacute ve stejneacute cytoplazmě polyploidniacute jedinci n GEMINI POLLEN 1 (GEM1) reg gen je vyžadovaacuten k orientaci mitotickeacuteho vřeteacutenka mutant tvořiacute dvě symetrickaacute jaacutedra typu vegetativniacuteho vede ke sterilitě n SIDECAR POLLEN (SCP) reg gen je vyžadovaacuten k děleniacute pylu prvniacute symetrickaacute pylovaacute mitoacuteza mutanta daacutevaacute dvě stejneacute buňky jedna extra- vegetativniacute (sterilniacute sidecar) a druhaacute regvegetativniacute a generativniacute mutace nevede ke sterilitě n QUARTET (QRT) reg gen je vyžadovaacuten k separaci pylovyacutech zrn u mutantů jsou stěny meiotickyacutech produktů pyloveacute mateřskeacute buňky fuacutezovaacuteny a zrna se uvolňujiacute v tetraacutedaacutech

samičiacute makrogametofyt n FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED (FIS) a FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) reg geny hrajiacute regulačniacute role ve vyacutevinu semene po oplozeniacute u mutantů se diploidniacute jaacutedra endospermu vyviacutejejiacute bez oplozeniacute pak atrofujiacute mutace neovlivňujiacute vaječnou buňku - procesy embryogeneze a vyacutevinu endospermu jsou odlišneacute n MEDEA (MEA) reg mutace genu způsobuje hypertrofii a zaacutenik embrya neniacute jasneacute na jakeacute uacuterovni se gen projevuje zaacuterodečnyacute vak endosperm nebo maternaacutelně imprintovanyacute embryonaacutelniacute gen

Biotechnologie ve šlechtěniacute rostlin Selektivniacute šlechtěniacute rostlin - přiacuterodniacute genetickeacute diverzity rostlin Techniky překonaacuteniacute barieacuter šlechtěniacute

Barieacutery Technika překonaacuteniacute Před oplodněniacutem

selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute pestiacuteku

pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony

pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro

selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů

odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute

abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry

sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

vyacutevoj semen

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

Škůdci v historii naacutelety sarančat (Staryacute zaacutekon)

ochrana saze tabaacutek

začaacutetek 19 stol - siacutera na houboveacute patogeny 1939 objev DDT uacutečinek na hmyz teorie bdquohmyz se může staacutet rezistentniacuteldquo 1948 Nobelova cena P Muumlller

50 leacuteta 20 st - herbicidy - postřiky na plevele ( rezistence na herbicid) 1972 zaacutekaz DDT (vyacutejimka - boj s malaacuteriiacute v Africe - naacutevrat DDT)

škůdce - hmyz hliacutestice 1861 - v Americe Iowa Nebraska 1880 1 pesticid v S Americe arzeacutenem bdquoParis greenldquo

S rostouciacute intenzitou pěstovaacuteniacute roste hospodaacuteřskyacute vyacuteznam škodlivyacutech organismů objem škod se zvyšuje staacutele přibyacutevajiacute noveacute druhy škodlivyacutech organismů zavaacutedějiacute se staacutele noveacute prostředky

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin - hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy

1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho

obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

ROS Reactive oxygen species reaktivniacute formy kysliacuteku SAR Systemic acquired resistance systeacutemově ziacuteskanaacute rezistence = neinfikovaneacute buňky začiacutenajiacute s přiacutepravou na atak patogena

napadeneacute rostliny uvolňujiacute signaacutelniacute molekuly (těkaveacute laacutetky - druhově specifickeacute) a varujiacute okolniacute rostliny ještě před napadeniacutem hmyzem

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin -hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy 1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

produkujiacute u různyacutech rostlin různě - sekundaacuterniacute metabolity - odstrašeniacute nebo zničeniacute patogena - proteiny inhibujiacuteciacute aktivitu zažiacutevaciacutech enzymů hmyzu - enzymy degradujiacuteciacute buněčnou stěnu hub (chitinaacutezy) - proteiny inhibujiacuteciacute překlad proteinů u škůdce - antiviroveacute složky degradujiacuteciacute virovou RNA blokujiacute vstup do buňky zastavujiacute replikaci

geny ktereacute bdquoSARldquo zapiacutenajiacute zvyšujiacute rezistenci rostliny

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům - již v čaacutesti fytotatologie

Co je plevel soutěžiacute s plodinou o živiny světlo a prostor intenziacutevně roste podiacuteliacute se na šiacuteřeniacute chorob a škůdců

lat herba - rostlina řeč cidoacute - ničiacutem

Vznik rezistence plevelů vůči některyacutem herbicidniacutem laacutetkaacutem = reakce plevelnyacutech druhů na podmiacutenky současneacuteho pěstovaacuteniacute rostlin = dlouhodobeacute působeniacute herbicidů

Vyacutevoj plevelů na zemědělskeacute půdě v naacutevaznosti na skladbu pěstovanyacutech plodin Vznik rezistence plevelů vůči herbicidům Problematika invaziacute a expanziacute plevelů

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům

Rezistenci vůči herbicidům způsobujiacute biochemickeacute fyziologickeacute změny nebo morfologickeacute odlišnosti ktereacute ovlivňujiacute přiacutejem herbicidů rostlinou

- degradujiacute herbicid

- měniacute jeho biochemickou funkci v rostlině

- pozměňujiacute miacutesto na ktereacute herbicid v rostlině působiacute

Rezistence rostlin vůči herbicidům dědičnaacute schopnost odolaacutevat takoveacute daacutevce herbicidů při ktereacute by za normaacutelniacutech okolnostiacute byla populace potlačena

směr pro šlechtěniacute

Aplikace rostlinnyacutech biotechnologiiacute v životniacutem

prostřediacute

takto nebo takto

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Těžba a zpracovaacuteniacute surovin(těžkeacute kovy- Cd Pb prach) Průmyslovaacute vyacuteroba (barviva)

Skladovaacuteniacute (haldy kaliště sklaacutedky) Zemědělstviacute (pesticidy herbicidy)

Domaacuteciacute odpad (leacutečiva detergenty praciacute prostředky)

čin

no

st č

lově

ka

půda voda ovzdušiacute

znečištěniacute

degradace organismy produkujiacuteciacute laacutetky (enzymy) pro

ciacutelenyacute rozklad

organismy snižujiacuteciacute toxicitu toxickeacute laacutetky metylaciacute dehalogenace hydroxylace hydrolyacuteza deaminacehellip

substraacutet je zdrojem C a energie

dekontaminace

+ katastrofy Černobyl vaacutelečneacute konflikty

remediace = navraacuteceniacute k původniacutemu stavu

Biodegradace všechny přirozeneacute procesy ktereacute jsou uskutečňovaacuteny bakteriemi a jinyacutemi mikroorganizmy nebo vyššiacutemi organismy ktereacute vedou k destrukci organickyacutech molekul = organickyacute substraacutet je přeměňovaacuten až na CO2 Bioremediace (bakterie houby)

spočiacutevaacute v akceleraci přirozenyacutech biodegradačniacutech procesů nebo v ciacuteleneacute biodegradace - vede k ozdraveniacute kontaminovaneacuteho prostřediacute - detoxifikace měniacute se na netoxickeacute = neškodneacute laacutetky - aplikaciacute mikroorganismů

Fytoremediace (rostliny) niacutezkaacute cena

využitiacute rostlin k odstraněniacute toxickeacute zaacutetěže (těžkeacute kovy) řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny Zooremediace (zviacuteřata)

zpracovaacuteniacute odpadů pomociacute zviacuteřat bezobratliacute - perlorodky měkkyacuteši

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

nevyacutehody pomalaacute viacutece než 2 roky maleacute rozměry vhodnyacutech rostlin maacutelo druhů vhodnyacutech rostlin neniacute 100 probleacutem s rostlinnyacutem odpadem - potřeba zvlaacuteštniacutech sklaacutedek spadeneacute listiacute

- řiacutezeneacute spalovaacuteniacute

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacute len slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

vyacutehody mineralizace organickyacutech sloučenin niacutezkeacute naacuteklady pasiacutevniacute metoda bez transportu kontaminovaneacute půdy energie ze slunečniacuteho zaacuteřeniacute nepoškozuje okoliacute - sniacuteženiacute prašnosti

estetickyacute přiacutenos etickyacute uacutečinek (veřejnosti přijatelnyacute)

2005 cca 450 rostlinnyacutech druhů - tzv bdquohyperakumulaacutetoryldquo 100 x vyššiacute akumulace než u ostatniacutech rostlin

teorie vzniku - obrana vůči hmyzu - hmyz preferuje

niacutezkeacute koncentrace kovu

Thlaspi careulescens

X bagrovaacuteniacute kontaminovaneacute zeminy transport zeminy dekontaminace

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute přiacutejem kořeny - z půdy přiacutejem nadzemniacute čaacutestiacute rostliny - vyacutefukoveacute plyny

akumuluje

degraduje

detoxifikuje

roste na kontaminovaneacute půdě

produkuje velkeacute množstviacute biomasy

tolerantniacute k salinitě a jinyacutem toxickyacutem podmiacutenkaacutem

poskytuje ekonomickeacute hodnoty - textilniacute vlaacutekna (len konopiacute)

GMO - gen fytovolatizace - bakteriaacutelniacute geny transformovaacuteny do rostlin transgeny merA a merB fytoextrakce - gen gsh1 a gsh2 z E coli do Brassica juncea

potenciaacutel je v GMO rostlinaacutech

Laboratoř rostlinnyacutech biotechnologiiacute Společnaacute laboratoř UacuteEB AV ČR vvi A VUacuteRV vvi Akademie věd Českeacute Republiky Mendelova univerzita v Brně Uacutestav experimentaacutelniacute botaniky AV ČR Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby v Praze Metoda použita na čištěniacute uranem a radiem znečištěneacute vody v Mydlovarech - kořenovaacute čistiacuterna

ideaacutelniacute rostlina

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

proces substraacutet ciacutel rostlina

fytoextrakce fytoakumulace

odstraněniacute toxickyacutech laacutetek z půdy a vody - akumulaciacute rychle rostouciacute rostlinou (zůstaacutevaacute v rostlině)

půda sedimenty kaly odpadniacute vody

toxickeacute kovy radionuklidy

Thlaspi sp Brassica sp

fytostabilizace ciacuteleneacute pěstovaacuteniacute tolerantniacutech druhů zamezeniacute eroziacute

půda haldy odkaliště těžkeacute kovy dlouheacute a bohateacute kořeny

fytovolatizace odstraněniacute Hg pomociacute genu koacutedujiacuteciacuteho reduktaacutezu Hg2+ na Hg0

a uvolněniacute do ovzdušiacute

půdy sedimenty odkaliště průmysloveacute a zemědělskeacute odpadniacute vody

kovy - Se Hg chlorovanaacute rozpouštědla

stromy traacutevy Brassica sp

fytodegradace degradace kontaminantů rostlinou na netoxickeacute laacutetky

půdy sedimenty odkaliště odpadniacute vody

ropneacute laacutetky pesticidy detergenty

stromy traacutevy

rhizofiltrace odstraněniacute pomociacute rostlinnyacutech kořenů

povrchoveacute vody odpadniacute vody

těžkeacute kovy - Co Cu Cr Mn Ni radionuklidy

Brassica sp Helianthus vodniacute rostliny hydroponie

superrostliny

niacutezkeacute naacuteklady

kořenovaacute čistička = umělyacute mokřad oddělenyacute od okoliacute nepropustnou foacuteliiacute využiacutevaacute samočisticiacutech procesů probiacutehajiacuteciacutech v propustneacutem půdniacutem prostřediacute za spoluuacutečasti rostlin čištěniacute odpadniacutech vod z domaacutecnostiacute sklaacutedek a některyacutech průmyslovyacutech provozů

Rhizofiltrace

httpwwwnemcoviceczcontentviewfull3607

rostliny s vysokyacutemi

naacuteroky na vyacuteživu

+

bakterie

může zapaacutechat

5x - 10 x nižšiacute naacuteklady

Člověk čistiacute odpadniacute vodu za pomoci zařiacutezeniacute

ale přiacuteroda to zvlaacutedaacute bez přiacutestrojů a mnohem levněji

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute niacutezkeacute naacuteklady

rostlina chemickaacute sloučenina

pšenice 24 -D MCPA jako zdroj uhliacuteku

kukuřice atrazin degradace atrazinu mikroorganismy rhizosfeacutery

fazole diazinon parathion mineralizace v rhizosfeacuteře

luštěniny nafta

Kučerovaacute et al 1999 Chemickeacute listy

přiacutejem - velikost kořenoveacuteho systeacutemu přiacutestupnost pro rostlinu např chelaacutety

transport rostlinou - apoplast (difuacuteziacute)

symplast (specifickeacute přenašeče)

miacutesto uskladněniacute hustota rostlin v porostu

zaacutevažnějšiacute ekologickyacute a toxikologickyacute vyacuteznam přibližně 16 prvků (Fe Mo Mn Zn NiCo Cu V W Cr Hg Pb Cd Sb Ag a U)

Budoucnost fytoremediaciacute niacutezkeacute naacuteklady

Fytoremediace v praxi

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Ural 1953 odstraněniacute těžkyacutech kovů

Amana Iowa hybridniacute topoly atrazin odstraněna čaacutest až 20

Beaverton Kreton

hybridniacute topoly

organickeacute laacutetky kovy

a amonneacute sloučeniny

celkoveacute vyčistěniacute oblasti

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Fukušima 113 2011 slunečnice radioaktivniacute cesium dekontaminace půdy

Černobyl 2641986 slunečnice jabloně

cesium stroncium dekontaminace půdy povrchoveacute vody

paacutes 30 km - likvidace radioaktivniacutech rostlin

nebudou spaacuteleny rozloženy a kompostovaacuteny - speciaacutelniacute bakterie

slunečnice spotřebovaacutevajiacute z půdy drasliacutek kteryacute patřiacute mezi alkalickeacute kovy stejně jako cesium drasliacutek neniacute v půdě přiacutetomen květiny využijiacute praacutevě druhyacute prvek - Cs

Biotechnologie v ŽP niacutezkeacute naacuteklady

fytomining - fytodobyacutevaacuteniacute fytodolovaacuteniacute

ziacuteskaacutevaacuteniacute kovů z rostlin kde klasickaacute těžba je nevyacutehodnaacute rostliny - bdquotěžaři vzaacutecnyacutech kovůldquo a polokovů AuTh Co U Cd Ni Cu Mn

v rostlinaacutech hyperakumulaacutetorech je akumulace prvku sušina rostliny jako -ldquobio-rudaldquo

vyacutehody

- obsah kovu v bdquobio-ruděldquo je vyššiacute než v běžneacute rudě

- meacuteně skladovatelneacuteho miacutesta

- zelenaacute technologie jako alternativa

fytomining Ni pomociacute Alyssum bertolonii

Robinson et al 1997 The nickel hyperaccumulator plant Alyssum bertolonii as a potential agent for phytoremediation and phytomining of

nickel Journal of Geochemical Exploration59(2)75-86

zlatonosneacute rostliny

zlataacute jablka

zlateacute kapradiacute

hledaacuteniacute nalezišť

technologie budoucnosti

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute bioplasty z biomasy (škroby tuky) nahrazujiacute fosilniacute zdroje vyacutehodou je biodegradace biopaliva rostlinnyacute materiaacutel a řasy bioethanol GMO rezistentniacute rostliny vůči postřikům hmyziacutem škůdcům transfer genů pro symbiotickou fixaci dusiacuteku z luštěnin do dalšiacutech plodin přenos genů z bdquoC4ldquo do bdquoC3ldquo rostlin pro dosaženiacute uacutečinnějšiacute fotosynteacutezy (ryacuteže)

Transgenoziacute se přenaacutešiacute přirozeneacute geny vznikleacute evoluciacute z jednoho organismu do druheacuteho kteryacute se s daacutercem genu obvykle

nemůže křiacutežit pouze dokaacuteže přenosy mezi vyacutevojově ještě vzdaacutelenějšiacutemi organismy

Geny použiacutevaneacute při transgenosi jsou braacuteny z přiacuterody např gen v soacuteji tolerujiacuteciacute glyfosaacutet - je z bakterie rodu Agrobacterium

Klasičtiacute šlechtiteleacute takto pracujiacute daacutevno např smiacutechali geny pšenice a žita

GMO

Transgenoze ndash vnaacutešeniacute znaacutemyacutech jednotlivyacutech genů do dědičneacuteho

zaacutekladu (poprveacute 1978)

Pro přenos - Agrobacterium tumefaciens A rhizogenes E coli

httpblogscassuffolkeduiglesias20140424gmos

GMO bez obalu httpwwwbezpecnostpotravinczUserFilespublikaceGMO_web_1pdf

GMO - transgenniacute rostliny CARTAGENSKYacute PROTOKOL o biologickeacute bezpečnosti 29 1 2000 Montreal (OSN ndash program pro životniacute prostřediacute UNEP) platnost 11 9 2003

ČR podepsala 24 52000 (gmovschtcz) nyniacute 160 staacutetů

opatřeniacute ve staacutetech ktereacute se připojiacute k projektu (dovoz vyacutevoz transport)

vzdělaacuteniacute odborniacuteků a informovaacuteniacute veřejnosti

vytvořeniacute noveacute legislativy GMO (wwwenvcz )

spolupraacutece při vyacuteměně zkušenostiacute

Svět 2010 - viacutece než 150 mil ha viacutece než 20 zemiacute

pro vegetačniacute čaacutesti

nebo plody

CIacuteL PROTOKOLU - zajistit ochranu a bezpečnost při zachaacutezeniacute využiacutevaacuteniacute a přenosu živyacutech modifikovanyacutech organismů ktereacute jsou vyacutesledkem moderniacutech biotechnologiiacute a ktereacute mohou miacutet nepřiacuteznivyacute vliv na zachovaacutevaacuteniacute biologickeacute rozmanitosti a zdraviacute člověka Protokol je zaměřen předevšiacutem na převoz GMO přes hranice staacutetů a maacute ochraňovat zejmeacutena staacutety kteryacutem dosud chybiacute vlastniacute vnitrostaacutetniacute praacutevniacute předpisy v oblasti GMO

GMO - transgenniacute rostliny historie

EVROPA

SRN - Max-Planck-Institut

Belgie - Universita Ghent

Švyacutecarsko- ETH Zurych

ČR - Biofyzikaacutelniacute uacutestav Brno (Agrobacterium jako vhodnyacute přenašeč genů)

ČR - UacuteEB ČSAV Českeacute Budějovice (metody modifikaciacute)

2010 1 transgenniacute hraacutech v Evropě (ČR Agritec Šumperk)

transgenniacute len - oleje

FYTOPATOLOGIE IN VITRO

Fytopatologie in vitro

in vitro selekce = kultivace buněk se selekčniacutem činitelem (fitraacutet inokulum toxin)

ndash přežiacutevajiacuteciacute buňky jsou regenerovaacuteny do rostlin resistentniacuteho fenotypu

Studium interakce rostlina x patogen v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

Druh Patogen Typ biologickeacuteho testu Ciacutel

Coffea arabica Colletotrichum kahawae růst houby na kalusech vyacuteběr rezistentniacutech genotypů

Vitis vinifera Elsinoe ampelina růst kalusu na meacutediu s patogenem testy rezistence

Lycopersicon aes Alternaria alternata testy na izollistech in vitro hodnoceniacute toxicity

Pinus taeda Cronartium quercuum embryokultury s houbami vyacuteběr rezistentniacutech embryiacute

Triticum aestivum Microdochium nivale listy semenaacutečky in vitro vyacuteběr rezistentniacutech kultivarů

ozdravovaacuteniacute rostlin

klonoveacute množeniacute rezistentniacutech taxonů

Page 5: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,

Sylabus a naacutevody botanyupolcz naacutevody sylabus 2014

Kolokvium 10 prosince 2014 Vyhodnoceniacute založenyacutech experimentů rozprava

Vlastniacute prezentace vybraneacute biotechnologie (1 ndash 3 studenti)

Cvičeniacute blokace (max 6 studentů ve skupině) naacutevody na www straacutenkaacutech katedry botaniky vyacuteukoveacute materiaacutely httpbotanyupolczmaterialyids[]=311k311 I čaacutest Cvičeniacute - zaacutekladniacute metody explantaacutetovyacutech kultur rostlin (Božena Navraacutetilovaacute) řiacutejen ndash listopad 2014 1 Bezpečnost praacutece a zaacutesady praacutece v aseptickeacutem prostřediacute 2 Sterilizace rostlinneacuteho materiaacutelu naacutestrojů skla a dalšiacutech pomůcek přiacuteprava meacutediiacute 3 Kultivace explantaacutetů pasaacutežovaacuteniacute 4 Mikropropagace rostlin 5 Embryokultury izolace a kultivace embryiacute 6 Prašniacutekoveacute kultury izolace a kultivace prašniacuteků II čaacutest Transgenoacuteze (Petr Dvořaacutek) řiacutejen ndash listopad 2014 Transformace bakteriiacute modrobiacutelaacute selekce pomociacute vektoru s rezistenciacute pro antibiotika

BEZPEČNOST PRAacuteCE

Student je povinen řiacutedit se pokyny vedouciacuteho cvičeniacute - dbaacutet osobniacute bezpečnosti a bezpečnosti svyacutech kolegů v laboratoři

Student je povinen přichaacutezet na praktickaacute cvičeniacute včas seznaacutemen s naacutevodem praktickeacuteho cvičeniacute a doporučenyacutemi pomůckami

Student musiacute byacutet vybaven přezůvkami osobniacute věci (tašku batoh oblečeniacute) si uložiacute na vyhrazeneacute miacutesto ktereacute je zabezpečeno před zcizeniacutem

Před cvičeniacutem si student umyje a desinfikuje ruce určenyacutem desinfekčniacutem prostředkem - OROSEPT 70 etanol

Při praacuteci ve flowboxu student dodržuje zaacutesady pro aseptickou praacuteci desinfekčniacutem roztokem vytře box (ISORAPID) spustiacute box 10 min před zahaacutejeniacutem praacutece dbaacute aby saacutem nebyl zdrojem kontaminaciacute při nachlazeniacute použije roušku udržuje v boxu pořaacutedek

Student dbaacute bezpečnosti při praacuteci s ohněm (lihoveacute kahany)

Student dbaacute bezpečnosti a se zvyacutešenou opatrnostiacute pracuje s řeznyacutemi naacutestroji se sklem lihovyacutem kahanem a s elektřinou

Student zachaacuteziacute se svěřenyacutemi přiacutestroji šetrně jejich zaacutevady ihned hlaacutesiacute vyučujiacuteciacutemu (saacutem neopravuje)

Student hlaacutesiacute veškeraacute poraněniacute vyučujiacuteciacutemu

Po ukončeniacute cvičeniacute student vypne a uklidiacute flowbox uzavře kahan Zbytky rostlinneacuteho materiaacutelu zlikviduje umyje použiteacute sklo

BIOTECHNOLOGIE

- členěniacute interdisciplinaacuternost (mezioborovost)

- historie od počaacutetku po současnost - rostlinneacute bdquozeleneacuteldquo biotechnologie

Použitaacute literatura Bajaj Y P S Somatic hybridization in crop improvement 1994

Callaway D J Callaway M B Breeding ornamental plants Timber Press Oregon 2000

George E F Plant propagation by tissue culture The technology Exegetics Limited Edington 1993

Hall R D Plant cell culture protocols Humana Press Totowa (NJ) 1999

Heldman D R Wheler M B Hoover DG Encyklopedia of biotechnology in agriculture and food CRC Press 2011

Kreuzer H Massey A Biology and biotechnology Science Applications and issues ASM Press Washington DC 2005

Lindsey K Plant tissue culture Manual Kluwer Academic Publishers London 1992

Kučerovaacute P Mackovaacute M Macek T Chemickeacute listy 93 19-26 1999

Murphy D Plants biotechnology and agriculture Cambridge University Press 2011

Ovesnaacute J Kučera L Otaacutezky biologickeacute bezpečnosti GMO a mezinaacuterodniacute zaacutevazky ČR Sborniacutek VUacuteRV Praha 2004

Prochaacutezka S a kolektiv Fyziologie rostlin Academia 1998

Smith R H Plant tissue culture Techniques and experiments Second edition Academic Press 2000

Smith J E Biotechnology Cambridge 2009

Trigiano R N Gray D J Plant development and biotechnology CRC Press 2005

Biotechnologie

Biotechnologie jsou na zaacutekladě Evropskeacute federace pro biotechnologii (EFB) z roku 1981 definovaacuteny jako

bdquoSoubor postupů založenyacutech na technologiiacutech při nichž se využiacutevaacute metabolickeacuteho potenciaacutelu mikroskopickyacutech organizmůldquo Jsou to interdisciplinaacuterniacute obory zahrnujiacuteciacute a využiacutevajiacuteciacute poznatky mikrobiologie biochemie chemie a přiacuteslušnyacutech průmyslovyacutech odvětviacuteldquo wwwscimuniczmikrobkvasbiotechbiotechnologiebiotechnologiehtml

Multidisciplinaacuterniacute povaha (Smith 2009)

Biotechnologie podle definice OECD představuje aplikovaacuteniacute vědeckyacutech a technologickyacutech metod na živeacute organismy a jejich čaacutesti produkty nebo modely za uacutečelem přeměny živyacutech i neživyacutech materiaacutelů pro vytvaacuteřeniacute znalostiacute zbožiacute a služeb

z řečtiny bios + techne + logos

život + dovednost + znalost

staraacute definice

novaacute definice

OECD Organizace pro ekonomickou spolupraacuteci a rozvoj Organisation for Economic Co-operation and Development

Biotechnologie

BIOTECHNOLOGIE novyacute nebo staryacute vynaacutelez biotechnologie průmysloveacute zemědělskeacute leacutekařskeacute biotechnologie mikrobiaacutelniacute živočišneacute rostlinneacute obsah i dosah

biologickyacute psychologickyacute ekonomickyacute ekologickyacute (postoj Amišů ndash meacuteně pesticidů neniacute v rozporu s jejich životniacutem stylem rizika při uvaacuteděniacute do životniacuteho prostřediacute) etickyacute - oteviacuteraacuteme bdquoPandořinu skřiacutenkuldquo

- věda jako zachraacutence nebo nepřiacutetel lidstva

odpor GMO plodinaacutem potravinaacutem

akceptovatelneacute rezistentniacute plodiny k herbicidům

BIOTECHNOLOGIE - rozvoj 21 stoletiacute - integrovanaacute aplikace přiacuterodniacutech a inženyacuterskyacutech věd - ciacutelem je využitiacute organismů a čaacutestiacute organismů k vyacuterobě produktů nebo použitiacute různyacutech metod (postupů)

ČLENĚNIacute PODLE ODVĚTVIacuteZAMĚŘENIacute ČERVENAacute BIOTECHNOLOGIE (mediciacutena a farmacie) - leacutekařstviacute je považovaacutena za nejdůležitějšiacute oblast použitiacute - biotechnologickeacute postupy rostouciacute roli při vyacutevoji novyacutech leacuteků (např k leacutečbě rakoviny) diagnostice (DNA) využitiacute kmenovyacutech buněk při leacutečbě zaacutevažnyacutech chorob

ZELENAacute BIOTECHNOLOGIE (zemědělstviacute a potravinaacuteřstviacute) bdquoRostlinneacute biotechnologieldquo nejstaršiacute - moderniacute šlechtěniacute rostlin ciacuteleně se zvyšujiacute odolnosti proti hmyzu pliacutesniacutem virům a herbicidům - vyacuteznam genoveacute techniky kteraacute je zaacutekladem pro přenos určityacutech genů z jednoho druhu na jineacute rostliny a umožňuje vyacutevoj odolnosti vůči hellip

ŠEDAacute BIOTECHNOLOGIE (životniacute prostřediacute-environmentaacutelniacute) - obnoveniacute znečištěneacuteho prostřediacute biomonitoring - indikaacutetory znečištěniacute - biotechnologickeacute postupy při sanaci půdy uacutepravě odpadniacutech vod čištěniacute vyacutefukovyacutech plynů využitiacute odpadu

BIacuteLAacute BIOTECHNOLOGIE (často spojovanaacute s šedou biotechnologiiacute) - chemickyacute průmysl vyprodukovat substance jako např alkohol vitamiacuteny aminokyseliny antibiotika enzymy způsobem ktereacute šetřiacute zdroje a životniacute prostřediacute s pomociacute živyacutech buněk (kvasinky pliacutesně bakterie)

MODRAacute BIOTECHNOLOGIE mořskeacute biologie biologickeacute organismy světovyacutech mořiacute - zdroje potravin energie leacutečiv surovin - bioprocessing šlechtěniacute a ochrana mořskyacutech organismů ciacutelenyacute chov vodniacutech organismů (aquaculture )

ZELENAacute BIOTECHNOLOGIE (zemědělstviacute a potravinaacuteřstviacute)

bdquoRostlinneacute biotechnologieldquo nejstaršiacute - moderniacute šlechtěniacute rostlin = ciacuteleně se zvyšujiacute odolnosti vůči hmyzu pliacutesniacutem virům a herbicidům - genoveacute techniky = přenos určityacutech genů z jednoho druhu na jinyacute umožňujiacute vyacutevoj odolnosti vůči hellip - využitiacute bakteriiacute ke zvyacutešeneacutemu růstu rostlin

- biomonitoring = využitiacute rostlin jako indikaacutetorů znečištěniacute půdy (kovy) - fytomining

Rostlinneacute biotechnologie

Kde by lideacute byli bez rostlin

Historie rostlin čas před proces vyacuteznam

45 miliardy let tvorba země nemožnyacute život

39 oceaacuteny voda je předpokladem pro uhliacutek-založenyacute život

35 nejstaršiacute cyanobacteria efektivnějšiacute fotosynteacuteza- rychlejšiacute růst O2

24 kysliacutek v atmosfeacuteře aerobniacute org postupně převažujiacute nad aerobniacutemi

21 endosymbioacuteza mezi cyanobacterium a eukaryotniacutem hostitelem prvniacute fotosyntetizujiacuteciacute eukaryotickyacute org -

jednobuněčnaacute řasa

16 mnohobuněčneacute řasy zeleneacute a červeneacute řasy

13 v atmosfeacuteře 3 O2 dominujiacute aerobniacute org nad aerobniacutemi

1 zvyšujiacuteciacute se počet mořskyacutech řas zvyacutešeniacute atmosfeacuterickeacuteho 02

750 milioacutenů mnohobuněčneacute zeleneacute řasy začaacutetek buněčneacute specializace

550 v atmosfeacuteře 12 O2

500 prvniacute suchozemskeacute rostliny eukaryotickaacute kolonizace země

470 prvniacute spory jaterniacutekům podobneacute rostliny

428 Cooksonia 2-3 cm velkeacute steacutelka Bryophyta s dominantniacute haploidniacute generaciacute

ceacutevnateacute rostliny bez semen- mechy přesličky kapradiny převažuje 2n generace

360 nejstaršiacute fosilniacute nahosemenneacute

140 nejstaršiacute krytosemenneacute

85 nejstaršiacute obiloviny

68 nejstaršiacute luštěniny adaptace na deficit N2

11 tisiacutec let domestifikace rostlin vliv člověka na rostliny

500 let globalizace zemědělskyacutech plodin světoveacute rozšiacuteřeniacute domestifikovanyacutech rostlin

300 člověkem prvniacute vyrobeneacute hybridniacute rostliny zaacuteměrneacute vytvaacuteřeniacute novyacutech druhů pro člověka

100 začaacutetek vědeckeacuteho šlechtěniacute rostlin manipulace s genomem a fenotypem rostlin

30 prvniacute transgenniacute rostlina novyacute gen do rostlinneacuteho genomu

20 prvniacute schvaacutelenaacute GMO rostlina - potravina rajče cv FLAVR SAVR Murphy 2011

6000 pnl produkce piva fermentaciacute (kvašeniacutem) Babyloacuteňaneacute Sumeroveacute

4000 pnl využitiacute kvasinek ve vyacuterobě piva a viacutena v Egyptě a Čiacuteně (znaacutem ječmen)

1675 Leeuwenhoek pozoroval bakterie

1860 Koch - rozvoj mikrobiologie

1857 Pasteur demonstrace fermentace - otec biotechnologiiacute

1877 Koch vypracoval techniky izolace a barveniacute bakteriiacute

1919 Ereky zavedeniacute termiacutenu biotechnologie

1935 Fleming objev peniciliacutenu - zavedeniacute sterilizace

1953 Watson a Crick popis struktury DNA

1975 Kohler a Milstein - produkce monoklonaacutelniacutech protilaacutetek

1978 produkce 1 lidskeacuteho proteinu v buňce firmou Genntech (USA) = inzuliacuten 1 praktickeacute využitiacute

1980 zavedeniacute metod rekombinantniacute DNA produkce inzuliacutenu v E coli

1994 schvaacuteleniacute prvniacute geneticky modifikovaneacute potraviny ndash rajče

1996 klonovaacuteniacute ovce Dolly Wilmuth a kol

Biotechnologie - historie

vyacuteroba jiacutedla a naacutepojů procesy vyviacutejeny za nesterilniacutech podmiacutenek zavedeniacute sterilniacutech podmiacutenek do biotechnologickyacutech procesů aplikace genetiky a technologie rekombinantniacute DNA

přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

nevyacutehoda - nekontrolovaneacute

zavedeniacute lidskeacuteho genu určujiacuteciacuteho produkci specifickeacute biacutelkoviny (inzuliacutenu) do bakterie pomociacute plazmidu - po zabudovaacuteniacute do genetickeacuteho aparaacutetu hostitelskeacute buňky je bakterie schopna produkovat AMK v přesně daneacutem pořadiacute a syntetizovat

lidskyacute inzuliacuten

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve

velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 11 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1843 superfosfaacutet hellip intenzivniacute hnojeniacute v zemědělstviacute

1849 Darwin - vznik druhů přirozenou selekciacute (cesta kolem světa Galapaacutegy)

1846-1850 krize monokultur - bdquobramborovyacuteldquo hladomor v Irsku (Phytophtora infestans)

1857 Pasteur - fermentace - otec biotechnologiiacute

1866 Mendel - publikuje svoje zaacutekony (znovu objeveny 1900)

1869 Miescher - objevuje DNA

1902 Haberlant - totipotence rostlinneacute buňky

1910 odrůda brambor Bintje (Holandsko) - odrůda roku 2012

1919 Ing Karl (Kaacuteroly) Ereky - termiacuten biotechnologie

migrace do Ameriky

technologie přeměny surovin na využitelneacute produkty pomociacute živyacutech organismů

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho

průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 10 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1923 Burbank USA - křiacuteženci bramboru odrůda

bdquoRUSSET BURBANKldquo (skladovatelnost hliacutez)

1933 prvniacute hybridi kukuřice

1941 Beadle a Tatum - hypoteacuteza 1 gen-1 enzym

1941 24-D (syntetickyacute auxin) jako prvyacute moderniacute herbicid

1950 1 radiomutanti chemomutanti řepka pšenice ryacuteže biacuteleacute fazole

ječmen (1965 - DIAMANT)

1960 ndash1970 ldquozelenaacute revoluceldquo zakrsliacute hybridi - Norman Borlaug

1970 NC miacuteru

1969 Triticale (Triticosecale tritikale žitovec - hybridniacute obilnina Triticum x Secale)

REKOMBINANTNIacute TECHNIKY

1985 prvniacute GM rostliny na poliacutech v UK

1995 odrůda bdquoBT NEW LEAF RUSSET BURBANKldquo

1998 zlataacute ryacuteže

2010 1 GMO hraacutech (Agritec)

I GMO odrůda brambor - odolnaacute vůči mandelince bramboroveacute vložen gen z bakteacuterie Bacillus thuringiensis produkujiacuteciacute protein narušujiacuteciacute vnitřnosti mandelinky

Mexiko 1943 import frac12 spotřeby pšenice 1944 plnaacute soběstačnost pšenice 1964 export 05 milionů tun pšenice

httpenwikipediaorgwikiNorman_Borlaug

Budoucnost biotechnologiiacute v ČR bdquoBiotechnologie jsou celosvětově nejprogresivnějšiacutech oblast vyacutezkumu vyacutevoje a podnikaacuteniacuteldquo

produkce viacutena - 1 psanaacute zmiacutenka r 276 (na Paacutelavě řiacutemskeacute legie) produkce piva - 11 stoletiacute syacutery destilaacutety 14 stoletiacute 1356 - kraacutelovskyacute dekret o produkci viacutena v Českyacutech zemiacutech alchymie (Rudolf II) 1518 - založeniacute Paliacuterny U Zeleneacuteho stromu v Prostějově 1887 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu pivovarskeacuteho a sladařskeacuteho v Praze 1949 - průmyslovaacute produkce peniciliacutenu v Roztokaacutech u Prahy 1966 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu antibiotik a transformaciacute (již neexistuje)

wwwbiotrincz wwwgate2biotechcz

AV ČR Univerzity Vyacutezkumneacute uacutestavy Šlechtitelskeacute stanice

kaacutemen mudrců elixiacuter mlaacutediacute přeměna hmoty

glukosa + kvasinky etanol + oxid uhličityacute přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces carlsbergensis

Biotechnologie v ČR

18 prosince 2008 bylo založeno sdruženiacute CzechBio - asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR zspo 1 asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR spojuje třicet soukromyacutech biotechnologickyacutech společnostiacute a akademickyacutech uacutestavů podpora spolupraacutece komerčniacute sfeacutery s vědeckou httpwwwczechbioorgcs

projekt Algatech ndash Centrum řasovyacutech biotechnologiiacute vyacutevoj novyacutech kultivačniacute zařiacutezeniacute a postupů na zpracovaacuteniacute řasoveacute biomasy pro vyacuterobu biopaliv krmiv potravniacutech doplňků a cennyacutech laacutetek Mikrobiologickyacute uacutestav Akademie věd ČR Třeboň

Centrum regionu Hanaacute pro biotechnologickyacute a zemědělskyacute vyacutezkum

UPOL + VUacuteRV + UacuteEB AV ČR - vytvaacuteřeniacute zemědělskyacutech plodin s vyššiacutemi vyacutenosy toleranciacute vůči nepřiacuteznivyacutem vlivům vnějšiacuteho prostřediacute

- transformace rostlin ječmene a dalšiacutech obilnin

wwwcr-hanaeu

Biotechnologie v ČR

wwwalgaczcscs-algatechhtml

Českaacute technologickaacute platforma rostlinnyacutech biotechnologiiacute ndash rozvoj biotechnologiiacute v ČR = Rostliny pro budoucnost (ČTP RB) - nepotravinaacuteřskeacute využitiacute rostlin vedlejšiacutech produktů odpadů - vyacutevoj novyacutech odrůd kulturniacutech rostlin - uplatněniacute rostlinnyacutech biotechnologiiacute v raacutemci životniacuteho prostřediacute

httpwwwczechinvestorgceska-technologicka-platforma -rostlinnych-biotechnologii

selekce - vyacuteběr nejlepšiacutech rostlin křiacuteženiacute GMO

Přiacuteklad šlechtěniacute - novyacute typ ryacuteže - maleacute vzpřiacutemeneacute listoveacute čepele - hodně odnožiacute - žaacutedneacute neproduktivniacute odnože - silneacute steacuteblo - C3 ryacuteže na C4 ryacuteže

Rostlinneacute biotechnologie Co pěstujeme na poliacutech v zahradaacutech a v sadech a co naacutesledně jiacuteme prošlo za několik tisiacuteciletiacute proměnou Prvniacute změna - předkoveacute opustili životniacute styl lovců a sběračů a stali se pěstiteli zemědělskyacutech plodina a chovateli hospodaacuteřskyacutech zviacuteřat

zlataacute ryacuteže geny z 5 různyacutech druhů

- Phaseolus vulgaris pro ferritin - Aspergilus fumigatus - ferritin - ryacuteže Basmati - ferritin - Narcissus pseudonarcissus synteacuteza karotenu - Erwinia uredovora - synteacuteza karotenu

bdquozlataacute ryacuteželdquo tvořiacute zvyacutešeneacute množstviacute provitaminu A zabraacuteniacute hladu zachraacuteniacute zrak vznikla na požadavek humanitaacuterniacute organizace bdquoHumanitarien Rice Boardldquo kteraacute se snažiacute řešit probleacutemy s nedostatkem potravy v nejchudšiacutech čaacutestech našiacute planety

švyacutecarskyacute genetik Ingo Portykus a německyacute genetik Peter Bayer

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute

ekologickaacute udržitelnost kvantita a kvalita zaacutekladniacutech zdrojů zemědělstviacute ekonomickaacute udržitelnost zemědělskaacute produkce (uacuteroda na ha) a zisk cena za produkty sociaacutelniacute (společenskaacute) udržitelnost kvalita života zemědělců vysokaacute kvalita potravin bez rizika na zdraviacute a prostřediacute

Co je udržitelneacute zemědělstviacute Mohou biotechnologie pomaacutehat

snižovaacuteniacute kvality zaacutekladniacutech zdrojů vyčerpaacuteniacute zaacutekladniacutech zdrojů

Vyhliacutedky na budoucnost

naacuterůst počtu obyvatel

zvyacutešeniacute životniacuteho standardu

pokles plochy orneacute půdy

pokles pracovniacuteků v zemědělstviacute

naacuterůst cen potravin

Naacuterůst zemědělskeacute produkce s využitiacutem biotechnologiiacute

šlechtěniacute (rezistence k chorobaacutem)

noveacute plodiny

nutričniacute kvalita plodin

ochrana rostlin

bezpečnost produktů

hybnou silou biotechnologiiacute je naacuterůst obyvatel Kolik lidiacute by mělo žiacutet na planetě Zemi

Rostlinneacute biotechnologie

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute mutace s naacuteslednou selekciacute odchylek noveacute techniky EK ciacutelenyacute přenos genů

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

prvniacute zemědělci

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) BT prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute MUTACE s naacuteslednou selekciacute odchylek - odrůda ječmene bdquoDIAMANTldquo

noveacute TECHNIKY EK VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

ciacutelenyacute přenos genů GMO

CO BUDE DAacuteL zvyšovat vyacutenosy BUDE VĚTŠINA PĚSTOVANYacuteCH ZEMĚDĚLSKYacuteCH PLODIN TRANSGENNIacute

vznik zemědělstviacute

1954

jsme moudřejšiacute

maacuteme většiacute možnosti

Počaacutetek EK 1902 Gottlieb Haberland segmenty listů 1904 Hannig zralaacute embrya

Potenciaacutel rostlinneacute buňky a podstata

explantaacutetovyacutech kultur rostlin

metody a jejich aplikace

ve šlechtěniacute rostlin

EK - historie

TOTIPOTENCE rostlinneacute buňky genetickeacute informace - jaacutedro plastidy mitochondrie

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

daacute se přeneacutest v raacutemci šlechtěniacute

blok totipotence

vyjaacutedřeniacute totipotence 1 dediferenciace buňky do buněčneacuteho cyklu a pokračovaacuteniacute v děleniacute 2 rediferenciace - tvorba organickyacutech struktur - přiacutemaacute regenerace tvorba kalusu - nepřiacutemaacute regenerace

vliv růstovyacutech regulaacutetorů

Rostlinneacute biotechnologie prvniacute generace - od explantaacutetovyacutech kultur po GMO

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute rostlin - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

Explantaacutet = aseptickaacute kultivace izolovanyacutech čaacutestiacute rostlin za umělyacutech podmiacutenek

EXPLANTAacuteTOVEacute KULTURY - VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

EK - historie

Metody EK využitelneacute v zemědělstviacute Meristeacutemoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Somatickaacute embryogeneze

Embryokultury

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze + buněčneacute inženyacuterstviacute

Genetickeacute manipulace

VITRIFIKACE (hyperhydricita) ndash vyjadřuje abnormality růstu in vitro skelnatyacute syndrom vyacutehonů křehkeacute mokryacute vzhled pryacutetů (vodou nasycenyacutech) průsvitnyacute sukulentniacute vzhled

metody zachovaacutevajiacuteciacute genotyp beze změn během kultivace metody zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu během kultivace

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK 1 rychleacute namnoženiacute

2 ozdravovaacuteniacute

3 překonaacuteniacute nekřiacutežitelnosti - embryokultury

4 dlouhodobeacute udržovaacuteniacute genetickyacutech zdrojů

5 indukce mutantů - ziacuteskaacuteniacute novyacutech genotypů

6 předselekce - urychleniacute šlechtitelskeacuteho cyklu

7 ziacuteskaacuteniacute novyacutech a udrženiacute genotypů s pylovou sterilitou

8 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho procesu

9 produkce haploidů

10 produkce polyploidů

11 rychlejšiacute ziacuteskaacuteniacute vyacutechoziacuteho šlechtitelskeacuteho materiaacutelu pro noveacute odrůdy

12 somatickaacute hybridizace - fuacuteze

13 konstrukce novyacutech genotypů kulturniacutech plodin přenos bdquoužitečnyacutech genůldquo

14 udržovaacuteniacute genofondu

15 selekce in vitro - rezistence k abiotickyacutem a biotickyacutem stresům

16 produkce sekundaacuterniacutech metabolitů

Plodina Technika

ječmen pšenice kukuřice

řepka paprika brukvovitaacute

zelenina mrkev

androgeneze

cibule gynogeneze

jahodniacutek česnek ozdravovaacuteniacute

brambor traacutevy polyploidizace in vitro

jeteloviny drobneacute ovoce

ovocneacute dřeviny podnože traacutevy mikropropagace

brambor řepka somatickaacute hybridizace

hraacutech brambor rezistence k chorobaacutem

traacutevy embryokultury

Kombinace metod embryokultury oplozeniacute in vitro fuacuteze protoplastů

plodiny se geneticky upravujiacute pro většiacute rezistenci k herbicidům - ničeniacute plevele bez poškozeniacute uacuterody GM rajčata potlačujiacute gen pro polygalakturonaacutezu enzym degradujiacuteciacute pektin způsobujiacuteciacute měknutiacute pletiv (Deacon a kol 2002)

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK

Meristeacutemoveacute kultury

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny meristeacutemoveacute kultury

Vyacutehody maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky naacuteslednaacute mikropropagace ozdraveneacuteho materiaacutelu bdquovirus - freeldquo

Vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana Iniciace kultury Testovaacuteniacute in vitro Přenos do nesterilniacutech podmiacutenek Testovaacuteniacute

MERISTEacuteM ndash děliveacute nediferencovaneacute pletivo ozdravovaacuteniacute rostlin (02 - 05 mm) meristeacutemy

OZDRAVOVAacuteNIacute Termoterapie (vyššiacute teplota)

Meristeacutemovaacute kultura Chemoterapie (antivirotika)

viry - nebuněčneacute mikroorganismy virovaacute čaacutestice = virion sklaacutedaacute se z RNA nebo DNA a kapsidu

fytopatologie in vitro

ribavirin

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny

Vyacuteznamneacute viroveacute choroby rostlin v ČR od 30 ztraacutet CaMV - 1968 PVY 30 -70 VMCH (virus mozaiky chmele) až o 70 mozaika česneku 25 - 50 žloutenka cibule až 100 bronzovitost rajčat

- žloutnutiacute listů kroužky a čaacutery na listech nevyvinuteacute rostliny abnormaacutelniacute růst - vstupujiacute různyacutemi poraněniacutemi - šiacuteřiacute se plasmodesmaty - velmi odolneacute proti inaktivaci - přenaacutešeny semeny hliacutezami pylem roubovaacuteniacutem hmyzem houbami červy

1952 Morel a Martin u jiřin

Využitiacute metody jahodniacutek česnek zeleniny květiny okrasneacute dřeviny ovocneacute dřeviny banaacutenovniacutek hellip

Tvorba bezviroacutezniacutech rostlin

1 meristeacutem = 1 rostlina testovaacuteniacute

wwwoselczindexphpclanek=2819

viroacutezniacute x zdravaacute

M Navraacutetil KBBPřFUPOL

PVY

In vitro klonovaacuteniacute mikropropagace meristeacutemoveacute kultury

zisk geneticky identickeacute rostliny vegetativniacutem množeniacutem

VYacuteHODY

maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny ktereacute jsou geneticky stabilniacute

v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky

vyššiacute množitelskyacute koeficient - potenciaacutelniacute hodnota zisku rostlin

Postup - vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana - iniciace kultury - mikropropagace - přenos do nesterilniacutech podmiacutenek

KLON - kolekce geneticky identickyacutech individuiacute původem z jedineacuteho rodiče

komerčně od 1960

httpwwwjanholubcz

In vitro meristeacutemoveacute kultury - využitiacute - zaacutechrana a množeniacute ohroženyacutech druhů kaktusy

- zaacutechranneacute množeniacute cennyacutech genotypů a liniiacute sterilniacutech rostlin - udrženiacute rodičovskyacutech komponent pro tvorbu hybridniacutech odrůd

- množeniacute transgenniacutech rostlin

- zachyceniacute a klonovaacuteniacute nově nalezenyacutech mutantů při šlechtěniacute

- klonovaacuteniacute nejlepšiacutech jedinců pro produkci elitniacuteho osiva

- vegetativniacute množeniacute okrasnyacutech rostlin karafiaacutet gerbera anthurie orchideje

sanpaulie kapradiny hellip

- množeniacute drobneacuteho ovoce jahodniacutek maliniacutek reacuteva

- množeniacute dřevin podnože pro školkařstviacute lesniacute dřeviny tropickeacute dřeviny

- v zelinaacuteřstviacute množeniacute brambor zeliacute

- množeniacute pouze samičiacutech rostlin datlovaacute palma

- kryoprezervace (-196 oC) jahodniacutek maliniacutek hraacutech brambor karafiaacutet

Genoveacute

banky

Mikropropagace multiplikace klonovaacuteniacute nejen z meristeacutemů

Solanum tuberosum Cucumis sativus Olea europea Eucalyptus grandis Salix sp Syringa sp Juglans regia

Schopnost regenerace tvorba identickyacutech rostlin = přiacutemaacute somatickaacute embryogeneze

Meristeacutemy Pryacutetoveacute segmenty Kalusy Embrya

Zdroje odchylek bull vysokeacute daacutevky růstovyacutech regulaacutetorů typ regulaacutetoru bull rostliny regenerujiacute z basaacutelniacuteho kalusu (možnost gen změn)

Kalusoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Primaacuterniacute explantaacutet kalus meristemoid orgaacutenoveacute primordium

Kalus = masa děliacuteciacutech se a rostouciacutech buněk

nejsou uniformniacute mohou se lišit velikostiacute tvarem pigmentaciacute metabolismem nebo počtem chromosomů

bull za určityacutech podmiacutenek regenerace pryacutetů a kořiacutenků

tma x světlo

subkultivace

metoda geneticky nestabilniacute

Kalusoveacute kultury - somaklonaacutelniacute variabilita ndash MUTACE a zisk novyacutech znaků

- mikropropagace ndash cibule žen-šen hellip

- vyacutechoziacute materiaacutel pro suspenzniacute a protoplastovou kulturu

- materiaacutel pro indukovaneacute mutace (zaacuteřeniacute chemomutageny)

- sekundaacuterniacute metabolity (alkaloidy AMK saponiny oleje složky vůniacute protinaacutedoroveacute laacutetky steroidy )

polyploidie aneuploidie

Selekce mutantů se zlepšenou nutričniacute hodnotou (viacutece biacutelkovin v zrnu)

Rezistence vůči zasoleniacute (vysokyacute turgor v buňkaacutech akumulace NaCl ve vakuolaacutech)

Rezistence vůči chorobaacutem (synteacuteza fytotoxinů fytoalexinů)

Sekundaacuterniacute metabolity (= chemickeacute individuality v rostlinaacutech ndash barviva vůně chuti obrana)

Artemisia annua - artemisin (antimalarika) Capsicum sp - capsaicin (protinaacutedoroveacute)

Digitalis lanata - digoxin (srdečniacute stimulanty) Papaver somniferum - codein (sedativa)

Taxus breviola - taxol (protinaacutedoroveacute) Vanilla planifolia - vaniliacuten (aroma)

Panax ginseng - (imunitniacute systeacutem) Zingiber officinale ndash gingerol (antioxidant)

Somatickaacute embryogeneze a suspenzniacute kultury

Využitiacute

umělaacute semena (enkapsulace somatickyacutech embryiacute)

využitiacute somatickeacute variability

klonoveacute množeniacute

sekundaacuterniacute metabolismus (suspenze)

kryoprezervace

Buněčnaacute suspenze = převedeme kalus do tekuteacuteho meacutedia

a provzdušňujeme (kontakt buněk a shluků buněk s meacutediem)

vznikaacute bipolaacuterniacute struktura obsahujiacuteciacute kořen a pryacutet

auxin (24-D)

umělaacute semena

Mutace RADIOMUTANT PROSPĚCH NEBO ZAacuteLUDNOST

SPONTAacuteNNIacute MUTACE využiacutevaacute člověk při šlechtěniacute odrůd spur typy (kompakt typy) jabloniacute absence trnů u ostružiniacuteku variabilita květenstviacute jiřinky proměnliveacute vznik plemen domaacuteciacutech zviacuteřat je založen na podchyceniacute spontaacutenniacutech mutaciacute ndash plemena psů

INDUKOVANEacute MUTACE působeniacute mutagenů

zaacuteměrneacute ndash ve vyacutezkumu ve šlechtěniacute rostlin (př odrůdy ječmene DIAMANT (zkraacuteceniacute steacutebel ndash nepoleacutehaacute) kompaktniacute růst a samosprašnost třešně změna barvy slupky u jabloně ndash sbquoredlsquo mutace)

nezaacuteměrneacute ndash důsledek použitiacute jadernyacutech a chemickyacutech zbraniacute ndash Yperit jaderneacute a jineacute katastrofy

1950 radiomutace chemomutace 1965 ječmen Diamant

Suspenzniacute kultury - SK KULTURA V TEKUTEacuteM MEacuteDIU ROSTE A DĚLIacute SE NĚKOLIKANAacuteSOBNĚ RYCHLEJI NEŽ KULTURA

NA PEVNEacuteM MEacuteDIU Využitiacute jako experimentaacutelniacute model produkce sekundaacuterniacutech metabolitů indukce somaklonaacutelniacute variability a naacutesledneacute selekce mikropropagace (pod kontrolou genetickeacute stability) pohyb kultury v bioreaktoru maacute za naacutesledek potlačeniacute apikaacutelniacute dominance tiacutem se stimuluje růst mnohonaacutesobnyacutech pryacutetů

Bioreaktory firmy VitroSys Inc Korea

ideaacutelniacute SK ndash rychlyacute růst karyologickaacute stabilita životnost buněk rentabilita

Minimaacutelně 103 ml buněk 110 suspenze v exponenciaacutelniacute faacutezi se doplniacute čerstvyacutem meacutediem Koncentrace sacharidů prodlužuje periodu růstu

Velkokapacitniacute kultivace rostlinnyacutech buněk v tekutyacutech meacutediiacutech sterilniacute prostřediacute obsahujiacuteciacute živiny a laacutetky potřebneacute pro růst a jeho regulaci vhodneacute pro kultivaci rostlinnyacutech mikrobiaacutelniacutech a živočišnyacutech buněk

Bioreaktor

Bioreaktory s tekutyacutem meacutediem explantaacutety jsou ponořeny v tekuteacutem meacutediu Bioreaktory s pravidelnyacutem zaplavovaacuteniacutem (temporary immersion bioreactor TIB) explantaacutety jsou pravidelně zaplavovaacuteny

Bioreaktor

httpwwwuebcasczcscontentzensenove-spagety

pěstujiacute se jen kořeny - zisk GINSENOSIDŮ za 3 měsiacutece v laboratoři stejnyacute zisk jako z rostlin ženšenu v přiacuterodě za 8 let obsah GINSENOSIDŮ je srovnatelnyacute s planě rostouciacutemi rostlinami množstviacutem i vzaacutejemnyacutem poměrem jednotlivyacutech laacutetek

v Koreji od r 2004

hairy-root systeacutem a sekundaacuterniacute metabolity

Sekundaacuterniacute metabolity - SM ROSTLINA BUNĚČNAacute KULTURA

EXTRAKT prověřovaacuteniacute oddělovaacuteniacute čištěniacute aktivniacute složky testovaacuteniacuteprověřovaacuteniacute

ČISTAacute BIOAKTIVNIacute LAacuteTKA

SM z buněčneacute kultury - extrakty ziacuteskaneacute za reprodukovatelnyacutech podmiacutenek spolehliveacute zdroje meacutedium - množstviacute čisteacuteho produktu

buňky rostou v tekuteacutem meacutediu -ne celaacute rostlina

produkt rostlina in vitro ()

rostlina ()

poměr

ginsenoside Panax ginseng 27 45 6 x

rosmarinic acid Coleus blumei 27 3 9 x

caffeic acid Vanilla planifolia 002 0005 4 x

shikonin Lithospermum erythrorhizon

20 15 135 x

ubiquinon-10 Nicotiana tabacum 0036 0003 12 x Heldman et al 2011

anti

oxy

dan

ty v sušině

bioreaktory

Sekundaacuterniacute metabolity - SM Rostlina Uacutečinnaacute laacutetka Uacutečinek

Artemisia annua pelyněk ročniacute artemisinin antimalarikum

Digitalis lanata naacuteprstniacutek vlnatyacute digoxin srdečniacute stimulants

Dubosia myoporoides lilkoviteacute atropin

scopolamin

očniacute přiacutepravky mořskaacute nemoc

Lithospermum

erythrorhizon

kamejka

rudokořennaacute

shikonin protinaacutedoroveacute

Panax ginseng ženšen pravyacute stimulant imunitniacuteho systeacutemu

Salix alba vrba biacutelaacute salicin antirevmatikum proti horečce

Taxus brevifolia tis

zaacutepadoamerickyacute

baccatin taxol protinaacutedoroveacute

Vinca rosea barviacutenek růžovyacute vinblastin

vinkristin

protinaacutedoroveacute alkaloidy

leukeacutemie

buněčnaacute kultura

Rostlina Extrakt Uacutečinek

Linum usitatissimum len setyacute olej

Mentha piperita maacuteta peprnaacute maacutetovyacute olej -

mentol

žaludečniacute potiacuteže

Mentha spicata maacuteta klasnataacute mentol žaludečniacute potiacuteže

Zingiber officinale zaacutezvor leacutekařskyacute gingerol antioxidant

informace z tradičniacute lidoveacute mediciacuteny - použitiacute extraktů a purifikace zdroje z nedotčeneacuteho ekosysteacutemu

kalusovaacute kultura buněčnaacute suspenze orgaacutenovaacute kultura - Artemisia Mentha - pryacutety

rostliny jsou vyacuterobci sekundaacuterniacutech metabolitů

cytostatikum

Sekundaacuterniacute metabolity - SM

Heldman et al 2011

VYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY

nezaacutevisleacute na geografickyacutech podmiacutenkaacutech

nezaacutevisleacute na sezoacutenniacutech podmiacutenkaacutech

v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

v přiacuterodě kontrolovaacuteno množstviacute in vitro ne

nepřetržitaacute dodaacutevka produktu

uniformniacute kvalita produktu

uniformniacute vyacutetěžnost produktu (průběžně)

vyacuteběr vhodneacute linie s vyššiacute produkciacute produktu

možnost tvorby novyacutech laacutetek nenormaacutelniacutech u donora

NEVYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY staacutele se vyviacutejejiacuteciacute

překaacutežky - pomalyacute růst

genetickaacute nestabilita

různorodost

niacutezkyacute obsah metabolitu

produkty vylučovaacuteniacute provozniacute - světelneacute podmiacutenky aseptickeacute podmiacutenky

STRATEGIE TVORBY SM vyacuteběr donorovyacutech rostlin - biochemickeacute testy

iniciace kalusů

vyacuteběr buněčneacute linie - rychle rostouciacute vysokaacute produkce

ciacutelenyacute metabolismus - kultivačniacute meacutedium (složeniacute koncentrace proporcionalita)

kultivačniacute podmiacutenky (teplota světlo pH) zvlaacuteštniacute požadavky (prekurzor simulace stresu - napadeniacute patogenem)

uvolněniacute do meacutedia

Embryokultury

Embryokultury = kultivace zralyacutech nebo nezralyacutech embryiacute in vitro

1904 Hannig - embrya u ředkve

1925 Laibach - aplikace v mezidruhoveacutem křiacuteženiacute r Linum sp

1945 Randolph - zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu u r Iris sp

1970 Kasha Kao - ziacuteskaacuteniacute haplodů u ječmene

Hordeum vulgare (zůstaacutevaacute) x Hordeum bulbosum (eliminace chromozoacutemů)

Zygotickaacute embrya vyacuteživa z endospermu (heterotrofniacute)

Embrya in vitro vyacuteživa z kultivačniacuteho meacutedia

In vitro oplodněniacute u člověka - 1978 pro neplodneacute paacutery

geneticky stabilniacute metoda

Embryokultury- in vitro

I Kultura semennyacutech embryiacute tj izolace plně vyvinutyacutech

bipolaacuterniacutech struktur obsahujiacuteciacutech kořenovyacute a stonkovyacute systeacutem

II Kultura proembryiacute tj izolace nezralyacutech zaacuterodků předchaacutezejiacuteciacutech

diferenciaci děloh

Embryogeneze zygotickeacuteho embrya (in vivo)

zygota (přiacuteprava na 1 děleniacute)

faacuteze pomaleacuteho vyacutevinu embrya po oplozeniacute

faacuteze rychleacuteho vyacutevinu růstu a diferenciace embrya

faacuteze dozraacutevaacuteniacute embrya

faacuteze přechodu embrya do dormance (ABA)

Embryokultury

1 překonaacuteniacute barieacuter vzdaacuteleneacuteho křiacuteženiacute (abortace hybridniacutech embryiacute sterility semen)

2 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu (viacutece generaciacute za rok)

3 řešeniacute jarovizačniacuteho staacutedia

4 primaacuterniacute explantaacutet pro dalšiacute kultury

5 eliminace inhibice kliacutečeniacute

6 studium mineraacutelniacute vyacuteživy

7 umělaacute semena

8 studium metabolickyacutech vztahů mezi embryem a endospermem embryem a dělohami

9 ziacuteskaacuteniacute haploidniacutech rostlin

Opylovaacuteniacute in vitro

Opylovaacuteniacute in situ

in vitro

Inkompatibilita rostlin

zaručuje stabilitu druhu

Barieacutery procesu opyleniacute a oplozeniacute

vnějšiacute (teplota vlhkost nedostatečnaacute vyacuteživa )

vnitřniacute (inkompatibilita samčiacute nebo samičiacute sterilita)

využitiacute v raacutemci šlechtěniacute rostlin k překonaacuteniacute prezygotickyacutech barieacuter vznik mezidruhovyacutech mezirodovyacutech hybridů

Barieacutery Technika překonaacuteniacute

Před oplodněniacutem selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute blizny pestiacuteku pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

rezistence vůči abiotickeacutemu stresu rezistence vůči škůdcům vyššiacute vyacutenos

přenos z jineacuteho druhu

EK využitiacute ve šlechtěniacute

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury HAPLOID rostlina s n počtem chromozomů menšiacute sterilniacute

1963 T Yamada a kol Tradescantia reflexa (haploidy)

1964 - 1966 S Guha SC Maheswari Datura diploidizace kolchicinem

1969 JP Nitsch a kol celeacute rostliny (tabaacutek)

1973 JP Nitsch Norrel mikrosporoveacute kultury

2000 šlechtitelskeacute programy polniacutech plodin (obiloviny řepka)

využiacutevajiacute haploidniacute kultury in vitro

Androgeneze prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Androgeneze - kultivace prašniacuteků pyl zrn mikrospor = samčiacute genotyp

Gynogeneze - kultivace neoplodněnyacutech vajiacuteček = samičiacute genotyp

Haploidie - spontaacutenniacute = haploidniacute partenogeneze (gynogeneze androgeneze) frekvence 10-6

- experimentaacutelniacute indukovanaacute

fyzikaacutelniacute faktory = UV γ-zaacuteřeniacute X-paprsky teplotniacute šoky

zaacutesahy do procesů opyleniacute a oplozeniacute (inaktivniacute pyl)

explantaacutetoveacute metody = prašniacutekoveacute a pyloveacute kultury kultivace semeniacuteků a vajiacuteček

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury Ontogeneze pylu

In vivo mikrosporogeneze

pylovaacute mateřskaacute buňka

meiosa

pyloveacute tetraacutedy

vyacutevoj mikrospory (1 pyl mitoacuteza)

In vitro vyacutevoj embryoidu

(vegetativniacute generativniacute buňka)

- přiacutemaacute embryogeneze

- nepřiacutemaacute embryogeneze

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

využitiacute haploidů (majiacute jen jednu sadu chromosomů)

segregace vloh na gametickeacute uacuterovni ndash homozygoacutetniacute stav (čisteacute linie v F2 generaci)

detekce recesivniacutech mutaciacute (fenotypickyacute projev)

trpasličiacute varieta ndash u okrasnyacutech rostlin

Dihaploidizace

n rostliny - sterilniacute

104 ndash 105 mikrospoacuterml meacutedia

Brassica sp

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Prašniacutekoveacute kultury

viacutece než 200 druhů (řepka ryacuteže kukuřice obiloviny)

20-60 dnů

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

vyacutevoj globulaacuterniacuteho embrya a naacutesledně haploidniacute rostliny přiacutemo z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory

z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory vznikaacute kalus rarr indukce organogeneze

TYPY ANDROGENEZE

vzaacutecně

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Solanaceae

Brassicaceae

Poaceae

prašniacuteky

Androgeneze

Indukovanaacute androgeneze ndash přiacuteklady

Beta vulgaris - homozygotniacute linie

Brassica napus - novaacute odrůda linie

Hordeum vulgare

Lycopersicon - novaacute odrůda

Nicotiana - noveacute odrůdy

Oryza - noveacute odrůdy

Pelargonium - trpasličiacute variety

Triticum ndash cv Florin Huapei

Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby Praha Vyacutezkumnyacute uacutestav obilnaacuteřskyacute Kroměřiacutež Vyacutezkumnyacute uacutestav olejnin Oseva

Gynogeneze kultury izolovanyacutech vajiacuteček

kultury izolovanyacutech semeniacuteků

kultury izolovanyacutech květenstviacute in vitro

haploidniacute rostliny

spontaacutenniacute dihaploidniacute rostliny

ječmen kukuřice moruše

slunečnice cibule

kultivace vajiacuteček Beta vulgaris Tomaszewska-Sowa 2010

327 haploids 458 diploids and 215 ndash mixoploids

x opyleniacute ozaacuteřenyacutem pylem

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

Polyploidizace in vitro

duplikace celeacuteho genomu až 70 všech krytosemennyacutech rostlin je polyploidniacutech (Masterson 1994) POLYPLOID metabolicky aktivnějšiacute a rozměrnějšiacute plodiny ktereacute jsou vhodneacute pro pěstovaacuteniacute a leacutepe se vyrovnaacutevajiacute se stresovyacutemi podmiacutenkami

kolchicin

oryzalin

trifluralin

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze protoplastů

1892 Klecker - 1 mechanickaacute izolace protoplastů Stratiotes aloides (řezan pilolistyacute) 1960 EC Cocking 1 enzymatickaacute izolace protoplastů Nicotiana sp 1978 G Melchers a kol 1 mezirodovyacute hybrid bdquopomatoldquo bdquotopatoldquo Solanum tuberosum x S lycopersicum (Lycopersicum esculentum)

httptheplanetfixerorg387new-vegetable-created-the-tomato-potato-plant

Protoplastoveacute kultury

= kultivace rostlinnyacutech buněk zbavenyacutech buněčneacute stěny

Protoplast = rostlinnaacute buňka bez buněčneacute stěny jejiacute povrch tvořiacute cytoplazmatickaacute membraacutena maacute kulovityacute tvar

Protoplastoveacute kultury - regenerace

Faktory ovlivňujiacuteciacute kultivaci a regeneraci

Hustota ( počet protoplastů v 1 ml)

Životnost ()

Podmiacutenky kultivace a meacutedium

bull Studium synteacutezy buněčneacute stěny vyacutevoj buňky fyziologie buňky a cytogenetiku

bull Studium hodnoceniacute uacutečinků farmak potravinovyacutech doplňků agrochemickyacutech laacutetek na rostlinnou

buňku

bull Studium transportu iontů a laacutetek přes cytoplasmatickou membraacutenu

bull Somatickaacute hybridizace (fuacuteze protoplastů)

bull Inkorporace exogenniacuteho genetickeacuteho materiaacutelu ndash organel cybridizace

bull Genoveacute transformace (cizorodaacute DNA z bakteriaacutelniacuteho plasmidu)

Protoplastoveacute kultury - fuacuteze

Využitiacute

kombinace znaků odlišnyacutech druhů a rodů ktereacute by nevznikly přirozenou cestou

jedinečneacute kombinace jadernyacutech a organelovyacutech genomů vytvaacuteřiacute noveacute genetickeacute zdroje

často jen - čaacutest chromozomů asymetrickeacute jaderneacute hybridy

chloroplasty

mitochondrie

chemickeacute fuacuteze - pomalejšiacute elektrofuacuteze - fuacutezanti po 10 min vyššiacute frekvence fuacutezantů

cytoplazmickeacute hybridy - cybridy

Charakterizace hybridů - morfologicky cytologicky molekulaacuterniacute analyacutezy

Přirozenaacute mezidruhovaacute hybridizace - vznik některyacutech kulturniacutech plodin

B oleracea + B campestris = Brassica napus Nicotiana sylvestris + N tomentosa = Nicotiana tabacum

cybridy nelze ziacuteskat klasickou hybridizaciacute (křiacuteženiacutem) ndash samčiacute pohlavniacute buňky (pyl zrna) nemajiacute plastidy a mitochondrie

V přiacuterodě blesky do půdy modifikace bakteriiacute

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

Přenos jaderneacute a cytoplazmatickeacute genetickeacute informace mezi rostlinnyacutemi druhy rody

- překonaacuteniacute sexuaacutelniacute inkompatibility

- přenos genů rezistence vůči virovyacutem houbovyacutem chorobaacutem

- přenos cytoplazmatickeacute samčiacute sterility

- přenos rezistence vůči stresům (teplotniacutem zasoleniacute)

- přenos rezistence vůči hmyziacutem škůdcům

(synteacuteza fytoalexinů)

- přenos genů pro synteacutezu zaacutesobniacutech proteinů vitamiacutenů

alkaloidů

plnokvětost

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

využitiacute pro fytoremediace

Brassica juncea Tlaspi caerulescens brukev siacutetinovitaacute peniacutezek modravyacute akumulace Pb akumulace Zn a Ni hybrid se zvyacutešenou rezistenciacute k Pb Zn a Ni rychlyacute naacuterůst

biomasy

Brassica napus Thlaspi caerulescens hybridi rostly na vysokeacutem obsahu Zn

Fuacuteze protoplastů rodu Brassica s planyacutemi druhy

Armoracia rusticana

Barbarea vulgaris

Camelina sativa

Capsella bursa pastoris

Diplotaxis catholica

Diplotaxis muralis

Diplotaxis harra

Eruca sativa

Lesquerella fendleri

Mathiola incana

Moricandia arvensis C4

Moricandia nitens C4

Raphanus sativus

Sinapis alba

Sinapis arvensis

Thlaspi perfoliatum

Thlaspi caerulescens

Genoveacute banky In vitro genoveacute banky

2397 vzorků 1249 odrůd Solanum tuberosum 450 teraploidniacutech křiacuteženců S tuberosum 266 dihaploidů 119 mezidruhovyacutech hybridů rodu Solanum 313 genotypů kulturniacutech genotypů 23 planyacutech druhů

Havliacutečkův Brod

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu rostlin

1 Uchovaacutevaacuteniacute semen ndash semenneacute banky (od 1 roku - hellip)

2 Uchovaacutevaacuteniacute vegetativniacutech orgaacutenů ndash hliacutezy cibule řiacutezky

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro Kraacutetkodobeacute - aktivně rostouciacute kultury (pravidelneacute pasaacuteže) - uchovaacuteniacute kultur v minimaacutelniacutem růstu nižšiacute teploty kultivace

Dlouhodobeacute u rostlin kde nejsou semena

- za velmi niacutezkyacutech teplot (-196oC) = kryobanka

Databaacuteze ndash přiacutestupneacute z celeacuteho světa

Špicberky

genobanka - wwwvurvcz part databases EVIGEZ

vyacuteznam v mediciacuteně

Zaacuteložniacute fond semena potravinaacuteřskyacutech plodin z celeacuteho světa

stane se zaacuteložniacutem fondem pro ostatniacutech 1400

semennyacutech bank po celeacutem světě

v Iraacuteku a v Afghaacutenistaacutenu byla podobnaacute zařiacutezeniacute za

vaacutelky zcela zničena

na Filipiacutenaacutech je v roce 2006 poškodila povodeň

semennaacute banka pro světoveacute plodiny je umiacutestěna v hoře

maacute vyztuženeacute stěny betonem a železem

třiacute komory o velikosti 27 kraacutet 10 metrů

teplota minus 18 oC (konzervace po stovky až tisiacutece let) httpwwwnorambczarkivBasisartikler---OversettelserIkke-

bruktnovinkyseedvault_eng

k 1172010 zde bylo uloženo 716 523 vzorků semen patřiacuteciacutech ke 4 205 druhům

českaacute banka uloženaacute v Praze-Ruzyni zaacuteloha na Slovensku

Špicberky

Uchovaacutevaacuteniacute genofonduv ČR

genofond odrůd meruněk broskvoniacute mandloniacute reacutevy vinneacute kdouloniacute lonicer rakytniacuteků a dřiacutenů

2400 položek

25 000 položek

5400 položek 2397

položek

4700 položek

2000 položek

2300 položek

Naacuterodniacute informačniacute systeacutem genetickyacutech zdrojů EVIGEZ httpwwwgenbankvurvczgeneticresources

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro

KRYOBANKA

prašniacuteky a pyl pletiva a orgaacuteny meristeacutemy

kalus

suspennzniacute somatickaacute kultury embrya

dlouhodobeacute skladovaacuteniacute

nižšiacute naacuteroky na uchovaacuteniacute

mezinaacuterodniacute vyacuteměna

nižšiacute podiacutel lidskeacute praacutece

potřeba menšiacuteho prostoru

uchovaacuteniacute genetickeacute stability

omezeniacute staacuternutiacute

ozdravenyacute materiaacutel

prodlouženeacute použitiacute pylu

uchovaacuteniacute vzaacutecnyacutech rostlin

apikaacutelniacute vrcholy

Biotechnologickaacute laboratoř Nestleacute - uchovaacutevaacute buněčneacute embryogenniacute linie kaacutevy kakaa a banaacutenů

Německaacute sbiacuterka mikroorganismů a buněčnyacutech kultur (DSMZ Braunschweig Německo) meristeacutemy 519 staryacutech kultivarů brambor ndash metoda mrazeniacute alginaacutetovyacutech perel

International Potato Centre (CIP Lima Peru) - 345 kultivarů brambor

INIBAP Leuven Belgie - 306 kultivarů banaacutenu (14 ze světoveacuteho počtu kultivarů)

Naacuterodniacute genobanka klonů NCGR USA - ročniacute naacuteklady

udržovaacuteniacute jedneacute položky v sadu (hrušně) 77 dolarů na skladovaacuteniacute in vitro 23 dolarů na kryoprezervaci 1 dolar (při počaacutetečniacute investici na kryometodu 50 dolarů za uchovaacutevanou jednotku)

Přiacuteklady komerčniacuteho využitiacute kryoprezervace meristeacutemů

Aplikace biotechnologiiacute ve šlechtěniacute rostlin

rostliny postraacutedajiacute schopnost aktivně se přesouvat z dosahu nepřiacuteznivyacutech vlivů rostliny vyvinuly adaptačniacute mechanismy pro překonaacuteniacute stresů a tiacutem přežitiacute v extreacutemniacutech podmiacutenkaacutech

Biotechnologie v zemědělstviacute ekologickeacute zemědělstviacute

VLIV ŠKŮDCŮ CHOROB A PLEVELŮ NA ZEMĚDĚLSKEacute PLODINY

1 sniacuteženiacute velikosti a vaacutehy zrna 2 ztraacuteta ve velikosti hliacutez a kořenů 3 zvyacutešeniacute obsahu vlhkosti 4 změny v chemickeacutem složeniacute zrna hliacutez a kořenů 5 odbarveniacute zrna a hliacutez - deformace 6 tvorba mykotoxinů patogeny 7 sniacuteženiacute kliacutečivosti 8 redukce krmiva

spotřeba vody - rezistence k suchu sniacutežiacute spotřebu uchovaacuteniacute vody rostlinou aplikace hnojiv chemickaacute kontrola škůdců

- studium abiotickeacuteho stresu

- zlepšeniacute ochrany rostlin vůči škůdcům

- ochrana životniacuteho prostřediacute

- zlepšeniacute kvality potravin

odstraněniacute hladu GMO fytoremediace

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

ohroženiacute klimatickyacutem suchem v ČR ndash nejrizikovějšiacute oblasti nižšiacute polohy na jižniacute a středniacute Moravě v prostoru mezi Prahou Uacutestiacutem nad Labem a Žatcem zaacutepadně od Pardubic

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

Rezistence k suchu - využitiacute vody

Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

vyacutevoj samčiacuteho gametofytu - spojen s expresiacute genů - 150 specifickyacutech genů spraacutevneacute načasovaacuteniacute

sporofyt gametofyt

2n 1n

rostlina pylovaacute zrnazaacuterodečnyacute vak

pohlavniacute rozmnožovaacuteniacute přiacuterodniacute vyacuteběr

pylzrna - exina (ovlivněna sporofytem) ochrana před UV laacutekaacuteniacute opylovačů - barva vůně komunikace s bliznou produkce alergenů

strategie rostlin zabraacuteněniacute samoopyleniacute

Biotechnologie v zemědělstviacute samčiacute gametofyt n TETRASPORE (TES) reg gen je vyžadovaacuten ke tvorbě přepaacutežek mezi produkty meioacutezy u mutanta všechna čtyři jaacutedra mikrospoacutery zůstaacutevajiacute ve stejneacute cytoplazmě polyploidniacute jedinci n GEMINI POLLEN 1 (GEM1) reg gen je vyžadovaacuten k orientaci mitotickeacuteho vřeteacutenka mutant tvořiacute dvě symetrickaacute jaacutedra typu vegetativniacuteho vede ke sterilitě n SIDECAR POLLEN (SCP) reg gen je vyžadovaacuten k děleniacute pylu prvniacute symetrickaacute pylovaacute mitoacuteza mutanta daacutevaacute dvě stejneacute buňky jedna extra- vegetativniacute (sterilniacute sidecar) a druhaacute regvegetativniacute a generativniacute mutace nevede ke sterilitě n QUARTET (QRT) reg gen je vyžadovaacuten k separaci pylovyacutech zrn u mutantů jsou stěny meiotickyacutech produktů pyloveacute mateřskeacute buňky fuacutezovaacuteny a zrna se uvolňujiacute v tetraacutedaacutech

samičiacute makrogametofyt n FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED (FIS) a FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) reg geny hrajiacute regulačniacute role ve vyacutevinu semene po oplozeniacute u mutantů se diploidniacute jaacutedra endospermu vyviacutejejiacute bez oplozeniacute pak atrofujiacute mutace neovlivňujiacute vaječnou buňku - procesy embryogeneze a vyacutevinu endospermu jsou odlišneacute n MEDEA (MEA) reg mutace genu způsobuje hypertrofii a zaacutenik embrya neniacute jasneacute na jakeacute uacuterovni se gen projevuje zaacuterodečnyacute vak endosperm nebo maternaacutelně imprintovanyacute embryonaacutelniacute gen

Biotechnologie ve šlechtěniacute rostlin Selektivniacute šlechtěniacute rostlin - přiacuterodniacute genetickeacute diverzity rostlin Techniky překonaacuteniacute barieacuter šlechtěniacute

Barieacutery Technika překonaacuteniacute Před oplodněniacutem

selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute pestiacuteku

pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony

pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro

selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů

odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute

abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry

sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

vyacutevoj semen

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

Škůdci v historii naacutelety sarančat (Staryacute zaacutekon)

ochrana saze tabaacutek

začaacutetek 19 stol - siacutera na houboveacute patogeny 1939 objev DDT uacutečinek na hmyz teorie bdquohmyz se může staacutet rezistentniacuteldquo 1948 Nobelova cena P Muumlller

50 leacuteta 20 st - herbicidy - postřiky na plevele ( rezistence na herbicid) 1972 zaacutekaz DDT (vyacutejimka - boj s malaacuteriiacute v Africe - naacutevrat DDT)

škůdce - hmyz hliacutestice 1861 - v Americe Iowa Nebraska 1880 1 pesticid v S Americe arzeacutenem bdquoParis greenldquo

S rostouciacute intenzitou pěstovaacuteniacute roste hospodaacuteřskyacute vyacuteznam škodlivyacutech organismů objem škod se zvyšuje staacutele přibyacutevajiacute noveacute druhy škodlivyacutech organismů zavaacutedějiacute se staacutele noveacute prostředky

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin - hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy

1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho

obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

ROS Reactive oxygen species reaktivniacute formy kysliacuteku SAR Systemic acquired resistance systeacutemově ziacuteskanaacute rezistence = neinfikovaneacute buňky začiacutenajiacute s přiacutepravou na atak patogena

napadeneacute rostliny uvolňujiacute signaacutelniacute molekuly (těkaveacute laacutetky - druhově specifickeacute) a varujiacute okolniacute rostliny ještě před napadeniacutem hmyzem

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin -hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy 1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

produkujiacute u různyacutech rostlin různě - sekundaacuterniacute metabolity - odstrašeniacute nebo zničeniacute patogena - proteiny inhibujiacuteciacute aktivitu zažiacutevaciacutech enzymů hmyzu - enzymy degradujiacuteciacute buněčnou stěnu hub (chitinaacutezy) - proteiny inhibujiacuteciacute překlad proteinů u škůdce - antiviroveacute složky degradujiacuteciacute virovou RNA blokujiacute vstup do buňky zastavujiacute replikaci

geny ktereacute bdquoSARldquo zapiacutenajiacute zvyšujiacute rezistenci rostliny

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům - již v čaacutesti fytotatologie

Co je plevel soutěžiacute s plodinou o živiny světlo a prostor intenziacutevně roste podiacuteliacute se na šiacuteřeniacute chorob a škůdců

lat herba - rostlina řeč cidoacute - ničiacutem

Vznik rezistence plevelů vůči některyacutem herbicidniacutem laacutetkaacutem = reakce plevelnyacutech druhů na podmiacutenky současneacuteho pěstovaacuteniacute rostlin = dlouhodobeacute působeniacute herbicidů

Vyacutevoj plevelů na zemědělskeacute půdě v naacutevaznosti na skladbu pěstovanyacutech plodin Vznik rezistence plevelů vůči herbicidům Problematika invaziacute a expanziacute plevelů

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům

Rezistenci vůči herbicidům způsobujiacute biochemickeacute fyziologickeacute změny nebo morfologickeacute odlišnosti ktereacute ovlivňujiacute přiacutejem herbicidů rostlinou

- degradujiacute herbicid

- měniacute jeho biochemickou funkci v rostlině

- pozměňujiacute miacutesto na ktereacute herbicid v rostlině působiacute

Rezistence rostlin vůči herbicidům dědičnaacute schopnost odolaacutevat takoveacute daacutevce herbicidů při ktereacute by za normaacutelniacutech okolnostiacute byla populace potlačena

směr pro šlechtěniacute

Aplikace rostlinnyacutech biotechnologiiacute v životniacutem

prostřediacute

takto nebo takto

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Těžba a zpracovaacuteniacute surovin(těžkeacute kovy- Cd Pb prach) Průmyslovaacute vyacuteroba (barviva)

Skladovaacuteniacute (haldy kaliště sklaacutedky) Zemědělstviacute (pesticidy herbicidy)

Domaacuteciacute odpad (leacutečiva detergenty praciacute prostředky)

čin

no

st č

lově

ka

půda voda ovzdušiacute

znečištěniacute

degradace organismy produkujiacuteciacute laacutetky (enzymy) pro

ciacutelenyacute rozklad

organismy snižujiacuteciacute toxicitu toxickeacute laacutetky metylaciacute dehalogenace hydroxylace hydrolyacuteza deaminacehellip

substraacutet je zdrojem C a energie

dekontaminace

+ katastrofy Černobyl vaacutelečneacute konflikty

remediace = navraacuteceniacute k původniacutemu stavu

Biodegradace všechny přirozeneacute procesy ktereacute jsou uskutečňovaacuteny bakteriemi a jinyacutemi mikroorganizmy nebo vyššiacutemi organismy ktereacute vedou k destrukci organickyacutech molekul = organickyacute substraacutet je přeměňovaacuten až na CO2 Bioremediace (bakterie houby)

spočiacutevaacute v akceleraci přirozenyacutech biodegradačniacutech procesů nebo v ciacuteleneacute biodegradace - vede k ozdraveniacute kontaminovaneacuteho prostřediacute - detoxifikace měniacute se na netoxickeacute = neškodneacute laacutetky - aplikaciacute mikroorganismů

Fytoremediace (rostliny) niacutezkaacute cena

využitiacute rostlin k odstraněniacute toxickeacute zaacutetěže (těžkeacute kovy) řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny Zooremediace (zviacuteřata)

zpracovaacuteniacute odpadů pomociacute zviacuteřat bezobratliacute - perlorodky měkkyacuteši

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

nevyacutehody pomalaacute viacutece než 2 roky maleacute rozměry vhodnyacutech rostlin maacutelo druhů vhodnyacutech rostlin neniacute 100 probleacutem s rostlinnyacutem odpadem - potřeba zvlaacuteštniacutech sklaacutedek spadeneacute listiacute

- řiacutezeneacute spalovaacuteniacute

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacute len slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

vyacutehody mineralizace organickyacutech sloučenin niacutezkeacute naacuteklady pasiacutevniacute metoda bez transportu kontaminovaneacute půdy energie ze slunečniacuteho zaacuteřeniacute nepoškozuje okoliacute - sniacuteženiacute prašnosti

estetickyacute přiacutenos etickyacute uacutečinek (veřejnosti přijatelnyacute)

2005 cca 450 rostlinnyacutech druhů - tzv bdquohyperakumulaacutetoryldquo 100 x vyššiacute akumulace než u ostatniacutech rostlin

teorie vzniku - obrana vůči hmyzu - hmyz preferuje

niacutezkeacute koncentrace kovu

Thlaspi careulescens

X bagrovaacuteniacute kontaminovaneacute zeminy transport zeminy dekontaminace

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute přiacutejem kořeny - z půdy přiacutejem nadzemniacute čaacutestiacute rostliny - vyacutefukoveacute plyny

akumuluje

degraduje

detoxifikuje

roste na kontaminovaneacute půdě

produkuje velkeacute množstviacute biomasy

tolerantniacute k salinitě a jinyacutem toxickyacutem podmiacutenkaacutem

poskytuje ekonomickeacute hodnoty - textilniacute vlaacutekna (len konopiacute)

GMO - gen fytovolatizace - bakteriaacutelniacute geny transformovaacuteny do rostlin transgeny merA a merB fytoextrakce - gen gsh1 a gsh2 z E coli do Brassica juncea

potenciaacutel je v GMO rostlinaacutech

Laboratoř rostlinnyacutech biotechnologiiacute Společnaacute laboratoř UacuteEB AV ČR vvi A VUacuteRV vvi Akademie věd Českeacute Republiky Mendelova univerzita v Brně Uacutestav experimentaacutelniacute botaniky AV ČR Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby v Praze Metoda použita na čištěniacute uranem a radiem znečištěneacute vody v Mydlovarech - kořenovaacute čistiacuterna

ideaacutelniacute rostlina

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

proces substraacutet ciacutel rostlina

fytoextrakce fytoakumulace

odstraněniacute toxickyacutech laacutetek z půdy a vody - akumulaciacute rychle rostouciacute rostlinou (zůstaacutevaacute v rostlině)

půda sedimenty kaly odpadniacute vody

toxickeacute kovy radionuklidy

Thlaspi sp Brassica sp

fytostabilizace ciacuteleneacute pěstovaacuteniacute tolerantniacutech druhů zamezeniacute eroziacute

půda haldy odkaliště těžkeacute kovy dlouheacute a bohateacute kořeny

fytovolatizace odstraněniacute Hg pomociacute genu koacutedujiacuteciacuteho reduktaacutezu Hg2+ na Hg0

a uvolněniacute do ovzdušiacute

půdy sedimenty odkaliště průmysloveacute a zemědělskeacute odpadniacute vody

kovy - Se Hg chlorovanaacute rozpouštědla

stromy traacutevy Brassica sp

fytodegradace degradace kontaminantů rostlinou na netoxickeacute laacutetky

půdy sedimenty odkaliště odpadniacute vody

ropneacute laacutetky pesticidy detergenty

stromy traacutevy

rhizofiltrace odstraněniacute pomociacute rostlinnyacutech kořenů

povrchoveacute vody odpadniacute vody

těžkeacute kovy - Co Cu Cr Mn Ni radionuklidy

Brassica sp Helianthus vodniacute rostliny hydroponie

superrostliny

niacutezkeacute naacuteklady

kořenovaacute čistička = umělyacute mokřad oddělenyacute od okoliacute nepropustnou foacuteliiacute využiacutevaacute samočisticiacutech procesů probiacutehajiacuteciacutech v propustneacutem půdniacutem prostřediacute za spoluuacutečasti rostlin čištěniacute odpadniacutech vod z domaacutecnostiacute sklaacutedek a některyacutech průmyslovyacutech provozů

Rhizofiltrace

httpwwwnemcoviceczcontentviewfull3607

rostliny s vysokyacutemi

naacuteroky na vyacuteživu

+

bakterie

může zapaacutechat

5x - 10 x nižšiacute naacuteklady

Člověk čistiacute odpadniacute vodu za pomoci zařiacutezeniacute

ale přiacuteroda to zvlaacutedaacute bez přiacutestrojů a mnohem levněji

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute niacutezkeacute naacuteklady

rostlina chemickaacute sloučenina

pšenice 24 -D MCPA jako zdroj uhliacuteku

kukuřice atrazin degradace atrazinu mikroorganismy rhizosfeacutery

fazole diazinon parathion mineralizace v rhizosfeacuteře

luštěniny nafta

Kučerovaacute et al 1999 Chemickeacute listy

přiacutejem - velikost kořenoveacuteho systeacutemu přiacutestupnost pro rostlinu např chelaacutety

transport rostlinou - apoplast (difuacuteziacute)

symplast (specifickeacute přenašeče)

miacutesto uskladněniacute hustota rostlin v porostu

zaacutevažnějšiacute ekologickyacute a toxikologickyacute vyacuteznam přibližně 16 prvků (Fe Mo Mn Zn NiCo Cu V W Cr Hg Pb Cd Sb Ag a U)

Budoucnost fytoremediaciacute niacutezkeacute naacuteklady

Fytoremediace v praxi

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Ural 1953 odstraněniacute těžkyacutech kovů

Amana Iowa hybridniacute topoly atrazin odstraněna čaacutest až 20

Beaverton Kreton

hybridniacute topoly

organickeacute laacutetky kovy

a amonneacute sloučeniny

celkoveacute vyčistěniacute oblasti

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Fukušima 113 2011 slunečnice radioaktivniacute cesium dekontaminace půdy

Černobyl 2641986 slunečnice jabloně

cesium stroncium dekontaminace půdy povrchoveacute vody

paacutes 30 km - likvidace radioaktivniacutech rostlin

nebudou spaacuteleny rozloženy a kompostovaacuteny - speciaacutelniacute bakterie

slunečnice spotřebovaacutevajiacute z půdy drasliacutek kteryacute patřiacute mezi alkalickeacute kovy stejně jako cesium drasliacutek neniacute v půdě přiacutetomen květiny využijiacute praacutevě druhyacute prvek - Cs

Biotechnologie v ŽP niacutezkeacute naacuteklady

fytomining - fytodobyacutevaacuteniacute fytodolovaacuteniacute

ziacuteskaacutevaacuteniacute kovů z rostlin kde klasickaacute těžba je nevyacutehodnaacute rostliny - bdquotěžaři vzaacutecnyacutech kovůldquo a polokovů AuTh Co U Cd Ni Cu Mn

v rostlinaacutech hyperakumulaacutetorech je akumulace prvku sušina rostliny jako -ldquobio-rudaldquo

vyacutehody

- obsah kovu v bdquobio-ruděldquo je vyššiacute než v běžneacute rudě

- meacuteně skladovatelneacuteho miacutesta

- zelenaacute technologie jako alternativa

fytomining Ni pomociacute Alyssum bertolonii

Robinson et al 1997 The nickel hyperaccumulator plant Alyssum bertolonii as a potential agent for phytoremediation and phytomining of

nickel Journal of Geochemical Exploration59(2)75-86

zlatonosneacute rostliny

zlataacute jablka

zlateacute kapradiacute

hledaacuteniacute nalezišť

technologie budoucnosti

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute bioplasty z biomasy (škroby tuky) nahrazujiacute fosilniacute zdroje vyacutehodou je biodegradace biopaliva rostlinnyacute materiaacutel a řasy bioethanol GMO rezistentniacute rostliny vůči postřikům hmyziacutem škůdcům transfer genů pro symbiotickou fixaci dusiacuteku z luštěnin do dalšiacutech plodin přenos genů z bdquoC4ldquo do bdquoC3ldquo rostlin pro dosaženiacute uacutečinnějšiacute fotosynteacutezy (ryacuteže)

Transgenoziacute se přenaacutešiacute přirozeneacute geny vznikleacute evoluciacute z jednoho organismu do druheacuteho kteryacute se s daacutercem genu obvykle

nemůže křiacutežit pouze dokaacuteže přenosy mezi vyacutevojově ještě vzdaacutelenějšiacutemi organismy

Geny použiacutevaneacute při transgenosi jsou braacuteny z přiacuterody např gen v soacuteji tolerujiacuteciacute glyfosaacutet - je z bakterie rodu Agrobacterium

Klasičtiacute šlechtiteleacute takto pracujiacute daacutevno např smiacutechali geny pšenice a žita

GMO

Transgenoze ndash vnaacutešeniacute znaacutemyacutech jednotlivyacutech genů do dědičneacuteho

zaacutekladu (poprveacute 1978)

Pro přenos - Agrobacterium tumefaciens A rhizogenes E coli

httpblogscassuffolkeduiglesias20140424gmos

GMO bez obalu httpwwwbezpecnostpotravinczUserFilespublikaceGMO_web_1pdf

GMO - transgenniacute rostliny CARTAGENSKYacute PROTOKOL o biologickeacute bezpečnosti 29 1 2000 Montreal (OSN ndash program pro životniacute prostřediacute UNEP) platnost 11 9 2003

ČR podepsala 24 52000 (gmovschtcz) nyniacute 160 staacutetů

opatřeniacute ve staacutetech ktereacute se připojiacute k projektu (dovoz vyacutevoz transport)

vzdělaacuteniacute odborniacuteků a informovaacuteniacute veřejnosti

vytvořeniacute noveacute legislativy GMO (wwwenvcz )

spolupraacutece při vyacuteměně zkušenostiacute

Svět 2010 - viacutece než 150 mil ha viacutece než 20 zemiacute

pro vegetačniacute čaacutesti

nebo plody

CIacuteL PROTOKOLU - zajistit ochranu a bezpečnost při zachaacutezeniacute využiacutevaacuteniacute a přenosu živyacutech modifikovanyacutech organismů ktereacute jsou vyacutesledkem moderniacutech biotechnologiiacute a ktereacute mohou miacutet nepřiacuteznivyacute vliv na zachovaacutevaacuteniacute biologickeacute rozmanitosti a zdraviacute člověka Protokol je zaměřen předevšiacutem na převoz GMO přes hranice staacutetů a maacute ochraňovat zejmeacutena staacutety kteryacutem dosud chybiacute vlastniacute vnitrostaacutetniacute praacutevniacute předpisy v oblasti GMO

GMO - transgenniacute rostliny historie

EVROPA

SRN - Max-Planck-Institut

Belgie - Universita Ghent

Švyacutecarsko- ETH Zurych

ČR - Biofyzikaacutelniacute uacutestav Brno (Agrobacterium jako vhodnyacute přenašeč genů)

ČR - UacuteEB ČSAV Českeacute Budějovice (metody modifikaciacute)

2010 1 transgenniacute hraacutech v Evropě (ČR Agritec Šumperk)

transgenniacute len - oleje

FYTOPATOLOGIE IN VITRO

Fytopatologie in vitro

in vitro selekce = kultivace buněk se selekčniacutem činitelem (fitraacutet inokulum toxin)

ndash přežiacutevajiacuteciacute buňky jsou regenerovaacuteny do rostlin resistentniacuteho fenotypu

Studium interakce rostlina x patogen v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

Druh Patogen Typ biologickeacuteho testu Ciacutel

Coffea arabica Colletotrichum kahawae růst houby na kalusech vyacuteběr rezistentniacutech genotypů

Vitis vinifera Elsinoe ampelina růst kalusu na meacutediu s patogenem testy rezistence

Lycopersicon aes Alternaria alternata testy na izollistech in vitro hodnoceniacute toxicity

Pinus taeda Cronartium quercuum embryokultury s houbami vyacuteběr rezistentniacutech embryiacute

Triticum aestivum Microdochium nivale listy semenaacutečky in vitro vyacuteběr rezistentniacutech kultivarů

ozdravovaacuteniacute rostlin

klonoveacute množeniacute rezistentniacutech taxonů

Page 6: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,

BEZPEČNOST PRAacuteCE

Student je povinen řiacutedit se pokyny vedouciacuteho cvičeniacute - dbaacutet osobniacute bezpečnosti a bezpečnosti svyacutech kolegů v laboratoři

Student je povinen přichaacutezet na praktickaacute cvičeniacute včas seznaacutemen s naacutevodem praktickeacuteho cvičeniacute a doporučenyacutemi pomůckami

Student musiacute byacutet vybaven přezůvkami osobniacute věci (tašku batoh oblečeniacute) si uložiacute na vyhrazeneacute miacutesto ktereacute je zabezpečeno před zcizeniacutem

Před cvičeniacutem si student umyje a desinfikuje ruce určenyacutem desinfekčniacutem prostředkem - OROSEPT 70 etanol

Při praacuteci ve flowboxu student dodržuje zaacutesady pro aseptickou praacuteci desinfekčniacutem roztokem vytře box (ISORAPID) spustiacute box 10 min před zahaacutejeniacutem praacutece dbaacute aby saacutem nebyl zdrojem kontaminaciacute při nachlazeniacute použije roušku udržuje v boxu pořaacutedek

Student dbaacute bezpečnosti při praacuteci s ohněm (lihoveacute kahany)

Student dbaacute bezpečnosti a se zvyacutešenou opatrnostiacute pracuje s řeznyacutemi naacutestroji se sklem lihovyacutem kahanem a s elektřinou

Student zachaacuteziacute se svěřenyacutemi přiacutestroji šetrně jejich zaacutevady ihned hlaacutesiacute vyučujiacuteciacutemu (saacutem neopravuje)

Student hlaacutesiacute veškeraacute poraněniacute vyučujiacuteciacutemu

Po ukončeniacute cvičeniacute student vypne a uklidiacute flowbox uzavře kahan Zbytky rostlinneacuteho materiaacutelu zlikviduje umyje použiteacute sklo

BIOTECHNOLOGIE

- členěniacute interdisciplinaacuternost (mezioborovost)

- historie od počaacutetku po současnost - rostlinneacute bdquozeleneacuteldquo biotechnologie

Použitaacute literatura Bajaj Y P S Somatic hybridization in crop improvement 1994

Callaway D J Callaway M B Breeding ornamental plants Timber Press Oregon 2000

George E F Plant propagation by tissue culture The technology Exegetics Limited Edington 1993

Hall R D Plant cell culture protocols Humana Press Totowa (NJ) 1999

Heldman D R Wheler M B Hoover DG Encyklopedia of biotechnology in agriculture and food CRC Press 2011

Kreuzer H Massey A Biology and biotechnology Science Applications and issues ASM Press Washington DC 2005

Lindsey K Plant tissue culture Manual Kluwer Academic Publishers London 1992

Kučerovaacute P Mackovaacute M Macek T Chemickeacute listy 93 19-26 1999

Murphy D Plants biotechnology and agriculture Cambridge University Press 2011

Ovesnaacute J Kučera L Otaacutezky biologickeacute bezpečnosti GMO a mezinaacuterodniacute zaacutevazky ČR Sborniacutek VUacuteRV Praha 2004

Prochaacutezka S a kolektiv Fyziologie rostlin Academia 1998

Smith R H Plant tissue culture Techniques and experiments Second edition Academic Press 2000

Smith J E Biotechnology Cambridge 2009

Trigiano R N Gray D J Plant development and biotechnology CRC Press 2005

Biotechnologie

Biotechnologie jsou na zaacutekladě Evropskeacute federace pro biotechnologii (EFB) z roku 1981 definovaacuteny jako

bdquoSoubor postupů založenyacutech na technologiiacutech při nichž se využiacutevaacute metabolickeacuteho potenciaacutelu mikroskopickyacutech organizmůldquo Jsou to interdisciplinaacuterniacute obory zahrnujiacuteciacute a využiacutevajiacuteciacute poznatky mikrobiologie biochemie chemie a přiacuteslušnyacutech průmyslovyacutech odvětviacuteldquo wwwscimuniczmikrobkvasbiotechbiotechnologiebiotechnologiehtml

Multidisciplinaacuterniacute povaha (Smith 2009)

Biotechnologie podle definice OECD představuje aplikovaacuteniacute vědeckyacutech a technologickyacutech metod na živeacute organismy a jejich čaacutesti produkty nebo modely za uacutečelem přeměny živyacutech i neživyacutech materiaacutelů pro vytvaacuteřeniacute znalostiacute zbožiacute a služeb

z řečtiny bios + techne + logos

život + dovednost + znalost

staraacute definice

novaacute definice

OECD Organizace pro ekonomickou spolupraacuteci a rozvoj Organisation for Economic Co-operation and Development

Biotechnologie

BIOTECHNOLOGIE novyacute nebo staryacute vynaacutelez biotechnologie průmysloveacute zemědělskeacute leacutekařskeacute biotechnologie mikrobiaacutelniacute živočišneacute rostlinneacute obsah i dosah

biologickyacute psychologickyacute ekonomickyacute ekologickyacute (postoj Amišů ndash meacuteně pesticidů neniacute v rozporu s jejich životniacutem stylem rizika při uvaacuteděniacute do životniacuteho prostřediacute) etickyacute - oteviacuteraacuteme bdquoPandořinu skřiacutenkuldquo

- věda jako zachraacutence nebo nepřiacutetel lidstva

odpor GMO plodinaacutem potravinaacutem

akceptovatelneacute rezistentniacute plodiny k herbicidům

BIOTECHNOLOGIE - rozvoj 21 stoletiacute - integrovanaacute aplikace přiacuterodniacutech a inženyacuterskyacutech věd - ciacutelem je využitiacute organismů a čaacutestiacute organismů k vyacuterobě produktů nebo použitiacute různyacutech metod (postupů)

ČLENĚNIacute PODLE ODVĚTVIacuteZAMĚŘENIacute ČERVENAacute BIOTECHNOLOGIE (mediciacutena a farmacie) - leacutekařstviacute je považovaacutena za nejdůležitějšiacute oblast použitiacute - biotechnologickeacute postupy rostouciacute roli při vyacutevoji novyacutech leacuteků (např k leacutečbě rakoviny) diagnostice (DNA) využitiacute kmenovyacutech buněk při leacutečbě zaacutevažnyacutech chorob

ZELENAacute BIOTECHNOLOGIE (zemědělstviacute a potravinaacuteřstviacute) bdquoRostlinneacute biotechnologieldquo nejstaršiacute - moderniacute šlechtěniacute rostlin ciacuteleně se zvyšujiacute odolnosti proti hmyzu pliacutesniacutem virům a herbicidům - vyacuteznam genoveacute techniky kteraacute je zaacutekladem pro přenos určityacutech genů z jednoho druhu na jineacute rostliny a umožňuje vyacutevoj odolnosti vůči hellip

ŠEDAacute BIOTECHNOLOGIE (životniacute prostřediacute-environmentaacutelniacute) - obnoveniacute znečištěneacuteho prostřediacute biomonitoring - indikaacutetory znečištěniacute - biotechnologickeacute postupy při sanaci půdy uacutepravě odpadniacutech vod čištěniacute vyacutefukovyacutech plynů využitiacute odpadu

BIacuteLAacute BIOTECHNOLOGIE (často spojovanaacute s šedou biotechnologiiacute) - chemickyacute průmysl vyprodukovat substance jako např alkohol vitamiacuteny aminokyseliny antibiotika enzymy způsobem ktereacute šetřiacute zdroje a životniacute prostřediacute s pomociacute živyacutech buněk (kvasinky pliacutesně bakterie)

MODRAacute BIOTECHNOLOGIE mořskeacute biologie biologickeacute organismy světovyacutech mořiacute - zdroje potravin energie leacutečiv surovin - bioprocessing šlechtěniacute a ochrana mořskyacutech organismů ciacutelenyacute chov vodniacutech organismů (aquaculture )

ZELENAacute BIOTECHNOLOGIE (zemědělstviacute a potravinaacuteřstviacute)

bdquoRostlinneacute biotechnologieldquo nejstaršiacute - moderniacute šlechtěniacute rostlin = ciacuteleně se zvyšujiacute odolnosti vůči hmyzu pliacutesniacutem virům a herbicidům - genoveacute techniky = přenos určityacutech genů z jednoho druhu na jinyacute umožňujiacute vyacutevoj odolnosti vůči hellip - využitiacute bakteriiacute ke zvyacutešeneacutemu růstu rostlin

- biomonitoring = využitiacute rostlin jako indikaacutetorů znečištěniacute půdy (kovy) - fytomining

Rostlinneacute biotechnologie

Kde by lideacute byli bez rostlin

Historie rostlin čas před proces vyacuteznam

45 miliardy let tvorba země nemožnyacute život

39 oceaacuteny voda je předpokladem pro uhliacutek-založenyacute život

35 nejstaršiacute cyanobacteria efektivnějšiacute fotosynteacuteza- rychlejšiacute růst O2

24 kysliacutek v atmosfeacuteře aerobniacute org postupně převažujiacute nad aerobniacutemi

21 endosymbioacuteza mezi cyanobacterium a eukaryotniacutem hostitelem prvniacute fotosyntetizujiacuteciacute eukaryotickyacute org -

jednobuněčnaacute řasa

16 mnohobuněčneacute řasy zeleneacute a červeneacute řasy

13 v atmosfeacuteře 3 O2 dominujiacute aerobniacute org nad aerobniacutemi

1 zvyšujiacuteciacute se počet mořskyacutech řas zvyacutešeniacute atmosfeacuterickeacuteho 02

750 milioacutenů mnohobuněčneacute zeleneacute řasy začaacutetek buněčneacute specializace

550 v atmosfeacuteře 12 O2

500 prvniacute suchozemskeacute rostliny eukaryotickaacute kolonizace země

470 prvniacute spory jaterniacutekům podobneacute rostliny

428 Cooksonia 2-3 cm velkeacute steacutelka Bryophyta s dominantniacute haploidniacute generaciacute

ceacutevnateacute rostliny bez semen- mechy přesličky kapradiny převažuje 2n generace

360 nejstaršiacute fosilniacute nahosemenneacute

140 nejstaršiacute krytosemenneacute

85 nejstaršiacute obiloviny

68 nejstaršiacute luštěniny adaptace na deficit N2

11 tisiacutec let domestifikace rostlin vliv člověka na rostliny

500 let globalizace zemědělskyacutech plodin světoveacute rozšiacuteřeniacute domestifikovanyacutech rostlin

300 člověkem prvniacute vyrobeneacute hybridniacute rostliny zaacuteměrneacute vytvaacuteřeniacute novyacutech druhů pro člověka

100 začaacutetek vědeckeacuteho šlechtěniacute rostlin manipulace s genomem a fenotypem rostlin

30 prvniacute transgenniacute rostlina novyacute gen do rostlinneacuteho genomu

20 prvniacute schvaacutelenaacute GMO rostlina - potravina rajče cv FLAVR SAVR Murphy 2011

6000 pnl produkce piva fermentaciacute (kvašeniacutem) Babyloacuteňaneacute Sumeroveacute

4000 pnl využitiacute kvasinek ve vyacuterobě piva a viacutena v Egyptě a Čiacuteně (znaacutem ječmen)

1675 Leeuwenhoek pozoroval bakterie

1860 Koch - rozvoj mikrobiologie

1857 Pasteur demonstrace fermentace - otec biotechnologiiacute

1877 Koch vypracoval techniky izolace a barveniacute bakteriiacute

1919 Ereky zavedeniacute termiacutenu biotechnologie

1935 Fleming objev peniciliacutenu - zavedeniacute sterilizace

1953 Watson a Crick popis struktury DNA

1975 Kohler a Milstein - produkce monoklonaacutelniacutech protilaacutetek

1978 produkce 1 lidskeacuteho proteinu v buňce firmou Genntech (USA) = inzuliacuten 1 praktickeacute využitiacute

1980 zavedeniacute metod rekombinantniacute DNA produkce inzuliacutenu v E coli

1994 schvaacuteleniacute prvniacute geneticky modifikovaneacute potraviny ndash rajče

1996 klonovaacuteniacute ovce Dolly Wilmuth a kol

Biotechnologie - historie

vyacuteroba jiacutedla a naacutepojů procesy vyviacutejeny za nesterilniacutech podmiacutenek zavedeniacute sterilniacutech podmiacutenek do biotechnologickyacutech procesů aplikace genetiky a technologie rekombinantniacute DNA

přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

nevyacutehoda - nekontrolovaneacute

zavedeniacute lidskeacuteho genu určujiacuteciacuteho produkci specifickeacute biacutelkoviny (inzuliacutenu) do bakterie pomociacute plazmidu - po zabudovaacuteniacute do genetickeacuteho aparaacutetu hostitelskeacute buňky je bakterie schopna produkovat AMK v přesně daneacutem pořadiacute a syntetizovat

lidskyacute inzuliacuten

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve

velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 11 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1843 superfosfaacutet hellip intenzivniacute hnojeniacute v zemědělstviacute

1849 Darwin - vznik druhů přirozenou selekciacute (cesta kolem světa Galapaacutegy)

1846-1850 krize monokultur - bdquobramborovyacuteldquo hladomor v Irsku (Phytophtora infestans)

1857 Pasteur - fermentace - otec biotechnologiiacute

1866 Mendel - publikuje svoje zaacutekony (znovu objeveny 1900)

1869 Miescher - objevuje DNA

1902 Haberlant - totipotence rostlinneacute buňky

1910 odrůda brambor Bintje (Holandsko) - odrůda roku 2012

1919 Ing Karl (Kaacuteroly) Ereky - termiacuten biotechnologie

migrace do Ameriky

technologie přeměny surovin na využitelneacute produkty pomociacute živyacutech organismů

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho

průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 10 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1923 Burbank USA - křiacuteženci bramboru odrůda

bdquoRUSSET BURBANKldquo (skladovatelnost hliacutez)

1933 prvniacute hybridi kukuřice

1941 Beadle a Tatum - hypoteacuteza 1 gen-1 enzym

1941 24-D (syntetickyacute auxin) jako prvyacute moderniacute herbicid

1950 1 radiomutanti chemomutanti řepka pšenice ryacuteže biacuteleacute fazole

ječmen (1965 - DIAMANT)

1960 ndash1970 ldquozelenaacute revoluceldquo zakrsliacute hybridi - Norman Borlaug

1970 NC miacuteru

1969 Triticale (Triticosecale tritikale žitovec - hybridniacute obilnina Triticum x Secale)

REKOMBINANTNIacute TECHNIKY

1985 prvniacute GM rostliny na poliacutech v UK

1995 odrůda bdquoBT NEW LEAF RUSSET BURBANKldquo

1998 zlataacute ryacuteže

2010 1 GMO hraacutech (Agritec)

I GMO odrůda brambor - odolnaacute vůči mandelince bramboroveacute vložen gen z bakteacuterie Bacillus thuringiensis produkujiacuteciacute protein narušujiacuteciacute vnitřnosti mandelinky

Mexiko 1943 import frac12 spotřeby pšenice 1944 plnaacute soběstačnost pšenice 1964 export 05 milionů tun pšenice

httpenwikipediaorgwikiNorman_Borlaug

Budoucnost biotechnologiiacute v ČR bdquoBiotechnologie jsou celosvětově nejprogresivnějšiacutech oblast vyacutezkumu vyacutevoje a podnikaacuteniacuteldquo

produkce viacutena - 1 psanaacute zmiacutenka r 276 (na Paacutelavě řiacutemskeacute legie) produkce piva - 11 stoletiacute syacutery destilaacutety 14 stoletiacute 1356 - kraacutelovskyacute dekret o produkci viacutena v Českyacutech zemiacutech alchymie (Rudolf II) 1518 - založeniacute Paliacuterny U Zeleneacuteho stromu v Prostějově 1887 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu pivovarskeacuteho a sladařskeacuteho v Praze 1949 - průmyslovaacute produkce peniciliacutenu v Roztokaacutech u Prahy 1966 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu antibiotik a transformaciacute (již neexistuje)

wwwbiotrincz wwwgate2biotechcz

AV ČR Univerzity Vyacutezkumneacute uacutestavy Šlechtitelskeacute stanice

kaacutemen mudrců elixiacuter mlaacutediacute přeměna hmoty

glukosa + kvasinky etanol + oxid uhličityacute přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces carlsbergensis

Biotechnologie v ČR

18 prosince 2008 bylo založeno sdruženiacute CzechBio - asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR zspo 1 asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR spojuje třicet soukromyacutech biotechnologickyacutech společnostiacute a akademickyacutech uacutestavů podpora spolupraacutece komerčniacute sfeacutery s vědeckou httpwwwczechbioorgcs

projekt Algatech ndash Centrum řasovyacutech biotechnologiiacute vyacutevoj novyacutech kultivačniacute zařiacutezeniacute a postupů na zpracovaacuteniacute řasoveacute biomasy pro vyacuterobu biopaliv krmiv potravniacutech doplňků a cennyacutech laacutetek Mikrobiologickyacute uacutestav Akademie věd ČR Třeboň

Centrum regionu Hanaacute pro biotechnologickyacute a zemědělskyacute vyacutezkum

UPOL + VUacuteRV + UacuteEB AV ČR - vytvaacuteřeniacute zemědělskyacutech plodin s vyššiacutemi vyacutenosy toleranciacute vůči nepřiacuteznivyacutem vlivům vnějšiacuteho prostřediacute

- transformace rostlin ječmene a dalšiacutech obilnin

wwwcr-hanaeu

Biotechnologie v ČR

wwwalgaczcscs-algatechhtml

Českaacute technologickaacute platforma rostlinnyacutech biotechnologiiacute ndash rozvoj biotechnologiiacute v ČR = Rostliny pro budoucnost (ČTP RB) - nepotravinaacuteřskeacute využitiacute rostlin vedlejšiacutech produktů odpadů - vyacutevoj novyacutech odrůd kulturniacutech rostlin - uplatněniacute rostlinnyacutech biotechnologiiacute v raacutemci životniacuteho prostřediacute

httpwwwczechinvestorgceska-technologicka-platforma -rostlinnych-biotechnologii

selekce - vyacuteběr nejlepšiacutech rostlin křiacuteženiacute GMO

Přiacuteklad šlechtěniacute - novyacute typ ryacuteže - maleacute vzpřiacutemeneacute listoveacute čepele - hodně odnožiacute - žaacutedneacute neproduktivniacute odnože - silneacute steacuteblo - C3 ryacuteže na C4 ryacuteže

Rostlinneacute biotechnologie Co pěstujeme na poliacutech v zahradaacutech a v sadech a co naacutesledně jiacuteme prošlo za několik tisiacuteciletiacute proměnou Prvniacute změna - předkoveacute opustili životniacute styl lovců a sběračů a stali se pěstiteli zemědělskyacutech plodina a chovateli hospodaacuteřskyacutech zviacuteřat

zlataacute ryacuteže geny z 5 různyacutech druhů

- Phaseolus vulgaris pro ferritin - Aspergilus fumigatus - ferritin - ryacuteže Basmati - ferritin - Narcissus pseudonarcissus synteacuteza karotenu - Erwinia uredovora - synteacuteza karotenu

bdquozlataacute ryacuteželdquo tvořiacute zvyacutešeneacute množstviacute provitaminu A zabraacuteniacute hladu zachraacuteniacute zrak vznikla na požadavek humanitaacuterniacute organizace bdquoHumanitarien Rice Boardldquo kteraacute se snažiacute řešit probleacutemy s nedostatkem potravy v nejchudšiacutech čaacutestech našiacute planety

švyacutecarskyacute genetik Ingo Portykus a německyacute genetik Peter Bayer

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute

ekologickaacute udržitelnost kvantita a kvalita zaacutekladniacutech zdrojů zemědělstviacute ekonomickaacute udržitelnost zemědělskaacute produkce (uacuteroda na ha) a zisk cena za produkty sociaacutelniacute (společenskaacute) udržitelnost kvalita života zemědělců vysokaacute kvalita potravin bez rizika na zdraviacute a prostřediacute

Co je udržitelneacute zemědělstviacute Mohou biotechnologie pomaacutehat

snižovaacuteniacute kvality zaacutekladniacutech zdrojů vyčerpaacuteniacute zaacutekladniacutech zdrojů

Vyhliacutedky na budoucnost

naacuterůst počtu obyvatel

zvyacutešeniacute životniacuteho standardu

pokles plochy orneacute půdy

pokles pracovniacuteků v zemědělstviacute

naacuterůst cen potravin

Naacuterůst zemědělskeacute produkce s využitiacutem biotechnologiiacute

šlechtěniacute (rezistence k chorobaacutem)

noveacute plodiny

nutričniacute kvalita plodin

ochrana rostlin

bezpečnost produktů

hybnou silou biotechnologiiacute je naacuterůst obyvatel Kolik lidiacute by mělo žiacutet na planetě Zemi

Rostlinneacute biotechnologie

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute mutace s naacuteslednou selekciacute odchylek noveacute techniky EK ciacutelenyacute přenos genů

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

prvniacute zemědělci

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) BT prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute MUTACE s naacuteslednou selekciacute odchylek - odrůda ječmene bdquoDIAMANTldquo

noveacute TECHNIKY EK VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

ciacutelenyacute přenos genů GMO

CO BUDE DAacuteL zvyšovat vyacutenosy BUDE VĚTŠINA PĚSTOVANYacuteCH ZEMĚDĚLSKYacuteCH PLODIN TRANSGENNIacute

vznik zemědělstviacute

1954

jsme moudřejšiacute

maacuteme většiacute možnosti

Počaacutetek EK 1902 Gottlieb Haberland segmenty listů 1904 Hannig zralaacute embrya

Potenciaacutel rostlinneacute buňky a podstata

explantaacutetovyacutech kultur rostlin

metody a jejich aplikace

ve šlechtěniacute rostlin

EK - historie

TOTIPOTENCE rostlinneacute buňky genetickeacute informace - jaacutedro plastidy mitochondrie

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

daacute se přeneacutest v raacutemci šlechtěniacute

blok totipotence

vyjaacutedřeniacute totipotence 1 dediferenciace buňky do buněčneacuteho cyklu a pokračovaacuteniacute v děleniacute 2 rediferenciace - tvorba organickyacutech struktur - přiacutemaacute regenerace tvorba kalusu - nepřiacutemaacute regenerace

vliv růstovyacutech regulaacutetorů

Rostlinneacute biotechnologie prvniacute generace - od explantaacutetovyacutech kultur po GMO

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute rostlin - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

Explantaacutet = aseptickaacute kultivace izolovanyacutech čaacutestiacute rostlin za umělyacutech podmiacutenek

EXPLANTAacuteTOVEacute KULTURY - VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

EK - historie

Metody EK využitelneacute v zemědělstviacute Meristeacutemoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Somatickaacute embryogeneze

Embryokultury

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze + buněčneacute inženyacuterstviacute

Genetickeacute manipulace

VITRIFIKACE (hyperhydricita) ndash vyjadřuje abnormality růstu in vitro skelnatyacute syndrom vyacutehonů křehkeacute mokryacute vzhled pryacutetů (vodou nasycenyacutech) průsvitnyacute sukulentniacute vzhled

metody zachovaacutevajiacuteciacute genotyp beze změn během kultivace metody zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu během kultivace

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK 1 rychleacute namnoženiacute

2 ozdravovaacuteniacute

3 překonaacuteniacute nekřiacutežitelnosti - embryokultury

4 dlouhodobeacute udržovaacuteniacute genetickyacutech zdrojů

5 indukce mutantů - ziacuteskaacuteniacute novyacutech genotypů

6 předselekce - urychleniacute šlechtitelskeacuteho cyklu

7 ziacuteskaacuteniacute novyacutech a udrženiacute genotypů s pylovou sterilitou

8 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho procesu

9 produkce haploidů

10 produkce polyploidů

11 rychlejšiacute ziacuteskaacuteniacute vyacutechoziacuteho šlechtitelskeacuteho materiaacutelu pro noveacute odrůdy

12 somatickaacute hybridizace - fuacuteze

13 konstrukce novyacutech genotypů kulturniacutech plodin přenos bdquoužitečnyacutech genůldquo

14 udržovaacuteniacute genofondu

15 selekce in vitro - rezistence k abiotickyacutem a biotickyacutem stresům

16 produkce sekundaacuterniacutech metabolitů

Plodina Technika

ječmen pšenice kukuřice

řepka paprika brukvovitaacute

zelenina mrkev

androgeneze

cibule gynogeneze

jahodniacutek česnek ozdravovaacuteniacute

brambor traacutevy polyploidizace in vitro

jeteloviny drobneacute ovoce

ovocneacute dřeviny podnože traacutevy mikropropagace

brambor řepka somatickaacute hybridizace

hraacutech brambor rezistence k chorobaacutem

traacutevy embryokultury

Kombinace metod embryokultury oplozeniacute in vitro fuacuteze protoplastů

plodiny se geneticky upravujiacute pro většiacute rezistenci k herbicidům - ničeniacute plevele bez poškozeniacute uacuterody GM rajčata potlačujiacute gen pro polygalakturonaacutezu enzym degradujiacuteciacute pektin způsobujiacuteciacute měknutiacute pletiv (Deacon a kol 2002)

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK

Meristeacutemoveacute kultury

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny meristeacutemoveacute kultury

Vyacutehody maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky naacuteslednaacute mikropropagace ozdraveneacuteho materiaacutelu bdquovirus - freeldquo

Vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana Iniciace kultury Testovaacuteniacute in vitro Přenos do nesterilniacutech podmiacutenek Testovaacuteniacute

MERISTEacuteM ndash děliveacute nediferencovaneacute pletivo ozdravovaacuteniacute rostlin (02 - 05 mm) meristeacutemy

OZDRAVOVAacuteNIacute Termoterapie (vyššiacute teplota)

Meristeacutemovaacute kultura Chemoterapie (antivirotika)

viry - nebuněčneacute mikroorganismy virovaacute čaacutestice = virion sklaacutedaacute se z RNA nebo DNA a kapsidu

fytopatologie in vitro

ribavirin

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny

Vyacuteznamneacute viroveacute choroby rostlin v ČR od 30 ztraacutet CaMV - 1968 PVY 30 -70 VMCH (virus mozaiky chmele) až o 70 mozaika česneku 25 - 50 žloutenka cibule až 100 bronzovitost rajčat

- žloutnutiacute listů kroužky a čaacutery na listech nevyvinuteacute rostliny abnormaacutelniacute růst - vstupujiacute různyacutemi poraněniacutemi - šiacuteřiacute se plasmodesmaty - velmi odolneacute proti inaktivaci - přenaacutešeny semeny hliacutezami pylem roubovaacuteniacutem hmyzem houbami červy

1952 Morel a Martin u jiřin

Využitiacute metody jahodniacutek česnek zeleniny květiny okrasneacute dřeviny ovocneacute dřeviny banaacutenovniacutek hellip

Tvorba bezviroacutezniacutech rostlin

1 meristeacutem = 1 rostlina testovaacuteniacute

wwwoselczindexphpclanek=2819

viroacutezniacute x zdravaacute

M Navraacutetil KBBPřFUPOL

PVY

In vitro klonovaacuteniacute mikropropagace meristeacutemoveacute kultury

zisk geneticky identickeacute rostliny vegetativniacutem množeniacutem

VYacuteHODY

maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny ktereacute jsou geneticky stabilniacute

v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky

vyššiacute množitelskyacute koeficient - potenciaacutelniacute hodnota zisku rostlin

Postup - vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana - iniciace kultury - mikropropagace - přenos do nesterilniacutech podmiacutenek

KLON - kolekce geneticky identickyacutech individuiacute původem z jedineacuteho rodiče

komerčně od 1960

httpwwwjanholubcz

In vitro meristeacutemoveacute kultury - využitiacute - zaacutechrana a množeniacute ohroženyacutech druhů kaktusy

- zaacutechranneacute množeniacute cennyacutech genotypů a liniiacute sterilniacutech rostlin - udrženiacute rodičovskyacutech komponent pro tvorbu hybridniacutech odrůd

- množeniacute transgenniacutech rostlin

- zachyceniacute a klonovaacuteniacute nově nalezenyacutech mutantů při šlechtěniacute

- klonovaacuteniacute nejlepšiacutech jedinců pro produkci elitniacuteho osiva

- vegetativniacute množeniacute okrasnyacutech rostlin karafiaacutet gerbera anthurie orchideje

sanpaulie kapradiny hellip

- množeniacute drobneacuteho ovoce jahodniacutek maliniacutek reacuteva

- množeniacute dřevin podnože pro školkařstviacute lesniacute dřeviny tropickeacute dřeviny

- v zelinaacuteřstviacute množeniacute brambor zeliacute

- množeniacute pouze samičiacutech rostlin datlovaacute palma

- kryoprezervace (-196 oC) jahodniacutek maliniacutek hraacutech brambor karafiaacutet

Genoveacute

banky

Mikropropagace multiplikace klonovaacuteniacute nejen z meristeacutemů

Solanum tuberosum Cucumis sativus Olea europea Eucalyptus grandis Salix sp Syringa sp Juglans regia

Schopnost regenerace tvorba identickyacutech rostlin = přiacutemaacute somatickaacute embryogeneze

Meristeacutemy Pryacutetoveacute segmenty Kalusy Embrya

Zdroje odchylek bull vysokeacute daacutevky růstovyacutech regulaacutetorů typ regulaacutetoru bull rostliny regenerujiacute z basaacutelniacuteho kalusu (možnost gen změn)

Kalusoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Primaacuterniacute explantaacutet kalus meristemoid orgaacutenoveacute primordium

Kalus = masa děliacuteciacutech se a rostouciacutech buněk

nejsou uniformniacute mohou se lišit velikostiacute tvarem pigmentaciacute metabolismem nebo počtem chromosomů

bull za určityacutech podmiacutenek regenerace pryacutetů a kořiacutenků

tma x světlo

subkultivace

metoda geneticky nestabilniacute

Kalusoveacute kultury - somaklonaacutelniacute variabilita ndash MUTACE a zisk novyacutech znaků

- mikropropagace ndash cibule žen-šen hellip

- vyacutechoziacute materiaacutel pro suspenzniacute a protoplastovou kulturu

- materiaacutel pro indukovaneacute mutace (zaacuteřeniacute chemomutageny)

- sekundaacuterniacute metabolity (alkaloidy AMK saponiny oleje složky vůniacute protinaacutedoroveacute laacutetky steroidy )

polyploidie aneuploidie

Selekce mutantů se zlepšenou nutričniacute hodnotou (viacutece biacutelkovin v zrnu)

Rezistence vůči zasoleniacute (vysokyacute turgor v buňkaacutech akumulace NaCl ve vakuolaacutech)

Rezistence vůči chorobaacutem (synteacuteza fytotoxinů fytoalexinů)

Sekundaacuterniacute metabolity (= chemickeacute individuality v rostlinaacutech ndash barviva vůně chuti obrana)

Artemisia annua - artemisin (antimalarika) Capsicum sp - capsaicin (protinaacutedoroveacute)

Digitalis lanata - digoxin (srdečniacute stimulanty) Papaver somniferum - codein (sedativa)

Taxus breviola - taxol (protinaacutedoroveacute) Vanilla planifolia - vaniliacuten (aroma)

Panax ginseng - (imunitniacute systeacutem) Zingiber officinale ndash gingerol (antioxidant)

Somatickaacute embryogeneze a suspenzniacute kultury

Využitiacute

umělaacute semena (enkapsulace somatickyacutech embryiacute)

využitiacute somatickeacute variability

klonoveacute množeniacute

sekundaacuterniacute metabolismus (suspenze)

kryoprezervace

Buněčnaacute suspenze = převedeme kalus do tekuteacuteho meacutedia

a provzdušňujeme (kontakt buněk a shluků buněk s meacutediem)

vznikaacute bipolaacuterniacute struktura obsahujiacuteciacute kořen a pryacutet

auxin (24-D)

umělaacute semena

Mutace RADIOMUTANT PROSPĚCH NEBO ZAacuteLUDNOST

SPONTAacuteNNIacute MUTACE využiacutevaacute člověk při šlechtěniacute odrůd spur typy (kompakt typy) jabloniacute absence trnů u ostružiniacuteku variabilita květenstviacute jiřinky proměnliveacute vznik plemen domaacuteciacutech zviacuteřat je založen na podchyceniacute spontaacutenniacutech mutaciacute ndash plemena psů

INDUKOVANEacute MUTACE působeniacute mutagenů

zaacuteměrneacute ndash ve vyacutezkumu ve šlechtěniacute rostlin (př odrůdy ječmene DIAMANT (zkraacuteceniacute steacutebel ndash nepoleacutehaacute) kompaktniacute růst a samosprašnost třešně změna barvy slupky u jabloně ndash sbquoredlsquo mutace)

nezaacuteměrneacute ndash důsledek použitiacute jadernyacutech a chemickyacutech zbraniacute ndash Yperit jaderneacute a jineacute katastrofy

1950 radiomutace chemomutace 1965 ječmen Diamant

Suspenzniacute kultury - SK KULTURA V TEKUTEacuteM MEacuteDIU ROSTE A DĚLIacute SE NĚKOLIKANAacuteSOBNĚ RYCHLEJI NEŽ KULTURA

NA PEVNEacuteM MEacuteDIU Využitiacute jako experimentaacutelniacute model produkce sekundaacuterniacutech metabolitů indukce somaklonaacutelniacute variability a naacutesledneacute selekce mikropropagace (pod kontrolou genetickeacute stability) pohyb kultury v bioreaktoru maacute za naacutesledek potlačeniacute apikaacutelniacute dominance tiacutem se stimuluje růst mnohonaacutesobnyacutech pryacutetů

Bioreaktory firmy VitroSys Inc Korea

ideaacutelniacute SK ndash rychlyacute růst karyologickaacute stabilita životnost buněk rentabilita

Minimaacutelně 103 ml buněk 110 suspenze v exponenciaacutelniacute faacutezi se doplniacute čerstvyacutem meacutediem Koncentrace sacharidů prodlužuje periodu růstu

Velkokapacitniacute kultivace rostlinnyacutech buněk v tekutyacutech meacutediiacutech sterilniacute prostřediacute obsahujiacuteciacute živiny a laacutetky potřebneacute pro růst a jeho regulaci vhodneacute pro kultivaci rostlinnyacutech mikrobiaacutelniacutech a živočišnyacutech buněk

Bioreaktor

Bioreaktory s tekutyacutem meacutediem explantaacutety jsou ponořeny v tekuteacutem meacutediu Bioreaktory s pravidelnyacutem zaplavovaacuteniacutem (temporary immersion bioreactor TIB) explantaacutety jsou pravidelně zaplavovaacuteny

Bioreaktor

httpwwwuebcasczcscontentzensenove-spagety

pěstujiacute se jen kořeny - zisk GINSENOSIDŮ za 3 měsiacutece v laboratoři stejnyacute zisk jako z rostlin ženšenu v přiacuterodě za 8 let obsah GINSENOSIDŮ je srovnatelnyacute s planě rostouciacutemi rostlinami množstviacutem i vzaacutejemnyacutem poměrem jednotlivyacutech laacutetek

v Koreji od r 2004

hairy-root systeacutem a sekundaacuterniacute metabolity

Sekundaacuterniacute metabolity - SM ROSTLINA BUNĚČNAacute KULTURA

EXTRAKT prověřovaacuteniacute oddělovaacuteniacute čištěniacute aktivniacute složky testovaacuteniacuteprověřovaacuteniacute

ČISTAacute BIOAKTIVNIacute LAacuteTKA

SM z buněčneacute kultury - extrakty ziacuteskaneacute za reprodukovatelnyacutech podmiacutenek spolehliveacute zdroje meacutedium - množstviacute čisteacuteho produktu

buňky rostou v tekuteacutem meacutediu -ne celaacute rostlina

produkt rostlina in vitro ()

rostlina ()

poměr

ginsenoside Panax ginseng 27 45 6 x

rosmarinic acid Coleus blumei 27 3 9 x

caffeic acid Vanilla planifolia 002 0005 4 x

shikonin Lithospermum erythrorhizon

20 15 135 x

ubiquinon-10 Nicotiana tabacum 0036 0003 12 x Heldman et al 2011

anti

oxy

dan

ty v sušině

bioreaktory

Sekundaacuterniacute metabolity - SM Rostlina Uacutečinnaacute laacutetka Uacutečinek

Artemisia annua pelyněk ročniacute artemisinin antimalarikum

Digitalis lanata naacuteprstniacutek vlnatyacute digoxin srdečniacute stimulants

Dubosia myoporoides lilkoviteacute atropin

scopolamin

očniacute přiacutepravky mořskaacute nemoc

Lithospermum

erythrorhizon

kamejka

rudokořennaacute

shikonin protinaacutedoroveacute

Panax ginseng ženšen pravyacute stimulant imunitniacuteho systeacutemu

Salix alba vrba biacutelaacute salicin antirevmatikum proti horečce

Taxus brevifolia tis

zaacutepadoamerickyacute

baccatin taxol protinaacutedoroveacute

Vinca rosea barviacutenek růžovyacute vinblastin

vinkristin

protinaacutedoroveacute alkaloidy

leukeacutemie

buněčnaacute kultura

Rostlina Extrakt Uacutečinek

Linum usitatissimum len setyacute olej

Mentha piperita maacuteta peprnaacute maacutetovyacute olej -

mentol

žaludečniacute potiacuteže

Mentha spicata maacuteta klasnataacute mentol žaludečniacute potiacuteže

Zingiber officinale zaacutezvor leacutekařskyacute gingerol antioxidant

informace z tradičniacute lidoveacute mediciacuteny - použitiacute extraktů a purifikace zdroje z nedotčeneacuteho ekosysteacutemu

kalusovaacute kultura buněčnaacute suspenze orgaacutenovaacute kultura - Artemisia Mentha - pryacutety

rostliny jsou vyacuterobci sekundaacuterniacutech metabolitů

cytostatikum

Sekundaacuterniacute metabolity - SM

Heldman et al 2011

VYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY

nezaacutevisleacute na geografickyacutech podmiacutenkaacutech

nezaacutevisleacute na sezoacutenniacutech podmiacutenkaacutech

v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

v přiacuterodě kontrolovaacuteno množstviacute in vitro ne

nepřetržitaacute dodaacutevka produktu

uniformniacute kvalita produktu

uniformniacute vyacutetěžnost produktu (průběžně)

vyacuteběr vhodneacute linie s vyššiacute produkciacute produktu

možnost tvorby novyacutech laacutetek nenormaacutelniacutech u donora

NEVYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY staacutele se vyviacutejejiacuteciacute

překaacutežky - pomalyacute růst

genetickaacute nestabilita

různorodost

niacutezkyacute obsah metabolitu

produkty vylučovaacuteniacute provozniacute - světelneacute podmiacutenky aseptickeacute podmiacutenky

STRATEGIE TVORBY SM vyacuteběr donorovyacutech rostlin - biochemickeacute testy

iniciace kalusů

vyacuteběr buněčneacute linie - rychle rostouciacute vysokaacute produkce

ciacutelenyacute metabolismus - kultivačniacute meacutedium (složeniacute koncentrace proporcionalita)

kultivačniacute podmiacutenky (teplota světlo pH) zvlaacuteštniacute požadavky (prekurzor simulace stresu - napadeniacute patogenem)

uvolněniacute do meacutedia

Embryokultury

Embryokultury = kultivace zralyacutech nebo nezralyacutech embryiacute in vitro

1904 Hannig - embrya u ředkve

1925 Laibach - aplikace v mezidruhoveacutem křiacuteženiacute r Linum sp

1945 Randolph - zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu u r Iris sp

1970 Kasha Kao - ziacuteskaacuteniacute haplodů u ječmene

Hordeum vulgare (zůstaacutevaacute) x Hordeum bulbosum (eliminace chromozoacutemů)

Zygotickaacute embrya vyacuteživa z endospermu (heterotrofniacute)

Embrya in vitro vyacuteživa z kultivačniacuteho meacutedia

In vitro oplodněniacute u člověka - 1978 pro neplodneacute paacutery

geneticky stabilniacute metoda

Embryokultury- in vitro

I Kultura semennyacutech embryiacute tj izolace plně vyvinutyacutech

bipolaacuterniacutech struktur obsahujiacuteciacutech kořenovyacute a stonkovyacute systeacutem

II Kultura proembryiacute tj izolace nezralyacutech zaacuterodků předchaacutezejiacuteciacutech

diferenciaci děloh

Embryogeneze zygotickeacuteho embrya (in vivo)

zygota (přiacuteprava na 1 děleniacute)

faacuteze pomaleacuteho vyacutevinu embrya po oplozeniacute

faacuteze rychleacuteho vyacutevinu růstu a diferenciace embrya

faacuteze dozraacutevaacuteniacute embrya

faacuteze přechodu embrya do dormance (ABA)

Embryokultury

1 překonaacuteniacute barieacuter vzdaacuteleneacuteho křiacuteženiacute (abortace hybridniacutech embryiacute sterility semen)

2 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu (viacutece generaciacute za rok)

3 řešeniacute jarovizačniacuteho staacutedia

4 primaacuterniacute explantaacutet pro dalšiacute kultury

5 eliminace inhibice kliacutečeniacute

6 studium mineraacutelniacute vyacuteživy

7 umělaacute semena

8 studium metabolickyacutech vztahů mezi embryem a endospermem embryem a dělohami

9 ziacuteskaacuteniacute haploidniacutech rostlin

Opylovaacuteniacute in vitro

Opylovaacuteniacute in situ

in vitro

Inkompatibilita rostlin

zaručuje stabilitu druhu

Barieacutery procesu opyleniacute a oplozeniacute

vnějšiacute (teplota vlhkost nedostatečnaacute vyacuteživa )

vnitřniacute (inkompatibilita samčiacute nebo samičiacute sterilita)

využitiacute v raacutemci šlechtěniacute rostlin k překonaacuteniacute prezygotickyacutech barieacuter vznik mezidruhovyacutech mezirodovyacutech hybridů

Barieacutery Technika překonaacuteniacute

Před oplodněniacutem selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute blizny pestiacuteku pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

rezistence vůči abiotickeacutemu stresu rezistence vůči škůdcům vyššiacute vyacutenos

přenos z jineacuteho druhu

EK využitiacute ve šlechtěniacute

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury HAPLOID rostlina s n počtem chromozomů menšiacute sterilniacute

1963 T Yamada a kol Tradescantia reflexa (haploidy)

1964 - 1966 S Guha SC Maheswari Datura diploidizace kolchicinem

1969 JP Nitsch a kol celeacute rostliny (tabaacutek)

1973 JP Nitsch Norrel mikrosporoveacute kultury

2000 šlechtitelskeacute programy polniacutech plodin (obiloviny řepka)

využiacutevajiacute haploidniacute kultury in vitro

Androgeneze prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Androgeneze - kultivace prašniacuteků pyl zrn mikrospor = samčiacute genotyp

Gynogeneze - kultivace neoplodněnyacutech vajiacuteček = samičiacute genotyp

Haploidie - spontaacutenniacute = haploidniacute partenogeneze (gynogeneze androgeneze) frekvence 10-6

- experimentaacutelniacute indukovanaacute

fyzikaacutelniacute faktory = UV γ-zaacuteřeniacute X-paprsky teplotniacute šoky

zaacutesahy do procesů opyleniacute a oplozeniacute (inaktivniacute pyl)

explantaacutetoveacute metody = prašniacutekoveacute a pyloveacute kultury kultivace semeniacuteků a vajiacuteček

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury Ontogeneze pylu

In vivo mikrosporogeneze

pylovaacute mateřskaacute buňka

meiosa

pyloveacute tetraacutedy

vyacutevoj mikrospory (1 pyl mitoacuteza)

In vitro vyacutevoj embryoidu

(vegetativniacute generativniacute buňka)

- přiacutemaacute embryogeneze

- nepřiacutemaacute embryogeneze

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

využitiacute haploidů (majiacute jen jednu sadu chromosomů)

segregace vloh na gametickeacute uacuterovni ndash homozygoacutetniacute stav (čisteacute linie v F2 generaci)

detekce recesivniacutech mutaciacute (fenotypickyacute projev)

trpasličiacute varieta ndash u okrasnyacutech rostlin

Dihaploidizace

n rostliny - sterilniacute

104 ndash 105 mikrospoacuterml meacutedia

Brassica sp

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Prašniacutekoveacute kultury

viacutece než 200 druhů (řepka ryacuteže kukuřice obiloviny)

20-60 dnů

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

vyacutevoj globulaacuterniacuteho embrya a naacutesledně haploidniacute rostliny přiacutemo z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory

z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory vznikaacute kalus rarr indukce organogeneze

TYPY ANDROGENEZE

vzaacutecně

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Solanaceae

Brassicaceae

Poaceae

prašniacuteky

Androgeneze

Indukovanaacute androgeneze ndash přiacuteklady

Beta vulgaris - homozygotniacute linie

Brassica napus - novaacute odrůda linie

Hordeum vulgare

Lycopersicon - novaacute odrůda

Nicotiana - noveacute odrůdy

Oryza - noveacute odrůdy

Pelargonium - trpasličiacute variety

Triticum ndash cv Florin Huapei

Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby Praha Vyacutezkumnyacute uacutestav obilnaacuteřskyacute Kroměřiacutež Vyacutezkumnyacute uacutestav olejnin Oseva

Gynogeneze kultury izolovanyacutech vajiacuteček

kultury izolovanyacutech semeniacuteků

kultury izolovanyacutech květenstviacute in vitro

haploidniacute rostliny

spontaacutenniacute dihaploidniacute rostliny

ječmen kukuřice moruše

slunečnice cibule

kultivace vajiacuteček Beta vulgaris Tomaszewska-Sowa 2010

327 haploids 458 diploids and 215 ndash mixoploids

x opyleniacute ozaacuteřenyacutem pylem

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

Polyploidizace in vitro

duplikace celeacuteho genomu až 70 všech krytosemennyacutech rostlin je polyploidniacutech (Masterson 1994) POLYPLOID metabolicky aktivnějšiacute a rozměrnějšiacute plodiny ktereacute jsou vhodneacute pro pěstovaacuteniacute a leacutepe se vyrovnaacutevajiacute se stresovyacutemi podmiacutenkami

kolchicin

oryzalin

trifluralin

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze protoplastů

1892 Klecker - 1 mechanickaacute izolace protoplastů Stratiotes aloides (řezan pilolistyacute) 1960 EC Cocking 1 enzymatickaacute izolace protoplastů Nicotiana sp 1978 G Melchers a kol 1 mezirodovyacute hybrid bdquopomatoldquo bdquotopatoldquo Solanum tuberosum x S lycopersicum (Lycopersicum esculentum)

httptheplanetfixerorg387new-vegetable-created-the-tomato-potato-plant

Protoplastoveacute kultury

= kultivace rostlinnyacutech buněk zbavenyacutech buněčneacute stěny

Protoplast = rostlinnaacute buňka bez buněčneacute stěny jejiacute povrch tvořiacute cytoplazmatickaacute membraacutena maacute kulovityacute tvar

Protoplastoveacute kultury - regenerace

Faktory ovlivňujiacuteciacute kultivaci a regeneraci

Hustota ( počet protoplastů v 1 ml)

Životnost ()

Podmiacutenky kultivace a meacutedium

bull Studium synteacutezy buněčneacute stěny vyacutevoj buňky fyziologie buňky a cytogenetiku

bull Studium hodnoceniacute uacutečinků farmak potravinovyacutech doplňků agrochemickyacutech laacutetek na rostlinnou

buňku

bull Studium transportu iontů a laacutetek přes cytoplasmatickou membraacutenu

bull Somatickaacute hybridizace (fuacuteze protoplastů)

bull Inkorporace exogenniacuteho genetickeacuteho materiaacutelu ndash organel cybridizace

bull Genoveacute transformace (cizorodaacute DNA z bakteriaacutelniacuteho plasmidu)

Protoplastoveacute kultury - fuacuteze

Využitiacute

kombinace znaků odlišnyacutech druhů a rodů ktereacute by nevznikly přirozenou cestou

jedinečneacute kombinace jadernyacutech a organelovyacutech genomů vytvaacuteřiacute noveacute genetickeacute zdroje

často jen - čaacutest chromozomů asymetrickeacute jaderneacute hybridy

chloroplasty

mitochondrie

chemickeacute fuacuteze - pomalejšiacute elektrofuacuteze - fuacutezanti po 10 min vyššiacute frekvence fuacutezantů

cytoplazmickeacute hybridy - cybridy

Charakterizace hybridů - morfologicky cytologicky molekulaacuterniacute analyacutezy

Přirozenaacute mezidruhovaacute hybridizace - vznik některyacutech kulturniacutech plodin

B oleracea + B campestris = Brassica napus Nicotiana sylvestris + N tomentosa = Nicotiana tabacum

cybridy nelze ziacuteskat klasickou hybridizaciacute (křiacuteženiacutem) ndash samčiacute pohlavniacute buňky (pyl zrna) nemajiacute plastidy a mitochondrie

V přiacuterodě blesky do půdy modifikace bakteriiacute

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

Přenos jaderneacute a cytoplazmatickeacute genetickeacute informace mezi rostlinnyacutemi druhy rody

- překonaacuteniacute sexuaacutelniacute inkompatibility

- přenos genů rezistence vůči virovyacutem houbovyacutem chorobaacutem

- přenos cytoplazmatickeacute samčiacute sterility

- přenos rezistence vůči stresům (teplotniacutem zasoleniacute)

- přenos rezistence vůči hmyziacutem škůdcům

(synteacuteza fytoalexinů)

- přenos genů pro synteacutezu zaacutesobniacutech proteinů vitamiacutenů

alkaloidů

plnokvětost

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

využitiacute pro fytoremediace

Brassica juncea Tlaspi caerulescens brukev siacutetinovitaacute peniacutezek modravyacute akumulace Pb akumulace Zn a Ni hybrid se zvyacutešenou rezistenciacute k Pb Zn a Ni rychlyacute naacuterůst

biomasy

Brassica napus Thlaspi caerulescens hybridi rostly na vysokeacutem obsahu Zn

Fuacuteze protoplastů rodu Brassica s planyacutemi druhy

Armoracia rusticana

Barbarea vulgaris

Camelina sativa

Capsella bursa pastoris

Diplotaxis catholica

Diplotaxis muralis

Diplotaxis harra

Eruca sativa

Lesquerella fendleri

Mathiola incana

Moricandia arvensis C4

Moricandia nitens C4

Raphanus sativus

Sinapis alba

Sinapis arvensis

Thlaspi perfoliatum

Thlaspi caerulescens

Genoveacute banky In vitro genoveacute banky

2397 vzorků 1249 odrůd Solanum tuberosum 450 teraploidniacutech křiacuteženců S tuberosum 266 dihaploidů 119 mezidruhovyacutech hybridů rodu Solanum 313 genotypů kulturniacutech genotypů 23 planyacutech druhů

Havliacutečkův Brod

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu rostlin

1 Uchovaacutevaacuteniacute semen ndash semenneacute banky (od 1 roku - hellip)

2 Uchovaacutevaacuteniacute vegetativniacutech orgaacutenů ndash hliacutezy cibule řiacutezky

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro Kraacutetkodobeacute - aktivně rostouciacute kultury (pravidelneacute pasaacuteže) - uchovaacuteniacute kultur v minimaacutelniacutem růstu nižšiacute teploty kultivace

Dlouhodobeacute u rostlin kde nejsou semena

- za velmi niacutezkyacutech teplot (-196oC) = kryobanka

Databaacuteze ndash přiacutestupneacute z celeacuteho světa

Špicberky

genobanka - wwwvurvcz part databases EVIGEZ

vyacuteznam v mediciacuteně

Zaacuteložniacute fond semena potravinaacuteřskyacutech plodin z celeacuteho světa

stane se zaacuteložniacutem fondem pro ostatniacutech 1400

semennyacutech bank po celeacutem světě

v Iraacuteku a v Afghaacutenistaacutenu byla podobnaacute zařiacutezeniacute za

vaacutelky zcela zničena

na Filipiacutenaacutech je v roce 2006 poškodila povodeň

semennaacute banka pro světoveacute plodiny je umiacutestěna v hoře

maacute vyztuženeacute stěny betonem a železem

třiacute komory o velikosti 27 kraacutet 10 metrů

teplota minus 18 oC (konzervace po stovky až tisiacutece let) httpwwwnorambczarkivBasisartikler---OversettelserIkke-

bruktnovinkyseedvault_eng

k 1172010 zde bylo uloženo 716 523 vzorků semen patřiacuteciacutech ke 4 205 druhům

českaacute banka uloženaacute v Praze-Ruzyni zaacuteloha na Slovensku

Špicberky

Uchovaacutevaacuteniacute genofonduv ČR

genofond odrůd meruněk broskvoniacute mandloniacute reacutevy vinneacute kdouloniacute lonicer rakytniacuteků a dřiacutenů

2400 položek

25 000 položek

5400 položek 2397

položek

4700 položek

2000 položek

2300 položek

Naacuterodniacute informačniacute systeacutem genetickyacutech zdrojů EVIGEZ httpwwwgenbankvurvczgeneticresources

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro

KRYOBANKA

prašniacuteky a pyl pletiva a orgaacuteny meristeacutemy

kalus

suspennzniacute somatickaacute kultury embrya

dlouhodobeacute skladovaacuteniacute

nižšiacute naacuteroky na uchovaacuteniacute

mezinaacuterodniacute vyacuteměna

nižšiacute podiacutel lidskeacute praacutece

potřeba menšiacuteho prostoru

uchovaacuteniacute genetickeacute stability

omezeniacute staacuternutiacute

ozdravenyacute materiaacutel

prodlouženeacute použitiacute pylu

uchovaacuteniacute vzaacutecnyacutech rostlin

apikaacutelniacute vrcholy

Biotechnologickaacute laboratoř Nestleacute - uchovaacutevaacute buněčneacute embryogenniacute linie kaacutevy kakaa a banaacutenů

Německaacute sbiacuterka mikroorganismů a buněčnyacutech kultur (DSMZ Braunschweig Německo) meristeacutemy 519 staryacutech kultivarů brambor ndash metoda mrazeniacute alginaacutetovyacutech perel

International Potato Centre (CIP Lima Peru) - 345 kultivarů brambor

INIBAP Leuven Belgie - 306 kultivarů banaacutenu (14 ze světoveacuteho počtu kultivarů)

Naacuterodniacute genobanka klonů NCGR USA - ročniacute naacuteklady

udržovaacuteniacute jedneacute položky v sadu (hrušně) 77 dolarů na skladovaacuteniacute in vitro 23 dolarů na kryoprezervaci 1 dolar (při počaacutetečniacute investici na kryometodu 50 dolarů za uchovaacutevanou jednotku)

Přiacuteklady komerčniacuteho využitiacute kryoprezervace meristeacutemů

Aplikace biotechnologiiacute ve šlechtěniacute rostlin

rostliny postraacutedajiacute schopnost aktivně se přesouvat z dosahu nepřiacuteznivyacutech vlivů rostliny vyvinuly adaptačniacute mechanismy pro překonaacuteniacute stresů a tiacutem přežitiacute v extreacutemniacutech podmiacutenkaacutech

Biotechnologie v zemědělstviacute ekologickeacute zemědělstviacute

VLIV ŠKŮDCŮ CHOROB A PLEVELŮ NA ZEMĚDĚLSKEacute PLODINY

1 sniacuteženiacute velikosti a vaacutehy zrna 2 ztraacuteta ve velikosti hliacutez a kořenů 3 zvyacutešeniacute obsahu vlhkosti 4 změny v chemickeacutem složeniacute zrna hliacutez a kořenů 5 odbarveniacute zrna a hliacutez - deformace 6 tvorba mykotoxinů patogeny 7 sniacuteženiacute kliacutečivosti 8 redukce krmiva

spotřeba vody - rezistence k suchu sniacutežiacute spotřebu uchovaacuteniacute vody rostlinou aplikace hnojiv chemickaacute kontrola škůdců

- studium abiotickeacuteho stresu

- zlepšeniacute ochrany rostlin vůči škůdcům

- ochrana životniacuteho prostřediacute

- zlepšeniacute kvality potravin

odstraněniacute hladu GMO fytoremediace

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

ohroženiacute klimatickyacutem suchem v ČR ndash nejrizikovějšiacute oblasti nižšiacute polohy na jižniacute a středniacute Moravě v prostoru mezi Prahou Uacutestiacutem nad Labem a Žatcem zaacutepadně od Pardubic

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

Rezistence k suchu - využitiacute vody

Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

vyacutevoj samčiacuteho gametofytu - spojen s expresiacute genů - 150 specifickyacutech genů spraacutevneacute načasovaacuteniacute

sporofyt gametofyt

2n 1n

rostlina pylovaacute zrnazaacuterodečnyacute vak

pohlavniacute rozmnožovaacuteniacute přiacuterodniacute vyacuteběr

pylzrna - exina (ovlivněna sporofytem) ochrana před UV laacutekaacuteniacute opylovačů - barva vůně komunikace s bliznou produkce alergenů

strategie rostlin zabraacuteněniacute samoopyleniacute

Biotechnologie v zemědělstviacute samčiacute gametofyt n TETRASPORE (TES) reg gen je vyžadovaacuten ke tvorbě přepaacutežek mezi produkty meioacutezy u mutanta všechna čtyři jaacutedra mikrospoacutery zůstaacutevajiacute ve stejneacute cytoplazmě polyploidniacute jedinci n GEMINI POLLEN 1 (GEM1) reg gen je vyžadovaacuten k orientaci mitotickeacuteho vřeteacutenka mutant tvořiacute dvě symetrickaacute jaacutedra typu vegetativniacuteho vede ke sterilitě n SIDECAR POLLEN (SCP) reg gen je vyžadovaacuten k děleniacute pylu prvniacute symetrickaacute pylovaacute mitoacuteza mutanta daacutevaacute dvě stejneacute buňky jedna extra- vegetativniacute (sterilniacute sidecar) a druhaacute regvegetativniacute a generativniacute mutace nevede ke sterilitě n QUARTET (QRT) reg gen je vyžadovaacuten k separaci pylovyacutech zrn u mutantů jsou stěny meiotickyacutech produktů pyloveacute mateřskeacute buňky fuacutezovaacuteny a zrna se uvolňujiacute v tetraacutedaacutech

samičiacute makrogametofyt n FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED (FIS) a FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) reg geny hrajiacute regulačniacute role ve vyacutevinu semene po oplozeniacute u mutantů se diploidniacute jaacutedra endospermu vyviacutejejiacute bez oplozeniacute pak atrofujiacute mutace neovlivňujiacute vaječnou buňku - procesy embryogeneze a vyacutevinu endospermu jsou odlišneacute n MEDEA (MEA) reg mutace genu způsobuje hypertrofii a zaacutenik embrya neniacute jasneacute na jakeacute uacuterovni se gen projevuje zaacuterodečnyacute vak endosperm nebo maternaacutelně imprintovanyacute embryonaacutelniacute gen

Biotechnologie ve šlechtěniacute rostlin Selektivniacute šlechtěniacute rostlin - přiacuterodniacute genetickeacute diverzity rostlin Techniky překonaacuteniacute barieacuter šlechtěniacute

Barieacutery Technika překonaacuteniacute Před oplodněniacutem

selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute pestiacuteku

pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony

pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro

selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů

odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute

abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry

sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

vyacutevoj semen

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

Škůdci v historii naacutelety sarančat (Staryacute zaacutekon)

ochrana saze tabaacutek

začaacutetek 19 stol - siacutera na houboveacute patogeny 1939 objev DDT uacutečinek na hmyz teorie bdquohmyz se může staacutet rezistentniacuteldquo 1948 Nobelova cena P Muumlller

50 leacuteta 20 st - herbicidy - postřiky na plevele ( rezistence na herbicid) 1972 zaacutekaz DDT (vyacutejimka - boj s malaacuteriiacute v Africe - naacutevrat DDT)

škůdce - hmyz hliacutestice 1861 - v Americe Iowa Nebraska 1880 1 pesticid v S Americe arzeacutenem bdquoParis greenldquo

S rostouciacute intenzitou pěstovaacuteniacute roste hospodaacuteřskyacute vyacuteznam škodlivyacutech organismů objem škod se zvyšuje staacutele přibyacutevajiacute noveacute druhy škodlivyacutech organismů zavaacutedějiacute se staacutele noveacute prostředky

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin - hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy

1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho

obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

ROS Reactive oxygen species reaktivniacute formy kysliacuteku SAR Systemic acquired resistance systeacutemově ziacuteskanaacute rezistence = neinfikovaneacute buňky začiacutenajiacute s přiacutepravou na atak patogena

napadeneacute rostliny uvolňujiacute signaacutelniacute molekuly (těkaveacute laacutetky - druhově specifickeacute) a varujiacute okolniacute rostliny ještě před napadeniacutem hmyzem

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin -hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy 1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

produkujiacute u různyacutech rostlin různě - sekundaacuterniacute metabolity - odstrašeniacute nebo zničeniacute patogena - proteiny inhibujiacuteciacute aktivitu zažiacutevaciacutech enzymů hmyzu - enzymy degradujiacuteciacute buněčnou stěnu hub (chitinaacutezy) - proteiny inhibujiacuteciacute překlad proteinů u škůdce - antiviroveacute složky degradujiacuteciacute virovou RNA blokujiacute vstup do buňky zastavujiacute replikaci

geny ktereacute bdquoSARldquo zapiacutenajiacute zvyšujiacute rezistenci rostliny

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům - již v čaacutesti fytotatologie

Co je plevel soutěžiacute s plodinou o živiny světlo a prostor intenziacutevně roste podiacuteliacute se na šiacuteřeniacute chorob a škůdců

lat herba - rostlina řeč cidoacute - ničiacutem

Vznik rezistence plevelů vůči některyacutem herbicidniacutem laacutetkaacutem = reakce plevelnyacutech druhů na podmiacutenky současneacuteho pěstovaacuteniacute rostlin = dlouhodobeacute působeniacute herbicidů

Vyacutevoj plevelů na zemědělskeacute půdě v naacutevaznosti na skladbu pěstovanyacutech plodin Vznik rezistence plevelů vůči herbicidům Problematika invaziacute a expanziacute plevelů

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům

Rezistenci vůči herbicidům způsobujiacute biochemickeacute fyziologickeacute změny nebo morfologickeacute odlišnosti ktereacute ovlivňujiacute přiacutejem herbicidů rostlinou

- degradujiacute herbicid

- měniacute jeho biochemickou funkci v rostlině

- pozměňujiacute miacutesto na ktereacute herbicid v rostlině působiacute

Rezistence rostlin vůči herbicidům dědičnaacute schopnost odolaacutevat takoveacute daacutevce herbicidů při ktereacute by za normaacutelniacutech okolnostiacute byla populace potlačena

směr pro šlechtěniacute

Aplikace rostlinnyacutech biotechnologiiacute v životniacutem

prostřediacute

takto nebo takto

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Těžba a zpracovaacuteniacute surovin(těžkeacute kovy- Cd Pb prach) Průmyslovaacute vyacuteroba (barviva)

Skladovaacuteniacute (haldy kaliště sklaacutedky) Zemědělstviacute (pesticidy herbicidy)

Domaacuteciacute odpad (leacutečiva detergenty praciacute prostředky)

čin

no

st č

lově

ka

půda voda ovzdušiacute

znečištěniacute

degradace organismy produkujiacuteciacute laacutetky (enzymy) pro

ciacutelenyacute rozklad

organismy snižujiacuteciacute toxicitu toxickeacute laacutetky metylaciacute dehalogenace hydroxylace hydrolyacuteza deaminacehellip

substraacutet je zdrojem C a energie

dekontaminace

+ katastrofy Černobyl vaacutelečneacute konflikty

remediace = navraacuteceniacute k původniacutemu stavu

Biodegradace všechny přirozeneacute procesy ktereacute jsou uskutečňovaacuteny bakteriemi a jinyacutemi mikroorganizmy nebo vyššiacutemi organismy ktereacute vedou k destrukci organickyacutech molekul = organickyacute substraacutet je přeměňovaacuten až na CO2 Bioremediace (bakterie houby)

spočiacutevaacute v akceleraci přirozenyacutech biodegradačniacutech procesů nebo v ciacuteleneacute biodegradace - vede k ozdraveniacute kontaminovaneacuteho prostřediacute - detoxifikace měniacute se na netoxickeacute = neškodneacute laacutetky - aplikaciacute mikroorganismů

Fytoremediace (rostliny) niacutezkaacute cena

využitiacute rostlin k odstraněniacute toxickeacute zaacutetěže (těžkeacute kovy) řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny Zooremediace (zviacuteřata)

zpracovaacuteniacute odpadů pomociacute zviacuteřat bezobratliacute - perlorodky měkkyacuteši

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

nevyacutehody pomalaacute viacutece než 2 roky maleacute rozměry vhodnyacutech rostlin maacutelo druhů vhodnyacutech rostlin neniacute 100 probleacutem s rostlinnyacutem odpadem - potřeba zvlaacuteštniacutech sklaacutedek spadeneacute listiacute

- řiacutezeneacute spalovaacuteniacute

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacute len slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

vyacutehody mineralizace organickyacutech sloučenin niacutezkeacute naacuteklady pasiacutevniacute metoda bez transportu kontaminovaneacute půdy energie ze slunečniacuteho zaacuteřeniacute nepoškozuje okoliacute - sniacuteženiacute prašnosti

estetickyacute přiacutenos etickyacute uacutečinek (veřejnosti přijatelnyacute)

2005 cca 450 rostlinnyacutech druhů - tzv bdquohyperakumulaacutetoryldquo 100 x vyššiacute akumulace než u ostatniacutech rostlin

teorie vzniku - obrana vůči hmyzu - hmyz preferuje

niacutezkeacute koncentrace kovu

Thlaspi careulescens

X bagrovaacuteniacute kontaminovaneacute zeminy transport zeminy dekontaminace

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute přiacutejem kořeny - z půdy přiacutejem nadzemniacute čaacutestiacute rostliny - vyacutefukoveacute plyny

akumuluje

degraduje

detoxifikuje

roste na kontaminovaneacute půdě

produkuje velkeacute množstviacute biomasy

tolerantniacute k salinitě a jinyacutem toxickyacutem podmiacutenkaacutem

poskytuje ekonomickeacute hodnoty - textilniacute vlaacutekna (len konopiacute)

GMO - gen fytovolatizace - bakteriaacutelniacute geny transformovaacuteny do rostlin transgeny merA a merB fytoextrakce - gen gsh1 a gsh2 z E coli do Brassica juncea

potenciaacutel je v GMO rostlinaacutech

Laboratoř rostlinnyacutech biotechnologiiacute Společnaacute laboratoř UacuteEB AV ČR vvi A VUacuteRV vvi Akademie věd Českeacute Republiky Mendelova univerzita v Brně Uacutestav experimentaacutelniacute botaniky AV ČR Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby v Praze Metoda použita na čištěniacute uranem a radiem znečištěneacute vody v Mydlovarech - kořenovaacute čistiacuterna

ideaacutelniacute rostlina

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

proces substraacutet ciacutel rostlina

fytoextrakce fytoakumulace

odstraněniacute toxickyacutech laacutetek z půdy a vody - akumulaciacute rychle rostouciacute rostlinou (zůstaacutevaacute v rostlině)

půda sedimenty kaly odpadniacute vody

toxickeacute kovy radionuklidy

Thlaspi sp Brassica sp

fytostabilizace ciacuteleneacute pěstovaacuteniacute tolerantniacutech druhů zamezeniacute eroziacute

půda haldy odkaliště těžkeacute kovy dlouheacute a bohateacute kořeny

fytovolatizace odstraněniacute Hg pomociacute genu koacutedujiacuteciacuteho reduktaacutezu Hg2+ na Hg0

a uvolněniacute do ovzdušiacute

půdy sedimenty odkaliště průmysloveacute a zemědělskeacute odpadniacute vody

kovy - Se Hg chlorovanaacute rozpouštědla

stromy traacutevy Brassica sp

fytodegradace degradace kontaminantů rostlinou na netoxickeacute laacutetky

půdy sedimenty odkaliště odpadniacute vody

ropneacute laacutetky pesticidy detergenty

stromy traacutevy

rhizofiltrace odstraněniacute pomociacute rostlinnyacutech kořenů

povrchoveacute vody odpadniacute vody

těžkeacute kovy - Co Cu Cr Mn Ni radionuklidy

Brassica sp Helianthus vodniacute rostliny hydroponie

superrostliny

niacutezkeacute naacuteklady

kořenovaacute čistička = umělyacute mokřad oddělenyacute od okoliacute nepropustnou foacuteliiacute využiacutevaacute samočisticiacutech procesů probiacutehajiacuteciacutech v propustneacutem půdniacutem prostřediacute za spoluuacutečasti rostlin čištěniacute odpadniacutech vod z domaacutecnostiacute sklaacutedek a některyacutech průmyslovyacutech provozů

Rhizofiltrace

httpwwwnemcoviceczcontentviewfull3607

rostliny s vysokyacutemi

naacuteroky na vyacuteživu

+

bakterie

může zapaacutechat

5x - 10 x nižšiacute naacuteklady

Člověk čistiacute odpadniacute vodu za pomoci zařiacutezeniacute

ale přiacuteroda to zvlaacutedaacute bez přiacutestrojů a mnohem levněji

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute niacutezkeacute naacuteklady

rostlina chemickaacute sloučenina

pšenice 24 -D MCPA jako zdroj uhliacuteku

kukuřice atrazin degradace atrazinu mikroorganismy rhizosfeacutery

fazole diazinon parathion mineralizace v rhizosfeacuteře

luštěniny nafta

Kučerovaacute et al 1999 Chemickeacute listy

přiacutejem - velikost kořenoveacuteho systeacutemu přiacutestupnost pro rostlinu např chelaacutety

transport rostlinou - apoplast (difuacuteziacute)

symplast (specifickeacute přenašeče)

miacutesto uskladněniacute hustota rostlin v porostu

zaacutevažnějšiacute ekologickyacute a toxikologickyacute vyacuteznam přibližně 16 prvků (Fe Mo Mn Zn NiCo Cu V W Cr Hg Pb Cd Sb Ag a U)

Budoucnost fytoremediaciacute niacutezkeacute naacuteklady

Fytoremediace v praxi

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Ural 1953 odstraněniacute těžkyacutech kovů

Amana Iowa hybridniacute topoly atrazin odstraněna čaacutest až 20

Beaverton Kreton

hybridniacute topoly

organickeacute laacutetky kovy

a amonneacute sloučeniny

celkoveacute vyčistěniacute oblasti

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Fukušima 113 2011 slunečnice radioaktivniacute cesium dekontaminace půdy

Černobyl 2641986 slunečnice jabloně

cesium stroncium dekontaminace půdy povrchoveacute vody

paacutes 30 km - likvidace radioaktivniacutech rostlin

nebudou spaacuteleny rozloženy a kompostovaacuteny - speciaacutelniacute bakterie

slunečnice spotřebovaacutevajiacute z půdy drasliacutek kteryacute patřiacute mezi alkalickeacute kovy stejně jako cesium drasliacutek neniacute v půdě přiacutetomen květiny využijiacute praacutevě druhyacute prvek - Cs

Biotechnologie v ŽP niacutezkeacute naacuteklady

fytomining - fytodobyacutevaacuteniacute fytodolovaacuteniacute

ziacuteskaacutevaacuteniacute kovů z rostlin kde klasickaacute těžba je nevyacutehodnaacute rostliny - bdquotěžaři vzaacutecnyacutech kovůldquo a polokovů AuTh Co U Cd Ni Cu Mn

v rostlinaacutech hyperakumulaacutetorech je akumulace prvku sušina rostliny jako -ldquobio-rudaldquo

vyacutehody

- obsah kovu v bdquobio-ruděldquo je vyššiacute než v běžneacute rudě

- meacuteně skladovatelneacuteho miacutesta

- zelenaacute technologie jako alternativa

fytomining Ni pomociacute Alyssum bertolonii

Robinson et al 1997 The nickel hyperaccumulator plant Alyssum bertolonii as a potential agent for phytoremediation and phytomining of

nickel Journal of Geochemical Exploration59(2)75-86

zlatonosneacute rostliny

zlataacute jablka

zlateacute kapradiacute

hledaacuteniacute nalezišť

technologie budoucnosti

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute bioplasty z biomasy (škroby tuky) nahrazujiacute fosilniacute zdroje vyacutehodou je biodegradace biopaliva rostlinnyacute materiaacutel a řasy bioethanol GMO rezistentniacute rostliny vůči postřikům hmyziacutem škůdcům transfer genů pro symbiotickou fixaci dusiacuteku z luštěnin do dalšiacutech plodin přenos genů z bdquoC4ldquo do bdquoC3ldquo rostlin pro dosaženiacute uacutečinnějšiacute fotosynteacutezy (ryacuteže)

Transgenoziacute se přenaacutešiacute přirozeneacute geny vznikleacute evoluciacute z jednoho organismu do druheacuteho kteryacute se s daacutercem genu obvykle

nemůže křiacutežit pouze dokaacuteže přenosy mezi vyacutevojově ještě vzdaacutelenějšiacutemi organismy

Geny použiacutevaneacute při transgenosi jsou braacuteny z přiacuterody např gen v soacuteji tolerujiacuteciacute glyfosaacutet - je z bakterie rodu Agrobacterium

Klasičtiacute šlechtiteleacute takto pracujiacute daacutevno např smiacutechali geny pšenice a žita

GMO

Transgenoze ndash vnaacutešeniacute znaacutemyacutech jednotlivyacutech genů do dědičneacuteho

zaacutekladu (poprveacute 1978)

Pro přenos - Agrobacterium tumefaciens A rhizogenes E coli

httpblogscassuffolkeduiglesias20140424gmos

GMO bez obalu httpwwwbezpecnostpotravinczUserFilespublikaceGMO_web_1pdf

GMO - transgenniacute rostliny CARTAGENSKYacute PROTOKOL o biologickeacute bezpečnosti 29 1 2000 Montreal (OSN ndash program pro životniacute prostřediacute UNEP) platnost 11 9 2003

ČR podepsala 24 52000 (gmovschtcz) nyniacute 160 staacutetů

opatřeniacute ve staacutetech ktereacute se připojiacute k projektu (dovoz vyacutevoz transport)

vzdělaacuteniacute odborniacuteků a informovaacuteniacute veřejnosti

vytvořeniacute noveacute legislativy GMO (wwwenvcz )

spolupraacutece při vyacuteměně zkušenostiacute

Svět 2010 - viacutece než 150 mil ha viacutece než 20 zemiacute

pro vegetačniacute čaacutesti

nebo plody

CIacuteL PROTOKOLU - zajistit ochranu a bezpečnost při zachaacutezeniacute využiacutevaacuteniacute a přenosu živyacutech modifikovanyacutech organismů ktereacute jsou vyacutesledkem moderniacutech biotechnologiiacute a ktereacute mohou miacutet nepřiacuteznivyacute vliv na zachovaacutevaacuteniacute biologickeacute rozmanitosti a zdraviacute člověka Protokol je zaměřen předevšiacutem na převoz GMO přes hranice staacutetů a maacute ochraňovat zejmeacutena staacutety kteryacutem dosud chybiacute vlastniacute vnitrostaacutetniacute praacutevniacute předpisy v oblasti GMO

GMO - transgenniacute rostliny historie

EVROPA

SRN - Max-Planck-Institut

Belgie - Universita Ghent

Švyacutecarsko- ETH Zurych

ČR - Biofyzikaacutelniacute uacutestav Brno (Agrobacterium jako vhodnyacute přenašeč genů)

ČR - UacuteEB ČSAV Českeacute Budějovice (metody modifikaciacute)

2010 1 transgenniacute hraacutech v Evropě (ČR Agritec Šumperk)

transgenniacute len - oleje

FYTOPATOLOGIE IN VITRO

Fytopatologie in vitro

in vitro selekce = kultivace buněk se selekčniacutem činitelem (fitraacutet inokulum toxin)

ndash přežiacutevajiacuteciacute buňky jsou regenerovaacuteny do rostlin resistentniacuteho fenotypu

Studium interakce rostlina x patogen v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

Druh Patogen Typ biologickeacuteho testu Ciacutel

Coffea arabica Colletotrichum kahawae růst houby na kalusech vyacuteběr rezistentniacutech genotypů

Vitis vinifera Elsinoe ampelina růst kalusu na meacutediu s patogenem testy rezistence

Lycopersicon aes Alternaria alternata testy na izollistech in vitro hodnoceniacute toxicity

Pinus taeda Cronartium quercuum embryokultury s houbami vyacuteběr rezistentniacutech embryiacute

Triticum aestivum Microdochium nivale listy semenaacutečky in vitro vyacuteběr rezistentniacutech kultivarů

ozdravovaacuteniacute rostlin

klonoveacute množeniacute rezistentniacutech taxonů

Page 7: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,

BIOTECHNOLOGIE

- členěniacute interdisciplinaacuternost (mezioborovost)

- historie od počaacutetku po současnost - rostlinneacute bdquozeleneacuteldquo biotechnologie

Použitaacute literatura Bajaj Y P S Somatic hybridization in crop improvement 1994

Callaway D J Callaway M B Breeding ornamental plants Timber Press Oregon 2000

George E F Plant propagation by tissue culture The technology Exegetics Limited Edington 1993

Hall R D Plant cell culture protocols Humana Press Totowa (NJ) 1999

Heldman D R Wheler M B Hoover DG Encyklopedia of biotechnology in agriculture and food CRC Press 2011

Kreuzer H Massey A Biology and biotechnology Science Applications and issues ASM Press Washington DC 2005

Lindsey K Plant tissue culture Manual Kluwer Academic Publishers London 1992

Kučerovaacute P Mackovaacute M Macek T Chemickeacute listy 93 19-26 1999

Murphy D Plants biotechnology and agriculture Cambridge University Press 2011

Ovesnaacute J Kučera L Otaacutezky biologickeacute bezpečnosti GMO a mezinaacuterodniacute zaacutevazky ČR Sborniacutek VUacuteRV Praha 2004

Prochaacutezka S a kolektiv Fyziologie rostlin Academia 1998

Smith R H Plant tissue culture Techniques and experiments Second edition Academic Press 2000

Smith J E Biotechnology Cambridge 2009

Trigiano R N Gray D J Plant development and biotechnology CRC Press 2005

Biotechnologie

Biotechnologie jsou na zaacutekladě Evropskeacute federace pro biotechnologii (EFB) z roku 1981 definovaacuteny jako

bdquoSoubor postupů založenyacutech na technologiiacutech při nichž se využiacutevaacute metabolickeacuteho potenciaacutelu mikroskopickyacutech organizmůldquo Jsou to interdisciplinaacuterniacute obory zahrnujiacuteciacute a využiacutevajiacuteciacute poznatky mikrobiologie biochemie chemie a přiacuteslušnyacutech průmyslovyacutech odvětviacuteldquo wwwscimuniczmikrobkvasbiotechbiotechnologiebiotechnologiehtml

Multidisciplinaacuterniacute povaha (Smith 2009)

Biotechnologie podle definice OECD představuje aplikovaacuteniacute vědeckyacutech a technologickyacutech metod na živeacute organismy a jejich čaacutesti produkty nebo modely za uacutečelem přeměny živyacutech i neživyacutech materiaacutelů pro vytvaacuteřeniacute znalostiacute zbožiacute a služeb

z řečtiny bios + techne + logos

život + dovednost + znalost

staraacute definice

novaacute definice

OECD Organizace pro ekonomickou spolupraacuteci a rozvoj Organisation for Economic Co-operation and Development

Biotechnologie

BIOTECHNOLOGIE novyacute nebo staryacute vynaacutelez biotechnologie průmysloveacute zemědělskeacute leacutekařskeacute biotechnologie mikrobiaacutelniacute živočišneacute rostlinneacute obsah i dosah

biologickyacute psychologickyacute ekonomickyacute ekologickyacute (postoj Amišů ndash meacuteně pesticidů neniacute v rozporu s jejich životniacutem stylem rizika při uvaacuteděniacute do životniacuteho prostřediacute) etickyacute - oteviacuteraacuteme bdquoPandořinu skřiacutenkuldquo

- věda jako zachraacutence nebo nepřiacutetel lidstva

odpor GMO plodinaacutem potravinaacutem

akceptovatelneacute rezistentniacute plodiny k herbicidům

BIOTECHNOLOGIE - rozvoj 21 stoletiacute - integrovanaacute aplikace přiacuterodniacutech a inženyacuterskyacutech věd - ciacutelem je využitiacute organismů a čaacutestiacute organismů k vyacuterobě produktů nebo použitiacute různyacutech metod (postupů)

ČLENĚNIacute PODLE ODVĚTVIacuteZAMĚŘENIacute ČERVENAacute BIOTECHNOLOGIE (mediciacutena a farmacie) - leacutekařstviacute je považovaacutena za nejdůležitějšiacute oblast použitiacute - biotechnologickeacute postupy rostouciacute roli při vyacutevoji novyacutech leacuteků (např k leacutečbě rakoviny) diagnostice (DNA) využitiacute kmenovyacutech buněk při leacutečbě zaacutevažnyacutech chorob

ZELENAacute BIOTECHNOLOGIE (zemědělstviacute a potravinaacuteřstviacute) bdquoRostlinneacute biotechnologieldquo nejstaršiacute - moderniacute šlechtěniacute rostlin ciacuteleně se zvyšujiacute odolnosti proti hmyzu pliacutesniacutem virům a herbicidům - vyacuteznam genoveacute techniky kteraacute je zaacutekladem pro přenos určityacutech genů z jednoho druhu na jineacute rostliny a umožňuje vyacutevoj odolnosti vůči hellip

ŠEDAacute BIOTECHNOLOGIE (životniacute prostřediacute-environmentaacutelniacute) - obnoveniacute znečištěneacuteho prostřediacute biomonitoring - indikaacutetory znečištěniacute - biotechnologickeacute postupy při sanaci půdy uacutepravě odpadniacutech vod čištěniacute vyacutefukovyacutech plynů využitiacute odpadu

BIacuteLAacute BIOTECHNOLOGIE (často spojovanaacute s šedou biotechnologiiacute) - chemickyacute průmysl vyprodukovat substance jako např alkohol vitamiacuteny aminokyseliny antibiotika enzymy způsobem ktereacute šetřiacute zdroje a životniacute prostřediacute s pomociacute živyacutech buněk (kvasinky pliacutesně bakterie)

MODRAacute BIOTECHNOLOGIE mořskeacute biologie biologickeacute organismy světovyacutech mořiacute - zdroje potravin energie leacutečiv surovin - bioprocessing šlechtěniacute a ochrana mořskyacutech organismů ciacutelenyacute chov vodniacutech organismů (aquaculture )

ZELENAacute BIOTECHNOLOGIE (zemědělstviacute a potravinaacuteřstviacute)

bdquoRostlinneacute biotechnologieldquo nejstaršiacute - moderniacute šlechtěniacute rostlin = ciacuteleně se zvyšujiacute odolnosti vůči hmyzu pliacutesniacutem virům a herbicidům - genoveacute techniky = přenos určityacutech genů z jednoho druhu na jinyacute umožňujiacute vyacutevoj odolnosti vůči hellip - využitiacute bakteriiacute ke zvyacutešeneacutemu růstu rostlin

- biomonitoring = využitiacute rostlin jako indikaacutetorů znečištěniacute půdy (kovy) - fytomining

Rostlinneacute biotechnologie

Kde by lideacute byli bez rostlin

Historie rostlin čas před proces vyacuteznam

45 miliardy let tvorba země nemožnyacute život

39 oceaacuteny voda je předpokladem pro uhliacutek-založenyacute život

35 nejstaršiacute cyanobacteria efektivnějšiacute fotosynteacuteza- rychlejšiacute růst O2

24 kysliacutek v atmosfeacuteře aerobniacute org postupně převažujiacute nad aerobniacutemi

21 endosymbioacuteza mezi cyanobacterium a eukaryotniacutem hostitelem prvniacute fotosyntetizujiacuteciacute eukaryotickyacute org -

jednobuněčnaacute řasa

16 mnohobuněčneacute řasy zeleneacute a červeneacute řasy

13 v atmosfeacuteře 3 O2 dominujiacute aerobniacute org nad aerobniacutemi

1 zvyšujiacuteciacute se počet mořskyacutech řas zvyacutešeniacute atmosfeacuterickeacuteho 02

750 milioacutenů mnohobuněčneacute zeleneacute řasy začaacutetek buněčneacute specializace

550 v atmosfeacuteře 12 O2

500 prvniacute suchozemskeacute rostliny eukaryotickaacute kolonizace země

470 prvniacute spory jaterniacutekům podobneacute rostliny

428 Cooksonia 2-3 cm velkeacute steacutelka Bryophyta s dominantniacute haploidniacute generaciacute

ceacutevnateacute rostliny bez semen- mechy přesličky kapradiny převažuje 2n generace

360 nejstaršiacute fosilniacute nahosemenneacute

140 nejstaršiacute krytosemenneacute

85 nejstaršiacute obiloviny

68 nejstaršiacute luštěniny adaptace na deficit N2

11 tisiacutec let domestifikace rostlin vliv člověka na rostliny

500 let globalizace zemědělskyacutech plodin světoveacute rozšiacuteřeniacute domestifikovanyacutech rostlin

300 člověkem prvniacute vyrobeneacute hybridniacute rostliny zaacuteměrneacute vytvaacuteřeniacute novyacutech druhů pro člověka

100 začaacutetek vědeckeacuteho šlechtěniacute rostlin manipulace s genomem a fenotypem rostlin

30 prvniacute transgenniacute rostlina novyacute gen do rostlinneacuteho genomu

20 prvniacute schvaacutelenaacute GMO rostlina - potravina rajče cv FLAVR SAVR Murphy 2011

6000 pnl produkce piva fermentaciacute (kvašeniacutem) Babyloacuteňaneacute Sumeroveacute

4000 pnl využitiacute kvasinek ve vyacuterobě piva a viacutena v Egyptě a Čiacuteně (znaacutem ječmen)

1675 Leeuwenhoek pozoroval bakterie

1860 Koch - rozvoj mikrobiologie

1857 Pasteur demonstrace fermentace - otec biotechnologiiacute

1877 Koch vypracoval techniky izolace a barveniacute bakteriiacute

1919 Ereky zavedeniacute termiacutenu biotechnologie

1935 Fleming objev peniciliacutenu - zavedeniacute sterilizace

1953 Watson a Crick popis struktury DNA

1975 Kohler a Milstein - produkce monoklonaacutelniacutech protilaacutetek

1978 produkce 1 lidskeacuteho proteinu v buňce firmou Genntech (USA) = inzuliacuten 1 praktickeacute využitiacute

1980 zavedeniacute metod rekombinantniacute DNA produkce inzuliacutenu v E coli

1994 schvaacuteleniacute prvniacute geneticky modifikovaneacute potraviny ndash rajče

1996 klonovaacuteniacute ovce Dolly Wilmuth a kol

Biotechnologie - historie

vyacuteroba jiacutedla a naacutepojů procesy vyviacutejeny za nesterilniacutech podmiacutenek zavedeniacute sterilniacutech podmiacutenek do biotechnologickyacutech procesů aplikace genetiky a technologie rekombinantniacute DNA

přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

nevyacutehoda - nekontrolovaneacute

zavedeniacute lidskeacuteho genu určujiacuteciacuteho produkci specifickeacute biacutelkoviny (inzuliacutenu) do bakterie pomociacute plazmidu - po zabudovaacuteniacute do genetickeacuteho aparaacutetu hostitelskeacute buňky je bakterie schopna produkovat AMK v přesně daneacutem pořadiacute a syntetizovat

lidskyacute inzuliacuten

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve

velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 11 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1843 superfosfaacutet hellip intenzivniacute hnojeniacute v zemědělstviacute

1849 Darwin - vznik druhů přirozenou selekciacute (cesta kolem světa Galapaacutegy)

1846-1850 krize monokultur - bdquobramborovyacuteldquo hladomor v Irsku (Phytophtora infestans)

1857 Pasteur - fermentace - otec biotechnologiiacute

1866 Mendel - publikuje svoje zaacutekony (znovu objeveny 1900)

1869 Miescher - objevuje DNA

1902 Haberlant - totipotence rostlinneacute buňky

1910 odrůda brambor Bintje (Holandsko) - odrůda roku 2012

1919 Ing Karl (Kaacuteroly) Ereky - termiacuten biotechnologie

migrace do Ameriky

technologie přeměny surovin na využitelneacute produkty pomociacute živyacutech organismů

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho

průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 10 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1923 Burbank USA - křiacuteženci bramboru odrůda

bdquoRUSSET BURBANKldquo (skladovatelnost hliacutez)

1933 prvniacute hybridi kukuřice

1941 Beadle a Tatum - hypoteacuteza 1 gen-1 enzym

1941 24-D (syntetickyacute auxin) jako prvyacute moderniacute herbicid

1950 1 radiomutanti chemomutanti řepka pšenice ryacuteže biacuteleacute fazole

ječmen (1965 - DIAMANT)

1960 ndash1970 ldquozelenaacute revoluceldquo zakrsliacute hybridi - Norman Borlaug

1970 NC miacuteru

1969 Triticale (Triticosecale tritikale žitovec - hybridniacute obilnina Triticum x Secale)

REKOMBINANTNIacute TECHNIKY

1985 prvniacute GM rostliny na poliacutech v UK

1995 odrůda bdquoBT NEW LEAF RUSSET BURBANKldquo

1998 zlataacute ryacuteže

2010 1 GMO hraacutech (Agritec)

I GMO odrůda brambor - odolnaacute vůči mandelince bramboroveacute vložen gen z bakteacuterie Bacillus thuringiensis produkujiacuteciacute protein narušujiacuteciacute vnitřnosti mandelinky

Mexiko 1943 import frac12 spotřeby pšenice 1944 plnaacute soběstačnost pšenice 1964 export 05 milionů tun pšenice

httpenwikipediaorgwikiNorman_Borlaug

Budoucnost biotechnologiiacute v ČR bdquoBiotechnologie jsou celosvětově nejprogresivnějšiacutech oblast vyacutezkumu vyacutevoje a podnikaacuteniacuteldquo

produkce viacutena - 1 psanaacute zmiacutenka r 276 (na Paacutelavě řiacutemskeacute legie) produkce piva - 11 stoletiacute syacutery destilaacutety 14 stoletiacute 1356 - kraacutelovskyacute dekret o produkci viacutena v Českyacutech zemiacutech alchymie (Rudolf II) 1518 - založeniacute Paliacuterny U Zeleneacuteho stromu v Prostějově 1887 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu pivovarskeacuteho a sladařskeacuteho v Praze 1949 - průmyslovaacute produkce peniciliacutenu v Roztokaacutech u Prahy 1966 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu antibiotik a transformaciacute (již neexistuje)

wwwbiotrincz wwwgate2biotechcz

AV ČR Univerzity Vyacutezkumneacute uacutestavy Šlechtitelskeacute stanice

kaacutemen mudrců elixiacuter mlaacutediacute přeměna hmoty

glukosa + kvasinky etanol + oxid uhličityacute přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces carlsbergensis

Biotechnologie v ČR

18 prosince 2008 bylo založeno sdruženiacute CzechBio - asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR zspo 1 asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR spojuje třicet soukromyacutech biotechnologickyacutech společnostiacute a akademickyacutech uacutestavů podpora spolupraacutece komerčniacute sfeacutery s vědeckou httpwwwczechbioorgcs

projekt Algatech ndash Centrum řasovyacutech biotechnologiiacute vyacutevoj novyacutech kultivačniacute zařiacutezeniacute a postupů na zpracovaacuteniacute řasoveacute biomasy pro vyacuterobu biopaliv krmiv potravniacutech doplňků a cennyacutech laacutetek Mikrobiologickyacute uacutestav Akademie věd ČR Třeboň

Centrum regionu Hanaacute pro biotechnologickyacute a zemědělskyacute vyacutezkum

UPOL + VUacuteRV + UacuteEB AV ČR - vytvaacuteřeniacute zemědělskyacutech plodin s vyššiacutemi vyacutenosy toleranciacute vůči nepřiacuteznivyacutem vlivům vnějšiacuteho prostřediacute

- transformace rostlin ječmene a dalšiacutech obilnin

wwwcr-hanaeu

Biotechnologie v ČR

wwwalgaczcscs-algatechhtml

Českaacute technologickaacute platforma rostlinnyacutech biotechnologiiacute ndash rozvoj biotechnologiiacute v ČR = Rostliny pro budoucnost (ČTP RB) - nepotravinaacuteřskeacute využitiacute rostlin vedlejšiacutech produktů odpadů - vyacutevoj novyacutech odrůd kulturniacutech rostlin - uplatněniacute rostlinnyacutech biotechnologiiacute v raacutemci životniacuteho prostřediacute

httpwwwczechinvestorgceska-technologicka-platforma -rostlinnych-biotechnologii

selekce - vyacuteběr nejlepšiacutech rostlin křiacuteženiacute GMO

Přiacuteklad šlechtěniacute - novyacute typ ryacuteže - maleacute vzpřiacutemeneacute listoveacute čepele - hodně odnožiacute - žaacutedneacute neproduktivniacute odnože - silneacute steacuteblo - C3 ryacuteže na C4 ryacuteže

Rostlinneacute biotechnologie Co pěstujeme na poliacutech v zahradaacutech a v sadech a co naacutesledně jiacuteme prošlo za několik tisiacuteciletiacute proměnou Prvniacute změna - předkoveacute opustili životniacute styl lovců a sběračů a stali se pěstiteli zemědělskyacutech plodina a chovateli hospodaacuteřskyacutech zviacuteřat

zlataacute ryacuteže geny z 5 různyacutech druhů

- Phaseolus vulgaris pro ferritin - Aspergilus fumigatus - ferritin - ryacuteže Basmati - ferritin - Narcissus pseudonarcissus synteacuteza karotenu - Erwinia uredovora - synteacuteza karotenu

bdquozlataacute ryacuteželdquo tvořiacute zvyacutešeneacute množstviacute provitaminu A zabraacuteniacute hladu zachraacuteniacute zrak vznikla na požadavek humanitaacuterniacute organizace bdquoHumanitarien Rice Boardldquo kteraacute se snažiacute řešit probleacutemy s nedostatkem potravy v nejchudšiacutech čaacutestech našiacute planety

švyacutecarskyacute genetik Ingo Portykus a německyacute genetik Peter Bayer

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute

ekologickaacute udržitelnost kvantita a kvalita zaacutekladniacutech zdrojů zemědělstviacute ekonomickaacute udržitelnost zemědělskaacute produkce (uacuteroda na ha) a zisk cena za produkty sociaacutelniacute (společenskaacute) udržitelnost kvalita života zemědělců vysokaacute kvalita potravin bez rizika na zdraviacute a prostřediacute

Co je udržitelneacute zemědělstviacute Mohou biotechnologie pomaacutehat

snižovaacuteniacute kvality zaacutekladniacutech zdrojů vyčerpaacuteniacute zaacutekladniacutech zdrojů

Vyhliacutedky na budoucnost

naacuterůst počtu obyvatel

zvyacutešeniacute životniacuteho standardu

pokles plochy orneacute půdy

pokles pracovniacuteků v zemědělstviacute

naacuterůst cen potravin

Naacuterůst zemědělskeacute produkce s využitiacutem biotechnologiiacute

šlechtěniacute (rezistence k chorobaacutem)

noveacute plodiny

nutričniacute kvalita plodin

ochrana rostlin

bezpečnost produktů

hybnou silou biotechnologiiacute je naacuterůst obyvatel Kolik lidiacute by mělo žiacutet na planetě Zemi

Rostlinneacute biotechnologie

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute mutace s naacuteslednou selekciacute odchylek noveacute techniky EK ciacutelenyacute přenos genů

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

prvniacute zemědělci

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) BT prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute MUTACE s naacuteslednou selekciacute odchylek - odrůda ječmene bdquoDIAMANTldquo

noveacute TECHNIKY EK VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

ciacutelenyacute přenos genů GMO

CO BUDE DAacuteL zvyšovat vyacutenosy BUDE VĚTŠINA PĚSTOVANYacuteCH ZEMĚDĚLSKYacuteCH PLODIN TRANSGENNIacute

vznik zemědělstviacute

1954

jsme moudřejšiacute

maacuteme většiacute možnosti

Počaacutetek EK 1902 Gottlieb Haberland segmenty listů 1904 Hannig zralaacute embrya

Potenciaacutel rostlinneacute buňky a podstata

explantaacutetovyacutech kultur rostlin

metody a jejich aplikace

ve šlechtěniacute rostlin

EK - historie

TOTIPOTENCE rostlinneacute buňky genetickeacute informace - jaacutedro plastidy mitochondrie

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

daacute se přeneacutest v raacutemci šlechtěniacute

blok totipotence

vyjaacutedřeniacute totipotence 1 dediferenciace buňky do buněčneacuteho cyklu a pokračovaacuteniacute v děleniacute 2 rediferenciace - tvorba organickyacutech struktur - přiacutemaacute regenerace tvorba kalusu - nepřiacutemaacute regenerace

vliv růstovyacutech regulaacutetorů

Rostlinneacute biotechnologie prvniacute generace - od explantaacutetovyacutech kultur po GMO

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute rostlin - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

Explantaacutet = aseptickaacute kultivace izolovanyacutech čaacutestiacute rostlin za umělyacutech podmiacutenek

EXPLANTAacuteTOVEacute KULTURY - VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

EK - historie

Metody EK využitelneacute v zemědělstviacute Meristeacutemoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Somatickaacute embryogeneze

Embryokultury

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze + buněčneacute inženyacuterstviacute

Genetickeacute manipulace

VITRIFIKACE (hyperhydricita) ndash vyjadřuje abnormality růstu in vitro skelnatyacute syndrom vyacutehonů křehkeacute mokryacute vzhled pryacutetů (vodou nasycenyacutech) průsvitnyacute sukulentniacute vzhled

metody zachovaacutevajiacuteciacute genotyp beze změn během kultivace metody zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu během kultivace

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK 1 rychleacute namnoženiacute

2 ozdravovaacuteniacute

3 překonaacuteniacute nekřiacutežitelnosti - embryokultury

4 dlouhodobeacute udržovaacuteniacute genetickyacutech zdrojů

5 indukce mutantů - ziacuteskaacuteniacute novyacutech genotypů

6 předselekce - urychleniacute šlechtitelskeacuteho cyklu

7 ziacuteskaacuteniacute novyacutech a udrženiacute genotypů s pylovou sterilitou

8 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho procesu

9 produkce haploidů

10 produkce polyploidů

11 rychlejšiacute ziacuteskaacuteniacute vyacutechoziacuteho šlechtitelskeacuteho materiaacutelu pro noveacute odrůdy

12 somatickaacute hybridizace - fuacuteze

13 konstrukce novyacutech genotypů kulturniacutech plodin přenos bdquoužitečnyacutech genůldquo

14 udržovaacuteniacute genofondu

15 selekce in vitro - rezistence k abiotickyacutem a biotickyacutem stresům

16 produkce sekundaacuterniacutech metabolitů

Plodina Technika

ječmen pšenice kukuřice

řepka paprika brukvovitaacute

zelenina mrkev

androgeneze

cibule gynogeneze

jahodniacutek česnek ozdravovaacuteniacute

brambor traacutevy polyploidizace in vitro

jeteloviny drobneacute ovoce

ovocneacute dřeviny podnože traacutevy mikropropagace

brambor řepka somatickaacute hybridizace

hraacutech brambor rezistence k chorobaacutem

traacutevy embryokultury

Kombinace metod embryokultury oplozeniacute in vitro fuacuteze protoplastů

plodiny se geneticky upravujiacute pro většiacute rezistenci k herbicidům - ničeniacute plevele bez poškozeniacute uacuterody GM rajčata potlačujiacute gen pro polygalakturonaacutezu enzym degradujiacuteciacute pektin způsobujiacuteciacute měknutiacute pletiv (Deacon a kol 2002)

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK

Meristeacutemoveacute kultury

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny meristeacutemoveacute kultury

Vyacutehody maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky naacuteslednaacute mikropropagace ozdraveneacuteho materiaacutelu bdquovirus - freeldquo

Vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana Iniciace kultury Testovaacuteniacute in vitro Přenos do nesterilniacutech podmiacutenek Testovaacuteniacute

MERISTEacuteM ndash děliveacute nediferencovaneacute pletivo ozdravovaacuteniacute rostlin (02 - 05 mm) meristeacutemy

OZDRAVOVAacuteNIacute Termoterapie (vyššiacute teplota)

Meristeacutemovaacute kultura Chemoterapie (antivirotika)

viry - nebuněčneacute mikroorganismy virovaacute čaacutestice = virion sklaacutedaacute se z RNA nebo DNA a kapsidu

fytopatologie in vitro

ribavirin

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny

Vyacuteznamneacute viroveacute choroby rostlin v ČR od 30 ztraacutet CaMV - 1968 PVY 30 -70 VMCH (virus mozaiky chmele) až o 70 mozaika česneku 25 - 50 žloutenka cibule až 100 bronzovitost rajčat

- žloutnutiacute listů kroužky a čaacutery na listech nevyvinuteacute rostliny abnormaacutelniacute růst - vstupujiacute různyacutemi poraněniacutemi - šiacuteřiacute se plasmodesmaty - velmi odolneacute proti inaktivaci - přenaacutešeny semeny hliacutezami pylem roubovaacuteniacutem hmyzem houbami červy

1952 Morel a Martin u jiřin

Využitiacute metody jahodniacutek česnek zeleniny květiny okrasneacute dřeviny ovocneacute dřeviny banaacutenovniacutek hellip

Tvorba bezviroacutezniacutech rostlin

1 meristeacutem = 1 rostlina testovaacuteniacute

wwwoselczindexphpclanek=2819

viroacutezniacute x zdravaacute

M Navraacutetil KBBPřFUPOL

PVY

In vitro klonovaacuteniacute mikropropagace meristeacutemoveacute kultury

zisk geneticky identickeacute rostliny vegetativniacutem množeniacutem

VYacuteHODY

maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny ktereacute jsou geneticky stabilniacute

v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky

vyššiacute množitelskyacute koeficient - potenciaacutelniacute hodnota zisku rostlin

Postup - vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana - iniciace kultury - mikropropagace - přenos do nesterilniacutech podmiacutenek

KLON - kolekce geneticky identickyacutech individuiacute původem z jedineacuteho rodiče

komerčně od 1960

httpwwwjanholubcz

In vitro meristeacutemoveacute kultury - využitiacute - zaacutechrana a množeniacute ohroženyacutech druhů kaktusy

- zaacutechranneacute množeniacute cennyacutech genotypů a liniiacute sterilniacutech rostlin - udrženiacute rodičovskyacutech komponent pro tvorbu hybridniacutech odrůd

- množeniacute transgenniacutech rostlin

- zachyceniacute a klonovaacuteniacute nově nalezenyacutech mutantů při šlechtěniacute

- klonovaacuteniacute nejlepšiacutech jedinců pro produkci elitniacuteho osiva

- vegetativniacute množeniacute okrasnyacutech rostlin karafiaacutet gerbera anthurie orchideje

sanpaulie kapradiny hellip

- množeniacute drobneacuteho ovoce jahodniacutek maliniacutek reacuteva

- množeniacute dřevin podnože pro školkařstviacute lesniacute dřeviny tropickeacute dřeviny

- v zelinaacuteřstviacute množeniacute brambor zeliacute

- množeniacute pouze samičiacutech rostlin datlovaacute palma

- kryoprezervace (-196 oC) jahodniacutek maliniacutek hraacutech brambor karafiaacutet

Genoveacute

banky

Mikropropagace multiplikace klonovaacuteniacute nejen z meristeacutemů

Solanum tuberosum Cucumis sativus Olea europea Eucalyptus grandis Salix sp Syringa sp Juglans regia

Schopnost regenerace tvorba identickyacutech rostlin = přiacutemaacute somatickaacute embryogeneze

Meristeacutemy Pryacutetoveacute segmenty Kalusy Embrya

Zdroje odchylek bull vysokeacute daacutevky růstovyacutech regulaacutetorů typ regulaacutetoru bull rostliny regenerujiacute z basaacutelniacuteho kalusu (možnost gen změn)

Kalusoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Primaacuterniacute explantaacutet kalus meristemoid orgaacutenoveacute primordium

Kalus = masa děliacuteciacutech se a rostouciacutech buněk

nejsou uniformniacute mohou se lišit velikostiacute tvarem pigmentaciacute metabolismem nebo počtem chromosomů

bull za určityacutech podmiacutenek regenerace pryacutetů a kořiacutenků

tma x světlo

subkultivace

metoda geneticky nestabilniacute

Kalusoveacute kultury - somaklonaacutelniacute variabilita ndash MUTACE a zisk novyacutech znaků

- mikropropagace ndash cibule žen-šen hellip

- vyacutechoziacute materiaacutel pro suspenzniacute a protoplastovou kulturu

- materiaacutel pro indukovaneacute mutace (zaacuteřeniacute chemomutageny)

- sekundaacuterniacute metabolity (alkaloidy AMK saponiny oleje složky vůniacute protinaacutedoroveacute laacutetky steroidy )

polyploidie aneuploidie

Selekce mutantů se zlepšenou nutričniacute hodnotou (viacutece biacutelkovin v zrnu)

Rezistence vůči zasoleniacute (vysokyacute turgor v buňkaacutech akumulace NaCl ve vakuolaacutech)

Rezistence vůči chorobaacutem (synteacuteza fytotoxinů fytoalexinů)

Sekundaacuterniacute metabolity (= chemickeacute individuality v rostlinaacutech ndash barviva vůně chuti obrana)

Artemisia annua - artemisin (antimalarika) Capsicum sp - capsaicin (protinaacutedoroveacute)

Digitalis lanata - digoxin (srdečniacute stimulanty) Papaver somniferum - codein (sedativa)

Taxus breviola - taxol (protinaacutedoroveacute) Vanilla planifolia - vaniliacuten (aroma)

Panax ginseng - (imunitniacute systeacutem) Zingiber officinale ndash gingerol (antioxidant)

Somatickaacute embryogeneze a suspenzniacute kultury

Využitiacute

umělaacute semena (enkapsulace somatickyacutech embryiacute)

využitiacute somatickeacute variability

klonoveacute množeniacute

sekundaacuterniacute metabolismus (suspenze)

kryoprezervace

Buněčnaacute suspenze = převedeme kalus do tekuteacuteho meacutedia

a provzdušňujeme (kontakt buněk a shluků buněk s meacutediem)

vznikaacute bipolaacuterniacute struktura obsahujiacuteciacute kořen a pryacutet

auxin (24-D)

umělaacute semena

Mutace RADIOMUTANT PROSPĚCH NEBO ZAacuteLUDNOST

SPONTAacuteNNIacute MUTACE využiacutevaacute člověk při šlechtěniacute odrůd spur typy (kompakt typy) jabloniacute absence trnů u ostružiniacuteku variabilita květenstviacute jiřinky proměnliveacute vznik plemen domaacuteciacutech zviacuteřat je založen na podchyceniacute spontaacutenniacutech mutaciacute ndash plemena psů

INDUKOVANEacute MUTACE působeniacute mutagenů

zaacuteměrneacute ndash ve vyacutezkumu ve šlechtěniacute rostlin (př odrůdy ječmene DIAMANT (zkraacuteceniacute steacutebel ndash nepoleacutehaacute) kompaktniacute růst a samosprašnost třešně změna barvy slupky u jabloně ndash sbquoredlsquo mutace)

nezaacuteměrneacute ndash důsledek použitiacute jadernyacutech a chemickyacutech zbraniacute ndash Yperit jaderneacute a jineacute katastrofy

1950 radiomutace chemomutace 1965 ječmen Diamant

Suspenzniacute kultury - SK KULTURA V TEKUTEacuteM MEacuteDIU ROSTE A DĚLIacute SE NĚKOLIKANAacuteSOBNĚ RYCHLEJI NEŽ KULTURA

NA PEVNEacuteM MEacuteDIU Využitiacute jako experimentaacutelniacute model produkce sekundaacuterniacutech metabolitů indukce somaklonaacutelniacute variability a naacutesledneacute selekce mikropropagace (pod kontrolou genetickeacute stability) pohyb kultury v bioreaktoru maacute za naacutesledek potlačeniacute apikaacutelniacute dominance tiacutem se stimuluje růst mnohonaacutesobnyacutech pryacutetů

Bioreaktory firmy VitroSys Inc Korea

ideaacutelniacute SK ndash rychlyacute růst karyologickaacute stabilita životnost buněk rentabilita

Minimaacutelně 103 ml buněk 110 suspenze v exponenciaacutelniacute faacutezi se doplniacute čerstvyacutem meacutediem Koncentrace sacharidů prodlužuje periodu růstu

Velkokapacitniacute kultivace rostlinnyacutech buněk v tekutyacutech meacutediiacutech sterilniacute prostřediacute obsahujiacuteciacute živiny a laacutetky potřebneacute pro růst a jeho regulaci vhodneacute pro kultivaci rostlinnyacutech mikrobiaacutelniacutech a živočišnyacutech buněk

Bioreaktor

Bioreaktory s tekutyacutem meacutediem explantaacutety jsou ponořeny v tekuteacutem meacutediu Bioreaktory s pravidelnyacutem zaplavovaacuteniacutem (temporary immersion bioreactor TIB) explantaacutety jsou pravidelně zaplavovaacuteny

Bioreaktor

httpwwwuebcasczcscontentzensenove-spagety

pěstujiacute se jen kořeny - zisk GINSENOSIDŮ za 3 měsiacutece v laboratoři stejnyacute zisk jako z rostlin ženšenu v přiacuterodě za 8 let obsah GINSENOSIDŮ je srovnatelnyacute s planě rostouciacutemi rostlinami množstviacutem i vzaacutejemnyacutem poměrem jednotlivyacutech laacutetek

v Koreji od r 2004

hairy-root systeacutem a sekundaacuterniacute metabolity

Sekundaacuterniacute metabolity - SM ROSTLINA BUNĚČNAacute KULTURA

EXTRAKT prověřovaacuteniacute oddělovaacuteniacute čištěniacute aktivniacute složky testovaacuteniacuteprověřovaacuteniacute

ČISTAacute BIOAKTIVNIacute LAacuteTKA

SM z buněčneacute kultury - extrakty ziacuteskaneacute za reprodukovatelnyacutech podmiacutenek spolehliveacute zdroje meacutedium - množstviacute čisteacuteho produktu

buňky rostou v tekuteacutem meacutediu -ne celaacute rostlina

produkt rostlina in vitro ()

rostlina ()

poměr

ginsenoside Panax ginseng 27 45 6 x

rosmarinic acid Coleus blumei 27 3 9 x

caffeic acid Vanilla planifolia 002 0005 4 x

shikonin Lithospermum erythrorhizon

20 15 135 x

ubiquinon-10 Nicotiana tabacum 0036 0003 12 x Heldman et al 2011

anti

oxy

dan

ty v sušině

bioreaktory

Sekundaacuterniacute metabolity - SM Rostlina Uacutečinnaacute laacutetka Uacutečinek

Artemisia annua pelyněk ročniacute artemisinin antimalarikum

Digitalis lanata naacuteprstniacutek vlnatyacute digoxin srdečniacute stimulants

Dubosia myoporoides lilkoviteacute atropin

scopolamin

očniacute přiacutepravky mořskaacute nemoc

Lithospermum

erythrorhizon

kamejka

rudokořennaacute

shikonin protinaacutedoroveacute

Panax ginseng ženšen pravyacute stimulant imunitniacuteho systeacutemu

Salix alba vrba biacutelaacute salicin antirevmatikum proti horečce

Taxus brevifolia tis

zaacutepadoamerickyacute

baccatin taxol protinaacutedoroveacute

Vinca rosea barviacutenek růžovyacute vinblastin

vinkristin

protinaacutedoroveacute alkaloidy

leukeacutemie

buněčnaacute kultura

Rostlina Extrakt Uacutečinek

Linum usitatissimum len setyacute olej

Mentha piperita maacuteta peprnaacute maacutetovyacute olej -

mentol

žaludečniacute potiacuteže

Mentha spicata maacuteta klasnataacute mentol žaludečniacute potiacuteže

Zingiber officinale zaacutezvor leacutekařskyacute gingerol antioxidant

informace z tradičniacute lidoveacute mediciacuteny - použitiacute extraktů a purifikace zdroje z nedotčeneacuteho ekosysteacutemu

kalusovaacute kultura buněčnaacute suspenze orgaacutenovaacute kultura - Artemisia Mentha - pryacutety

rostliny jsou vyacuterobci sekundaacuterniacutech metabolitů

cytostatikum

Sekundaacuterniacute metabolity - SM

Heldman et al 2011

VYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY

nezaacutevisleacute na geografickyacutech podmiacutenkaacutech

nezaacutevisleacute na sezoacutenniacutech podmiacutenkaacutech

v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

v přiacuterodě kontrolovaacuteno množstviacute in vitro ne

nepřetržitaacute dodaacutevka produktu

uniformniacute kvalita produktu

uniformniacute vyacutetěžnost produktu (průběžně)

vyacuteběr vhodneacute linie s vyššiacute produkciacute produktu

možnost tvorby novyacutech laacutetek nenormaacutelniacutech u donora

NEVYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY staacutele se vyviacutejejiacuteciacute

překaacutežky - pomalyacute růst

genetickaacute nestabilita

různorodost

niacutezkyacute obsah metabolitu

produkty vylučovaacuteniacute provozniacute - světelneacute podmiacutenky aseptickeacute podmiacutenky

STRATEGIE TVORBY SM vyacuteběr donorovyacutech rostlin - biochemickeacute testy

iniciace kalusů

vyacuteběr buněčneacute linie - rychle rostouciacute vysokaacute produkce

ciacutelenyacute metabolismus - kultivačniacute meacutedium (složeniacute koncentrace proporcionalita)

kultivačniacute podmiacutenky (teplota světlo pH) zvlaacuteštniacute požadavky (prekurzor simulace stresu - napadeniacute patogenem)

uvolněniacute do meacutedia

Embryokultury

Embryokultury = kultivace zralyacutech nebo nezralyacutech embryiacute in vitro

1904 Hannig - embrya u ředkve

1925 Laibach - aplikace v mezidruhoveacutem křiacuteženiacute r Linum sp

1945 Randolph - zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu u r Iris sp

1970 Kasha Kao - ziacuteskaacuteniacute haplodů u ječmene

Hordeum vulgare (zůstaacutevaacute) x Hordeum bulbosum (eliminace chromozoacutemů)

Zygotickaacute embrya vyacuteživa z endospermu (heterotrofniacute)

Embrya in vitro vyacuteživa z kultivačniacuteho meacutedia

In vitro oplodněniacute u člověka - 1978 pro neplodneacute paacutery

geneticky stabilniacute metoda

Embryokultury- in vitro

I Kultura semennyacutech embryiacute tj izolace plně vyvinutyacutech

bipolaacuterniacutech struktur obsahujiacuteciacutech kořenovyacute a stonkovyacute systeacutem

II Kultura proembryiacute tj izolace nezralyacutech zaacuterodků předchaacutezejiacuteciacutech

diferenciaci děloh

Embryogeneze zygotickeacuteho embrya (in vivo)

zygota (přiacuteprava na 1 děleniacute)

faacuteze pomaleacuteho vyacutevinu embrya po oplozeniacute

faacuteze rychleacuteho vyacutevinu růstu a diferenciace embrya

faacuteze dozraacutevaacuteniacute embrya

faacuteze přechodu embrya do dormance (ABA)

Embryokultury

1 překonaacuteniacute barieacuter vzdaacuteleneacuteho křiacuteženiacute (abortace hybridniacutech embryiacute sterility semen)

2 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu (viacutece generaciacute za rok)

3 řešeniacute jarovizačniacuteho staacutedia

4 primaacuterniacute explantaacutet pro dalšiacute kultury

5 eliminace inhibice kliacutečeniacute

6 studium mineraacutelniacute vyacuteživy

7 umělaacute semena

8 studium metabolickyacutech vztahů mezi embryem a endospermem embryem a dělohami

9 ziacuteskaacuteniacute haploidniacutech rostlin

Opylovaacuteniacute in vitro

Opylovaacuteniacute in situ

in vitro

Inkompatibilita rostlin

zaručuje stabilitu druhu

Barieacutery procesu opyleniacute a oplozeniacute

vnějšiacute (teplota vlhkost nedostatečnaacute vyacuteživa )

vnitřniacute (inkompatibilita samčiacute nebo samičiacute sterilita)

využitiacute v raacutemci šlechtěniacute rostlin k překonaacuteniacute prezygotickyacutech barieacuter vznik mezidruhovyacutech mezirodovyacutech hybridů

Barieacutery Technika překonaacuteniacute

Před oplodněniacutem selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute blizny pestiacuteku pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

rezistence vůči abiotickeacutemu stresu rezistence vůči škůdcům vyššiacute vyacutenos

přenos z jineacuteho druhu

EK využitiacute ve šlechtěniacute

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury HAPLOID rostlina s n počtem chromozomů menšiacute sterilniacute

1963 T Yamada a kol Tradescantia reflexa (haploidy)

1964 - 1966 S Guha SC Maheswari Datura diploidizace kolchicinem

1969 JP Nitsch a kol celeacute rostliny (tabaacutek)

1973 JP Nitsch Norrel mikrosporoveacute kultury

2000 šlechtitelskeacute programy polniacutech plodin (obiloviny řepka)

využiacutevajiacute haploidniacute kultury in vitro

Androgeneze prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Androgeneze - kultivace prašniacuteků pyl zrn mikrospor = samčiacute genotyp

Gynogeneze - kultivace neoplodněnyacutech vajiacuteček = samičiacute genotyp

Haploidie - spontaacutenniacute = haploidniacute partenogeneze (gynogeneze androgeneze) frekvence 10-6

- experimentaacutelniacute indukovanaacute

fyzikaacutelniacute faktory = UV γ-zaacuteřeniacute X-paprsky teplotniacute šoky

zaacutesahy do procesů opyleniacute a oplozeniacute (inaktivniacute pyl)

explantaacutetoveacute metody = prašniacutekoveacute a pyloveacute kultury kultivace semeniacuteků a vajiacuteček

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury Ontogeneze pylu

In vivo mikrosporogeneze

pylovaacute mateřskaacute buňka

meiosa

pyloveacute tetraacutedy

vyacutevoj mikrospory (1 pyl mitoacuteza)

In vitro vyacutevoj embryoidu

(vegetativniacute generativniacute buňka)

- přiacutemaacute embryogeneze

- nepřiacutemaacute embryogeneze

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

využitiacute haploidů (majiacute jen jednu sadu chromosomů)

segregace vloh na gametickeacute uacuterovni ndash homozygoacutetniacute stav (čisteacute linie v F2 generaci)

detekce recesivniacutech mutaciacute (fenotypickyacute projev)

trpasličiacute varieta ndash u okrasnyacutech rostlin

Dihaploidizace

n rostliny - sterilniacute

104 ndash 105 mikrospoacuterml meacutedia

Brassica sp

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Prašniacutekoveacute kultury

viacutece než 200 druhů (řepka ryacuteže kukuřice obiloviny)

20-60 dnů

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

vyacutevoj globulaacuterniacuteho embrya a naacutesledně haploidniacute rostliny přiacutemo z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory

z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory vznikaacute kalus rarr indukce organogeneze

TYPY ANDROGENEZE

vzaacutecně

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Solanaceae

Brassicaceae

Poaceae

prašniacuteky

Androgeneze

Indukovanaacute androgeneze ndash přiacuteklady

Beta vulgaris - homozygotniacute linie

Brassica napus - novaacute odrůda linie

Hordeum vulgare

Lycopersicon - novaacute odrůda

Nicotiana - noveacute odrůdy

Oryza - noveacute odrůdy

Pelargonium - trpasličiacute variety

Triticum ndash cv Florin Huapei

Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby Praha Vyacutezkumnyacute uacutestav obilnaacuteřskyacute Kroměřiacutež Vyacutezkumnyacute uacutestav olejnin Oseva

Gynogeneze kultury izolovanyacutech vajiacuteček

kultury izolovanyacutech semeniacuteků

kultury izolovanyacutech květenstviacute in vitro

haploidniacute rostliny

spontaacutenniacute dihaploidniacute rostliny

ječmen kukuřice moruše

slunečnice cibule

kultivace vajiacuteček Beta vulgaris Tomaszewska-Sowa 2010

327 haploids 458 diploids and 215 ndash mixoploids

x opyleniacute ozaacuteřenyacutem pylem

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

Polyploidizace in vitro

duplikace celeacuteho genomu až 70 všech krytosemennyacutech rostlin je polyploidniacutech (Masterson 1994) POLYPLOID metabolicky aktivnějšiacute a rozměrnějšiacute plodiny ktereacute jsou vhodneacute pro pěstovaacuteniacute a leacutepe se vyrovnaacutevajiacute se stresovyacutemi podmiacutenkami

kolchicin

oryzalin

trifluralin

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze protoplastů

1892 Klecker - 1 mechanickaacute izolace protoplastů Stratiotes aloides (řezan pilolistyacute) 1960 EC Cocking 1 enzymatickaacute izolace protoplastů Nicotiana sp 1978 G Melchers a kol 1 mezirodovyacute hybrid bdquopomatoldquo bdquotopatoldquo Solanum tuberosum x S lycopersicum (Lycopersicum esculentum)

httptheplanetfixerorg387new-vegetable-created-the-tomato-potato-plant

Protoplastoveacute kultury

= kultivace rostlinnyacutech buněk zbavenyacutech buněčneacute stěny

Protoplast = rostlinnaacute buňka bez buněčneacute stěny jejiacute povrch tvořiacute cytoplazmatickaacute membraacutena maacute kulovityacute tvar

Protoplastoveacute kultury - regenerace

Faktory ovlivňujiacuteciacute kultivaci a regeneraci

Hustota ( počet protoplastů v 1 ml)

Životnost ()

Podmiacutenky kultivace a meacutedium

bull Studium synteacutezy buněčneacute stěny vyacutevoj buňky fyziologie buňky a cytogenetiku

bull Studium hodnoceniacute uacutečinků farmak potravinovyacutech doplňků agrochemickyacutech laacutetek na rostlinnou

buňku

bull Studium transportu iontů a laacutetek přes cytoplasmatickou membraacutenu

bull Somatickaacute hybridizace (fuacuteze protoplastů)

bull Inkorporace exogenniacuteho genetickeacuteho materiaacutelu ndash organel cybridizace

bull Genoveacute transformace (cizorodaacute DNA z bakteriaacutelniacuteho plasmidu)

Protoplastoveacute kultury - fuacuteze

Využitiacute

kombinace znaků odlišnyacutech druhů a rodů ktereacute by nevznikly přirozenou cestou

jedinečneacute kombinace jadernyacutech a organelovyacutech genomů vytvaacuteřiacute noveacute genetickeacute zdroje

často jen - čaacutest chromozomů asymetrickeacute jaderneacute hybridy

chloroplasty

mitochondrie

chemickeacute fuacuteze - pomalejšiacute elektrofuacuteze - fuacutezanti po 10 min vyššiacute frekvence fuacutezantů

cytoplazmickeacute hybridy - cybridy

Charakterizace hybridů - morfologicky cytologicky molekulaacuterniacute analyacutezy

Přirozenaacute mezidruhovaacute hybridizace - vznik některyacutech kulturniacutech plodin

B oleracea + B campestris = Brassica napus Nicotiana sylvestris + N tomentosa = Nicotiana tabacum

cybridy nelze ziacuteskat klasickou hybridizaciacute (křiacuteženiacutem) ndash samčiacute pohlavniacute buňky (pyl zrna) nemajiacute plastidy a mitochondrie

V přiacuterodě blesky do půdy modifikace bakteriiacute

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

Přenos jaderneacute a cytoplazmatickeacute genetickeacute informace mezi rostlinnyacutemi druhy rody

- překonaacuteniacute sexuaacutelniacute inkompatibility

- přenos genů rezistence vůči virovyacutem houbovyacutem chorobaacutem

- přenos cytoplazmatickeacute samčiacute sterility

- přenos rezistence vůči stresům (teplotniacutem zasoleniacute)

- přenos rezistence vůči hmyziacutem škůdcům

(synteacuteza fytoalexinů)

- přenos genů pro synteacutezu zaacutesobniacutech proteinů vitamiacutenů

alkaloidů

plnokvětost

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

využitiacute pro fytoremediace

Brassica juncea Tlaspi caerulescens brukev siacutetinovitaacute peniacutezek modravyacute akumulace Pb akumulace Zn a Ni hybrid se zvyacutešenou rezistenciacute k Pb Zn a Ni rychlyacute naacuterůst

biomasy

Brassica napus Thlaspi caerulescens hybridi rostly na vysokeacutem obsahu Zn

Fuacuteze protoplastů rodu Brassica s planyacutemi druhy

Armoracia rusticana

Barbarea vulgaris

Camelina sativa

Capsella bursa pastoris

Diplotaxis catholica

Diplotaxis muralis

Diplotaxis harra

Eruca sativa

Lesquerella fendleri

Mathiola incana

Moricandia arvensis C4

Moricandia nitens C4

Raphanus sativus

Sinapis alba

Sinapis arvensis

Thlaspi perfoliatum

Thlaspi caerulescens

Genoveacute banky In vitro genoveacute banky

2397 vzorků 1249 odrůd Solanum tuberosum 450 teraploidniacutech křiacuteženců S tuberosum 266 dihaploidů 119 mezidruhovyacutech hybridů rodu Solanum 313 genotypů kulturniacutech genotypů 23 planyacutech druhů

Havliacutečkův Brod

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu rostlin

1 Uchovaacutevaacuteniacute semen ndash semenneacute banky (od 1 roku - hellip)

2 Uchovaacutevaacuteniacute vegetativniacutech orgaacutenů ndash hliacutezy cibule řiacutezky

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro Kraacutetkodobeacute - aktivně rostouciacute kultury (pravidelneacute pasaacuteže) - uchovaacuteniacute kultur v minimaacutelniacutem růstu nižšiacute teploty kultivace

Dlouhodobeacute u rostlin kde nejsou semena

- za velmi niacutezkyacutech teplot (-196oC) = kryobanka

Databaacuteze ndash přiacutestupneacute z celeacuteho světa

Špicberky

genobanka - wwwvurvcz part databases EVIGEZ

vyacuteznam v mediciacuteně

Zaacuteložniacute fond semena potravinaacuteřskyacutech plodin z celeacuteho světa

stane se zaacuteložniacutem fondem pro ostatniacutech 1400

semennyacutech bank po celeacutem světě

v Iraacuteku a v Afghaacutenistaacutenu byla podobnaacute zařiacutezeniacute za

vaacutelky zcela zničena

na Filipiacutenaacutech je v roce 2006 poškodila povodeň

semennaacute banka pro světoveacute plodiny je umiacutestěna v hoře

maacute vyztuženeacute stěny betonem a železem

třiacute komory o velikosti 27 kraacutet 10 metrů

teplota minus 18 oC (konzervace po stovky až tisiacutece let) httpwwwnorambczarkivBasisartikler---OversettelserIkke-

bruktnovinkyseedvault_eng

k 1172010 zde bylo uloženo 716 523 vzorků semen patřiacuteciacutech ke 4 205 druhům

českaacute banka uloženaacute v Praze-Ruzyni zaacuteloha na Slovensku

Špicberky

Uchovaacutevaacuteniacute genofonduv ČR

genofond odrůd meruněk broskvoniacute mandloniacute reacutevy vinneacute kdouloniacute lonicer rakytniacuteků a dřiacutenů

2400 položek

25 000 položek

5400 položek 2397

položek

4700 položek

2000 položek

2300 položek

Naacuterodniacute informačniacute systeacutem genetickyacutech zdrojů EVIGEZ httpwwwgenbankvurvczgeneticresources

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro

KRYOBANKA

prašniacuteky a pyl pletiva a orgaacuteny meristeacutemy

kalus

suspennzniacute somatickaacute kultury embrya

dlouhodobeacute skladovaacuteniacute

nižšiacute naacuteroky na uchovaacuteniacute

mezinaacuterodniacute vyacuteměna

nižšiacute podiacutel lidskeacute praacutece

potřeba menšiacuteho prostoru

uchovaacuteniacute genetickeacute stability

omezeniacute staacuternutiacute

ozdravenyacute materiaacutel

prodlouženeacute použitiacute pylu

uchovaacuteniacute vzaacutecnyacutech rostlin

apikaacutelniacute vrcholy

Biotechnologickaacute laboratoř Nestleacute - uchovaacutevaacute buněčneacute embryogenniacute linie kaacutevy kakaa a banaacutenů

Německaacute sbiacuterka mikroorganismů a buněčnyacutech kultur (DSMZ Braunschweig Německo) meristeacutemy 519 staryacutech kultivarů brambor ndash metoda mrazeniacute alginaacutetovyacutech perel

International Potato Centre (CIP Lima Peru) - 345 kultivarů brambor

INIBAP Leuven Belgie - 306 kultivarů banaacutenu (14 ze světoveacuteho počtu kultivarů)

Naacuterodniacute genobanka klonů NCGR USA - ročniacute naacuteklady

udržovaacuteniacute jedneacute položky v sadu (hrušně) 77 dolarů na skladovaacuteniacute in vitro 23 dolarů na kryoprezervaci 1 dolar (při počaacutetečniacute investici na kryometodu 50 dolarů za uchovaacutevanou jednotku)

Přiacuteklady komerčniacuteho využitiacute kryoprezervace meristeacutemů

Aplikace biotechnologiiacute ve šlechtěniacute rostlin

rostliny postraacutedajiacute schopnost aktivně se přesouvat z dosahu nepřiacuteznivyacutech vlivů rostliny vyvinuly adaptačniacute mechanismy pro překonaacuteniacute stresů a tiacutem přežitiacute v extreacutemniacutech podmiacutenkaacutech

Biotechnologie v zemědělstviacute ekologickeacute zemědělstviacute

VLIV ŠKŮDCŮ CHOROB A PLEVELŮ NA ZEMĚDĚLSKEacute PLODINY

1 sniacuteženiacute velikosti a vaacutehy zrna 2 ztraacuteta ve velikosti hliacutez a kořenů 3 zvyacutešeniacute obsahu vlhkosti 4 změny v chemickeacutem složeniacute zrna hliacutez a kořenů 5 odbarveniacute zrna a hliacutez - deformace 6 tvorba mykotoxinů patogeny 7 sniacuteženiacute kliacutečivosti 8 redukce krmiva

spotřeba vody - rezistence k suchu sniacutežiacute spotřebu uchovaacuteniacute vody rostlinou aplikace hnojiv chemickaacute kontrola škůdců

- studium abiotickeacuteho stresu

- zlepšeniacute ochrany rostlin vůči škůdcům

- ochrana životniacuteho prostřediacute

- zlepšeniacute kvality potravin

odstraněniacute hladu GMO fytoremediace

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

ohroženiacute klimatickyacutem suchem v ČR ndash nejrizikovějšiacute oblasti nižšiacute polohy na jižniacute a středniacute Moravě v prostoru mezi Prahou Uacutestiacutem nad Labem a Žatcem zaacutepadně od Pardubic

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

Rezistence k suchu - využitiacute vody

Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

vyacutevoj samčiacuteho gametofytu - spojen s expresiacute genů - 150 specifickyacutech genů spraacutevneacute načasovaacuteniacute

sporofyt gametofyt

2n 1n

rostlina pylovaacute zrnazaacuterodečnyacute vak

pohlavniacute rozmnožovaacuteniacute přiacuterodniacute vyacuteběr

pylzrna - exina (ovlivněna sporofytem) ochrana před UV laacutekaacuteniacute opylovačů - barva vůně komunikace s bliznou produkce alergenů

strategie rostlin zabraacuteněniacute samoopyleniacute

Biotechnologie v zemědělstviacute samčiacute gametofyt n TETRASPORE (TES) reg gen je vyžadovaacuten ke tvorbě přepaacutežek mezi produkty meioacutezy u mutanta všechna čtyři jaacutedra mikrospoacutery zůstaacutevajiacute ve stejneacute cytoplazmě polyploidniacute jedinci n GEMINI POLLEN 1 (GEM1) reg gen je vyžadovaacuten k orientaci mitotickeacuteho vřeteacutenka mutant tvořiacute dvě symetrickaacute jaacutedra typu vegetativniacuteho vede ke sterilitě n SIDECAR POLLEN (SCP) reg gen je vyžadovaacuten k děleniacute pylu prvniacute symetrickaacute pylovaacute mitoacuteza mutanta daacutevaacute dvě stejneacute buňky jedna extra- vegetativniacute (sterilniacute sidecar) a druhaacute regvegetativniacute a generativniacute mutace nevede ke sterilitě n QUARTET (QRT) reg gen je vyžadovaacuten k separaci pylovyacutech zrn u mutantů jsou stěny meiotickyacutech produktů pyloveacute mateřskeacute buňky fuacutezovaacuteny a zrna se uvolňujiacute v tetraacutedaacutech

samičiacute makrogametofyt n FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED (FIS) a FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) reg geny hrajiacute regulačniacute role ve vyacutevinu semene po oplozeniacute u mutantů se diploidniacute jaacutedra endospermu vyviacutejejiacute bez oplozeniacute pak atrofujiacute mutace neovlivňujiacute vaječnou buňku - procesy embryogeneze a vyacutevinu endospermu jsou odlišneacute n MEDEA (MEA) reg mutace genu způsobuje hypertrofii a zaacutenik embrya neniacute jasneacute na jakeacute uacuterovni se gen projevuje zaacuterodečnyacute vak endosperm nebo maternaacutelně imprintovanyacute embryonaacutelniacute gen

Biotechnologie ve šlechtěniacute rostlin Selektivniacute šlechtěniacute rostlin - přiacuterodniacute genetickeacute diverzity rostlin Techniky překonaacuteniacute barieacuter šlechtěniacute

Barieacutery Technika překonaacuteniacute Před oplodněniacutem

selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute pestiacuteku

pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony

pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro

selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů

odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute

abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry

sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

vyacutevoj semen

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

Škůdci v historii naacutelety sarančat (Staryacute zaacutekon)

ochrana saze tabaacutek

začaacutetek 19 stol - siacutera na houboveacute patogeny 1939 objev DDT uacutečinek na hmyz teorie bdquohmyz se může staacutet rezistentniacuteldquo 1948 Nobelova cena P Muumlller

50 leacuteta 20 st - herbicidy - postřiky na plevele ( rezistence na herbicid) 1972 zaacutekaz DDT (vyacutejimka - boj s malaacuteriiacute v Africe - naacutevrat DDT)

škůdce - hmyz hliacutestice 1861 - v Americe Iowa Nebraska 1880 1 pesticid v S Americe arzeacutenem bdquoParis greenldquo

S rostouciacute intenzitou pěstovaacuteniacute roste hospodaacuteřskyacute vyacuteznam škodlivyacutech organismů objem škod se zvyšuje staacutele přibyacutevajiacute noveacute druhy škodlivyacutech organismů zavaacutedějiacute se staacutele noveacute prostředky

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin - hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy

1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho

obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

ROS Reactive oxygen species reaktivniacute formy kysliacuteku SAR Systemic acquired resistance systeacutemově ziacuteskanaacute rezistence = neinfikovaneacute buňky začiacutenajiacute s přiacutepravou na atak patogena

napadeneacute rostliny uvolňujiacute signaacutelniacute molekuly (těkaveacute laacutetky - druhově specifickeacute) a varujiacute okolniacute rostliny ještě před napadeniacutem hmyzem

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin -hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy 1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

produkujiacute u různyacutech rostlin různě - sekundaacuterniacute metabolity - odstrašeniacute nebo zničeniacute patogena - proteiny inhibujiacuteciacute aktivitu zažiacutevaciacutech enzymů hmyzu - enzymy degradujiacuteciacute buněčnou stěnu hub (chitinaacutezy) - proteiny inhibujiacuteciacute překlad proteinů u škůdce - antiviroveacute složky degradujiacuteciacute virovou RNA blokujiacute vstup do buňky zastavujiacute replikaci

geny ktereacute bdquoSARldquo zapiacutenajiacute zvyšujiacute rezistenci rostliny

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům - již v čaacutesti fytotatologie

Co je plevel soutěžiacute s plodinou o živiny světlo a prostor intenziacutevně roste podiacuteliacute se na šiacuteřeniacute chorob a škůdců

lat herba - rostlina řeč cidoacute - ničiacutem

Vznik rezistence plevelů vůči některyacutem herbicidniacutem laacutetkaacutem = reakce plevelnyacutech druhů na podmiacutenky současneacuteho pěstovaacuteniacute rostlin = dlouhodobeacute působeniacute herbicidů

Vyacutevoj plevelů na zemědělskeacute půdě v naacutevaznosti na skladbu pěstovanyacutech plodin Vznik rezistence plevelů vůči herbicidům Problematika invaziacute a expanziacute plevelů

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům

Rezistenci vůči herbicidům způsobujiacute biochemickeacute fyziologickeacute změny nebo morfologickeacute odlišnosti ktereacute ovlivňujiacute přiacutejem herbicidů rostlinou

- degradujiacute herbicid

- měniacute jeho biochemickou funkci v rostlině

- pozměňujiacute miacutesto na ktereacute herbicid v rostlině působiacute

Rezistence rostlin vůči herbicidům dědičnaacute schopnost odolaacutevat takoveacute daacutevce herbicidů při ktereacute by za normaacutelniacutech okolnostiacute byla populace potlačena

směr pro šlechtěniacute

Aplikace rostlinnyacutech biotechnologiiacute v životniacutem

prostřediacute

takto nebo takto

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Těžba a zpracovaacuteniacute surovin(těžkeacute kovy- Cd Pb prach) Průmyslovaacute vyacuteroba (barviva)

Skladovaacuteniacute (haldy kaliště sklaacutedky) Zemědělstviacute (pesticidy herbicidy)

Domaacuteciacute odpad (leacutečiva detergenty praciacute prostředky)

čin

no

st č

lově

ka

půda voda ovzdušiacute

znečištěniacute

degradace organismy produkujiacuteciacute laacutetky (enzymy) pro

ciacutelenyacute rozklad

organismy snižujiacuteciacute toxicitu toxickeacute laacutetky metylaciacute dehalogenace hydroxylace hydrolyacuteza deaminacehellip

substraacutet je zdrojem C a energie

dekontaminace

+ katastrofy Černobyl vaacutelečneacute konflikty

remediace = navraacuteceniacute k původniacutemu stavu

Biodegradace všechny přirozeneacute procesy ktereacute jsou uskutečňovaacuteny bakteriemi a jinyacutemi mikroorganizmy nebo vyššiacutemi organismy ktereacute vedou k destrukci organickyacutech molekul = organickyacute substraacutet je přeměňovaacuten až na CO2 Bioremediace (bakterie houby)

spočiacutevaacute v akceleraci přirozenyacutech biodegradačniacutech procesů nebo v ciacuteleneacute biodegradace - vede k ozdraveniacute kontaminovaneacuteho prostřediacute - detoxifikace měniacute se na netoxickeacute = neškodneacute laacutetky - aplikaciacute mikroorganismů

Fytoremediace (rostliny) niacutezkaacute cena

využitiacute rostlin k odstraněniacute toxickeacute zaacutetěže (těžkeacute kovy) řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny Zooremediace (zviacuteřata)

zpracovaacuteniacute odpadů pomociacute zviacuteřat bezobratliacute - perlorodky měkkyacuteši

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

nevyacutehody pomalaacute viacutece než 2 roky maleacute rozměry vhodnyacutech rostlin maacutelo druhů vhodnyacutech rostlin neniacute 100 probleacutem s rostlinnyacutem odpadem - potřeba zvlaacuteštniacutech sklaacutedek spadeneacute listiacute

- řiacutezeneacute spalovaacuteniacute

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacute len slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

vyacutehody mineralizace organickyacutech sloučenin niacutezkeacute naacuteklady pasiacutevniacute metoda bez transportu kontaminovaneacute půdy energie ze slunečniacuteho zaacuteřeniacute nepoškozuje okoliacute - sniacuteženiacute prašnosti

estetickyacute přiacutenos etickyacute uacutečinek (veřejnosti přijatelnyacute)

2005 cca 450 rostlinnyacutech druhů - tzv bdquohyperakumulaacutetoryldquo 100 x vyššiacute akumulace než u ostatniacutech rostlin

teorie vzniku - obrana vůči hmyzu - hmyz preferuje

niacutezkeacute koncentrace kovu

Thlaspi careulescens

X bagrovaacuteniacute kontaminovaneacute zeminy transport zeminy dekontaminace

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute přiacutejem kořeny - z půdy přiacutejem nadzemniacute čaacutestiacute rostliny - vyacutefukoveacute plyny

akumuluje

degraduje

detoxifikuje

roste na kontaminovaneacute půdě

produkuje velkeacute množstviacute biomasy

tolerantniacute k salinitě a jinyacutem toxickyacutem podmiacutenkaacutem

poskytuje ekonomickeacute hodnoty - textilniacute vlaacutekna (len konopiacute)

GMO - gen fytovolatizace - bakteriaacutelniacute geny transformovaacuteny do rostlin transgeny merA a merB fytoextrakce - gen gsh1 a gsh2 z E coli do Brassica juncea

potenciaacutel je v GMO rostlinaacutech

Laboratoř rostlinnyacutech biotechnologiiacute Společnaacute laboratoř UacuteEB AV ČR vvi A VUacuteRV vvi Akademie věd Českeacute Republiky Mendelova univerzita v Brně Uacutestav experimentaacutelniacute botaniky AV ČR Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby v Praze Metoda použita na čištěniacute uranem a radiem znečištěneacute vody v Mydlovarech - kořenovaacute čistiacuterna

ideaacutelniacute rostlina

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

proces substraacutet ciacutel rostlina

fytoextrakce fytoakumulace

odstraněniacute toxickyacutech laacutetek z půdy a vody - akumulaciacute rychle rostouciacute rostlinou (zůstaacutevaacute v rostlině)

půda sedimenty kaly odpadniacute vody

toxickeacute kovy radionuklidy

Thlaspi sp Brassica sp

fytostabilizace ciacuteleneacute pěstovaacuteniacute tolerantniacutech druhů zamezeniacute eroziacute

půda haldy odkaliště těžkeacute kovy dlouheacute a bohateacute kořeny

fytovolatizace odstraněniacute Hg pomociacute genu koacutedujiacuteciacuteho reduktaacutezu Hg2+ na Hg0

a uvolněniacute do ovzdušiacute

půdy sedimenty odkaliště průmysloveacute a zemědělskeacute odpadniacute vody

kovy - Se Hg chlorovanaacute rozpouštědla

stromy traacutevy Brassica sp

fytodegradace degradace kontaminantů rostlinou na netoxickeacute laacutetky

půdy sedimenty odkaliště odpadniacute vody

ropneacute laacutetky pesticidy detergenty

stromy traacutevy

rhizofiltrace odstraněniacute pomociacute rostlinnyacutech kořenů

povrchoveacute vody odpadniacute vody

těžkeacute kovy - Co Cu Cr Mn Ni radionuklidy

Brassica sp Helianthus vodniacute rostliny hydroponie

superrostliny

niacutezkeacute naacuteklady

kořenovaacute čistička = umělyacute mokřad oddělenyacute od okoliacute nepropustnou foacuteliiacute využiacutevaacute samočisticiacutech procesů probiacutehajiacuteciacutech v propustneacutem půdniacutem prostřediacute za spoluuacutečasti rostlin čištěniacute odpadniacutech vod z domaacutecnostiacute sklaacutedek a některyacutech průmyslovyacutech provozů

Rhizofiltrace

httpwwwnemcoviceczcontentviewfull3607

rostliny s vysokyacutemi

naacuteroky na vyacuteživu

+

bakterie

může zapaacutechat

5x - 10 x nižšiacute naacuteklady

Člověk čistiacute odpadniacute vodu za pomoci zařiacutezeniacute

ale přiacuteroda to zvlaacutedaacute bez přiacutestrojů a mnohem levněji

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute niacutezkeacute naacuteklady

rostlina chemickaacute sloučenina

pšenice 24 -D MCPA jako zdroj uhliacuteku

kukuřice atrazin degradace atrazinu mikroorganismy rhizosfeacutery

fazole diazinon parathion mineralizace v rhizosfeacuteře

luštěniny nafta

Kučerovaacute et al 1999 Chemickeacute listy

přiacutejem - velikost kořenoveacuteho systeacutemu přiacutestupnost pro rostlinu např chelaacutety

transport rostlinou - apoplast (difuacuteziacute)

symplast (specifickeacute přenašeče)

miacutesto uskladněniacute hustota rostlin v porostu

zaacutevažnějšiacute ekologickyacute a toxikologickyacute vyacuteznam přibližně 16 prvků (Fe Mo Mn Zn NiCo Cu V W Cr Hg Pb Cd Sb Ag a U)

Budoucnost fytoremediaciacute niacutezkeacute naacuteklady

Fytoremediace v praxi

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Ural 1953 odstraněniacute těžkyacutech kovů

Amana Iowa hybridniacute topoly atrazin odstraněna čaacutest až 20

Beaverton Kreton

hybridniacute topoly

organickeacute laacutetky kovy

a amonneacute sloučeniny

celkoveacute vyčistěniacute oblasti

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Fukušima 113 2011 slunečnice radioaktivniacute cesium dekontaminace půdy

Černobyl 2641986 slunečnice jabloně

cesium stroncium dekontaminace půdy povrchoveacute vody

paacutes 30 km - likvidace radioaktivniacutech rostlin

nebudou spaacuteleny rozloženy a kompostovaacuteny - speciaacutelniacute bakterie

slunečnice spotřebovaacutevajiacute z půdy drasliacutek kteryacute patřiacute mezi alkalickeacute kovy stejně jako cesium drasliacutek neniacute v půdě přiacutetomen květiny využijiacute praacutevě druhyacute prvek - Cs

Biotechnologie v ŽP niacutezkeacute naacuteklady

fytomining - fytodobyacutevaacuteniacute fytodolovaacuteniacute

ziacuteskaacutevaacuteniacute kovů z rostlin kde klasickaacute těžba je nevyacutehodnaacute rostliny - bdquotěžaři vzaacutecnyacutech kovůldquo a polokovů AuTh Co U Cd Ni Cu Mn

v rostlinaacutech hyperakumulaacutetorech je akumulace prvku sušina rostliny jako -ldquobio-rudaldquo

vyacutehody

- obsah kovu v bdquobio-ruděldquo je vyššiacute než v běžneacute rudě

- meacuteně skladovatelneacuteho miacutesta

- zelenaacute technologie jako alternativa

fytomining Ni pomociacute Alyssum bertolonii

Robinson et al 1997 The nickel hyperaccumulator plant Alyssum bertolonii as a potential agent for phytoremediation and phytomining of

nickel Journal of Geochemical Exploration59(2)75-86

zlatonosneacute rostliny

zlataacute jablka

zlateacute kapradiacute

hledaacuteniacute nalezišť

technologie budoucnosti

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute bioplasty z biomasy (škroby tuky) nahrazujiacute fosilniacute zdroje vyacutehodou je biodegradace biopaliva rostlinnyacute materiaacutel a řasy bioethanol GMO rezistentniacute rostliny vůči postřikům hmyziacutem škůdcům transfer genů pro symbiotickou fixaci dusiacuteku z luštěnin do dalšiacutech plodin přenos genů z bdquoC4ldquo do bdquoC3ldquo rostlin pro dosaženiacute uacutečinnějšiacute fotosynteacutezy (ryacuteže)

Transgenoziacute se přenaacutešiacute přirozeneacute geny vznikleacute evoluciacute z jednoho organismu do druheacuteho kteryacute se s daacutercem genu obvykle

nemůže křiacutežit pouze dokaacuteže přenosy mezi vyacutevojově ještě vzdaacutelenějšiacutemi organismy

Geny použiacutevaneacute při transgenosi jsou braacuteny z přiacuterody např gen v soacuteji tolerujiacuteciacute glyfosaacutet - je z bakterie rodu Agrobacterium

Klasičtiacute šlechtiteleacute takto pracujiacute daacutevno např smiacutechali geny pšenice a žita

GMO

Transgenoze ndash vnaacutešeniacute znaacutemyacutech jednotlivyacutech genů do dědičneacuteho

zaacutekladu (poprveacute 1978)

Pro přenos - Agrobacterium tumefaciens A rhizogenes E coli

httpblogscassuffolkeduiglesias20140424gmos

GMO bez obalu httpwwwbezpecnostpotravinczUserFilespublikaceGMO_web_1pdf

GMO - transgenniacute rostliny CARTAGENSKYacute PROTOKOL o biologickeacute bezpečnosti 29 1 2000 Montreal (OSN ndash program pro životniacute prostřediacute UNEP) platnost 11 9 2003

ČR podepsala 24 52000 (gmovschtcz) nyniacute 160 staacutetů

opatřeniacute ve staacutetech ktereacute se připojiacute k projektu (dovoz vyacutevoz transport)

vzdělaacuteniacute odborniacuteků a informovaacuteniacute veřejnosti

vytvořeniacute noveacute legislativy GMO (wwwenvcz )

spolupraacutece při vyacuteměně zkušenostiacute

Svět 2010 - viacutece než 150 mil ha viacutece než 20 zemiacute

pro vegetačniacute čaacutesti

nebo plody

CIacuteL PROTOKOLU - zajistit ochranu a bezpečnost při zachaacutezeniacute využiacutevaacuteniacute a přenosu živyacutech modifikovanyacutech organismů ktereacute jsou vyacutesledkem moderniacutech biotechnologiiacute a ktereacute mohou miacutet nepřiacuteznivyacute vliv na zachovaacutevaacuteniacute biologickeacute rozmanitosti a zdraviacute člověka Protokol je zaměřen předevšiacutem na převoz GMO přes hranice staacutetů a maacute ochraňovat zejmeacutena staacutety kteryacutem dosud chybiacute vlastniacute vnitrostaacutetniacute praacutevniacute předpisy v oblasti GMO

GMO - transgenniacute rostliny historie

EVROPA

SRN - Max-Planck-Institut

Belgie - Universita Ghent

Švyacutecarsko- ETH Zurych

ČR - Biofyzikaacutelniacute uacutestav Brno (Agrobacterium jako vhodnyacute přenašeč genů)

ČR - UacuteEB ČSAV Českeacute Budějovice (metody modifikaciacute)

2010 1 transgenniacute hraacutech v Evropě (ČR Agritec Šumperk)

transgenniacute len - oleje

FYTOPATOLOGIE IN VITRO

Fytopatologie in vitro

in vitro selekce = kultivace buněk se selekčniacutem činitelem (fitraacutet inokulum toxin)

ndash přežiacutevajiacuteciacute buňky jsou regenerovaacuteny do rostlin resistentniacuteho fenotypu

Studium interakce rostlina x patogen v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

Druh Patogen Typ biologickeacuteho testu Ciacutel

Coffea arabica Colletotrichum kahawae růst houby na kalusech vyacuteběr rezistentniacutech genotypů

Vitis vinifera Elsinoe ampelina růst kalusu na meacutediu s patogenem testy rezistence

Lycopersicon aes Alternaria alternata testy na izollistech in vitro hodnoceniacute toxicity

Pinus taeda Cronartium quercuum embryokultury s houbami vyacuteběr rezistentniacutech embryiacute

Triticum aestivum Microdochium nivale listy semenaacutečky in vitro vyacuteběr rezistentniacutech kultivarů

ozdravovaacuteniacute rostlin

klonoveacute množeniacute rezistentniacutech taxonů

Page 8: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,

Použitaacute literatura Bajaj Y P S Somatic hybridization in crop improvement 1994

Callaway D J Callaway M B Breeding ornamental plants Timber Press Oregon 2000

George E F Plant propagation by tissue culture The technology Exegetics Limited Edington 1993

Hall R D Plant cell culture protocols Humana Press Totowa (NJ) 1999

Heldman D R Wheler M B Hoover DG Encyklopedia of biotechnology in agriculture and food CRC Press 2011

Kreuzer H Massey A Biology and biotechnology Science Applications and issues ASM Press Washington DC 2005

Lindsey K Plant tissue culture Manual Kluwer Academic Publishers London 1992

Kučerovaacute P Mackovaacute M Macek T Chemickeacute listy 93 19-26 1999

Murphy D Plants biotechnology and agriculture Cambridge University Press 2011

Ovesnaacute J Kučera L Otaacutezky biologickeacute bezpečnosti GMO a mezinaacuterodniacute zaacutevazky ČR Sborniacutek VUacuteRV Praha 2004

Prochaacutezka S a kolektiv Fyziologie rostlin Academia 1998

Smith R H Plant tissue culture Techniques and experiments Second edition Academic Press 2000

Smith J E Biotechnology Cambridge 2009

Trigiano R N Gray D J Plant development and biotechnology CRC Press 2005

Biotechnologie

Biotechnologie jsou na zaacutekladě Evropskeacute federace pro biotechnologii (EFB) z roku 1981 definovaacuteny jako

bdquoSoubor postupů založenyacutech na technologiiacutech při nichž se využiacutevaacute metabolickeacuteho potenciaacutelu mikroskopickyacutech organizmůldquo Jsou to interdisciplinaacuterniacute obory zahrnujiacuteciacute a využiacutevajiacuteciacute poznatky mikrobiologie biochemie chemie a přiacuteslušnyacutech průmyslovyacutech odvětviacuteldquo wwwscimuniczmikrobkvasbiotechbiotechnologiebiotechnologiehtml

Multidisciplinaacuterniacute povaha (Smith 2009)

Biotechnologie podle definice OECD představuje aplikovaacuteniacute vědeckyacutech a technologickyacutech metod na živeacute organismy a jejich čaacutesti produkty nebo modely za uacutečelem přeměny živyacutech i neživyacutech materiaacutelů pro vytvaacuteřeniacute znalostiacute zbožiacute a služeb

z řečtiny bios + techne + logos

život + dovednost + znalost

staraacute definice

novaacute definice

OECD Organizace pro ekonomickou spolupraacuteci a rozvoj Organisation for Economic Co-operation and Development

Biotechnologie

BIOTECHNOLOGIE novyacute nebo staryacute vynaacutelez biotechnologie průmysloveacute zemědělskeacute leacutekařskeacute biotechnologie mikrobiaacutelniacute živočišneacute rostlinneacute obsah i dosah

biologickyacute psychologickyacute ekonomickyacute ekologickyacute (postoj Amišů ndash meacuteně pesticidů neniacute v rozporu s jejich životniacutem stylem rizika při uvaacuteděniacute do životniacuteho prostřediacute) etickyacute - oteviacuteraacuteme bdquoPandořinu skřiacutenkuldquo

- věda jako zachraacutence nebo nepřiacutetel lidstva

odpor GMO plodinaacutem potravinaacutem

akceptovatelneacute rezistentniacute plodiny k herbicidům

BIOTECHNOLOGIE - rozvoj 21 stoletiacute - integrovanaacute aplikace přiacuterodniacutech a inženyacuterskyacutech věd - ciacutelem je využitiacute organismů a čaacutestiacute organismů k vyacuterobě produktů nebo použitiacute různyacutech metod (postupů)

ČLENĚNIacute PODLE ODVĚTVIacuteZAMĚŘENIacute ČERVENAacute BIOTECHNOLOGIE (mediciacutena a farmacie) - leacutekařstviacute je považovaacutena za nejdůležitějšiacute oblast použitiacute - biotechnologickeacute postupy rostouciacute roli při vyacutevoji novyacutech leacuteků (např k leacutečbě rakoviny) diagnostice (DNA) využitiacute kmenovyacutech buněk při leacutečbě zaacutevažnyacutech chorob

ZELENAacute BIOTECHNOLOGIE (zemědělstviacute a potravinaacuteřstviacute) bdquoRostlinneacute biotechnologieldquo nejstaršiacute - moderniacute šlechtěniacute rostlin ciacuteleně se zvyšujiacute odolnosti proti hmyzu pliacutesniacutem virům a herbicidům - vyacuteznam genoveacute techniky kteraacute je zaacutekladem pro přenos určityacutech genů z jednoho druhu na jineacute rostliny a umožňuje vyacutevoj odolnosti vůči hellip

ŠEDAacute BIOTECHNOLOGIE (životniacute prostřediacute-environmentaacutelniacute) - obnoveniacute znečištěneacuteho prostřediacute biomonitoring - indikaacutetory znečištěniacute - biotechnologickeacute postupy při sanaci půdy uacutepravě odpadniacutech vod čištěniacute vyacutefukovyacutech plynů využitiacute odpadu

BIacuteLAacute BIOTECHNOLOGIE (často spojovanaacute s šedou biotechnologiiacute) - chemickyacute průmysl vyprodukovat substance jako např alkohol vitamiacuteny aminokyseliny antibiotika enzymy způsobem ktereacute šetřiacute zdroje a životniacute prostřediacute s pomociacute živyacutech buněk (kvasinky pliacutesně bakterie)

MODRAacute BIOTECHNOLOGIE mořskeacute biologie biologickeacute organismy světovyacutech mořiacute - zdroje potravin energie leacutečiv surovin - bioprocessing šlechtěniacute a ochrana mořskyacutech organismů ciacutelenyacute chov vodniacutech organismů (aquaculture )

ZELENAacute BIOTECHNOLOGIE (zemědělstviacute a potravinaacuteřstviacute)

bdquoRostlinneacute biotechnologieldquo nejstaršiacute - moderniacute šlechtěniacute rostlin = ciacuteleně se zvyšujiacute odolnosti vůči hmyzu pliacutesniacutem virům a herbicidům - genoveacute techniky = přenos určityacutech genů z jednoho druhu na jinyacute umožňujiacute vyacutevoj odolnosti vůči hellip - využitiacute bakteriiacute ke zvyacutešeneacutemu růstu rostlin

- biomonitoring = využitiacute rostlin jako indikaacutetorů znečištěniacute půdy (kovy) - fytomining

Rostlinneacute biotechnologie

Kde by lideacute byli bez rostlin

Historie rostlin čas před proces vyacuteznam

45 miliardy let tvorba země nemožnyacute život

39 oceaacuteny voda je předpokladem pro uhliacutek-založenyacute život

35 nejstaršiacute cyanobacteria efektivnějšiacute fotosynteacuteza- rychlejšiacute růst O2

24 kysliacutek v atmosfeacuteře aerobniacute org postupně převažujiacute nad aerobniacutemi

21 endosymbioacuteza mezi cyanobacterium a eukaryotniacutem hostitelem prvniacute fotosyntetizujiacuteciacute eukaryotickyacute org -

jednobuněčnaacute řasa

16 mnohobuněčneacute řasy zeleneacute a červeneacute řasy

13 v atmosfeacuteře 3 O2 dominujiacute aerobniacute org nad aerobniacutemi

1 zvyšujiacuteciacute se počet mořskyacutech řas zvyacutešeniacute atmosfeacuterickeacuteho 02

750 milioacutenů mnohobuněčneacute zeleneacute řasy začaacutetek buněčneacute specializace

550 v atmosfeacuteře 12 O2

500 prvniacute suchozemskeacute rostliny eukaryotickaacute kolonizace země

470 prvniacute spory jaterniacutekům podobneacute rostliny

428 Cooksonia 2-3 cm velkeacute steacutelka Bryophyta s dominantniacute haploidniacute generaciacute

ceacutevnateacute rostliny bez semen- mechy přesličky kapradiny převažuje 2n generace

360 nejstaršiacute fosilniacute nahosemenneacute

140 nejstaršiacute krytosemenneacute

85 nejstaršiacute obiloviny

68 nejstaršiacute luštěniny adaptace na deficit N2

11 tisiacutec let domestifikace rostlin vliv člověka na rostliny

500 let globalizace zemědělskyacutech plodin světoveacute rozšiacuteřeniacute domestifikovanyacutech rostlin

300 člověkem prvniacute vyrobeneacute hybridniacute rostliny zaacuteměrneacute vytvaacuteřeniacute novyacutech druhů pro člověka

100 začaacutetek vědeckeacuteho šlechtěniacute rostlin manipulace s genomem a fenotypem rostlin

30 prvniacute transgenniacute rostlina novyacute gen do rostlinneacuteho genomu

20 prvniacute schvaacutelenaacute GMO rostlina - potravina rajče cv FLAVR SAVR Murphy 2011

6000 pnl produkce piva fermentaciacute (kvašeniacutem) Babyloacuteňaneacute Sumeroveacute

4000 pnl využitiacute kvasinek ve vyacuterobě piva a viacutena v Egyptě a Čiacuteně (znaacutem ječmen)

1675 Leeuwenhoek pozoroval bakterie

1860 Koch - rozvoj mikrobiologie

1857 Pasteur demonstrace fermentace - otec biotechnologiiacute

1877 Koch vypracoval techniky izolace a barveniacute bakteriiacute

1919 Ereky zavedeniacute termiacutenu biotechnologie

1935 Fleming objev peniciliacutenu - zavedeniacute sterilizace

1953 Watson a Crick popis struktury DNA

1975 Kohler a Milstein - produkce monoklonaacutelniacutech protilaacutetek

1978 produkce 1 lidskeacuteho proteinu v buňce firmou Genntech (USA) = inzuliacuten 1 praktickeacute využitiacute

1980 zavedeniacute metod rekombinantniacute DNA produkce inzuliacutenu v E coli

1994 schvaacuteleniacute prvniacute geneticky modifikovaneacute potraviny ndash rajče

1996 klonovaacuteniacute ovce Dolly Wilmuth a kol

Biotechnologie - historie

vyacuteroba jiacutedla a naacutepojů procesy vyviacutejeny za nesterilniacutech podmiacutenek zavedeniacute sterilniacutech podmiacutenek do biotechnologickyacutech procesů aplikace genetiky a technologie rekombinantniacute DNA

přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

nevyacutehoda - nekontrolovaneacute

zavedeniacute lidskeacuteho genu určujiacuteciacuteho produkci specifickeacute biacutelkoviny (inzuliacutenu) do bakterie pomociacute plazmidu - po zabudovaacuteniacute do genetickeacuteho aparaacutetu hostitelskeacute buňky je bakterie schopna produkovat AMK v přesně daneacutem pořadiacute a syntetizovat

lidskyacute inzuliacuten

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve

velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 11 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1843 superfosfaacutet hellip intenzivniacute hnojeniacute v zemědělstviacute

1849 Darwin - vznik druhů přirozenou selekciacute (cesta kolem světa Galapaacutegy)

1846-1850 krize monokultur - bdquobramborovyacuteldquo hladomor v Irsku (Phytophtora infestans)

1857 Pasteur - fermentace - otec biotechnologiiacute

1866 Mendel - publikuje svoje zaacutekony (znovu objeveny 1900)

1869 Miescher - objevuje DNA

1902 Haberlant - totipotence rostlinneacute buňky

1910 odrůda brambor Bintje (Holandsko) - odrůda roku 2012

1919 Ing Karl (Kaacuteroly) Ereky - termiacuten biotechnologie

migrace do Ameriky

technologie přeměny surovin na využitelneacute produkty pomociacute živyacutech organismů

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho

průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 10 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1923 Burbank USA - křiacuteženci bramboru odrůda

bdquoRUSSET BURBANKldquo (skladovatelnost hliacutez)

1933 prvniacute hybridi kukuřice

1941 Beadle a Tatum - hypoteacuteza 1 gen-1 enzym

1941 24-D (syntetickyacute auxin) jako prvyacute moderniacute herbicid

1950 1 radiomutanti chemomutanti řepka pšenice ryacuteže biacuteleacute fazole

ječmen (1965 - DIAMANT)

1960 ndash1970 ldquozelenaacute revoluceldquo zakrsliacute hybridi - Norman Borlaug

1970 NC miacuteru

1969 Triticale (Triticosecale tritikale žitovec - hybridniacute obilnina Triticum x Secale)

REKOMBINANTNIacute TECHNIKY

1985 prvniacute GM rostliny na poliacutech v UK

1995 odrůda bdquoBT NEW LEAF RUSSET BURBANKldquo

1998 zlataacute ryacuteže

2010 1 GMO hraacutech (Agritec)

I GMO odrůda brambor - odolnaacute vůči mandelince bramboroveacute vložen gen z bakteacuterie Bacillus thuringiensis produkujiacuteciacute protein narušujiacuteciacute vnitřnosti mandelinky

Mexiko 1943 import frac12 spotřeby pšenice 1944 plnaacute soběstačnost pšenice 1964 export 05 milionů tun pšenice

httpenwikipediaorgwikiNorman_Borlaug

Budoucnost biotechnologiiacute v ČR bdquoBiotechnologie jsou celosvětově nejprogresivnějšiacutech oblast vyacutezkumu vyacutevoje a podnikaacuteniacuteldquo

produkce viacutena - 1 psanaacute zmiacutenka r 276 (na Paacutelavě řiacutemskeacute legie) produkce piva - 11 stoletiacute syacutery destilaacutety 14 stoletiacute 1356 - kraacutelovskyacute dekret o produkci viacutena v Českyacutech zemiacutech alchymie (Rudolf II) 1518 - založeniacute Paliacuterny U Zeleneacuteho stromu v Prostějově 1887 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu pivovarskeacuteho a sladařskeacuteho v Praze 1949 - průmyslovaacute produkce peniciliacutenu v Roztokaacutech u Prahy 1966 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu antibiotik a transformaciacute (již neexistuje)

wwwbiotrincz wwwgate2biotechcz

AV ČR Univerzity Vyacutezkumneacute uacutestavy Šlechtitelskeacute stanice

kaacutemen mudrců elixiacuter mlaacutediacute přeměna hmoty

glukosa + kvasinky etanol + oxid uhličityacute přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces carlsbergensis

Biotechnologie v ČR

18 prosince 2008 bylo založeno sdruženiacute CzechBio - asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR zspo 1 asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR spojuje třicet soukromyacutech biotechnologickyacutech společnostiacute a akademickyacutech uacutestavů podpora spolupraacutece komerčniacute sfeacutery s vědeckou httpwwwczechbioorgcs

projekt Algatech ndash Centrum řasovyacutech biotechnologiiacute vyacutevoj novyacutech kultivačniacute zařiacutezeniacute a postupů na zpracovaacuteniacute řasoveacute biomasy pro vyacuterobu biopaliv krmiv potravniacutech doplňků a cennyacutech laacutetek Mikrobiologickyacute uacutestav Akademie věd ČR Třeboň

Centrum regionu Hanaacute pro biotechnologickyacute a zemědělskyacute vyacutezkum

UPOL + VUacuteRV + UacuteEB AV ČR - vytvaacuteřeniacute zemědělskyacutech plodin s vyššiacutemi vyacutenosy toleranciacute vůči nepřiacuteznivyacutem vlivům vnějšiacuteho prostřediacute

- transformace rostlin ječmene a dalšiacutech obilnin

wwwcr-hanaeu

Biotechnologie v ČR

wwwalgaczcscs-algatechhtml

Českaacute technologickaacute platforma rostlinnyacutech biotechnologiiacute ndash rozvoj biotechnologiiacute v ČR = Rostliny pro budoucnost (ČTP RB) - nepotravinaacuteřskeacute využitiacute rostlin vedlejšiacutech produktů odpadů - vyacutevoj novyacutech odrůd kulturniacutech rostlin - uplatněniacute rostlinnyacutech biotechnologiiacute v raacutemci životniacuteho prostřediacute

httpwwwczechinvestorgceska-technologicka-platforma -rostlinnych-biotechnologii

selekce - vyacuteběr nejlepšiacutech rostlin křiacuteženiacute GMO

Přiacuteklad šlechtěniacute - novyacute typ ryacuteže - maleacute vzpřiacutemeneacute listoveacute čepele - hodně odnožiacute - žaacutedneacute neproduktivniacute odnože - silneacute steacuteblo - C3 ryacuteže na C4 ryacuteže

Rostlinneacute biotechnologie Co pěstujeme na poliacutech v zahradaacutech a v sadech a co naacutesledně jiacuteme prošlo za několik tisiacuteciletiacute proměnou Prvniacute změna - předkoveacute opustili životniacute styl lovců a sběračů a stali se pěstiteli zemědělskyacutech plodina a chovateli hospodaacuteřskyacutech zviacuteřat

zlataacute ryacuteže geny z 5 různyacutech druhů

- Phaseolus vulgaris pro ferritin - Aspergilus fumigatus - ferritin - ryacuteže Basmati - ferritin - Narcissus pseudonarcissus synteacuteza karotenu - Erwinia uredovora - synteacuteza karotenu

bdquozlataacute ryacuteželdquo tvořiacute zvyacutešeneacute množstviacute provitaminu A zabraacuteniacute hladu zachraacuteniacute zrak vznikla na požadavek humanitaacuterniacute organizace bdquoHumanitarien Rice Boardldquo kteraacute se snažiacute řešit probleacutemy s nedostatkem potravy v nejchudšiacutech čaacutestech našiacute planety

švyacutecarskyacute genetik Ingo Portykus a německyacute genetik Peter Bayer

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute

ekologickaacute udržitelnost kvantita a kvalita zaacutekladniacutech zdrojů zemědělstviacute ekonomickaacute udržitelnost zemědělskaacute produkce (uacuteroda na ha) a zisk cena za produkty sociaacutelniacute (společenskaacute) udržitelnost kvalita života zemědělců vysokaacute kvalita potravin bez rizika na zdraviacute a prostřediacute

Co je udržitelneacute zemědělstviacute Mohou biotechnologie pomaacutehat

snižovaacuteniacute kvality zaacutekladniacutech zdrojů vyčerpaacuteniacute zaacutekladniacutech zdrojů

Vyhliacutedky na budoucnost

naacuterůst počtu obyvatel

zvyacutešeniacute životniacuteho standardu

pokles plochy orneacute půdy

pokles pracovniacuteků v zemědělstviacute

naacuterůst cen potravin

Naacuterůst zemědělskeacute produkce s využitiacutem biotechnologiiacute

šlechtěniacute (rezistence k chorobaacutem)

noveacute plodiny

nutričniacute kvalita plodin

ochrana rostlin

bezpečnost produktů

hybnou silou biotechnologiiacute je naacuterůst obyvatel Kolik lidiacute by mělo žiacutet na planetě Zemi

Rostlinneacute biotechnologie

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute mutace s naacuteslednou selekciacute odchylek noveacute techniky EK ciacutelenyacute přenos genů

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

prvniacute zemědělci

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) BT prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute MUTACE s naacuteslednou selekciacute odchylek - odrůda ječmene bdquoDIAMANTldquo

noveacute TECHNIKY EK VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

ciacutelenyacute přenos genů GMO

CO BUDE DAacuteL zvyšovat vyacutenosy BUDE VĚTŠINA PĚSTOVANYacuteCH ZEMĚDĚLSKYacuteCH PLODIN TRANSGENNIacute

vznik zemědělstviacute

1954

jsme moudřejšiacute

maacuteme většiacute možnosti

Počaacutetek EK 1902 Gottlieb Haberland segmenty listů 1904 Hannig zralaacute embrya

Potenciaacutel rostlinneacute buňky a podstata

explantaacutetovyacutech kultur rostlin

metody a jejich aplikace

ve šlechtěniacute rostlin

EK - historie

TOTIPOTENCE rostlinneacute buňky genetickeacute informace - jaacutedro plastidy mitochondrie

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

daacute se přeneacutest v raacutemci šlechtěniacute

blok totipotence

vyjaacutedřeniacute totipotence 1 dediferenciace buňky do buněčneacuteho cyklu a pokračovaacuteniacute v děleniacute 2 rediferenciace - tvorba organickyacutech struktur - přiacutemaacute regenerace tvorba kalusu - nepřiacutemaacute regenerace

vliv růstovyacutech regulaacutetorů

Rostlinneacute biotechnologie prvniacute generace - od explantaacutetovyacutech kultur po GMO

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute rostlin - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

Explantaacutet = aseptickaacute kultivace izolovanyacutech čaacutestiacute rostlin za umělyacutech podmiacutenek

EXPLANTAacuteTOVEacute KULTURY - VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

EK - historie

Metody EK využitelneacute v zemědělstviacute Meristeacutemoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Somatickaacute embryogeneze

Embryokultury

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze + buněčneacute inženyacuterstviacute

Genetickeacute manipulace

VITRIFIKACE (hyperhydricita) ndash vyjadřuje abnormality růstu in vitro skelnatyacute syndrom vyacutehonů křehkeacute mokryacute vzhled pryacutetů (vodou nasycenyacutech) průsvitnyacute sukulentniacute vzhled

metody zachovaacutevajiacuteciacute genotyp beze změn během kultivace metody zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu během kultivace

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK 1 rychleacute namnoženiacute

2 ozdravovaacuteniacute

3 překonaacuteniacute nekřiacutežitelnosti - embryokultury

4 dlouhodobeacute udržovaacuteniacute genetickyacutech zdrojů

5 indukce mutantů - ziacuteskaacuteniacute novyacutech genotypů

6 předselekce - urychleniacute šlechtitelskeacuteho cyklu

7 ziacuteskaacuteniacute novyacutech a udrženiacute genotypů s pylovou sterilitou

8 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho procesu

9 produkce haploidů

10 produkce polyploidů

11 rychlejšiacute ziacuteskaacuteniacute vyacutechoziacuteho šlechtitelskeacuteho materiaacutelu pro noveacute odrůdy

12 somatickaacute hybridizace - fuacuteze

13 konstrukce novyacutech genotypů kulturniacutech plodin přenos bdquoužitečnyacutech genůldquo

14 udržovaacuteniacute genofondu

15 selekce in vitro - rezistence k abiotickyacutem a biotickyacutem stresům

16 produkce sekundaacuterniacutech metabolitů

Plodina Technika

ječmen pšenice kukuřice

řepka paprika brukvovitaacute

zelenina mrkev

androgeneze

cibule gynogeneze

jahodniacutek česnek ozdravovaacuteniacute

brambor traacutevy polyploidizace in vitro

jeteloviny drobneacute ovoce

ovocneacute dřeviny podnože traacutevy mikropropagace

brambor řepka somatickaacute hybridizace

hraacutech brambor rezistence k chorobaacutem

traacutevy embryokultury

Kombinace metod embryokultury oplozeniacute in vitro fuacuteze protoplastů

plodiny se geneticky upravujiacute pro většiacute rezistenci k herbicidům - ničeniacute plevele bez poškozeniacute uacuterody GM rajčata potlačujiacute gen pro polygalakturonaacutezu enzym degradujiacuteciacute pektin způsobujiacuteciacute měknutiacute pletiv (Deacon a kol 2002)

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK

Meristeacutemoveacute kultury

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny meristeacutemoveacute kultury

Vyacutehody maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky naacuteslednaacute mikropropagace ozdraveneacuteho materiaacutelu bdquovirus - freeldquo

Vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana Iniciace kultury Testovaacuteniacute in vitro Přenos do nesterilniacutech podmiacutenek Testovaacuteniacute

MERISTEacuteM ndash děliveacute nediferencovaneacute pletivo ozdravovaacuteniacute rostlin (02 - 05 mm) meristeacutemy

OZDRAVOVAacuteNIacute Termoterapie (vyššiacute teplota)

Meristeacutemovaacute kultura Chemoterapie (antivirotika)

viry - nebuněčneacute mikroorganismy virovaacute čaacutestice = virion sklaacutedaacute se z RNA nebo DNA a kapsidu

fytopatologie in vitro

ribavirin

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny

Vyacuteznamneacute viroveacute choroby rostlin v ČR od 30 ztraacutet CaMV - 1968 PVY 30 -70 VMCH (virus mozaiky chmele) až o 70 mozaika česneku 25 - 50 žloutenka cibule až 100 bronzovitost rajčat

- žloutnutiacute listů kroužky a čaacutery na listech nevyvinuteacute rostliny abnormaacutelniacute růst - vstupujiacute různyacutemi poraněniacutemi - šiacuteřiacute se plasmodesmaty - velmi odolneacute proti inaktivaci - přenaacutešeny semeny hliacutezami pylem roubovaacuteniacutem hmyzem houbami červy

1952 Morel a Martin u jiřin

Využitiacute metody jahodniacutek česnek zeleniny květiny okrasneacute dřeviny ovocneacute dřeviny banaacutenovniacutek hellip

Tvorba bezviroacutezniacutech rostlin

1 meristeacutem = 1 rostlina testovaacuteniacute

wwwoselczindexphpclanek=2819

viroacutezniacute x zdravaacute

M Navraacutetil KBBPřFUPOL

PVY

In vitro klonovaacuteniacute mikropropagace meristeacutemoveacute kultury

zisk geneticky identickeacute rostliny vegetativniacutem množeniacutem

VYacuteHODY

maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny ktereacute jsou geneticky stabilniacute

v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky

vyššiacute množitelskyacute koeficient - potenciaacutelniacute hodnota zisku rostlin

Postup - vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana - iniciace kultury - mikropropagace - přenos do nesterilniacutech podmiacutenek

KLON - kolekce geneticky identickyacutech individuiacute původem z jedineacuteho rodiče

komerčně od 1960

httpwwwjanholubcz

In vitro meristeacutemoveacute kultury - využitiacute - zaacutechrana a množeniacute ohroženyacutech druhů kaktusy

- zaacutechranneacute množeniacute cennyacutech genotypů a liniiacute sterilniacutech rostlin - udrženiacute rodičovskyacutech komponent pro tvorbu hybridniacutech odrůd

- množeniacute transgenniacutech rostlin

- zachyceniacute a klonovaacuteniacute nově nalezenyacutech mutantů při šlechtěniacute

- klonovaacuteniacute nejlepšiacutech jedinců pro produkci elitniacuteho osiva

- vegetativniacute množeniacute okrasnyacutech rostlin karafiaacutet gerbera anthurie orchideje

sanpaulie kapradiny hellip

- množeniacute drobneacuteho ovoce jahodniacutek maliniacutek reacuteva

- množeniacute dřevin podnože pro školkařstviacute lesniacute dřeviny tropickeacute dřeviny

- v zelinaacuteřstviacute množeniacute brambor zeliacute

- množeniacute pouze samičiacutech rostlin datlovaacute palma

- kryoprezervace (-196 oC) jahodniacutek maliniacutek hraacutech brambor karafiaacutet

Genoveacute

banky

Mikropropagace multiplikace klonovaacuteniacute nejen z meristeacutemů

Solanum tuberosum Cucumis sativus Olea europea Eucalyptus grandis Salix sp Syringa sp Juglans regia

Schopnost regenerace tvorba identickyacutech rostlin = přiacutemaacute somatickaacute embryogeneze

Meristeacutemy Pryacutetoveacute segmenty Kalusy Embrya

Zdroje odchylek bull vysokeacute daacutevky růstovyacutech regulaacutetorů typ regulaacutetoru bull rostliny regenerujiacute z basaacutelniacuteho kalusu (možnost gen změn)

Kalusoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Primaacuterniacute explantaacutet kalus meristemoid orgaacutenoveacute primordium

Kalus = masa děliacuteciacutech se a rostouciacutech buněk

nejsou uniformniacute mohou se lišit velikostiacute tvarem pigmentaciacute metabolismem nebo počtem chromosomů

bull za určityacutech podmiacutenek regenerace pryacutetů a kořiacutenků

tma x světlo

subkultivace

metoda geneticky nestabilniacute

Kalusoveacute kultury - somaklonaacutelniacute variabilita ndash MUTACE a zisk novyacutech znaků

- mikropropagace ndash cibule žen-šen hellip

- vyacutechoziacute materiaacutel pro suspenzniacute a protoplastovou kulturu

- materiaacutel pro indukovaneacute mutace (zaacuteřeniacute chemomutageny)

- sekundaacuterniacute metabolity (alkaloidy AMK saponiny oleje složky vůniacute protinaacutedoroveacute laacutetky steroidy )

polyploidie aneuploidie

Selekce mutantů se zlepšenou nutričniacute hodnotou (viacutece biacutelkovin v zrnu)

Rezistence vůči zasoleniacute (vysokyacute turgor v buňkaacutech akumulace NaCl ve vakuolaacutech)

Rezistence vůči chorobaacutem (synteacuteza fytotoxinů fytoalexinů)

Sekundaacuterniacute metabolity (= chemickeacute individuality v rostlinaacutech ndash barviva vůně chuti obrana)

Artemisia annua - artemisin (antimalarika) Capsicum sp - capsaicin (protinaacutedoroveacute)

Digitalis lanata - digoxin (srdečniacute stimulanty) Papaver somniferum - codein (sedativa)

Taxus breviola - taxol (protinaacutedoroveacute) Vanilla planifolia - vaniliacuten (aroma)

Panax ginseng - (imunitniacute systeacutem) Zingiber officinale ndash gingerol (antioxidant)

Somatickaacute embryogeneze a suspenzniacute kultury

Využitiacute

umělaacute semena (enkapsulace somatickyacutech embryiacute)

využitiacute somatickeacute variability

klonoveacute množeniacute

sekundaacuterniacute metabolismus (suspenze)

kryoprezervace

Buněčnaacute suspenze = převedeme kalus do tekuteacuteho meacutedia

a provzdušňujeme (kontakt buněk a shluků buněk s meacutediem)

vznikaacute bipolaacuterniacute struktura obsahujiacuteciacute kořen a pryacutet

auxin (24-D)

umělaacute semena

Mutace RADIOMUTANT PROSPĚCH NEBO ZAacuteLUDNOST

SPONTAacuteNNIacute MUTACE využiacutevaacute člověk při šlechtěniacute odrůd spur typy (kompakt typy) jabloniacute absence trnů u ostružiniacuteku variabilita květenstviacute jiřinky proměnliveacute vznik plemen domaacuteciacutech zviacuteřat je založen na podchyceniacute spontaacutenniacutech mutaciacute ndash plemena psů

INDUKOVANEacute MUTACE působeniacute mutagenů

zaacuteměrneacute ndash ve vyacutezkumu ve šlechtěniacute rostlin (př odrůdy ječmene DIAMANT (zkraacuteceniacute steacutebel ndash nepoleacutehaacute) kompaktniacute růst a samosprašnost třešně změna barvy slupky u jabloně ndash sbquoredlsquo mutace)

nezaacuteměrneacute ndash důsledek použitiacute jadernyacutech a chemickyacutech zbraniacute ndash Yperit jaderneacute a jineacute katastrofy

1950 radiomutace chemomutace 1965 ječmen Diamant

Suspenzniacute kultury - SK KULTURA V TEKUTEacuteM MEacuteDIU ROSTE A DĚLIacute SE NĚKOLIKANAacuteSOBNĚ RYCHLEJI NEŽ KULTURA

NA PEVNEacuteM MEacuteDIU Využitiacute jako experimentaacutelniacute model produkce sekundaacuterniacutech metabolitů indukce somaklonaacutelniacute variability a naacutesledneacute selekce mikropropagace (pod kontrolou genetickeacute stability) pohyb kultury v bioreaktoru maacute za naacutesledek potlačeniacute apikaacutelniacute dominance tiacutem se stimuluje růst mnohonaacutesobnyacutech pryacutetů

Bioreaktory firmy VitroSys Inc Korea

ideaacutelniacute SK ndash rychlyacute růst karyologickaacute stabilita životnost buněk rentabilita

Minimaacutelně 103 ml buněk 110 suspenze v exponenciaacutelniacute faacutezi se doplniacute čerstvyacutem meacutediem Koncentrace sacharidů prodlužuje periodu růstu

Velkokapacitniacute kultivace rostlinnyacutech buněk v tekutyacutech meacutediiacutech sterilniacute prostřediacute obsahujiacuteciacute živiny a laacutetky potřebneacute pro růst a jeho regulaci vhodneacute pro kultivaci rostlinnyacutech mikrobiaacutelniacutech a živočišnyacutech buněk

Bioreaktor

Bioreaktory s tekutyacutem meacutediem explantaacutety jsou ponořeny v tekuteacutem meacutediu Bioreaktory s pravidelnyacutem zaplavovaacuteniacutem (temporary immersion bioreactor TIB) explantaacutety jsou pravidelně zaplavovaacuteny

Bioreaktor

httpwwwuebcasczcscontentzensenove-spagety

pěstujiacute se jen kořeny - zisk GINSENOSIDŮ za 3 měsiacutece v laboratoři stejnyacute zisk jako z rostlin ženšenu v přiacuterodě za 8 let obsah GINSENOSIDŮ je srovnatelnyacute s planě rostouciacutemi rostlinami množstviacutem i vzaacutejemnyacutem poměrem jednotlivyacutech laacutetek

v Koreji od r 2004

hairy-root systeacutem a sekundaacuterniacute metabolity

Sekundaacuterniacute metabolity - SM ROSTLINA BUNĚČNAacute KULTURA

EXTRAKT prověřovaacuteniacute oddělovaacuteniacute čištěniacute aktivniacute složky testovaacuteniacuteprověřovaacuteniacute

ČISTAacute BIOAKTIVNIacute LAacuteTKA

SM z buněčneacute kultury - extrakty ziacuteskaneacute za reprodukovatelnyacutech podmiacutenek spolehliveacute zdroje meacutedium - množstviacute čisteacuteho produktu

buňky rostou v tekuteacutem meacutediu -ne celaacute rostlina

produkt rostlina in vitro ()

rostlina ()

poměr

ginsenoside Panax ginseng 27 45 6 x

rosmarinic acid Coleus blumei 27 3 9 x

caffeic acid Vanilla planifolia 002 0005 4 x

shikonin Lithospermum erythrorhizon

20 15 135 x

ubiquinon-10 Nicotiana tabacum 0036 0003 12 x Heldman et al 2011

anti

oxy

dan

ty v sušině

bioreaktory

Sekundaacuterniacute metabolity - SM Rostlina Uacutečinnaacute laacutetka Uacutečinek

Artemisia annua pelyněk ročniacute artemisinin antimalarikum

Digitalis lanata naacuteprstniacutek vlnatyacute digoxin srdečniacute stimulants

Dubosia myoporoides lilkoviteacute atropin

scopolamin

očniacute přiacutepravky mořskaacute nemoc

Lithospermum

erythrorhizon

kamejka

rudokořennaacute

shikonin protinaacutedoroveacute

Panax ginseng ženšen pravyacute stimulant imunitniacuteho systeacutemu

Salix alba vrba biacutelaacute salicin antirevmatikum proti horečce

Taxus brevifolia tis

zaacutepadoamerickyacute

baccatin taxol protinaacutedoroveacute

Vinca rosea barviacutenek růžovyacute vinblastin

vinkristin

protinaacutedoroveacute alkaloidy

leukeacutemie

buněčnaacute kultura

Rostlina Extrakt Uacutečinek

Linum usitatissimum len setyacute olej

Mentha piperita maacuteta peprnaacute maacutetovyacute olej -

mentol

žaludečniacute potiacuteže

Mentha spicata maacuteta klasnataacute mentol žaludečniacute potiacuteže

Zingiber officinale zaacutezvor leacutekařskyacute gingerol antioxidant

informace z tradičniacute lidoveacute mediciacuteny - použitiacute extraktů a purifikace zdroje z nedotčeneacuteho ekosysteacutemu

kalusovaacute kultura buněčnaacute suspenze orgaacutenovaacute kultura - Artemisia Mentha - pryacutety

rostliny jsou vyacuterobci sekundaacuterniacutech metabolitů

cytostatikum

Sekundaacuterniacute metabolity - SM

Heldman et al 2011

VYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY

nezaacutevisleacute na geografickyacutech podmiacutenkaacutech

nezaacutevisleacute na sezoacutenniacutech podmiacutenkaacutech

v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

v přiacuterodě kontrolovaacuteno množstviacute in vitro ne

nepřetržitaacute dodaacutevka produktu

uniformniacute kvalita produktu

uniformniacute vyacutetěžnost produktu (průběžně)

vyacuteběr vhodneacute linie s vyššiacute produkciacute produktu

možnost tvorby novyacutech laacutetek nenormaacutelniacutech u donora

NEVYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY staacutele se vyviacutejejiacuteciacute

překaacutežky - pomalyacute růst

genetickaacute nestabilita

různorodost

niacutezkyacute obsah metabolitu

produkty vylučovaacuteniacute provozniacute - světelneacute podmiacutenky aseptickeacute podmiacutenky

STRATEGIE TVORBY SM vyacuteběr donorovyacutech rostlin - biochemickeacute testy

iniciace kalusů

vyacuteběr buněčneacute linie - rychle rostouciacute vysokaacute produkce

ciacutelenyacute metabolismus - kultivačniacute meacutedium (složeniacute koncentrace proporcionalita)

kultivačniacute podmiacutenky (teplota světlo pH) zvlaacuteštniacute požadavky (prekurzor simulace stresu - napadeniacute patogenem)

uvolněniacute do meacutedia

Embryokultury

Embryokultury = kultivace zralyacutech nebo nezralyacutech embryiacute in vitro

1904 Hannig - embrya u ředkve

1925 Laibach - aplikace v mezidruhoveacutem křiacuteženiacute r Linum sp

1945 Randolph - zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu u r Iris sp

1970 Kasha Kao - ziacuteskaacuteniacute haplodů u ječmene

Hordeum vulgare (zůstaacutevaacute) x Hordeum bulbosum (eliminace chromozoacutemů)

Zygotickaacute embrya vyacuteživa z endospermu (heterotrofniacute)

Embrya in vitro vyacuteživa z kultivačniacuteho meacutedia

In vitro oplodněniacute u člověka - 1978 pro neplodneacute paacutery

geneticky stabilniacute metoda

Embryokultury- in vitro

I Kultura semennyacutech embryiacute tj izolace plně vyvinutyacutech

bipolaacuterniacutech struktur obsahujiacuteciacutech kořenovyacute a stonkovyacute systeacutem

II Kultura proembryiacute tj izolace nezralyacutech zaacuterodků předchaacutezejiacuteciacutech

diferenciaci děloh

Embryogeneze zygotickeacuteho embrya (in vivo)

zygota (přiacuteprava na 1 děleniacute)

faacuteze pomaleacuteho vyacutevinu embrya po oplozeniacute

faacuteze rychleacuteho vyacutevinu růstu a diferenciace embrya

faacuteze dozraacutevaacuteniacute embrya

faacuteze přechodu embrya do dormance (ABA)

Embryokultury

1 překonaacuteniacute barieacuter vzdaacuteleneacuteho křiacuteženiacute (abortace hybridniacutech embryiacute sterility semen)

2 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu (viacutece generaciacute za rok)

3 řešeniacute jarovizačniacuteho staacutedia

4 primaacuterniacute explantaacutet pro dalšiacute kultury

5 eliminace inhibice kliacutečeniacute

6 studium mineraacutelniacute vyacuteživy

7 umělaacute semena

8 studium metabolickyacutech vztahů mezi embryem a endospermem embryem a dělohami

9 ziacuteskaacuteniacute haploidniacutech rostlin

Opylovaacuteniacute in vitro

Opylovaacuteniacute in situ

in vitro

Inkompatibilita rostlin

zaručuje stabilitu druhu

Barieacutery procesu opyleniacute a oplozeniacute

vnějšiacute (teplota vlhkost nedostatečnaacute vyacuteživa )

vnitřniacute (inkompatibilita samčiacute nebo samičiacute sterilita)

využitiacute v raacutemci šlechtěniacute rostlin k překonaacuteniacute prezygotickyacutech barieacuter vznik mezidruhovyacutech mezirodovyacutech hybridů

Barieacutery Technika překonaacuteniacute

Před oplodněniacutem selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute blizny pestiacuteku pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

rezistence vůči abiotickeacutemu stresu rezistence vůči škůdcům vyššiacute vyacutenos

přenos z jineacuteho druhu

EK využitiacute ve šlechtěniacute

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury HAPLOID rostlina s n počtem chromozomů menšiacute sterilniacute

1963 T Yamada a kol Tradescantia reflexa (haploidy)

1964 - 1966 S Guha SC Maheswari Datura diploidizace kolchicinem

1969 JP Nitsch a kol celeacute rostliny (tabaacutek)

1973 JP Nitsch Norrel mikrosporoveacute kultury

2000 šlechtitelskeacute programy polniacutech plodin (obiloviny řepka)

využiacutevajiacute haploidniacute kultury in vitro

Androgeneze prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Androgeneze - kultivace prašniacuteků pyl zrn mikrospor = samčiacute genotyp

Gynogeneze - kultivace neoplodněnyacutech vajiacuteček = samičiacute genotyp

Haploidie - spontaacutenniacute = haploidniacute partenogeneze (gynogeneze androgeneze) frekvence 10-6

- experimentaacutelniacute indukovanaacute

fyzikaacutelniacute faktory = UV γ-zaacuteřeniacute X-paprsky teplotniacute šoky

zaacutesahy do procesů opyleniacute a oplozeniacute (inaktivniacute pyl)

explantaacutetoveacute metody = prašniacutekoveacute a pyloveacute kultury kultivace semeniacuteků a vajiacuteček

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury Ontogeneze pylu

In vivo mikrosporogeneze

pylovaacute mateřskaacute buňka

meiosa

pyloveacute tetraacutedy

vyacutevoj mikrospory (1 pyl mitoacuteza)

In vitro vyacutevoj embryoidu

(vegetativniacute generativniacute buňka)

- přiacutemaacute embryogeneze

- nepřiacutemaacute embryogeneze

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

využitiacute haploidů (majiacute jen jednu sadu chromosomů)

segregace vloh na gametickeacute uacuterovni ndash homozygoacutetniacute stav (čisteacute linie v F2 generaci)

detekce recesivniacutech mutaciacute (fenotypickyacute projev)

trpasličiacute varieta ndash u okrasnyacutech rostlin

Dihaploidizace

n rostliny - sterilniacute

104 ndash 105 mikrospoacuterml meacutedia

Brassica sp

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Prašniacutekoveacute kultury

viacutece než 200 druhů (řepka ryacuteže kukuřice obiloviny)

20-60 dnů

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

vyacutevoj globulaacuterniacuteho embrya a naacutesledně haploidniacute rostliny přiacutemo z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory

z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory vznikaacute kalus rarr indukce organogeneze

TYPY ANDROGENEZE

vzaacutecně

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Solanaceae

Brassicaceae

Poaceae

prašniacuteky

Androgeneze

Indukovanaacute androgeneze ndash přiacuteklady

Beta vulgaris - homozygotniacute linie

Brassica napus - novaacute odrůda linie

Hordeum vulgare

Lycopersicon - novaacute odrůda

Nicotiana - noveacute odrůdy

Oryza - noveacute odrůdy

Pelargonium - trpasličiacute variety

Triticum ndash cv Florin Huapei

Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby Praha Vyacutezkumnyacute uacutestav obilnaacuteřskyacute Kroměřiacutež Vyacutezkumnyacute uacutestav olejnin Oseva

Gynogeneze kultury izolovanyacutech vajiacuteček

kultury izolovanyacutech semeniacuteků

kultury izolovanyacutech květenstviacute in vitro

haploidniacute rostliny

spontaacutenniacute dihaploidniacute rostliny

ječmen kukuřice moruše

slunečnice cibule

kultivace vajiacuteček Beta vulgaris Tomaszewska-Sowa 2010

327 haploids 458 diploids and 215 ndash mixoploids

x opyleniacute ozaacuteřenyacutem pylem

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

Polyploidizace in vitro

duplikace celeacuteho genomu až 70 všech krytosemennyacutech rostlin je polyploidniacutech (Masterson 1994) POLYPLOID metabolicky aktivnějšiacute a rozměrnějšiacute plodiny ktereacute jsou vhodneacute pro pěstovaacuteniacute a leacutepe se vyrovnaacutevajiacute se stresovyacutemi podmiacutenkami

kolchicin

oryzalin

trifluralin

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze protoplastů

1892 Klecker - 1 mechanickaacute izolace protoplastů Stratiotes aloides (řezan pilolistyacute) 1960 EC Cocking 1 enzymatickaacute izolace protoplastů Nicotiana sp 1978 G Melchers a kol 1 mezirodovyacute hybrid bdquopomatoldquo bdquotopatoldquo Solanum tuberosum x S lycopersicum (Lycopersicum esculentum)

httptheplanetfixerorg387new-vegetable-created-the-tomato-potato-plant

Protoplastoveacute kultury

= kultivace rostlinnyacutech buněk zbavenyacutech buněčneacute stěny

Protoplast = rostlinnaacute buňka bez buněčneacute stěny jejiacute povrch tvořiacute cytoplazmatickaacute membraacutena maacute kulovityacute tvar

Protoplastoveacute kultury - regenerace

Faktory ovlivňujiacuteciacute kultivaci a regeneraci

Hustota ( počet protoplastů v 1 ml)

Životnost ()

Podmiacutenky kultivace a meacutedium

bull Studium synteacutezy buněčneacute stěny vyacutevoj buňky fyziologie buňky a cytogenetiku

bull Studium hodnoceniacute uacutečinků farmak potravinovyacutech doplňků agrochemickyacutech laacutetek na rostlinnou

buňku

bull Studium transportu iontů a laacutetek přes cytoplasmatickou membraacutenu

bull Somatickaacute hybridizace (fuacuteze protoplastů)

bull Inkorporace exogenniacuteho genetickeacuteho materiaacutelu ndash organel cybridizace

bull Genoveacute transformace (cizorodaacute DNA z bakteriaacutelniacuteho plasmidu)

Protoplastoveacute kultury - fuacuteze

Využitiacute

kombinace znaků odlišnyacutech druhů a rodů ktereacute by nevznikly přirozenou cestou

jedinečneacute kombinace jadernyacutech a organelovyacutech genomů vytvaacuteřiacute noveacute genetickeacute zdroje

často jen - čaacutest chromozomů asymetrickeacute jaderneacute hybridy

chloroplasty

mitochondrie

chemickeacute fuacuteze - pomalejšiacute elektrofuacuteze - fuacutezanti po 10 min vyššiacute frekvence fuacutezantů

cytoplazmickeacute hybridy - cybridy

Charakterizace hybridů - morfologicky cytologicky molekulaacuterniacute analyacutezy

Přirozenaacute mezidruhovaacute hybridizace - vznik některyacutech kulturniacutech plodin

B oleracea + B campestris = Brassica napus Nicotiana sylvestris + N tomentosa = Nicotiana tabacum

cybridy nelze ziacuteskat klasickou hybridizaciacute (křiacuteženiacutem) ndash samčiacute pohlavniacute buňky (pyl zrna) nemajiacute plastidy a mitochondrie

V přiacuterodě blesky do půdy modifikace bakteriiacute

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

Přenos jaderneacute a cytoplazmatickeacute genetickeacute informace mezi rostlinnyacutemi druhy rody

- překonaacuteniacute sexuaacutelniacute inkompatibility

- přenos genů rezistence vůči virovyacutem houbovyacutem chorobaacutem

- přenos cytoplazmatickeacute samčiacute sterility

- přenos rezistence vůči stresům (teplotniacutem zasoleniacute)

- přenos rezistence vůči hmyziacutem škůdcům

(synteacuteza fytoalexinů)

- přenos genů pro synteacutezu zaacutesobniacutech proteinů vitamiacutenů

alkaloidů

plnokvětost

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

využitiacute pro fytoremediace

Brassica juncea Tlaspi caerulescens brukev siacutetinovitaacute peniacutezek modravyacute akumulace Pb akumulace Zn a Ni hybrid se zvyacutešenou rezistenciacute k Pb Zn a Ni rychlyacute naacuterůst

biomasy

Brassica napus Thlaspi caerulescens hybridi rostly na vysokeacutem obsahu Zn

Fuacuteze protoplastů rodu Brassica s planyacutemi druhy

Armoracia rusticana

Barbarea vulgaris

Camelina sativa

Capsella bursa pastoris

Diplotaxis catholica

Diplotaxis muralis

Diplotaxis harra

Eruca sativa

Lesquerella fendleri

Mathiola incana

Moricandia arvensis C4

Moricandia nitens C4

Raphanus sativus

Sinapis alba

Sinapis arvensis

Thlaspi perfoliatum

Thlaspi caerulescens

Genoveacute banky In vitro genoveacute banky

2397 vzorků 1249 odrůd Solanum tuberosum 450 teraploidniacutech křiacuteženců S tuberosum 266 dihaploidů 119 mezidruhovyacutech hybridů rodu Solanum 313 genotypů kulturniacutech genotypů 23 planyacutech druhů

Havliacutečkův Brod

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu rostlin

1 Uchovaacutevaacuteniacute semen ndash semenneacute banky (od 1 roku - hellip)

2 Uchovaacutevaacuteniacute vegetativniacutech orgaacutenů ndash hliacutezy cibule řiacutezky

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro Kraacutetkodobeacute - aktivně rostouciacute kultury (pravidelneacute pasaacuteže) - uchovaacuteniacute kultur v minimaacutelniacutem růstu nižšiacute teploty kultivace

Dlouhodobeacute u rostlin kde nejsou semena

- za velmi niacutezkyacutech teplot (-196oC) = kryobanka

Databaacuteze ndash přiacutestupneacute z celeacuteho světa

Špicberky

genobanka - wwwvurvcz part databases EVIGEZ

vyacuteznam v mediciacuteně

Zaacuteložniacute fond semena potravinaacuteřskyacutech plodin z celeacuteho světa

stane se zaacuteložniacutem fondem pro ostatniacutech 1400

semennyacutech bank po celeacutem světě

v Iraacuteku a v Afghaacutenistaacutenu byla podobnaacute zařiacutezeniacute za

vaacutelky zcela zničena

na Filipiacutenaacutech je v roce 2006 poškodila povodeň

semennaacute banka pro světoveacute plodiny je umiacutestěna v hoře

maacute vyztuženeacute stěny betonem a železem

třiacute komory o velikosti 27 kraacutet 10 metrů

teplota minus 18 oC (konzervace po stovky až tisiacutece let) httpwwwnorambczarkivBasisartikler---OversettelserIkke-

bruktnovinkyseedvault_eng

k 1172010 zde bylo uloženo 716 523 vzorků semen patřiacuteciacutech ke 4 205 druhům

českaacute banka uloženaacute v Praze-Ruzyni zaacuteloha na Slovensku

Špicberky

Uchovaacutevaacuteniacute genofonduv ČR

genofond odrůd meruněk broskvoniacute mandloniacute reacutevy vinneacute kdouloniacute lonicer rakytniacuteků a dřiacutenů

2400 položek

25 000 položek

5400 položek 2397

položek

4700 položek

2000 položek

2300 položek

Naacuterodniacute informačniacute systeacutem genetickyacutech zdrojů EVIGEZ httpwwwgenbankvurvczgeneticresources

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro

KRYOBANKA

prašniacuteky a pyl pletiva a orgaacuteny meristeacutemy

kalus

suspennzniacute somatickaacute kultury embrya

dlouhodobeacute skladovaacuteniacute

nižšiacute naacuteroky na uchovaacuteniacute

mezinaacuterodniacute vyacuteměna

nižšiacute podiacutel lidskeacute praacutece

potřeba menšiacuteho prostoru

uchovaacuteniacute genetickeacute stability

omezeniacute staacuternutiacute

ozdravenyacute materiaacutel

prodlouženeacute použitiacute pylu

uchovaacuteniacute vzaacutecnyacutech rostlin

apikaacutelniacute vrcholy

Biotechnologickaacute laboratoř Nestleacute - uchovaacutevaacute buněčneacute embryogenniacute linie kaacutevy kakaa a banaacutenů

Německaacute sbiacuterka mikroorganismů a buněčnyacutech kultur (DSMZ Braunschweig Německo) meristeacutemy 519 staryacutech kultivarů brambor ndash metoda mrazeniacute alginaacutetovyacutech perel

International Potato Centre (CIP Lima Peru) - 345 kultivarů brambor

INIBAP Leuven Belgie - 306 kultivarů banaacutenu (14 ze světoveacuteho počtu kultivarů)

Naacuterodniacute genobanka klonů NCGR USA - ročniacute naacuteklady

udržovaacuteniacute jedneacute položky v sadu (hrušně) 77 dolarů na skladovaacuteniacute in vitro 23 dolarů na kryoprezervaci 1 dolar (při počaacutetečniacute investici na kryometodu 50 dolarů za uchovaacutevanou jednotku)

Přiacuteklady komerčniacuteho využitiacute kryoprezervace meristeacutemů

Aplikace biotechnologiiacute ve šlechtěniacute rostlin

rostliny postraacutedajiacute schopnost aktivně se přesouvat z dosahu nepřiacuteznivyacutech vlivů rostliny vyvinuly adaptačniacute mechanismy pro překonaacuteniacute stresů a tiacutem přežitiacute v extreacutemniacutech podmiacutenkaacutech

Biotechnologie v zemědělstviacute ekologickeacute zemědělstviacute

VLIV ŠKŮDCŮ CHOROB A PLEVELŮ NA ZEMĚDĚLSKEacute PLODINY

1 sniacuteženiacute velikosti a vaacutehy zrna 2 ztraacuteta ve velikosti hliacutez a kořenů 3 zvyacutešeniacute obsahu vlhkosti 4 změny v chemickeacutem složeniacute zrna hliacutez a kořenů 5 odbarveniacute zrna a hliacutez - deformace 6 tvorba mykotoxinů patogeny 7 sniacuteženiacute kliacutečivosti 8 redukce krmiva

spotřeba vody - rezistence k suchu sniacutežiacute spotřebu uchovaacuteniacute vody rostlinou aplikace hnojiv chemickaacute kontrola škůdců

- studium abiotickeacuteho stresu

- zlepšeniacute ochrany rostlin vůči škůdcům

- ochrana životniacuteho prostřediacute

- zlepšeniacute kvality potravin

odstraněniacute hladu GMO fytoremediace

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

ohroženiacute klimatickyacutem suchem v ČR ndash nejrizikovějšiacute oblasti nižšiacute polohy na jižniacute a středniacute Moravě v prostoru mezi Prahou Uacutestiacutem nad Labem a Žatcem zaacutepadně od Pardubic

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

Rezistence k suchu - využitiacute vody

Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

vyacutevoj samčiacuteho gametofytu - spojen s expresiacute genů - 150 specifickyacutech genů spraacutevneacute načasovaacuteniacute

sporofyt gametofyt

2n 1n

rostlina pylovaacute zrnazaacuterodečnyacute vak

pohlavniacute rozmnožovaacuteniacute přiacuterodniacute vyacuteběr

pylzrna - exina (ovlivněna sporofytem) ochrana před UV laacutekaacuteniacute opylovačů - barva vůně komunikace s bliznou produkce alergenů

strategie rostlin zabraacuteněniacute samoopyleniacute

Biotechnologie v zemědělstviacute samčiacute gametofyt n TETRASPORE (TES) reg gen je vyžadovaacuten ke tvorbě přepaacutežek mezi produkty meioacutezy u mutanta všechna čtyři jaacutedra mikrospoacutery zůstaacutevajiacute ve stejneacute cytoplazmě polyploidniacute jedinci n GEMINI POLLEN 1 (GEM1) reg gen je vyžadovaacuten k orientaci mitotickeacuteho vřeteacutenka mutant tvořiacute dvě symetrickaacute jaacutedra typu vegetativniacuteho vede ke sterilitě n SIDECAR POLLEN (SCP) reg gen je vyžadovaacuten k děleniacute pylu prvniacute symetrickaacute pylovaacute mitoacuteza mutanta daacutevaacute dvě stejneacute buňky jedna extra- vegetativniacute (sterilniacute sidecar) a druhaacute regvegetativniacute a generativniacute mutace nevede ke sterilitě n QUARTET (QRT) reg gen je vyžadovaacuten k separaci pylovyacutech zrn u mutantů jsou stěny meiotickyacutech produktů pyloveacute mateřskeacute buňky fuacutezovaacuteny a zrna se uvolňujiacute v tetraacutedaacutech

samičiacute makrogametofyt n FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED (FIS) a FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) reg geny hrajiacute regulačniacute role ve vyacutevinu semene po oplozeniacute u mutantů se diploidniacute jaacutedra endospermu vyviacutejejiacute bez oplozeniacute pak atrofujiacute mutace neovlivňujiacute vaječnou buňku - procesy embryogeneze a vyacutevinu endospermu jsou odlišneacute n MEDEA (MEA) reg mutace genu způsobuje hypertrofii a zaacutenik embrya neniacute jasneacute na jakeacute uacuterovni se gen projevuje zaacuterodečnyacute vak endosperm nebo maternaacutelně imprintovanyacute embryonaacutelniacute gen

Biotechnologie ve šlechtěniacute rostlin Selektivniacute šlechtěniacute rostlin - přiacuterodniacute genetickeacute diverzity rostlin Techniky překonaacuteniacute barieacuter šlechtěniacute

Barieacutery Technika překonaacuteniacute Před oplodněniacutem

selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute pestiacuteku

pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony

pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro

selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů

odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute

abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry

sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

vyacutevoj semen

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

Škůdci v historii naacutelety sarančat (Staryacute zaacutekon)

ochrana saze tabaacutek

začaacutetek 19 stol - siacutera na houboveacute patogeny 1939 objev DDT uacutečinek na hmyz teorie bdquohmyz se může staacutet rezistentniacuteldquo 1948 Nobelova cena P Muumlller

50 leacuteta 20 st - herbicidy - postřiky na plevele ( rezistence na herbicid) 1972 zaacutekaz DDT (vyacutejimka - boj s malaacuteriiacute v Africe - naacutevrat DDT)

škůdce - hmyz hliacutestice 1861 - v Americe Iowa Nebraska 1880 1 pesticid v S Americe arzeacutenem bdquoParis greenldquo

S rostouciacute intenzitou pěstovaacuteniacute roste hospodaacuteřskyacute vyacuteznam škodlivyacutech organismů objem škod se zvyšuje staacutele přibyacutevajiacute noveacute druhy škodlivyacutech organismů zavaacutedějiacute se staacutele noveacute prostředky

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin - hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy

1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho

obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

ROS Reactive oxygen species reaktivniacute formy kysliacuteku SAR Systemic acquired resistance systeacutemově ziacuteskanaacute rezistence = neinfikovaneacute buňky začiacutenajiacute s přiacutepravou na atak patogena

napadeneacute rostliny uvolňujiacute signaacutelniacute molekuly (těkaveacute laacutetky - druhově specifickeacute) a varujiacute okolniacute rostliny ještě před napadeniacutem hmyzem

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin -hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy 1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

produkujiacute u různyacutech rostlin různě - sekundaacuterniacute metabolity - odstrašeniacute nebo zničeniacute patogena - proteiny inhibujiacuteciacute aktivitu zažiacutevaciacutech enzymů hmyzu - enzymy degradujiacuteciacute buněčnou stěnu hub (chitinaacutezy) - proteiny inhibujiacuteciacute překlad proteinů u škůdce - antiviroveacute složky degradujiacuteciacute virovou RNA blokujiacute vstup do buňky zastavujiacute replikaci

geny ktereacute bdquoSARldquo zapiacutenajiacute zvyšujiacute rezistenci rostliny

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům - již v čaacutesti fytotatologie

Co je plevel soutěžiacute s plodinou o živiny světlo a prostor intenziacutevně roste podiacuteliacute se na šiacuteřeniacute chorob a škůdců

lat herba - rostlina řeč cidoacute - ničiacutem

Vznik rezistence plevelů vůči některyacutem herbicidniacutem laacutetkaacutem = reakce plevelnyacutech druhů na podmiacutenky současneacuteho pěstovaacuteniacute rostlin = dlouhodobeacute působeniacute herbicidů

Vyacutevoj plevelů na zemědělskeacute půdě v naacutevaznosti na skladbu pěstovanyacutech plodin Vznik rezistence plevelů vůči herbicidům Problematika invaziacute a expanziacute plevelů

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům

Rezistenci vůči herbicidům způsobujiacute biochemickeacute fyziologickeacute změny nebo morfologickeacute odlišnosti ktereacute ovlivňujiacute přiacutejem herbicidů rostlinou

- degradujiacute herbicid

- měniacute jeho biochemickou funkci v rostlině

- pozměňujiacute miacutesto na ktereacute herbicid v rostlině působiacute

Rezistence rostlin vůči herbicidům dědičnaacute schopnost odolaacutevat takoveacute daacutevce herbicidů při ktereacute by za normaacutelniacutech okolnostiacute byla populace potlačena

směr pro šlechtěniacute

Aplikace rostlinnyacutech biotechnologiiacute v životniacutem

prostřediacute

takto nebo takto

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Těžba a zpracovaacuteniacute surovin(těžkeacute kovy- Cd Pb prach) Průmyslovaacute vyacuteroba (barviva)

Skladovaacuteniacute (haldy kaliště sklaacutedky) Zemědělstviacute (pesticidy herbicidy)

Domaacuteciacute odpad (leacutečiva detergenty praciacute prostředky)

čin

no

st č

lově

ka

půda voda ovzdušiacute

znečištěniacute

degradace organismy produkujiacuteciacute laacutetky (enzymy) pro

ciacutelenyacute rozklad

organismy snižujiacuteciacute toxicitu toxickeacute laacutetky metylaciacute dehalogenace hydroxylace hydrolyacuteza deaminacehellip

substraacutet je zdrojem C a energie

dekontaminace

+ katastrofy Černobyl vaacutelečneacute konflikty

remediace = navraacuteceniacute k původniacutemu stavu

Biodegradace všechny přirozeneacute procesy ktereacute jsou uskutečňovaacuteny bakteriemi a jinyacutemi mikroorganizmy nebo vyššiacutemi organismy ktereacute vedou k destrukci organickyacutech molekul = organickyacute substraacutet je přeměňovaacuten až na CO2 Bioremediace (bakterie houby)

spočiacutevaacute v akceleraci přirozenyacutech biodegradačniacutech procesů nebo v ciacuteleneacute biodegradace - vede k ozdraveniacute kontaminovaneacuteho prostřediacute - detoxifikace měniacute se na netoxickeacute = neškodneacute laacutetky - aplikaciacute mikroorganismů

Fytoremediace (rostliny) niacutezkaacute cena

využitiacute rostlin k odstraněniacute toxickeacute zaacutetěže (těžkeacute kovy) řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny Zooremediace (zviacuteřata)

zpracovaacuteniacute odpadů pomociacute zviacuteřat bezobratliacute - perlorodky měkkyacuteši

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

nevyacutehody pomalaacute viacutece než 2 roky maleacute rozměry vhodnyacutech rostlin maacutelo druhů vhodnyacutech rostlin neniacute 100 probleacutem s rostlinnyacutem odpadem - potřeba zvlaacuteštniacutech sklaacutedek spadeneacute listiacute

- řiacutezeneacute spalovaacuteniacute

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacute len slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

vyacutehody mineralizace organickyacutech sloučenin niacutezkeacute naacuteklady pasiacutevniacute metoda bez transportu kontaminovaneacute půdy energie ze slunečniacuteho zaacuteřeniacute nepoškozuje okoliacute - sniacuteženiacute prašnosti

estetickyacute přiacutenos etickyacute uacutečinek (veřejnosti přijatelnyacute)

2005 cca 450 rostlinnyacutech druhů - tzv bdquohyperakumulaacutetoryldquo 100 x vyššiacute akumulace než u ostatniacutech rostlin

teorie vzniku - obrana vůči hmyzu - hmyz preferuje

niacutezkeacute koncentrace kovu

Thlaspi careulescens

X bagrovaacuteniacute kontaminovaneacute zeminy transport zeminy dekontaminace

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute přiacutejem kořeny - z půdy přiacutejem nadzemniacute čaacutestiacute rostliny - vyacutefukoveacute plyny

akumuluje

degraduje

detoxifikuje

roste na kontaminovaneacute půdě

produkuje velkeacute množstviacute biomasy

tolerantniacute k salinitě a jinyacutem toxickyacutem podmiacutenkaacutem

poskytuje ekonomickeacute hodnoty - textilniacute vlaacutekna (len konopiacute)

GMO - gen fytovolatizace - bakteriaacutelniacute geny transformovaacuteny do rostlin transgeny merA a merB fytoextrakce - gen gsh1 a gsh2 z E coli do Brassica juncea

potenciaacutel je v GMO rostlinaacutech

Laboratoř rostlinnyacutech biotechnologiiacute Společnaacute laboratoř UacuteEB AV ČR vvi A VUacuteRV vvi Akademie věd Českeacute Republiky Mendelova univerzita v Brně Uacutestav experimentaacutelniacute botaniky AV ČR Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby v Praze Metoda použita na čištěniacute uranem a radiem znečištěneacute vody v Mydlovarech - kořenovaacute čistiacuterna

ideaacutelniacute rostlina

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

proces substraacutet ciacutel rostlina

fytoextrakce fytoakumulace

odstraněniacute toxickyacutech laacutetek z půdy a vody - akumulaciacute rychle rostouciacute rostlinou (zůstaacutevaacute v rostlině)

půda sedimenty kaly odpadniacute vody

toxickeacute kovy radionuklidy

Thlaspi sp Brassica sp

fytostabilizace ciacuteleneacute pěstovaacuteniacute tolerantniacutech druhů zamezeniacute eroziacute

půda haldy odkaliště těžkeacute kovy dlouheacute a bohateacute kořeny

fytovolatizace odstraněniacute Hg pomociacute genu koacutedujiacuteciacuteho reduktaacutezu Hg2+ na Hg0

a uvolněniacute do ovzdušiacute

půdy sedimenty odkaliště průmysloveacute a zemědělskeacute odpadniacute vody

kovy - Se Hg chlorovanaacute rozpouštědla

stromy traacutevy Brassica sp

fytodegradace degradace kontaminantů rostlinou na netoxickeacute laacutetky

půdy sedimenty odkaliště odpadniacute vody

ropneacute laacutetky pesticidy detergenty

stromy traacutevy

rhizofiltrace odstraněniacute pomociacute rostlinnyacutech kořenů

povrchoveacute vody odpadniacute vody

těžkeacute kovy - Co Cu Cr Mn Ni radionuklidy

Brassica sp Helianthus vodniacute rostliny hydroponie

superrostliny

niacutezkeacute naacuteklady

kořenovaacute čistička = umělyacute mokřad oddělenyacute od okoliacute nepropustnou foacuteliiacute využiacutevaacute samočisticiacutech procesů probiacutehajiacuteciacutech v propustneacutem půdniacutem prostřediacute za spoluuacutečasti rostlin čištěniacute odpadniacutech vod z domaacutecnostiacute sklaacutedek a některyacutech průmyslovyacutech provozů

Rhizofiltrace

httpwwwnemcoviceczcontentviewfull3607

rostliny s vysokyacutemi

naacuteroky na vyacuteživu

+

bakterie

může zapaacutechat

5x - 10 x nižšiacute naacuteklady

Člověk čistiacute odpadniacute vodu za pomoci zařiacutezeniacute

ale přiacuteroda to zvlaacutedaacute bez přiacutestrojů a mnohem levněji

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute niacutezkeacute naacuteklady

rostlina chemickaacute sloučenina

pšenice 24 -D MCPA jako zdroj uhliacuteku

kukuřice atrazin degradace atrazinu mikroorganismy rhizosfeacutery

fazole diazinon parathion mineralizace v rhizosfeacuteře

luštěniny nafta

Kučerovaacute et al 1999 Chemickeacute listy

přiacutejem - velikost kořenoveacuteho systeacutemu přiacutestupnost pro rostlinu např chelaacutety

transport rostlinou - apoplast (difuacuteziacute)

symplast (specifickeacute přenašeče)

miacutesto uskladněniacute hustota rostlin v porostu

zaacutevažnějšiacute ekologickyacute a toxikologickyacute vyacuteznam přibližně 16 prvků (Fe Mo Mn Zn NiCo Cu V W Cr Hg Pb Cd Sb Ag a U)

Budoucnost fytoremediaciacute niacutezkeacute naacuteklady

Fytoremediace v praxi

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Ural 1953 odstraněniacute těžkyacutech kovů

Amana Iowa hybridniacute topoly atrazin odstraněna čaacutest až 20

Beaverton Kreton

hybridniacute topoly

organickeacute laacutetky kovy

a amonneacute sloučeniny

celkoveacute vyčistěniacute oblasti

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Fukušima 113 2011 slunečnice radioaktivniacute cesium dekontaminace půdy

Černobyl 2641986 slunečnice jabloně

cesium stroncium dekontaminace půdy povrchoveacute vody

paacutes 30 km - likvidace radioaktivniacutech rostlin

nebudou spaacuteleny rozloženy a kompostovaacuteny - speciaacutelniacute bakterie

slunečnice spotřebovaacutevajiacute z půdy drasliacutek kteryacute patřiacute mezi alkalickeacute kovy stejně jako cesium drasliacutek neniacute v půdě přiacutetomen květiny využijiacute praacutevě druhyacute prvek - Cs

Biotechnologie v ŽP niacutezkeacute naacuteklady

fytomining - fytodobyacutevaacuteniacute fytodolovaacuteniacute

ziacuteskaacutevaacuteniacute kovů z rostlin kde klasickaacute těžba je nevyacutehodnaacute rostliny - bdquotěžaři vzaacutecnyacutech kovůldquo a polokovů AuTh Co U Cd Ni Cu Mn

v rostlinaacutech hyperakumulaacutetorech je akumulace prvku sušina rostliny jako -ldquobio-rudaldquo

vyacutehody

- obsah kovu v bdquobio-ruděldquo je vyššiacute než v běžneacute rudě

- meacuteně skladovatelneacuteho miacutesta

- zelenaacute technologie jako alternativa

fytomining Ni pomociacute Alyssum bertolonii

Robinson et al 1997 The nickel hyperaccumulator plant Alyssum bertolonii as a potential agent for phytoremediation and phytomining of

nickel Journal of Geochemical Exploration59(2)75-86

zlatonosneacute rostliny

zlataacute jablka

zlateacute kapradiacute

hledaacuteniacute nalezišť

technologie budoucnosti

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute bioplasty z biomasy (škroby tuky) nahrazujiacute fosilniacute zdroje vyacutehodou je biodegradace biopaliva rostlinnyacute materiaacutel a řasy bioethanol GMO rezistentniacute rostliny vůči postřikům hmyziacutem škůdcům transfer genů pro symbiotickou fixaci dusiacuteku z luštěnin do dalšiacutech plodin přenos genů z bdquoC4ldquo do bdquoC3ldquo rostlin pro dosaženiacute uacutečinnějšiacute fotosynteacutezy (ryacuteže)

Transgenoziacute se přenaacutešiacute přirozeneacute geny vznikleacute evoluciacute z jednoho organismu do druheacuteho kteryacute se s daacutercem genu obvykle

nemůže křiacutežit pouze dokaacuteže přenosy mezi vyacutevojově ještě vzdaacutelenějšiacutemi organismy

Geny použiacutevaneacute při transgenosi jsou braacuteny z přiacuterody např gen v soacuteji tolerujiacuteciacute glyfosaacutet - je z bakterie rodu Agrobacterium

Klasičtiacute šlechtiteleacute takto pracujiacute daacutevno např smiacutechali geny pšenice a žita

GMO

Transgenoze ndash vnaacutešeniacute znaacutemyacutech jednotlivyacutech genů do dědičneacuteho

zaacutekladu (poprveacute 1978)

Pro přenos - Agrobacterium tumefaciens A rhizogenes E coli

httpblogscassuffolkeduiglesias20140424gmos

GMO bez obalu httpwwwbezpecnostpotravinczUserFilespublikaceGMO_web_1pdf

GMO - transgenniacute rostliny CARTAGENSKYacute PROTOKOL o biologickeacute bezpečnosti 29 1 2000 Montreal (OSN ndash program pro životniacute prostřediacute UNEP) platnost 11 9 2003

ČR podepsala 24 52000 (gmovschtcz) nyniacute 160 staacutetů

opatřeniacute ve staacutetech ktereacute se připojiacute k projektu (dovoz vyacutevoz transport)

vzdělaacuteniacute odborniacuteků a informovaacuteniacute veřejnosti

vytvořeniacute noveacute legislativy GMO (wwwenvcz )

spolupraacutece při vyacuteměně zkušenostiacute

Svět 2010 - viacutece než 150 mil ha viacutece než 20 zemiacute

pro vegetačniacute čaacutesti

nebo plody

CIacuteL PROTOKOLU - zajistit ochranu a bezpečnost při zachaacutezeniacute využiacutevaacuteniacute a přenosu živyacutech modifikovanyacutech organismů ktereacute jsou vyacutesledkem moderniacutech biotechnologiiacute a ktereacute mohou miacutet nepřiacuteznivyacute vliv na zachovaacutevaacuteniacute biologickeacute rozmanitosti a zdraviacute člověka Protokol je zaměřen předevšiacutem na převoz GMO přes hranice staacutetů a maacute ochraňovat zejmeacutena staacutety kteryacutem dosud chybiacute vlastniacute vnitrostaacutetniacute praacutevniacute předpisy v oblasti GMO

GMO - transgenniacute rostliny historie

EVROPA

SRN - Max-Planck-Institut

Belgie - Universita Ghent

Švyacutecarsko- ETH Zurych

ČR - Biofyzikaacutelniacute uacutestav Brno (Agrobacterium jako vhodnyacute přenašeč genů)

ČR - UacuteEB ČSAV Českeacute Budějovice (metody modifikaciacute)

2010 1 transgenniacute hraacutech v Evropě (ČR Agritec Šumperk)

transgenniacute len - oleje

FYTOPATOLOGIE IN VITRO

Fytopatologie in vitro

in vitro selekce = kultivace buněk se selekčniacutem činitelem (fitraacutet inokulum toxin)

ndash přežiacutevajiacuteciacute buňky jsou regenerovaacuteny do rostlin resistentniacuteho fenotypu

Studium interakce rostlina x patogen v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

Druh Patogen Typ biologickeacuteho testu Ciacutel

Coffea arabica Colletotrichum kahawae růst houby na kalusech vyacuteběr rezistentniacutech genotypů

Vitis vinifera Elsinoe ampelina růst kalusu na meacutediu s patogenem testy rezistence

Lycopersicon aes Alternaria alternata testy na izollistech in vitro hodnoceniacute toxicity

Pinus taeda Cronartium quercuum embryokultury s houbami vyacuteběr rezistentniacutech embryiacute

Triticum aestivum Microdochium nivale listy semenaacutečky in vitro vyacuteběr rezistentniacutech kultivarů

ozdravovaacuteniacute rostlin

klonoveacute množeniacute rezistentniacutech taxonů

Page 9: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,

Biotechnologie

Biotechnologie jsou na zaacutekladě Evropskeacute federace pro biotechnologii (EFB) z roku 1981 definovaacuteny jako

bdquoSoubor postupů založenyacutech na technologiiacutech při nichž se využiacutevaacute metabolickeacuteho potenciaacutelu mikroskopickyacutech organizmůldquo Jsou to interdisciplinaacuterniacute obory zahrnujiacuteciacute a využiacutevajiacuteciacute poznatky mikrobiologie biochemie chemie a přiacuteslušnyacutech průmyslovyacutech odvětviacuteldquo wwwscimuniczmikrobkvasbiotechbiotechnologiebiotechnologiehtml

Multidisciplinaacuterniacute povaha (Smith 2009)

Biotechnologie podle definice OECD představuje aplikovaacuteniacute vědeckyacutech a technologickyacutech metod na živeacute organismy a jejich čaacutesti produkty nebo modely za uacutečelem přeměny živyacutech i neživyacutech materiaacutelů pro vytvaacuteřeniacute znalostiacute zbožiacute a služeb

z řečtiny bios + techne + logos

život + dovednost + znalost

staraacute definice

novaacute definice

OECD Organizace pro ekonomickou spolupraacuteci a rozvoj Organisation for Economic Co-operation and Development

Biotechnologie

BIOTECHNOLOGIE novyacute nebo staryacute vynaacutelez biotechnologie průmysloveacute zemědělskeacute leacutekařskeacute biotechnologie mikrobiaacutelniacute živočišneacute rostlinneacute obsah i dosah

biologickyacute psychologickyacute ekonomickyacute ekologickyacute (postoj Amišů ndash meacuteně pesticidů neniacute v rozporu s jejich životniacutem stylem rizika při uvaacuteděniacute do životniacuteho prostřediacute) etickyacute - oteviacuteraacuteme bdquoPandořinu skřiacutenkuldquo

- věda jako zachraacutence nebo nepřiacutetel lidstva

odpor GMO plodinaacutem potravinaacutem

akceptovatelneacute rezistentniacute plodiny k herbicidům

BIOTECHNOLOGIE - rozvoj 21 stoletiacute - integrovanaacute aplikace přiacuterodniacutech a inženyacuterskyacutech věd - ciacutelem je využitiacute organismů a čaacutestiacute organismů k vyacuterobě produktů nebo použitiacute různyacutech metod (postupů)

ČLENĚNIacute PODLE ODVĚTVIacuteZAMĚŘENIacute ČERVENAacute BIOTECHNOLOGIE (mediciacutena a farmacie) - leacutekařstviacute je považovaacutena za nejdůležitějšiacute oblast použitiacute - biotechnologickeacute postupy rostouciacute roli při vyacutevoji novyacutech leacuteků (např k leacutečbě rakoviny) diagnostice (DNA) využitiacute kmenovyacutech buněk při leacutečbě zaacutevažnyacutech chorob

ZELENAacute BIOTECHNOLOGIE (zemědělstviacute a potravinaacuteřstviacute) bdquoRostlinneacute biotechnologieldquo nejstaršiacute - moderniacute šlechtěniacute rostlin ciacuteleně se zvyšujiacute odolnosti proti hmyzu pliacutesniacutem virům a herbicidům - vyacuteznam genoveacute techniky kteraacute je zaacutekladem pro přenos určityacutech genů z jednoho druhu na jineacute rostliny a umožňuje vyacutevoj odolnosti vůči hellip

ŠEDAacute BIOTECHNOLOGIE (životniacute prostřediacute-environmentaacutelniacute) - obnoveniacute znečištěneacuteho prostřediacute biomonitoring - indikaacutetory znečištěniacute - biotechnologickeacute postupy při sanaci půdy uacutepravě odpadniacutech vod čištěniacute vyacutefukovyacutech plynů využitiacute odpadu

BIacuteLAacute BIOTECHNOLOGIE (často spojovanaacute s šedou biotechnologiiacute) - chemickyacute průmysl vyprodukovat substance jako např alkohol vitamiacuteny aminokyseliny antibiotika enzymy způsobem ktereacute šetřiacute zdroje a životniacute prostřediacute s pomociacute živyacutech buněk (kvasinky pliacutesně bakterie)

MODRAacute BIOTECHNOLOGIE mořskeacute biologie biologickeacute organismy světovyacutech mořiacute - zdroje potravin energie leacutečiv surovin - bioprocessing šlechtěniacute a ochrana mořskyacutech organismů ciacutelenyacute chov vodniacutech organismů (aquaculture )

ZELENAacute BIOTECHNOLOGIE (zemědělstviacute a potravinaacuteřstviacute)

bdquoRostlinneacute biotechnologieldquo nejstaršiacute - moderniacute šlechtěniacute rostlin = ciacuteleně se zvyšujiacute odolnosti vůči hmyzu pliacutesniacutem virům a herbicidům - genoveacute techniky = přenos určityacutech genů z jednoho druhu na jinyacute umožňujiacute vyacutevoj odolnosti vůči hellip - využitiacute bakteriiacute ke zvyacutešeneacutemu růstu rostlin

- biomonitoring = využitiacute rostlin jako indikaacutetorů znečištěniacute půdy (kovy) - fytomining

Rostlinneacute biotechnologie

Kde by lideacute byli bez rostlin

Historie rostlin čas před proces vyacuteznam

45 miliardy let tvorba země nemožnyacute život

39 oceaacuteny voda je předpokladem pro uhliacutek-založenyacute život

35 nejstaršiacute cyanobacteria efektivnějšiacute fotosynteacuteza- rychlejšiacute růst O2

24 kysliacutek v atmosfeacuteře aerobniacute org postupně převažujiacute nad aerobniacutemi

21 endosymbioacuteza mezi cyanobacterium a eukaryotniacutem hostitelem prvniacute fotosyntetizujiacuteciacute eukaryotickyacute org -

jednobuněčnaacute řasa

16 mnohobuněčneacute řasy zeleneacute a červeneacute řasy

13 v atmosfeacuteře 3 O2 dominujiacute aerobniacute org nad aerobniacutemi

1 zvyšujiacuteciacute se počet mořskyacutech řas zvyacutešeniacute atmosfeacuterickeacuteho 02

750 milioacutenů mnohobuněčneacute zeleneacute řasy začaacutetek buněčneacute specializace

550 v atmosfeacuteře 12 O2

500 prvniacute suchozemskeacute rostliny eukaryotickaacute kolonizace země

470 prvniacute spory jaterniacutekům podobneacute rostliny

428 Cooksonia 2-3 cm velkeacute steacutelka Bryophyta s dominantniacute haploidniacute generaciacute

ceacutevnateacute rostliny bez semen- mechy přesličky kapradiny převažuje 2n generace

360 nejstaršiacute fosilniacute nahosemenneacute

140 nejstaršiacute krytosemenneacute

85 nejstaršiacute obiloviny

68 nejstaršiacute luštěniny adaptace na deficit N2

11 tisiacutec let domestifikace rostlin vliv člověka na rostliny

500 let globalizace zemědělskyacutech plodin světoveacute rozšiacuteřeniacute domestifikovanyacutech rostlin

300 člověkem prvniacute vyrobeneacute hybridniacute rostliny zaacuteměrneacute vytvaacuteřeniacute novyacutech druhů pro člověka

100 začaacutetek vědeckeacuteho šlechtěniacute rostlin manipulace s genomem a fenotypem rostlin

30 prvniacute transgenniacute rostlina novyacute gen do rostlinneacuteho genomu

20 prvniacute schvaacutelenaacute GMO rostlina - potravina rajče cv FLAVR SAVR Murphy 2011

6000 pnl produkce piva fermentaciacute (kvašeniacutem) Babyloacuteňaneacute Sumeroveacute

4000 pnl využitiacute kvasinek ve vyacuterobě piva a viacutena v Egyptě a Čiacuteně (znaacutem ječmen)

1675 Leeuwenhoek pozoroval bakterie

1860 Koch - rozvoj mikrobiologie

1857 Pasteur demonstrace fermentace - otec biotechnologiiacute

1877 Koch vypracoval techniky izolace a barveniacute bakteriiacute

1919 Ereky zavedeniacute termiacutenu biotechnologie

1935 Fleming objev peniciliacutenu - zavedeniacute sterilizace

1953 Watson a Crick popis struktury DNA

1975 Kohler a Milstein - produkce monoklonaacutelniacutech protilaacutetek

1978 produkce 1 lidskeacuteho proteinu v buňce firmou Genntech (USA) = inzuliacuten 1 praktickeacute využitiacute

1980 zavedeniacute metod rekombinantniacute DNA produkce inzuliacutenu v E coli

1994 schvaacuteleniacute prvniacute geneticky modifikovaneacute potraviny ndash rajče

1996 klonovaacuteniacute ovce Dolly Wilmuth a kol

Biotechnologie - historie

vyacuteroba jiacutedla a naacutepojů procesy vyviacutejeny za nesterilniacutech podmiacutenek zavedeniacute sterilniacutech podmiacutenek do biotechnologickyacutech procesů aplikace genetiky a technologie rekombinantniacute DNA

přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

nevyacutehoda - nekontrolovaneacute

zavedeniacute lidskeacuteho genu určujiacuteciacuteho produkci specifickeacute biacutelkoviny (inzuliacutenu) do bakterie pomociacute plazmidu - po zabudovaacuteniacute do genetickeacuteho aparaacutetu hostitelskeacute buňky je bakterie schopna produkovat AMK v přesně daneacutem pořadiacute a syntetizovat

lidskyacute inzuliacuten

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve

velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 11 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1843 superfosfaacutet hellip intenzivniacute hnojeniacute v zemědělstviacute

1849 Darwin - vznik druhů přirozenou selekciacute (cesta kolem světa Galapaacutegy)

1846-1850 krize monokultur - bdquobramborovyacuteldquo hladomor v Irsku (Phytophtora infestans)

1857 Pasteur - fermentace - otec biotechnologiiacute

1866 Mendel - publikuje svoje zaacutekony (znovu objeveny 1900)

1869 Miescher - objevuje DNA

1902 Haberlant - totipotence rostlinneacute buňky

1910 odrůda brambor Bintje (Holandsko) - odrůda roku 2012

1919 Ing Karl (Kaacuteroly) Ereky - termiacuten biotechnologie

migrace do Ameriky

technologie přeměny surovin na využitelneacute produkty pomociacute živyacutech organismů

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho

průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 10 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1923 Burbank USA - křiacuteženci bramboru odrůda

bdquoRUSSET BURBANKldquo (skladovatelnost hliacutez)

1933 prvniacute hybridi kukuřice

1941 Beadle a Tatum - hypoteacuteza 1 gen-1 enzym

1941 24-D (syntetickyacute auxin) jako prvyacute moderniacute herbicid

1950 1 radiomutanti chemomutanti řepka pšenice ryacuteže biacuteleacute fazole

ječmen (1965 - DIAMANT)

1960 ndash1970 ldquozelenaacute revoluceldquo zakrsliacute hybridi - Norman Borlaug

1970 NC miacuteru

1969 Triticale (Triticosecale tritikale žitovec - hybridniacute obilnina Triticum x Secale)

REKOMBINANTNIacute TECHNIKY

1985 prvniacute GM rostliny na poliacutech v UK

1995 odrůda bdquoBT NEW LEAF RUSSET BURBANKldquo

1998 zlataacute ryacuteže

2010 1 GMO hraacutech (Agritec)

I GMO odrůda brambor - odolnaacute vůči mandelince bramboroveacute vložen gen z bakteacuterie Bacillus thuringiensis produkujiacuteciacute protein narušujiacuteciacute vnitřnosti mandelinky

Mexiko 1943 import frac12 spotřeby pšenice 1944 plnaacute soběstačnost pšenice 1964 export 05 milionů tun pšenice

httpenwikipediaorgwikiNorman_Borlaug

Budoucnost biotechnologiiacute v ČR bdquoBiotechnologie jsou celosvětově nejprogresivnějšiacutech oblast vyacutezkumu vyacutevoje a podnikaacuteniacuteldquo

produkce viacutena - 1 psanaacute zmiacutenka r 276 (na Paacutelavě řiacutemskeacute legie) produkce piva - 11 stoletiacute syacutery destilaacutety 14 stoletiacute 1356 - kraacutelovskyacute dekret o produkci viacutena v Českyacutech zemiacutech alchymie (Rudolf II) 1518 - založeniacute Paliacuterny U Zeleneacuteho stromu v Prostějově 1887 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu pivovarskeacuteho a sladařskeacuteho v Praze 1949 - průmyslovaacute produkce peniciliacutenu v Roztokaacutech u Prahy 1966 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu antibiotik a transformaciacute (již neexistuje)

wwwbiotrincz wwwgate2biotechcz

AV ČR Univerzity Vyacutezkumneacute uacutestavy Šlechtitelskeacute stanice

kaacutemen mudrců elixiacuter mlaacutediacute přeměna hmoty

glukosa + kvasinky etanol + oxid uhličityacute přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces carlsbergensis

Biotechnologie v ČR

18 prosince 2008 bylo založeno sdruženiacute CzechBio - asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR zspo 1 asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR spojuje třicet soukromyacutech biotechnologickyacutech společnostiacute a akademickyacutech uacutestavů podpora spolupraacutece komerčniacute sfeacutery s vědeckou httpwwwczechbioorgcs

projekt Algatech ndash Centrum řasovyacutech biotechnologiiacute vyacutevoj novyacutech kultivačniacute zařiacutezeniacute a postupů na zpracovaacuteniacute řasoveacute biomasy pro vyacuterobu biopaliv krmiv potravniacutech doplňků a cennyacutech laacutetek Mikrobiologickyacute uacutestav Akademie věd ČR Třeboň

Centrum regionu Hanaacute pro biotechnologickyacute a zemědělskyacute vyacutezkum

UPOL + VUacuteRV + UacuteEB AV ČR - vytvaacuteřeniacute zemědělskyacutech plodin s vyššiacutemi vyacutenosy toleranciacute vůči nepřiacuteznivyacutem vlivům vnějšiacuteho prostřediacute

- transformace rostlin ječmene a dalšiacutech obilnin

wwwcr-hanaeu

Biotechnologie v ČR

wwwalgaczcscs-algatechhtml

Českaacute technologickaacute platforma rostlinnyacutech biotechnologiiacute ndash rozvoj biotechnologiiacute v ČR = Rostliny pro budoucnost (ČTP RB) - nepotravinaacuteřskeacute využitiacute rostlin vedlejšiacutech produktů odpadů - vyacutevoj novyacutech odrůd kulturniacutech rostlin - uplatněniacute rostlinnyacutech biotechnologiiacute v raacutemci životniacuteho prostřediacute

httpwwwczechinvestorgceska-technologicka-platforma -rostlinnych-biotechnologii

selekce - vyacuteběr nejlepšiacutech rostlin křiacuteženiacute GMO

Přiacuteklad šlechtěniacute - novyacute typ ryacuteže - maleacute vzpřiacutemeneacute listoveacute čepele - hodně odnožiacute - žaacutedneacute neproduktivniacute odnože - silneacute steacuteblo - C3 ryacuteže na C4 ryacuteže

Rostlinneacute biotechnologie Co pěstujeme na poliacutech v zahradaacutech a v sadech a co naacutesledně jiacuteme prošlo za několik tisiacuteciletiacute proměnou Prvniacute změna - předkoveacute opustili životniacute styl lovců a sběračů a stali se pěstiteli zemědělskyacutech plodina a chovateli hospodaacuteřskyacutech zviacuteřat

zlataacute ryacuteže geny z 5 různyacutech druhů

- Phaseolus vulgaris pro ferritin - Aspergilus fumigatus - ferritin - ryacuteže Basmati - ferritin - Narcissus pseudonarcissus synteacuteza karotenu - Erwinia uredovora - synteacuteza karotenu

bdquozlataacute ryacuteželdquo tvořiacute zvyacutešeneacute množstviacute provitaminu A zabraacuteniacute hladu zachraacuteniacute zrak vznikla na požadavek humanitaacuterniacute organizace bdquoHumanitarien Rice Boardldquo kteraacute se snažiacute řešit probleacutemy s nedostatkem potravy v nejchudšiacutech čaacutestech našiacute planety

švyacutecarskyacute genetik Ingo Portykus a německyacute genetik Peter Bayer

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute

ekologickaacute udržitelnost kvantita a kvalita zaacutekladniacutech zdrojů zemědělstviacute ekonomickaacute udržitelnost zemědělskaacute produkce (uacuteroda na ha) a zisk cena za produkty sociaacutelniacute (společenskaacute) udržitelnost kvalita života zemědělců vysokaacute kvalita potravin bez rizika na zdraviacute a prostřediacute

Co je udržitelneacute zemědělstviacute Mohou biotechnologie pomaacutehat

snižovaacuteniacute kvality zaacutekladniacutech zdrojů vyčerpaacuteniacute zaacutekladniacutech zdrojů

Vyhliacutedky na budoucnost

naacuterůst počtu obyvatel

zvyacutešeniacute životniacuteho standardu

pokles plochy orneacute půdy

pokles pracovniacuteků v zemědělstviacute

naacuterůst cen potravin

Naacuterůst zemědělskeacute produkce s využitiacutem biotechnologiiacute

šlechtěniacute (rezistence k chorobaacutem)

noveacute plodiny

nutričniacute kvalita plodin

ochrana rostlin

bezpečnost produktů

hybnou silou biotechnologiiacute je naacuterůst obyvatel Kolik lidiacute by mělo žiacutet na planetě Zemi

Rostlinneacute biotechnologie

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute mutace s naacuteslednou selekciacute odchylek noveacute techniky EK ciacutelenyacute přenos genů

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

prvniacute zemědělci

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) BT prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute MUTACE s naacuteslednou selekciacute odchylek - odrůda ječmene bdquoDIAMANTldquo

noveacute TECHNIKY EK VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

ciacutelenyacute přenos genů GMO

CO BUDE DAacuteL zvyšovat vyacutenosy BUDE VĚTŠINA PĚSTOVANYacuteCH ZEMĚDĚLSKYacuteCH PLODIN TRANSGENNIacute

vznik zemědělstviacute

1954

jsme moudřejšiacute

maacuteme většiacute možnosti

Počaacutetek EK 1902 Gottlieb Haberland segmenty listů 1904 Hannig zralaacute embrya

Potenciaacutel rostlinneacute buňky a podstata

explantaacutetovyacutech kultur rostlin

metody a jejich aplikace

ve šlechtěniacute rostlin

EK - historie

TOTIPOTENCE rostlinneacute buňky genetickeacute informace - jaacutedro plastidy mitochondrie

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

daacute se přeneacutest v raacutemci šlechtěniacute

blok totipotence

vyjaacutedřeniacute totipotence 1 dediferenciace buňky do buněčneacuteho cyklu a pokračovaacuteniacute v děleniacute 2 rediferenciace - tvorba organickyacutech struktur - přiacutemaacute regenerace tvorba kalusu - nepřiacutemaacute regenerace

vliv růstovyacutech regulaacutetorů

Rostlinneacute biotechnologie prvniacute generace - od explantaacutetovyacutech kultur po GMO

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute rostlin - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

Explantaacutet = aseptickaacute kultivace izolovanyacutech čaacutestiacute rostlin za umělyacutech podmiacutenek

EXPLANTAacuteTOVEacute KULTURY - VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

EK - historie

Metody EK využitelneacute v zemědělstviacute Meristeacutemoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Somatickaacute embryogeneze

Embryokultury

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze + buněčneacute inženyacuterstviacute

Genetickeacute manipulace

VITRIFIKACE (hyperhydricita) ndash vyjadřuje abnormality růstu in vitro skelnatyacute syndrom vyacutehonů křehkeacute mokryacute vzhled pryacutetů (vodou nasycenyacutech) průsvitnyacute sukulentniacute vzhled

metody zachovaacutevajiacuteciacute genotyp beze změn během kultivace metody zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu během kultivace

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK 1 rychleacute namnoženiacute

2 ozdravovaacuteniacute

3 překonaacuteniacute nekřiacutežitelnosti - embryokultury

4 dlouhodobeacute udržovaacuteniacute genetickyacutech zdrojů

5 indukce mutantů - ziacuteskaacuteniacute novyacutech genotypů

6 předselekce - urychleniacute šlechtitelskeacuteho cyklu

7 ziacuteskaacuteniacute novyacutech a udrženiacute genotypů s pylovou sterilitou

8 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho procesu

9 produkce haploidů

10 produkce polyploidů

11 rychlejšiacute ziacuteskaacuteniacute vyacutechoziacuteho šlechtitelskeacuteho materiaacutelu pro noveacute odrůdy

12 somatickaacute hybridizace - fuacuteze

13 konstrukce novyacutech genotypů kulturniacutech plodin přenos bdquoužitečnyacutech genůldquo

14 udržovaacuteniacute genofondu

15 selekce in vitro - rezistence k abiotickyacutem a biotickyacutem stresům

16 produkce sekundaacuterniacutech metabolitů

Plodina Technika

ječmen pšenice kukuřice

řepka paprika brukvovitaacute

zelenina mrkev

androgeneze

cibule gynogeneze

jahodniacutek česnek ozdravovaacuteniacute

brambor traacutevy polyploidizace in vitro

jeteloviny drobneacute ovoce

ovocneacute dřeviny podnože traacutevy mikropropagace

brambor řepka somatickaacute hybridizace

hraacutech brambor rezistence k chorobaacutem

traacutevy embryokultury

Kombinace metod embryokultury oplozeniacute in vitro fuacuteze protoplastů

plodiny se geneticky upravujiacute pro většiacute rezistenci k herbicidům - ničeniacute plevele bez poškozeniacute uacuterody GM rajčata potlačujiacute gen pro polygalakturonaacutezu enzym degradujiacuteciacute pektin způsobujiacuteciacute měknutiacute pletiv (Deacon a kol 2002)

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK

Meristeacutemoveacute kultury

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny meristeacutemoveacute kultury

Vyacutehody maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky naacuteslednaacute mikropropagace ozdraveneacuteho materiaacutelu bdquovirus - freeldquo

Vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana Iniciace kultury Testovaacuteniacute in vitro Přenos do nesterilniacutech podmiacutenek Testovaacuteniacute

MERISTEacuteM ndash děliveacute nediferencovaneacute pletivo ozdravovaacuteniacute rostlin (02 - 05 mm) meristeacutemy

OZDRAVOVAacuteNIacute Termoterapie (vyššiacute teplota)

Meristeacutemovaacute kultura Chemoterapie (antivirotika)

viry - nebuněčneacute mikroorganismy virovaacute čaacutestice = virion sklaacutedaacute se z RNA nebo DNA a kapsidu

fytopatologie in vitro

ribavirin

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny

Vyacuteznamneacute viroveacute choroby rostlin v ČR od 30 ztraacutet CaMV - 1968 PVY 30 -70 VMCH (virus mozaiky chmele) až o 70 mozaika česneku 25 - 50 žloutenka cibule až 100 bronzovitost rajčat

- žloutnutiacute listů kroužky a čaacutery na listech nevyvinuteacute rostliny abnormaacutelniacute růst - vstupujiacute různyacutemi poraněniacutemi - šiacuteřiacute se plasmodesmaty - velmi odolneacute proti inaktivaci - přenaacutešeny semeny hliacutezami pylem roubovaacuteniacutem hmyzem houbami červy

1952 Morel a Martin u jiřin

Využitiacute metody jahodniacutek česnek zeleniny květiny okrasneacute dřeviny ovocneacute dřeviny banaacutenovniacutek hellip

Tvorba bezviroacutezniacutech rostlin

1 meristeacutem = 1 rostlina testovaacuteniacute

wwwoselczindexphpclanek=2819

viroacutezniacute x zdravaacute

M Navraacutetil KBBPřFUPOL

PVY

In vitro klonovaacuteniacute mikropropagace meristeacutemoveacute kultury

zisk geneticky identickeacute rostliny vegetativniacutem množeniacutem

VYacuteHODY

maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny ktereacute jsou geneticky stabilniacute

v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky

vyššiacute množitelskyacute koeficient - potenciaacutelniacute hodnota zisku rostlin

Postup - vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana - iniciace kultury - mikropropagace - přenos do nesterilniacutech podmiacutenek

KLON - kolekce geneticky identickyacutech individuiacute původem z jedineacuteho rodiče

komerčně od 1960

httpwwwjanholubcz

In vitro meristeacutemoveacute kultury - využitiacute - zaacutechrana a množeniacute ohroženyacutech druhů kaktusy

- zaacutechranneacute množeniacute cennyacutech genotypů a liniiacute sterilniacutech rostlin - udrženiacute rodičovskyacutech komponent pro tvorbu hybridniacutech odrůd

- množeniacute transgenniacutech rostlin

- zachyceniacute a klonovaacuteniacute nově nalezenyacutech mutantů při šlechtěniacute

- klonovaacuteniacute nejlepšiacutech jedinců pro produkci elitniacuteho osiva

- vegetativniacute množeniacute okrasnyacutech rostlin karafiaacutet gerbera anthurie orchideje

sanpaulie kapradiny hellip

- množeniacute drobneacuteho ovoce jahodniacutek maliniacutek reacuteva

- množeniacute dřevin podnože pro školkařstviacute lesniacute dřeviny tropickeacute dřeviny

- v zelinaacuteřstviacute množeniacute brambor zeliacute

- množeniacute pouze samičiacutech rostlin datlovaacute palma

- kryoprezervace (-196 oC) jahodniacutek maliniacutek hraacutech brambor karafiaacutet

Genoveacute

banky

Mikropropagace multiplikace klonovaacuteniacute nejen z meristeacutemů

Solanum tuberosum Cucumis sativus Olea europea Eucalyptus grandis Salix sp Syringa sp Juglans regia

Schopnost regenerace tvorba identickyacutech rostlin = přiacutemaacute somatickaacute embryogeneze

Meristeacutemy Pryacutetoveacute segmenty Kalusy Embrya

Zdroje odchylek bull vysokeacute daacutevky růstovyacutech regulaacutetorů typ regulaacutetoru bull rostliny regenerujiacute z basaacutelniacuteho kalusu (možnost gen změn)

Kalusoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Primaacuterniacute explantaacutet kalus meristemoid orgaacutenoveacute primordium

Kalus = masa děliacuteciacutech se a rostouciacutech buněk

nejsou uniformniacute mohou se lišit velikostiacute tvarem pigmentaciacute metabolismem nebo počtem chromosomů

bull za určityacutech podmiacutenek regenerace pryacutetů a kořiacutenků

tma x světlo

subkultivace

metoda geneticky nestabilniacute

Kalusoveacute kultury - somaklonaacutelniacute variabilita ndash MUTACE a zisk novyacutech znaků

- mikropropagace ndash cibule žen-šen hellip

- vyacutechoziacute materiaacutel pro suspenzniacute a protoplastovou kulturu

- materiaacutel pro indukovaneacute mutace (zaacuteřeniacute chemomutageny)

- sekundaacuterniacute metabolity (alkaloidy AMK saponiny oleje složky vůniacute protinaacutedoroveacute laacutetky steroidy )

polyploidie aneuploidie

Selekce mutantů se zlepšenou nutričniacute hodnotou (viacutece biacutelkovin v zrnu)

Rezistence vůči zasoleniacute (vysokyacute turgor v buňkaacutech akumulace NaCl ve vakuolaacutech)

Rezistence vůči chorobaacutem (synteacuteza fytotoxinů fytoalexinů)

Sekundaacuterniacute metabolity (= chemickeacute individuality v rostlinaacutech ndash barviva vůně chuti obrana)

Artemisia annua - artemisin (antimalarika) Capsicum sp - capsaicin (protinaacutedoroveacute)

Digitalis lanata - digoxin (srdečniacute stimulanty) Papaver somniferum - codein (sedativa)

Taxus breviola - taxol (protinaacutedoroveacute) Vanilla planifolia - vaniliacuten (aroma)

Panax ginseng - (imunitniacute systeacutem) Zingiber officinale ndash gingerol (antioxidant)

Somatickaacute embryogeneze a suspenzniacute kultury

Využitiacute

umělaacute semena (enkapsulace somatickyacutech embryiacute)

využitiacute somatickeacute variability

klonoveacute množeniacute

sekundaacuterniacute metabolismus (suspenze)

kryoprezervace

Buněčnaacute suspenze = převedeme kalus do tekuteacuteho meacutedia

a provzdušňujeme (kontakt buněk a shluků buněk s meacutediem)

vznikaacute bipolaacuterniacute struktura obsahujiacuteciacute kořen a pryacutet

auxin (24-D)

umělaacute semena

Mutace RADIOMUTANT PROSPĚCH NEBO ZAacuteLUDNOST

SPONTAacuteNNIacute MUTACE využiacutevaacute člověk při šlechtěniacute odrůd spur typy (kompakt typy) jabloniacute absence trnů u ostružiniacuteku variabilita květenstviacute jiřinky proměnliveacute vznik plemen domaacuteciacutech zviacuteřat je založen na podchyceniacute spontaacutenniacutech mutaciacute ndash plemena psů

INDUKOVANEacute MUTACE působeniacute mutagenů

zaacuteměrneacute ndash ve vyacutezkumu ve šlechtěniacute rostlin (př odrůdy ječmene DIAMANT (zkraacuteceniacute steacutebel ndash nepoleacutehaacute) kompaktniacute růst a samosprašnost třešně změna barvy slupky u jabloně ndash sbquoredlsquo mutace)

nezaacuteměrneacute ndash důsledek použitiacute jadernyacutech a chemickyacutech zbraniacute ndash Yperit jaderneacute a jineacute katastrofy

1950 radiomutace chemomutace 1965 ječmen Diamant

Suspenzniacute kultury - SK KULTURA V TEKUTEacuteM MEacuteDIU ROSTE A DĚLIacute SE NĚKOLIKANAacuteSOBNĚ RYCHLEJI NEŽ KULTURA

NA PEVNEacuteM MEacuteDIU Využitiacute jako experimentaacutelniacute model produkce sekundaacuterniacutech metabolitů indukce somaklonaacutelniacute variability a naacutesledneacute selekce mikropropagace (pod kontrolou genetickeacute stability) pohyb kultury v bioreaktoru maacute za naacutesledek potlačeniacute apikaacutelniacute dominance tiacutem se stimuluje růst mnohonaacutesobnyacutech pryacutetů

Bioreaktory firmy VitroSys Inc Korea

ideaacutelniacute SK ndash rychlyacute růst karyologickaacute stabilita životnost buněk rentabilita

Minimaacutelně 103 ml buněk 110 suspenze v exponenciaacutelniacute faacutezi se doplniacute čerstvyacutem meacutediem Koncentrace sacharidů prodlužuje periodu růstu

Velkokapacitniacute kultivace rostlinnyacutech buněk v tekutyacutech meacutediiacutech sterilniacute prostřediacute obsahujiacuteciacute živiny a laacutetky potřebneacute pro růst a jeho regulaci vhodneacute pro kultivaci rostlinnyacutech mikrobiaacutelniacutech a živočišnyacutech buněk

Bioreaktor

Bioreaktory s tekutyacutem meacutediem explantaacutety jsou ponořeny v tekuteacutem meacutediu Bioreaktory s pravidelnyacutem zaplavovaacuteniacutem (temporary immersion bioreactor TIB) explantaacutety jsou pravidelně zaplavovaacuteny

Bioreaktor

httpwwwuebcasczcscontentzensenove-spagety

pěstujiacute se jen kořeny - zisk GINSENOSIDŮ za 3 měsiacutece v laboratoři stejnyacute zisk jako z rostlin ženšenu v přiacuterodě za 8 let obsah GINSENOSIDŮ je srovnatelnyacute s planě rostouciacutemi rostlinami množstviacutem i vzaacutejemnyacutem poměrem jednotlivyacutech laacutetek

v Koreji od r 2004

hairy-root systeacutem a sekundaacuterniacute metabolity

Sekundaacuterniacute metabolity - SM ROSTLINA BUNĚČNAacute KULTURA

EXTRAKT prověřovaacuteniacute oddělovaacuteniacute čištěniacute aktivniacute složky testovaacuteniacuteprověřovaacuteniacute

ČISTAacute BIOAKTIVNIacute LAacuteTKA

SM z buněčneacute kultury - extrakty ziacuteskaneacute za reprodukovatelnyacutech podmiacutenek spolehliveacute zdroje meacutedium - množstviacute čisteacuteho produktu

buňky rostou v tekuteacutem meacutediu -ne celaacute rostlina

produkt rostlina in vitro ()

rostlina ()

poměr

ginsenoside Panax ginseng 27 45 6 x

rosmarinic acid Coleus blumei 27 3 9 x

caffeic acid Vanilla planifolia 002 0005 4 x

shikonin Lithospermum erythrorhizon

20 15 135 x

ubiquinon-10 Nicotiana tabacum 0036 0003 12 x Heldman et al 2011

anti

oxy

dan

ty v sušině

bioreaktory

Sekundaacuterniacute metabolity - SM Rostlina Uacutečinnaacute laacutetka Uacutečinek

Artemisia annua pelyněk ročniacute artemisinin antimalarikum

Digitalis lanata naacuteprstniacutek vlnatyacute digoxin srdečniacute stimulants

Dubosia myoporoides lilkoviteacute atropin

scopolamin

očniacute přiacutepravky mořskaacute nemoc

Lithospermum

erythrorhizon

kamejka

rudokořennaacute

shikonin protinaacutedoroveacute

Panax ginseng ženšen pravyacute stimulant imunitniacuteho systeacutemu

Salix alba vrba biacutelaacute salicin antirevmatikum proti horečce

Taxus brevifolia tis

zaacutepadoamerickyacute

baccatin taxol protinaacutedoroveacute

Vinca rosea barviacutenek růžovyacute vinblastin

vinkristin

protinaacutedoroveacute alkaloidy

leukeacutemie

buněčnaacute kultura

Rostlina Extrakt Uacutečinek

Linum usitatissimum len setyacute olej

Mentha piperita maacuteta peprnaacute maacutetovyacute olej -

mentol

žaludečniacute potiacuteže

Mentha spicata maacuteta klasnataacute mentol žaludečniacute potiacuteže

Zingiber officinale zaacutezvor leacutekařskyacute gingerol antioxidant

informace z tradičniacute lidoveacute mediciacuteny - použitiacute extraktů a purifikace zdroje z nedotčeneacuteho ekosysteacutemu

kalusovaacute kultura buněčnaacute suspenze orgaacutenovaacute kultura - Artemisia Mentha - pryacutety

rostliny jsou vyacuterobci sekundaacuterniacutech metabolitů

cytostatikum

Sekundaacuterniacute metabolity - SM

Heldman et al 2011

VYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY

nezaacutevisleacute na geografickyacutech podmiacutenkaacutech

nezaacutevisleacute na sezoacutenniacutech podmiacutenkaacutech

v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

v přiacuterodě kontrolovaacuteno množstviacute in vitro ne

nepřetržitaacute dodaacutevka produktu

uniformniacute kvalita produktu

uniformniacute vyacutetěžnost produktu (průběžně)

vyacuteběr vhodneacute linie s vyššiacute produkciacute produktu

možnost tvorby novyacutech laacutetek nenormaacutelniacutech u donora

NEVYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY staacutele se vyviacutejejiacuteciacute

překaacutežky - pomalyacute růst

genetickaacute nestabilita

různorodost

niacutezkyacute obsah metabolitu

produkty vylučovaacuteniacute provozniacute - světelneacute podmiacutenky aseptickeacute podmiacutenky

STRATEGIE TVORBY SM vyacuteběr donorovyacutech rostlin - biochemickeacute testy

iniciace kalusů

vyacuteběr buněčneacute linie - rychle rostouciacute vysokaacute produkce

ciacutelenyacute metabolismus - kultivačniacute meacutedium (složeniacute koncentrace proporcionalita)

kultivačniacute podmiacutenky (teplota světlo pH) zvlaacuteštniacute požadavky (prekurzor simulace stresu - napadeniacute patogenem)

uvolněniacute do meacutedia

Embryokultury

Embryokultury = kultivace zralyacutech nebo nezralyacutech embryiacute in vitro

1904 Hannig - embrya u ředkve

1925 Laibach - aplikace v mezidruhoveacutem křiacuteženiacute r Linum sp

1945 Randolph - zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu u r Iris sp

1970 Kasha Kao - ziacuteskaacuteniacute haplodů u ječmene

Hordeum vulgare (zůstaacutevaacute) x Hordeum bulbosum (eliminace chromozoacutemů)

Zygotickaacute embrya vyacuteživa z endospermu (heterotrofniacute)

Embrya in vitro vyacuteživa z kultivačniacuteho meacutedia

In vitro oplodněniacute u člověka - 1978 pro neplodneacute paacutery

geneticky stabilniacute metoda

Embryokultury- in vitro

I Kultura semennyacutech embryiacute tj izolace plně vyvinutyacutech

bipolaacuterniacutech struktur obsahujiacuteciacutech kořenovyacute a stonkovyacute systeacutem

II Kultura proembryiacute tj izolace nezralyacutech zaacuterodků předchaacutezejiacuteciacutech

diferenciaci děloh

Embryogeneze zygotickeacuteho embrya (in vivo)

zygota (přiacuteprava na 1 děleniacute)

faacuteze pomaleacuteho vyacutevinu embrya po oplozeniacute

faacuteze rychleacuteho vyacutevinu růstu a diferenciace embrya

faacuteze dozraacutevaacuteniacute embrya

faacuteze přechodu embrya do dormance (ABA)

Embryokultury

1 překonaacuteniacute barieacuter vzdaacuteleneacuteho křiacuteženiacute (abortace hybridniacutech embryiacute sterility semen)

2 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu (viacutece generaciacute za rok)

3 řešeniacute jarovizačniacuteho staacutedia

4 primaacuterniacute explantaacutet pro dalšiacute kultury

5 eliminace inhibice kliacutečeniacute

6 studium mineraacutelniacute vyacuteživy

7 umělaacute semena

8 studium metabolickyacutech vztahů mezi embryem a endospermem embryem a dělohami

9 ziacuteskaacuteniacute haploidniacutech rostlin

Opylovaacuteniacute in vitro

Opylovaacuteniacute in situ

in vitro

Inkompatibilita rostlin

zaručuje stabilitu druhu

Barieacutery procesu opyleniacute a oplozeniacute

vnějšiacute (teplota vlhkost nedostatečnaacute vyacuteživa )

vnitřniacute (inkompatibilita samčiacute nebo samičiacute sterilita)

využitiacute v raacutemci šlechtěniacute rostlin k překonaacuteniacute prezygotickyacutech barieacuter vznik mezidruhovyacutech mezirodovyacutech hybridů

Barieacutery Technika překonaacuteniacute

Před oplodněniacutem selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute blizny pestiacuteku pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

rezistence vůči abiotickeacutemu stresu rezistence vůči škůdcům vyššiacute vyacutenos

přenos z jineacuteho druhu

EK využitiacute ve šlechtěniacute

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury HAPLOID rostlina s n počtem chromozomů menšiacute sterilniacute

1963 T Yamada a kol Tradescantia reflexa (haploidy)

1964 - 1966 S Guha SC Maheswari Datura diploidizace kolchicinem

1969 JP Nitsch a kol celeacute rostliny (tabaacutek)

1973 JP Nitsch Norrel mikrosporoveacute kultury

2000 šlechtitelskeacute programy polniacutech plodin (obiloviny řepka)

využiacutevajiacute haploidniacute kultury in vitro

Androgeneze prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Androgeneze - kultivace prašniacuteků pyl zrn mikrospor = samčiacute genotyp

Gynogeneze - kultivace neoplodněnyacutech vajiacuteček = samičiacute genotyp

Haploidie - spontaacutenniacute = haploidniacute partenogeneze (gynogeneze androgeneze) frekvence 10-6

- experimentaacutelniacute indukovanaacute

fyzikaacutelniacute faktory = UV γ-zaacuteřeniacute X-paprsky teplotniacute šoky

zaacutesahy do procesů opyleniacute a oplozeniacute (inaktivniacute pyl)

explantaacutetoveacute metody = prašniacutekoveacute a pyloveacute kultury kultivace semeniacuteků a vajiacuteček

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury Ontogeneze pylu

In vivo mikrosporogeneze

pylovaacute mateřskaacute buňka

meiosa

pyloveacute tetraacutedy

vyacutevoj mikrospory (1 pyl mitoacuteza)

In vitro vyacutevoj embryoidu

(vegetativniacute generativniacute buňka)

- přiacutemaacute embryogeneze

- nepřiacutemaacute embryogeneze

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

využitiacute haploidů (majiacute jen jednu sadu chromosomů)

segregace vloh na gametickeacute uacuterovni ndash homozygoacutetniacute stav (čisteacute linie v F2 generaci)

detekce recesivniacutech mutaciacute (fenotypickyacute projev)

trpasličiacute varieta ndash u okrasnyacutech rostlin

Dihaploidizace

n rostliny - sterilniacute

104 ndash 105 mikrospoacuterml meacutedia

Brassica sp

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Prašniacutekoveacute kultury

viacutece než 200 druhů (řepka ryacuteže kukuřice obiloviny)

20-60 dnů

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

vyacutevoj globulaacuterniacuteho embrya a naacutesledně haploidniacute rostliny přiacutemo z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory

z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory vznikaacute kalus rarr indukce organogeneze

TYPY ANDROGENEZE

vzaacutecně

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Solanaceae

Brassicaceae

Poaceae

prašniacuteky

Androgeneze

Indukovanaacute androgeneze ndash přiacuteklady

Beta vulgaris - homozygotniacute linie

Brassica napus - novaacute odrůda linie

Hordeum vulgare

Lycopersicon - novaacute odrůda

Nicotiana - noveacute odrůdy

Oryza - noveacute odrůdy

Pelargonium - trpasličiacute variety

Triticum ndash cv Florin Huapei

Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby Praha Vyacutezkumnyacute uacutestav obilnaacuteřskyacute Kroměřiacutež Vyacutezkumnyacute uacutestav olejnin Oseva

Gynogeneze kultury izolovanyacutech vajiacuteček

kultury izolovanyacutech semeniacuteků

kultury izolovanyacutech květenstviacute in vitro

haploidniacute rostliny

spontaacutenniacute dihaploidniacute rostliny

ječmen kukuřice moruše

slunečnice cibule

kultivace vajiacuteček Beta vulgaris Tomaszewska-Sowa 2010

327 haploids 458 diploids and 215 ndash mixoploids

x opyleniacute ozaacuteřenyacutem pylem

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

Polyploidizace in vitro

duplikace celeacuteho genomu až 70 všech krytosemennyacutech rostlin je polyploidniacutech (Masterson 1994) POLYPLOID metabolicky aktivnějšiacute a rozměrnějšiacute plodiny ktereacute jsou vhodneacute pro pěstovaacuteniacute a leacutepe se vyrovnaacutevajiacute se stresovyacutemi podmiacutenkami

kolchicin

oryzalin

trifluralin

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze protoplastů

1892 Klecker - 1 mechanickaacute izolace protoplastů Stratiotes aloides (řezan pilolistyacute) 1960 EC Cocking 1 enzymatickaacute izolace protoplastů Nicotiana sp 1978 G Melchers a kol 1 mezirodovyacute hybrid bdquopomatoldquo bdquotopatoldquo Solanum tuberosum x S lycopersicum (Lycopersicum esculentum)

httptheplanetfixerorg387new-vegetable-created-the-tomato-potato-plant

Protoplastoveacute kultury

= kultivace rostlinnyacutech buněk zbavenyacutech buněčneacute stěny

Protoplast = rostlinnaacute buňka bez buněčneacute stěny jejiacute povrch tvořiacute cytoplazmatickaacute membraacutena maacute kulovityacute tvar

Protoplastoveacute kultury - regenerace

Faktory ovlivňujiacuteciacute kultivaci a regeneraci

Hustota ( počet protoplastů v 1 ml)

Životnost ()

Podmiacutenky kultivace a meacutedium

bull Studium synteacutezy buněčneacute stěny vyacutevoj buňky fyziologie buňky a cytogenetiku

bull Studium hodnoceniacute uacutečinků farmak potravinovyacutech doplňků agrochemickyacutech laacutetek na rostlinnou

buňku

bull Studium transportu iontů a laacutetek přes cytoplasmatickou membraacutenu

bull Somatickaacute hybridizace (fuacuteze protoplastů)

bull Inkorporace exogenniacuteho genetickeacuteho materiaacutelu ndash organel cybridizace

bull Genoveacute transformace (cizorodaacute DNA z bakteriaacutelniacuteho plasmidu)

Protoplastoveacute kultury - fuacuteze

Využitiacute

kombinace znaků odlišnyacutech druhů a rodů ktereacute by nevznikly přirozenou cestou

jedinečneacute kombinace jadernyacutech a organelovyacutech genomů vytvaacuteřiacute noveacute genetickeacute zdroje

často jen - čaacutest chromozomů asymetrickeacute jaderneacute hybridy

chloroplasty

mitochondrie

chemickeacute fuacuteze - pomalejšiacute elektrofuacuteze - fuacutezanti po 10 min vyššiacute frekvence fuacutezantů

cytoplazmickeacute hybridy - cybridy

Charakterizace hybridů - morfologicky cytologicky molekulaacuterniacute analyacutezy

Přirozenaacute mezidruhovaacute hybridizace - vznik některyacutech kulturniacutech plodin

B oleracea + B campestris = Brassica napus Nicotiana sylvestris + N tomentosa = Nicotiana tabacum

cybridy nelze ziacuteskat klasickou hybridizaciacute (křiacuteženiacutem) ndash samčiacute pohlavniacute buňky (pyl zrna) nemajiacute plastidy a mitochondrie

V přiacuterodě blesky do půdy modifikace bakteriiacute

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

Přenos jaderneacute a cytoplazmatickeacute genetickeacute informace mezi rostlinnyacutemi druhy rody

- překonaacuteniacute sexuaacutelniacute inkompatibility

- přenos genů rezistence vůči virovyacutem houbovyacutem chorobaacutem

- přenos cytoplazmatickeacute samčiacute sterility

- přenos rezistence vůči stresům (teplotniacutem zasoleniacute)

- přenos rezistence vůči hmyziacutem škůdcům

(synteacuteza fytoalexinů)

- přenos genů pro synteacutezu zaacutesobniacutech proteinů vitamiacutenů

alkaloidů

plnokvětost

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

využitiacute pro fytoremediace

Brassica juncea Tlaspi caerulescens brukev siacutetinovitaacute peniacutezek modravyacute akumulace Pb akumulace Zn a Ni hybrid se zvyacutešenou rezistenciacute k Pb Zn a Ni rychlyacute naacuterůst

biomasy

Brassica napus Thlaspi caerulescens hybridi rostly na vysokeacutem obsahu Zn

Fuacuteze protoplastů rodu Brassica s planyacutemi druhy

Armoracia rusticana

Barbarea vulgaris

Camelina sativa

Capsella bursa pastoris

Diplotaxis catholica

Diplotaxis muralis

Diplotaxis harra

Eruca sativa

Lesquerella fendleri

Mathiola incana

Moricandia arvensis C4

Moricandia nitens C4

Raphanus sativus

Sinapis alba

Sinapis arvensis

Thlaspi perfoliatum

Thlaspi caerulescens

Genoveacute banky In vitro genoveacute banky

2397 vzorků 1249 odrůd Solanum tuberosum 450 teraploidniacutech křiacuteženců S tuberosum 266 dihaploidů 119 mezidruhovyacutech hybridů rodu Solanum 313 genotypů kulturniacutech genotypů 23 planyacutech druhů

Havliacutečkův Brod

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu rostlin

1 Uchovaacutevaacuteniacute semen ndash semenneacute banky (od 1 roku - hellip)

2 Uchovaacutevaacuteniacute vegetativniacutech orgaacutenů ndash hliacutezy cibule řiacutezky

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro Kraacutetkodobeacute - aktivně rostouciacute kultury (pravidelneacute pasaacuteže) - uchovaacuteniacute kultur v minimaacutelniacutem růstu nižšiacute teploty kultivace

Dlouhodobeacute u rostlin kde nejsou semena

- za velmi niacutezkyacutech teplot (-196oC) = kryobanka

Databaacuteze ndash přiacutestupneacute z celeacuteho světa

Špicberky

genobanka - wwwvurvcz part databases EVIGEZ

vyacuteznam v mediciacuteně

Zaacuteložniacute fond semena potravinaacuteřskyacutech plodin z celeacuteho světa

stane se zaacuteložniacutem fondem pro ostatniacutech 1400

semennyacutech bank po celeacutem světě

v Iraacuteku a v Afghaacutenistaacutenu byla podobnaacute zařiacutezeniacute za

vaacutelky zcela zničena

na Filipiacutenaacutech je v roce 2006 poškodila povodeň

semennaacute banka pro světoveacute plodiny je umiacutestěna v hoře

maacute vyztuženeacute stěny betonem a železem

třiacute komory o velikosti 27 kraacutet 10 metrů

teplota minus 18 oC (konzervace po stovky až tisiacutece let) httpwwwnorambczarkivBasisartikler---OversettelserIkke-

bruktnovinkyseedvault_eng

k 1172010 zde bylo uloženo 716 523 vzorků semen patřiacuteciacutech ke 4 205 druhům

českaacute banka uloženaacute v Praze-Ruzyni zaacuteloha na Slovensku

Špicberky

Uchovaacutevaacuteniacute genofonduv ČR

genofond odrůd meruněk broskvoniacute mandloniacute reacutevy vinneacute kdouloniacute lonicer rakytniacuteků a dřiacutenů

2400 položek

25 000 položek

5400 položek 2397

položek

4700 položek

2000 položek

2300 položek

Naacuterodniacute informačniacute systeacutem genetickyacutech zdrojů EVIGEZ httpwwwgenbankvurvczgeneticresources

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro

KRYOBANKA

prašniacuteky a pyl pletiva a orgaacuteny meristeacutemy

kalus

suspennzniacute somatickaacute kultury embrya

dlouhodobeacute skladovaacuteniacute

nižšiacute naacuteroky na uchovaacuteniacute

mezinaacuterodniacute vyacuteměna

nižšiacute podiacutel lidskeacute praacutece

potřeba menšiacuteho prostoru

uchovaacuteniacute genetickeacute stability

omezeniacute staacuternutiacute

ozdravenyacute materiaacutel

prodlouženeacute použitiacute pylu

uchovaacuteniacute vzaacutecnyacutech rostlin

apikaacutelniacute vrcholy

Biotechnologickaacute laboratoř Nestleacute - uchovaacutevaacute buněčneacute embryogenniacute linie kaacutevy kakaa a banaacutenů

Německaacute sbiacuterka mikroorganismů a buněčnyacutech kultur (DSMZ Braunschweig Německo) meristeacutemy 519 staryacutech kultivarů brambor ndash metoda mrazeniacute alginaacutetovyacutech perel

International Potato Centre (CIP Lima Peru) - 345 kultivarů brambor

INIBAP Leuven Belgie - 306 kultivarů banaacutenu (14 ze světoveacuteho počtu kultivarů)

Naacuterodniacute genobanka klonů NCGR USA - ročniacute naacuteklady

udržovaacuteniacute jedneacute položky v sadu (hrušně) 77 dolarů na skladovaacuteniacute in vitro 23 dolarů na kryoprezervaci 1 dolar (při počaacutetečniacute investici na kryometodu 50 dolarů za uchovaacutevanou jednotku)

Přiacuteklady komerčniacuteho využitiacute kryoprezervace meristeacutemů

Aplikace biotechnologiiacute ve šlechtěniacute rostlin

rostliny postraacutedajiacute schopnost aktivně se přesouvat z dosahu nepřiacuteznivyacutech vlivů rostliny vyvinuly adaptačniacute mechanismy pro překonaacuteniacute stresů a tiacutem přežitiacute v extreacutemniacutech podmiacutenkaacutech

Biotechnologie v zemědělstviacute ekologickeacute zemědělstviacute

VLIV ŠKŮDCŮ CHOROB A PLEVELŮ NA ZEMĚDĚLSKEacute PLODINY

1 sniacuteženiacute velikosti a vaacutehy zrna 2 ztraacuteta ve velikosti hliacutez a kořenů 3 zvyacutešeniacute obsahu vlhkosti 4 změny v chemickeacutem složeniacute zrna hliacutez a kořenů 5 odbarveniacute zrna a hliacutez - deformace 6 tvorba mykotoxinů patogeny 7 sniacuteženiacute kliacutečivosti 8 redukce krmiva

spotřeba vody - rezistence k suchu sniacutežiacute spotřebu uchovaacuteniacute vody rostlinou aplikace hnojiv chemickaacute kontrola škůdců

- studium abiotickeacuteho stresu

- zlepšeniacute ochrany rostlin vůči škůdcům

- ochrana životniacuteho prostřediacute

- zlepšeniacute kvality potravin

odstraněniacute hladu GMO fytoremediace

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

ohroženiacute klimatickyacutem suchem v ČR ndash nejrizikovějšiacute oblasti nižšiacute polohy na jižniacute a středniacute Moravě v prostoru mezi Prahou Uacutestiacutem nad Labem a Žatcem zaacutepadně od Pardubic

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

Rezistence k suchu - využitiacute vody

Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

vyacutevoj samčiacuteho gametofytu - spojen s expresiacute genů - 150 specifickyacutech genů spraacutevneacute načasovaacuteniacute

sporofyt gametofyt

2n 1n

rostlina pylovaacute zrnazaacuterodečnyacute vak

pohlavniacute rozmnožovaacuteniacute přiacuterodniacute vyacuteběr

pylzrna - exina (ovlivněna sporofytem) ochrana před UV laacutekaacuteniacute opylovačů - barva vůně komunikace s bliznou produkce alergenů

strategie rostlin zabraacuteněniacute samoopyleniacute

Biotechnologie v zemědělstviacute samčiacute gametofyt n TETRASPORE (TES) reg gen je vyžadovaacuten ke tvorbě přepaacutežek mezi produkty meioacutezy u mutanta všechna čtyři jaacutedra mikrospoacutery zůstaacutevajiacute ve stejneacute cytoplazmě polyploidniacute jedinci n GEMINI POLLEN 1 (GEM1) reg gen je vyžadovaacuten k orientaci mitotickeacuteho vřeteacutenka mutant tvořiacute dvě symetrickaacute jaacutedra typu vegetativniacuteho vede ke sterilitě n SIDECAR POLLEN (SCP) reg gen je vyžadovaacuten k děleniacute pylu prvniacute symetrickaacute pylovaacute mitoacuteza mutanta daacutevaacute dvě stejneacute buňky jedna extra- vegetativniacute (sterilniacute sidecar) a druhaacute regvegetativniacute a generativniacute mutace nevede ke sterilitě n QUARTET (QRT) reg gen je vyžadovaacuten k separaci pylovyacutech zrn u mutantů jsou stěny meiotickyacutech produktů pyloveacute mateřskeacute buňky fuacutezovaacuteny a zrna se uvolňujiacute v tetraacutedaacutech

samičiacute makrogametofyt n FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED (FIS) a FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) reg geny hrajiacute regulačniacute role ve vyacutevinu semene po oplozeniacute u mutantů se diploidniacute jaacutedra endospermu vyviacutejejiacute bez oplozeniacute pak atrofujiacute mutace neovlivňujiacute vaječnou buňku - procesy embryogeneze a vyacutevinu endospermu jsou odlišneacute n MEDEA (MEA) reg mutace genu způsobuje hypertrofii a zaacutenik embrya neniacute jasneacute na jakeacute uacuterovni se gen projevuje zaacuterodečnyacute vak endosperm nebo maternaacutelně imprintovanyacute embryonaacutelniacute gen

Biotechnologie ve šlechtěniacute rostlin Selektivniacute šlechtěniacute rostlin - přiacuterodniacute genetickeacute diverzity rostlin Techniky překonaacuteniacute barieacuter šlechtěniacute

Barieacutery Technika překonaacuteniacute Před oplodněniacutem

selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute pestiacuteku

pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony

pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro

selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů

odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute

abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry

sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

vyacutevoj semen

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

Škůdci v historii naacutelety sarančat (Staryacute zaacutekon)

ochrana saze tabaacutek

začaacutetek 19 stol - siacutera na houboveacute patogeny 1939 objev DDT uacutečinek na hmyz teorie bdquohmyz se může staacutet rezistentniacuteldquo 1948 Nobelova cena P Muumlller

50 leacuteta 20 st - herbicidy - postřiky na plevele ( rezistence na herbicid) 1972 zaacutekaz DDT (vyacutejimka - boj s malaacuteriiacute v Africe - naacutevrat DDT)

škůdce - hmyz hliacutestice 1861 - v Americe Iowa Nebraska 1880 1 pesticid v S Americe arzeacutenem bdquoParis greenldquo

S rostouciacute intenzitou pěstovaacuteniacute roste hospodaacuteřskyacute vyacuteznam škodlivyacutech organismů objem škod se zvyšuje staacutele přibyacutevajiacute noveacute druhy škodlivyacutech organismů zavaacutedějiacute se staacutele noveacute prostředky

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin - hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy

1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho

obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

ROS Reactive oxygen species reaktivniacute formy kysliacuteku SAR Systemic acquired resistance systeacutemově ziacuteskanaacute rezistence = neinfikovaneacute buňky začiacutenajiacute s přiacutepravou na atak patogena

napadeneacute rostliny uvolňujiacute signaacutelniacute molekuly (těkaveacute laacutetky - druhově specifickeacute) a varujiacute okolniacute rostliny ještě před napadeniacutem hmyzem

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin -hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy 1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

produkujiacute u různyacutech rostlin různě - sekundaacuterniacute metabolity - odstrašeniacute nebo zničeniacute patogena - proteiny inhibujiacuteciacute aktivitu zažiacutevaciacutech enzymů hmyzu - enzymy degradujiacuteciacute buněčnou stěnu hub (chitinaacutezy) - proteiny inhibujiacuteciacute překlad proteinů u škůdce - antiviroveacute složky degradujiacuteciacute virovou RNA blokujiacute vstup do buňky zastavujiacute replikaci

geny ktereacute bdquoSARldquo zapiacutenajiacute zvyšujiacute rezistenci rostliny

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům - již v čaacutesti fytotatologie

Co je plevel soutěžiacute s plodinou o živiny světlo a prostor intenziacutevně roste podiacuteliacute se na šiacuteřeniacute chorob a škůdců

lat herba - rostlina řeč cidoacute - ničiacutem

Vznik rezistence plevelů vůči některyacutem herbicidniacutem laacutetkaacutem = reakce plevelnyacutech druhů na podmiacutenky současneacuteho pěstovaacuteniacute rostlin = dlouhodobeacute působeniacute herbicidů

Vyacutevoj plevelů na zemědělskeacute půdě v naacutevaznosti na skladbu pěstovanyacutech plodin Vznik rezistence plevelů vůči herbicidům Problematika invaziacute a expanziacute plevelů

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům

Rezistenci vůči herbicidům způsobujiacute biochemickeacute fyziologickeacute změny nebo morfologickeacute odlišnosti ktereacute ovlivňujiacute přiacutejem herbicidů rostlinou

- degradujiacute herbicid

- měniacute jeho biochemickou funkci v rostlině

- pozměňujiacute miacutesto na ktereacute herbicid v rostlině působiacute

Rezistence rostlin vůči herbicidům dědičnaacute schopnost odolaacutevat takoveacute daacutevce herbicidů při ktereacute by za normaacutelniacutech okolnostiacute byla populace potlačena

směr pro šlechtěniacute

Aplikace rostlinnyacutech biotechnologiiacute v životniacutem

prostřediacute

takto nebo takto

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Těžba a zpracovaacuteniacute surovin(těžkeacute kovy- Cd Pb prach) Průmyslovaacute vyacuteroba (barviva)

Skladovaacuteniacute (haldy kaliště sklaacutedky) Zemědělstviacute (pesticidy herbicidy)

Domaacuteciacute odpad (leacutečiva detergenty praciacute prostředky)

čin

no

st č

lově

ka

půda voda ovzdušiacute

znečištěniacute

degradace organismy produkujiacuteciacute laacutetky (enzymy) pro

ciacutelenyacute rozklad

organismy snižujiacuteciacute toxicitu toxickeacute laacutetky metylaciacute dehalogenace hydroxylace hydrolyacuteza deaminacehellip

substraacutet je zdrojem C a energie

dekontaminace

+ katastrofy Černobyl vaacutelečneacute konflikty

remediace = navraacuteceniacute k původniacutemu stavu

Biodegradace všechny přirozeneacute procesy ktereacute jsou uskutečňovaacuteny bakteriemi a jinyacutemi mikroorganizmy nebo vyššiacutemi organismy ktereacute vedou k destrukci organickyacutech molekul = organickyacute substraacutet je přeměňovaacuten až na CO2 Bioremediace (bakterie houby)

spočiacutevaacute v akceleraci přirozenyacutech biodegradačniacutech procesů nebo v ciacuteleneacute biodegradace - vede k ozdraveniacute kontaminovaneacuteho prostřediacute - detoxifikace měniacute se na netoxickeacute = neškodneacute laacutetky - aplikaciacute mikroorganismů

Fytoremediace (rostliny) niacutezkaacute cena

využitiacute rostlin k odstraněniacute toxickeacute zaacutetěže (těžkeacute kovy) řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny Zooremediace (zviacuteřata)

zpracovaacuteniacute odpadů pomociacute zviacuteřat bezobratliacute - perlorodky měkkyacuteši

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

nevyacutehody pomalaacute viacutece než 2 roky maleacute rozměry vhodnyacutech rostlin maacutelo druhů vhodnyacutech rostlin neniacute 100 probleacutem s rostlinnyacutem odpadem - potřeba zvlaacuteštniacutech sklaacutedek spadeneacute listiacute

- řiacutezeneacute spalovaacuteniacute

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacute len slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

vyacutehody mineralizace organickyacutech sloučenin niacutezkeacute naacuteklady pasiacutevniacute metoda bez transportu kontaminovaneacute půdy energie ze slunečniacuteho zaacuteřeniacute nepoškozuje okoliacute - sniacuteženiacute prašnosti

estetickyacute přiacutenos etickyacute uacutečinek (veřejnosti přijatelnyacute)

2005 cca 450 rostlinnyacutech druhů - tzv bdquohyperakumulaacutetoryldquo 100 x vyššiacute akumulace než u ostatniacutech rostlin

teorie vzniku - obrana vůči hmyzu - hmyz preferuje

niacutezkeacute koncentrace kovu

Thlaspi careulescens

X bagrovaacuteniacute kontaminovaneacute zeminy transport zeminy dekontaminace

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute přiacutejem kořeny - z půdy přiacutejem nadzemniacute čaacutestiacute rostliny - vyacutefukoveacute plyny

akumuluje

degraduje

detoxifikuje

roste na kontaminovaneacute půdě

produkuje velkeacute množstviacute biomasy

tolerantniacute k salinitě a jinyacutem toxickyacutem podmiacutenkaacutem

poskytuje ekonomickeacute hodnoty - textilniacute vlaacutekna (len konopiacute)

GMO - gen fytovolatizace - bakteriaacutelniacute geny transformovaacuteny do rostlin transgeny merA a merB fytoextrakce - gen gsh1 a gsh2 z E coli do Brassica juncea

potenciaacutel je v GMO rostlinaacutech

Laboratoř rostlinnyacutech biotechnologiiacute Společnaacute laboratoř UacuteEB AV ČR vvi A VUacuteRV vvi Akademie věd Českeacute Republiky Mendelova univerzita v Brně Uacutestav experimentaacutelniacute botaniky AV ČR Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby v Praze Metoda použita na čištěniacute uranem a radiem znečištěneacute vody v Mydlovarech - kořenovaacute čistiacuterna

ideaacutelniacute rostlina

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

proces substraacutet ciacutel rostlina

fytoextrakce fytoakumulace

odstraněniacute toxickyacutech laacutetek z půdy a vody - akumulaciacute rychle rostouciacute rostlinou (zůstaacutevaacute v rostlině)

půda sedimenty kaly odpadniacute vody

toxickeacute kovy radionuklidy

Thlaspi sp Brassica sp

fytostabilizace ciacuteleneacute pěstovaacuteniacute tolerantniacutech druhů zamezeniacute eroziacute

půda haldy odkaliště těžkeacute kovy dlouheacute a bohateacute kořeny

fytovolatizace odstraněniacute Hg pomociacute genu koacutedujiacuteciacuteho reduktaacutezu Hg2+ na Hg0

a uvolněniacute do ovzdušiacute

půdy sedimenty odkaliště průmysloveacute a zemědělskeacute odpadniacute vody

kovy - Se Hg chlorovanaacute rozpouštědla

stromy traacutevy Brassica sp

fytodegradace degradace kontaminantů rostlinou na netoxickeacute laacutetky

půdy sedimenty odkaliště odpadniacute vody

ropneacute laacutetky pesticidy detergenty

stromy traacutevy

rhizofiltrace odstraněniacute pomociacute rostlinnyacutech kořenů

povrchoveacute vody odpadniacute vody

těžkeacute kovy - Co Cu Cr Mn Ni radionuklidy

Brassica sp Helianthus vodniacute rostliny hydroponie

superrostliny

niacutezkeacute naacuteklady

kořenovaacute čistička = umělyacute mokřad oddělenyacute od okoliacute nepropustnou foacuteliiacute využiacutevaacute samočisticiacutech procesů probiacutehajiacuteciacutech v propustneacutem půdniacutem prostřediacute za spoluuacutečasti rostlin čištěniacute odpadniacutech vod z domaacutecnostiacute sklaacutedek a některyacutech průmyslovyacutech provozů

Rhizofiltrace

httpwwwnemcoviceczcontentviewfull3607

rostliny s vysokyacutemi

naacuteroky na vyacuteživu

+

bakterie

může zapaacutechat

5x - 10 x nižšiacute naacuteklady

Člověk čistiacute odpadniacute vodu za pomoci zařiacutezeniacute

ale přiacuteroda to zvlaacutedaacute bez přiacutestrojů a mnohem levněji

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute niacutezkeacute naacuteklady

rostlina chemickaacute sloučenina

pšenice 24 -D MCPA jako zdroj uhliacuteku

kukuřice atrazin degradace atrazinu mikroorganismy rhizosfeacutery

fazole diazinon parathion mineralizace v rhizosfeacuteře

luštěniny nafta

Kučerovaacute et al 1999 Chemickeacute listy

přiacutejem - velikost kořenoveacuteho systeacutemu přiacutestupnost pro rostlinu např chelaacutety

transport rostlinou - apoplast (difuacuteziacute)

symplast (specifickeacute přenašeče)

miacutesto uskladněniacute hustota rostlin v porostu

zaacutevažnějšiacute ekologickyacute a toxikologickyacute vyacuteznam přibližně 16 prvků (Fe Mo Mn Zn NiCo Cu V W Cr Hg Pb Cd Sb Ag a U)

Budoucnost fytoremediaciacute niacutezkeacute naacuteklady

Fytoremediace v praxi

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Ural 1953 odstraněniacute těžkyacutech kovů

Amana Iowa hybridniacute topoly atrazin odstraněna čaacutest až 20

Beaverton Kreton

hybridniacute topoly

organickeacute laacutetky kovy

a amonneacute sloučeniny

celkoveacute vyčistěniacute oblasti

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Fukušima 113 2011 slunečnice radioaktivniacute cesium dekontaminace půdy

Černobyl 2641986 slunečnice jabloně

cesium stroncium dekontaminace půdy povrchoveacute vody

paacutes 30 km - likvidace radioaktivniacutech rostlin

nebudou spaacuteleny rozloženy a kompostovaacuteny - speciaacutelniacute bakterie

slunečnice spotřebovaacutevajiacute z půdy drasliacutek kteryacute patřiacute mezi alkalickeacute kovy stejně jako cesium drasliacutek neniacute v půdě přiacutetomen květiny využijiacute praacutevě druhyacute prvek - Cs

Biotechnologie v ŽP niacutezkeacute naacuteklady

fytomining - fytodobyacutevaacuteniacute fytodolovaacuteniacute

ziacuteskaacutevaacuteniacute kovů z rostlin kde klasickaacute těžba je nevyacutehodnaacute rostliny - bdquotěžaři vzaacutecnyacutech kovůldquo a polokovů AuTh Co U Cd Ni Cu Mn

v rostlinaacutech hyperakumulaacutetorech je akumulace prvku sušina rostliny jako -ldquobio-rudaldquo

vyacutehody

- obsah kovu v bdquobio-ruděldquo je vyššiacute než v běžneacute rudě

- meacuteně skladovatelneacuteho miacutesta

- zelenaacute technologie jako alternativa

fytomining Ni pomociacute Alyssum bertolonii

Robinson et al 1997 The nickel hyperaccumulator plant Alyssum bertolonii as a potential agent for phytoremediation and phytomining of

nickel Journal of Geochemical Exploration59(2)75-86

zlatonosneacute rostliny

zlataacute jablka

zlateacute kapradiacute

hledaacuteniacute nalezišť

technologie budoucnosti

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute bioplasty z biomasy (škroby tuky) nahrazujiacute fosilniacute zdroje vyacutehodou je biodegradace biopaliva rostlinnyacute materiaacutel a řasy bioethanol GMO rezistentniacute rostliny vůči postřikům hmyziacutem škůdcům transfer genů pro symbiotickou fixaci dusiacuteku z luštěnin do dalšiacutech plodin přenos genů z bdquoC4ldquo do bdquoC3ldquo rostlin pro dosaženiacute uacutečinnějšiacute fotosynteacutezy (ryacuteže)

Transgenoziacute se přenaacutešiacute přirozeneacute geny vznikleacute evoluciacute z jednoho organismu do druheacuteho kteryacute se s daacutercem genu obvykle

nemůže křiacutežit pouze dokaacuteže přenosy mezi vyacutevojově ještě vzdaacutelenějšiacutemi organismy

Geny použiacutevaneacute při transgenosi jsou braacuteny z přiacuterody např gen v soacuteji tolerujiacuteciacute glyfosaacutet - je z bakterie rodu Agrobacterium

Klasičtiacute šlechtiteleacute takto pracujiacute daacutevno např smiacutechali geny pšenice a žita

GMO

Transgenoze ndash vnaacutešeniacute znaacutemyacutech jednotlivyacutech genů do dědičneacuteho

zaacutekladu (poprveacute 1978)

Pro přenos - Agrobacterium tumefaciens A rhizogenes E coli

httpblogscassuffolkeduiglesias20140424gmos

GMO bez obalu httpwwwbezpecnostpotravinczUserFilespublikaceGMO_web_1pdf

GMO - transgenniacute rostliny CARTAGENSKYacute PROTOKOL o biologickeacute bezpečnosti 29 1 2000 Montreal (OSN ndash program pro životniacute prostřediacute UNEP) platnost 11 9 2003

ČR podepsala 24 52000 (gmovschtcz) nyniacute 160 staacutetů

opatřeniacute ve staacutetech ktereacute se připojiacute k projektu (dovoz vyacutevoz transport)

vzdělaacuteniacute odborniacuteků a informovaacuteniacute veřejnosti

vytvořeniacute noveacute legislativy GMO (wwwenvcz )

spolupraacutece při vyacuteměně zkušenostiacute

Svět 2010 - viacutece než 150 mil ha viacutece než 20 zemiacute

pro vegetačniacute čaacutesti

nebo plody

CIacuteL PROTOKOLU - zajistit ochranu a bezpečnost při zachaacutezeniacute využiacutevaacuteniacute a přenosu živyacutech modifikovanyacutech organismů ktereacute jsou vyacutesledkem moderniacutech biotechnologiiacute a ktereacute mohou miacutet nepřiacuteznivyacute vliv na zachovaacutevaacuteniacute biologickeacute rozmanitosti a zdraviacute člověka Protokol je zaměřen předevšiacutem na převoz GMO přes hranice staacutetů a maacute ochraňovat zejmeacutena staacutety kteryacutem dosud chybiacute vlastniacute vnitrostaacutetniacute praacutevniacute předpisy v oblasti GMO

GMO - transgenniacute rostliny historie

EVROPA

SRN - Max-Planck-Institut

Belgie - Universita Ghent

Švyacutecarsko- ETH Zurych

ČR - Biofyzikaacutelniacute uacutestav Brno (Agrobacterium jako vhodnyacute přenašeč genů)

ČR - UacuteEB ČSAV Českeacute Budějovice (metody modifikaciacute)

2010 1 transgenniacute hraacutech v Evropě (ČR Agritec Šumperk)

transgenniacute len - oleje

FYTOPATOLOGIE IN VITRO

Fytopatologie in vitro

in vitro selekce = kultivace buněk se selekčniacutem činitelem (fitraacutet inokulum toxin)

ndash přežiacutevajiacuteciacute buňky jsou regenerovaacuteny do rostlin resistentniacuteho fenotypu

Studium interakce rostlina x patogen v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

Druh Patogen Typ biologickeacuteho testu Ciacutel

Coffea arabica Colletotrichum kahawae růst houby na kalusech vyacuteběr rezistentniacutech genotypů

Vitis vinifera Elsinoe ampelina růst kalusu na meacutediu s patogenem testy rezistence

Lycopersicon aes Alternaria alternata testy na izollistech in vitro hodnoceniacute toxicity

Pinus taeda Cronartium quercuum embryokultury s houbami vyacuteběr rezistentniacutech embryiacute

Triticum aestivum Microdochium nivale listy semenaacutečky in vitro vyacuteběr rezistentniacutech kultivarů

ozdravovaacuteniacute rostlin

klonoveacute množeniacute rezistentniacutech taxonů

Page 10: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,

Biotechnologie

BIOTECHNOLOGIE novyacute nebo staryacute vynaacutelez biotechnologie průmysloveacute zemědělskeacute leacutekařskeacute biotechnologie mikrobiaacutelniacute živočišneacute rostlinneacute obsah i dosah

biologickyacute psychologickyacute ekonomickyacute ekologickyacute (postoj Amišů ndash meacuteně pesticidů neniacute v rozporu s jejich životniacutem stylem rizika při uvaacuteděniacute do životniacuteho prostřediacute) etickyacute - oteviacuteraacuteme bdquoPandořinu skřiacutenkuldquo

- věda jako zachraacutence nebo nepřiacutetel lidstva

odpor GMO plodinaacutem potravinaacutem

akceptovatelneacute rezistentniacute plodiny k herbicidům

BIOTECHNOLOGIE - rozvoj 21 stoletiacute - integrovanaacute aplikace přiacuterodniacutech a inženyacuterskyacutech věd - ciacutelem je využitiacute organismů a čaacutestiacute organismů k vyacuterobě produktů nebo použitiacute různyacutech metod (postupů)

ČLENĚNIacute PODLE ODVĚTVIacuteZAMĚŘENIacute ČERVENAacute BIOTECHNOLOGIE (mediciacutena a farmacie) - leacutekařstviacute je považovaacutena za nejdůležitějšiacute oblast použitiacute - biotechnologickeacute postupy rostouciacute roli při vyacutevoji novyacutech leacuteků (např k leacutečbě rakoviny) diagnostice (DNA) využitiacute kmenovyacutech buněk při leacutečbě zaacutevažnyacutech chorob

ZELENAacute BIOTECHNOLOGIE (zemědělstviacute a potravinaacuteřstviacute) bdquoRostlinneacute biotechnologieldquo nejstaršiacute - moderniacute šlechtěniacute rostlin ciacuteleně se zvyšujiacute odolnosti proti hmyzu pliacutesniacutem virům a herbicidům - vyacuteznam genoveacute techniky kteraacute je zaacutekladem pro přenos určityacutech genů z jednoho druhu na jineacute rostliny a umožňuje vyacutevoj odolnosti vůči hellip

ŠEDAacute BIOTECHNOLOGIE (životniacute prostřediacute-environmentaacutelniacute) - obnoveniacute znečištěneacuteho prostřediacute biomonitoring - indikaacutetory znečištěniacute - biotechnologickeacute postupy při sanaci půdy uacutepravě odpadniacutech vod čištěniacute vyacutefukovyacutech plynů využitiacute odpadu

BIacuteLAacute BIOTECHNOLOGIE (často spojovanaacute s šedou biotechnologiiacute) - chemickyacute průmysl vyprodukovat substance jako např alkohol vitamiacuteny aminokyseliny antibiotika enzymy způsobem ktereacute šetřiacute zdroje a životniacute prostřediacute s pomociacute živyacutech buněk (kvasinky pliacutesně bakterie)

MODRAacute BIOTECHNOLOGIE mořskeacute biologie biologickeacute organismy světovyacutech mořiacute - zdroje potravin energie leacutečiv surovin - bioprocessing šlechtěniacute a ochrana mořskyacutech organismů ciacutelenyacute chov vodniacutech organismů (aquaculture )

ZELENAacute BIOTECHNOLOGIE (zemědělstviacute a potravinaacuteřstviacute)

bdquoRostlinneacute biotechnologieldquo nejstaršiacute - moderniacute šlechtěniacute rostlin = ciacuteleně se zvyšujiacute odolnosti vůči hmyzu pliacutesniacutem virům a herbicidům - genoveacute techniky = přenos určityacutech genů z jednoho druhu na jinyacute umožňujiacute vyacutevoj odolnosti vůči hellip - využitiacute bakteriiacute ke zvyacutešeneacutemu růstu rostlin

- biomonitoring = využitiacute rostlin jako indikaacutetorů znečištěniacute půdy (kovy) - fytomining

Rostlinneacute biotechnologie

Kde by lideacute byli bez rostlin

Historie rostlin čas před proces vyacuteznam

45 miliardy let tvorba země nemožnyacute život

39 oceaacuteny voda je předpokladem pro uhliacutek-založenyacute život

35 nejstaršiacute cyanobacteria efektivnějšiacute fotosynteacuteza- rychlejšiacute růst O2

24 kysliacutek v atmosfeacuteře aerobniacute org postupně převažujiacute nad aerobniacutemi

21 endosymbioacuteza mezi cyanobacterium a eukaryotniacutem hostitelem prvniacute fotosyntetizujiacuteciacute eukaryotickyacute org -

jednobuněčnaacute řasa

16 mnohobuněčneacute řasy zeleneacute a červeneacute řasy

13 v atmosfeacuteře 3 O2 dominujiacute aerobniacute org nad aerobniacutemi

1 zvyšujiacuteciacute se počet mořskyacutech řas zvyacutešeniacute atmosfeacuterickeacuteho 02

750 milioacutenů mnohobuněčneacute zeleneacute řasy začaacutetek buněčneacute specializace

550 v atmosfeacuteře 12 O2

500 prvniacute suchozemskeacute rostliny eukaryotickaacute kolonizace země

470 prvniacute spory jaterniacutekům podobneacute rostliny

428 Cooksonia 2-3 cm velkeacute steacutelka Bryophyta s dominantniacute haploidniacute generaciacute

ceacutevnateacute rostliny bez semen- mechy přesličky kapradiny převažuje 2n generace

360 nejstaršiacute fosilniacute nahosemenneacute

140 nejstaršiacute krytosemenneacute

85 nejstaršiacute obiloviny

68 nejstaršiacute luštěniny adaptace na deficit N2

11 tisiacutec let domestifikace rostlin vliv člověka na rostliny

500 let globalizace zemědělskyacutech plodin světoveacute rozšiacuteřeniacute domestifikovanyacutech rostlin

300 člověkem prvniacute vyrobeneacute hybridniacute rostliny zaacuteměrneacute vytvaacuteřeniacute novyacutech druhů pro člověka

100 začaacutetek vědeckeacuteho šlechtěniacute rostlin manipulace s genomem a fenotypem rostlin

30 prvniacute transgenniacute rostlina novyacute gen do rostlinneacuteho genomu

20 prvniacute schvaacutelenaacute GMO rostlina - potravina rajče cv FLAVR SAVR Murphy 2011

6000 pnl produkce piva fermentaciacute (kvašeniacutem) Babyloacuteňaneacute Sumeroveacute

4000 pnl využitiacute kvasinek ve vyacuterobě piva a viacutena v Egyptě a Čiacuteně (znaacutem ječmen)

1675 Leeuwenhoek pozoroval bakterie

1860 Koch - rozvoj mikrobiologie

1857 Pasteur demonstrace fermentace - otec biotechnologiiacute

1877 Koch vypracoval techniky izolace a barveniacute bakteriiacute

1919 Ereky zavedeniacute termiacutenu biotechnologie

1935 Fleming objev peniciliacutenu - zavedeniacute sterilizace

1953 Watson a Crick popis struktury DNA

1975 Kohler a Milstein - produkce monoklonaacutelniacutech protilaacutetek

1978 produkce 1 lidskeacuteho proteinu v buňce firmou Genntech (USA) = inzuliacuten 1 praktickeacute využitiacute

1980 zavedeniacute metod rekombinantniacute DNA produkce inzuliacutenu v E coli

1994 schvaacuteleniacute prvniacute geneticky modifikovaneacute potraviny ndash rajče

1996 klonovaacuteniacute ovce Dolly Wilmuth a kol

Biotechnologie - historie

vyacuteroba jiacutedla a naacutepojů procesy vyviacutejeny za nesterilniacutech podmiacutenek zavedeniacute sterilniacutech podmiacutenek do biotechnologickyacutech procesů aplikace genetiky a technologie rekombinantniacute DNA

přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

nevyacutehoda - nekontrolovaneacute

zavedeniacute lidskeacuteho genu určujiacuteciacuteho produkci specifickeacute biacutelkoviny (inzuliacutenu) do bakterie pomociacute plazmidu - po zabudovaacuteniacute do genetickeacuteho aparaacutetu hostitelskeacute buňky je bakterie schopna produkovat AMK v přesně daneacutem pořadiacute a syntetizovat

lidskyacute inzuliacuten

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve

velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 11 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1843 superfosfaacutet hellip intenzivniacute hnojeniacute v zemědělstviacute

1849 Darwin - vznik druhů přirozenou selekciacute (cesta kolem světa Galapaacutegy)

1846-1850 krize monokultur - bdquobramborovyacuteldquo hladomor v Irsku (Phytophtora infestans)

1857 Pasteur - fermentace - otec biotechnologiiacute

1866 Mendel - publikuje svoje zaacutekony (znovu objeveny 1900)

1869 Miescher - objevuje DNA

1902 Haberlant - totipotence rostlinneacute buňky

1910 odrůda brambor Bintje (Holandsko) - odrůda roku 2012

1919 Ing Karl (Kaacuteroly) Ereky - termiacuten biotechnologie

migrace do Ameriky

technologie přeměny surovin na využitelneacute produkty pomociacute živyacutech organismů

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho

průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 10 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1923 Burbank USA - křiacuteženci bramboru odrůda

bdquoRUSSET BURBANKldquo (skladovatelnost hliacutez)

1933 prvniacute hybridi kukuřice

1941 Beadle a Tatum - hypoteacuteza 1 gen-1 enzym

1941 24-D (syntetickyacute auxin) jako prvyacute moderniacute herbicid

1950 1 radiomutanti chemomutanti řepka pšenice ryacuteže biacuteleacute fazole

ječmen (1965 - DIAMANT)

1960 ndash1970 ldquozelenaacute revoluceldquo zakrsliacute hybridi - Norman Borlaug

1970 NC miacuteru

1969 Triticale (Triticosecale tritikale žitovec - hybridniacute obilnina Triticum x Secale)

REKOMBINANTNIacute TECHNIKY

1985 prvniacute GM rostliny na poliacutech v UK

1995 odrůda bdquoBT NEW LEAF RUSSET BURBANKldquo

1998 zlataacute ryacuteže

2010 1 GMO hraacutech (Agritec)

I GMO odrůda brambor - odolnaacute vůči mandelince bramboroveacute vložen gen z bakteacuterie Bacillus thuringiensis produkujiacuteciacute protein narušujiacuteciacute vnitřnosti mandelinky

Mexiko 1943 import frac12 spotřeby pšenice 1944 plnaacute soběstačnost pšenice 1964 export 05 milionů tun pšenice

httpenwikipediaorgwikiNorman_Borlaug

Budoucnost biotechnologiiacute v ČR bdquoBiotechnologie jsou celosvětově nejprogresivnějšiacutech oblast vyacutezkumu vyacutevoje a podnikaacuteniacuteldquo

produkce viacutena - 1 psanaacute zmiacutenka r 276 (na Paacutelavě řiacutemskeacute legie) produkce piva - 11 stoletiacute syacutery destilaacutety 14 stoletiacute 1356 - kraacutelovskyacute dekret o produkci viacutena v Českyacutech zemiacutech alchymie (Rudolf II) 1518 - založeniacute Paliacuterny U Zeleneacuteho stromu v Prostějově 1887 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu pivovarskeacuteho a sladařskeacuteho v Praze 1949 - průmyslovaacute produkce peniciliacutenu v Roztokaacutech u Prahy 1966 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu antibiotik a transformaciacute (již neexistuje)

wwwbiotrincz wwwgate2biotechcz

AV ČR Univerzity Vyacutezkumneacute uacutestavy Šlechtitelskeacute stanice

kaacutemen mudrců elixiacuter mlaacutediacute přeměna hmoty

glukosa + kvasinky etanol + oxid uhličityacute přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces carlsbergensis

Biotechnologie v ČR

18 prosince 2008 bylo založeno sdruženiacute CzechBio - asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR zspo 1 asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR spojuje třicet soukromyacutech biotechnologickyacutech společnostiacute a akademickyacutech uacutestavů podpora spolupraacutece komerčniacute sfeacutery s vědeckou httpwwwczechbioorgcs

projekt Algatech ndash Centrum řasovyacutech biotechnologiiacute vyacutevoj novyacutech kultivačniacute zařiacutezeniacute a postupů na zpracovaacuteniacute řasoveacute biomasy pro vyacuterobu biopaliv krmiv potravniacutech doplňků a cennyacutech laacutetek Mikrobiologickyacute uacutestav Akademie věd ČR Třeboň

Centrum regionu Hanaacute pro biotechnologickyacute a zemědělskyacute vyacutezkum

UPOL + VUacuteRV + UacuteEB AV ČR - vytvaacuteřeniacute zemědělskyacutech plodin s vyššiacutemi vyacutenosy toleranciacute vůči nepřiacuteznivyacutem vlivům vnějšiacuteho prostřediacute

- transformace rostlin ječmene a dalšiacutech obilnin

wwwcr-hanaeu

Biotechnologie v ČR

wwwalgaczcscs-algatechhtml

Českaacute technologickaacute platforma rostlinnyacutech biotechnologiiacute ndash rozvoj biotechnologiiacute v ČR = Rostliny pro budoucnost (ČTP RB) - nepotravinaacuteřskeacute využitiacute rostlin vedlejšiacutech produktů odpadů - vyacutevoj novyacutech odrůd kulturniacutech rostlin - uplatněniacute rostlinnyacutech biotechnologiiacute v raacutemci životniacuteho prostřediacute

httpwwwczechinvestorgceska-technologicka-platforma -rostlinnych-biotechnologii

selekce - vyacuteběr nejlepšiacutech rostlin křiacuteženiacute GMO

Přiacuteklad šlechtěniacute - novyacute typ ryacuteže - maleacute vzpřiacutemeneacute listoveacute čepele - hodně odnožiacute - žaacutedneacute neproduktivniacute odnože - silneacute steacuteblo - C3 ryacuteže na C4 ryacuteže

Rostlinneacute biotechnologie Co pěstujeme na poliacutech v zahradaacutech a v sadech a co naacutesledně jiacuteme prošlo za několik tisiacuteciletiacute proměnou Prvniacute změna - předkoveacute opustili životniacute styl lovců a sběračů a stali se pěstiteli zemědělskyacutech plodina a chovateli hospodaacuteřskyacutech zviacuteřat

zlataacute ryacuteže geny z 5 různyacutech druhů

- Phaseolus vulgaris pro ferritin - Aspergilus fumigatus - ferritin - ryacuteže Basmati - ferritin - Narcissus pseudonarcissus synteacuteza karotenu - Erwinia uredovora - synteacuteza karotenu

bdquozlataacute ryacuteželdquo tvořiacute zvyacutešeneacute množstviacute provitaminu A zabraacuteniacute hladu zachraacuteniacute zrak vznikla na požadavek humanitaacuterniacute organizace bdquoHumanitarien Rice Boardldquo kteraacute se snažiacute řešit probleacutemy s nedostatkem potravy v nejchudšiacutech čaacutestech našiacute planety

švyacutecarskyacute genetik Ingo Portykus a německyacute genetik Peter Bayer

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute

ekologickaacute udržitelnost kvantita a kvalita zaacutekladniacutech zdrojů zemědělstviacute ekonomickaacute udržitelnost zemědělskaacute produkce (uacuteroda na ha) a zisk cena za produkty sociaacutelniacute (společenskaacute) udržitelnost kvalita života zemědělců vysokaacute kvalita potravin bez rizika na zdraviacute a prostřediacute

Co je udržitelneacute zemědělstviacute Mohou biotechnologie pomaacutehat

snižovaacuteniacute kvality zaacutekladniacutech zdrojů vyčerpaacuteniacute zaacutekladniacutech zdrojů

Vyhliacutedky na budoucnost

naacuterůst počtu obyvatel

zvyacutešeniacute životniacuteho standardu

pokles plochy orneacute půdy

pokles pracovniacuteků v zemědělstviacute

naacuterůst cen potravin

Naacuterůst zemědělskeacute produkce s využitiacutem biotechnologiiacute

šlechtěniacute (rezistence k chorobaacutem)

noveacute plodiny

nutričniacute kvalita plodin

ochrana rostlin

bezpečnost produktů

hybnou silou biotechnologiiacute je naacuterůst obyvatel Kolik lidiacute by mělo žiacutet na planetě Zemi

Rostlinneacute biotechnologie

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute mutace s naacuteslednou selekciacute odchylek noveacute techniky EK ciacutelenyacute přenos genů

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

prvniacute zemědělci

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) BT prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute MUTACE s naacuteslednou selekciacute odchylek - odrůda ječmene bdquoDIAMANTldquo

noveacute TECHNIKY EK VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

ciacutelenyacute přenos genů GMO

CO BUDE DAacuteL zvyšovat vyacutenosy BUDE VĚTŠINA PĚSTOVANYacuteCH ZEMĚDĚLSKYacuteCH PLODIN TRANSGENNIacute

vznik zemědělstviacute

1954

jsme moudřejšiacute

maacuteme většiacute možnosti

Počaacutetek EK 1902 Gottlieb Haberland segmenty listů 1904 Hannig zralaacute embrya

Potenciaacutel rostlinneacute buňky a podstata

explantaacutetovyacutech kultur rostlin

metody a jejich aplikace

ve šlechtěniacute rostlin

EK - historie

TOTIPOTENCE rostlinneacute buňky genetickeacute informace - jaacutedro plastidy mitochondrie

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

daacute se přeneacutest v raacutemci šlechtěniacute

blok totipotence

vyjaacutedřeniacute totipotence 1 dediferenciace buňky do buněčneacuteho cyklu a pokračovaacuteniacute v děleniacute 2 rediferenciace - tvorba organickyacutech struktur - přiacutemaacute regenerace tvorba kalusu - nepřiacutemaacute regenerace

vliv růstovyacutech regulaacutetorů

Rostlinneacute biotechnologie prvniacute generace - od explantaacutetovyacutech kultur po GMO

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute rostlin - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

Explantaacutet = aseptickaacute kultivace izolovanyacutech čaacutestiacute rostlin za umělyacutech podmiacutenek

EXPLANTAacuteTOVEacute KULTURY - VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

EK - historie

Metody EK využitelneacute v zemědělstviacute Meristeacutemoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Somatickaacute embryogeneze

Embryokultury

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze + buněčneacute inženyacuterstviacute

Genetickeacute manipulace

VITRIFIKACE (hyperhydricita) ndash vyjadřuje abnormality růstu in vitro skelnatyacute syndrom vyacutehonů křehkeacute mokryacute vzhled pryacutetů (vodou nasycenyacutech) průsvitnyacute sukulentniacute vzhled

metody zachovaacutevajiacuteciacute genotyp beze změn během kultivace metody zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu během kultivace

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK 1 rychleacute namnoženiacute

2 ozdravovaacuteniacute

3 překonaacuteniacute nekřiacutežitelnosti - embryokultury

4 dlouhodobeacute udržovaacuteniacute genetickyacutech zdrojů

5 indukce mutantů - ziacuteskaacuteniacute novyacutech genotypů

6 předselekce - urychleniacute šlechtitelskeacuteho cyklu

7 ziacuteskaacuteniacute novyacutech a udrženiacute genotypů s pylovou sterilitou

8 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho procesu

9 produkce haploidů

10 produkce polyploidů

11 rychlejšiacute ziacuteskaacuteniacute vyacutechoziacuteho šlechtitelskeacuteho materiaacutelu pro noveacute odrůdy

12 somatickaacute hybridizace - fuacuteze

13 konstrukce novyacutech genotypů kulturniacutech plodin přenos bdquoužitečnyacutech genůldquo

14 udržovaacuteniacute genofondu

15 selekce in vitro - rezistence k abiotickyacutem a biotickyacutem stresům

16 produkce sekundaacuterniacutech metabolitů

Plodina Technika

ječmen pšenice kukuřice

řepka paprika brukvovitaacute

zelenina mrkev

androgeneze

cibule gynogeneze

jahodniacutek česnek ozdravovaacuteniacute

brambor traacutevy polyploidizace in vitro

jeteloviny drobneacute ovoce

ovocneacute dřeviny podnože traacutevy mikropropagace

brambor řepka somatickaacute hybridizace

hraacutech brambor rezistence k chorobaacutem

traacutevy embryokultury

Kombinace metod embryokultury oplozeniacute in vitro fuacuteze protoplastů

plodiny se geneticky upravujiacute pro většiacute rezistenci k herbicidům - ničeniacute plevele bez poškozeniacute uacuterody GM rajčata potlačujiacute gen pro polygalakturonaacutezu enzym degradujiacuteciacute pektin způsobujiacuteciacute měknutiacute pletiv (Deacon a kol 2002)

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK

Meristeacutemoveacute kultury

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny meristeacutemoveacute kultury

Vyacutehody maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky naacuteslednaacute mikropropagace ozdraveneacuteho materiaacutelu bdquovirus - freeldquo

Vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana Iniciace kultury Testovaacuteniacute in vitro Přenos do nesterilniacutech podmiacutenek Testovaacuteniacute

MERISTEacuteM ndash děliveacute nediferencovaneacute pletivo ozdravovaacuteniacute rostlin (02 - 05 mm) meristeacutemy

OZDRAVOVAacuteNIacute Termoterapie (vyššiacute teplota)

Meristeacutemovaacute kultura Chemoterapie (antivirotika)

viry - nebuněčneacute mikroorganismy virovaacute čaacutestice = virion sklaacutedaacute se z RNA nebo DNA a kapsidu

fytopatologie in vitro

ribavirin

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny

Vyacuteznamneacute viroveacute choroby rostlin v ČR od 30 ztraacutet CaMV - 1968 PVY 30 -70 VMCH (virus mozaiky chmele) až o 70 mozaika česneku 25 - 50 žloutenka cibule až 100 bronzovitost rajčat

- žloutnutiacute listů kroužky a čaacutery na listech nevyvinuteacute rostliny abnormaacutelniacute růst - vstupujiacute různyacutemi poraněniacutemi - šiacuteřiacute se plasmodesmaty - velmi odolneacute proti inaktivaci - přenaacutešeny semeny hliacutezami pylem roubovaacuteniacutem hmyzem houbami červy

1952 Morel a Martin u jiřin

Využitiacute metody jahodniacutek česnek zeleniny květiny okrasneacute dřeviny ovocneacute dřeviny banaacutenovniacutek hellip

Tvorba bezviroacutezniacutech rostlin

1 meristeacutem = 1 rostlina testovaacuteniacute

wwwoselczindexphpclanek=2819

viroacutezniacute x zdravaacute

M Navraacutetil KBBPřFUPOL

PVY

In vitro klonovaacuteniacute mikropropagace meristeacutemoveacute kultury

zisk geneticky identickeacute rostliny vegetativniacutem množeniacutem

VYacuteHODY

maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny ktereacute jsou geneticky stabilniacute

v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky

vyššiacute množitelskyacute koeficient - potenciaacutelniacute hodnota zisku rostlin

Postup - vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana - iniciace kultury - mikropropagace - přenos do nesterilniacutech podmiacutenek

KLON - kolekce geneticky identickyacutech individuiacute původem z jedineacuteho rodiče

komerčně od 1960

httpwwwjanholubcz

In vitro meristeacutemoveacute kultury - využitiacute - zaacutechrana a množeniacute ohroženyacutech druhů kaktusy

- zaacutechranneacute množeniacute cennyacutech genotypů a liniiacute sterilniacutech rostlin - udrženiacute rodičovskyacutech komponent pro tvorbu hybridniacutech odrůd

- množeniacute transgenniacutech rostlin

- zachyceniacute a klonovaacuteniacute nově nalezenyacutech mutantů při šlechtěniacute

- klonovaacuteniacute nejlepšiacutech jedinců pro produkci elitniacuteho osiva

- vegetativniacute množeniacute okrasnyacutech rostlin karafiaacutet gerbera anthurie orchideje

sanpaulie kapradiny hellip

- množeniacute drobneacuteho ovoce jahodniacutek maliniacutek reacuteva

- množeniacute dřevin podnože pro školkařstviacute lesniacute dřeviny tropickeacute dřeviny

- v zelinaacuteřstviacute množeniacute brambor zeliacute

- množeniacute pouze samičiacutech rostlin datlovaacute palma

- kryoprezervace (-196 oC) jahodniacutek maliniacutek hraacutech brambor karafiaacutet

Genoveacute

banky

Mikropropagace multiplikace klonovaacuteniacute nejen z meristeacutemů

Solanum tuberosum Cucumis sativus Olea europea Eucalyptus grandis Salix sp Syringa sp Juglans regia

Schopnost regenerace tvorba identickyacutech rostlin = přiacutemaacute somatickaacute embryogeneze

Meristeacutemy Pryacutetoveacute segmenty Kalusy Embrya

Zdroje odchylek bull vysokeacute daacutevky růstovyacutech regulaacutetorů typ regulaacutetoru bull rostliny regenerujiacute z basaacutelniacuteho kalusu (možnost gen změn)

Kalusoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Primaacuterniacute explantaacutet kalus meristemoid orgaacutenoveacute primordium

Kalus = masa děliacuteciacutech se a rostouciacutech buněk

nejsou uniformniacute mohou se lišit velikostiacute tvarem pigmentaciacute metabolismem nebo počtem chromosomů

bull za určityacutech podmiacutenek regenerace pryacutetů a kořiacutenků

tma x světlo

subkultivace

metoda geneticky nestabilniacute

Kalusoveacute kultury - somaklonaacutelniacute variabilita ndash MUTACE a zisk novyacutech znaků

- mikropropagace ndash cibule žen-šen hellip

- vyacutechoziacute materiaacutel pro suspenzniacute a protoplastovou kulturu

- materiaacutel pro indukovaneacute mutace (zaacuteřeniacute chemomutageny)

- sekundaacuterniacute metabolity (alkaloidy AMK saponiny oleje složky vůniacute protinaacutedoroveacute laacutetky steroidy )

polyploidie aneuploidie

Selekce mutantů se zlepšenou nutričniacute hodnotou (viacutece biacutelkovin v zrnu)

Rezistence vůči zasoleniacute (vysokyacute turgor v buňkaacutech akumulace NaCl ve vakuolaacutech)

Rezistence vůči chorobaacutem (synteacuteza fytotoxinů fytoalexinů)

Sekundaacuterniacute metabolity (= chemickeacute individuality v rostlinaacutech ndash barviva vůně chuti obrana)

Artemisia annua - artemisin (antimalarika) Capsicum sp - capsaicin (protinaacutedoroveacute)

Digitalis lanata - digoxin (srdečniacute stimulanty) Papaver somniferum - codein (sedativa)

Taxus breviola - taxol (protinaacutedoroveacute) Vanilla planifolia - vaniliacuten (aroma)

Panax ginseng - (imunitniacute systeacutem) Zingiber officinale ndash gingerol (antioxidant)

Somatickaacute embryogeneze a suspenzniacute kultury

Využitiacute

umělaacute semena (enkapsulace somatickyacutech embryiacute)

využitiacute somatickeacute variability

klonoveacute množeniacute

sekundaacuterniacute metabolismus (suspenze)

kryoprezervace

Buněčnaacute suspenze = převedeme kalus do tekuteacuteho meacutedia

a provzdušňujeme (kontakt buněk a shluků buněk s meacutediem)

vznikaacute bipolaacuterniacute struktura obsahujiacuteciacute kořen a pryacutet

auxin (24-D)

umělaacute semena

Mutace RADIOMUTANT PROSPĚCH NEBO ZAacuteLUDNOST

SPONTAacuteNNIacute MUTACE využiacutevaacute člověk při šlechtěniacute odrůd spur typy (kompakt typy) jabloniacute absence trnů u ostružiniacuteku variabilita květenstviacute jiřinky proměnliveacute vznik plemen domaacuteciacutech zviacuteřat je založen na podchyceniacute spontaacutenniacutech mutaciacute ndash plemena psů

INDUKOVANEacute MUTACE působeniacute mutagenů

zaacuteměrneacute ndash ve vyacutezkumu ve šlechtěniacute rostlin (př odrůdy ječmene DIAMANT (zkraacuteceniacute steacutebel ndash nepoleacutehaacute) kompaktniacute růst a samosprašnost třešně změna barvy slupky u jabloně ndash sbquoredlsquo mutace)

nezaacuteměrneacute ndash důsledek použitiacute jadernyacutech a chemickyacutech zbraniacute ndash Yperit jaderneacute a jineacute katastrofy

1950 radiomutace chemomutace 1965 ječmen Diamant

Suspenzniacute kultury - SK KULTURA V TEKUTEacuteM MEacuteDIU ROSTE A DĚLIacute SE NĚKOLIKANAacuteSOBNĚ RYCHLEJI NEŽ KULTURA

NA PEVNEacuteM MEacuteDIU Využitiacute jako experimentaacutelniacute model produkce sekundaacuterniacutech metabolitů indukce somaklonaacutelniacute variability a naacutesledneacute selekce mikropropagace (pod kontrolou genetickeacute stability) pohyb kultury v bioreaktoru maacute za naacutesledek potlačeniacute apikaacutelniacute dominance tiacutem se stimuluje růst mnohonaacutesobnyacutech pryacutetů

Bioreaktory firmy VitroSys Inc Korea

ideaacutelniacute SK ndash rychlyacute růst karyologickaacute stabilita životnost buněk rentabilita

Minimaacutelně 103 ml buněk 110 suspenze v exponenciaacutelniacute faacutezi se doplniacute čerstvyacutem meacutediem Koncentrace sacharidů prodlužuje periodu růstu

Velkokapacitniacute kultivace rostlinnyacutech buněk v tekutyacutech meacutediiacutech sterilniacute prostřediacute obsahujiacuteciacute živiny a laacutetky potřebneacute pro růst a jeho regulaci vhodneacute pro kultivaci rostlinnyacutech mikrobiaacutelniacutech a živočišnyacutech buněk

Bioreaktor

Bioreaktory s tekutyacutem meacutediem explantaacutety jsou ponořeny v tekuteacutem meacutediu Bioreaktory s pravidelnyacutem zaplavovaacuteniacutem (temporary immersion bioreactor TIB) explantaacutety jsou pravidelně zaplavovaacuteny

Bioreaktor

httpwwwuebcasczcscontentzensenove-spagety

pěstujiacute se jen kořeny - zisk GINSENOSIDŮ za 3 měsiacutece v laboratoři stejnyacute zisk jako z rostlin ženšenu v přiacuterodě za 8 let obsah GINSENOSIDŮ je srovnatelnyacute s planě rostouciacutemi rostlinami množstviacutem i vzaacutejemnyacutem poměrem jednotlivyacutech laacutetek

v Koreji od r 2004

hairy-root systeacutem a sekundaacuterniacute metabolity

Sekundaacuterniacute metabolity - SM ROSTLINA BUNĚČNAacute KULTURA

EXTRAKT prověřovaacuteniacute oddělovaacuteniacute čištěniacute aktivniacute složky testovaacuteniacuteprověřovaacuteniacute

ČISTAacute BIOAKTIVNIacute LAacuteTKA

SM z buněčneacute kultury - extrakty ziacuteskaneacute za reprodukovatelnyacutech podmiacutenek spolehliveacute zdroje meacutedium - množstviacute čisteacuteho produktu

buňky rostou v tekuteacutem meacutediu -ne celaacute rostlina

produkt rostlina in vitro ()

rostlina ()

poměr

ginsenoside Panax ginseng 27 45 6 x

rosmarinic acid Coleus blumei 27 3 9 x

caffeic acid Vanilla planifolia 002 0005 4 x

shikonin Lithospermum erythrorhizon

20 15 135 x

ubiquinon-10 Nicotiana tabacum 0036 0003 12 x Heldman et al 2011

anti

oxy

dan

ty v sušině

bioreaktory

Sekundaacuterniacute metabolity - SM Rostlina Uacutečinnaacute laacutetka Uacutečinek

Artemisia annua pelyněk ročniacute artemisinin antimalarikum

Digitalis lanata naacuteprstniacutek vlnatyacute digoxin srdečniacute stimulants

Dubosia myoporoides lilkoviteacute atropin

scopolamin

očniacute přiacutepravky mořskaacute nemoc

Lithospermum

erythrorhizon

kamejka

rudokořennaacute

shikonin protinaacutedoroveacute

Panax ginseng ženšen pravyacute stimulant imunitniacuteho systeacutemu

Salix alba vrba biacutelaacute salicin antirevmatikum proti horečce

Taxus brevifolia tis

zaacutepadoamerickyacute

baccatin taxol protinaacutedoroveacute

Vinca rosea barviacutenek růžovyacute vinblastin

vinkristin

protinaacutedoroveacute alkaloidy

leukeacutemie

buněčnaacute kultura

Rostlina Extrakt Uacutečinek

Linum usitatissimum len setyacute olej

Mentha piperita maacuteta peprnaacute maacutetovyacute olej -

mentol

žaludečniacute potiacuteže

Mentha spicata maacuteta klasnataacute mentol žaludečniacute potiacuteže

Zingiber officinale zaacutezvor leacutekařskyacute gingerol antioxidant

informace z tradičniacute lidoveacute mediciacuteny - použitiacute extraktů a purifikace zdroje z nedotčeneacuteho ekosysteacutemu

kalusovaacute kultura buněčnaacute suspenze orgaacutenovaacute kultura - Artemisia Mentha - pryacutety

rostliny jsou vyacuterobci sekundaacuterniacutech metabolitů

cytostatikum

Sekundaacuterniacute metabolity - SM

Heldman et al 2011

VYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY

nezaacutevisleacute na geografickyacutech podmiacutenkaacutech

nezaacutevisleacute na sezoacutenniacutech podmiacutenkaacutech

v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

v přiacuterodě kontrolovaacuteno množstviacute in vitro ne

nepřetržitaacute dodaacutevka produktu

uniformniacute kvalita produktu

uniformniacute vyacutetěžnost produktu (průběžně)

vyacuteběr vhodneacute linie s vyššiacute produkciacute produktu

možnost tvorby novyacutech laacutetek nenormaacutelniacutech u donora

NEVYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY staacutele se vyviacutejejiacuteciacute

překaacutežky - pomalyacute růst

genetickaacute nestabilita

různorodost

niacutezkyacute obsah metabolitu

produkty vylučovaacuteniacute provozniacute - světelneacute podmiacutenky aseptickeacute podmiacutenky

STRATEGIE TVORBY SM vyacuteběr donorovyacutech rostlin - biochemickeacute testy

iniciace kalusů

vyacuteběr buněčneacute linie - rychle rostouciacute vysokaacute produkce

ciacutelenyacute metabolismus - kultivačniacute meacutedium (složeniacute koncentrace proporcionalita)

kultivačniacute podmiacutenky (teplota světlo pH) zvlaacuteštniacute požadavky (prekurzor simulace stresu - napadeniacute patogenem)

uvolněniacute do meacutedia

Embryokultury

Embryokultury = kultivace zralyacutech nebo nezralyacutech embryiacute in vitro

1904 Hannig - embrya u ředkve

1925 Laibach - aplikace v mezidruhoveacutem křiacuteženiacute r Linum sp

1945 Randolph - zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu u r Iris sp

1970 Kasha Kao - ziacuteskaacuteniacute haplodů u ječmene

Hordeum vulgare (zůstaacutevaacute) x Hordeum bulbosum (eliminace chromozoacutemů)

Zygotickaacute embrya vyacuteživa z endospermu (heterotrofniacute)

Embrya in vitro vyacuteživa z kultivačniacuteho meacutedia

In vitro oplodněniacute u člověka - 1978 pro neplodneacute paacutery

geneticky stabilniacute metoda

Embryokultury- in vitro

I Kultura semennyacutech embryiacute tj izolace plně vyvinutyacutech

bipolaacuterniacutech struktur obsahujiacuteciacutech kořenovyacute a stonkovyacute systeacutem

II Kultura proembryiacute tj izolace nezralyacutech zaacuterodků předchaacutezejiacuteciacutech

diferenciaci děloh

Embryogeneze zygotickeacuteho embrya (in vivo)

zygota (přiacuteprava na 1 děleniacute)

faacuteze pomaleacuteho vyacutevinu embrya po oplozeniacute

faacuteze rychleacuteho vyacutevinu růstu a diferenciace embrya

faacuteze dozraacutevaacuteniacute embrya

faacuteze přechodu embrya do dormance (ABA)

Embryokultury

1 překonaacuteniacute barieacuter vzdaacuteleneacuteho křiacuteženiacute (abortace hybridniacutech embryiacute sterility semen)

2 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu (viacutece generaciacute za rok)

3 řešeniacute jarovizačniacuteho staacutedia

4 primaacuterniacute explantaacutet pro dalšiacute kultury

5 eliminace inhibice kliacutečeniacute

6 studium mineraacutelniacute vyacuteživy

7 umělaacute semena

8 studium metabolickyacutech vztahů mezi embryem a endospermem embryem a dělohami

9 ziacuteskaacuteniacute haploidniacutech rostlin

Opylovaacuteniacute in vitro

Opylovaacuteniacute in situ

in vitro

Inkompatibilita rostlin

zaručuje stabilitu druhu

Barieacutery procesu opyleniacute a oplozeniacute

vnějšiacute (teplota vlhkost nedostatečnaacute vyacuteživa )

vnitřniacute (inkompatibilita samčiacute nebo samičiacute sterilita)

využitiacute v raacutemci šlechtěniacute rostlin k překonaacuteniacute prezygotickyacutech barieacuter vznik mezidruhovyacutech mezirodovyacutech hybridů

Barieacutery Technika překonaacuteniacute

Před oplodněniacutem selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute blizny pestiacuteku pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

rezistence vůči abiotickeacutemu stresu rezistence vůči škůdcům vyššiacute vyacutenos

přenos z jineacuteho druhu

EK využitiacute ve šlechtěniacute

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury HAPLOID rostlina s n počtem chromozomů menšiacute sterilniacute

1963 T Yamada a kol Tradescantia reflexa (haploidy)

1964 - 1966 S Guha SC Maheswari Datura diploidizace kolchicinem

1969 JP Nitsch a kol celeacute rostliny (tabaacutek)

1973 JP Nitsch Norrel mikrosporoveacute kultury

2000 šlechtitelskeacute programy polniacutech plodin (obiloviny řepka)

využiacutevajiacute haploidniacute kultury in vitro

Androgeneze prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Androgeneze - kultivace prašniacuteků pyl zrn mikrospor = samčiacute genotyp

Gynogeneze - kultivace neoplodněnyacutech vajiacuteček = samičiacute genotyp

Haploidie - spontaacutenniacute = haploidniacute partenogeneze (gynogeneze androgeneze) frekvence 10-6

- experimentaacutelniacute indukovanaacute

fyzikaacutelniacute faktory = UV γ-zaacuteřeniacute X-paprsky teplotniacute šoky

zaacutesahy do procesů opyleniacute a oplozeniacute (inaktivniacute pyl)

explantaacutetoveacute metody = prašniacutekoveacute a pyloveacute kultury kultivace semeniacuteků a vajiacuteček

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury Ontogeneze pylu

In vivo mikrosporogeneze

pylovaacute mateřskaacute buňka

meiosa

pyloveacute tetraacutedy

vyacutevoj mikrospory (1 pyl mitoacuteza)

In vitro vyacutevoj embryoidu

(vegetativniacute generativniacute buňka)

- přiacutemaacute embryogeneze

- nepřiacutemaacute embryogeneze

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

využitiacute haploidů (majiacute jen jednu sadu chromosomů)

segregace vloh na gametickeacute uacuterovni ndash homozygoacutetniacute stav (čisteacute linie v F2 generaci)

detekce recesivniacutech mutaciacute (fenotypickyacute projev)

trpasličiacute varieta ndash u okrasnyacutech rostlin

Dihaploidizace

n rostliny - sterilniacute

104 ndash 105 mikrospoacuterml meacutedia

Brassica sp

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Prašniacutekoveacute kultury

viacutece než 200 druhů (řepka ryacuteže kukuřice obiloviny)

20-60 dnů

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

vyacutevoj globulaacuterniacuteho embrya a naacutesledně haploidniacute rostliny přiacutemo z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory

z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory vznikaacute kalus rarr indukce organogeneze

TYPY ANDROGENEZE

vzaacutecně

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Solanaceae

Brassicaceae

Poaceae

prašniacuteky

Androgeneze

Indukovanaacute androgeneze ndash přiacuteklady

Beta vulgaris - homozygotniacute linie

Brassica napus - novaacute odrůda linie

Hordeum vulgare

Lycopersicon - novaacute odrůda

Nicotiana - noveacute odrůdy

Oryza - noveacute odrůdy

Pelargonium - trpasličiacute variety

Triticum ndash cv Florin Huapei

Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby Praha Vyacutezkumnyacute uacutestav obilnaacuteřskyacute Kroměřiacutež Vyacutezkumnyacute uacutestav olejnin Oseva

Gynogeneze kultury izolovanyacutech vajiacuteček

kultury izolovanyacutech semeniacuteků

kultury izolovanyacutech květenstviacute in vitro

haploidniacute rostliny

spontaacutenniacute dihaploidniacute rostliny

ječmen kukuřice moruše

slunečnice cibule

kultivace vajiacuteček Beta vulgaris Tomaszewska-Sowa 2010

327 haploids 458 diploids and 215 ndash mixoploids

x opyleniacute ozaacuteřenyacutem pylem

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

Polyploidizace in vitro

duplikace celeacuteho genomu až 70 všech krytosemennyacutech rostlin je polyploidniacutech (Masterson 1994) POLYPLOID metabolicky aktivnějšiacute a rozměrnějšiacute plodiny ktereacute jsou vhodneacute pro pěstovaacuteniacute a leacutepe se vyrovnaacutevajiacute se stresovyacutemi podmiacutenkami

kolchicin

oryzalin

trifluralin

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze protoplastů

1892 Klecker - 1 mechanickaacute izolace protoplastů Stratiotes aloides (řezan pilolistyacute) 1960 EC Cocking 1 enzymatickaacute izolace protoplastů Nicotiana sp 1978 G Melchers a kol 1 mezirodovyacute hybrid bdquopomatoldquo bdquotopatoldquo Solanum tuberosum x S lycopersicum (Lycopersicum esculentum)

httptheplanetfixerorg387new-vegetable-created-the-tomato-potato-plant

Protoplastoveacute kultury

= kultivace rostlinnyacutech buněk zbavenyacutech buněčneacute stěny

Protoplast = rostlinnaacute buňka bez buněčneacute stěny jejiacute povrch tvořiacute cytoplazmatickaacute membraacutena maacute kulovityacute tvar

Protoplastoveacute kultury - regenerace

Faktory ovlivňujiacuteciacute kultivaci a regeneraci

Hustota ( počet protoplastů v 1 ml)

Životnost ()

Podmiacutenky kultivace a meacutedium

bull Studium synteacutezy buněčneacute stěny vyacutevoj buňky fyziologie buňky a cytogenetiku

bull Studium hodnoceniacute uacutečinků farmak potravinovyacutech doplňků agrochemickyacutech laacutetek na rostlinnou

buňku

bull Studium transportu iontů a laacutetek přes cytoplasmatickou membraacutenu

bull Somatickaacute hybridizace (fuacuteze protoplastů)

bull Inkorporace exogenniacuteho genetickeacuteho materiaacutelu ndash organel cybridizace

bull Genoveacute transformace (cizorodaacute DNA z bakteriaacutelniacuteho plasmidu)

Protoplastoveacute kultury - fuacuteze

Využitiacute

kombinace znaků odlišnyacutech druhů a rodů ktereacute by nevznikly přirozenou cestou

jedinečneacute kombinace jadernyacutech a organelovyacutech genomů vytvaacuteřiacute noveacute genetickeacute zdroje

často jen - čaacutest chromozomů asymetrickeacute jaderneacute hybridy

chloroplasty

mitochondrie

chemickeacute fuacuteze - pomalejšiacute elektrofuacuteze - fuacutezanti po 10 min vyššiacute frekvence fuacutezantů

cytoplazmickeacute hybridy - cybridy

Charakterizace hybridů - morfologicky cytologicky molekulaacuterniacute analyacutezy

Přirozenaacute mezidruhovaacute hybridizace - vznik některyacutech kulturniacutech plodin

B oleracea + B campestris = Brassica napus Nicotiana sylvestris + N tomentosa = Nicotiana tabacum

cybridy nelze ziacuteskat klasickou hybridizaciacute (křiacuteženiacutem) ndash samčiacute pohlavniacute buňky (pyl zrna) nemajiacute plastidy a mitochondrie

V přiacuterodě blesky do půdy modifikace bakteriiacute

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

Přenos jaderneacute a cytoplazmatickeacute genetickeacute informace mezi rostlinnyacutemi druhy rody

- překonaacuteniacute sexuaacutelniacute inkompatibility

- přenos genů rezistence vůči virovyacutem houbovyacutem chorobaacutem

- přenos cytoplazmatickeacute samčiacute sterility

- přenos rezistence vůči stresům (teplotniacutem zasoleniacute)

- přenos rezistence vůči hmyziacutem škůdcům

(synteacuteza fytoalexinů)

- přenos genů pro synteacutezu zaacutesobniacutech proteinů vitamiacutenů

alkaloidů

plnokvětost

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

využitiacute pro fytoremediace

Brassica juncea Tlaspi caerulescens brukev siacutetinovitaacute peniacutezek modravyacute akumulace Pb akumulace Zn a Ni hybrid se zvyacutešenou rezistenciacute k Pb Zn a Ni rychlyacute naacuterůst

biomasy

Brassica napus Thlaspi caerulescens hybridi rostly na vysokeacutem obsahu Zn

Fuacuteze protoplastů rodu Brassica s planyacutemi druhy

Armoracia rusticana

Barbarea vulgaris

Camelina sativa

Capsella bursa pastoris

Diplotaxis catholica

Diplotaxis muralis

Diplotaxis harra

Eruca sativa

Lesquerella fendleri

Mathiola incana

Moricandia arvensis C4

Moricandia nitens C4

Raphanus sativus

Sinapis alba

Sinapis arvensis

Thlaspi perfoliatum

Thlaspi caerulescens

Genoveacute banky In vitro genoveacute banky

2397 vzorků 1249 odrůd Solanum tuberosum 450 teraploidniacutech křiacuteženců S tuberosum 266 dihaploidů 119 mezidruhovyacutech hybridů rodu Solanum 313 genotypů kulturniacutech genotypů 23 planyacutech druhů

Havliacutečkův Brod

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu rostlin

1 Uchovaacutevaacuteniacute semen ndash semenneacute banky (od 1 roku - hellip)

2 Uchovaacutevaacuteniacute vegetativniacutech orgaacutenů ndash hliacutezy cibule řiacutezky

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro Kraacutetkodobeacute - aktivně rostouciacute kultury (pravidelneacute pasaacuteže) - uchovaacuteniacute kultur v minimaacutelniacutem růstu nižšiacute teploty kultivace

Dlouhodobeacute u rostlin kde nejsou semena

- za velmi niacutezkyacutech teplot (-196oC) = kryobanka

Databaacuteze ndash přiacutestupneacute z celeacuteho světa

Špicberky

genobanka - wwwvurvcz part databases EVIGEZ

vyacuteznam v mediciacuteně

Zaacuteložniacute fond semena potravinaacuteřskyacutech plodin z celeacuteho světa

stane se zaacuteložniacutem fondem pro ostatniacutech 1400

semennyacutech bank po celeacutem světě

v Iraacuteku a v Afghaacutenistaacutenu byla podobnaacute zařiacutezeniacute za

vaacutelky zcela zničena

na Filipiacutenaacutech je v roce 2006 poškodila povodeň

semennaacute banka pro světoveacute plodiny je umiacutestěna v hoře

maacute vyztuženeacute stěny betonem a železem

třiacute komory o velikosti 27 kraacutet 10 metrů

teplota minus 18 oC (konzervace po stovky až tisiacutece let) httpwwwnorambczarkivBasisartikler---OversettelserIkke-

bruktnovinkyseedvault_eng

k 1172010 zde bylo uloženo 716 523 vzorků semen patřiacuteciacutech ke 4 205 druhům

českaacute banka uloženaacute v Praze-Ruzyni zaacuteloha na Slovensku

Špicberky

Uchovaacutevaacuteniacute genofonduv ČR

genofond odrůd meruněk broskvoniacute mandloniacute reacutevy vinneacute kdouloniacute lonicer rakytniacuteků a dřiacutenů

2400 položek

25 000 položek

5400 položek 2397

položek

4700 položek

2000 položek

2300 položek

Naacuterodniacute informačniacute systeacutem genetickyacutech zdrojů EVIGEZ httpwwwgenbankvurvczgeneticresources

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro

KRYOBANKA

prašniacuteky a pyl pletiva a orgaacuteny meristeacutemy

kalus

suspennzniacute somatickaacute kultury embrya

dlouhodobeacute skladovaacuteniacute

nižšiacute naacuteroky na uchovaacuteniacute

mezinaacuterodniacute vyacuteměna

nižšiacute podiacutel lidskeacute praacutece

potřeba menšiacuteho prostoru

uchovaacuteniacute genetickeacute stability

omezeniacute staacuternutiacute

ozdravenyacute materiaacutel

prodlouženeacute použitiacute pylu

uchovaacuteniacute vzaacutecnyacutech rostlin

apikaacutelniacute vrcholy

Biotechnologickaacute laboratoř Nestleacute - uchovaacutevaacute buněčneacute embryogenniacute linie kaacutevy kakaa a banaacutenů

Německaacute sbiacuterka mikroorganismů a buněčnyacutech kultur (DSMZ Braunschweig Německo) meristeacutemy 519 staryacutech kultivarů brambor ndash metoda mrazeniacute alginaacutetovyacutech perel

International Potato Centre (CIP Lima Peru) - 345 kultivarů brambor

INIBAP Leuven Belgie - 306 kultivarů banaacutenu (14 ze světoveacuteho počtu kultivarů)

Naacuterodniacute genobanka klonů NCGR USA - ročniacute naacuteklady

udržovaacuteniacute jedneacute položky v sadu (hrušně) 77 dolarů na skladovaacuteniacute in vitro 23 dolarů na kryoprezervaci 1 dolar (při počaacutetečniacute investici na kryometodu 50 dolarů za uchovaacutevanou jednotku)

Přiacuteklady komerčniacuteho využitiacute kryoprezervace meristeacutemů

Aplikace biotechnologiiacute ve šlechtěniacute rostlin

rostliny postraacutedajiacute schopnost aktivně se přesouvat z dosahu nepřiacuteznivyacutech vlivů rostliny vyvinuly adaptačniacute mechanismy pro překonaacuteniacute stresů a tiacutem přežitiacute v extreacutemniacutech podmiacutenkaacutech

Biotechnologie v zemědělstviacute ekologickeacute zemědělstviacute

VLIV ŠKŮDCŮ CHOROB A PLEVELŮ NA ZEMĚDĚLSKEacute PLODINY

1 sniacuteženiacute velikosti a vaacutehy zrna 2 ztraacuteta ve velikosti hliacutez a kořenů 3 zvyacutešeniacute obsahu vlhkosti 4 změny v chemickeacutem složeniacute zrna hliacutez a kořenů 5 odbarveniacute zrna a hliacutez - deformace 6 tvorba mykotoxinů patogeny 7 sniacuteženiacute kliacutečivosti 8 redukce krmiva

spotřeba vody - rezistence k suchu sniacutežiacute spotřebu uchovaacuteniacute vody rostlinou aplikace hnojiv chemickaacute kontrola škůdců

- studium abiotickeacuteho stresu

- zlepšeniacute ochrany rostlin vůči škůdcům

- ochrana životniacuteho prostřediacute

- zlepšeniacute kvality potravin

odstraněniacute hladu GMO fytoremediace

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

ohroženiacute klimatickyacutem suchem v ČR ndash nejrizikovějšiacute oblasti nižšiacute polohy na jižniacute a středniacute Moravě v prostoru mezi Prahou Uacutestiacutem nad Labem a Žatcem zaacutepadně od Pardubic

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

Rezistence k suchu - využitiacute vody

Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

vyacutevoj samčiacuteho gametofytu - spojen s expresiacute genů - 150 specifickyacutech genů spraacutevneacute načasovaacuteniacute

sporofyt gametofyt

2n 1n

rostlina pylovaacute zrnazaacuterodečnyacute vak

pohlavniacute rozmnožovaacuteniacute přiacuterodniacute vyacuteběr

pylzrna - exina (ovlivněna sporofytem) ochrana před UV laacutekaacuteniacute opylovačů - barva vůně komunikace s bliznou produkce alergenů

strategie rostlin zabraacuteněniacute samoopyleniacute

Biotechnologie v zemědělstviacute samčiacute gametofyt n TETRASPORE (TES) reg gen je vyžadovaacuten ke tvorbě přepaacutežek mezi produkty meioacutezy u mutanta všechna čtyři jaacutedra mikrospoacutery zůstaacutevajiacute ve stejneacute cytoplazmě polyploidniacute jedinci n GEMINI POLLEN 1 (GEM1) reg gen je vyžadovaacuten k orientaci mitotickeacuteho vřeteacutenka mutant tvořiacute dvě symetrickaacute jaacutedra typu vegetativniacuteho vede ke sterilitě n SIDECAR POLLEN (SCP) reg gen je vyžadovaacuten k děleniacute pylu prvniacute symetrickaacute pylovaacute mitoacuteza mutanta daacutevaacute dvě stejneacute buňky jedna extra- vegetativniacute (sterilniacute sidecar) a druhaacute regvegetativniacute a generativniacute mutace nevede ke sterilitě n QUARTET (QRT) reg gen je vyžadovaacuten k separaci pylovyacutech zrn u mutantů jsou stěny meiotickyacutech produktů pyloveacute mateřskeacute buňky fuacutezovaacuteny a zrna se uvolňujiacute v tetraacutedaacutech

samičiacute makrogametofyt n FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED (FIS) a FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) reg geny hrajiacute regulačniacute role ve vyacutevinu semene po oplozeniacute u mutantů se diploidniacute jaacutedra endospermu vyviacutejejiacute bez oplozeniacute pak atrofujiacute mutace neovlivňujiacute vaječnou buňku - procesy embryogeneze a vyacutevinu endospermu jsou odlišneacute n MEDEA (MEA) reg mutace genu způsobuje hypertrofii a zaacutenik embrya neniacute jasneacute na jakeacute uacuterovni se gen projevuje zaacuterodečnyacute vak endosperm nebo maternaacutelně imprintovanyacute embryonaacutelniacute gen

Biotechnologie ve šlechtěniacute rostlin Selektivniacute šlechtěniacute rostlin - přiacuterodniacute genetickeacute diverzity rostlin Techniky překonaacuteniacute barieacuter šlechtěniacute

Barieacutery Technika překonaacuteniacute Před oplodněniacutem

selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute pestiacuteku

pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony

pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro

selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů

odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute

abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry

sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

vyacutevoj semen

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

Škůdci v historii naacutelety sarančat (Staryacute zaacutekon)

ochrana saze tabaacutek

začaacutetek 19 stol - siacutera na houboveacute patogeny 1939 objev DDT uacutečinek na hmyz teorie bdquohmyz se může staacutet rezistentniacuteldquo 1948 Nobelova cena P Muumlller

50 leacuteta 20 st - herbicidy - postřiky na plevele ( rezistence na herbicid) 1972 zaacutekaz DDT (vyacutejimka - boj s malaacuteriiacute v Africe - naacutevrat DDT)

škůdce - hmyz hliacutestice 1861 - v Americe Iowa Nebraska 1880 1 pesticid v S Americe arzeacutenem bdquoParis greenldquo

S rostouciacute intenzitou pěstovaacuteniacute roste hospodaacuteřskyacute vyacuteznam škodlivyacutech organismů objem škod se zvyšuje staacutele přibyacutevajiacute noveacute druhy škodlivyacutech organismů zavaacutedějiacute se staacutele noveacute prostředky

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin - hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy

1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho

obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

ROS Reactive oxygen species reaktivniacute formy kysliacuteku SAR Systemic acquired resistance systeacutemově ziacuteskanaacute rezistence = neinfikovaneacute buňky začiacutenajiacute s přiacutepravou na atak patogena

napadeneacute rostliny uvolňujiacute signaacutelniacute molekuly (těkaveacute laacutetky - druhově specifickeacute) a varujiacute okolniacute rostliny ještě před napadeniacutem hmyzem

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin -hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy 1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

produkujiacute u různyacutech rostlin různě - sekundaacuterniacute metabolity - odstrašeniacute nebo zničeniacute patogena - proteiny inhibujiacuteciacute aktivitu zažiacutevaciacutech enzymů hmyzu - enzymy degradujiacuteciacute buněčnou stěnu hub (chitinaacutezy) - proteiny inhibujiacuteciacute překlad proteinů u škůdce - antiviroveacute složky degradujiacuteciacute virovou RNA blokujiacute vstup do buňky zastavujiacute replikaci

geny ktereacute bdquoSARldquo zapiacutenajiacute zvyšujiacute rezistenci rostliny

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům - již v čaacutesti fytotatologie

Co je plevel soutěžiacute s plodinou o živiny světlo a prostor intenziacutevně roste podiacuteliacute se na šiacuteřeniacute chorob a škůdců

lat herba - rostlina řeč cidoacute - ničiacutem

Vznik rezistence plevelů vůči některyacutem herbicidniacutem laacutetkaacutem = reakce plevelnyacutech druhů na podmiacutenky současneacuteho pěstovaacuteniacute rostlin = dlouhodobeacute působeniacute herbicidů

Vyacutevoj plevelů na zemědělskeacute půdě v naacutevaznosti na skladbu pěstovanyacutech plodin Vznik rezistence plevelů vůči herbicidům Problematika invaziacute a expanziacute plevelů

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům

Rezistenci vůči herbicidům způsobujiacute biochemickeacute fyziologickeacute změny nebo morfologickeacute odlišnosti ktereacute ovlivňujiacute přiacutejem herbicidů rostlinou

- degradujiacute herbicid

- měniacute jeho biochemickou funkci v rostlině

- pozměňujiacute miacutesto na ktereacute herbicid v rostlině působiacute

Rezistence rostlin vůči herbicidům dědičnaacute schopnost odolaacutevat takoveacute daacutevce herbicidů při ktereacute by za normaacutelniacutech okolnostiacute byla populace potlačena

směr pro šlechtěniacute

Aplikace rostlinnyacutech biotechnologiiacute v životniacutem

prostřediacute

takto nebo takto

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Těžba a zpracovaacuteniacute surovin(těžkeacute kovy- Cd Pb prach) Průmyslovaacute vyacuteroba (barviva)

Skladovaacuteniacute (haldy kaliště sklaacutedky) Zemědělstviacute (pesticidy herbicidy)

Domaacuteciacute odpad (leacutečiva detergenty praciacute prostředky)

čin

no

st č

lově

ka

půda voda ovzdušiacute

znečištěniacute

degradace organismy produkujiacuteciacute laacutetky (enzymy) pro

ciacutelenyacute rozklad

organismy snižujiacuteciacute toxicitu toxickeacute laacutetky metylaciacute dehalogenace hydroxylace hydrolyacuteza deaminacehellip

substraacutet je zdrojem C a energie

dekontaminace

+ katastrofy Černobyl vaacutelečneacute konflikty

remediace = navraacuteceniacute k původniacutemu stavu

Biodegradace všechny přirozeneacute procesy ktereacute jsou uskutečňovaacuteny bakteriemi a jinyacutemi mikroorganizmy nebo vyššiacutemi organismy ktereacute vedou k destrukci organickyacutech molekul = organickyacute substraacutet je přeměňovaacuten až na CO2 Bioremediace (bakterie houby)

spočiacutevaacute v akceleraci přirozenyacutech biodegradačniacutech procesů nebo v ciacuteleneacute biodegradace - vede k ozdraveniacute kontaminovaneacuteho prostřediacute - detoxifikace měniacute se na netoxickeacute = neškodneacute laacutetky - aplikaciacute mikroorganismů

Fytoremediace (rostliny) niacutezkaacute cena

využitiacute rostlin k odstraněniacute toxickeacute zaacutetěže (těžkeacute kovy) řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny Zooremediace (zviacuteřata)

zpracovaacuteniacute odpadů pomociacute zviacuteřat bezobratliacute - perlorodky měkkyacuteši

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

nevyacutehody pomalaacute viacutece než 2 roky maleacute rozměry vhodnyacutech rostlin maacutelo druhů vhodnyacutech rostlin neniacute 100 probleacutem s rostlinnyacutem odpadem - potřeba zvlaacuteštniacutech sklaacutedek spadeneacute listiacute

- řiacutezeneacute spalovaacuteniacute

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacute len slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

vyacutehody mineralizace organickyacutech sloučenin niacutezkeacute naacuteklady pasiacutevniacute metoda bez transportu kontaminovaneacute půdy energie ze slunečniacuteho zaacuteřeniacute nepoškozuje okoliacute - sniacuteženiacute prašnosti

estetickyacute přiacutenos etickyacute uacutečinek (veřejnosti přijatelnyacute)

2005 cca 450 rostlinnyacutech druhů - tzv bdquohyperakumulaacutetoryldquo 100 x vyššiacute akumulace než u ostatniacutech rostlin

teorie vzniku - obrana vůči hmyzu - hmyz preferuje

niacutezkeacute koncentrace kovu

Thlaspi careulescens

X bagrovaacuteniacute kontaminovaneacute zeminy transport zeminy dekontaminace

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute přiacutejem kořeny - z půdy přiacutejem nadzemniacute čaacutestiacute rostliny - vyacutefukoveacute plyny

akumuluje

degraduje

detoxifikuje

roste na kontaminovaneacute půdě

produkuje velkeacute množstviacute biomasy

tolerantniacute k salinitě a jinyacutem toxickyacutem podmiacutenkaacutem

poskytuje ekonomickeacute hodnoty - textilniacute vlaacutekna (len konopiacute)

GMO - gen fytovolatizace - bakteriaacutelniacute geny transformovaacuteny do rostlin transgeny merA a merB fytoextrakce - gen gsh1 a gsh2 z E coli do Brassica juncea

potenciaacutel je v GMO rostlinaacutech

Laboratoř rostlinnyacutech biotechnologiiacute Společnaacute laboratoř UacuteEB AV ČR vvi A VUacuteRV vvi Akademie věd Českeacute Republiky Mendelova univerzita v Brně Uacutestav experimentaacutelniacute botaniky AV ČR Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby v Praze Metoda použita na čištěniacute uranem a radiem znečištěneacute vody v Mydlovarech - kořenovaacute čistiacuterna

ideaacutelniacute rostlina

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

proces substraacutet ciacutel rostlina

fytoextrakce fytoakumulace

odstraněniacute toxickyacutech laacutetek z půdy a vody - akumulaciacute rychle rostouciacute rostlinou (zůstaacutevaacute v rostlině)

půda sedimenty kaly odpadniacute vody

toxickeacute kovy radionuklidy

Thlaspi sp Brassica sp

fytostabilizace ciacuteleneacute pěstovaacuteniacute tolerantniacutech druhů zamezeniacute eroziacute

půda haldy odkaliště těžkeacute kovy dlouheacute a bohateacute kořeny

fytovolatizace odstraněniacute Hg pomociacute genu koacutedujiacuteciacuteho reduktaacutezu Hg2+ na Hg0

a uvolněniacute do ovzdušiacute

půdy sedimenty odkaliště průmysloveacute a zemědělskeacute odpadniacute vody

kovy - Se Hg chlorovanaacute rozpouštědla

stromy traacutevy Brassica sp

fytodegradace degradace kontaminantů rostlinou na netoxickeacute laacutetky

půdy sedimenty odkaliště odpadniacute vody

ropneacute laacutetky pesticidy detergenty

stromy traacutevy

rhizofiltrace odstraněniacute pomociacute rostlinnyacutech kořenů

povrchoveacute vody odpadniacute vody

těžkeacute kovy - Co Cu Cr Mn Ni radionuklidy

Brassica sp Helianthus vodniacute rostliny hydroponie

superrostliny

niacutezkeacute naacuteklady

kořenovaacute čistička = umělyacute mokřad oddělenyacute od okoliacute nepropustnou foacuteliiacute využiacutevaacute samočisticiacutech procesů probiacutehajiacuteciacutech v propustneacutem půdniacutem prostřediacute za spoluuacutečasti rostlin čištěniacute odpadniacutech vod z domaacutecnostiacute sklaacutedek a některyacutech průmyslovyacutech provozů

Rhizofiltrace

httpwwwnemcoviceczcontentviewfull3607

rostliny s vysokyacutemi

naacuteroky na vyacuteživu

+

bakterie

může zapaacutechat

5x - 10 x nižšiacute naacuteklady

Člověk čistiacute odpadniacute vodu za pomoci zařiacutezeniacute

ale přiacuteroda to zvlaacutedaacute bez přiacutestrojů a mnohem levněji

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute niacutezkeacute naacuteklady

rostlina chemickaacute sloučenina

pšenice 24 -D MCPA jako zdroj uhliacuteku

kukuřice atrazin degradace atrazinu mikroorganismy rhizosfeacutery

fazole diazinon parathion mineralizace v rhizosfeacuteře

luštěniny nafta

Kučerovaacute et al 1999 Chemickeacute listy

přiacutejem - velikost kořenoveacuteho systeacutemu přiacutestupnost pro rostlinu např chelaacutety

transport rostlinou - apoplast (difuacuteziacute)

symplast (specifickeacute přenašeče)

miacutesto uskladněniacute hustota rostlin v porostu

zaacutevažnějšiacute ekologickyacute a toxikologickyacute vyacuteznam přibližně 16 prvků (Fe Mo Mn Zn NiCo Cu V W Cr Hg Pb Cd Sb Ag a U)

Budoucnost fytoremediaciacute niacutezkeacute naacuteklady

Fytoremediace v praxi

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Ural 1953 odstraněniacute těžkyacutech kovů

Amana Iowa hybridniacute topoly atrazin odstraněna čaacutest až 20

Beaverton Kreton

hybridniacute topoly

organickeacute laacutetky kovy

a amonneacute sloučeniny

celkoveacute vyčistěniacute oblasti

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Fukušima 113 2011 slunečnice radioaktivniacute cesium dekontaminace půdy

Černobyl 2641986 slunečnice jabloně

cesium stroncium dekontaminace půdy povrchoveacute vody

paacutes 30 km - likvidace radioaktivniacutech rostlin

nebudou spaacuteleny rozloženy a kompostovaacuteny - speciaacutelniacute bakterie

slunečnice spotřebovaacutevajiacute z půdy drasliacutek kteryacute patřiacute mezi alkalickeacute kovy stejně jako cesium drasliacutek neniacute v půdě přiacutetomen květiny využijiacute praacutevě druhyacute prvek - Cs

Biotechnologie v ŽP niacutezkeacute naacuteklady

fytomining - fytodobyacutevaacuteniacute fytodolovaacuteniacute

ziacuteskaacutevaacuteniacute kovů z rostlin kde klasickaacute těžba je nevyacutehodnaacute rostliny - bdquotěžaři vzaacutecnyacutech kovůldquo a polokovů AuTh Co U Cd Ni Cu Mn

v rostlinaacutech hyperakumulaacutetorech je akumulace prvku sušina rostliny jako -ldquobio-rudaldquo

vyacutehody

- obsah kovu v bdquobio-ruděldquo je vyššiacute než v běžneacute rudě

- meacuteně skladovatelneacuteho miacutesta

- zelenaacute technologie jako alternativa

fytomining Ni pomociacute Alyssum bertolonii

Robinson et al 1997 The nickel hyperaccumulator plant Alyssum bertolonii as a potential agent for phytoremediation and phytomining of

nickel Journal of Geochemical Exploration59(2)75-86

zlatonosneacute rostliny

zlataacute jablka

zlateacute kapradiacute

hledaacuteniacute nalezišť

technologie budoucnosti

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute bioplasty z biomasy (škroby tuky) nahrazujiacute fosilniacute zdroje vyacutehodou je biodegradace biopaliva rostlinnyacute materiaacutel a řasy bioethanol GMO rezistentniacute rostliny vůči postřikům hmyziacutem škůdcům transfer genů pro symbiotickou fixaci dusiacuteku z luštěnin do dalšiacutech plodin přenos genů z bdquoC4ldquo do bdquoC3ldquo rostlin pro dosaženiacute uacutečinnějšiacute fotosynteacutezy (ryacuteže)

Transgenoziacute se přenaacutešiacute přirozeneacute geny vznikleacute evoluciacute z jednoho organismu do druheacuteho kteryacute se s daacutercem genu obvykle

nemůže křiacutežit pouze dokaacuteže přenosy mezi vyacutevojově ještě vzdaacutelenějšiacutemi organismy

Geny použiacutevaneacute při transgenosi jsou braacuteny z přiacuterody např gen v soacuteji tolerujiacuteciacute glyfosaacutet - je z bakterie rodu Agrobacterium

Klasičtiacute šlechtiteleacute takto pracujiacute daacutevno např smiacutechali geny pšenice a žita

GMO

Transgenoze ndash vnaacutešeniacute znaacutemyacutech jednotlivyacutech genů do dědičneacuteho

zaacutekladu (poprveacute 1978)

Pro přenos - Agrobacterium tumefaciens A rhizogenes E coli

httpblogscassuffolkeduiglesias20140424gmos

GMO bez obalu httpwwwbezpecnostpotravinczUserFilespublikaceGMO_web_1pdf

GMO - transgenniacute rostliny CARTAGENSKYacute PROTOKOL o biologickeacute bezpečnosti 29 1 2000 Montreal (OSN ndash program pro životniacute prostřediacute UNEP) platnost 11 9 2003

ČR podepsala 24 52000 (gmovschtcz) nyniacute 160 staacutetů

opatřeniacute ve staacutetech ktereacute se připojiacute k projektu (dovoz vyacutevoz transport)

vzdělaacuteniacute odborniacuteků a informovaacuteniacute veřejnosti

vytvořeniacute noveacute legislativy GMO (wwwenvcz )

spolupraacutece při vyacuteměně zkušenostiacute

Svět 2010 - viacutece než 150 mil ha viacutece než 20 zemiacute

pro vegetačniacute čaacutesti

nebo plody

CIacuteL PROTOKOLU - zajistit ochranu a bezpečnost při zachaacutezeniacute využiacutevaacuteniacute a přenosu živyacutech modifikovanyacutech organismů ktereacute jsou vyacutesledkem moderniacutech biotechnologiiacute a ktereacute mohou miacutet nepřiacuteznivyacute vliv na zachovaacutevaacuteniacute biologickeacute rozmanitosti a zdraviacute člověka Protokol je zaměřen předevšiacutem na převoz GMO přes hranice staacutetů a maacute ochraňovat zejmeacutena staacutety kteryacutem dosud chybiacute vlastniacute vnitrostaacutetniacute praacutevniacute předpisy v oblasti GMO

GMO - transgenniacute rostliny historie

EVROPA

SRN - Max-Planck-Institut

Belgie - Universita Ghent

Švyacutecarsko- ETH Zurych

ČR - Biofyzikaacutelniacute uacutestav Brno (Agrobacterium jako vhodnyacute přenašeč genů)

ČR - UacuteEB ČSAV Českeacute Budějovice (metody modifikaciacute)

2010 1 transgenniacute hraacutech v Evropě (ČR Agritec Šumperk)

transgenniacute len - oleje

FYTOPATOLOGIE IN VITRO

Fytopatologie in vitro

in vitro selekce = kultivace buněk se selekčniacutem činitelem (fitraacutet inokulum toxin)

ndash přežiacutevajiacuteciacute buňky jsou regenerovaacuteny do rostlin resistentniacuteho fenotypu

Studium interakce rostlina x patogen v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

Druh Patogen Typ biologickeacuteho testu Ciacutel

Coffea arabica Colletotrichum kahawae růst houby na kalusech vyacuteběr rezistentniacutech genotypů

Vitis vinifera Elsinoe ampelina růst kalusu na meacutediu s patogenem testy rezistence

Lycopersicon aes Alternaria alternata testy na izollistech in vitro hodnoceniacute toxicity

Pinus taeda Cronartium quercuum embryokultury s houbami vyacuteběr rezistentniacutech embryiacute

Triticum aestivum Microdochium nivale listy semenaacutečky in vitro vyacuteběr rezistentniacutech kultivarů

ozdravovaacuteniacute rostlin

klonoveacute množeniacute rezistentniacutech taxonů

Page 11: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,

BIOTECHNOLOGIE - rozvoj 21 stoletiacute - integrovanaacute aplikace přiacuterodniacutech a inženyacuterskyacutech věd - ciacutelem je využitiacute organismů a čaacutestiacute organismů k vyacuterobě produktů nebo použitiacute různyacutech metod (postupů)

ČLENĚNIacute PODLE ODVĚTVIacuteZAMĚŘENIacute ČERVENAacute BIOTECHNOLOGIE (mediciacutena a farmacie) - leacutekařstviacute je považovaacutena za nejdůležitějšiacute oblast použitiacute - biotechnologickeacute postupy rostouciacute roli při vyacutevoji novyacutech leacuteků (např k leacutečbě rakoviny) diagnostice (DNA) využitiacute kmenovyacutech buněk při leacutečbě zaacutevažnyacutech chorob

ZELENAacute BIOTECHNOLOGIE (zemědělstviacute a potravinaacuteřstviacute) bdquoRostlinneacute biotechnologieldquo nejstaršiacute - moderniacute šlechtěniacute rostlin ciacuteleně se zvyšujiacute odolnosti proti hmyzu pliacutesniacutem virům a herbicidům - vyacuteznam genoveacute techniky kteraacute je zaacutekladem pro přenos určityacutech genů z jednoho druhu na jineacute rostliny a umožňuje vyacutevoj odolnosti vůči hellip

ŠEDAacute BIOTECHNOLOGIE (životniacute prostřediacute-environmentaacutelniacute) - obnoveniacute znečištěneacuteho prostřediacute biomonitoring - indikaacutetory znečištěniacute - biotechnologickeacute postupy při sanaci půdy uacutepravě odpadniacutech vod čištěniacute vyacutefukovyacutech plynů využitiacute odpadu

BIacuteLAacute BIOTECHNOLOGIE (často spojovanaacute s šedou biotechnologiiacute) - chemickyacute průmysl vyprodukovat substance jako např alkohol vitamiacuteny aminokyseliny antibiotika enzymy způsobem ktereacute šetřiacute zdroje a životniacute prostřediacute s pomociacute živyacutech buněk (kvasinky pliacutesně bakterie)

MODRAacute BIOTECHNOLOGIE mořskeacute biologie biologickeacute organismy světovyacutech mořiacute - zdroje potravin energie leacutečiv surovin - bioprocessing šlechtěniacute a ochrana mořskyacutech organismů ciacutelenyacute chov vodniacutech organismů (aquaculture )

ZELENAacute BIOTECHNOLOGIE (zemědělstviacute a potravinaacuteřstviacute)

bdquoRostlinneacute biotechnologieldquo nejstaršiacute - moderniacute šlechtěniacute rostlin = ciacuteleně se zvyšujiacute odolnosti vůči hmyzu pliacutesniacutem virům a herbicidům - genoveacute techniky = přenos určityacutech genů z jednoho druhu na jinyacute umožňujiacute vyacutevoj odolnosti vůči hellip - využitiacute bakteriiacute ke zvyacutešeneacutemu růstu rostlin

- biomonitoring = využitiacute rostlin jako indikaacutetorů znečištěniacute půdy (kovy) - fytomining

Rostlinneacute biotechnologie

Kde by lideacute byli bez rostlin

Historie rostlin čas před proces vyacuteznam

45 miliardy let tvorba země nemožnyacute život

39 oceaacuteny voda je předpokladem pro uhliacutek-založenyacute život

35 nejstaršiacute cyanobacteria efektivnějšiacute fotosynteacuteza- rychlejšiacute růst O2

24 kysliacutek v atmosfeacuteře aerobniacute org postupně převažujiacute nad aerobniacutemi

21 endosymbioacuteza mezi cyanobacterium a eukaryotniacutem hostitelem prvniacute fotosyntetizujiacuteciacute eukaryotickyacute org -

jednobuněčnaacute řasa

16 mnohobuněčneacute řasy zeleneacute a červeneacute řasy

13 v atmosfeacuteře 3 O2 dominujiacute aerobniacute org nad aerobniacutemi

1 zvyšujiacuteciacute se počet mořskyacutech řas zvyacutešeniacute atmosfeacuterickeacuteho 02

750 milioacutenů mnohobuněčneacute zeleneacute řasy začaacutetek buněčneacute specializace

550 v atmosfeacuteře 12 O2

500 prvniacute suchozemskeacute rostliny eukaryotickaacute kolonizace země

470 prvniacute spory jaterniacutekům podobneacute rostliny

428 Cooksonia 2-3 cm velkeacute steacutelka Bryophyta s dominantniacute haploidniacute generaciacute

ceacutevnateacute rostliny bez semen- mechy přesličky kapradiny převažuje 2n generace

360 nejstaršiacute fosilniacute nahosemenneacute

140 nejstaršiacute krytosemenneacute

85 nejstaršiacute obiloviny

68 nejstaršiacute luštěniny adaptace na deficit N2

11 tisiacutec let domestifikace rostlin vliv člověka na rostliny

500 let globalizace zemědělskyacutech plodin světoveacute rozšiacuteřeniacute domestifikovanyacutech rostlin

300 člověkem prvniacute vyrobeneacute hybridniacute rostliny zaacuteměrneacute vytvaacuteřeniacute novyacutech druhů pro člověka

100 začaacutetek vědeckeacuteho šlechtěniacute rostlin manipulace s genomem a fenotypem rostlin

30 prvniacute transgenniacute rostlina novyacute gen do rostlinneacuteho genomu

20 prvniacute schvaacutelenaacute GMO rostlina - potravina rajče cv FLAVR SAVR Murphy 2011

6000 pnl produkce piva fermentaciacute (kvašeniacutem) Babyloacuteňaneacute Sumeroveacute

4000 pnl využitiacute kvasinek ve vyacuterobě piva a viacutena v Egyptě a Čiacuteně (znaacutem ječmen)

1675 Leeuwenhoek pozoroval bakterie

1860 Koch - rozvoj mikrobiologie

1857 Pasteur demonstrace fermentace - otec biotechnologiiacute

1877 Koch vypracoval techniky izolace a barveniacute bakteriiacute

1919 Ereky zavedeniacute termiacutenu biotechnologie

1935 Fleming objev peniciliacutenu - zavedeniacute sterilizace

1953 Watson a Crick popis struktury DNA

1975 Kohler a Milstein - produkce monoklonaacutelniacutech protilaacutetek

1978 produkce 1 lidskeacuteho proteinu v buňce firmou Genntech (USA) = inzuliacuten 1 praktickeacute využitiacute

1980 zavedeniacute metod rekombinantniacute DNA produkce inzuliacutenu v E coli

1994 schvaacuteleniacute prvniacute geneticky modifikovaneacute potraviny ndash rajče

1996 klonovaacuteniacute ovce Dolly Wilmuth a kol

Biotechnologie - historie

vyacuteroba jiacutedla a naacutepojů procesy vyviacutejeny za nesterilniacutech podmiacutenek zavedeniacute sterilniacutech podmiacutenek do biotechnologickyacutech procesů aplikace genetiky a technologie rekombinantniacute DNA

přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

nevyacutehoda - nekontrolovaneacute

zavedeniacute lidskeacuteho genu určujiacuteciacuteho produkci specifickeacute biacutelkoviny (inzuliacutenu) do bakterie pomociacute plazmidu - po zabudovaacuteniacute do genetickeacuteho aparaacutetu hostitelskeacute buňky je bakterie schopna produkovat AMK v přesně daneacutem pořadiacute a syntetizovat

lidskyacute inzuliacuten

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve

velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 11 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1843 superfosfaacutet hellip intenzivniacute hnojeniacute v zemědělstviacute

1849 Darwin - vznik druhů přirozenou selekciacute (cesta kolem světa Galapaacutegy)

1846-1850 krize monokultur - bdquobramborovyacuteldquo hladomor v Irsku (Phytophtora infestans)

1857 Pasteur - fermentace - otec biotechnologiiacute

1866 Mendel - publikuje svoje zaacutekony (znovu objeveny 1900)

1869 Miescher - objevuje DNA

1902 Haberlant - totipotence rostlinneacute buňky

1910 odrůda brambor Bintje (Holandsko) - odrůda roku 2012

1919 Ing Karl (Kaacuteroly) Ereky - termiacuten biotechnologie

migrace do Ameriky

technologie přeměny surovin na využitelneacute produkty pomociacute živyacutech organismů

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho

průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 10 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1923 Burbank USA - křiacuteženci bramboru odrůda

bdquoRUSSET BURBANKldquo (skladovatelnost hliacutez)

1933 prvniacute hybridi kukuřice

1941 Beadle a Tatum - hypoteacuteza 1 gen-1 enzym

1941 24-D (syntetickyacute auxin) jako prvyacute moderniacute herbicid

1950 1 radiomutanti chemomutanti řepka pšenice ryacuteže biacuteleacute fazole

ječmen (1965 - DIAMANT)

1960 ndash1970 ldquozelenaacute revoluceldquo zakrsliacute hybridi - Norman Borlaug

1970 NC miacuteru

1969 Triticale (Triticosecale tritikale žitovec - hybridniacute obilnina Triticum x Secale)

REKOMBINANTNIacute TECHNIKY

1985 prvniacute GM rostliny na poliacutech v UK

1995 odrůda bdquoBT NEW LEAF RUSSET BURBANKldquo

1998 zlataacute ryacuteže

2010 1 GMO hraacutech (Agritec)

I GMO odrůda brambor - odolnaacute vůči mandelince bramboroveacute vložen gen z bakteacuterie Bacillus thuringiensis produkujiacuteciacute protein narušujiacuteciacute vnitřnosti mandelinky

Mexiko 1943 import frac12 spotřeby pšenice 1944 plnaacute soběstačnost pšenice 1964 export 05 milionů tun pšenice

httpenwikipediaorgwikiNorman_Borlaug

Budoucnost biotechnologiiacute v ČR bdquoBiotechnologie jsou celosvětově nejprogresivnějšiacutech oblast vyacutezkumu vyacutevoje a podnikaacuteniacuteldquo

produkce viacutena - 1 psanaacute zmiacutenka r 276 (na Paacutelavě řiacutemskeacute legie) produkce piva - 11 stoletiacute syacutery destilaacutety 14 stoletiacute 1356 - kraacutelovskyacute dekret o produkci viacutena v Českyacutech zemiacutech alchymie (Rudolf II) 1518 - založeniacute Paliacuterny U Zeleneacuteho stromu v Prostějově 1887 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu pivovarskeacuteho a sladařskeacuteho v Praze 1949 - průmyslovaacute produkce peniciliacutenu v Roztokaacutech u Prahy 1966 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu antibiotik a transformaciacute (již neexistuje)

wwwbiotrincz wwwgate2biotechcz

AV ČR Univerzity Vyacutezkumneacute uacutestavy Šlechtitelskeacute stanice

kaacutemen mudrců elixiacuter mlaacutediacute přeměna hmoty

glukosa + kvasinky etanol + oxid uhličityacute přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces carlsbergensis

Biotechnologie v ČR

18 prosince 2008 bylo založeno sdruženiacute CzechBio - asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR zspo 1 asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR spojuje třicet soukromyacutech biotechnologickyacutech společnostiacute a akademickyacutech uacutestavů podpora spolupraacutece komerčniacute sfeacutery s vědeckou httpwwwczechbioorgcs

projekt Algatech ndash Centrum řasovyacutech biotechnologiiacute vyacutevoj novyacutech kultivačniacute zařiacutezeniacute a postupů na zpracovaacuteniacute řasoveacute biomasy pro vyacuterobu biopaliv krmiv potravniacutech doplňků a cennyacutech laacutetek Mikrobiologickyacute uacutestav Akademie věd ČR Třeboň

Centrum regionu Hanaacute pro biotechnologickyacute a zemědělskyacute vyacutezkum

UPOL + VUacuteRV + UacuteEB AV ČR - vytvaacuteřeniacute zemědělskyacutech plodin s vyššiacutemi vyacutenosy toleranciacute vůči nepřiacuteznivyacutem vlivům vnějšiacuteho prostřediacute

- transformace rostlin ječmene a dalšiacutech obilnin

wwwcr-hanaeu

Biotechnologie v ČR

wwwalgaczcscs-algatechhtml

Českaacute technologickaacute platforma rostlinnyacutech biotechnologiiacute ndash rozvoj biotechnologiiacute v ČR = Rostliny pro budoucnost (ČTP RB) - nepotravinaacuteřskeacute využitiacute rostlin vedlejšiacutech produktů odpadů - vyacutevoj novyacutech odrůd kulturniacutech rostlin - uplatněniacute rostlinnyacutech biotechnologiiacute v raacutemci životniacuteho prostřediacute

httpwwwczechinvestorgceska-technologicka-platforma -rostlinnych-biotechnologii

selekce - vyacuteběr nejlepšiacutech rostlin křiacuteženiacute GMO

Přiacuteklad šlechtěniacute - novyacute typ ryacuteže - maleacute vzpřiacutemeneacute listoveacute čepele - hodně odnožiacute - žaacutedneacute neproduktivniacute odnože - silneacute steacuteblo - C3 ryacuteže na C4 ryacuteže

Rostlinneacute biotechnologie Co pěstujeme na poliacutech v zahradaacutech a v sadech a co naacutesledně jiacuteme prošlo za několik tisiacuteciletiacute proměnou Prvniacute změna - předkoveacute opustili životniacute styl lovců a sběračů a stali se pěstiteli zemědělskyacutech plodina a chovateli hospodaacuteřskyacutech zviacuteřat

zlataacute ryacuteže geny z 5 různyacutech druhů

- Phaseolus vulgaris pro ferritin - Aspergilus fumigatus - ferritin - ryacuteže Basmati - ferritin - Narcissus pseudonarcissus synteacuteza karotenu - Erwinia uredovora - synteacuteza karotenu

bdquozlataacute ryacuteželdquo tvořiacute zvyacutešeneacute množstviacute provitaminu A zabraacuteniacute hladu zachraacuteniacute zrak vznikla na požadavek humanitaacuterniacute organizace bdquoHumanitarien Rice Boardldquo kteraacute se snažiacute řešit probleacutemy s nedostatkem potravy v nejchudšiacutech čaacutestech našiacute planety

švyacutecarskyacute genetik Ingo Portykus a německyacute genetik Peter Bayer

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute

ekologickaacute udržitelnost kvantita a kvalita zaacutekladniacutech zdrojů zemědělstviacute ekonomickaacute udržitelnost zemědělskaacute produkce (uacuteroda na ha) a zisk cena za produkty sociaacutelniacute (společenskaacute) udržitelnost kvalita života zemědělců vysokaacute kvalita potravin bez rizika na zdraviacute a prostřediacute

Co je udržitelneacute zemědělstviacute Mohou biotechnologie pomaacutehat

snižovaacuteniacute kvality zaacutekladniacutech zdrojů vyčerpaacuteniacute zaacutekladniacutech zdrojů

Vyhliacutedky na budoucnost

naacuterůst počtu obyvatel

zvyacutešeniacute životniacuteho standardu

pokles plochy orneacute půdy

pokles pracovniacuteků v zemědělstviacute

naacuterůst cen potravin

Naacuterůst zemědělskeacute produkce s využitiacutem biotechnologiiacute

šlechtěniacute (rezistence k chorobaacutem)

noveacute plodiny

nutričniacute kvalita plodin

ochrana rostlin

bezpečnost produktů

hybnou silou biotechnologiiacute je naacuterůst obyvatel Kolik lidiacute by mělo žiacutet na planetě Zemi

Rostlinneacute biotechnologie

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute mutace s naacuteslednou selekciacute odchylek noveacute techniky EK ciacutelenyacute přenos genů

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

prvniacute zemědělci

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) BT prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute MUTACE s naacuteslednou selekciacute odchylek - odrůda ječmene bdquoDIAMANTldquo

noveacute TECHNIKY EK VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

ciacutelenyacute přenos genů GMO

CO BUDE DAacuteL zvyšovat vyacutenosy BUDE VĚTŠINA PĚSTOVANYacuteCH ZEMĚDĚLSKYacuteCH PLODIN TRANSGENNIacute

vznik zemědělstviacute

1954

jsme moudřejšiacute

maacuteme většiacute možnosti

Počaacutetek EK 1902 Gottlieb Haberland segmenty listů 1904 Hannig zralaacute embrya

Potenciaacutel rostlinneacute buňky a podstata

explantaacutetovyacutech kultur rostlin

metody a jejich aplikace

ve šlechtěniacute rostlin

EK - historie

TOTIPOTENCE rostlinneacute buňky genetickeacute informace - jaacutedro plastidy mitochondrie

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

daacute se přeneacutest v raacutemci šlechtěniacute

blok totipotence

vyjaacutedřeniacute totipotence 1 dediferenciace buňky do buněčneacuteho cyklu a pokračovaacuteniacute v děleniacute 2 rediferenciace - tvorba organickyacutech struktur - přiacutemaacute regenerace tvorba kalusu - nepřiacutemaacute regenerace

vliv růstovyacutech regulaacutetorů

Rostlinneacute biotechnologie prvniacute generace - od explantaacutetovyacutech kultur po GMO

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute rostlin - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

Explantaacutet = aseptickaacute kultivace izolovanyacutech čaacutestiacute rostlin za umělyacutech podmiacutenek

EXPLANTAacuteTOVEacute KULTURY - VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

EK - historie

Metody EK využitelneacute v zemědělstviacute Meristeacutemoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Somatickaacute embryogeneze

Embryokultury

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze + buněčneacute inženyacuterstviacute

Genetickeacute manipulace

VITRIFIKACE (hyperhydricita) ndash vyjadřuje abnormality růstu in vitro skelnatyacute syndrom vyacutehonů křehkeacute mokryacute vzhled pryacutetů (vodou nasycenyacutech) průsvitnyacute sukulentniacute vzhled

metody zachovaacutevajiacuteciacute genotyp beze změn během kultivace metody zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu během kultivace

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK 1 rychleacute namnoženiacute

2 ozdravovaacuteniacute

3 překonaacuteniacute nekřiacutežitelnosti - embryokultury

4 dlouhodobeacute udržovaacuteniacute genetickyacutech zdrojů

5 indukce mutantů - ziacuteskaacuteniacute novyacutech genotypů

6 předselekce - urychleniacute šlechtitelskeacuteho cyklu

7 ziacuteskaacuteniacute novyacutech a udrženiacute genotypů s pylovou sterilitou

8 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho procesu

9 produkce haploidů

10 produkce polyploidů

11 rychlejšiacute ziacuteskaacuteniacute vyacutechoziacuteho šlechtitelskeacuteho materiaacutelu pro noveacute odrůdy

12 somatickaacute hybridizace - fuacuteze

13 konstrukce novyacutech genotypů kulturniacutech plodin přenos bdquoužitečnyacutech genůldquo

14 udržovaacuteniacute genofondu

15 selekce in vitro - rezistence k abiotickyacutem a biotickyacutem stresům

16 produkce sekundaacuterniacutech metabolitů

Plodina Technika

ječmen pšenice kukuřice

řepka paprika brukvovitaacute

zelenina mrkev

androgeneze

cibule gynogeneze

jahodniacutek česnek ozdravovaacuteniacute

brambor traacutevy polyploidizace in vitro

jeteloviny drobneacute ovoce

ovocneacute dřeviny podnože traacutevy mikropropagace

brambor řepka somatickaacute hybridizace

hraacutech brambor rezistence k chorobaacutem

traacutevy embryokultury

Kombinace metod embryokultury oplozeniacute in vitro fuacuteze protoplastů

plodiny se geneticky upravujiacute pro většiacute rezistenci k herbicidům - ničeniacute plevele bez poškozeniacute uacuterody GM rajčata potlačujiacute gen pro polygalakturonaacutezu enzym degradujiacuteciacute pektin způsobujiacuteciacute měknutiacute pletiv (Deacon a kol 2002)

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK

Meristeacutemoveacute kultury

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny meristeacutemoveacute kultury

Vyacutehody maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky naacuteslednaacute mikropropagace ozdraveneacuteho materiaacutelu bdquovirus - freeldquo

Vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana Iniciace kultury Testovaacuteniacute in vitro Přenos do nesterilniacutech podmiacutenek Testovaacuteniacute

MERISTEacuteM ndash děliveacute nediferencovaneacute pletivo ozdravovaacuteniacute rostlin (02 - 05 mm) meristeacutemy

OZDRAVOVAacuteNIacute Termoterapie (vyššiacute teplota)

Meristeacutemovaacute kultura Chemoterapie (antivirotika)

viry - nebuněčneacute mikroorganismy virovaacute čaacutestice = virion sklaacutedaacute se z RNA nebo DNA a kapsidu

fytopatologie in vitro

ribavirin

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny

Vyacuteznamneacute viroveacute choroby rostlin v ČR od 30 ztraacutet CaMV - 1968 PVY 30 -70 VMCH (virus mozaiky chmele) až o 70 mozaika česneku 25 - 50 žloutenka cibule až 100 bronzovitost rajčat

- žloutnutiacute listů kroužky a čaacutery na listech nevyvinuteacute rostliny abnormaacutelniacute růst - vstupujiacute různyacutemi poraněniacutemi - šiacuteřiacute se plasmodesmaty - velmi odolneacute proti inaktivaci - přenaacutešeny semeny hliacutezami pylem roubovaacuteniacutem hmyzem houbami červy

1952 Morel a Martin u jiřin

Využitiacute metody jahodniacutek česnek zeleniny květiny okrasneacute dřeviny ovocneacute dřeviny banaacutenovniacutek hellip

Tvorba bezviroacutezniacutech rostlin

1 meristeacutem = 1 rostlina testovaacuteniacute

wwwoselczindexphpclanek=2819

viroacutezniacute x zdravaacute

M Navraacutetil KBBPřFUPOL

PVY

In vitro klonovaacuteniacute mikropropagace meristeacutemoveacute kultury

zisk geneticky identickeacute rostliny vegetativniacutem množeniacutem

VYacuteHODY

maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny ktereacute jsou geneticky stabilniacute

v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky

vyššiacute množitelskyacute koeficient - potenciaacutelniacute hodnota zisku rostlin

Postup - vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana - iniciace kultury - mikropropagace - přenos do nesterilniacutech podmiacutenek

KLON - kolekce geneticky identickyacutech individuiacute původem z jedineacuteho rodiče

komerčně od 1960

httpwwwjanholubcz

In vitro meristeacutemoveacute kultury - využitiacute - zaacutechrana a množeniacute ohroženyacutech druhů kaktusy

- zaacutechranneacute množeniacute cennyacutech genotypů a liniiacute sterilniacutech rostlin - udrženiacute rodičovskyacutech komponent pro tvorbu hybridniacutech odrůd

- množeniacute transgenniacutech rostlin

- zachyceniacute a klonovaacuteniacute nově nalezenyacutech mutantů při šlechtěniacute

- klonovaacuteniacute nejlepšiacutech jedinců pro produkci elitniacuteho osiva

- vegetativniacute množeniacute okrasnyacutech rostlin karafiaacutet gerbera anthurie orchideje

sanpaulie kapradiny hellip

- množeniacute drobneacuteho ovoce jahodniacutek maliniacutek reacuteva

- množeniacute dřevin podnože pro školkařstviacute lesniacute dřeviny tropickeacute dřeviny

- v zelinaacuteřstviacute množeniacute brambor zeliacute

- množeniacute pouze samičiacutech rostlin datlovaacute palma

- kryoprezervace (-196 oC) jahodniacutek maliniacutek hraacutech brambor karafiaacutet

Genoveacute

banky

Mikropropagace multiplikace klonovaacuteniacute nejen z meristeacutemů

Solanum tuberosum Cucumis sativus Olea europea Eucalyptus grandis Salix sp Syringa sp Juglans regia

Schopnost regenerace tvorba identickyacutech rostlin = přiacutemaacute somatickaacute embryogeneze

Meristeacutemy Pryacutetoveacute segmenty Kalusy Embrya

Zdroje odchylek bull vysokeacute daacutevky růstovyacutech regulaacutetorů typ regulaacutetoru bull rostliny regenerujiacute z basaacutelniacuteho kalusu (možnost gen změn)

Kalusoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Primaacuterniacute explantaacutet kalus meristemoid orgaacutenoveacute primordium

Kalus = masa děliacuteciacutech se a rostouciacutech buněk

nejsou uniformniacute mohou se lišit velikostiacute tvarem pigmentaciacute metabolismem nebo počtem chromosomů

bull za určityacutech podmiacutenek regenerace pryacutetů a kořiacutenků

tma x světlo

subkultivace

metoda geneticky nestabilniacute

Kalusoveacute kultury - somaklonaacutelniacute variabilita ndash MUTACE a zisk novyacutech znaků

- mikropropagace ndash cibule žen-šen hellip

- vyacutechoziacute materiaacutel pro suspenzniacute a protoplastovou kulturu

- materiaacutel pro indukovaneacute mutace (zaacuteřeniacute chemomutageny)

- sekundaacuterniacute metabolity (alkaloidy AMK saponiny oleje složky vůniacute protinaacutedoroveacute laacutetky steroidy )

polyploidie aneuploidie

Selekce mutantů se zlepšenou nutričniacute hodnotou (viacutece biacutelkovin v zrnu)

Rezistence vůči zasoleniacute (vysokyacute turgor v buňkaacutech akumulace NaCl ve vakuolaacutech)

Rezistence vůči chorobaacutem (synteacuteza fytotoxinů fytoalexinů)

Sekundaacuterniacute metabolity (= chemickeacute individuality v rostlinaacutech ndash barviva vůně chuti obrana)

Artemisia annua - artemisin (antimalarika) Capsicum sp - capsaicin (protinaacutedoroveacute)

Digitalis lanata - digoxin (srdečniacute stimulanty) Papaver somniferum - codein (sedativa)

Taxus breviola - taxol (protinaacutedoroveacute) Vanilla planifolia - vaniliacuten (aroma)

Panax ginseng - (imunitniacute systeacutem) Zingiber officinale ndash gingerol (antioxidant)

Somatickaacute embryogeneze a suspenzniacute kultury

Využitiacute

umělaacute semena (enkapsulace somatickyacutech embryiacute)

využitiacute somatickeacute variability

klonoveacute množeniacute

sekundaacuterniacute metabolismus (suspenze)

kryoprezervace

Buněčnaacute suspenze = převedeme kalus do tekuteacuteho meacutedia

a provzdušňujeme (kontakt buněk a shluků buněk s meacutediem)

vznikaacute bipolaacuterniacute struktura obsahujiacuteciacute kořen a pryacutet

auxin (24-D)

umělaacute semena

Mutace RADIOMUTANT PROSPĚCH NEBO ZAacuteLUDNOST

SPONTAacuteNNIacute MUTACE využiacutevaacute člověk při šlechtěniacute odrůd spur typy (kompakt typy) jabloniacute absence trnů u ostružiniacuteku variabilita květenstviacute jiřinky proměnliveacute vznik plemen domaacuteciacutech zviacuteřat je založen na podchyceniacute spontaacutenniacutech mutaciacute ndash plemena psů

INDUKOVANEacute MUTACE působeniacute mutagenů

zaacuteměrneacute ndash ve vyacutezkumu ve šlechtěniacute rostlin (př odrůdy ječmene DIAMANT (zkraacuteceniacute steacutebel ndash nepoleacutehaacute) kompaktniacute růst a samosprašnost třešně změna barvy slupky u jabloně ndash sbquoredlsquo mutace)

nezaacuteměrneacute ndash důsledek použitiacute jadernyacutech a chemickyacutech zbraniacute ndash Yperit jaderneacute a jineacute katastrofy

1950 radiomutace chemomutace 1965 ječmen Diamant

Suspenzniacute kultury - SK KULTURA V TEKUTEacuteM MEacuteDIU ROSTE A DĚLIacute SE NĚKOLIKANAacuteSOBNĚ RYCHLEJI NEŽ KULTURA

NA PEVNEacuteM MEacuteDIU Využitiacute jako experimentaacutelniacute model produkce sekundaacuterniacutech metabolitů indukce somaklonaacutelniacute variability a naacutesledneacute selekce mikropropagace (pod kontrolou genetickeacute stability) pohyb kultury v bioreaktoru maacute za naacutesledek potlačeniacute apikaacutelniacute dominance tiacutem se stimuluje růst mnohonaacutesobnyacutech pryacutetů

Bioreaktory firmy VitroSys Inc Korea

ideaacutelniacute SK ndash rychlyacute růst karyologickaacute stabilita životnost buněk rentabilita

Minimaacutelně 103 ml buněk 110 suspenze v exponenciaacutelniacute faacutezi se doplniacute čerstvyacutem meacutediem Koncentrace sacharidů prodlužuje periodu růstu

Velkokapacitniacute kultivace rostlinnyacutech buněk v tekutyacutech meacutediiacutech sterilniacute prostřediacute obsahujiacuteciacute živiny a laacutetky potřebneacute pro růst a jeho regulaci vhodneacute pro kultivaci rostlinnyacutech mikrobiaacutelniacutech a živočišnyacutech buněk

Bioreaktor

Bioreaktory s tekutyacutem meacutediem explantaacutety jsou ponořeny v tekuteacutem meacutediu Bioreaktory s pravidelnyacutem zaplavovaacuteniacutem (temporary immersion bioreactor TIB) explantaacutety jsou pravidelně zaplavovaacuteny

Bioreaktor

httpwwwuebcasczcscontentzensenove-spagety

pěstujiacute se jen kořeny - zisk GINSENOSIDŮ za 3 měsiacutece v laboratoři stejnyacute zisk jako z rostlin ženšenu v přiacuterodě za 8 let obsah GINSENOSIDŮ je srovnatelnyacute s planě rostouciacutemi rostlinami množstviacutem i vzaacutejemnyacutem poměrem jednotlivyacutech laacutetek

v Koreji od r 2004

hairy-root systeacutem a sekundaacuterniacute metabolity

Sekundaacuterniacute metabolity - SM ROSTLINA BUNĚČNAacute KULTURA

EXTRAKT prověřovaacuteniacute oddělovaacuteniacute čištěniacute aktivniacute složky testovaacuteniacuteprověřovaacuteniacute

ČISTAacute BIOAKTIVNIacute LAacuteTKA

SM z buněčneacute kultury - extrakty ziacuteskaneacute za reprodukovatelnyacutech podmiacutenek spolehliveacute zdroje meacutedium - množstviacute čisteacuteho produktu

buňky rostou v tekuteacutem meacutediu -ne celaacute rostlina

produkt rostlina in vitro ()

rostlina ()

poměr

ginsenoside Panax ginseng 27 45 6 x

rosmarinic acid Coleus blumei 27 3 9 x

caffeic acid Vanilla planifolia 002 0005 4 x

shikonin Lithospermum erythrorhizon

20 15 135 x

ubiquinon-10 Nicotiana tabacum 0036 0003 12 x Heldman et al 2011

anti

oxy

dan

ty v sušině

bioreaktory

Sekundaacuterniacute metabolity - SM Rostlina Uacutečinnaacute laacutetka Uacutečinek

Artemisia annua pelyněk ročniacute artemisinin antimalarikum

Digitalis lanata naacuteprstniacutek vlnatyacute digoxin srdečniacute stimulants

Dubosia myoporoides lilkoviteacute atropin

scopolamin

očniacute přiacutepravky mořskaacute nemoc

Lithospermum

erythrorhizon

kamejka

rudokořennaacute

shikonin protinaacutedoroveacute

Panax ginseng ženšen pravyacute stimulant imunitniacuteho systeacutemu

Salix alba vrba biacutelaacute salicin antirevmatikum proti horečce

Taxus brevifolia tis

zaacutepadoamerickyacute

baccatin taxol protinaacutedoroveacute

Vinca rosea barviacutenek růžovyacute vinblastin

vinkristin

protinaacutedoroveacute alkaloidy

leukeacutemie

buněčnaacute kultura

Rostlina Extrakt Uacutečinek

Linum usitatissimum len setyacute olej

Mentha piperita maacuteta peprnaacute maacutetovyacute olej -

mentol

žaludečniacute potiacuteže

Mentha spicata maacuteta klasnataacute mentol žaludečniacute potiacuteže

Zingiber officinale zaacutezvor leacutekařskyacute gingerol antioxidant

informace z tradičniacute lidoveacute mediciacuteny - použitiacute extraktů a purifikace zdroje z nedotčeneacuteho ekosysteacutemu

kalusovaacute kultura buněčnaacute suspenze orgaacutenovaacute kultura - Artemisia Mentha - pryacutety

rostliny jsou vyacuterobci sekundaacuterniacutech metabolitů

cytostatikum

Sekundaacuterniacute metabolity - SM

Heldman et al 2011

VYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY

nezaacutevisleacute na geografickyacutech podmiacutenkaacutech

nezaacutevisleacute na sezoacutenniacutech podmiacutenkaacutech

v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

v přiacuterodě kontrolovaacuteno množstviacute in vitro ne

nepřetržitaacute dodaacutevka produktu

uniformniacute kvalita produktu

uniformniacute vyacutetěžnost produktu (průběžně)

vyacuteběr vhodneacute linie s vyššiacute produkciacute produktu

možnost tvorby novyacutech laacutetek nenormaacutelniacutech u donora

NEVYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY staacutele se vyviacutejejiacuteciacute

překaacutežky - pomalyacute růst

genetickaacute nestabilita

různorodost

niacutezkyacute obsah metabolitu

produkty vylučovaacuteniacute provozniacute - světelneacute podmiacutenky aseptickeacute podmiacutenky

STRATEGIE TVORBY SM vyacuteběr donorovyacutech rostlin - biochemickeacute testy

iniciace kalusů

vyacuteběr buněčneacute linie - rychle rostouciacute vysokaacute produkce

ciacutelenyacute metabolismus - kultivačniacute meacutedium (složeniacute koncentrace proporcionalita)

kultivačniacute podmiacutenky (teplota světlo pH) zvlaacuteštniacute požadavky (prekurzor simulace stresu - napadeniacute patogenem)

uvolněniacute do meacutedia

Embryokultury

Embryokultury = kultivace zralyacutech nebo nezralyacutech embryiacute in vitro

1904 Hannig - embrya u ředkve

1925 Laibach - aplikace v mezidruhoveacutem křiacuteženiacute r Linum sp

1945 Randolph - zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu u r Iris sp

1970 Kasha Kao - ziacuteskaacuteniacute haplodů u ječmene

Hordeum vulgare (zůstaacutevaacute) x Hordeum bulbosum (eliminace chromozoacutemů)

Zygotickaacute embrya vyacuteživa z endospermu (heterotrofniacute)

Embrya in vitro vyacuteživa z kultivačniacuteho meacutedia

In vitro oplodněniacute u člověka - 1978 pro neplodneacute paacutery

geneticky stabilniacute metoda

Embryokultury- in vitro

I Kultura semennyacutech embryiacute tj izolace plně vyvinutyacutech

bipolaacuterniacutech struktur obsahujiacuteciacutech kořenovyacute a stonkovyacute systeacutem

II Kultura proembryiacute tj izolace nezralyacutech zaacuterodků předchaacutezejiacuteciacutech

diferenciaci děloh

Embryogeneze zygotickeacuteho embrya (in vivo)

zygota (přiacuteprava na 1 děleniacute)

faacuteze pomaleacuteho vyacutevinu embrya po oplozeniacute

faacuteze rychleacuteho vyacutevinu růstu a diferenciace embrya

faacuteze dozraacutevaacuteniacute embrya

faacuteze přechodu embrya do dormance (ABA)

Embryokultury

1 překonaacuteniacute barieacuter vzdaacuteleneacuteho křiacuteženiacute (abortace hybridniacutech embryiacute sterility semen)

2 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu (viacutece generaciacute za rok)

3 řešeniacute jarovizačniacuteho staacutedia

4 primaacuterniacute explantaacutet pro dalšiacute kultury

5 eliminace inhibice kliacutečeniacute

6 studium mineraacutelniacute vyacuteživy

7 umělaacute semena

8 studium metabolickyacutech vztahů mezi embryem a endospermem embryem a dělohami

9 ziacuteskaacuteniacute haploidniacutech rostlin

Opylovaacuteniacute in vitro

Opylovaacuteniacute in situ

in vitro

Inkompatibilita rostlin

zaručuje stabilitu druhu

Barieacutery procesu opyleniacute a oplozeniacute

vnějšiacute (teplota vlhkost nedostatečnaacute vyacuteživa )

vnitřniacute (inkompatibilita samčiacute nebo samičiacute sterilita)

využitiacute v raacutemci šlechtěniacute rostlin k překonaacuteniacute prezygotickyacutech barieacuter vznik mezidruhovyacutech mezirodovyacutech hybridů

Barieacutery Technika překonaacuteniacute

Před oplodněniacutem selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute blizny pestiacuteku pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

rezistence vůči abiotickeacutemu stresu rezistence vůči škůdcům vyššiacute vyacutenos

přenos z jineacuteho druhu

EK využitiacute ve šlechtěniacute

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury HAPLOID rostlina s n počtem chromozomů menšiacute sterilniacute

1963 T Yamada a kol Tradescantia reflexa (haploidy)

1964 - 1966 S Guha SC Maheswari Datura diploidizace kolchicinem

1969 JP Nitsch a kol celeacute rostliny (tabaacutek)

1973 JP Nitsch Norrel mikrosporoveacute kultury

2000 šlechtitelskeacute programy polniacutech plodin (obiloviny řepka)

využiacutevajiacute haploidniacute kultury in vitro

Androgeneze prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Androgeneze - kultivace prašniacuteků pyl zrn mikrospor = samčiacute genotyp

Gynogeneze - kultivace neoplodněnyacutech vajiacuteček = samičiacute genotyp

Haploidie - spontaacutenniacute = haploidniacute partenogeneze (gynogeneze androgeneze) frekvence 10-6

- experimentaacutelniacute indukovanaacute

fyzikaacutelniacute faktory = UV γ-zaacuteřeniacute X-paprsky teplotniacute šoky

zaacutesahy do procesů opyleniacute a oplozeniacute (inaktivniacute pyl)

explantaacutetoveacute metody = prašniacutekoveacute a pyloveacute kultury kultivace semeniacuteků a vajiacuteček

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury Ontogeneze pylu

In vivo mikrosporogeneze

pylovaacute mateřskaacute buňka

meiosa

pyloveacute tetraacutedy

vyacutevoj mikrospory (1 pyl mitoacuteza)

In vitro vyacutevoj embryoidu

(vegetativniacute generativniacute buňka)

- přiacutemaacute embryogeneze

- nepřiacutemaacute embryogeneze

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

využitiacute haploidů (majiacute jen jednu sadu chromosomů)

segregace vloh na gametickeacute uacuterovni ndash homozygoacutetniacute stav (čisteacute linie v F2 generaci)

detekce recesivniacutech mutaciacute (fenotypickyacute projev)

trpasličiacute varieta ndash u okrasnyacutech rostlin

Dihaploidizace

n rostliny - sterilniacute

104 ndash 105 mikrospoacuterml meacutedia

Brassica sp

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Prašniacutekoveacute kultury

viacutece než 200 druhů (řepka ryacuteže kukuřice obiloviny)

20-60 dnů

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

vyacutevoj globulaacuterniacuteho embrya a naacutesledně haploidniacute rostliny přiacutemo z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory

z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory vznikaacute kalus rarr indukce organogeneze

TYPY ANDROGENEZE

vzaacutecně

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Solanaceae

Brassicaceae

Poaceae

prašniacuteky

Androgeneze

Indukovanaacute androgeneze ndash přiacuteklady

Beta vulgaris - homozygotniacute linie

Brassica napus - novaacute odrůda linie

Hordeum vulgare

Lycopersicon - novaacute odrůda

Nicotiana - noveacute odrůdy

Oryza - noveacute odrůdy

Pelargonium - trpasličiacute variety

Triticum ndash cv Florin Huapei

Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby Praha Vyacutezkumnyacute uacutestav obilnaacuteřskyacute Kroměřiacutež Vyacutezkumnyacute uacutestav olejnin Oseva

Gynogeneze kultury izolovanyacutech vajiacuteček

kultury izolovanyacutech semeniacuteků

kultury izolovanyacutech květenstviacute in vitro

haploidniacute rostliny

spontaacutenniacute dihaploidniacute rostliny

ječmen kukuřice moruše

slunečnice cibule

kultivace vajiacuteček Beta vulgaris Tomaszewska-Sowa 2010

327 haploids 458 diploids and 215 ndash mixoploids

x opyleniacute ozaacuteřenyacutem pylem

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

Polyploidizace in vitro

duplikace celeacuteho genomu až 70 všech krytosemennyacutech rostlin je polyploidniacutech (Masterson 1994) POLYPLOID metabolicky aktivnějšiacute a rozměrnějšiacute plodiny ktereacute jsou vhodneacute pro pěstovaacuteniacute a leacutepe se vyrovnaacutevajiacute se stresovyacutemi podmiacutenkami

kolchicin

oryzalin

trifluralin

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze protoplastů

1892 Klecker - 1 mechanickaacute izolace protoplastů Stratiotes aloides (řezan pilolistyacute) 1960 EC Cocking 1 enzymatickaacute izolace protoplastů Nicotiana sp 1978 G Melchers a kol 1 mezirodovyacute hybrid bdquopomatoldquo bdquotopatoldquo Solanum tuberosum x S lycopersicum (Lycopersicum esculentum)

httptheplanetfixerorg387new-vegetable-created-the-tomato-potato-plant

Protoplastoveacute kultury

= kultivace rostlinnyacutech buněk zbavenyacutech buněčneacute stěny

Protoplast = rostlinnaacute buňka bez buněčneacute stěny jejiacute povrch tvořiacute cytoplazmatickaacute membraacutena maacute kulovityacute tvar

Protoplastoveacute kultury - regenerace

Faktory ovlivňujiacuteciacute kultivaci a regeneraci

Hustota ( počet protoplastů v 1 ml)

Životnost ()

Podmiacutenky kultivace a meacutedium

bull Studium synteacutezy buněčneacute stěny vyacutevoj buňky fyziologie buňky a cytogenetiku

bull Studium hodnoceniacute uacutečinků farmak potravinovyacutech doplňků agrochemickyacutech laacutetek na rostlinnou

buňku

bull Studium transportu iontů a laacutetek přes cytoplasmatickou membraacutenu

bull Somatickaacute hybridizace (fuacuteze protoplastů)

bull Inkorporace exogenniacuteho genetickeacuteho materiaacutelu ndash organel cybridizace

bull Genoveacute transformace (cizorodaacute DNA z bakteriaacutelniacuteho plasmidu)

Protoplastoveacute kultury - fuacuteze

Využitiacute

kombinace znaků odlišnyacutech druhů a rodů ktereacute by nevznikly přirozenou cestou

jedinečneacute kombinace jadernyacutech a organelovyacutech genomů vytvaacuteřiacute noveacute genetickeacute zdroje

často jen - čaacutest chromozomů asymetrickeacute jaderneacute hybridy

chloroplasty

mitochondrie

chemickeacute fuacuteze - pomalejšiacute elektrofuacuteze - fuacutezanti po 10 min vyššiacute frekvence fuacutezantů

cytoplazmickeacute hybridy - cybridy

Charakterizace hybridů - morfologicky cytologicky molekulaacuterniacute analyacutezy

Přirozenaacute mezidruhovaacute hybridizace - vznik některyacutech kulturniacutech plodin

B oleracea + B campestris = Brassica napus Nicotiana sylvestris + N tomentosa = Nicotiana tabacum

cybridy nelze ziacuteskat klasickou hybridizaciacute (křiacuteženiacutem) ndash samčiacute pohlavniacute buňky (pyl zrna) nemajiacute plastidy a mitochondrie

V přiacuterodě blesky do půdy modifikace bakteriiacute

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

Přenos jaderneacute a cytoplazmatickeacute genetickeacute informace mezi rostlinnyacutemi druhy rody

- překonaacuteniacute sexuaacutelniacute inkompatibility

- přenos genů rezistence vůči virovyacutem houbovyacutem chorobaacutem

- přenos cytoplazmatickeacute samčiacute sterility

- přenos rezistence vůči stresům (teplotniacutem zasoleniacute)

- přenos rezistence vůči hmyziacutem škůdcům

(synteacuteza fytoalexinů)

- přenos genů pro synteacutezu zaacutesobniacutech proteinů vitamiacutenů

alkaloidů

plnokvětost

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

využitiacute pro fytoremediace

Brassica juncea Tlaspi caerulescens brukev siacutetinovitaacute peniacutezek modravyacute akumulace Pb akumulace Zn a Ni hybrid se zvyacutešenou rezistenciacute k Pb Zn a Ni rychlyacute naacuterůst

biomasy

Brassica napus Thlaspi caerulescens hybridi rostly na vysokeacutem obsahu Zn

Fuacuteze protoplastů rodu Brassica s planyacutemi druhy

Armoracia rusticana

Barbarea vulgaris

Camelina sativa

Capsella bursa pastoris

Diplotaxis catholica

Diplotaxis muralis

Diplotaxis harra

Eruca sativa

Lesquerella fendleri

Mathiola incana

Moricandia arvensis C4

Moricandia nitens C4

Raphanus sativus

Sinapis alba

Sinapis arvensis

Thlaspi perfoliatum

Thlaspi caerulescens

Genoveacute banky In vitro genoveacute banky

2397 vzorků 1249 odrůd Solanum tuberosum 450 teraploidniacutech křiacuteženců S tuberosum 266 dihaploidů 119 mezidruhovyacutech hybridů rodu Solanum 313 genotypů kulturniacutech genotypů 23 planyacutech druhů

Havliacutečkův Brod

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu rostlin

1 Uchovaacutevaacuteniacute semen ndash semenneacute banky (od 1 roku - hellip)

2 Uchovaacutevaacuteniacute vegetativniacutech orgaacutenů ndash hliacutezy cibule řiacutezky

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro Kraacutetkodobeacute - aktivně rostouciacute kultury (pravidelneacute pasaacuteže) - uchovaacuteniacute kultur v minimaacutelniacutem růstu nižšiacute teploty kultivace

Dlouhodobeacute u rostlin kde nejsou semena

- za velmi niacutezkyacutech teplot (-196oC) = kryobanka

Databaacuteze ndash přiacutestupneacute z celeacuteho světa

Špicberky

genobanka - wwwvurvcz part databases EVIGEZ

vyacuteznam v mediciacuteně

Zaacuteložniacute fond semena potravinaacuteřskyacutech plodin z celeacuteho světa

stane se zaacuteložniacutem fondem pro ostatniacutech 1400

semennyacutech bank po celeacutem světě

v Iraacuteku a v Afghaacutenistaacutenu byla podobnaacute zařiacutezeniacute za

vaacutelky zcela zničena

na Filipiacutenaacutech je v roce 2006 poškodila povodeň

semennaacute banka pro světoveacute plodiny je umiacutestěna v hoře

maacute vyztuženeacute stěny betonem a železem

třiacute komory o velikosti 27 kraacutet 10 metrů

teplota minus 18 oC (konzervace po stovky až tisiacutece let) httpwwwnorambczarkivBasisartikler---OversettelserIkke-

bruktnovinkyseedvault_eng

k 1172010 zde bylo uloženo 716 523 vzorků semen patřiacuteciacutech ke 4 205 druhům

českaacute banka uloženaacute v Praze-Ruzyni zaacuteloha na Slovensku

Špicberky

Uchovaacutevaacuteniacute genofonduv ČR

genofond odrůd meruněk broskvoniacute mandloniacute reacutevy vinneacute kdouloniacute lonicer rakytniacuteků a dřiacutenů

2400 položek

25 000 položek

5400 položek 2397

položek

4700 položek

2000 položek

2300 položek

Naacuterodniacute informačniacute systeacutem genetickyacutech zdrojů EVIGEZ httpwwwgenbankvurvczgeneticresources

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro

KRYOBANKA

prašniacuteky a pyl pletiva a orgaacuteny meristeacutemy

kalus

suspennzniacute somatickaacute kultury embrya

dlouhodobeacute skladovaacuteniacute

nižšiacute naacuteroky na uchovaacuteniacute

mezinaacuterodniacute vyacuteměna

nižšiacute podiacutel lidskeacute praacutece

potřeba menšiacuteho prostoru

uchovaacuteniacute genetickeacute stability

omezeniacute staacuternutiacute

ozdravenyacute materiaacutel

prodlouženeacute použitiacute pylu

uchovaacuteniacute vzaacutecnyacutech rostlin

apikaacutelniacute vrcholy

Biotechnologickaacute laboratoř Nestleacute - uchovaacutevaacute buněčneacute embryogenniacute linie kaacutevy kakaa a banaacutenů

Německaacute sbiacuterka mikroorganismů a buněčnyacutech kultur (DSMZ Braunschweig Německo) meristeacutemy 519 staryacutech kultivarů brambor ndash metoda mrazeniacute alginaacutetovyacutech perel

International Potato Centre (CIP Lima Peru) - 345 kultivarů brambor

INIBAP Leuven Belgie - 306 kultivarů banaacutenu (14 ze světoveacuteho počtu kultivarů)

Naacuterodniacute genobanka klonů NCGR USA - ročniacute naacuteklady

udržovaacuteniacute jedneacute položky v sadu (hrušně) 77 dolarů na skladovaacuteniacute in vitro 23 dolarů na kryoprezervaci 1 dolar (při počaacutetečniacute investici na kryometodu 50 dolarů za uchovaacutevanou jednotku)

Přiacuteklady komerčniacuteho využitiacute kryoprezervace meristeacutemů

Aplikace biotechnologiiacute ve šlechtěniacute rostlin

rostliny postraacutedajiacute schopnost aktivně se přesouvat z dosahu nepřiacuteznivyacutech vlivů rostliny vyvinuly adaptačniacute mechanismy pro překonaacuteniacute stresů a tiacutem přežitiacute v extreacutemniacutech podmiacutenkaacutech

Biotechnologie v zemědělstviacute ekologickeacute zemědělstviacute

VLIV ŠKŮDCŮ CHOROB A PLEVELŮ NA ZEMĚDĚLSKEacute PLODINY

1 sniacuteženiacute velikosti a vaacutehy zrna 2 ztraacuteta ve velikosti hliacutez a kořenů 3 zvyacutešeniacute obsahu vlhkosti 4 změny v chemickeacutem složeniacute zrna hliacutez a kořenů 5 odbarveniacute zrna a hliacutez - deformace 6 tvorba mykotoxinů patogeny 7 sniacuteženiacute kliacutečivosti 8 redukce krmiva

spotřeba vody - rezistence k suchu sniacutežiacute spotřebu uchovaacuteniacute vody rostlinou aplikace hnojiv chemickaacute kontrola škůdců

- studium abiotickeacuteho stresu

- zlepšeniacute ochrany rostlin vůči škůdcům

- ochrana životniacuteho prostřediacute

- zlepšeniacute kvality potravin

odstraněniacute hladu GMO fytoremediace

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

ohroženiacute klimatickyacutem suchem v ČR ndash nejrizikovějšiacute oblasti nižšiacute polohy na jižniacute a středniacute Moravě v prostoru mezi Prahou Uacutestiacutem nad Labem a Žatcem zaacutepadně od Pardubic

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

Rezistence k suchu - využitiacute vody

Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

vyacutevoj samčiacuteho gametofytu - spojen s expresiacute genů - 150 specifickyacutech genů spraacutevneacute načasovaacuteniacute

sporofyt gametofyt

2n 1n

rostlina pylovaacute zrnazaacuterodečnyacute vak

pohlavniacute rozmnožovaacuteniacute přiacuterodniacute vyacuteběr

pylzrna - exina (ovlivněna sporofytem) ochrana před UV laacutekaacuteniacute opylovačů - barva vůně komunikace s bliznou produkce alergenů

strategie rostlin zabraacuteněniacute samoopyleniacute

Biotechnologie v zemědělstviacute samčiacute gametofyt n TETRASPORE (TES) reg gen je vyžadovaacuten ke tvorbě přepaacutežek mezi produkty meioacutezy u mutanta všechna čtyři jaacutedra mikrospoacutery zůstaacutevajiacute ve stejneacute cytoplazmě polyploidniacute jedinci n GEMINI POLLEN 1 (GEM1) reg gen je vyžadovaacuten k orientaci mitotickeacuteho vřeteacutenka mutant tvořiacute dvě symetrickaacute jaacutedra typu vegetativniacuteho vede ke sterilitě n SIDECAR POLLEN (SCP) reg gen je vyžadovaacuten k děleniacute pylu prvniacute symetrickaacute pylovaacute mitoacuteza mutanta daacutevaacute dvě stejneacute buňky jedna extra- vegetativniacute (sterilniacute sidecar) a druhaacute regvegetativniacute a generativniacute mutace nevede ke sterilitě n QUARTET (QRT) reg gen je vyžadovaacuten k separaci pylovyacutech zrn u mutantů jsou stěny meiotickyacutech produktů pyloveacute mateřskeacute buňky fuacutezovaacuteny a zrna se uvolňujiacute v tetraacutedaacutech

samičiacute makrogametofyt n FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED (FIS) a FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) reg geny hrajiacute regulačniacute role ve vyacutevinu semene po oplozeniacute u mutantů se diploidniacute jaacutedra endospermu vyviacutejejiacute bez oplozeniacute pak atrofujiacute mutace neovlivňujiacute vaječnou buňku - procesy embryogeneze a vyacutevinu endospermu jsou odlišneacute n MEDEA (MEA) reg mutace genu způsobuje hypertrofii a zaacutenik embrya neniacute jasneacute na jakeacute uacuterovni se gen projevuje zaacuterodečnyacute vak endosperm nebo maternaacutelně imprintovanyacute embryonaacutelniacute gen

Biotechnologie ve šlechtěniacute rostlin Selektivniacute šlechtěniacute rostlin - přiacuterodniacute genetickeacute diverzity rostlin Techniky překonaacuteniacute barieacuter šlechtěniacute

Barieacutery Technika překonaacuteniacute Před oplodněniacutem

selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute pestiacuteku

pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony

pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro

selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů

odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute

abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry

sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

vyacutevoj semen

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

Škůdci v historii naacutelety sarančat (Staryacute zaacutekon)

ochrana saze tabaacutek

začaacutetek 19 stol - siacutera na houboveacute patogeny 1939 objev DDT uacutečinek na hmyz teorie bdquohmyz se může staacutet rezistentniacuteldquo 1948 Nobelova cena P Muumlller

50 leacuteta 20 st - herbicidy - postřiky na plevele ( rezistence na herbicid) 1972 zaacutekaz DDT (vyacutejimka - boj s malaacuteriiacute v Africe - naacutevrat DDT)

škůdce - hmyz hliacutestice 1861 - v Americe Iowa Nebraska 1880 1 pesticid v S Americe arzeacutenem bdquoParis greenldquo

S rostouciacute intenzitou pěstovaacuteniacute roste hospodaacuteřskyacute vyacuteznam škodlivyacutech organismů objem škod se zvyšuje staacutele přibyacutevajiacute noveacute druhy škodlivyacutech organismů zavaacutedějiacute se staacutele noveacute prostředky

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin - hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy

1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho

obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

ROS Reactive oxygen species reaktivniacute formy kysliacuteku SAR Systemic acquired resistance systeacutemově ziacuteskanaacute rezistence = neinfikovaneacute buňky začiacutenajiacute s přiacutepravou na atak patogena

napadeneacute rostliny uvolňujiacute signaacutelniacute molekuly (těkaveacute laacutetky - druhově specifickeacute) a varujiacute okolniacute rostliny ještě před napadeniacutem hmyzem

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin -hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy 1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

produkujiacute u různyacutech rostlin různě - sekundaacuterniacute metabolity - odstrašeniacute nebo zničeniacute patogena - proteiny inhibujiacuteciacute aktivitu zažiacutevaciacutech enzymů hmyzu - enzymy degradujiacuteciacute buněčnou stěnu hub (chitinaacutezy) - proteiny inhibujiacuteciacute překlad proteinů u škůdce - antiviroveacute složky degradujiacuteciacute virovou RNA blokujiacute vstup do buňky zastavujiacute replikaci

geny ktereacute bdquoSARldquo zapiacutenajiacute zvyšujiacute rezistenci rostliny

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům - již v čaacutesti fytotatologie

Co je plevel soutěžiacute s plodinou o živiny světlo a prostor intenziacutevně roste podiacuteliacute se na šiacuteřeniacute chorob a škůdců

lat herba - rostlina řeč cidoacute - ničiacutem

Vznik rezistence plevelů vůči některyacutem herbicidniacutem laacutetkaacutem = reakce plevelnyacutech druhů na podmiacutenky současneacuteho pěstovaacuteniacute rostlin = dlouhodobeacute působeniacute herbicidů

Vyacutevoj plevelů na zemědělskeacute půdě v naacutevaznosti na skladbu pěstovanyacutech plodin Vznik rezistence plevelů vůči herbicidům Problematika invaziacute a expanziacute plevelů

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům

Rezistenci vůči herbicidům způsobujiacute biochemickeacute fyziologickeacute změny nebo morfologickeacute odlišnosti ktereacute ovlivňujiacute přiacutejem herbicidů rostlinou

- degradujiacute herbicid

- měniacute jeho biochemickou funkci v rostlině

- pozměňujiacute miacutesto na ktereacute herbicid v rostlině působiacute

Rezistence rostlin vůči herbicidům dědičnaacute schopnost odolaacutevat takoveacute daacutevce herbicidů při ktereacute by za normaacutelniacutech okolnostiacute byla populace potlačena

směr pro šlechtěniacute

Aplikace rostlinnyacutech biotechnologiiacute v životniacutem

prostřediacute

takto nebo takto

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Těžba a zpracovaacuteniacute surovin(těžkeacute kovy- Cd Pb prach) Průmyslovaacute vyacuteroba (barviva)

Skladovaacuteniacute (haldy kaliště sklaacutedky) Zemědělstviacute (pesticidy herbicidy)

Domaacuteciacute odpad (leacutečiva detergenty praciacute prostředky)

čin

no

st č

lově

ka

půda voda ovzdušiacute

znečištěniacute

degradace organismy produkujiacuteciacute laacutetky (enzymy) pro

ciacutelenyacute rozklad

organismy snižujiacuteciacute toxicitu toxickeacute laacutetky metylaciacute dehalogenace hydroxylace hydrolyacuteza deaminacehellip

substraacutet je zdrojem C a energie

dekontaminace

+ katastrofy Černobyl vaacutelečneacute konflikty

remediace = navraacuteceniacute k původniacutemu stavu

Biodegradace všechny přirozeneacute procesy ktereacute jsou uskutečňovaacuteny bakteriemi a jinyacutemi mikroorganizmy nebo vyššiacutemi organismy ktereacute vedou k destrukci organickyacutech molekul = organickyacute substraacutet je přeměňovaacuten až na CO2 Bioremediace (bakterie houby)

spočiacutevaacute v akceleraci přirozenyacutech biodegradačniacutech procesů nebo v ciacuteleneacute biodegradace - vede k ozdraveniacute kontaminovaneacuteho prostřediacute - detoxifikace měniacute se na netoxickeacute = neškodneacute laacutetky - aplikaciacute mikroorganismů

Fytoremediace (rostliny) niacutezkaacute cena

využitiacute rostlin k odstraněniacute toxickeacute zaacutetěže (těžkeacute kovy) řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny Zooremediace (zviacuteřata)

zpracovaacuteniacute odpadů pomociacute zviacuteřat bezobratliacute - perlorodky měkkyacuteši

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

nevyacutehody pomalaacute viacutece než 2 roky maleacute rozměry vhodnyacutech rostlin maacutelo druhů vhodnyacutech rostlin neniacute 100 probleacutem s rostlinnyacutem odpadem - potřeba zvlaacuteštniacutech sklaacutedek spadeneacute listiacute

- řiacutezeneacute spalovaacuteniacute

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacute len slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

vyacutehody mineralizace organickyacutech sloučenin niacutezkeacute naacuteklady pasiacutevniacute metoda bez transportu kontaminovaneacute půdy energie ze slunečniacuteho zaacuteřeniacute nepoškozuje okoliacute - sniacuteženiacute prašnosti

estetickyacute přiacutenos etickyacute uacutečinek (veřejnosti přijatelnyacute)

2005 cca 450 rostlinnyacutech druhů - tzv bdquohyperakumulaacutetoryldquo 100 x vyššiacute akumulace než u ostatniacutech rostlin

teorie vzniku - obrana vůči hmyzu - hmyz preferuje

niacutezkeacute koncentrace kovu

Thlaspi careulescens

X bagrovaacuteniacute kontaminovaneacute zeminy transport zeminy dekontaminace

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute přiacutejem kořeny - z půdy přiacutejem nadzemniacute čaacutestiacute rostliny - vyacutefukoveacute plyny

akumuluje

degraduje

detoxifikuje

roste na kontaminovaneacute půdě

produkuje velkeacute množstviacute biomasy

tolerantniacute k salinitě a jinyacutem toxickyacutem podmiacutenkaacutem

poskytuje ekonomickeacute hodnoty - textilniacute vlaacutekna (len konopiacute)

GMO - gen fytovolatizace - bakteriaacutelniacute geny transformovaacuteny do rostlin transgeny merA a merB fytoextrakce - gen gsh1 a gsh2 z E coli do Brassica juncea

potenciaacutel je v GMO rostlinaacutech

Laboratoř rostlinnyacutech biotechnologiiacute Společnaacute laboratoř UacuteEB AV ČR vvi A VUacuteRV vvi Akademie věd Českeacute Republiky Mendelova univerzita v Brně Uacutestav experimentaacutelniacute botaniky AV ČR Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby v Praze Metoda použita na čištěniacute uranem a radiem znečištěneacute vody v Mydlovarech - kořenovaacute čistiacuterna

ideaacutelniacute rostlina

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

proces substraacutet ciacutel rostlina

fytoextrakce fytoakumulace

odstraněniacute toxickyacutech laacutetek z půdy a vody - akumulaciacute rychle rostouciacute rostlinou (zůstaacutevaacute v rostlině)

půda sedimenty kaly odpadniacute vody

toxickeacute kovy radionuklidy

Thlaspi sp Brassica sp

fytostabilizace ciacuteleneacute pěstovaacuteniacute tolerantniacutech druhů zamezeniacute eroziacute

půda haldy odkaliště těžkeacute kovy dlouheacute a bohateacute kořeny

fytovolatizace odstraněniacute Hg pomociacute genu koacutedujiacuteciacuteho reduktaacutezu Hg2+ na Hg0

a uvolněniacute do ovzdušiacute

půdy sedimenty odkaliště průmysloveacute a zemědělskeacute odpadniacute vody

kovy - Se Hg chlorovanaacute rozpouštědla

stromy traacutevy Brassica sp

fytodegradace degradace kontaminantů rostlinou na netoxickeacute laacutetky

půdy sedimenty odkaliště odpadniacute vody

ropneacute laacutetky pesticidy detergenty

stromy traacutevy

rhizofiltrace odstraněniacute pomociacute rostlinnyacutech kořenů

povrchoveacute vody odpadniacute vody

těžkeacute kovy - Co Cu Cr Mn Ni radionuklidy

Brassica sp Helianthus vodniacute rostliny hydroponie

superrostliny

niacutezkeacute naacuteklady

kořenovaacute čistička = umělyacute mokřad oddělenyacute od okoliacute nepropustnou foacuteliiacute využiacutevaacute samočisticiacutech procesů probiacutehajiacuteciacutech v propustneacutem půdniacutem prostřediacute za spoluuacutečasti rostlin čištěniacute odpadniacutech vod z domaacutecnostiacute sklaacutedek a některyacutech průmyslovyacutech provozů

Rhizofiltrace

httpwwwnemcoviceczcontentviewfull3607

rostliny s vysokyacutemi

naacuteroky na vyacuteživu

+

bakterie

může zapaacutechat

5x - 10 x nižšiacute naacuteklady

Člověk čistiacute odpadniacute vodu za pomoci zařiacutezeniacute

ale přiacuteroda to zvlaacutedaacute bez přiacutestrojů a mnohem levněji

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute niacutezkeacute naacuteklady

rostlina chemickaacute sloučenina

pšenice 24 -D MCPA jako zdroj uhliacuteku

kukuřice atrazin degradace atrazinu mikroorganismy rhizosfeacutery

fazole diazinon parathion mineralizace v rhizosfeacuteře

luštěniny nafta

Kučerovaacute et al 1999 Chemickeacute listy

přiacutejem - velikost kořenoveacuteho systeacutemu přiacutestupnost pro rostlinu např chelaacutety

transport rostlinou - apoplast (difuacuteziacute)

symplast (specifickeacute přenašeče)

miacutesto uskladněniacute hustota rostlin v porostu

zaacutevažnějšiacute ekologickyacute a toxikologickyacute vyacuteznam přibližně 16 prvků (Fe Mo Mn Zn NiCo Cu V W Cr Hg Pb Cd Sb Ag a U)

Budoucnost fytoremediaciacute niacutezkeacute naacuteklady

Fytoremediace v praxi

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Ural 1953 odstraněniacute těžkyacutech kovů

Amana Iowa hybridniacute topoly atrazin odstraněna čaacutest až 20

Beaverton Kreton

hybridniacute topoly

organickeacute laacutetky kovy

a amonneacute sloučeniny

celkoveacute vyčistěniacute oblasti

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Fukušima 113 2011 slunečnice radioaktivniacute cesium dekontaminace půdy

Černobyl 2641986 slunečnice jabloně

cesium stroncium dekontaminace půdy povrchoveacute vody

paacutes 30 km - likvidace radioaktivniacutech rostlin

nebudou spaacuteleny rozloženy a kompostovaacuteny - speciaacutelniacute bakterie

slunečnice spotřebovaacutevajiacute z půdy drasliacutek kteryacute patřiacute mezi alkalickeacute kovy stejně jako cesium drasliacutek neniacute v půdě přiacutetomen květiny využijiacute praacutevě druhyacute prvek - Cs

Biotechnologie v ŽP niacutezkeacute naacuteklady

fytomining - fytodobyacutevaacuteniacute fytodolovaacuteniacute

ziacuteskaacutevaacuteniacute kovů z rostlin kde klasickaacute těžba je nevyacutehodnaacute rostliny - bdquotěžaři vzaacutecnyacutech kovůldquo a polokovů AuTh Co U Cd Ni Cu Mn

v rostlinaacutech hyperakumulaacutetorech je akumulace prvku sušina rostliny jako -ldquobio-rudaldquo

vyacutehody

- obsah kovu v bdquobio-ruděldquo je vyššiacute než v běžneacute rudě

- meacuteně skladovatelneacuteho miacutesta

- zelenaacute technologie jako alternativa

fytomining Ni pomociacute Alyssum bertolonii

Robinson et al 1997 The nickel hyperaccumulator plant Alyssum bertolonii as a potential agent for phytoremediation and phytomining of

nickel Journal of Geochemical Exploration59(2)75-86

zlatonosneacute rostliny

zlataacute jablka

zlateacute kapradiacute

hledaacuteniacute nalezišť

technologie budoucnosti

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute bioplasty z biomasy (škroby tuky) nahrazujiacute fosilniacute zdroje vyacutehodou je biodegradace biopaliva rostlinnyacute materiaacutel a řasy bioethanol GMO rezistentniacute rostliny vůči postřikům hmyziacutem škůdcům transfer genů pro symbiotickou fixaci dusiacuteku z luštěnin do dalšiacutech plodin přenos genů z bdquoC4ldquo do bdquoC3ldquo rostlin pro dosaženiacute uacutečinnějšiacute fotosynteacutezy (ryacuteže)

Transgenoziacute se přenaacutešiacute přirozeneacute geny vznikleacute evoluciacute z jednoho organismu do druheacuteho kteryacute se s daacutercem genu obvykle

nemůže křiacutežit pouze dokaacuteže přenosy mezi vyacutevojově ještě vzdaacutelenějšiacutemi organismy

Geny použiacutevaneacute při transgenosi jsou braacuteny z přiacuterody např gen v soacuteji tolerujiacuteciacute glyfosaacutet - je z bakterie rodu Agrobacterium

Klasičtiacute šlechtiteleacute takto pracujiacute daacutevno např smiacutechali geny pšenice a žita

GMO

Transgenoze ndash vnaacutešeniacute znaacutemyacutech jednotlivyacutech genů do dědičneacuteho

zaacutekladu (poprveacute 1978)

Pro přenos - Agrobacterium tumefaciens A rhizogenes E coli

httpblogscassuffolkeduiglesias20140424gmos

GMO bez obalu httpwwwbezpecnostpotravinczUserFilespublikaceGMO_web_1pdf

GMO - transgenniacute rostliny CARTAGENSKYacute PROTOKOL o biologickeacute bezpečnosti 29 1 2000 Montreal (OSN ndash program pro životniacute prostřediacute UNEP) platnost 11 9 2003

ČR podepsala 24 52000 (gmovschtcz) nyniacute 160 staacutetů

opatřeniacute ve staacutetech ktereacute se připojiacute k projektu (dovoz vyacutevoz transport)

vzdělaacuteniacute odborniacuteků a informovaacuteniacute veřejnosti

vytvořeniacute noveacute legislativy GMO (wwwenvcz )

spolupraacutece při vyacuteměně zkušenostiacute

Svět 2010 - viacutece než 150 mil ha viacutece než 20 zemiacute

pro vegetačniacute čaacutesti

nebo plody

CIacuteL PROTOKOLU - zajistit ochranu a bezpečnost při zachaacutezeniacute využiacutevaacuteniacute a přenosu živyacutech modifikovanyacutech organismů ktereacute jsou vyacutesledkem moderniacutech biotechnologiiacute a ktereacute mohou miacutet nepřiacuteznivyacute vliv na zachovaacutevaacuteniacute biologickeacute rozmanitosti a zdraviacute člověka Protokol je zaměřen předevšiacutem na převoz GMO přes hranice staacutetů a maacute ochraňovat zejmeacutena staacutety kteryacutem dosud chybiacute vlastniacute vnitrostaacutetniacute praacutevniacute předpisy v oblasti GMO

GMO - transgenniacute rostliny historie

EVROPA

SRN - Max-Planck-Institut

Belgie - Universita Ghent

Švyacutecarsko- ETH Zurych

ČR - Biofyzikaacutelniacute uacutestav Brno (Agrobacterium jako vhodnyacute přenašeč genů)

ČR - UacuteEB ČSAV Českeacute Budějovice (metody modifikaciacute)

2010 1 transgenniacute hraacutech v Evropě (ČR Agritec Šumperk)

transgenniacute len - oleje

FYTOPATOLOGIE IN VITRO

Fytopatologie in vitro

in vitro selekce = kultivace buněk se selekčniacutem činitelem (fitraacutet inokulum toxin)

ndash přežiacutevajiacuteciacute buňky jsou regenerovaacuteny do rostlin resistentniacuteho fenotypu

Studium interakce rostlina x patogen v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

Druh Patogen Typ biologickeacuteho testu Ciacutel

Coffea arabica Colletotrichum kahawae růst houby na kalusech vyacuteběr rezistentniacutech genotypů

Vitis vinifera Elsinoe ampelina růst kalusu na meacutediu s patogenem testy rezistence

Lycopersicon aes Alternaria alternata testy na izollistech in vitro hodnoceniacute toxicity

Pinus taeda Cronartium quercuum embryokultury s houbami vyacuteběr rezistentniacutech embryiacute

Triticum aestivum Microdochium nivale listy semenaacutečky in vitro vyacuteběr rezistentniacutech kultivarů

ozdravovaacuteniacute rostlin

klonoveacute množeniacute rezistentniacutech taxonů

Page 12: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,

ZELENAacute BIOTECHNOLOGIE (zemědělstviacute a potravinaacuteřstviacute)

bdquoRostlinneacute biotechnologieldquo nejstaršiacute - moderniacute šlechtěniacute rostlin = ciacuteleně se zvyšujiacute odolnosti vůči hmyzu pliacutesniacutem virům a herbicidům - genoveacute techniky = přenos určityacutech genů z jednoho druhu na jinyacute umožňujiacute vyacutevoj odolnosti vůči hellip - využitiacute bakteriiacute ke zvyacutešeneacutemu růstu rostlin

- biomonitoring = využitiacute rostlin jako indikaacutetorů znečištěniacute půdy (kovy) - fytomining

Rostlinneacute biotechnologie

Kde by lideacute byli bez rostlin

Historie rostlin čas před proces vyacuteznam

45 miliardy let tvorba země nemožnyacute život

39 oceaacuteny voda je předpokladem pro uhliacutek-založenyacute život

35 nejstaršiacute cyanobacteria efektivnějšiacute fotosynteacuteza- rychlejšiacute růst O2

24 kysliacutek v atmosfeacuteře aerobniacute org postupně převažujiacute nad aerobniacutemi

21 endosymbioacuteza mezi cyanobacterium a eukaryotniacutem hostitelem prvniacute fotosyntetizujiacuteciacute eukaryotickyacute org -

jednobuněčnaacute řasa

16 mnohobuněčneacute řasy zeleneacute a červeneacute řasy

13 v atmosfeacuteře 3 O2 dominujiacute aerobniacute org nad aerobniacutemi

1 zvyšujiacuteciacute se počet mořskyacutech řas zvyacutešeniacute atmosfeacuterickeacuteho 02

750 milioacutenů mnohobuněčneacute zeleneacute řasy začaacutetek buněčneacute specializace

550 v atmosfeacuteře 12 O2

500 prvniacute suchozemskeacute rostliny eukaryotickaacute kolonizace země

470 prvniacute spory jaterniacutekům podobneacute rostliny

428 Cooksonia 2-3 cm velkeacute steacutelka Bryophyta s dominantniacute haploidniacute generaciacute

ceacutevnateacute rostliny bez semen- mechy přesličky kapradiny převažuje 2n generace

360 nejstaršiacute fosilniacute nahosemenneacute

140 nejstaršiacute krytosemenneacute

85 nejstaršiacute obiloviny

68 nejstaršiacute luštěniny adaptace na deficit N2

11 tisiacutec let domestifikace rostlin vliv člověka na rostliny

500 let globalizace zemědělskyacutech plodin světoveacute rozšiacuteřeniacute domestifikovanyacutech rostlin

300 člověkem prvniacute vyrobeneacute hybridniacute rostliny zaacuteměrneacute vytvaacuteřeniacute novyacutech druhů pro člověka

100 začaacutetek vědeckeacuteho šlechtěniacute rostlin manipulace s genomem a fenotypem rostlin

30 prvniacute transgenniacute rostlina novyacute gen do rostlinneacuteho genomu

20 prvniacute schvaacutelenaacute GMO rostlina - potravina rajče cv FLAVR SAVR Murphy 2011

6000 pnl produkce piva fermentaciacute (kvašeniacutem) Babyloacuteňaneacute Sumeroveacute

4000 pnl využitiacute kvasinek ve vyacuterobě piva a viacutena v Egyptě a Čiacuteně (znaacutem ječmen)

1675 Leeuwenhoek pozoroval bakterie

1860 Koch - rozvoj mikrobiologie

1857 Pasteur demonstrace fermentace - otec biotechnologiiacute

1877 Koch vypracoval techniky izolace a barveniacute bakteriiacute

1919 Ereky zavedeniacute termiacutenu biotechnologie

1935 Fleming objev peniciliacutenu - zavedeniacute sterilizace

1953 Watson a Crick popis struktury DNA

1975 Kohler a Milstein - produkce monoklonaacutelniacutech protilaacutetek

1978 produkce 1 lidskeacuteho proteinu v buňce firmou Genntech (USA) = inzuliacuten 1 praktickeacute využitiacute

1980 zavedeniacute metod rekombinantniacute DNA produkce inzuliacutenu v E coli

1994 schvaacuteleniacute prvniacute geneticky modifikovaneacute potraviny ndash rajče

1996 klonovaacuteniacute ovce Dolly Wilmuth a kol

Biotechnologie - historie

vyacuteroba jiacutedla a naacutepojů procesy vyviacutejeny za nesterilniacutech podmiacutenek zavedeniacute sterilniacutech podmiacutenek do biotechnologickyacutech procesů aplikace genetiky a technologie rekombinantniacute DNA

přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

nevyacutehoda - nekontrolovaneacute

zavedeniacute lidskeacuteho genu určujiacuteciacuteho produkci specifickeacute biacutelkoviny (inzuliacutenu) do bakterie pomociacute plazmidu - po zabudovaacuteniacute do genetickeacuteho aparaacutetu hostitelskeacute buňky je bakterie schopna produkovat AMK v přesně daneacutem pořadiacute a syntetizovat

lidskyacute inzuliacuten

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve

velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 11 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1843 superfosfaacutet hellip intenzivniacute hnojeniacute v zemědělstviacute

1849 Darwin - vznik druhů přirozenou selekciacute (cesta kolem světa Galapaacutegy)

1846-1850 krize monokultur - bdquobramborovyacuteldquo hladomor v Irsku (Phytophtora infestans)

1857 Pasteur - fermentace - otec biotechnologiiacute

1866 Mendel - publikuje svoje zaacutekony (znovu objeveny 1900)

1869 Miescher - objevuje DNA

1902 Haberlant - totipotence rostlinneacute buňky

1910 odrůda brambor Bintje (Holandsko) - odrůda roku 2012

1919 Ing Karl (Kaacuteroly) Ereky - termiacuten biotechnologie

migrace do Ameriky

technologie přeměny surovin na využitelneacute produkty pomociacute živyacutech organismů

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho

průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 10 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1923 Burbank USA - křiacuteženci bramboru odrůda

bdquoRUSSET BURBANKldquo (skladovatelnost hliacutez)

1933 prvniacute hybridi kukuřice

1941 Beadle a Tatum - hypoteacuteza 1 gen-1 enzym

1941 24-D (syntetickyacute auxin) jako prvyacute moderniacute herbicid

1950 1 radiomutanti chemomutanti řepka pšenice ryacuteže biacuteleacute fazole

ječmen (1965 - DIAMANT)

1960 ndash1970 ldquozelenaacute revoluceldquo zakrsliacute hybridi - Norman Borlaug

1970 NC miacuteru

1969 Triticale (Triticosecale tritikale žitovec - hybridniacute obilnina Triticum x Secale)

REKOMBINANTNIacute TECHNIKY

1985 prvniacute GM rostliny na poliacutech v UK

1995 odrůda bdquoBT NEW LEAF RUSSET BURBANKldquo

1998 zlataacute ryacuteže

2010 1 GMO hraacutech (Agritec)

I GMO odrůda brambor - odolnaacute vůči mandelince bramboroveacute vložen gen z bakteacuterie Bacillus thuringiensis produkujiacuteciacute protein narušujiacuteciacute vnitřnosti mandelinky

Mexiko 1943 import frac12 spotřeby pšenice 1944 plnaacute soběstačnost pšenice 1964 export 05 milionů tun pšenice

httpenwikipediaorgwikiNorman_Borlaug

Budoucnost biotechnologiiacute v ČR bdquoBiotechnologie jsou celosvětově nejprogresivnějšiacutech oblast vyacutezkumu vyacutevoje a podnikaacuteniacuteldquo

produkce viacutena - 1 psanaacute zmiacutenka r 276 (na Paacutelavě řiacutemskeacute legie) produkce piva - 11 stoletiacute syacutery destilaacutety 14 stoletiacute 1356 - kraacutelovskyacute dekret o produkci viacutena v Českyacutech zemiacutech alchymie (Rudolf II) 1518 - založeniacute Paliacuterny U Zeleneacuteho stromu v Prostějově 1887 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu pivovarskeacuteho a sladařskeacuteho v Praze 1949 - průmyslovaacute produkce peniciliacutenu v Roztokaacutech u Prahy 1966 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu antibiotik a transformaciacute (již neexistuje)

wwwbiotrincz wwwgate2biotechcz

AV ČR Univerzity Vyacutezkumneacute uacutestavy Šlechtitelskeacute stanice

kaacutemen mudrců elixiacuter mlaacutediacute přeměna hmoty

glukosa + kvasinky etanol + oxid uhličityacute přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces carlsbergensis

Biotechnologie v ČR

18 prosince 2008 bylo založeno sdruženiacute CzechBio - asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR zspo 1 asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR spojuje třicet soukromyacutech biotechnologickyacutech společnostiacute a akademickyacutech uacutestavů podpora spolupraacutece komerčniacute sfeacutery s vědeckou httpwwwczechbioorgcs

projekt Algatech ndash Centrum řasovyacutech biotechnologiiacute vyacutevoj novyacutech kultivačniacute zařiacutezeniacute a postupů na zpracovaacuteniacute řasoveacute biomasy pro vyacuterobu biopaliv krmiv potravniacutech doplňků a cennyacutech laacutetek Mikrobiologickyacute uacutestav Akademie věd ČR Třeboň

Centrum regionu Hanaacute pro biotechnologickyacute a zemědělskyacute vyacutezkum

UPOL + VUacuteRV + UacuteEB AV ČR - vytvaacuteřeniacute zemědělskyacutech plodin s vyššiacutemi vyacutenosy toleranciacute vůči nepřiacuteznivyacutem vlivům vnějšiacuteho prostřediacute

- transformace rostlin ječmene a dalšiacutech obilnin

wwwcr-hanaeu

Biotechnologie v ČR

wwwalgaczcscs-algatechhtml

Českaacute technologickaacute platforma rostlinnyacutech biotechnologiiacute ndash rozvoj biotechnologiiacute v ČR = Rostliny pro budoucnost (ČTP RB) - nepotravinaacuteřskeacute využitiacute rostlin vedlejšiacutech produktů odpadů - vyacutevoj novyacutech odrůd kulturniacutech rostlin - uplatněniacute rostlinnyacutech biotechnologiiacute v raacutemci životniacuteho prostřediacute

httpwwwczechinvestorgceska-technologicka-platforma -rostlinnych-biotechnologii

selekce - vyacuteběr nejlepšiacutech rostlin křiacuteženiacute GMO

Přiacuteklad šlechtěniacute - novyacute typ ryacuteže - maleacute vzpřiacutemeneacute listoveacute čepele - hodně odnožiacute - žaacutedneacute neproduktivniacute odnože - silneacute steacuteblo - C3 ryacuteže na C4 ryacuteže

Rostlinneacute biotechnologie Co pěstujeme na poliacutech v zahradaacutech a v sadech a co naacutesledně jiacuteme prošlo za několik tisiacuteciletiacute proměnou Prvniacute změna - předkoveacute opustili životniacute styl lovců a sběračů a stali se pěstiteli zemědělskyacutech plodina a chovateli hospodaacuteřskyacutech zviacuteřat

zlataacute ryacuteže geny z 5 různyacutech druhů

- Phaseolus vulgaris pro ferritin - Aspergilus fumigatus - ferritin - ryacuteže Basmati - ferritin - Narcissus pseudonarcissus synteacuteza karotenu - Erwinia uredovora - synteacuteza karotenu

bdquozlataacute ryacuteželdquo tvořiacute zvyacutešeneacute množstviacute provitaminu A zabraacuteniacute hladu zachraacuteniacute zrak vznikla na požadavek humanitaacuterniacute organizace bdquoHumanitarien Rice Boardldquo kteraacute se snažiacute řešit probleacutemy s nedostatkem potravy v nejchudšiacutech čaacutestech našiacute planety

švyacutecarskyacute genetik Ingo Portykus a německyacute genetik Peter Bayer

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute

ekologickaacute udržitelnost kvantita a kvalita zaacutekladniacutech zdrojů zemědělstviacute ekonomickaacute udržitelnost zemědělskaacute produkce (uacuteroda na ha) a zisk cena za produkty sociaacutelniacute (společenskaacute) udržitelnost kvalita života zemědělců vysokaacute kvalita potravin bez rizika na zdraviacute a prostřediacute

Co je udržitelneacute zemědělstviacute Mohou biotechnologie pomaacutehat

snižovaacuteniacute kvality zaacutekladniacutech zdrojů vyčerpaacuteniacute zaacutekladniacutech zdrojů

Vyhliacutedky na budoucnost

naacuterůst počtu obyvatel

zvyacutešeniacute životniacuteho standardu

pokles plochy orneacute půdy

pokles pracovniacuteků v zemědělstviacute

naacuterůst cen potravin

Naacuterůst zemědělskeacute produkce s využitiacutem biotechnologiiacute

šlechtěniacute (rezistence k chorobaacutem)

noveacute plodiny

nutričniacute kvalita plodin

ochrana rostlin

bezpečnost produktů

hybnou silou biotechnologiiacute je naacuterůst obyvatel Kolik lidiacute by mělo žiacutet na planetě Zemi

Rostlinneacute biotechnologie

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute mutace s naacuteslednou selekciacute odchylek noveacute techniky EK ciacutelenyacute přenos genů

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

prvniacute zemědělci

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) BT prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute MUTACE s naacuteslednou selekciacute odchylek - odrůda ječmene bdquoDIAMANTldquo

noveacute TECHNIKY EK VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

ciacutelenyacute přenos genů GMO

CO BUDE DAacuteL zvyšovat vyacutenosy BUDE VĚTŠINA PĚSTOVANYacuteCH ZEMĚDĚLSKYacuteCH PLODIN TRANSGENNIacute

vznik zemědělstviacute

1954

jsme moudřejšiacute

maacuteme většiacute možnosti

Počaacutetek EK 1902 Gottlieb Haberland segmenty listů 1904 Hannig zralaacute embrya

Potenciaacutel rostlinneacute buňky a podstata

explantaacutetovyacutech kultur rostlin

metody a jejich aplikace

ve šlechtěniacute rostlin

EK - historie

TOTIPOTENCE rostlinneacute buňky genetickeacute informace - jaacutedro plastidy mitochondrie

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

daacute se přeneacutest v raacutemci šlechtěniacute

blok totipotence

vyjaacutedřeniacute totipotence 1 dediferenciace buňky do buněčneacuteho cyklu a pokračovaacuteniacute v děleniacute 2 rediferenciace - tvorba organickyacutech struktur - přiacutemaacute regenerace tvorba kalusu - nepřiacutemaacute regenerace

vliv růstovyacutech regulaacutetorů

Rostlinneacute biotechnologie prvniacute generace - od explantaacutetovyacutech kultur po GMO

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute rostlin - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

Explantaacutet = aseptickaacute kultivace izolovanyacutech čaacutestiacute rostlin za umělyacutech podmiacutenek

EXPLANTAacuteTOVEacute KULTURY - VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

EK - historie

Metody EK využitelneacute v zemědělstviacute Meristeacutemoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Somatickaacute embryogeneze

Embryokultury

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze + buněčneacute inženyacuterstviacute

Genetickeacute manipulace

VITRIFIKACE (hyperhydricita) ndash vyjadřuje abnormality růstu in vitro skelnatyacute syndrom vyacutehonů křehkeacute mokryacute vzhled pryacutetů (vodou nasycenyacutech) průsvitnyacute sukulentniacute vzhled

metody zachovaacutevajiacuteciacute genotyp beze změn během kultivace metody zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu během kultivace

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK 1 rychleacute namnoženiacute

2 ozdravovaacuteniacute

3 překonaacuteniacute nekřiacutežitelnosti - embryokultury

4 dlouhodobeacute udržovaacuteniacute genetickyacutech zdrojů

5 indukce mutantů - ziacuteskaacuteniacute novyacutech genotypů

6 předselekce - urychleniacute šlechtitelskeacuteho cyklu

7 ziacuteskaacuteniacute novyacutech a udrženiacute genotypů s pylovou sterilitou

8 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho procesu

9 produkce haploidů

10 produkce polyploidů

11 rychlejšiacute ziacuteskaacuteniacute vyacutechoziacuteho šlechtitelskeacuteho materiaacutelu pro noveacute odrůdy

12 somatickaacute hybridizace - fuacuteze

13 konstrukce novyacutech genotypů kulturniacutech plodin přenos bdquoužitečnyacutech genůldquo

14 udržovaacuteniacute genofondu

15 selekce in vitro - rezistence k abiotickyacutem a biotickyacutem stresům

16 produkce sekundaacuterniacutech metabolitů

Plodina Technika

ječmen pšenice kukuřice

řepka paprika brukvovitaacute

zelenina mrkev

androgeneze

cibule gynogeneze

jahodniacutek česnek ozdravovaacuteniacute

brambor traacutevy polyploidizace in vitro

jeteloviny drobneacute ovoce

ovocneacute dřeviny podnože traacutevy mikropropagace

brambor řepka somatickaacute hybridizace

hraacutech brambor rezistence k chorobaacutem

traacutevy embryokultury

Kombinace metod embryokultury oplozeniacute in vitro fuacuteze protoplastů

plodiny se geneticky upravujiacute pro většiacute rezistenci k herbicidům - ničeniacute plevele bez poškozeniacute uacuterody GM rajčata potlačujiacute gen pro polygalakturonaacutezu enzym degradujiacuteciacute pektin způsobujiacuteciacute měknutiacute pletiv (Deacon a kol 2002)

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK

Meristeacutemoveacute kultury

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny meristeacutemoveacute kultury

Vyacutehody maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky naacuteslednaacute mikropropagace ozdraveneacuteho materiaacutelu bdquovirus - freeldquo

Vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana Iniciace kultury Testovaacuteniacute in vitro Přenos do nesterilniacutech podmiacutenek Testovaacuteniacute

MERISTEacuteM ndash děliveacute nediferencovaneacute pletivo ozdravovaacuteniacute rostlin (02 - 05 mm) meristeacutemy

OZDRAVOVAacuteNIacute Termoterapie (vyššiacute teplota)

Meristeacutemovaacute kultura Chemoterapie (antivirotika)

viry - nebuněčneacute mikroorganismy virovaacute čaacutestice = virion sklaacutedaacute se z RNA nebo DNA a kapsidu

fytopatologie in vitro

ribavirin

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny

Vyacuteznamneacute viroveacute choroby rostlin v ČR od 30 ztraacutet CaMV - 1968 PVY 30 -70 VMCH (virus mozaiky chmele) až o 70 mozaika česneku 25 - 50 žloutenka cibule až 100 bronzovitost rajčat

- žloutnutiacute listů kroužky a čaacutery na listech nevyvinuteacute rostliny abnormaacutelniacute růst - vstupujiacute různyacutemi poraněniacutemi - šiacuteřiacute se plasmodesmaty - velmi odolneacute proti inaktivaci - přenaacutešeny semeny hliacutezami pylem roubovaacuteniacutem hmyzem houbami červy

1952 Morel a Martin u jiřin

Využitiacute metody jahodniacutek česnek zeleniny květiny okrasneacute dřeviny ovocneacute dřeviny banaacutenovniacutek hellip

Tvorba bezviroacutezniacutech rostlin

1 meristeacutem = 1 rostlina testovaacuteniacute

wwwoselczindexphpclanek=2819

viroacutezniacute x zdravaacute

M Navraacutetil KBBPřFUPOL

PVY

In vitro klonovaacuteniacute mikropropagace meristeacutemoveacute kultury

zisk geneticky identickeacute rostliny vegetativniacutem množeniacutem

VYacuteHODY

maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny ktereacute jsou geneticky stabilniacute

v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky

vyššiacute množitelskyacute koeficient - potenciaacutelniacute hodnota zisku rostlin

Postup - vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana - iniciace kultury - mikropropagace - přenos do nesterilniacutech podmiacutenek

KLON - kolekce geneticky identickyacutech individuiacute původem z jedineacuteho rodiče

komerčně od 1960

httpwwwjanholubcz

In vitro meristeacutemoveacute kultury - využitiacute - zaacutechrana a množeniacute ohroženyacutech druhů kaktusy

- zaacutechranneacute množeniacute cennyacutech genotypů a liniiacute sterilniacutech rostlin - udrženiacute rodičovskyacutech komponent pro tvorbu hybridniacutech odrůd

- množeniacute transgenniacutech rostlin

- zachyceniacute a klonovaacuteniacute nově nalezenyacutech mutantů při šlechtěniacute

- klonovaacuteniacute nejlepšiacutech jedinců pro produkci elitniacuteho osiva

- vegetativniacute množeniacute okrasnyacutech rostlin karafiaacutet gerbera anthurie orchideje

sanpaulie kapradiny hellip

- množeniacute drobneacuteho ovoce jahodniacutek maliniacutek reacuteva

- množeniacute dřevin podnože pro školkařstviacute lesniacute dřeviny tropickeacute dřeviny

- v zelinaacuteřstviacute množeniacute brambor zeliacute

- množeniacute pouze samičiacutech rostlin datlovaacute palma

- kryoprezervace (-196 oC) jahodniacutek maliniacutek hraacutech brambor karafiaacutet

Genoveacute

banky

Mikropropagace multiplikace klonovaacuteniacute nejen z meristeacutemů

Solanum tuberosum Cucumis sativus Olea europea Eucalyptus grandis Salix sp Syringa sp Juglans regia

Schopnost regenerace tvorba identickyacutech rostlin = přiacutemaacute somatickaacute embryogeneze

Meristeacutemy Pryacutetoveacute segmenty Kalusy Embrya

Zdroje odchylek bull vysokeacute daacutevky růstovyacutech regulaacutetorů typ regulaacutetoru bull rostliny regenerujiacute z basaacutelniacuteho kalusu (možnost gen změn)

Kalusoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Primaacuterniacute explantaacutet kalus meristemoid orgaacutenoveacute primordium

Kalus = masa děliacuteciacutech se a rostouciacutech buněk

nejsou uniformniacute mohou se lišit velikostiacute tvarem pigmentaciacute metabolismem nebo počtem chromosomů

bull za určityacutech podmiacutenek regenerace pryacutetů a kořiacutenků

tma x světlo

subkultivace

metoda geneticky nestabilniacute

Kalusoveacute kultury - somaklonaacutelniacute variabilita ndash MUTACE a zisk novyacutech znaků

- mikropropagace ndash cibule žen-šen hellip

- vyacutechoziacute materiaacutel pro suspenzniacute a protoplastovou kulturu

- materiaacutel pro indukovaneacute mutace (zaacuteřeniacute chemomutageny)

- sekundaacuterniacute metabolity (alkaloidy AMK saponiny oleje složky vůniacute protinaacutedoroveacute laacutetky steroidy )

polyploidie aneuploidie

Selekce mutantů se zlepšenou nutričniacute hodnotou (viacutece biacutelkovin v zrnu)

Rezistence vůči zasoleniacute (vysokyacute turgor v buňkaacutech akumulace NaCl ve vakuolaacutech)

Rezistence vůči chorobaacutem (synteacuteza fytotoxinů fytoalexinů)

Sekundaacuterniacute metabolity (= chemickeacute individuality v rostlinaacutech ndash barviva vůně chuti obrana)

Artemisia annua - artemisin (antimalarika) Capsicum sp - capsaicin (protinaacutedoroveacute)

Digitalis lanata - digoxin (srdečniacute stimulanty) Papaver somniferum - codein (sedativa)

Taxus breviola - taxol (protinaacutedoroveacute) Vanilla planifolia - vaniliacuten (aroma)

Panax ginseng - (imunitniacute systeacutem) Zingiber officinale ndash gingerol (antioxidant)

Somatickaacute embryogeneze a suspenzniacute kultury

Využitiacute

umělaacute semena (enkapsulace somatickyacutech embryiacute)

využitiacute somatickeacute variability

klonoveacute množeniacute

sekundaacuterniacute metabolismus (suspenze)

kryoprezervace

Buněčnaacute suspenze = převedeme kalus do tekuteacuteho meacutedia

a provzdušňujeme (kontakt buněk a shluků buněk s meacutediem)

vznikaacute bipolaacuterniacute struktura obsahujiacuteciacute kořen a pryacutet

auxin (24-D)

umělaacute semena

Mutace RADIOMUTANT PROSPĚCH NEBO ZAacuteLUDNOST

SPONTAacuteNNIacute MUTACE využiacutevaacute člověk při šlechtěniacute odrůd spur typy (kompakt typy) jabloniacute absence trnů u ostružiniacuteku variabilita květenstviacute jiřinky proměnliveacute vznik plemen domaacuteciacutech zviacuteřat je založen na podchyceniacute spontaacutenniacutech mutaciacute ndash plemena psů

INDUKOVANEacute MUTACE působeniacute mutagenů

zaacuteměrneacute ndash ve vyacutezkumu ve šlechtěniacute rostlin (př odrůdy ječmene DIAMANT (zkraacuteceniacute steacutebel ndash nepoleacutehaacute) kompaktniacute růst a samosprašnost třešně změna barvy slupky u jabloně ndash sbquoredlsquo mutace)

nezaacuteměrneacute ndash důsledek použitiacute jadernyacutech a chemickyacutech zbraniacute ndash Yperit jaderneacute a jineacute katastrofy

1950 radiomutace chemomutace 1965 ječmen Diamant

Suspenzniacute kultury - SK KULTURA V TEKUTEacuteM MEacuteDIU ROSTE A DĚLIacute SE NĚKOLIKANAacuteSOBNĚ RYCHLEJI NEŽ KULTURA

NA PEVNEacuteM MEacuteDIU Využitiacute jako experimentaacutelniacute model produkce sekundaacuterniacutech metabolitů indukce somaklonaacutelniacute variability a naacutesledneacute selekce mikropropagace (pod kontrolou genetickeacute stability) pohyb kultury v bioreaktoru maacute za naacutesledek potlačeniacute apikaacutelniacute dominance tiacutem se stimuluje růst mnohonaacutesobnyacutech pryacutetů

Bioreaktory firmy VitroSys Inc Korea

ideaacutelniacute SK ndash rychlyacute růst karyologickaacute stabilita životnost buněk rentabilita

Minimaacutelně 103 ml buněk 110 suspenze v exponenciaacutelniacute faacutezi se doplniacute čerstvyacutem meacutediem Koncentrace sacharidů prodlužuje periodu růstu

Velkokapacitniacute kultivace rostlinnyacutech buněk v tekutyacutech meacutediiacutech sterilniacute prostřediacute obsahujiacuteciacute živiny a laacutetky potřebneacute pro růst a jeho regulaci vhodneacute pro kultivaci rostlinnyacutech mikrobiaacutelniacutech a živočišnyacutech buněk

Bioreaktor

Bioreaktory s tekutyacutem meacutediem explantaacutety jsou ponořeny v tekuteacutem meacutediu Bioreaktory s pravidelnyacutem zaplavovaacuteniacutem (temporary immersion bioreactor TIB) explantaacutety jsou pravidelně zaplavovaacuteny

Bioreaktor

httpwwwuebcasczcscontentzensenove-spagety

pěstujiacute se jen kořeny - zisk GINSENOSIDŮ za 3 měsiacutece v laboratoři stejnyacute zisk jako z rostlin ženšenu v přiacuterodě za 8 let obsah GINSENOSIDŮ je srovnatelnyacute s planě rostouciacutemi rostlinami množstviacutem i vzaacutejemnyacutem poměrem jednotlivyacutech laacutetek

v Koreji od r 2004

hairy-root systeacutem a sekundaacuterniacute metabolity

Sekundaacuterniacute metabolity - SM ROSTLINA BUNĚČNAacute KULTURA

EXTRAKT prověřovaacuteniacute oddělovaacuteniacute čištěniacute aktivniacute složky testovaacuteniacuteprověřovaacuteniacute

ČISTAacute BIOAKTIVNIacute LAacuteTKA

SM z buněčneacute kultury - extrakty ziacuteskaneacute za reprodukovatelnyacutech podmiacutenek spolehliveacute zdroje meacutedium - množstviacute čisteacuteho produktu

buňky rostou v tekuteacutem meacutediu -ne celaacute rostlina

produkt rostlina in vitro ()

rostlina ()

poměr

ginsenoside Panax ginseng 27 45 6 x

rosmarinic acid Coleus blumei 27 3 9 x

caffeic acid Vanilla planifolia 002 0005 4 x

shikonin Lithospermum erythrorhizon

20 15 135 x

ubiquinon-10 Nicotiana tabacum 0036 0003 12 x Heldman et al 2011

anti

oxy

dan

ty v sušině

bioreaktory

Sekundaacuterniacute metabolity - SM Rostlina Uacutečinnaacute laacutetka Uacutečinek

Artemisia annua pelyněk ročniacute artemisinin antimalarikum

Digitalis lanata naacuteprstniacutek vlnatyacute digoxin srdečniacute stimulants

Dubosia myoporoides lilkoviteacute atropin

scopolamin

očniacute přiacutepravky mořskaacute nemoc

Lithospermum

erythrorhizon

kamejka

rudokořennaacute

shikonin protinaacutedoroveacute

Panax ginseng ženšen pravyacute stimulant imunitniacuteho systeacutemu

Salix alba vrba biacutelaacute salicin antirevmatikum proti horečce

Taxus brevifolia tis

zaacutepadoamerickyacute

baccatin taxol protinaacutedoroveacute

Vinca rosea barviacutenek růžovyacute vinblastin

vinkristin

protinaacutedoroveacute alkaloidy

leukeacutemie

buněčnaacute kultura

Rostlina Extrakt Uacutečinek

Linum usitatissimum len setyacute olej

Mentha piperita maacuteta peprnaacute maacutetovyacute olej -

mentol

žaludečniacute potiacuteže

Mentha spicata maacuteta klasnataacute mentol žaludečniacute potiacuteže

Zingiber officinale zaacutezvor leacutekařskyacute gingerol antioxidant

informace z tradičniacute lidoveacute mediciacuteny - použitiacute extraktů a purifikace zdroje z nedotčeneacuteho ekosysteacutemu

kalusovaacute kultura buněčnaacute suspenze orgaacutenovaacute kultura - Artemisia Mentha - pryacutety

rostliny jsou vyacuterobci sekundaacuterniacutech metabolitů

cytostatikum

Sekundaacuterniacute metabolity - SM

Heldman et al 2011

VYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY

nezaacutevisleacute na geografickyacutech podmiacutenkaacutech

nezaacutevisleacute na sezoacutenniacutech podmiacutenkaacutech

v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

v přiacuterodě kontrolovaacuteno množstviacute in vitro ne

nepřetržitaacute dodaacutevka produktu

uniformniacute kvalita produktu

uniformniacute vyacutetěžnost produktu (průběžně)

vyacuteběr vhodneacute linie s vyššiacute produkciacute produktu

možnost tvorby novyacutech laacutetek nenormaacutelniacutech u donora

NEVYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY staacutele se vyviacutejejiacuteciacute

překaacutežky - pomalyacute růst

genetickaacute nestabilita

různorodost

niacutezkyacute obsah metabolitu

produkty vylučovaacuteniacute provozniacute - světelneacute podmiacutenky aseptickeacute podmiacutenky

STRATEGIE TVORBY SM vyacuteběr donorovyacutech rostlin - biochemickeacute testy

iniciace kalusů

vyacuteběr buněčneacute linie - rychle rostouciacute vysokaacute produkce

ciacutelenyacute metabolismus - kultivačniacute meacutedium (složeniacute koncentrace proporcionalita)

kultivačniacute podmiacutenky (teplota světlo pH) zvlaacuteštniacute požadavky (prekurzor simulace stresu - napadeniacute patogenem)

uvolněniacute do meacutedia

Embryokultury

Embryokultury = kultivace zralyacutech nebo nezralyacutech embryiacute in vitro

1904 Hannig - embrya u ředkve

1925 Laibach - aplikace v mezidruhoveacutem křiacuteženiacute r Linum sp

1945 Randolph - zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu u r Iris sp

1970 Kasha Kao - ziacuteskaacuteniacute haplodů u ječmene

Hordeum vulgare (zůstaacutevaacute) x Hordeum bulbosum (eliminace chromozoacutemů)

Zygotickaacute embrya vyacuteživa z endospermu (heterotrofniacute)

Embrya in vitro vyacuteživa z kultivačniacuteho meacutedia

In vitro oplodněniacute u člověka - 1978 pro neplodneacute paacutery

geneticky stabilniacute metoda

Embryokultury- in vitro

I Kultura semennyacutech embryiacute tj izolace plně vyvinutyacutech

bipolaacuterniacutech struktur obsahujiacuteciacutech kořenovyacute a stonkovyacute systeacutem

II Kultura proembryiacute tj izolace nezralyacutech zaacuterodků předchaacutezejiacuteciacutech

diferenciaci děloh

Embryogeneze zygotickeacuteho embrya (in vivo)

zygota (přiacuteprava na 1 děleniacute)

faacuteze pomaleacuteho vyacutevinu embrya po oplozeniacute

faacuteze rychleacuteho vyacutevinu růstu a diferenciace embrya

faacuteze dozraacutevaacuteniacute embrya

faacuteze přechodu embrya do dormance (ABA)

Embryokultury

1 překonaacuteniacute barieacuter vzdaacuteleneacuteho křiacuteženiacute (abortace hybridniacutech embryiacute sterility semen)

2 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu (viacutece generaciacute za rok)

3 řešeniacute jarovizačniacuteho staacutedia

4 primaacuterniacute explantaacutet pro dalšiacute kultury

5 eliminace inhibice kliacutečeniacute

6 studium mineraacutelniacute vyacuteživy

7 umělaacute semena

8 studium metabolickyacutech vztahů mezi embryem a endospermem embryem a dělohami

9 ziacuteskaacuteniacute haploidniacutech rostlin

Opylovaacuteniacute in vitro

Opylovaacuteniacute in situ

in vitro

Inkompatibilita rostlin

zaručuje stabilitu druhu

Barieacutery procesu opyleniacute a oplozeniacute

vnějšiacute (teplota vlhkost nedostatečnaacute vyacuteživa )

vnitřniacute (inkompatibilita samčiacute nebo samičiacute sterilita)

využitiacute v raacutemci šlechtěniacute rostlin k překonaacuteniacute prezygotickyacutech barieacuter vznik mezidruhovyacutech mezirodovyacutech hybridů

Barieacutery Technika překonaacuteniacute

Před oplodněniacutem selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute blizny pestiacuteku pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

rezistence vůči abiotickeacutemu stresu rezistence vůči škůdcům vyššiacute vyacutenos

přenos z jineacuteho druhu

EK využitiacute ve šlechtěniacute

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury HAPLOID rostlina s n počtem chromozomů menšiacute sterilniacute

1963 T Yamada a kol Tradescantia reflexa (haploidy)

1964 - 1966 S Guha SC Maheswari Datura diploidizace kolchicinem

1969 JP Nitsch a kol celeacute rostliny (tabaacutek)

1973 JP Nitsch Norrel mikrosporoveacute kultury

2000 šlechtitelskeacute programy polniacutech plodin (obiloviny řepka)

využiacutevajiacute haploidniacute kultury in vitro

Androgeneze prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Androgeneze - kultivace prašniacuteků pyl zrn mikrospor = samčiacute genotyp

Gynogeneze - kultivace neoplodněnyacutech vajiacuteček = samičiacute genotyp

Haploidie - spontaacutenniacute = haploidniacute partenogeneze (gynogeneze androgeneze) frekvence 10-6

- experimentaacutelniacute indukovanaacute

fyzikaacutelniacute faktory = UV γ-zaacuteřeniacute X-paprsky teplotniacute šoky

zaacutesahy do procesů opyleniacute a oplozeniacute (inaktivniacute pyl)

explantaacutetoveacute metody = prašniacutekoveacute a pyloveacute kultury kultivace semeniacuteků a vajiacuteček

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury Ontogeneze pylu

In vivo mikrosporogeneze

pylovaacute mateřskaacute buňka

meiosa

pyloveacute tetraacutedy

vyacutevoj mikrospory (1 pyl mitoacuteza)

In vitro vyacutevoj embryoidu

(vegetativniacute generativniacute buňka)

- přiacutemaacute embryogeneze

- nepřiacutemaacute embryogeneze

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

využitiacute haploidů (majiacute jen jednu sadu chromosomů)

segregace vloh na gametickeacute uacuterovni ndash homozygoacutetniacute stav (čisteacute linie v F2 generaci)

detekce recesivniacutech mutaciacute (fenotypickyacute projev)

trpasličiacute varieta ndash u okrasnyacutech rostlin

Dihaploidizace

n rostliny - sterilniacute

104 ndash 105 mikrospoacuterml meacutedia

Brassica sp

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Prašniacutekoveacute kultury

viacutece než 200 druhů (řepka ryacuteže kukuřice obiloviny)

20-60 dnů

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

vyacutevoj globulaacuterniacuteho embrya a naacutesledně haploidniacute rostliny přiacutemo z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory

z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory vznikaacute kalus rarr indukce organogeneze

TYPY ANDROGENEZE

vzaacutecně

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Solanaceae

Brassicaceae

Poaceae

prašniacuteky

Androgeneze

Indukovanaacute androgeneze ndash přiacuteklady

Beta vulgaris - homozygotniacute linie

Brassica napus - novaacute odrůda linie

Hordeum vulgare

Lycopersicon - novaacute odrůda

Nicotiana - noveacute odrůdy

Oryza - noveacute odrůdy

Pelargonium - trpasličiacute variety

Triticum ndash cv Florin Huapei

Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby Praha Vyacutezkumnyacute uacutestav obilnaacuteřskyacute Kroměřiacutež Vyacutezkumnyacute uacutestav olejnin Oseva

Gynogeneze kultury izolovanyacutech vajiacuteček

kultury izolovanyacutech semeniacuteků

kultury izolovanyacutech květenstviacute in vitro

haploidniacute rostliny

spontaacutenniacute dihaploidniacute rostliny

ječmen kukuřice moruše

slunečnice cibule

kultivace vajiacuteček Beta vulgaris Tomaszewska-Sowa 2010

327 haploids 458 diploids and 215 ndash mixoploids

x opyleniacute ozaacuteřenyacutem pylem

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

Polyploidizace in vitro

duplikace celeacuteho genomu až 70 všech krytosemennyacutech rostlin je polyploidniacutech (Masterson 1994) POLYPLOID metabolicky aktivnějšiacute a rozměrnějšiacute plodiny ktereacute jsou vhodneacute pro pěstovaacuteniacute a leacutepe se vyrovnaacutevajiacute se stresovyacutemi podmiacutenkami

kolchicin

oryzalin

trifluralin

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze protoplastů

1892 Klecker - 1 mechanickaacute izolace protoplastů Stratiotes aloides (řezan pilolistyacute) 1960 EC Cocking 1 enzymatickaacute izolace protoplastů Nicotiana sp 1978 G Melchers a kol 1 mezirodovyacute hybrid bdquopomatoldquo bdquotopatoldquo Solanum tuberosum x S lycopersicum (Lycopersicum esculentum)

httptheplanetfixerorg387new-vegetable-created-the-tomato-potato-plant

Protoplastoveacute kultury

= kultivace rostlinnyacutech buněk zbavenyacutech buněčneacute stěny

Protoplast = rostlinnaacute buňka bez buněčneacute stěny jejiacute povrch tvořiacute cytoplazmatickaacute membraacutena maacute kulovityacute tvar

Protoplastoveacute kultury - regenerace

Faktory ovlivňujiacuteciacute kultivaci a regeneraci

Hustota ( počet protoplastů v 1 ml)

Životnost ()

Podmiacutenky kultivace a meacutedium

bull Studium synteacutezy buněčneacute stěny vyacutevoj buňky fyziologie buňky a cytogenetiku

bull Studium hodnoceniacute uacutečinků farmak potravinovyacutech doplňků agrochemickyacutech laacutetek na rostlinnou

buňku

bull Studium transportu iontů a laacutetek přes cytoplasmatickou membraacutenu

bull Somatickaacute hybridizace (fuacuteze protoplastů)

bull Inkorporace exogenniacuteho genetickeacuteho materiaacutelu ndash organel cybridizace

bull Genoveacute transformace (cizorodaacute DNA z bakteriaacutelniacuteho plasmidu)

Protoplastoveacute kultury - fuacuteze

Využitiacute

kombinace znaků odlišnyacutech druhů a rodů ktereacute by nevznikly přirozenou cestou

jedinečneacute kombinace jadernyacutech a organelovyacutech genomů vytvaacuteřiacute noveacute genetickeacute zdroje

často jen - čaacutest chromozomů asymetrickeacute jaderneacute hybridy

chloroplasty

mitochondrie

chemickeacute fuacuteze - pomalejšiacute elektrofuacuteze - fuacutezanti po 10 min vyššiacute frekvence fuacutezantů

cytoplazmickeacute hybridy - cybridy

Charakterizace hybridů - morfologicky cytologicky molekulaacuterniacute analyacutezy

Přirozenaacute mezidruhovaacute hybridizace - vznik některyacutech kulturniacutech plodin

B oleracea + B campestris = Brassica napus Nicotiana sylvestris + N tomentosa = Nicotiana tabacum

cybridy nelze ziacuteskat klasickou hybridizaciacute (křiacuteženiacutem) ndash samčiacute pohlavniacute buňky (pyl zrna) nemajiacute plastidy a mitochondrie

V přiacuterodě blesky do půdy modifikace bakteriiacute

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

Přenos jaderneacute a cytoplazmatickeacute genetickeacute informace mezi rostlinnyacutemi druhy rody

- překonaacuteniacute sexuaacutelniacute inkompatibility

- přenos genů rezistence vůči virovyacutem houbovyacutem chorobaacutem

- přenos cytoplazmatickeacute samčiacute sterility

- přenos rezistence vůči stresům (teplotniacutem zasoleniacute)

- přenos rezistence vůči hmyziacutem škůdcům

(synteacuteza fytoalexinů)

- přenos genů pro synteacutezu zaacutesobniacutech proteinů vitamiacutenů

alkaloidů

plnokvětost

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

využitiacute pro fytoremediace

Brassica juncea Tlaspi caerulescens brukev siacutetinovitaacute peniacutezek modravyacute akumulace Pb akumulace Zn a Ni hybrid se zvyacutešenou rezistenciacute k Pb Zn a Ni rychlyacute naacuterůst

biomasy

Brassica napus Thlaspi caerulescens hybridi rostly na vysokeacutem obsahu Zn

Fuacuteze protoplastů rodu Brassica s planyacutemi druhy

Armoracia rusticana

Barbarea vulgaris

Camelina sativa

Capsella bursa pastoris

Diplotaxis catholica

Diplotaxis muralis

Diplotaxis harra

Eruca sativa

Lesquerella fendleri

Mathiola incana

Moricandia arvensis C4

Moricandia nitens C4

Raphanus sativus

Sinapis alba

Sinapis arvensis

Thlaspi perfoliatum

Thlaspi caerulescens

Genoveacute banky In vitro genoveacute banky

2397 vzorků 1249 odrůd Solanum tuberosum 450 teraploidniacutech křiacuteženců S tuberosum 266 dihaploidů 119 mezidruhovyacutech hybridů rodu Solanum 313 genotypů kulturniacutech genotypů 23 planyacutech druhů

Havliacutečkův Brod

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu rostlin

1 Uchovaacutevaacuteniacute semen ndash semenneacute banky (od 1 roku - hellip)

2 Uchovaacutevaacuteniacute vegetativniacutech orgaacutenů ndash hliacutezy cibule řiacutezky

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro Kraacutetkodobeacute - aktivně rostouciacute kultury (pravidelneacute pasaacuteže) - uchovaacuteniacute kultur v minimaacutelniacutem růstu nižšiacute teploty kultivace

Dlouhodobeacute u rostlin kde nejsou semena

- za velmi niacutezkyacutech teplot (-196oC) = kryobanka

Databaacuteze ndash přiacutestupneacute z celeacuteho světa

Špicberky

genobanka - wwwvurvcz part databases EVIGEZ

vyacuteznam v mediciacuteně

Zaacuteložniacute fond semena potravinaacuteřskyacutech plodin z celeacuteho světa

stane se zaacuteložniacutem fondem pro ostatniacutech 1400

semennyacutech bank po celeacutem světě

v Iraacuteku a v Afghaacutenistaacutenu byla podobnaacute zařiacutezeniacute za

vaacutelky zcela zničena

na Filipiacutenaacutech je v roce 2006 poškodila povodeň

semennaacute banka pro světoveacute plodiny je umiacutestěna v hoře

maacute vyztuženeacute stěny betonem a železem

třiacute komory o velikosti 27 kraacutet 10 metrů

teplota minus 18 oC (konzervace po stovky až tisiacutece let) httpwwwnorambczarkivBasisartikler---OversettelserIkke-

bruktnovinkyseedvault_eng

k 1172010 zde bylo uloženo 716 523 vzorků semen patřiacuteciacutech ke 4 205 druhům

českaacute banka uloženaacute v Praze-Ruzyni zaacuteloha na Slovensku

Špicberky

Uchovaacutevaacuteniacute genofonduv ČR

genofond odrůd meruněk broskvoniacute mandloniacute reacutevy vinneacute kdouloniacute lonicer rakytniacuteků a dřiacutenů

2400 položek

25 000 položek

5400 položek 2397

položek

4700 položek

2000 položek

2300 položek

Naacuterodniacute informačniacute systeacutem genetickyacutech zdrojů EVIGEZ httpwwwgenbankvurvczgeneticresources

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro

KRYOBANKA

prašniacuteky a pyl pletiva a orgaacuteny meristeacutemy

kalus

suspennzniacute somatickaacute kultury embrya

dlouhodobeacute skladovaacuteniacute

nižšiacute naacuteroky na uchovaacuteniacute

mezinaacuterodniacute vyacuteměna

nižšiacute podiacutel lidskeacute praacutece

potřeba menšiacuteho prostoru

uchovaacuteniacute genetickeacute stability

omezeniacute staacuternutiacute

ozdravenyacute materiaacutel

prodlouženeacute použitiacute pylu

uchovaacuteniacute vzaacutecnyacutech rostlin

apikaacutelniacute vrcholy

Biotechnologickaacute laboratoř Nestleacute - uchovaacutevaacute buněčneacute embryogenniacute linie kaacutevy kakaa a banaacutenů

Německaacute sbiacuterka mikroorganismů a buněčnyacutech kultur (DSMZ Braunschweig Německo) meristeacutemy 519 staryacutech kultivarů brambor ndash metoda mrazeniacute alginaacutetovyacutech perel

International Potato Centre (CIP Lima Peru) - 345 kultivarů brambor

INIBAP Leuven Belgie - 306 kultivarů banaacutenu (14 ze světoveacuteho počtu kultivarů)

Naacuterodniacute genobanka klonů NCGR USA - ročniacute naacuteklady

udržovaacuteniacute jedneacute položky v sadu (hrušně) 77 dolarů na skladovaacuteniacute in vitro 23 dolarů na kryoprezervaci 1 dolar (při počaacutetečniacute investici na kryometodu 50 dolarů za uchovaacutevanou jednotku)

Přiacuteklady komerčniacuteho využitiacute kryoprezervace meristeacutemů

Aplikace biotechnologiiacute ve šlechtěniacute rostlin

rostliny postraacutedajiacute schopnost aktivně se přesouvat z dosahu nepřiacuteznivyacutech vlivů rostliny vyvinuly adaptačniacute mechanismy pro překonaacuteniacute stresů a tiacutem přežitiacute v extreacutemniacutech podmiacutenkaacutech

Biotechnologie v zemědělstviacute ekologickeacute zemědělstviacute

VLIV ŠKŮDCŮ CHOROB A PLEVELŮ NA ZEMĚDĚLSKEacute PLODINY

1 sniacuteženiacute velikosti a vaacutehy zrna 2 ztraacuteta ve velikosti hliacutez a kořenů 3 zvyacutešeniacute obsahu vlhkosti 4 změny v chemickeacutem složeniacute zrna hliacutez a kořenů 5 odbarveniacute zrna a hliacutez - deformace 6 tvorba mykotoxinů patogeny 7 sniacuteženiacute kliacutečivosti 8 redukce krmiva

spotřeba vody - rezistence k suchu sniacutežiacute spotřebu uchovaacuteniacute vody rostlinou aplikace hnojiv chemickaacute kontrola škůdců

- studium abiotickeacuteho stresu

- zlepšeniacute ochrany rostlin vůči škůdcům

- ochrana životniacuteho prostřediacute

- zlepšeniacute kvality potravin

odstraněniacute hladu GMO fytoremediace

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

ohroženiacute klimatickyacutem suchem v ČR ndash nejrizikovějšiacute oblasti nižšiacute polohy na jižniacute a středniacute Moravě v prostoru mezi Prahou Uacutestiacutem nad Labem a Žatcem zaacutepadně od Pardubic

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

Rezistence k suchu - využitiacute vody

Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

vyacutevoj samčiacuteho gametofytu - spojen s expresiacute genů - 150 specifickyacutech genů spraacutevneacute načasovaacuteniacute

sporofyt gametofyt

2n 1n

rostlina pylovaacute zrnazaacuterodečnyacute vak

pohlavniacute rozmnožovaacuteniacute přiacuterodniacute vyacuteběr

pylzrna - exina (ovlivněna sporofytem) ochrana před UV laacutekaacuteniacute opylovačů - barva vůně komunikace s bliznou produkce alergenů

strategie rostlin zabraacuteněniacute samoopyleniacute

Biotechnologie v zemědělstviacute samčiacute gametofyt n TETRASPORE (TES) reg gen je vyžadovaacuten ke tvorbě přepaacutežek mezi produkty meioacutezy u mutanta všechna čtyři jaacutedra mikrospoacutery zůstaacutevajiacute ve stejneacute cytoplazmě polyploidniacute jedinci n GEMINI POLLEN 1 (GEM1) reg gen je vyžadovaacuten k orientaci mitotickeacuteho vřeteacutenka mutant tvořiacute dvě symetrickaacute jaacutedra typu vegetativniacuteho vede ke sterilitě n SIDECAR POLLEN (SCP) reg gen je vyžadovaacuten k děleniacute pylu prvniacute symetrickaacute pylovaacute mitoacuteza mutanta daacutevaacute dvě stejneacute buňky jedna extra- vegetativniacute (sterilniacute sidecar) a druhaacute regvegetativniacute a generativniacute mutace nevede ke sterilitě n QUARTET (QRT) reg gen je vyžadovaacuten k separaci pylovyacutech zrn u mutantů jsou stěny meiotickyacutech produktů pyloveacute mateřskeacute buňky fuacutezovaacuteny a zrna se uvolňujiacute v tetraacutedaacutech

samičiacute makrogametofyt n FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED (FIS) a FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) reg geny hrajiacute regulačniacute role ve vyacutevinu semene po oplozeniacute u mutantů se diploidniacute jaacutedra endospermu vyviacutejejiacute bez oplozeniacute pak atrofujiacute mutace neovlivňujiacute vaječnou buňku - procesy embryogeneze a vyacutevinu endospermu jsou odlišneacute n MEDEA (MEA) reg mutace genu způsobuje hypertrofii a zaacutenik embrya neniacute jasneacute na jakeacute uacuterovni se gen projevuje zaacuterodečnyacute vak endosperm nebo maternaacutelně imprintovanyacute embryonaacutelniacute gen

Biotechnologie ve šlechtěniacute rostlin Selektivniacute šlechtěniacute rostlin - přiacuterodniacute genetickeacute diverzity rostlin Techniky překonaacuteniacute barieacuter šlechtěniacute

Barieacutery Technika překonaacuteniacute Před oplodněniacutem

selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute pestiacuteku

pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony

pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro

selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů

odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute

abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry

sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

vyacutevoj semen

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

Škůdci v historii naacutelety sarančat (Staryacute zaacutekon)

ochrana saze tabaacutek

začaacutetek 19 stol - siacutera na houboveacute patogeny 1939 objev DDT uacutečinek na hmyz teorie bdquohmyz se může staacutet rezistentniacuteldquo 1948 Nobelova cena P Muumlller

50 leacuteta 20 st - herbicidy - postřiky na plevele ( rezistence na herbicid) 1972 zaacutekaz DDT (vyacutejimka - boj s malaacuteriiacute v Africe - naacutevrat DDT)

škůdce - hmyz hliacutestice 1861 - v Americe Iowa Nebraska 1880 1 pesticid v S Americe arzeacutenem bdquoParis greenldquo

S rostouciacute intenzitou pěstovaacuteniacute roste hospodaacuteřskyacute vyacuteznam škodlivyacutech organismů objem škod se zvyšuje staacutele přibyacutevajiacute noveacute druhy škodlivyacutech organismů zavaacutedějiacute se staacutele noveacute prostředky

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin - hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy

1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho

obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

ROS Reactive oxygen species reaktivniacute formy kysliacuteku SAR Systemic acquired resistance systeacutemově ziacuteskanaacute rezistence = neinfikovaneacute buňky začiacutenajiacute s přiacutepravou na atak patogena

napadeneacute rostliny uvolňujiacute signaacutelniacute molekuly (těkaveacute laacutetky - druhově specifickeacute) a varujiacute okolniacute rostliny ještě před napadeniacutem hmyzem

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin -hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy 1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

produkujiacute u různyacutech rostlin různě - sekundaacuterniacute metabolity - odstrašeniacute nebo zničeniacute patogena - proteiny inhibujiacuteciacute aktivitu zažiacutevaciacutech enzymů hmyzu - enzymy degradujiacuteciacute buněčnou stěnu hub (chitinaacutezy) - proteiny inhibujiacuteciacute překlad proteinů u škůdce - antiviroveacute složky degradujiacuteciacute virovou RNA blokujiacute vstup do buňky zastavujiacute replikaci

geny ktereacute bdquoSARldquo zapiacutenajiacute zvyšujiacute rezistenci rostliny

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům - již v čaacutesti fytotatologie

Co je plevel soutěžiacute s plodinou o živiny světlo a prostor intenziacutevně roste podiacuteliacute se na šiacuteřeniacute chorob a škůdců

lat herba - rostlina řeč cidoacute - ničiacutem

Vznik rezistence plevelů vůči některyacutem herbicidniacutem laacutetkaacutem = reakce plevelnyacutech druhů na podmiacutenky současneacuteho pěstovaacuteniacute rostlin = dlouhodobeacute působeniacute herbicidů

Vyacutevoj plevelů na zemědělskeacute půdě v naacutevaznosti na skladbu pěstovanyacutech plodin Vznik rezistence plevelů vůči herbicidům Problematika invaziacute a expanziacute plevelů

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům

Rezistenci vůči herbicidům způsobujiacute biochemickeacute fyziologickeacute změny nebo morfologickeacute odlišnosti ktereacute ovlivňujiacute přiacutejem herbicidů rostlinou

- degradujiacute herbicid

- měniacute jeho biochemickou funkci v rostlině

- pozměňujiacute miacutesto na ktereacute herbicid v rostlině působiacute

Rezistence rostlin vůči herbicidům dědičnaacute schopnost odolaacutevat takoveacute daacutevce herbicidů při ktereacute by za normaacutelniacutech okolnostiacute byla populace potlačena

směr pro šlechtěniacute

Aplikace rostlinnyacutech biotechnologiiacute v životniacutem

prostřediacute

takto nebo takto

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Těžba a zpracovaacuteniacute surovin(těžkeacute kovy- Cd Pb prach) Průmyslovaacute vyacuteroba (barviva)

Skladovaacuteniacute (haldy kaliště sklaacutedky) Zemědělstviacute (pesticidy herbicidy)

Domaacuteciacute odpad (leacutečiva detergenty praciacute prostředky)

čin

no

st č

lově

ka

půda voda ovzdušiacute

znečištěniacute

degradace organismy produkujiacuteciacute laacutetky (enzymy) pro

ciacutelenyacute rozklad

organismy snižujiacuteciacute toxicitu toxickeacute laacutetky metylaciacute dehalogenace hydroxylace hydrolyacuteza deaminacehellip

substraacutet je zdrojem C a energie

dekontaminace

+ katastrofy Černobyl vaacutelečneacute konflikty

remediace = navraacuteceniacute k původniacutemu stavu

Biodegradace všechny přirozeneacute procesy ktereacute jsou uskutečňovaacuteny bakteriemi a jinyacutemi mikroorganizmy nebo vyššiacutemi organismy ktereacute vedou k destrukci organickyacutech molekul = organickyacute substraacutet je přeměňovaacuten až na CO2 Bioremediace (bakterie houby)

spočiacutevaacute v akceleraci přirozenyacutech biodegradačniacutech procesů nebo v ciacuteleneacute biodegradace - vede k ozdraveniacute kontaminovaneacuteho prostřediacute - detoxifikace měniacute se na netoxickeacute = neškodneacute laacutetky - aplikaciacute mikroorganismů

Fytoremediace (rostliny) niacutezkaacute cena

využitiacute rostlin k odstraněniacute toxickeacute zaacutetěže (těžkeacute kovy) řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny Zooremediace (zviacuteřata)

zpracovaacuteniacute odpadů pomociacute zviacuteřat bezobratliacute - perlorodky měkkyacuteši

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

nevyacutehody pomalaacute viacutece než 2 roky maleacute rozměry vhodnyacutech rostlin maacutelo druhů vhodnyacutech rostlin neniacute 100 probleacutem s rostlinnyacutem odpadem - potřeba zvlaacuteštniacutech sklaacutedek spadeneacute listiacute

- řiacutezeneacute spalovaacuteniacute

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacute len slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

vyacutehody mineralizace organickyacutech sloučenin niacutezkeacute naacuteklady pasiacutevniacute metoda bez transportu kontaminovaneacute půdy energie ze slunečniacuteho zaacuteřeniacute nepoškozuje okoliacute - sniacuteženiacute prašnosti

estetickyacute přiacutenos etickyacute uacutečinek (veřejnosti přijatelnyacute)

2005 cca 450 rostlinnyacutech druhů - tzv bdquohyperakumulaacutetoryldquo 100 x vyššiacute akumulace než u ostatniacutech rostlin

teorie vzniku - obrana vůči hmyzu - hmyz preferuje

niacutezkeacute koncentrace kovu

Thlaspi careulescens

X bagrovaacuteniacute kontaminovaneacute zeminy transport zeminy dekontaminace

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute přiacutejem kořeny - z půdy přiacutejem nadzemniacute čaacutestiacute rostliny - vyacutefukoveacute plyny

akumuluje

degraduje

detoxifikuje

roste na kontaminovaneacute půdě

produkuje velkeacute množstviacute biomasy

tolerantniacute k salinitě a jinyacutem toxickyacutem podmiacutenkaacutem

poskytuje ekonomickeacute hodnoty - textilniacute vlaacutekna (len konopiacute)

GMO - gen fytovolatizace - bakteriaacutelniacute geny transformovaacuteny do rostlin transgeny merA a merB fytoextrakce - gen gsh1 a gsh2 z E coli do Brassica juncea

potenciaacutel je v GMO rostlinaacutech

Laboratoř rostlinnyacutech biotechnologiiacute Společnaacute laboratoř UacuteEB AV ČR vvi A VUacuteRV vvi Akademie věd Českeacute Republiky Mendelova univerzita v Brně Uacutestav experimentaacutelniacute botaniky AV ČR Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby v Praze Metoda použita na čištěniacute uranem a radiem znečištěneacute vody v Mydlovarech - kořenovaacute čistiacuterna

ideaacutelniacute rostlina

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

proces substraacutet ciacutel rostlina

fytoextrakce fytoakumulace

odstraněniacute toxickyacutech laacutetek z půdy a vody - akumulaciacute rychle rostouciacute rostlinou (zůstaacutevaacute v rostlině)

půda sedimenty kaly odpadniacute vody

toxickeacute kovy radionuklidy

Thlaspi sp Brassica sp

fytostabilizace ciacuteleneacute pěstovaacuteniacute tolerantniacutech druhů zamezeniacute eroziacute

půda haldy odkaliště těžkeacute kovy dlouheacute a bohateacute kořeny

fytovolatizace odstraněniacute Hg pomociacute genu koacutedujiacuteciacuteho reduktaacutezu Hg2+ na Hg0

a uvolněniacute do ovzdušiacute

půdy sedimenty odkaliště průmysloveacute a zemědělskeacute odpadniacute vody

kovy - Se Hg chlorovanaacute rozpouštědla

stromy traacutevy Brassica sp

fytodegradace degradace kontaminantů rostlinou na netoxickeacute laacutetky

půdy sedimenty odkaliště odpadniacute vody

ropneacute laacutetky pesticidy detergenty

stromy traacutevy

rhizofiltrace odstraněniacute pomociacute rostlinnyacutech kořenů

povrchoveacute vody odpadniacute vody

těžkeacute kovy - Co Cu Cr Mn Ni radionuklidy

Brassica sp Helianthus vodniacute rostliny hydroponie

superrostliny

niacutezkeacute naacuteklady

kořenovaacute čistička = umělyacute mokřad oddělenyacute od okoliacute nepropustnou foacuteliiacute využiacutevaacute samočisticiacutech procesů probiacutehajiacuteciacutech v propustneacutem půdniacutem prostřediacute za spoluuacutečasti rostlin čištěniacute odpadniacutech vod z domaacutecnostiacute sklaacutedek a některyacutech průmyslovyacutech provozů

Rhizofiltrace

httpwwwnemcoviceczcontentviewfull3607

rostliny s vysokyacutemi

naacuteroky na vyacuteživu

+

bakterie

může zapaacutechat

5x - 10 x nižšiacute naacuteklady

Člověk čistiacute odpadniacute vodu za pomoci zařiacutezeniacute

ale přiacuteroda to zvlaacutedaacute bez přiacutestrojů a mnohem levněji

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute niacutezkeacute naacuteklady

rostlina chemickaacute sloučenina

pšenice 24 -D MCPA jako zdroj uhliacuteku

kukuřice atrazin degradace atrazinu mikroorganismy rhizosfeacutery

fazole diazinon parathion mineralizace v rhizosfeacuteře

luštěniny nafta

Kučerovaacute et al 1999 Chemickeacute listy

přiacutejem - velikost kořenoveacuteho systeacutemu přiacutestupnost pro rostlinu např chelaacutety

transport rostlinou - apoplast (difuacuteziacute)

symplast (specifickeacute přenašeče)

miacutesto uskladněniacute hustota rostlin v porostu

zaacutevažnějšiacute ekologickyacute a toxikologickyacute vyacuteznam přibližně 16 prvků (Fe Mo Mn Zn NiCo Cu V W Cr Hg Pb Cd Sb Ag a U)

Budoucnost fytoremediaciacute niacutezkeacute naacuteklady

Fytoremediace v praxi

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Ural 1953 odstraněniacute těžkyacutech kovů

Amana Iowa hybridniacute topoly atrazin odstraněna čaacutest až 20

Beaverton Kreton

hybridniacute topoly

organickeacute laacutetky kovy

a amonneacute sloučeniny

celkoveacute vyčistěniacute oblasti

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Fukušima 113 2011 slunečnice radioaktivniacute cesium dekontaminace půdy

Černobyl 2641986 slunečnice jabloně

cesium stroncium dekontaminace půdy povrchoveacute vody

paacutes 30 km - likvidace radioaktivniacutech rostlin

nebudou spaacuteleny rozloženy a kompostovaacuteny - speciaacutelniacute bakterie

slunečnice spotřebovaacutevajiacute z půdy drasliacutek kteryacute patřiacute mezi alkalickeacute kovy stejně jako cesium drasliacutek neniacute v půdě přiacutetomen květiny využijiacute praacutevě druhyacute prvek - Cs

Biotechnologie v ŽP niacutezkeacute naacuteklady

fytomining - fytodobyacutevaacuteniacute fytodolovaacuteniacute

ziacuteskaacutevaacuteniacute kovů z rostlin kde klasickaacute těžba je nevyacutehodnaacute rostliny - bdquotěžaři vzaacutecnyacutech kovůldquo a polokovů AuTh Co U Cd Ni Cu Mn

v rostlinaacutech hyperakumulaacutetorech je akumulace prvku sušina rostliny jako -ldquobio-rudaldquo

vyacutehody

- obsah kovu v bdquobio-ruděldquo je vyššiacute než v běžneacute rudě

- meacuteně skladovatelneacuteho miacutesta

- zelenaacute technologie jako alternativa

fytomining Ni pomociacute Alyssum bertolonii

Robinson et al 1997 The nickel hyperaccumulator plant Alyssum bertolonii as a potential agent for phytoremediation and phytomining of

nickel Journal of Geochemical Exploration59(2)75-86

zlatonosneacute rostliny

zlataacute jablka

zlateacute kapradiacute

hledaacuteniacute nalezišť

technologie budoucnosti

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute bioplasty z biomasy (škroby tuky) nahrazujiacute fosilniacute zdroje vyacutehodou je biodegradace biopaliva rostlinnyacute materiaacutel a řasy bioethanol GMO rezistentniacute rostliny vůči postřikům hmyziacutem škůdcům transfer genů pro symbiotickou fixaci dusiacuteku z luštěnin do dalšiacutech plodin přenos genů z bdquoC4ldquo do bdquoC3ldquo rostlin pro dosaženiacute uacutečinnějšiacute fotosynteacutezy (ryacuteže)

Transgenoziacute se přenaacutešiacute přirozeneacute geny vznikleacute evoluciacute z jednoho organismu do druheacuteho kteryacute se s daacutercem genu obvykle

nemůže křiacutežit pouze dokaacuteže přenosy mezi vyacutevojově ještě vzdaacutelenějšiacutemi organismy

Geny použiacutevaneacute při transgenosi jsou braacuteny z přiacuterody např gen v soacuteji tolerujiacuteciacute glyfosaacutet - je z bakterie rodu Agrobacterium

Klasičtiacute šlechtiteleacute takto pracujiacute daacutevno např smiacutechali geny pšenice a žita

GMO

Transgenoze ndash vnaacutešeniacute znaacutemyacutech jednotlivyacutech genů do dědičneacuteho

zaacutekladu (poprveacute 1978)

Pro přenos - Agrobacterium tumefaciens A rhizogenes E coli

httpblogscassuffolkeduiglesias20140424gmos

GMO bez obalu httpwwwbezpecnostpotravinczUserFilespublikaceGMO_web_1pdf

GMO - transgenniacute rostliny CARTAGENSKYacute PROTOKOL o biologickeacute bezpečnosti 29 1 2000 Montreal (OSN ndash program pro životniacute prostřediacute UNEP) platnost 11 9 2003

ČR podepsala 24 52000 (gmovschtcz) nyniacute 160 staacutetů

opatřeniacute ve staacutetech ktereacute se připojiacute k projektu (dovoz vyacutevoz transport)

vzdělaacuteniacute odborniacuteků a informovaacuteniacute veřejnosti

vytvořeniacute noveacute legislativy GMO (wwwenvcz )

spolupraacutece při vyacuteměně zkušenostiacute

Svět 2010 - viacutece než 150 mil ha viacutece než 20 zemiacute

pro vegetačniacute čaacutesti

nebo plody

CIacuteL PROTOKOLU - zajistit ochranu a bezpečnost při zachaacutezeniacute využiacutevaacuteniacute a přenosu živyacutech modifikovanyacutech organismů ktereacute jsou vyacutesledkem moderniacutech biotechnologiiacute a ktereacute mohou miacutet nepřiacuteznivyacute vliv na zachovaacutevaacuteniacute biologickeacute rozmanitosti a zdraviacute člověka Protokol je zaměřen předevšiacutem na převoz GMO přes hranice staacutetů a maacute ochraňovat zejmeacutena staacutety kteryacutem dosud chybiacute vlastniacute vnitrostaacutetniacute praacutevniacute předpisy v oblasti GMO

GMO - transgenniacute rostliny historie

EVROPA

SRN - Max-Planck-Institut

Belgie - Universita Ghent

Švyacutecarsko- ETH Zurych

ČR - Biofyzikaacutelniacute uacutestav Brno (Agrobacterium jako vhodnyacute přenašeč genů)

ČR - UacuteEB ČSAV Českeacute Budějovice (metody modifikaciacute)

2010 1 transgenniacute hraacutech v Evropě (ČR Agritec Šumperk)

transgenniacute len - oleje

FYTOPATOLOGIE IN VITRO

Fytopatologie in vitro

in vitro selekce = kultivace buněk se selekčniacutem činitelem (fitraacutet inokulum toxin)

ndash přežiacutevajiacuteciacute buňky jsou regenerovaacuteny do rostlin resistentniacuteho fenotypu

Studium interakce rostlina x patogen v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

Druh Patogen Typ biologickeacuteho testu Ciacutel

Coffea arabica Colletotrichum kahawae růst houby na kalusech vyacuteběr rezistentniacutech genotypů

Vitis vinifera Elsinoe ampelina růst kalusu na meacutediu s patogenem testy rezistence

Lycopersicon aes Alternaria alternata testy na izollistech in vitro hodnoceniacute toxicity

Pinus taeda Cronartium quercuum embryokultury s houbami vyacuteběr rezistentniacutech embryiacute

Triticum aestivum Microdochium nivale listy semenaacutečky in vitro vyacuteběr rezistentniacutech kultivarů

ozdravovaacuteniacute rostlin

klonoveacute množeniacute rezistentniacutech taxonů

Page 13: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,

Kde by lideacute byli bez rostlin

Historie rostlin čas před proces vyacuteznam

45 miliardy let tvorba země nemožnyacute život

39 oceaacuteny voda je předpokladem pro uhliacutek-založenyacute život

35 nejstaršiacute cyanobacteria efektivnějšiacute fotosynteacuteza- rychlejšiacute růst O2

24 kysliacutek v atmosfeacuteře aerobniacute org postupně převažujiacute nad aerobniacutemi

21 endosymbioacuteza mezi cyanobacterium a eukaryotniacutem hostitelem prvniacute fotosyntetizujiacuteciacute eukaryotickyacute org -

jednobuněčnaacute řasa

16 mnohobuněčneacute řasy zeleneacute a červeneacute řasy

13 v atmosfeacuteře 3 O2 dominujiacute aerobniacute org nad aerobniacutemi

1 zvyšujiacuteciacute se počet mořskyacutech řas zvyacutešeniacute atmosfeacuterickeacuteho 02

750 milioacutenů mnohobuněčneacute zeleneacute řasy začaacutetek buněčneacute specializace

550 v atmosfeacuteře 12 O2

500 prvniacute suchozemskeacute rostliny eukaryotickaacute kolonizace země

470 prvniacute spory jaterniacutekům podobneacute rostliny

428 Cooksonia 2-3 cm velkeacute steacutelka Bryophyta s dominantniacute haploidniacute generaciacute

ceacutevnateacute rostliny bez semen- mechy přesličky kapradiny převažuje 2n generace

360 nejstaršiacute fosilniacute nahosemenneacute

140 nejstaršiacute krytosemenneacute

85 nejstaršiacute obiloviny

68 nejstaršiacute luštěniny adaptace na deficit N2

11 tisiacutec let domestifikace rostlin vliv člověka na rostliny

500 let globalizace zemědělskyacutech plodin světoveacute rozšiacuteřeniacute domestifikovanyacutech rostlin

300 člověkem prvniacute vyrobeneacute hybridniacute rostliny zaacuteměrneacute vytvaacuteřeniacute novyacutech druhů pro člověka

100 začaacutetek vědeckeacuteho šlechtěniacute rostlin manipulace s genomem a fenotypem rostlin

30 prvniacute transgenniacute rostlina novyacute gen do rostlinneacuteho genomu

20 prvniacute schvaacutelenaacute GMO rostlina - potravina rajče cv FLAVR SAVR Murphy 2011

6000 pnl produkce piva fermentaciacute (kvašeniacutem) Babyloacuteňaneacute Sumeroveacute

4000 pnl využitiacute kvasinek ve vyacuterobě piva a viacutena v Egyptě a Čiacuteně (znaacutem ječmen)

1675 Leeuwenhoek pozoroval bakterie

1860 Koch - rozvoj mikrobiologie

1857 Pasteur demonstrace fermentace - otec biotechnologiiacute

1877 Koch vypracoval techniky izolace a barveniacute bakteriiacute

1919 Ereky zavedeniacute termiacutenu biotechnologie

1935 Fleming objev peniciliacutenu - zavedeniacute sterilizace

1953 Watson a Crick popis struktury DNA

1975 Kohler a Milstein - produkce monoklonaacutelniacutech protilaacutetek

1978 produkce 1 lidskeacuteho proteinu v buňce firmou Genntech (USA) = inzuliacuten 1 praktickeacute využitiacute

1980 zavedeniacute metod rekombinantniacute DNA produkce inzuliacutenu v E coli

1994 schvaacuteleniacute prvniacute geneticky modifikovaneacute potraviny ndash rajče

1996 klonovaacuteniacute ovce Dolly Wilmuth a kol

Biotechnologie - historie

vyacuteroba jiacutedla a naacutepojů procesy vyviacutejeny za nesterilniacutech podmiacutenek zavedeniacute sterilniacutech podmiacutenek do biotechnologickyacutech procesů aplikace genetiky a technologie rekombinantniacute DNA

přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

nevyacutehoda - nekontrolovaneacute

zavedeniacute lidskeacuteho genu určujiacuteciacuteho produkci specifickeacute biacutelkoviny (inzuliacutenu) do bakterie pomociacute plazmidu - po zabudovaacuteniacute do genetickeacuteho aparaacutetu hostitelskeacute buňky je bakterie schopna produkovat AMK v přesně daneacutem pořadiacute a syntetizovat

lidskyacute inzuliacuten

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve

velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 11 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1843 superfosfaacutet hellip intenzivniacute hnojeniacute v zemědělstviacute

1849 Darwin - vznik druhů přirozenou selekciacute (cesta kolem světa Galapaacutegy)

1846-1850 krize monokultur - bdquobramborovyacuteldquo hladomor v Irsku (Phytophtora infestans)

1857 Pasteur - fermentace - otec biotechnologiiacute

1866 Mendel - publikuje svoje zaacutekony (znovu objeveny 1900)

1869 Miescher - objevuje DNA

1902 Haberlant - totipotence rostlinneacute buňky

1910 odrůda brambor Bintje (Holandsko) - odrůda roku 2012

1919 Ing Karl (Kaacuteroly) Ereky - termiacuten biotechnologie

migrace do Ameriky

technologie přeměny surovin na využitelneacute produkty pomociacute živyacutech organismů

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho

průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 10 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1923 Burbank USA - křiacuteženci bramboru odrůda

bdquoRUSSET BURBANKldquo (skladovatelnost hliacutez)

1933 prvniacute hybridi kukuřice

1941 Beadle a Tatum - hypoteacuteza 1 gen-1 enzym

1941 24-D (syntetickyacute auxin) jako prvyacute moderniacute herbicid

1950 1 radiomutanti chemomutanti řepka pšenice ryacuteže biacuteleacute fazole

ječmen (1965 - DIAMANT)

1960 ndash1970 ldquozelenaacute revoluceldquo zakrsliacute hybridi - Norman Borlaug

1970 NC miacuteru

1969 Triticale (Triticosecale tritikale žitovec - hybridniacute obilnina Triticum x Secale)

REKOMBINANTNIacute TECHNIKY

1985 prvniacute GM rostliny na poliacutech v UK

1995 odrůda bdquoBT NEW LEAF RUSSET BURBANKldquo

1998 zlataacute ryacuteže

2010 1 GMO hraacutech (Agritec)

I GMO odrůda brambor - odolnaacute vůči mandelince bramboroveacute vložen gen z bakteacuterie Bacillus thuringiensis produkujiacuteciacute protein narušujiacuteciacute vnitřnosti mandelinky

Mexiko 1943 import frac12 spotřeby pšenice 1944 plnaacute soběstačnost pšenice 1964 export 05 milionů tun pšenice

httpenwikipediaorgwikiNorman_Borlaug

Budoucnost biotechnologiiacute v ČR bdquoBiotechnologie jsou celosvětově nejprogresivnějšiacutech oblast vyacutezkumu vyacutevoje a podnikaacuteniacuteldquo

produkce viacutena - 1 psanaacute zmiacutenka r 276 (na Paacutelavě řiacutemskeacute legie) produkce piva - 11 stoletiacute syacutery destilaacutety 14 stoletiacute 1356 - kraacutelovskyacute dekret o produkci viacutena v Českyacutech zemiacutech alchymie (Rudolf II) 1518 - založeniacute Paliacuterny U Zeleneacuteho stromu v Prostějově 1887 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu pivovarskeacuteho a sladařskeacuteho v Praze 1949 - průmyslovaacute produkce peniciliacutenu v Roztokaacutech u Prahy 1966 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu antibiotik a transformaciacute (již neexistuje)

wwwbiotrincz wwwgate2biotechcz

AV ČR Univerzity Vyacutezkumneacute uacutestavy Šlechtitelskeacute stanice

kaacutemen mudrců elixiacuter mlaacutediacute přeměna hmoty

glukosa + kvasinky etanol + oxid uhličityacute přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces carlsbergensis

Biotechnologie v ČR

18 prosince 2008 bylo založeno sdruženiacute CzechBio - asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR zspo 1 asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR spojuje třicet soukromyacutech biotechnologickyacutech společnostiacute a akademickyacutech uacutestavů podpora spolupraacutece komerčniacute sfeacutery s vědeckou httpwwwczechbioorgcs

projekt Algatech ndash Centrum řasovyacutech biotechnologiiacute vyacutevoj novyacutech kultivačniacute zařiacutezeniacute a postupů na zpracovaacuteniacute řasoveacute biomasy pro vyacuterobu biopaliv krmiv potravniacutech doplňků a cennyacutech laacutetek Mikrobiologickyacute uacutestav Akademie věd ČR Třeboň

Centrum regionu Hanaacute pro biotechnologickyacute a zemědělskyacute vyacutezkum

UPOL + VUacuteRV + UacuteEB AV ČR - vytvaacuteřeniacute zemědělskyacutech plodin s vyššiacutemi vyacutenosy toleranciacute vůči nepřiacuteznivyacutem vlivům vnějšiacuteho prostřediacute

- transformace rostlin ječmene a dalšiacutech obilnin

wwwcr-hanaeu

Biotechnologie v ČR

wwwalgaczcscs-algatechhtml

Českaacute technologickaacute platforma rostlinnyacutech biotechnologiiacute ndash rozvoj biotechnologiiacute v ČR = Rostliny pro budoucnost (ČTP RB) - nepotravinaacuteřskeacute využitiacute rostlin vedlejšiacutech produktů odpadů - vyacutevoj novyacutech odrůd kulturniacutech rostlin - uplatněniacute rostlinnyacutech biotechnologiiacute v raacutemci životniacuteho prostřediacute

httpwwwczechinvestorgceska-technologicka-platforma -rostlinnych-biotechnologii

selekce - vyacuteběr nejlepšiacutech rostlin křiacuteženiacute GMO

Přiacuteklad šlechtěniacute - novyacute typ ryacuteže - maleacute vzpřiacutemeneacute listoveacute čepele - hodně odnožiacute - žaacutedneacute neproduktivniacute odnože - silneacute steacuteblo - C3 ryacuteže na C4 ryacuteže

Rostlinneacute biotechnologie Co pěstujeme na poliacutech v zahradaacutech a v sadech a co naacutesledně jiacuteme prošlo za několik tisiacuteciletiacute proměnou Prvniacute změna - předkoveacute opustili životniacute styl lovců a sběračů a stali se pěstiteli zemědělskyacutech plodina a chovateli hospodaacuteřskyacutech zviacuteřat

zlataacute ryacuteže geny z 5 různyacutech druhů

- Phaseolus vulgaris pro ferritin - Aspergilus fumigatus - ferritin - ryacuteže Basmati - ferritin - Narcissus pseudonarcissus synteacuteza karotenu - Erwinia uredovora - synteacuteza karotenu

bdquozlataacute ryacuteželdquo tvořiacute zvyacutešeneacute množstviacute provitaminu A zabraacuteniacute hladu zachraacuteniacute zrak vznikla na požadavek humanitaacuterniacute organizace bdquoHumanitarien Rice Boardldquo kteraacute se snažiacute řešit probleacutemy s nedostatkem potravy v nejchudšiacutech čaacutestech našiacute planety

švyacutecarskyacute genetik Ingo Portykus a německyacute genetik Peter Bayer

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute

ekologickaacute udržitelnost kvantita a kvalita zaacutekladniacutech zdrojů zemědělstviacute ekonomickaacute udržitelnost zemědělskaacute produkce (uacuteroda na ha) a zisk cena za produkty sociaacutelniacute (společenskaacute) udržitelnost kvalita života zemědělců vysokaacute kvalita potravin bez rizika na zdraviacute a prostřediacute

Co je udržitelneacute zemědělstviacute Mohou biotechnologie pomaacutehat

snižovaacuteniacute kvality zaacutekladniacutech zdrojů vyčerpaacuteniacute zaacutekladniacutech zdrojů

Vyhliacutedky na budoucnost

naacuterůst počtu obyvatel

zvyacutešeniacute životniacuteho standardu

pokles plochy orneacute půdy

pokles pracovniacuteků v zemědělstviacute

naacuterůst cen potravin

Naacuterůst zemědělskeacute produkce s využitiacutem biotechnologiiacute

šlechtěniacute (rezistence k chorobaacutem)

noveacute plodiny

nutričniacute kvalita plodin

ochrana rostlin

bezpečnost produktů

hybnou silou biotechnologiiacute je naacuterůst obyvatel Kolik lidiacute by mělo žiacutet na planetě Zemi

Rostlinneacute biotechnologie

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute mutace s naacuteslednou selekciacute odchylek noveacute techniky EK ciacutelenyacute přenos genů

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

prvniacute zemědělci

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) BT prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute MUTACE s naacuteslednou selekciacute odchylek - odrůda ječmene bdquoDIAMANTldquo

noveacute TECHNIKY EK VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

ciacutelenyacute přenos genů GMO

CO BUDE DAacuteL zvyšovat vyacutenosy BUDE VĚTŠINA PĚSTOVANYacuteCH ZEMĚDĚLSKYacuteCH PLODIN TRANSGENNIacute

vznik zemědělstviacute

1954

jsme moudřejšiacute

maacuteme většiacute možnosti

Počaacutetek EK 1902 Gottlieb Haberland segmenty listů 1904 Hannig zralaacute embrya

Potenciaacutel rostlinneacute buňky a podstata

explantaacutetovyacutech kultur rostlin

metody a jejich aplikace

ve šlechtěniacute rostlin

EK - historie

TOTIPOTENCE rostlinneacute buňky genetickeacute informace - jaacutedro plastidy mitochondrie

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

daacute se přeneacutest v raacutemci šlechtěniacute

blok totipotence

vyjaacutedřeniacute totipotence 1 dediferenciace buňky do buněčneacuteho cyklu a pokračovaacuteniacute v děleniacute 2 rediferenciace - tvorba organickyacutech struktur - přiacutemaacute regenerace tvorba kalusu - nepřiacutemaacute regenerace

vliv růstovyacutech regulaacutetorů

Rostlinneacute biotechnologie prvniacute generace - od explantaacutetovyacutech kultur po GMO

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute rostlin - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

Explantaacutet = aseptickaacute kultivace izolovanyacutech čaacutestiacute rostlin za umělyacutech podmiacutenek

EXPLANTAacuteTOVEacute KULTURY - VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

EK - historie

Metody EK využitelneacute v zemědělstviacute Meristeacutemoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Somatickaacute embryogeneze

Embryokultury

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze + buněčneacute inženyacuterstviacute

Genetickeacute manipulace

VITRIFIKACE (hyperhydricita) ndash vyjadřuje abnormality růstu in vitro skelnatyacute syndrom vyacutehonů křehkeacute mokryacute vzhled pryacutetů (vodou nasycenyacutech) průsvitnyacute sukulentniacute vzhled

metody zachovaacutevajiacuteciacute genotyp beze změn během kultivace metody zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu během kultivace

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK 1 rychleacute namnoženiacute

2 ozdravovaacuteniacute

3 překonaacuteniacute nekřiacutežitelnosti - embryokultury

4 dlouhodobeacute udržovaacuteniacute genetickyacutech zdrojů

5 indukce mutantů - ziacuteskaacuteniacute novyacutech genotypů

6 předselekce - urychleniacute šlechtitelskeacuteho cyklu

7 ziacuteskaacuteniacute novyacutech a udrženiacute genotypů s pylovou sterilitou

8 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho procesu

9 produkce haploidů

10 produkce polyploidů

11 rychlejšiacute ziacuteskaacuteniacute vyacutechoziacuteho šlechtitelskeacuteho materiaacutelu pro noveacute odrůdy

12 somatickaacute hybridizace - fuacuteze

13 konstrukce novyacutech genotypů kulturniacutech plodin přenos bdquoužitečnyacutech genůldquo

14 udržovaacuteniacute genofondu

15 selekce in vitro - rezistence k abiotickyacutem a biotickyacutem stresům

16 produkce sekundaacuterniacutech metabolitů

Plodina Technika

ječmen pšenice kukuřice

řepka paprika brukvovitaacute

zelenina mrkev

androgeneze

cibule gynogeneze

jahodniacutek česnek ozdravovaacuteniacute

brambor traacutevy polyploidizace in vitro

jeteloviny drobneacute ovoce

ovocneacute dřeviny podnože traacutevy mikropropagace

brambor řepka somatickaacute hybridizace

hraacutech brambor rezistence k chorobaacutem

traacutevy embryokultury

Kombinace metod embryokultury oplozeniacute in vitro fuacuteze protoplastů

plodiny se geneticky upravujiacute pro většiacute rezistenci k herbicidům - ničeniacute plevele bez poškozeniacute uacuterody GM rajčata potlačujiacute gen pro polygalakturonaacutezu enzym degradujiacuteciacute pektin způsobujiacuteciacute měknutiacute pletiv (Deacon a kol 2002)

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK

Meristeacutemoveacute kultury

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny meristeacutemoveacute kultury

Vyacutehody maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky naacuteslednaacute mikropropagace ozdraveneacuteho materiaacutelu bdquovirus - freeldquo

Vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana Iniciace kultury Testovaacuteniacute in vitro Přenos do nesterilniacutech podmiacutenek Testovaacuteniacute

MERISTEacuteM ndash děliveacute nediferencovaneacute pletivo ozdravovaacuteniacute rostlin (02 - 05 mm) meristeacutemy

OZDRAVOVAacuteNIacute Termoterapie (vyššiacute teplota)

Meristeacutemovaacute kultura Chemoterapie (antivirotika)

viry - nebuněčneacute mikroorganismy virovaacute čaacutestice = virion sklaacutedaacute se z RNA nebo DNA a kapsidu

fytopatologie in vitro

ribavirin

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny

Vyacuteznamneacute viroveacute choroby rostlin v ČR od 30 ztraacutet CaMV - 1968 PVY 30 -70 VMCH (virus mozaiky chmele) až o 70 mozaika česneku 25 - 50 žloutenka cibule až 100 bronzovitost rajčat

- žloutnutiacute listů kroužky a čaacutery na listech nevyvinuteacute rostliny abnormaacutelniacute růst - vstupujiacute různyacutemi poraněniacutemi - šiacuteřiacute se plasmodesmaty - velmi odolneacute proti inaktivaci - přenaacutešeny semeny hliacutezami pylem roubovaacuteniacutem hmyzem houbami červy

1952 Morel a Martin u jiřin

Využitiacute metody jahodniacutek česnek zeleniny květiny okrasneacute dřeviny ovocneacute dřeviny banaacutenovniacutek hellip

Tvorba bezviroacutezniacutech rostlin

1 meristeacutem = 1 rostlina testovaacuteniacute

wwwoselczindexphpclanek=2819

viroacutezniacute x zdravaacute

M Navraacutetil KBBPřFUPOL

PVY

In vitro klonovaacuteniacute mikropropagace meristeacutemoveacute kultury

zisk geneticky identickeacute rostliny vegetativniacutem množeniacutem

VYacuteHODY

maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny ktereacute jsou geneticky stabilniacute

v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky

vyššiacute množitelskyacute koeficient - potenciaacutelniacute hodnota zisku rostlin

Postup - vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana - iniciace kultury - mikropropagace - přenos do nesterilniacutech podmiacutenek

KLON - kolekce geneticky identickyacutech individuiacute původem z jedineacuteho rodiče

komerčně od 1960

httpwwwjanholubcz

In vitro meristeacutemoveacute kultury - využitiacute - zaacutechrana a množeniacute ohroženyacutech druhů kaktusy

- zaacutechranneacute množeniacute cennyacutech genotypů a liniiacute sterilniacutech rostlin - udrženiacute rodičovskyacutech komponent pro tvorbu hybridniacutech odrůd

- množeniacute transgenniacutech rostlin

- zachyceniacute a klonovaacuteniacute nově nalezenyacutech mutantů při šlechtěniacute

- klonovaacuteniacute nejlepšiacutech jedinců pro produkci elitniacuteho osiva

- vegetativniacute množeniacute okrasnyacutech rostlin karafiaacutet gerbera anthurie orchideje

sanpaulie kapradiny hellip

- množeniacute drobneacuteho ovoce jahodniacutek maliniacutek reacuteva

- množeniacute dřevin podnože pro školkařstviacute lesniacute dřeviny tropickeacute dřeviny

- v zelinaacuteřstviacute množeniacute brambor zeliacute

- množeniacute pouze samičiacutech rostlin datlovaacute palma

- kryoprezervace (-196 oC) jahodniacutek maliniacutek hraacutech brambor karafiaacutet

Genoveacute

banky

Mikropropagace multiplikace klonovaacuteniacute nejen z meristeacutemů

Solanum tuberosum Cucumis sativus Olea europea Eucalyptus grandis Salix sp Syringa sp Juglans regia

Schopnost regenerace tvorba identickyacutech rostlin = přiacutemaacute somatickaacute embryogeneze

Meristeacutemy Pryacutetoveacute segmenty Kalusy Embrya

Zdroje odchylek bull vysokeacute daacutevky růstovyacutech regulaacutetorů typ regulaacutetoru bull rostliny regenerujiacute z basaacutelniacuteho kalusu (možnost gen změn)

Kalusoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Primaacuterniacute explantaacutet kalus meristemoid orgaacutenoveacute primordium

Kalus = masa děliacuteciacutech se a rostouciacutech buněk

nejsou uniformniacute mohou se lišit velikostiacute tvarem pigmentaciacute metabolismem nebo počtem chromosomů

bull za určityacutech podmiacutenek regenerace pryacutetů a kořiacutenků

tma x světlo

subkultivace

metoda geneticky nestabilniacute

Kalusoveacute kultury - somaklonaacutelniacute variabilita ndash MUTACE a zisk novyacutech znaků

- mikropropagace ndash cibule žen-šen hellip

- vyacutechoziacute materiaacutel pro suspenzniacute a protoplastovou kulturu

- materiaacutel pro indukovaneacute mutace (zaacuteřeniacute chemomutageny)

- sekundaacuterniacute metabolity (alkaloidy AMK saponiny oleje složky vůniacute protinaacutedoroveacute laacutetky steroidy )

polyploidie aneuploidie

Selekce mutantů se zlepšenou nutričniacute hodnotou (viacutece biacutelkovin v zrnu)

Rezistence vůči zasoleniacute (vysokyacute turgor v buňkaacutech akumulace NaCl ve vakuolaacutech)

Rezistence vůči chorobaacutem (synteacuteza fytotoxinů fytoalexinů)

Sekundaacuterniacute metabolity (= chemickeacute individuality v rostlinaacutech ndash barviva vůně chuti obrana)

Artemisia annua - artemisin (antimalarika) Capsicum sp - capsaicin (protinaacutedoroveacute)

Digitalis lanata - digoxin (srdečniacute stimulanty) Papaver somniferum - codein (sedativa)

Taxus breviola - taxol (protinaacutedoroveacute) Vanilla planifolia - vaniliacuten (aroma)

Panax ginseng - (imunitniacute systeacutem) Zingiber officinale ndash gingerol (antioxidant)

Somatickaacute embryogeneze a suspenzniacute kultury

Využitiacute

umělaacute semena (enkapsulace somatickyacutech embryiacute)

využitiacute somatickeacute variability

klonoveacute množeniacute

sekundaacuterniacute metabolismus (suspenze)

kryoprezervace

Buněčnaacute suspenze = převedeme kalus do tekuteacuteho meacutedia

a provzdušňujeme (kontakt buněk a shluků buněk s meacutediem)

vznikaacute bipolaacuterniacute struktura obsahujiacuteciacute kořen a pryacutet

auxin (24-D)

umělaacute semena

Mutace RADIOMUTANT PROSPĚCH NEBO ZAacuteLUDNOST

SPONTAacuteNNIacute MUTACE využiacutevaacute člověk při šlechtěniacute odrůd spur typy (kompakt typy) jabloniacute absence trnů u ostružiniacuteku variabilita květenstviacute jiřinky proměnliveacute vznik plemen domaacuteciacutech zviacuteřat je založen na podchyceniacute spontaacutenniacutech mutaciacute ndash plemena psů

INDUKOVANEacute MUTACE působeniacute mutagenů

zaacuteměrneacute ndash ve vyacutezkumu ve šlechtěniacute rostlin (př odrůdy ječmene DIAMANT (zkraacuteceniacute steacutebel ndash nepoleacutehaacute) kompaktniacute růst a samosprašnost třešně změna barvy slupky u jabloně ndash sbquoredlsquo mutace)

nezaacuteměrneacute ndash důsledek použitiacute jadernyacutech a chemickyacutech zbraniacute ndash Yperit jaderneacute a jineacute katastrofy

1950 radiomutace chemomutace 1965 ječmen Diamant

Suspenzniacute kultury - SK KULTURA V TEKUTEacuteM MEacuteDIU ROSTE A DĚLIacute SE NĚKOLIKANAacuteSOBNĚ RYCHLEJI NEŽ KULTURA

NA PEVNEacuteM MEacuteDIU Využitiacute jako experimentaacutelniacute model produkce sekundaacuterniacutech metabolitů indukce somaklonaacutelniacute variability a naacutesledneacute selekce mikropropagace (pod kontrolou genetickeacute stability) pohyb kultury v bioreaktoru maacute za naacutesledek potlačeniacute apikaacutelniacute dominance tiacutem se stimuluje růst mnohonaacutesobnyacutech pryacutetů

Bioreaktory firmy VitroSys Inc Korea

ideaacutelniacute SK ndash rychlyacute růst karyologickaacute stabilita životnost buněk rentabilita

Minimaacutelně 103 ml buněk 110 suspenze v exponenciaacutelniacute faacutezi se doplniacute čerstvyacutem meacutediem Koncentrace sacharidů prodlužuje periodu růstu

Velkokapacitniacute kultivace rostlinnyacutech buněk v tekutyacutech meacutediiacutech sterilniacute prostřediacute obsahujiacuteciacute živiny a laacutetky potřebneacute pro růst a jeho regulaci vhodneacute pro kultivaci rostlinnyacutech mikrobiaacutelniacutech a živočišnyacutech buněk

Bioreaktor

Bioreaktory s tekutyacutem meacutediem explantaacutety jsou ponořeny v tekuteacutem meacutediu Bioreaktory s pravidelnyacutem zaplavovaacuteniacutem (temporary immersion bioreactor TIB) explantaacutety jsou pravidelně zaplavovaacuteny

Bioreaktor

httpwwwuebcasczcscontentzensenove-spagety

pěstujiacute se jen kořeny - zisk GINSENOSIDŮ za 3 měsiacutece v laboratoři stejnyacute zisk jako z rostlin ženšenu v přiacuterodě za 8 let obsah GINSENOSIDŮ je srovnatelnyacute s planě rostouciacutemi rostlinami množstviacutem i vzaacutejemnyacutem poměrem jednotlivyacutech laacutetek

v Koreji od r 2004

hairy-root systeacutem a sekundaacuterniacute metabolity

Sekundaacuterniacute metabolity - SM ROSTLINA BUNĚČNAacute KULTURA

EXTRAKT prověřovaacuteniacute oddělovaacuteniacute čištěniacute aktivniacute složky testovaacuteniacuteprověřovaacuteniacute

ČISTAacute BIOAKTIVNIacute LAacuteTKA

SM z buněčneacute kultury - extrakty ziacuteskaneacute za reprodukovatelnyacutech podmiacutenek spolehliveacute zdroje meacutedium - množstviacute čisteacuteho produktu

buňky rostou v tekuteacutem meacutediu -ne celaacute rostlina

produkt rostlina in vitro ()

rostlina ()

poměr

ginsenoside Panax ginseng 27 45 6 x

rosmarinic acid Coleus blumei 27 3 9 x

caffeic acid Vanilla planifolia 002 0005 4 x

shikonin Lithospermum erythrorhizon

20 15 135 x

ubiquinon-10 Nicotiana tabacum 0036 0003 12 x Heldman et al 2011

anti

oxy

dan

ty v sušině

bioreaktory

Sekundaacuterniacute metabolity - SM Rostlina Uacutečinnaacute laacutetka Uacutečinek

Artemisia annua pelyněk ročniacute artemisinin antimalarikum

Digitalis lanata naacuteprstniacutek vlnatyacute digoxin srdečniacute stimulants

Dubosia myoporoides lilkoviteacute atropin

scopolamin

očniacute přiacutepravky mořskaacute nemoc

Lithospermum

erythrorhizon

kamejka

rudokořennaacute

shikonin protinaacutedoroveacute

Panax ginseng ženšen pravyacute stimulant imunitniacuteho systeacutemu

Salix alba vrba biacutelaacute salicin antirevmatikum proti horečce

Taxus brevifolia tis

zaacutepadoamerickyacute

baccatin taxol protinaacutedoroveacute

Vinca rosea barviacutenek růžovyacute vinblastin

vinkristin

protinaacutedoroveacute alkaloidy

leukeacutemie

buněčnaacute kultura

Rostlina Extrakt Uacutečinek

Linum usitatissimum len setyacute olej

Mentha piperita maacuteta peprnaacute maacutetovyacute olej -

mentol

žaludečniacute potiacuteže

Mentha spicata maacuteta klasnataacute mentol žaludečniacute potiacuteže

Zingiber officinale zaacutezvor leacutekařskyacute gingerol antioxidant

informace z tradičniacute lidoveacute mediciacuteny - použitiacute extraktů a purifikace zdroje z nedotčeneacuteho ekosysteacutemu

kalusovaacute kultura buněčnaacute suspenze orgaacutenovaacute kultura - Artemisia Mentha - pryacutety

rostliny jsou vyacuterobci sekundaacuterniacutech metabolitů

cytostatikum

Sekundaacuterniacute metabolity - SM

Heldman et al 2011

VYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY

nezaacutevisleacute na geografickyacutech podmiacutenkaacutech

nezaacutevisleacute na sezoacutenniacutech podmiacutenkaacutech

v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

v přiacuterodě kontrolovaacuteno množstviacute in vitro ne

nepřetržitaacute dodaacutevka produktu

uniformniacute kvalita produktu

uniformniacute vyacutetěžnost produktu (průběžně)

vyacuteběr vhodneacute linie s vyššiacute produkciacute produktu

možnost tvorby novyacutech laacutetek nenormaacutelniacutech u donora

NEVYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY staacutele se vyviacutejejiacuteciacute

překaacutežky - pomalyacute růst

genetickaacute nestabilita

různorodost

niacutezkyacute obsah metabolitu

produkty vylučovaacuteniacute provozniacute - světelneacute podmiacutenky aseptickeacute podmiacutenky

STRATEGIE TVORBY SM vyacuteběr donorovyacutech rostlin - biochemickeacute testy

iniciace kalusů

vyacuteběr buněčneacute linie - rychle rostouciacute vysokaacute produkce

ciacutelenyacute metabolismus - kultivačniacute meacutedium (složeniacute koncentrace proporcionalita)

kultivačniacute podmiacutenky (teplota světlo pH) zvlaacuteštniacute požadavky (prekurzor simulace stresu - napadeniacute patogenem)

uvolněniacute do meacutedia

Embryokultury

Embryokultury = kultivace zralyacutech nebo nezralyacutech embryiacute in vitro

1904 Hannig - embrya u ředkve

1925 Laibach - aplikace v mezidruhoveacutem křiacuteženiacute r Linum sp

1945 Randolph - zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu u r Iris sp

1970 Kasha Kao - ziacuteskaacuteniacute haplodů u ječmene

Hordeum vulgare (zůstaacutevaacute) x Hordeum bulbosum (eliminace chromozoacutemů)

Zygotickaacute embrya vyacuteživa z endospermu (heterotrofniacute)

Embrya in vitro vyacuteživa z kultivačniacuteho meacutedia

In vitro oplodněniacute u člověka - 1978 pro neplodneacute paacutery

geneticky stabilniacute metoda

Embryokultury- in vitro

I Kultura semennyacutech embryiacute tj izolace plně vyvinutyacutech

bipolaacuterniacutech struktur obsahujiacuteciacutech kořenovyacute a stonkovyacute systeacutem

II Kultura proembryiacute tj izolace nezralyacutech zaacuterodků předchaacutezejiacuteciacutech

diferenciaci děloh

Embryogeneze zygotickeacuteho embrya (in vivo)

zygota (přiacuteprava na 1 děleniacute)

faacuteze pomaleacuteho vyacutevinu embrya po oplozeniacute

faacuteze rychleacuteho vyacutevinu růstu a diferenciace embrya

faacuteze dozraacutevaacuteniacute embrya

faacuteze přechodu embrya do dormance (ABA)

Embryokultury

1 překonaacuteniacute barieacuter vzdaacuteleneacuteho křiacuteženiacute (abortace hybridniacutech embryiacute sterility semen)

2 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu (viacutece generaciacute za rok)

3 řešeniacute jarovizačniacuteho staacutedia

4 primaacuterniacute explantaacutet pro dalšiacute kultury

5 eliminace inhibice kliacutečeniacute

6 studium mineraacutelniacute vyacuteživy

7 umělaacute semena

8 studium metabolickyacutech vztahů mezi embryem a endospermem embryem a dělohami

9 ziacuteskaacuteniacute haploidniacutech rostlin

Opylovaacuteniacute in vitro

Opylovaacuteniacute in situ

in vitro

Inkompatibilita rostlin

zaručuje stabilitu druhu

Barieacutery procesu opyleniacute a oplozeniacute

vnějšiacute (teplota vlhkost nedostatečnaacute vyacuteživa )

vnitřniacute (inkompatibilita samčiacute nebo samičiacute sterilita)

využitiacute v raacutemci šlechtěniacute rostlin k překonaacuteniacute prezygotickyacutech barieacuter vznik mezidruhovyacutech mezirodovyacutech hybridů

Barieacutery Technika překonaacuteniacute

Před oplodněniacutem selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute blizny pestiacuteku pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

rezistence vůči abiotickeacutemu stresu rezistence vůči škůdcům vyššiacute vyacutenos

přenos z jineacuteho druhu

EK využitiacute ve šlechtěniacute

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury HAPLOID rostlina s n počtem chromozomů menšiacute sterilniacute

1963 T Yamada a kol Tradescantia reflexa (haploidy)

1964 - 1966 S Guha SC Maheswari Datura diploidizace kolchicinem

1969 JP Nitsch a kol celeacute rostliny (tabaacutek)

1973 JP Nitsch Norrel mikrosporoveacute kultury

2000 šlechtitelskeacute programy polniacutech plodin (obiloviny řepka)

využiacutevajiacute haploidniacute kultury in vitro

Androgeneze prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Androgeneze - kultivace prašniacuteků pyl zrn mikrospor = samčiacute genotyp

Gynogeneze - kultivace neoplodněnyacutech vajiacuteček = samičiacute genotyp

Haploidie - spontaacutenniacute = haploidniacute partenogeneze (gynogeneze androgeneze) frekvence 10-6

- experimentaacutelniacute indukovanaacute

fyzikaacutelniacute faktory = UV γ-zaacuteřeniacute X-paprsky teplotniacute šoky

zaacutesahy do procesů opyleniacute a oplozeniacute (inaktivniacute pyl)

explantaacutetoveacute metody = prašniacutekoveacute a pyloveacute kultury kultivace semeniacuteků a vajiacuteček

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury Ontogeneze pylu

In vivo mikrosporogeneze

pylovaacute mateřskaacute buňka

meiosa

pyloveacute tetraacutedy

vyacutevoj mikrospory (1 pyl mitoacuteza)

In vitro vyacutevoj embryoidu

(vegetativniacute generativniacute buňka)

- přiacutemaacute embryogeneze

- nepřiacutemaacute embryogeneze

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

využitiacute haploidů (majiacute jen jednu sadu chromosomů)

segregace vloh na gametickeacute uacuterovni ndash homozygoacutetniacute stav (čisteacute linie v F2 generaci)

detekce recesivniacutech mutaciacute (fenotypickyacute projev)

trpasličiacute varieta ndash u okrasnyacutech rostlin

Dihaploidizace

n rostliny - sterilniacute

104 ndash 105 mikrospoacuterml meacutedia

Brassica sp

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Prašniacutekoveacute kultury

viacutece než 200 druhů (řepka ryacuteže kukuřice obiloviny)

20-60 dnů

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

vyacutevoj globulaacuterniacuteho embrya a naacutesledně haploidniacute rostliny přiacutemo z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory

z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory vznikaacute kalus rarr indukce organogeneze

TYPY ANDROGENEZE

vzaacutecně

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Solanaceae

Brassicaceae

Poaceae

prašniacuteky

Androgeneze

Indukovanaacute androgeneze ndash přiacuteklady

Beta vulgaris - homozygotniacute linie

Brassica napus - novaacute odrůda linie

Hordeum vulgare

Lycopersicon - novaacute odrůda

Nicotiana - noveacute odrůdy

Oryza - noveacute odrůdy

Pelargonium - trpasličiacute variety

Triticum ndash cv Florin Huapei

Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby Praha Vyacutezkumnyacute uacutestav obilnaacuteřskyacute Kroměřiacutež Vyacutezkumnyacute uacutestav olejnin Oseva

Gynogeneze kultury izolovanyacutech vajiacuteček

kultury izolovanyacutech semeniacuteků

kultury izolovanyacutech květenstviacute in vitro

haploidniacute rostliny

spontaacutenniacute dihaploidniacute rostliny

ječmen kukuřice moruše

slunečnice cibule

kultivace vajiacuteček Beta vulgaris Tomaszewska-Sowa 2010

327 haploids 458 diploids and 215 ndash mixoploids

x opyleniacute ozaacuteřenyacutem pylem

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

Polyploidizace in vitro

duplikace celeacuteho genomu až 70 všech krytosemennyacutech rostlin je polyploidniacutech (Masterson 1994) POLYPLOID metabolicky aktivnějšiacute a rozměrnějšiacute plodiny ktereacute jsou vhodneacute pro pěstovaacuteniacute a leacutepe se vyrovnaacutevajiacute se stresovyacutemi podmiacutenkami

kolchicin

oryzalin

trifluralin

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze protoplastů

1892 Klecker - 1 mechanickaacute izolace protoplastů Stratiotes aloides (řezan pilolistyacute) 1960 EC Cocking 1 enzymatickaacute izolace protoplastů Nicotiana sp 1978 G Melchers a kol 1 mezirodovyacute hybrid bdquopomatoldquo bdquotopatoldquo Solanum tuberosum x S lycopersicum (Lycopersicum esculentum)

httptheplanetfixerorg387new-vegetable-created-the-tomato-potato-plant

Protoplastoveacute kultury

= kultivace rostlinnyacutech buněk zbavenyacutech buněčneacute stěny

Protoplast = rostlinnaacute buňka bez buněčneacute stěny jejiacute povrch tvořiacute cytoplazmatickaacute membraacutena maacute kulovityacute tvar

Protoplastoveacute kultury - regenerace

Faktory ovlivňujiacuteciacute kultivaci a regeneraci

Hustota ( počet protoplastů v 1 ml)

Životnost ()

Podmiacutenky kultivace a meacutedium

bull Studium synteacutezy buněčneacute stěny vyacutevoj buňky fyziologie buňky a cytogenetiku

bull Studium hodnoceniacute uacutečinků farmak potravinovyacutech doplňků agrochemickyacutech laacutetek na rostlinnou

buňku

bull Studium transportu iontů a laacutetek přes cytoplasmatickou membraacutenu

bull Somatickaacute hybridizace (fuacuteze protoplastů)

bull Inkorporace exogenniacuteho genetickeacuteho materiaacutelu ndash organel cybridizace

bull Genoveacute transformace (cizorodaacute DNA z bakteriaacutelniacuteho plasmidu)

Protoplastoveacute kultury - fuacuteze

Využitiacute

kombinace znaků odlišnyacutech druhů a rodů ktereacute by nevznikly přirozenou cestou

jedinečneacute kombinace jadernyacutech a organelovyacutech genomů vytvaacuteřiacute noveacute genetickeacute zdroje

často jen - čaacutest chromozomů asymetrickeacute jaderneacute hybridy

chloroplasty

mitochondrie

chemickeacute fuacuteze - pomalejšiacute elektrofuacuteze - fuacutezanti po 10 min vyššiacute frekvence fuacutezantů

cytoplazmickeacute hybridy - cybridy

Charakterizace hybridů - morfologicky cytologicky molekulaacuterniacute analyacutezy

Přirozenaacute mezidruhovaacute hybridizace - vznik některyacutech kulturniacutech plodin

B oleracea + B campestris = Brassica napus Nicotiana sylvestris + N tomentosa = Nicotiana tabacum

cybridy nelze ziacuteskat klasickou hybridizaciacute (křiacuteženiacutem) ndash samčiacute pohlavniacute buňky (pyl zrna) nemajiacute plastidy a mitochondrie

V přiacuterodě blesky do půdy modifikace bakteriiacute

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

Přenos jaderneacute a cytoplazmatickeacute genetickeacute informace mezi rostlinnyacutemi druhy rody

- překonaacuteniacute sexuaacutelniacute inkompatibility

- přenos genů rezistence vůči virovyacutem houbovyacutem chorobaacutem

- přenos cytoplazmatickeacute samčiacute sterility

- přenos rezistence vůči stresům (teplotniacutem zasoleniacute)

- přenos rezistence vůči hmyziacutem škůdcům

(synteacuteza fytoalexinů)

- přenos genů pro synteacutezu zaacutesobniacutech proteinů vitamiacutenů

alkaloidů

plnokvětost

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

využitiacute pro fytoremediace

Brassica juncea Tlaspi caerulescens brukev siacutetinovitaacute peniacutezek modravyacute akumulace Pb akumulace Zn a Ni hybrid se zvyacutešenou rezistenciacute k Pb Zn a Ni rychlyacute naacuterůst

biomasy

Brassica napus Thlaspi caerulescens hybridi rostly na vysokeacutem obsahu Zn

Fuacuteze protoplastů rodu Brassica s planyacutemi druhy

Armoracia rusticana

Barbarea vulgaris

Camelina sativa

Capsella bursa pastoris

Diplotaxis catholica

Diplotaxis muralis

Diplotaxis harra

Eruca sativa

Lesquerella fendleri

Mathiola incana

Moricandia arvensis C4

Moricandia nitens C4

Raphanus sativus

Sinapis alba

Sinapis arvensis

Thlaspi perfoliatum

Thlaspi caerulescens

Genoveacute banky In vitro genoveacute banky

2397 vzorků 1249 odrůd Solanum tuberosum 450 teraploidniacutech křiacuteženců S tuberosum 266 dihaploidů 119 mezidruhovyacutech hybridů rodu Solanum 313 genotypů kulturniacutech genotypů 23 planyacutech druhů

Havliacutečkův Brod

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu rostlin

1 Uchovaacutevaacuteniacute semen ndash semenneacute banky (od 1 roku - hellip)

2 Uchovaacutevaacuteniacute vegetativniacutech orgaacutenů ndash hliacutezy cibule řiacutezky

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro Kraacutetkodobeacute - aktivně rostouciacute kultury (pravidelneacute pasaacuteže) - uchovaacuteniacute kultur v minimaacutelniacutem růstu nižšiacute teploty kultivace

Dlouhodobeacute u rostlin kde nejsou semena

- za velmi niacutezkyacutech teplot (-196oC) = kryobanka

Databaacuteze ndash přiacutestupneacute z celeacuteho světa

Špicberky

genobanka - wwwvurvcz part databases EVIGEZ

vyacuteznam v mediciacuteně

Zaacuteložniacute fond semena potravinaacuteřskyacutech plodin z celeacuteho světa

stane se zaacuteložniacutem fondem pro ostatniacutech 1400

semennyacutech bank po celeacutem světě

v Iraacuteku a v Afghaacutenistaacutenu byla podobnaacute zařiacutezeniacute za

vaacutelky zcela zničena

na Filipiacutenaacutech je v roce 2006 poškodila povodeň

semennaacute banka pro světoveacute plodiny je umiacutestěna v hoře

maacute vyztuženeacute stěny betonem a železem

třiacute komory o velikosti 27 kraacutet 10 metrů

teplota minus 18 oC (konzervace po stovky až tisiacutece let) httpwwwnorambczarkivBasisartikler---OversettelserIkke-

bruktnovinkyseedvault_eng

k 1172010 zde bylo uloženo 716 523 vzorků semen patřiacuteciacutech ke 4 205 druhům

českaacute banka uloženaacute v Praze-Ruzyni zaacuteloha na Slovensku

Špicberky

Uchovaacutevaacuteniacute genofonduv ČR

genofond odrůd meruněk broskvoniacute mandloniacute reacutevy vinneacute kdouloniacute lonicer rakytniacuteků a dřiacutenů

2400 položek

25 000 položek

5400 položek 2397

položek

4700 položek

2000 položek

2300 položek

Naacuterodniacute informačniacute systeacutem genetickyacutech zdrojů EVIGEZ httpwwwgenbankvurvczgeneticresources

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro

KRYOBANKA

prašniacuteky a pyl pletiva a orgaacuteny meristeacutemy

kalus

suspennzniacute somatickaacute kultury embrya

dlouhodobeacute skladovaacuteniacute

nižšiacute naacuteroky na uchovaacuteniacute

mezinaacuterodniacute vyacuteměna

nižšiacute podiacutel lidskeacute praacutece

potřeba menšiacuteho prostoru

uchovaacuteniacute genetickeacute stability

omezeniacute staacuternutiacute

ozdravenyacute materiaacutel

prodlouženeacute použitiacute pylu

uchovaacuteniacute vzaacutecnyacutech rostlin

apikaacutelniacute vrcholy

Biotechnologickaacute laboratoř Nestleacute - uchovaacutevaacute buněčneacute embryogenniacute linie kaacutevy kakaa a banaacutenů

Německaacute sbiacuterka mikroorganismů a buněčnyacutech kultur (DSMZ Braunschweig Německo) meristeacutemy 519 staryacutech kultivarů brambor ndash metoda mrazeniacute alginaacutetovyacutech perel

International Potato Centre (CIP Lima Peru) - 345 kultivarů brambor

INIBAP Leuven Belgie - 306 kultivarů banaacutenu (14 ze světoveacuteho počtu kultivarů)

Naacuterodniacute genobanka klonů NCGR USA - ročniacute naacuteklady

udržovaacuteniacute jedneacute položky v sadu (hrušně) 77 dolarů na skladovaacuteniacute in vitro 23 dolarů na kryoprezervaci 1 dolar (při počaacutetečniacute investici na kryometodu 50 dolarů za uchovaacutevanou jednotku)

Přiacuteklady komerčniacuteho využitiacute kryoprezervace meristeacutemů

Aplikace biotechnologiiacute ve šlechtěniacute rostlin

rostliny postraacutedajiacute schopnost aktivně se přesouvat z dosahu nepřiacuteznivyacutech vlivů rostliny vyvinuly adaptačniacute mechanismy pro překonaacuteniacute stresů a tiacutem přežitiacute v extreacutemniacutech podmiacutenkaacutech

Biotechnologie v zemědělstviacute ekologickeacute zemědělstviacute

VLIV ŠKŮDCŮ CHOROB A PLEVELŮ NA ZEMĚDĚLSKEacute PLODINY

1 sniacuteženiacute velikosti a vaacutehy zrna 2 ztraacuteta ve velikosti hliacutez a kořenů 3 zvyacutešeniacute obsahu vlhkosti 4 změny v chemickeacutem složeniacute zrna hliacutez a kořenů 5 odbarveniacute zrna a hliacutez - deformace 6 tvorba mykotoxinů patogeny 7 sniacuteženiacute kliacutečivosti 8 redukce krmiva

spotřeba vody - rezistence k suchu sniacutežiacute spotřebu uchovaacuteniacute vody rostlinou aplikace hnojiv chemickaacute kontrola škůdců

- studium abiotickeacuteho stresu

- zlepšeniacute ochrany rostlin vůči škůdcům

- ochrana životniacuteho prostřediacute

- zlepšeniacute kvality potravin

odstraněniacute hladu GMO fytoremediace

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

ohroženiacute klimatickyacutem suchem v ČR ndash nejrizikovějšiacute oblasti nižšiacute polohy na jižniacute a středniacute Moravě v prostoru mezi Prahou Uacutestiacutem nad Labem a Žatcem zaacutepadně od Pardubic

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

Rezistence k suchu - využitiacute vody

Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

vyacutevoj samčiacuteho gametofytu - spojen s expresiacute genů - 150 specifickyacutech genů spraacutevneacute načasovaacuteniacute

sporofyt gametofyt

2n 1n

rostlina pylovaacute zrnazaacuterodečnyacute vak

pohlavniacute rozmnožovaacuteniacute přiacuterodniacute vyacuteběr

pylzrna - exina (ovlivněna sporofytem) ochrana před UV laacutekaacuteniacute opylovačů - barva vůně komunikace s bliznou produkce alergenů

strategie rostlin zabraacuteněniacute samoopyleniacute

Biotechnologie v zemědělstviacute samčiacute gametofyt n TETRASPORE (TES) reg gen je vyžadovaacuten ke tvorbě přepaacutežek mezi produkty meioacutezy u mutanta všechna čtyři jaacutedra mikrospoacutery zůstaacutevajiacute ve stejneacute cytoplazmě polyploidniacute jedinci n GEMINI POLLEN 1 (GEM1) reg gen je vyžadovaacuten k orientaci mitotickeacuteho vřeteacutenka mutant tvořiacute dvě symetrickaacute jaacutedra typu vegetativniacuteho vede ke sterilitě n SIDECAR POLLEN (SCP) reg gen je vyžadovaacuten k děleniacute pylu prvniacute symetrickaacute pylovaacute mitoacuteza mutanta daacutevaacute dvě stejneacute buňky jedna extra- vegetativniacute (sterilniacute sidecar) a druhaacute regvegetativniacute a generativniacute mutace nevede ke sterilitě n QUARTET (QRT) reg gen je vyžadovaacuten k separaci pylovyacutech zrn u mutantů jsou stěny meiotickyacutech produktů pyloveacute mateřskeacute buňky fuacutezovaacuteny a zrna se uvolňujiacute v tetraacutedaacutech

samičiacute makrogametofyt n FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED (FIS) a FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) reg geny hrajiacute regulačniacute role ve vyacutevinu semene po oplozeniacute u mutantů se diploidniacute jaacutedra endospermu vyviacutejejiacute bez oplozeniacute pak atrofujiacute mutace neovlivňujiacute vaječnou buňku - procesy embryogeneze a vyacutevinu endospermu jsou odlišneacute n MEDEA (MEA) reg mutace genu způsobuje hypertrofii a zaacutenik embrya neniacute jasneacute na jakeacute uacuterovni se gen projevuje zaacuterodečnyacute vak endosperm nebo maternaacutelně imprintovanyacute embryonaacutelniacute gen

Biotechnologie ve šlechtěniacute rostlin Selektivniacute šlechtěniacute rostlin - přiacuterodniacute genetickeacute diverzity rostlin Techniky překonaacuteniacute barieacuter šlechtěniacute

Barieacutery Technika překonaacuteniacute Před oplodněniacutem

selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute pestiacuteku

pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony

pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro

selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů

odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute

abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry

sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

vyacutevoj semen

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

Škůdci v historii naacutelety sarančat (Staryacute zaacutekon)

ochrana saze tabaacutek

začaacutetek 19 stol - siacutera na houboveacute patogeny 1939 objev DDT uacutečinek na hmyz teorie bdquohmyz se může staacutet rezistentniacuteldquo 1948 Nobelova cena P Muumlller

50 leacuteta 20 st - herbicidy - postřiky na plevele ( rezistence na herbicid) 1972 zaacutekaz DDT (vyacutejimka - boj s malaacuteriiacute v Africe - naacutevrat DDT)

škůdce - hmyz hliacutestice 1861 - v Americe Iowa Nebraska 1880 1 pesticid v S Americe arzeacutenem bdquoParis greenldquo

S rostouciacute intenzitou pěstovaacuteniacute roste hospodaacuteřskyacute vyacuteznam škodlivyacutech organismů objem škod se zvyšuje staacutele přibyacutevajiacute noveacute druhy škodlivyacutech organismů zavaacutedějiacute se staacutele noveacute prostředky

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin - hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy

1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho

obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

ROS Reactive oxygen species reaktivniacute formy kysliacuteku SAR Systemic acquired resistance systeacutemově ziacuteskanaacute rezistence = neinfikovaneacute buňky začiacutenajiacute s přiacutepravou na atak patogena

napadeneacute rostliny uvolňujiacute signaacutelniacute molekuly (těkaveacute laacutetky - druhově specifickeacute) a varujiacute okolniacute rostliny ještě před napadeniacutem hmyzem

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin -hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy 1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

produkujiacute u různyacutech rostlin různě - sekundaacuterniacute metabolity - odstrašeniacute nebo zničeniacute patogena - proteiny inhibujiacuteciacute aktivitu zažiacutevaciacutech enzymů hmyzu - enzymy degradujiacuteciacute buněčnou stěnu hub (chitinaacutezy) - proteiny inhibujiacuteciacute překlad proteinů u škůdce - antiviroveacute složky degradujiacuteciacute virovou RNA blokujiacute vstup do buňky zastavujiacute replikaci

geny ktereacute bdquoSARldquo zapiacutenajiacute zvyšujiacute rezistenci rostliny

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům - již v čaacutesti fytotatologie

Co je plevel soutěžiacute s plodinou o živiny světlo a prostor intenziacutevně roste podiacuteliacute se na šiacuteřeniacute chorob a škůdců

lat herba - rostlina řeč cidoacute - ničiacutem

Vznik rezistence plevelů vůči některyacutem herbicidniacutem laacutetkaacutem = reakce plevelnyacutech druhů na podmiacutenky současneacuteho pěstovaacuteniacute rostlin = dlouhodobeacute působeniacute herbicidů

Vyacutevoj plevelů na zemědělskeacute půdě v naacutevaznosti na skladbu pěstovanyacutech plodin Vznik rezistence plevelů vůči herbicidům Problematika invaziacute a expanziacute plevelů

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům

Rezistenci vůči herbicidům způsobujiacute biochemickeacute fyziologickeacute změny nebo morfologickeacute odlišnosti ktereacute ovlivňujiacute přiacutejem herbicidů rostlinou

- degradujiacute herbicid

- měniacute jeho biochemickou funkci v rostlině

- pozměňujiacute miacutesto na ktereacute herbicid v rostlině působiacute

Rezistence rostlin vůči herbicidům dědičnaacute schopnost odolaacutevat takoveacute daacutevce herbicidů při ktereacute by za normaacutelniacutech okolnostiacute byla populace potlačena

směr pro šlechtěniacute

Aplikace rostlinnyacutech biotechnologiiacute v životniacutem

prostřediacute

takto nebo takto

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Těžba a zpracovaacuteniacute surovin(těžkeacute kovy- Cd Pb prach) Průmyslovaacute vyacuteroba (barviva)

Skladovaacuteniacute (haldy kaliště sklaacutedky) Zemědělstviacute (pesticidy herbicidy)

Domaacuteciacute odpad (leacutečiva detergenty praciacute prostředky)

čin

no

st č

lově

ka

půda voda ovzdušiacute

znečištěniacute

degradace organismy produkujiacuteciacute laacutetky (enzymy) pro

ciacutelenyacute rozklad

organismy snižujiacuteciacute toxicitu toxickeacute laacutetky metylaciacute dehalogenace hydroxylace hydrolyacuteza deaminacehellip

substraacutet je zdrojem C a energie

dekontaminace

+ katastrofy Černobyl vaacutelečneacute konflikty

remediace = navraacuteceniacute k původniacutemu stavu

Biodegradace všechny přirozeneacute procesy ktereacute jsou uskutečňovaacuteny bakteriemi a jinyacutemi mikroorganizmy nebo vyššiacutemi organismy ktereacute vedou k destrukci organickyacutech molekul = organickyacute substraacutet je přeměňovaacuten až na CO2 Bioremediace (bakterie houby)

spočiacutevaacute v akceleraci přirozenyacutech biodegradačniacutech procesů nebo v ciacuteleneacute biodegradace - vede k ozdraveniacute kontaminovaneacuteho prostřediacute - detoxifikace měniacute se na netoxickeacute = neškodneacute laacutetky - aplikaciacute mikroorganismů

Fytoremediace (rostliny) niacutezkaacute cena

využitiacute rostlin k odstraněniacute toxickeacute zaacutetěže (těžkeacute kovy) řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny Zooremediace (zviacuteřata)

zpracovaacuteniacute odpadů pomociacute zviacuteřat bezobratliacute - perlorodky měkkyacuteši

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

nevyacutehody pomalaacute viacutece než 2 roky maleacute rozměry vhodnyacutech rostlin maacutelo druhů vhodnyacutech rostlin neniacute 100 probleacutem s rostlinnyacutem odpadem - potřeba zvlaacuteštniacutech sklaacutedek spadeneacute listiacute

- řiacutezeneacute spalovaacuteniacute

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacute len slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

vyacutehody mineralizace organickyacutech sloučenin niacutezkeacute naacuteklady pasiacutevniacute metoda bez transportu kontaminovaneacute půdy energie ze slunečniacuteho zaacuteřeniacute nepoškozuje okoliacute - sniacuteženiacute prašnosti

estetickyacute přiacutenos etickyacute uacutečinek (veřejnosti přijatelnyacute)

2005 cca 450 rostlinnyacutech druhů - tzv bdquohyperakumulaacutetoryldquo 100 x vyššiacute akumulace než u ostatniacutech rostlin

teorie vzniku - obrana vůči hmyzu - hmyz preferuje

niacutezkeacute koncentrace kovu

Thlaspi careulescens

X bagrovaacuteniacute kontaminovaneacute zeminy transport zeminy dekontaminace

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute přiacutejem kořeny - z půdy přiacutejem nadzemniacute čaacutestiacute rostliny - vyacutefukoveacute plyny

akumuluje

degraduje

detoxifikuje

roste na kontaminovaneacute půdě

produkuje velkeacute množstviacute biomasy

tolerantniacute k salinitě a jinyacutem toxickyacutem podmiacutenkaacutem

poskytuje ekonomickeacute hodnoty - textilniacute vlaacutekna (len konopiacute)

GMO - gen fytovolatizace - bakteriaacutelniacute geny transformovaacuteny do rostlin transgeny merA a merB fytoextrakce - gen gsh1 a gsh2 z E coli do Brassica juncea

potenciaacutel je v GMO rostlinaacutech

Laboratoř rostlinnyacutech biotechnologiiacute Společnaacute laboratoř UacuteEB AV ČR vvi A VUacuteRV vvi Akademie věd Českeacute Republiky Mendelova univerzita v Brně Uacutestav experimentaacutelniacute botaniky AV ČR Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby v Praze Metoda použita na čištěniacute uranem a radiem znečištěneacute vody v Mydlovarech - kořenovaacute čistiacuterna

ideaacutelniacute rostlina

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

proces substraacutet ciacutel rostlina

fytoextrakce fytoakumulace

odstraněniacute toxickyacutech laacutetek z půdy a vody - akumulaciacute rychle rostouciacute rostlinou (zůstaacutevaacute v rostlině)

půda sedimenty kaly odpadniacute vody

toxickeacute kovy radionuklidy

Thlaspi sp Brassica sp

fytostabilizace ciacuteleneacute pěstovaacuteniacute tolerantniacutech druhů zamezeniacute eroziacute

půda haldy odkaliště těžkeacute kovy dlouheacute a bohateacute kořeny

fytovolatizace odstraněniacute Hg pomociacute genu koacutedujiacuteciacuteho reduktaacutezu Hg2+ na Hg0

a uvolněniacute do ovzdušiacute

půdy sedimenty odkaliště průmysloveacute a zemědělskeacute odpadniacute vody

kovy - Se Hg chlorovanaacute rozpouštědla

stromy traacutevy Brassica sp

fytodegradace degradace kontaminantů rostlinou na netoxickeacute laacutetky

půdy sedimenty odkaliště odpadniacute vody

ropneacute laacutetky pesticidy detergenty

stromy traacutevy

rhizofiltrace odstraněniacute pomociacute rostlinnyacutech kořenů

povrchoveacute vody odpadniacute vody

těžkeacute kovy - Co Cu Cr Mn Ni radionuklidy

Brassica sp Helianthus vodniacute rostliny hydroponie

superrostliny

niacutezkeacute naacuteklady

kořenovaacute čistička = umělyacute mokřad oddělenyacute od okoliacute nepropustnou foacuteliiacute využiacutevaacute samočisticiacutech procesů probiacutehajiacuteciacutech v propustneacutem půdniacutem prostřediacute za spoluuacutečasti rostlin čištěniacute odpadniacutech vod z domaacutecnostiacute sklaacutedek a některyacutech průmyslovyacutech provozů

Rhizofiltrace

httpwwwnemcoviceczcontentviewfull3607

rostliny s vysokyacutemi

naacuteroky na vyacuteživu

+

bakterie

může zapaacutechat

5x - 10 x nižšiacute naacuteklady

Člověk čistiacute odpadniacute vodu za pomoci zařiacutezeniacute

ale přiacuteroda to zvlaacutedaacute bez přiacutestrojů a mnohem levněji

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute niacutezkeacute naacuteklady

rostlina chemickaacute sloučenina

pšenice 24 -D MCPA jako zdroj uhliacuteku

kukuřice atrazin degradace atrazinu mikroorganismy rhizosfeacutery

fazole diazinon parathion mineralizace v rhizosfeacuteře

luštěniny nafta

Kučerovaacute et al 1999 Chemickeacute listy

přiacutejem - velikost kořenoveacuteho systeacutemu přiacutestupnost pro rostlinu např chelaacutety

transport rostlinou - apoplast (difuacuteziacute)

symplast (specifickeacute přenašeče)

miacutesto uskladněniacute hustota rostlin v porostu

zaacutevažnějšiacute ekologickyacute a toxikologickyacute vyacuteznam přibližně 16 prvků (Fe Mo Mn Zn NiCo Cu V W Cr Hg Pb Cd Sb Ag a U)

Budoucnost fytoremediaciacute niacutezkeacute naacuteklady

Fytoremediace v praxi

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Ural 1953 odstraněniacute těžkyacutech kovů

Amana Iowa hybridniacute topoly atrazin odstraněna čaacutest až 20

Beaverton Kreton

hybridniacute topoly

organickeacute laacutetky kovy

a amonneacute sloučeniny

celkoveacute vyčistěniacute oblasti

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Fukušima 113 2011 slunečnice radioaktivniacute cesium dekontaminace půdy

Černobyl 2641986 slunečnice jabloně

cesium stroncium dekontaminace půdy povrchoveacute vody

paacutes 30 km - likvidace radioaktivniacutech rostlin

nebudou spaacuteleny rozloženy a kompostovaacuteny - speciaacutelniacute bakterie

slunečnice spotřebovaacutevajiacute z půdy drasliacutek kteryacute patřiacute mezi alkalickeacute kovy stejně jako cesium drasliacutek neniacute v půdě přiacutetomen květiny využijiacute praacutevě druhyacute prvek - Cs

Biotechnologie v ŽP niacutezkeacute naacuteklady

fytomining - fytodobyacutevaacuteniacute fytodolovaacuteniacute

ziacuteskaacutevaacuteniacute kovů z rostlin kde klasickaacute těžba je nevyacutehodnaacute rostliny - bdquotěžaři vzaacutecnyacutech kovůldquo a polokovů AuTh Co U Cd Ni Cu Mn

v rostlinaacutech hyperakumulaacutetorech je akumulace prvku sušina rostliny jako -ldquobio-rudaldquo

vyacutehody

- obsah kovu v bdquobio-ruděldquo je vyššiacute než v běžneacute rudě

- meacuteně skladovatelneacuteho miacutesta

- zelenaacute technologie jako alternativa

fytomining Ni pomociacute Alyssum bertolonii

Robinson et al 1997 The nickel hyperaccumulator plant Alyssum bertolonii as a potential agent for phytoremediation and phytomining of

nickel Journal of Geochemical Exploration59(2)75-86

zlatonosneacute rostliny

zlataacute jablka

zlateacute kapradiacute

hledaacuteniacute nalezišť

technologie budoucnosti

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute bioplasty z biomasy (škroby tuky) nahrazujiacute fosilniacute zdroje vyacutehodou je biodegradace biopaliva rostlinnyacute materiaacutel a řasy bioethanol GMO rezistentniacute rostliny vůči postřikům hmyziacutem škůdcům transfer genů pro symbiotickou fixaci dusiacuteku z luštěnin do dalšiacutech plodin přenos genů z bdquoC4ldquo do bdquoC3ldquo rostlin pro dosaženiacute uacutečinnějšiacute fotosynteacutezy (ryacuteže)

Transgenoziacute se přenaacutešiacute přirozeneacute geny vznikleacute evoluciacute z jednoho organismu do druheacuteho kteryacute se s daacutercem genu obvykle

nemůže křiacutežit pouze dokaacuteže přenosy mezi vyacutevojově ještě vzdaacutelenějšiacutemi organismy

Geny použiacutevaneacute při transgenosi jsou braacuteny z přiacuterody např gen v soacuteji tolerujiacuteciacute glyfosaacutet - je z bakterie rodu Agrobacterium

Klasičtiacute šlechtiteleacute takto pracujiacute daacutevno např smiacutechali geny pšenice a žita

GMO

Transgenoze ndash vnaacutešeniacute znaacutemyacutech jednotlivyacutech genů do dědičneacuteho

zaacutekladu (poprveacute 1978)

Pro přenos - Agrobacterium tumefaciens A rhizogenes E coli

httpblogscassuffolkeduiglesias20140424gmos

GMO bez obalu httpwwwbezpecnostpotravinczUserFilespublikaceGMO_web_1pdf

GMO - transgenniacute rostliny CARTAGENSKYacute PROTOKOL o biologickeacute bezpečnosti 29 1 2000 Montreal (OSN ndash program pro životniacute prostřediacute UNEP) platnost 11 9 2003

ČR podepsala 24 52000 (gmovschtcz) nyniacute 160 staacutetů

opatřeniacute ve staacutetech ktereacute se připojiacute k projektu (dovoz vyacutevoz transport)

vzdělaacuteniacute odborniacuteků a informovaacuteniacute veřejnosti

vytvořeniacute noveacute legislativy GMO (wwwenvcz )

spolupraacutece při vyacuteměně zkušenostiacute

Svět 2010 - viacutece než 150 mil ha viacutece než 20 zemiacute

pro vegetačniacute čaacutesti

nebo plody

CIacuteL PROTOKOLU - zajistit ochranu a bezpečnost při zachaacutezeniacute využiacutevaacuteniacute a přenosu živyacutech modifikovanyacutech organismů ktereacute jsou vyacutesledkem moderniacutech biotechnologiiacute a ktereacute mohou miacutet nepřiacuteznivyacute vliv na zachovaacutevaacuteniacute biologickeacute rozmanitosti a zdraviacute člověka Protokol je zaměřen předevšiacutem na převoz GMO přes hranice staacutetů a maacute ochraňovat zejmeacutena staacutety kteryacutem dosud chybiacute vlastniacute vnitrostaacutetniacute praacutevniacute předpisy v oblasti GMO

GMO - transgenniacute rostliny historie

EVROPA

SRN - Max-Planck-Institut

Belgie - Universita Ghent

Švyacutecarsko- ETH Zurych

ČR - Biofyzikaacutelniacute uacutestav Brno (Agrobacterium jako vhodnyacute přenašeč genů)

ČR - UacuteEB ČSAV Českeacute Budějovice (metody modifikaciacute)

2010 1 transgenniacute hraacutech v Evropě (ČR Agritec Šumperk)

transgenniacute len - oleje

FYTOPATOLOGIE IN VITRO

Fytopatologie in vitro

in vitro selekce = kultivace buněk se selekčniacutem činitelem (fitraacutet inokulum toxin)

ndash přežiacutevajiacuteciacute buňky jsou regenerovaacuteny do rostlin resistentniacuteho fenotypu

Studium interakce rostlina x patogen v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

Druh Patogen Typ biologickeacuteho testu Ciacutel

Coffea arabica Colletotrichum kahawae růst houby na kalusech vyacuteběr rezistentniacutech genotypů

Vitis vinifera Elsinoe ampelina růst kalusu na meacutediu s patogenem testy rezistence

Lycopersicon aes Alternaria alternata testy na izollistech in vitro hodnoceniacute toxicity

Pinus taeda Cronartium quercuum embryokultury s houbami vyacuteběr rezistentniacutech embryiacute

Triticum aestivum Microdochium nivale listy semenaacutečky in vitro vyacuteběr rezistentniacutech kultivarů

ozdravovaacuteniacute rostlin

klonoveacute množeniacute rezistentniacutech taxonů

Page 14: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,

Historie rostlin čas před proces vyacuteznam

45 miliardy let tvorba země nemožnyacute život

39 oceaacuteny voda je předpokladem pro uhliacutek-založenyacute život

35 nejstaršiacute cyanobacteria efektivnějšiacute fotosynteacuteza- rychlejšiacute růst O2

24 kysliacutek v atmosfeacuteře aerobniacute org postupně převažujiacute nad aerobniacutemi

21 endosymbioacuteza mezi cyanobacterium a eukaryotniacutem hostitelem prvniacute fotosyntetizujiacuteciacute eukaryotickyacute org -

jednobuněčnaacute řasa

16 mnohobuněčneacute řasy zeleneacute a červeneacute řasy

13 v atmosfeacuteře 3 O2 dominujiacute aerobniacute org nad aerobniacutemi

1 zvyšujiacuteciacute se počet mořskyacutech řas zvyacutešeniacute atmosfeacuterickeacuteho 02

750 milioacutenů mnohobuněčneacute zeleneacute řasy začaacutetek buněčneacute specializace

550 v atmosfeacuteře 12 O2

500 prvniacute suchozemskeacute rostliny eukaryotickaacute kolonizace země

470 prvniacute spory jaterniacutekům podobneacute rostliny

428 Cooksonia 2-3 cm velkeacute steacutelka Bryophyta s dominantniacute haploidniacute generaciacute

ceacutevnateacute rostliny bez semen- mechy přesličky kapradiny převažuje 2n generace

360 nejstaršiacute fosilniacute nahosemenneacute

140 nejstaršiacute krytosemenneacute

85 nejstaršiacute obiloviny

68 nejstaršiacute luštěniny adaptace na deficit N2

11 tisiacutec let domestifikace rostlin vliv člověka na rostliny

500 let globalizace zemědělskyacutech plodin světoveacute rozšiacuteřeniacute domestifikovanyacutech rostlin

300 člověkem prvniacute vyrobeneacute hybridniacute rostliny zaacuteměrneacute vytvaacuteřeniacute novyacutech druhů pro člověka

100 začaacutetek vědeckeacuteho šlechtěniacute rostlin manipulace s genomem a fenotypem rostlin

30 prvniacute transgenniacute rostlina novyacute gen do rostlinneacuteho genomu

20 prvniacute schvaacutelenaacute GMO rostlina - potravina rajče cv FLAVR SAVR Murphy 2011

6000 pnl produkce piva fermentaciacute (kvašeniacutem) Babyloacuteňaneacute Sumeroveacute

4000 pnl využitiacute kvasinek ve vyacuterobě piva a viacutena v Egyptě a Čiacuteně (znaacutem ječmen)

1675 Leeuwenhoek pozoroval bakterie

1860 Koch - rozvoj mikrobiologie

1857 Pasteur demonstrace fermentace - otec biotechnologiiacute

1877 Koch vypracoval techniky izolace a barveniacute bakteriiacute

1919 Ereky zavedeniacute termiacutenu biotechnologie

1935 Fleming objev peniciliacutenu - zavedeniacute sterilizace

1953 Watson a Crick popis struktury DNA

1975 Kohler a Milstein - produkce monoklonaacutelniacutech protilaacutetek

1978 produkce 1 lidskeacuteho proteinu v buňce firmou Genntech (USA) = inzuliacuten 1 praktickeacute využitiacute

1980 zavedeniacute metod rekombinantniacute DNA produkce inzuliacutenu v E coli

1994 schvaacuteleniacute prvniacute geneticky modifikovaneacute potraviny ndash rajče

1996 klonovaacuteniacute ovce Dolly Wilmuth a kol

Biotechnologie - historie

vyacuteroba jiacutedla a naacutepojů procesy vyviacutejeny za nesterilniacutech podmiacutenek zavedeniacute sterilniacutech podmiacutenek do biotechnologickyacutech procesů aplikace genetiky a technologie rekombinantniacute DNA

přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

nevyacutehoda - nekontrolovaneacute

zavedeniacute lidskeacuteho genu určujiacuteciacuteho produkci specifickeacute biacutelkoviny (inzuliacutenu) do bakterie pomociacute plazmidu - po zabudovaacuteniacute do genetickeacuteho aparaacutetu hostitelskeacute buňky je bakterie schopna produkovat AMK v přesně daneacutem pořadiacute a syntetizovat

lidskyacute inzuliacuten

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve

velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 11 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1843 superfosfaacutet hellip intenzivniacute hnojeniacute v zemědělstviacute

1849 Darwin - vznik druhů přirozenou selekciacute (cesta kolem světa Galapaacutegy)

1846-1850 krize monokultur - bdquobramborovyacuteldquo hladomor v Irsku (Phytophtora infestans)

1857 Pasteur - fermentace - otec biotechnologiiacute

1866 Mendel - publikuje svoje zaacutekony (znovu objeveny 1900)

1869 Miescher - objevuje DNA

1902 Haberlant - totipotence rostlinneacute buňky

1910 odrůda brambor Bintje (Holandsko) - odrůda roku 2012

1919 Ing Karl (Kaacuteroly) Ereky - termiacuten biotechnologie

migrace do Ameriky

technologie přeměny surovin na využitelneacute produkty pomociacute živyacutech organismů

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho

průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 10 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1923 Burbank USA - křiacuteženci bramboru odrůda

bdquoRUSSET BURBANKldquo (skladovatelnost hliacutez)

1933 prvniacute hybridi kukuřice

1941 Beadle a Tatum - hypoteacuteza 1 gen-1 enzym

1941 24-D (syntetickyacute auxin) jako prvyacute moderniacute herbicid

1950 1 radiomutanti chemomutanti řepka pšenice ryacuteže biacuteleacute fazole

ječmen (1965 - DIAMANT)

1960 ndash1970 ldquozelenaacute revoluceldquo zakrsliacute hybridi - Norman Borlaug

1970 NC miacuteru

1969 Triticale (Triticosecale tritikale žitovec - hybridniacute obilnina Triticum x Secale)

REKOMBINANTNIacute TECHNIKY

1985 prvniacute GM rostliny na poliacutech v UK

1995 odrůda bdquoBT NEW LEAF RUSSET BURBANKldquo

1998 zlataacute ryacuteže

2010 1 GMO hraacutech (Agritec)

I GMO odrůda brambor - odolnaacute vůči mandelince bramboroveacute vložen gen z bakteacuterie Bacillus thuringiensis produkujiacuteciacute protein narušujiacuteciacute vnitřnosti mandelinky

Mexiko 1943 import frac12 spotřeby pšenice 1944 plnaacute soběstačnost pšenice 1964 export 05 milionů tun pšenice

httpenwikipediaorgwikiNorman_Borlaug

Budoucnost biotechnologiiacute v ČR bdquoBiotechnologie jsou celosvětově nejprogresivnějšiacutech oblast vyacutezkumu vyacutevoje a podnikaacuteniacuteldquo

produkce viacutena - 1 psanaacute zmiacutenka r 276 (na Paacutelavě řiacutemskeacute legie) produkce piva - 11 stoletiacute syacutery destilaacutety 14 stoletiacute 1356 - kraacutelovskyacute dekret o produkci viacutena v Českyacutech zemiacutech alchymie (Rudolf II) 1518 - založeniacute Paliacuterny U Zeleneacuteho stromu v Prostějově 1887 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu pivovarskeacuteho a sladařskeacuteho v Praze 1949 - průmyslovaacute produkce peniciliacutenu v Roztokaacutech u Prahy 1966 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu antibiotik a transformaciacute (již neexistuje)

wwwbiotrincz wwwgate2biotechcz

AV ČR Univerzity Vyacutezkumneacute uacutestavy Šlechtitelskeacute stanice

kaacutemen mudrců elixiacuter mlaacutediacute přeměna hmoty

glukosa + kvasinky etanol + oxid uhličityacute přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces carlsbergensis

Biotechnologie v ČR

18 prosince 2008 bylo založeno sdruženiacute CzechBio - asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR zspo 1 asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR spojuje třicet soukromyacutech biotechnologickyacutech společnostiacute a akademickyacutech uacutestavů podpora spolupraacutece komerčniacute sfeacutery s vědeckou httpwwwczechbioorgcs

projekt Algatech ndash Centrum řasovyacutech biotechnologiiacute vyacutevoj novyacutech kultivačniacute zařiacutezeniacute a postupů na zpracovaacuteniacute řasoveacute biomasy pro vyacuterobu biopaliv krmiv potravniacutech doplňků a cennyacutech laacutetek Mikrobiologickyacute uacutestav Akademie věd ČR Třeboň

Centrum regionu Hanaacute pro biotechnologickyacute a zemědělskyacute vyacutezkum

UPOL + VUacuteRV + UacuteEB AV ČR - vytvaacuteřeniacute zemědělskyacutech plodin s vyššiacutemi vyacutenosy toleranciacute vůči nepřiacuteznivyacutem vlivům vnějšiacuteho prostřediacute

- transformace rostlin ječmene a dalšiacutech obilnin

wwwcr-hanaeu

Biotechnologie v ČR

wwwalgaczcscs-algatechhtml

Českaacute technologickaacute platforma rostlinnyacutech biotechnologiiacute ndash rozvoj biotechnologiiacute v ČR = Rostliny pro budoucnost (ČTP RB) - nepotravinaacuteřskeacute využitiacute rostlin vedlejšiacutech produktů odpadů - vyacutevoj novyacutech odrůd kulturniacutech rostlin - uplatněniacute rostlinnyacutech biotechnologiiacute v raacutemci životniacuteho prostřediacute

httpwwwczechinvestorgceska-technologicka-platforma -rostlinnych-biotechnologii

selekce - vyacuteběr nejlepšiacutech rostlin křiacuteženiacute GMO

Přiacuteklad šlechtěniacute - novyacute typ ryacuteže - maleacute vzpřiacutemeneacute listoveacute čepele - hodně odnožiacute - žaacutedneacute neproduktivniacute odnože - silneacute steacuteblo - C3 ryacuteže na C4 ryacuteže

Rostlinneacute biotechnologie Co pěstujeme na poliacutech v zahradaacutech a v sadech a co naacutesledně jiacuteme prošlo za několik tisiacuteciletiacute proměnou Prvniacute změna - předkoveacute opustili životniacute styl lovců a sběračů a stali se pěstiteli zemědělskyacutech plodina a chovateli hospodaacuteřskyacutech zviacuteřat

zlataacute ryacuteže geny z 5 různyacutech druhů

- Phaseolus vulgaris pro ferritin - Aspergilus fumigatus - ferritin - ryacuteže Basmati - ferritin - Narcissus pseudonarcissus synteacuteza karotenu - Erwinia uredovora - synteacuteza karotenu

bdquozlataacute ryacuteželdquo tvořiacute zvyacutešeneacute množstviacute provitaminu A zabraacuteniacute hladu zachraacuteniacute zrak vznikla na požadavek humanitaacuterniacute organizace bdquoHumanitarien Rice Boardldquo kteraacute se snažiacute řešit probleacutemy s nedostatkem potravy v nejchudšiacutech čaacutestech našiacute planety

švyacutecarskyacute genetik Ingo Portykus a německyacute genetik Peter Bayer

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute

ekologickaacute udržitelnost kvantita a kvalita zaacutekladniacutech zdrojů zemědělstviacute ekonomickaacute udržitelnost zemědělskaacute produkce (uacuteroda na ha) a zisk cena za produkty sociaacutelniacute (společenskaacute) udržitelnost kvalita života zemědělců vysokaacute kvalita potravin bez rizika na zdraviacute a prostřediacute

Co je udržitelneacute zemědělstviacute Mohou biotechnologie pomaacutehat

snižovaacuteniacute kvality zaacutekladniacutech zdrojů vyčerpaacuteniacute zaacutekladniacutech zdrojů

Vyhliacutedky na budoucnost

naacuterůst počtu obyvatel

zvyacutešeniacute životniacuteho standardu

pokles plochy orneacute půdy

pokles pracovniacuteků v zemědělstviacute

naacuterůst cen potravin

Naacuterůst zemědělskeacute produkce s využitiacutem biotechnologiiacute

šlechtěniacute (rezistence k chorobaacutem)

noveacute plodiny

nutričniacute kvalita plodin

ochrana rostlin

bezpečnost produktů

hybnou silou biotechnologiiacute je naacuterůst obyvatel Kolik lidiacute by mělo žiacutet na planetě Zemi

Rostlinneacute biotechnologie

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute mutace s naacuteslednou selekciacute odchylek noveacute techniky EK ciacutelenyacute přenos genů

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

prvniacute zemědělci

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) BT prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute MUTACE s naacuteslednou selekciacute odchylek - odrůda ječmene bdquoDIAMANTldquo

noveacute TECHNIKY EK VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

ciacutelenyacute přenos genů GMO

CO BUDE DAacuteL zvyšovat vyacutenosy BUDE VĚTŠINA PĚSTOVANYacuteCH ZEMĚDĚLSKYacuteCH PLODIN TRANSGENNIacute

vznik zemědělstviacute

1954

jsme moudřejšiacute

maacuteme většiacute možnosti

Počaacutetek EK 1902 Gottlieb Haberland segmenty listů 1904 Hannig zralaacute embrya

Potenciaacutel rostlinneacute buňky a podstata

explantaacutetovyacutech kultur rostlin

metody a jejich aplikace

ve šlechtěniacute rostlin

EK - historie

TOTIPOTENCE rostlinneacute buňky genetickeacute informace - jaacutedro plastidy mitochondrie

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

daacute se přeneacutest v raacutemci šlechtěniacute

blok totipotence

vyjaacutedřeniacute totipotence 1 dediferenciace buňky do buněčneacuteho cyklu a pokračovaacuteniacute v děleniacute 2 rediferenciace - tvorba organickyacutech struktur - přiacutemaacute regenerace tvorba kalusu - nepřiacutemaacute regenerace

vliv růstovyacutech regulaacutetorů

Rostlinneacute biotechnologie prvniacute generace - od explantaacutetovyacutech kultur po GMO

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute rostlin - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

Explantaacutet = aseptickaacute kultivace izolovanyacutech čaacutestiacute rostlin za umělyacutech podmiacutenek

EXPLANTAacuteTOVEacute KULTURY - VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

EK - historie

Metody EK využitelneacute v zemědělstviacute Meristeacutemoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Somatickaacute embryogeneze

Embryokultury

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze + buněčneacute inženyacuterstviacute

Genetickeacute manipulace

VITRIFIKACE (hyperhydricita) ndash vyjadřuje abnormality růstu in vitro skelnatyacute syndrom vyacutehonů křehkeacute mokryacute vzhled pryacutetů (vodou nasycenyacutech) průsvitnyacute sukulentniacute vzhled

metody zachovaacutevajiacuteciacute genotyp beze změn během kultivace metody zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu během kultivace

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK 1 rychleacute namnoženiacute

2 ozdravovaacuteniacute

3 překonaacuteniacute nekřiacutežitelnosti - embryokultury

4 dlouhodobeacute udržovaacuteniacute genetickyacutech zdrojů

5 indukce mutantů - ziacuteskaacuteniacute novyacutech genotypů

6 předselekce - urychleniacute šlechtitelskeacuteho cyklu

7 ziacuteskaacuteniacute novyacutech a udrženiacute genotypů s pylovou sterilitou

8 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho procesu

9 produkce haploidů

10 produkce polyploidů

11 rychlejšiacute ziacuteskaacuteniacute vyacutechoziacuteho šlechtitelskeacuteho materiaacutelu pro noveacute odrůdy

12 somatickaacute hybridizace - fuacuteze

13 konstrukce novyacutech genotypů kulturniacutech plodin přenos bdquoužitečnyacutech genůldquo

14 udržovaacuteniacute genofondu

15 selekce in vitro - rezistence k abiotickyacutem a biotickyacutem stresům

16 produkce sekundaacuterniacutech metabolitů

Plodina Technika

ječmen pšenice kukuřice

řepka paprika brukvovitaacute

zelenina mrkev

androgeneze

cibule gynogeneze

jahodniacutek česnek ozdravovaacuteniacute

brambor traacutevy polyploidizace in vitro

jeteloviny drobneacute ovoce

ovocneacute dřeviny podnože traacutevy mikropropagace

brambor řepka somatickaacute hybridizace

hraacutech brambor rezistence k chorobaacutem

traacutevy embryokultury

Kombinace metod embryokultury oplozeniacute in vitro fuacuteze protoplastů

plodiny se geneticky upravujiacute pro většiacute rezistenci k herbicidům - ničeniacute plevele bez poškozeniacute uacuterody GM rajčata potlačujiacute gen pro polygalakturonaacutezu enzym degradujiacuteciacute pektin způsobujiacuteciacute měknutiacute pletiv (Deacon a kol 2002)

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK

Meristeacutemoveacute kultury

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny meristeacutemoveacute kultury

Vyacutehody maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky naacuteslednaacute mikropropagace ozdraveneacuteho materiaacutelu bdquovirus - freeldquo

Vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana Iniciace kultury Testovaacuteniacute in vitro Přenos do nesterilniacutech podmiacutenek Testovaacuteniacute

MERISTEacuteM ndash děliveacute nediferencovaneacute pletivo ozdravovaacuteniacute rostlin (02 - 05 mm) meristeacutemy

OZDRAVOVAacuteNIacute Termoterapie (vyššiacute teplota)

Meristeacutemovaacute kultura Chemoterapie (antivirotika)

viry - nebuněčneacute mikroorganismy virovaacute čaacutestice = virion sklaacutedaacute se z RNA nebo DNA a kapsidu

fytopatologie in vitro

ribavirin

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny

Vyacuteznamneacute viroveacute choroby rostlin v ČR od 30 ztraacutet CaMV - 1968 PVY 30 -70 VMCH (virus mozaiky chmele) až o 70 mozaika česneku 25 - 50 žloutenka cibule až 100 bronzovitost rajčat

- žloutnutiacute listů kroužky a čaacutery na listech nevyvinuteacute rostliny abnormaacutelniacute růst - vstupujiacute různyacutemi poraněniacutemi - šiacuteřiacute se plasmodesmaty - velmi odolneacute proti inaktivaci - přenaacutešeny semeny hliacutezami pylem roubovaacuteniacutem hmyzem houbami červy

1952 Morel a Martin u jiřin

Využitiacute metody jahodniacutek česnek zeleniny květiny okrasneacute dřeviny ovocneacute dřeviny banaacutenovniacutek hellip

Tvorba bezviroacutezniacutech rostlin

1 meristeacutem = 1 rostlina testovaacuteniacute

wwwoselczindexphpclanek=2819

viroacutezniacute x zdravaacute

M Navraacutetil KBBPřFUPOL

PVY

In vitro klonovaacuteniacute mikropropagace meristeacutemoveacute kultury

zisk geneticky identickeacute rostliny vegetativniacutem množeniacutem

VYacuteHODY

maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny ktereacute jsou geneticky stabilniacute

v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky

vyššiacute množitelskyacute koeficient - potenciaacutelniacute hodnota zisku rostlin

Postup - vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana - iniciace kultury - mikropropagace - přenos do nesterilniacutech podmiacutenek

KLON - kolekce geneticky identickyacutech individuiacute původem z jedineacuteho rodiče

komerčně od 1960

httpwwwjanholubcz

In vitro meristeacutemoveacute kultury - využitiacute - zaacutechrana a množeniacute ohroženyacutech druhů kaktusy

- zaacutechranneacute množeniacute cennyacutech genotypů a liniiacute sterilniacutech rostlin - udrženiacute rodičovskyacutech komponent pro tvorbu hybridniacutech odrůd

- množeniacute transgenniacutech rostlin

- zachyceniacute a klonovaacuteniacute nově nalezenyacutech mutantů při šlechtěniacute

- klonovaacuteniacute nejlepšiacutech jedinců pro produkci elitniacuteho osiva

- vegetativniacute množeniacute okrasnyacutech rostlin karafiaacutet gerbera anthurie orchideje

sanpaulie kapradiny hellip

- množeniacute drobneacuteho ovoce jahodniacutek maliniacutek reacuteva

- množeniacute dřevin podnože pro školkařstviacute lesniacute dřeviny tropickeacute dřeviny

- v zelinaacuteřstviacute množeniacute brambor zeliacute

- množeniacute pouze samičiacutech rostlin datlovaacute palma

- kryoprezervace (-196 oC) jahodniacutek maliniacutek hraacutech brambor karafiaacutet

Genoveacute

banky

Mikropropagace multiplikace klonovaacuteniacute nejen z meristeacutemů

Solanum tuberosum Cucumis sativus Olea europea Eucalyptus grandis Salix sp Syringa sp Juglans regia

Schopnost regenerace tvorba identickyacutech rostlin = přiacutemaacute somatickaacute embryogeneze

Meristeacutemy Pryacutetoveacute segmenty Kalusy Embrya

Zdroje odchylek bull vysokeacute daacutevky růstovyacutech regulaacutetorů typ regulaacutetoru bull rostliny regenerujiacute z basaacutelniacuteho kalusu (možnost gen změn)

Kalusoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Primaacuterniacute explantaacutet kalus meristemoid orgaacutenoveacute primordium

Kalus = masa děliacuteciacutech se a rostouciacutech buněk

nejsou uniformniacute mohou se lišit velikostiacute tvarem pigmentaciacute metabolismem nebo počtem chromosomů

bull za určityacutech podmiacutenek regenerace pryacutetů a kořiacutenků

tma x světlo

subkultivace

metoda geneticky nestabilniacute

Kalusoveacute kultury - somaklonaacutelniacute variabilita ndash MUTACE a zisk novyacutech znaků

- mikropropagace ndash cibule žen-šen hellip

- vyacutechoziacute materiaacutel pro suspenzniacute a protoplastovou kulturu

- materiaacutel pro indukovaneacute mutace (zaacuteřeniacute chemomutageny)

- sekundaacuterniacute metabolity (alkaloidy AMK saponiny oleje složky vůniacute protinaacutedoroveacute laacutetky steroidy )

polyploidie aneuploidie

Selekce mutantů se zlepšenou nutričniacute hodnotou (viacutece biacutelkovin v zrnu)

Rezistence vůči zasoleniacute (vysokyacute turgor v buňkaacutech akumulace NaCl ve vakuolaacutech)

Rezistence vůči chorobaacutem (synteacuteza fytotoxinů fytoalexinů)

Sekundaacuterniacute metabolity (= chemickeacute individuality v rostlinaacutech ndash barviva vůně chuti obrana)

Artemisia annua - artemisin (antimalarika) Capsicum sp - capsaicin (protinaacutedoroveacute)

Digitalis lanata - digoxin (srdečniacute stimulanty) Papaver somniferum - codein (sedativa)

Taxus breviola - taxol (protinaacutedoroveacute) Vanilla planifolia - vaniliacuten (aroma)

Panax ginseng - (imunitniacute systeacutem) Zingiber officinale ndash gingerol (antioxidant)

Somatickaacute embryogeneze a suspenzniacute kultury

Využitiacute

umělaacute semena (enkapsulace somatickyacutech embryiacute)

využitiacute somatickeacute variability

klonoveacute množeniacute

sekundaacuterniacute metabolismus (suspenze)

kryoprezervace

Buněčnaacute suspenze = převedeme kalus do tekuteacuteho meacutedia

a provzdušňujeme (kontakt buněk a shluků buněk s meacutediem)

vznikaacute bipolaacuterniacute struktura obsahujiacuteciacute kořen a pryacutet

auxin (24-D)

umělaacute semena

Mutace RADIOMUTANT PROSPĚCH NEBO ZAacuteLUDNOST

SPONTAacuteNNIacute MUTACE využiacutevaacute člověk při šlechtěniacute odrůd spur typy (kompakt typy) jabloniacute absence trnů u ostružiniacuteku variabilita květenstviacute jiřinky proměnliveacute vznik plemen domaacuteciacutech zviacuteřat je založen na podchyceniacute spontaacutenniacutech mutaciacute ndash plemena psů

INDUKOVANEacute MUTACE působeniacute mutagenů

zaacuteměrneacute ndash ve vyacutezkumu ve šlechtěniacute rostlin (př odrůdy ječmene DIAMANT (zkraacuteceniacute steacutebel ndash nepoleacutehaacute) kompaktniacute růst a samosprašnost třešně změna barvy slupky u jabloně ndash sbquoredlsquo mutace)

nezaacuteměrneacute ndash důsledek použitiacute jadernyacutech a chemickyacutech zbraniacute ndash Yperit jaderneacute a jineacute katastrofy

1950 radiomutace chemomutace 1965 ječmen Diamant

Suspenzniacute kultury - SK KULTURA V TEKUTEacuteM MEacuteDIU ROSTE A DĚLIacute SE NĚKOLIKANAacuteSOBNĚ RYCHLEJI NEŽ KULTURA

NA PEVNEacuteM MEacuteDIU Využitiacute jako experimentaacutelniacute model produkce sekundaacuterniacutech metabolitů indukce somaklonaacutelniacute variability a naacutesledneacute selekce mikropropagace (pod kontrolou genetickeacute stability) pohyb kultury v bioreaktoru maacute za naacutesledek potlačeniacute apikaacutelniacute dominance tiacutem se stimuluje růst mnohonaacutesobnyacutech pryacutetů

Bioreaktory firmy VitroSys Inc Korea

ideaacutelniacute SK ndash rychlyacute růst karyologickaacute stabilita životnost buněk rentabilita

Minimaacutelně 103 ml buněk 110 suspenze v exponenciaacutelniacute faacutezi se doplniacute čerstvyacutem meacutediem Koncentrace sacharidů prodlužuje periodu růstu

Velkokapacitniacute kultivace rostlinnyacutech buněk v tekutyacutech meacutediiacutech sterilniacute prostřediacute obsahujiacuteciacute živiny a laacutetky potřebneacute pro růst a jeho regulaci vhodneacute pro kultivaci rostlinnyacutech mikrobiaacutelniacutech a živočišnyacutech buněk

Bioreaktor

Bioreaktory s tekutyacutem meacutediem explantaacutety jsou ponořeny v tekuteacutem meacutediu Bioreaktory s pravidelnyacutem zaplavovaacuteniacutem (temporary immersion bioreactor TIB) explantaacutety jsou pravidelně zaplavovaacuteny

Bioreaktor

httpwwwuebcasczcscontentzensenove-spagety

pěstujiacute se jen kořeny - zisk GINSENOSIDŮ za 3 měsiacutece v laboratoři stejnyacute zisk jako z rostlin ženšenu v přiacuterodě za 8 let obsah GINSENOSIDŮ je srovnatelnyacute s planě rostouciacutemi rostlinami množstviacutem i vzaacutejemnyacutem poměrem jednotlivyacutech laacutetek

v Koreji od r 2004

hairy-root systeacutem a sekundaacuterniacute metabolity

Sekundaacuterniacute metabolity - SM ROSTLINA BUNĚČNAacute KULTURA

EXTRAKT prověřovaacuteniacute oddělovaacuteniacute čištěniacute aktivniacute složky testovaacuteniacuteprověřovaacuteniacute

ČISTAacute BIOAKTIVNIacute LAacuteTKA

SM z buněčneacute kultury - extrakty ziacuteskaneacute za reprodukovatelnyacutech podmiacutenek spolehliveacute zdroje meacutedium - množstviacute čisteacuteho produktu

buňky rostou v tekuteacutem meacutediu -ne celaacute rostlina

produkt rostlina in vitro ()

rostlina ()

poměr

ginsenoside Panax ginseng 27 45 6 x

rosmarinic acid Coleus blumei 27 3 9 x

caffeic acid Vanilla planifolia 002 0005 4 x

shikonin Lithospermum erythrorhizon

20 15 135 x

ubiquinon-10 Nicotiana tabacum 0036 0003 12 x Heldman et al 2011

anti

oxy

dan

ty v sušině

bioreaktory

Sekundaacuterniacute metabolity - SM Rostlina Uacutečinnaacute laacutetka Uacutečinek

Artemisia annua pelyněk ročniacute artemisinin antimalarikum

Digitalis lanata naacuteprstniacutek vlnatyacute digoxin srdečniacute stimulants

Dubosia myoporoides lilkoviteacute atropin

scopolamin

očniacute přiacutepravky mořskaacute nemoc

Lithospermum

erythrorhizon

kamejka

rudokořennaacute

shikonin protinaacutedoroveacute

Panax ginseng ženšen pravyacute stimulant imunitniacuteho systeacutemu

Salix alba vrba biacutelaacute salicin antirevmatikum proti horečce

Taxus brevifolia tis

zaacutepadoamerickyacute

baccatin taxol protinaacutedoroveacute

Vinca rosea barviacutenek růžovyacute vinblastin

vinkristin

protinaacutedoroveacute alkaloidy

leukeacutemie

buněčnaacute kultura

Rostlina Extrakt Uacutečinek

Linum usitatissimum len setyacute olej

Mentha piperita maacuteta peprnaacute maacutetovyacute olej -

mentol

žaludečniacute potiacuteže

Mentha spicata maacuteta klasnataacute mentol žaludečniacute potiacuteže

Zingiber officinale zaacutezvor leacutekařskyacute gingerol antioxidant

informace z tradičniacute lidoveacute mediciacuteny - použitiacute extraktů a purifikace zdroje z nedotčeneacuteho ekosysteacutemu

kalusovaacute kultura buněčnaacute suspenze orgaacutenovaacute kultura - Artemisia Mentha - pryacutety

rostliny jsou vyacuterobci sekundaacuterniacutech metabolitů

cytostatikum

Sekundaacuterniacute metabolity - SM

Heldman et al 2011

VYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY

nezaacutevisleacute na geografickyacutech podmiacutenkaacutech

nezaacutevisleacute na sezoacutenniacutech podmiacutenkaacutech

v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

v přiacuterodě kontrolovaacuteno množstviacute in vitro ne

nepřetržitaacute dodaacutevka produktu

uniformniacute kvalita produktu

uniformniacute vyacutetěžnost produktu (průběžně)

vyacuteběr vhodneacute linie s vyššiacute produkciacute produktu

možnost tvorby novyacutech laacutetek nenormaacutelniacutech u donora

NEVYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY staacutele se vyviacutejejiacuteciacute

překaacutežky - pomalyacute růst

genetickaacute nestabilita

různorodost

niacutezkyacute obsah metabolitu

produkty vylučovaacuteniacute provozniacute - světelneacute podmiacutenky aseptickeacute podmiacutenky

STRATEGIE TVORBY SM vyacuteběr donorovyacutech rostlin - biochemickeacute testy

iniciace kalusů

vyacuteběr buněčneacute linie - rychle rostouciacute vysokaacute produkce

ciacutelenyacute metabolismus - kultivačniacute meacutedium (složeniacute koncentrace proporcionalita)

kultivačniacute podmiacutenky (teplota světlo pH) zvlaacuteštniacute požadavky (prekurzor simulace stresu - napadeniacute patogenem)

uvolněniacute do meacutedia

Embryokultury

Embryokultury = kultivace zralyacutech nebo nezralyacutech embryiacute in vitro

1904 Hannig - embrya u ředkve

1925 Laibach - aplikace v mezidruhoveacutem křiacuteženiacute r Linum sp

1945 Randolph - zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu u r Iris sp

1970 Kasha Kao - ziacuteskaacuteniacute haplodů u ječmene

Hordeum vulgare (zůstaacutevaacute) x Hordeum bulbosum (eliminace chromozoacutemů)

Zygotickaacute embrya vyacuteživa z endospermu (heterotrofniacute)

Embrya in vitro vyacuteživa z kultivačniacuteho meacutedia

In vitro oplodněniacute u člověka - 1978 pro neplodneacute paacutery

geneticky stabilniacute metoda

Embryokultury- in vitro

I Kultura semennyacutech embryiacute tj izolace plně vyvinutyacutech

bipolaacuterniacutech struktur obsahujiacuteciacutech kořenovyacute a stonkovyacute systeacutem

II Kultura proembryiacute tj izolace nezralyacutech zaacuterodků předchaacutezejiacuteciacutech

diferenciaci děloh

Embryogeneze zygotickeacuteho embrya (in vivo)

zygota (přiacuteprava na 1 děleniacute)

faacuteze pomaleacuteho vyacutevinu embrya po oplozeniacute

faacuteze rychleacuteho vyacutevinu růstu a diferenciace embrya

faacuteze dozraacutevaacuteniacute embrya

faacuteze přechodu embrya do dormance (ABA)

Embryokultury

1 překonaacuteniacute barieacuter vzdaacuteleneacuteho křiacuteženiacute (abortace hybridniacutech embryiacute sterility semen)

2 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu (viacutece generaciacute za rok)

3 řešeniacute jarovizačniacuteho staacutedia

4 primaacuterniacute explantaacutet pro dalšiacute kultury

5 eliminace inhibice kliacutečeniacute

6 studium mineraacutelniacute vyacuteživy

7 umělaacute semena

8 studium metabolickyacutech vztahů mezi embryem a endospermem embryem a dělohami

9 ziacuteskaacuteniacute haploidniacutech rostlin

Opylovaacuteniacute in vitro

Opylovaacuteniacute in situ

in vitro

Inkompatibilita rostlin

zaručuje stabilitu druhu

Barieacutery procesu opyleniacute a oplozeniacute

vnějšiacute (teplota vlhkost nedostatečnaacute vyacuteživa )

vnitřniacute (inkompatibilita samčiacute nebo samičiacute sterilita)

využitiacute v raacutemci šlechtěniacute rostlin k překonaacuteniacute prezygotickyacutech barieacuter vznik mezidruhovyacutech mezirodovyacutech hybridů

Barieacutery Technika překonaacuteniacute

Před oplodněniacutem selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute blizny pestiacuteku pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

rezistence vůči abiotickeacutemu stresu rezistence vůči škůdcům vyššiacute vyacutenos

přenos z jineacuteho druhu

EK využitiacute ve šlechtěniacute

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury HAPLOID rostlina s n počtem chromozomů menšiacute sterilniacute

1963 T Yamada a kol Tradescantia reflexa (haploidy)

1964 - 1966 S Guha SC Maheswari Datura diploidizace kolchicinem

1969 JP Nitsch a kol celeacute rostliny (tabaacutek)

1973 JP Nitsch Norrel mikrosporoveacute kultury

2000 šlechtitelskeacute programy polniacutech plodin (obiloviny řepka)

využiacutevajiacute haploidniacute kultury in vitro

Androgeneze prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Androgeneze - kultivace prašniacuteků pyl zrn mikrospor = samčiacute genotyp

Gynogeneze - kultivace neoplodněnyacutech vajiacuteček = samičiacute genotyp

Haploidie - spontaacutenniacute = haploidniacute partenogeneze (gynogeneze androgeneze) frekvence 10-6

- experimentaacutelniacute indukovanaacute

fyzikaacutelniacute faktory = UV γ-zaacuteřeniacute X-paprsky teplotniacute šoky

zaacutesahy do procesů opyleniacute a oplozeniacute (inaktivniacute pyl)

explantaacutetoveacute metody = prašniacutekoveacute a pyloveacute kultury kultivace semeniacuteků a vajiacuteček

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury Ontogeneze pylu

In vivo mikrosporogeneze

pylovaacute mateřskaacute buňka

meiosa

pyloveacute tetraacutedy

vyacutevoj mikrospory (1 pyl mitoacuteza)

In vitro vyacutevoj embryoidu

(vegetativniacute generativniacute buňka)

- přiacutemaacute embryogeneze

- nepřiacutemaacute embryogeneze

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

využitiacute haploidů (majiacute jen jednu sadu chromosomů)

segregace vloh na gametickeacute uacuterovni ndash homozygoacutetniacute stav (čisteacute linie v F2 generaci)

detekce recesivniacutech mutaciacute (fenotypickyacute projev)

trpasličiacute varieta ndash u okrasnyacutech rostlin

Dihaploidizace

n rostliny - sterilniacute

104 ndash 105 mikrospoacuterml meacutedia

Brassica sp

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Prašniacutekoveacute kultury

viacutece než 200 druhů (řepka ryacuteže kukuřice obiloviny)

20-60 dnů

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

vyacutevoj globulaacuterniacuteho embrya a naacutesledně haploidniacute rostliny přiacutemo z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory

z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory vznikaacute kalus rarr indukce organogeneze

TYPY ANDROGENEZE

vzaacutecně

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Solanaceae

Brassicaceae

Poaceae

prašniacuteky

Androgeneze

Indukovanaacute androgeneze ndash přiacuteklady

Beta vulgaris - homozygotniacute linie

Brassica napus - novaacute odrůda linie

Hordeum vulgare

Lycopersicon - novaacute odrůda

Nicotiana - noveacute odrůdy

Oryza - noveacute odrůdy

Pelargonium - trpasličiacute variety

Triticum ndash cv Florin Huapei

Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby Praha Vyacutezkumnyacute uacutestav obilnaacuteřskyacute Kroměřiacutež Vyacutezkumnyacute uacutestav olejnin Oseva

Gynogeneze kultury izolovanyacutech vajiacuteček

kultury izolovanyacutech semeniacuteků

kultury izolovanyacutech květenstviacute in vitro

haploidniacute rostliny

spontaacutenniacute dihaploidniacute rostliny

ječmen kukuřice moruše

slunečnice cibule

kultivace vajiacuteček Beta vulgaris Tomaszewska-Sowa 2010

327 haploids 458 diploids and 215 ndash mixoploids

x opyleniacute ozaacuteřenyacutem pylem

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

Polyploidizace in vitro

duplikace celeacuteho genomu až 70 všech krytosemennyacutech rostlin je polyploidniacutech (Masterson 1994) POLYPLOID metabolicky aktivnějšiacute a rozměrnějšiacute plodiny ktereacute jsou vhodneacute pro pěstovaacuteniacute a leacutepe se vyrovnaacutevajiacute se stresovyacutemi podmiacutenkami

kolchicin

oryzalin

trifluralin

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze protoplastů

1892 Klecker - 1 mechanickaacute izolace protoplastů Stratiotes aloides (řezan pilolistyacute) 1960 EC Cocking 1 enzymatickaacute izolace protoplastů Nicotiana sp 1978 G Melchers a kol 1 mezirodovyacute hybrid bdquopomatoldquo bdquotopatoldquo Solanum tuberosum x S lycopersicum (Lycopersicum esculentum)

httptheplanetfixerorg387new-vegetable-created-the-tomato-potato-plant

Protoplastoveacute kultury

= kultivace rostlinnyacutech buněk zbavenyacutech buněčneacute stěny

Protoplast = rostlinnaacute buňka bez buněčneacute stěny jejiacute povrch tvořiacute cytoplazmatickaacute membraacutena maacute kulovityacute tvar

Protoplastoveacute kultury - regenerace

Faktory ovlivňujiacuteciacute kultivaci a regeneraci

Hustota ( počet protoplastů v 1 ml)

Životnost ()

Podmiacutenky kultivace a meacutedium

bull Studium synteacutezy buněčneacute stěny vyacutevoj buňky fyziologie buňky a cytogenetiku

bull Studium hodnoceniacute uacutečinků farmak potravinovyacutech doplňků agrochemickyacutech laacutetek na rostlinnou

buňku

bull Studium transportu iontů a laacutetek přes cytoplasmatickou membraacutenu

bull Somatickaacute hybridizace (fuacuteze protoplastů)

bull Inkorporace exogenniacuteho genetickeacuteho materiaacutelu ndash organel cybridizace

bull Genoveacute transformace (cizorodaacute DNA z bakteriaacutelniacuteho plasmidu)

Protoplastoveacute kultury - fuacuteze

Využitiacute

kombinace znaků odlišnyacutech druhů a rodů ktereacute by nevznikly přirozenou cestou

jedinečneacute kombinace jadernyacutech a organelovyacutech genomů vytvaacuteřiacute noveacute genetickeacute zdroje

často jen - čaacutest chromozomů asymetrickeacute jaderneacute hybridy

chloroplasty

mitochondrie

chemickeacute fuacuteze - pomalejšiacute elektrofuacuteze - fuacutezanti po 10 min vyššiacute frekvence fuacutezantů

cytoplazmickeacute hybridy - cybridy

Charakterizace hybridů - morfologicky cytologicky molekulaacuterniacute analyacutezy

Přirozenaacute mezidruhovaacute hybridizace - vznik některyacutech kulturniacutech plodin

B oleracea + B campestris = Brassica napus Nicotiana sylvestris + N tomentosa = Nicotiana tabacum

cybridy nelze ziacuteskat klasickou hybridizaciacute (křiacuteženiacutem) ndash samčiacute pohlavniacute buňky (pyl zrna) nemajiacute plastidy a mitochondrie

V přiacuterodě blesky do půdy modifikace bakteriiacute

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

Přenos jaderneacute a cytoplazmatickeacute genetickeacute informace mezi rostlinnyacutemi druhy rody

- překonaacuteniacute sexuaacutelniacute inkompatibility

- přenos genů rezistence vůči virovyacutem houbovyacutem chorobaacutem

- přenos cytoplazmatickeacute samčiacute sterility

- přenos rezistence vůči stresům (teplotniacutem zasoleniacute)

- přenos rezistence vůči hmyziacutem škůdcům

(synteacuteza fytoalexinů)

- přenos genů pro synteacutezu zaacutesobniacutech proteinů vitamiacutenů

alkaloidů

plnokvětost

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

využitiacute pro fytoremediace

Brassica juncea Tlaspi caerulescens brukev siacutetinovitaacute peniacutezek modravyacute akumulace Pb akumulace Zn a Ni hybrid se zvyacutešenou rezistenciacute k Pb Zn a Ni rychlyacute naacuterůst

biomasy

Brassica napus Thlaspi caerulescens hybridi rostly na vysokeacutem obsahu Zn

Fuacuteze protoplastů rodu Brassica s planyacutemi druhy

Armoracia rusticana

Barbarea vulgaris

Camelina sativa

Capsella bursa pastoris

Diplotaxis catholica

Diplotaxis muralis

Diplotaxis harra

Eruca sativa

Lesquerella fendleri

Mathiola incana

Moricandia arvensis C4

Moricandia nitens C4

Raphanus sativus

Sinapis alba

Sinapis arvensis

Thlaspi perfoliatum

Thlaspi caerulescens

Genoveacute banky In vitro genoveacute banky

2397 vzorků 1249 odrůd Solanum tuberosum 450 teraploidniacutech křiacuteženců S tuberosum 266 dihaploidů 119 mezidruhovyacutech hybridů rodu Solanum 313 genotypů kulturniacutech genotypů 23 planyacutech druhů

Havliacutečkův Brod

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu rostlin

1 Uchovaacutevaacuteniacute semen ndash semenneacute banky (od 1 roku - hellip)

2 Uchovaacutevaacuteniacute vegetativniacutech orgaacutenů ndash hliacutezy cibule řiacutezky

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro Kraacutetkodobeacute - aktivně rostouciacute kultury (pravidelneacute pasaacuteže) - uchovaacuteniacute kultur v minimaacutelniacutem růstu nižšiacute teploty kultivace

Dlouhodobeacute u rostlin kde nejsou semena

- za velmi niacutezkyacutech teplot (-196oC) = kryobanka

Databaacuteze ndash přiacutestupneacute z celeacuteho světa

Špicberky

genobanka - wwwvurvcz part databases EVIGEZ

vyacuteznam v mediciacuteně

Zaacuteložniacute fond semena potravinaacuteřskyacutech plodin z celeacuteho světa

stane se zaacuteložniacutem fondem pro ostatniacutech 1400

semennyacutech bank po celeacutem světě

v Iraacuteku a v Afghaacutenistaacutenu byla podobnaacute zařiacutezeniacute za

vaacutelky zcela zničena

na Filipiacutenaacutech je v roce 2006 poškodila povodeň

semennaacute banka pro světoveacute plodiny je umiacutestěna v hoře

maacute vyztuženeacute stěny betonem a železem

třiacute komory o velikosti 27 kraacutet 10 metrů

teplota minus 18 oC (konzervace po stovky až tisiacutece let) httpwwwnorambczarkivBasisartikler---OversettelserIkke-

bruktnovinkyseedvault_eng

k 1172010 zde bylo uloženo 716 523 vzorků semen patřiacuteciacutech ke 4 205 druhům

českaacute banka uloženaacute v Praze-Ruzyni zaacuteloha na Slovensku

Špicberky

Uchovaacutevaacuteniacute genofonduv ČR

genofond odrůd meruněk broskvoniacute mandloniacute reacutevy vinneacute kdouloniacute lonicer rakytniacuteků a dřiacutenů

2400 položek

25 000 položek

5400 položek 2397

položek

4700 položek

2000 položek

2300 položek

Naacuterodniacute informačniacute systeacutem genetickyacutech zdrojů EVIGEZ httpwwwgenbankvurvczgeneticresources

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro

KRYOBANKA

prašniacuteky a pyl pletiva a orgaacuteny meristeacutemy

kalus

suspennzniacute somatickaacute kultury embrya

dlouhodobeacute skladovaacuteniacute

nižšiacute naacuteroky na uchovaacuteniacute

mezinaacuterodniacute vyacuteměna

nižšiacute podiacutel lidskeacute praacutece

potřeba menšiacuteho prostoru

uchovaacuteniacute genetickeacute stability

omezeniacute staacuternutiacute

ozdravenyacute materiaacutel

prodlouženeacute použitiacute pylu

uchovaacuteniacute vzaacutecnyacutech rostlin

apikaacutelniacute vrcholy

Biotechnologickaacute laboratoř Nestleacute - uchovaacutevaacute buněčneacute embryogenniacute linie kaacutevy kakaa a banaacutenů

Německaacute sbiacuterka mikroorganismů a buněčnyacutech kultur (DSMZ Braunschweig Německo) meristeacutemy 519 staryacutech kultivarů brambor ndash metoda mrazeniacute alginaacutetovyacutech perel

International Potato Centre (CIP Lima Peru) - 345 kultivarů brambor

INIBAP Leuven Belgie - 306 kultivarů banaacutenu (14 ze světoveacuteho počtu kultivarů)

Naacuterodniacute genobanka klonů NCGR USA - ročniacute naacuteklady

udržovaacuteniacute jedneacute položky v sadu (hrušně) 77 dolarů na skladovaacuteniacute in vitro 23 dolarů na kryoprezervaci 1 dolar (při počaacutetečniacute investici na kryometodu 50 dolarů za uchovaacutevanou jednotku)

Přiacuteklady komerčniacuteho využitiacute kryoprezervace meristeacutemů

Aplikace biotechnologiiacute ve šlechtěniacute rostlin

rostliny postraacutedajiacute schopnost aktivně se přesouvat z dosahu nepřiacuteznivyacutech vlivů rostliny vyvinuly adaptačniacute mechanismy pro překonaacuteniacute stresů a tiacutem přežitiacute v extreacutemniacutech podmiacutenkaacutech

Biotechnologie v zemědělstviacute ekologickeacute zemědělstviacute

VLIV ŠKŮDCŮ CHOROB A PLEVELŮ NA ZEMĚDĚLSKEacute PLODINY

1 sniacuteženiacute velikosti a vaacutehy zrna 2 ztraacuteta ve velikosti hliacutez a kořenů 3 zvyacutešeniacute obsahu vlhkosti 4 změny v chemickeacutem složeniacute zrna hliacutez a kořenů 5 odbarveniacute zrna a hliacutez - deformace 6 tvorba mykotoxinů patogeny 7 sniacuteženiacute kliacutečivosti 8 redukce krmiva

spotřeba vody - rezistence k suchu sniacutežiacute spotřebu uchovaacuteniacute vody rostlinou aplikace hnojiv chemickaacute kontrola škůdců

- studium abiotickeacuteho stresu

- zlepšeniacute ochrany rostlin vůči škůdcům

- ochrana životniacuteho prostřediacute

- zlepšeniacute kvality potravin

odstraněniacute hladu GMO fytoremediace

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

ohroženiacute klimatickyacutem suchem v ČR ndash nejrizikovějšiacute oblasti nižšiacute polohy na jižniacute a středniacute Moravě v prostoru mezi Prahou Uacutestiacutem nad Labem a Žatcem zaacutepadně od Pardubic

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

Rezistence k suchu - využitiacute vody

Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

vyacutevoj samčiacuteho gametofytu - spojen s expresiacute genů - 150 specifickyacutech genů spraacutevneacute načasovaacuteniacute

sporofyt gametofyt

2n 1n

rostlina pylovaacute zrnazaacuterodečnyacute vak

pohlavniacute rozmnožovaacuteniacute přiacuterodniacute vyacuteběr

pylzrna - exina (ovlivněna sporofytem) ochrana před UV laacutekaacuteniacute opylovačů - barva vůně komunikace s bliznou produkce alergenů

strategie rostlin zabraacuteněniacute samoopyleniacute

Biotechnologie v zemědělstviacute samčiacute gametofyt n TETRASPORE (TES) reg gen je vyžadovaacuten ke tvorbě přepaacutežek mezi produkty meioacutezy u mutanta všechna čtyři jaacutedra mikrospoacutery zůstaacutevajiacute ve stejneacute cytoplazmě polyploidniacute jedinci n GEMINI POLLEN 1 (GEM1) reg gen je vyžadovaacuten k orientaci mitotickeacuteho vřeteacutenka mutant tvořiacute dvě symetrickaacute jaacutedra typu vegetativniacuteho vede ke sterilitě n SIDECAR POLLEN (SCP) reg gen je vyžadovaacuten k děleniacute pylu prvniacute symetrickaacute pylovaacute mitoacuteza mutanta daacutevaacute dvě stejneacute buňky jedna extra- vegetativniacute (sterilniacute sidecar) a druhaacute regvegetativniacute a generativniacute mutace nevede ke sterilitě n QUARTET (QRT) reg gen je vyžadovaacuten k separaci pylovyacutech zrn u mutantů jsou stěny meiotickyacutech produktů pyloveacute mateřskeacute buňky fuacutezovaacuteny a zrna se uvolňujiacute v tetraacutedaacutech

samičiacute makrogametofyt n FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED (FIS) a FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) reg geny hrajiacute regulačniacute role ve vyacutevinu semene po oplozeniacute u mutantů se diploidniacute jaacutedra endospermu vyviacutejejiacute bez oplozeniacute pak atrofujiacute mutace neovlivňujiacute vaječnou buňku - procesy embryogeneze a vyacutevinu endospermu jsou odlišneacute n MEDEA (MEA) reg mutace genu způsobuje hypertrofii a zaacutenik embrya neniacute jasneacute na jakeacute uacuterovni se gen projevuje zaacuterodečnyacute vak endosperm nebo maternaacutelně imprintovanyacute embryonaacutelniacute gen

Biotechnologie ve šlechtěniacute rostlin Selektivniacute šlechtěniacute rostlin - přiacuterodniacute genetickeacute diverzity rostlin Techniky překonaacuteniacute barieacuter šlechtěniacute

Barieacutery Technika překonaacuteniacute Před oplodněniacutem

selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute pestiacuteku

pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony

pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro

selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů

odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute

abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry

sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

vyacutevoj semen

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

Škůdci v historii naacutelety sarančat (Staryacute zaacutekon)

ochrana saze tabaacutek

začaacutetek 19 stol - siacutera na houboveacute patogeny 1939 objev DDT uacutečinek na hmyz teorie bdquohmyz se může staacutet rezistentniacuteldquo 1948 Nobelova cena P Muumlller

50 leacuteta 20 st - herbicidy - postřiky na plevele ( rezistence na herbicid) 1972 zaacutekaz DDT (vyacutejimka - boj s malaacuteriiacute v Africe - naacutevrat DDT)

škůdce - hmyz hliacutestice 1861 - v Americe Iowa Nebraska 1880 1 pesticid v S Americe arzeacutenem bdquoParis greenldquo

S rostouciacute intenzitou pěstovaacuteniacute roste hospodaacuteřskyacute vyacuteznam škodlivyacutech organismů objem škod se zvyšuje staacutele přibyacutevajiacute noveacute druhy škodlivyacutech organismů zavaacutedějiacute se staacutele noveacute prostředky

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin - hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy

1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho

obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

ROS Reactive oxygen species reaktivniacute formy kysliacuteku SAR Systemic acquired resistance systeacutemově ziacuteskanaacute rezistence = neinfikovaneacute buňky začiacutenajiacute s přiacutepravou na atak patogena

napadeneacute rostliny uvolňujiacute signaacutelniacute molekuly (těkaveacute laacutetky - druhově specifickeacute) a varujiacute okolniacute rostliny ještě před napadeniacutem hmyzem

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin -hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy 1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

produkujiacute u různyacutech rostlin různě - sekundaacuterniacute metabolity - odstrašeniacute nebo zničeniacute patogena - proteiny inhibujiacuteciacute aktivitu zažiacutevaciacutech enzymů hmyzu - enzymy degradujiacuteciacute buněčnou stěnu hub (chitinaacutezy) - proteiny inhibujiacuteciacute překlad proteinů u škůdce - antiviroveacute složky degradujiacuteciacute virovou RNA blokujiacute vstup do buňky zastavujiacute replikaci

geny ktereacute bdquoSARldquo zapiacutenajiacute zvyšujiacute rezistenci rostliny

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům - již v čaacutesti fytotatologie

Co je plevel soutěžiacute s plodinou o živiny světlo a prostor intenziacutevně roste podiacuteliacute se na šiacuteřeniacute chorob a škůdců

lat herba - rostlina řeč cidoacute - ničiacutem

Vznik rezistence plevelů vůči některyacutem herbicidniacutem laacutetkaacutem = reakce plevelnyacutech druhů na podmiacutenky současneacuteho pěstovaacuteniacute rostlin = dlouhodobeacute působeniacute herbicidů

Vyacutevoj plevelů na zemědělskeacute půdě v naacutevaznosti na skladbu pěstovanyacutech plodin Vznik rezistence plevelů vůči herbicidům Problematika invaziacute a expanziacute plevelů

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům

Rezistenci vůči herbicidům způsobujiacute biochemickeacute fyziologickeacute změny nebo morfologickeacute odlišnosti ktereacute ovlivňujiacute přiacutejem herbicidů rostlinou

- degradujiacute herbicid

- měniacute jeho biochemickou funkci v rostlině

- pozměňujiacute miacutesto na ktereacute herbicid v rostlině působiacute

Rezistence rostlin vůči herbicidům dědičnaacute schopnost odolaacutevat takoveacute daacutevce herbicidů při ktereacute by za normaacutelniacutech okolnostiacute byla populace potlačena

směr pro šlechtěniacute

Aplikace rostlinnyacutech biotechnologiiacute v životniacutem

prostřediacute

takto nebo takto

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Těžba a zpracovaacuteniacute surovin(těžkeacute kovy- Cd Pb prach) Průmyslovaacute vyacuteroba (barviva)

Skladovaacuteniacute (haldy kaliště sklaacutedky) Zemědělstviacute (pesticidy herbicidy)

Domaacuteciacute odpad (leacutečiva detergenty praciacute prostředky)

čin

no

st č

lově

ka

půda voda ovzdušiacute

znečištěniacute

degradace organismy produkujiacuteciacute laacutetky (enzymy) pro

ciacutelenyacute rozklad

organismy snižujiacuteciacute toxicitu toxickeacute laacutetky metylaciacute dehalogenace hydroxylace hydrolyacuteza deaminacehellip

substraacutet je zdrojem C a energie

dekontaminace

+ katastrofy Černobyl vaacutelečneacute konflikty

remediace = navraacuteceniacute k původniacutemu stavu

Biodegradace všechny přirozeneacute procesy ktereacute jsou uskutečňovaacuteny bakteriemi a jinyacutemi mikroorganizmy nebo vyššiacutemi organismy ktereacute vedou k destrukci organickyacutech molekul = organickyacute substraacutet je přeměňovaacuten až na CO2 Bioremediace (bakterie houby)

spočiacutevaacute v akceleraci přirozenyacutech biodegradačniacutech procesů nebo v ciacuteleneacute biodegradace - vede k ozdraveniacute kontaminovaneacuteho prostřediacute - detoxifikace měniacute se na netoxickeacute = neškodneacute laacutetky - aplikaciacute mikroorganismů

Fytoremediace (rostliny) niacutezkaacute cena

využitiacute rostlin k odstraněniacute toxickeacute zaacutetěže (těžkeacute kovy) řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny Zooremediace (zviacuteřata)

zpracovaacuteniacute odpadů pomociacute zviacuteřat bezobratliacute - perlorodky měkkyacuteši

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

nevyacutehody pomalaacute viacutece než 2 roky maleacute rozměry vhodnyacutech rostlin maacutelo druhů vhodnyacutech rostlin neniacute 100 probleacutem s rostlinnyacutem odpadem - potřeba zvlaacuteštniacutech sklaacutedek spadeneacute listiacute

- řiacutezeneacute spalovaacuteniacute

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacute len slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

vyacutehody mineralizace organickyacutech sloučenin niacutezkeacute naacuteklady pasiacutevniacute metoda bez transportu kontaminovaneacute půdy energie ze slunečniacuteho zaacuteřeniacute nepoškozuje okoliacute - sniacuteženiacute prašnosti

estetickyacute přiacutenos etickyacute uacutečinek (veřejnosti přijatelnyacute)

2005 cca 450 rostlinnyacutech druhů - tzv bdquohyperakumulaacutetoryldquo 100 x vyššiacute akumulace než u ostatniacutech rostlin

teorie vzniku - obrana vůči hmyzu - hmyz preferuje

niacutezkeacute koncentrace kovu

Thlaspi careulescens

X bagrovaacuteniacute kontaminovaneacute zeminy transport zeminy dekontaminace

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute přiacutejem kořeny - z půdy přiacutejem nadzemniacute čaacutestiacute rostliny - vyacutefukoveacute plyny

akumuluje

degraduje

detoxifikuje

roste na kontaminovaneacute půdě

produkuje velkeacute množstviacute biomasy

tolerantniacute k salinitě a jinyacutem toxickyacutem podmiacutenkaacutem

poskytuje ekonomickeacute hodnoty - textilniacute vlaacutekna (len konopiacute)

GMO - gen fytovolatizace - bakteriaacutelniacute geny transformovaacuteny do rostlin transgeny merA a merB fytoextrakce - gen gsh1 a gsh2 z E coli do Brassica juncea

potenciaacutel je v GMO rostlinaacutech

Laboratoř rostlinnyacutech biotechnologiiacute Společnaacute laboratoř UacuteEB AV ČR vvi A VUacuteRV vvi Akademie věd Českeacute Republiky Mendelova univerzita v Brně Uacutestav experimentaacutelniacute botaniky AV ČR Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby v Praze Metoda použita na čištěniacute uranem a radiem znečištěneacute vody v Mydlovarech - kořenovaacute čistiacuterna

ideaacutelniacute rostlina

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

proces substraacutet ciacutel rostlina

fytoextrakce fytoakumulace

odstraněniacute toxickyacutech laacutetek z půdy a vody - akumulaciacute rychle rostouciacute rostlinou (zůstaacutevaacute v rostlině)

půda sedimenty kaly odpadniacute vody

toxickeacute kovy radionuklidy

Thlaspi sp Brassica sp

fytostabilizace ciacuteleneacute pěstovaacuteniacute tolerantniacutech druhů zamezeniacute eroziacute

půda haldy odkaliště těžkeacute kovy dlouheacute a bohateacute kořeny

fytovolatizace odstraněniacute Hg pomociacute genu koacutedujiacuteciacuteho reduktaacutezu Hg2+ na Hg0

a uvolněniacute do ovzdušiacute

půdy sedimenty odkaliště průmysloveacute a zemědělskeacute odpadniacute vody

kovy - Se Hg chlorovanaacute rozpouštědla

stromy traacutevy Brassica sp

fytodegradace degradace kontaminantů rostlinou na netoxickeacute laacutetky

půdy sedimenty odkaliště odpadniacute vody

ropneacute laacutetky pesticidy detergenty

stromy traacutevy

rhizofiltrace odstraněniacute pomociacute rostlinnyacutech kořenů

povrchoveacute vody odpadniacute vody

těžkeacute kovy - Co Cu Cr Mn Ni radionuklidy

Brassica sp Helianthus vodniacute rostliny hydroponie

superrostliny

niacutezkeacute naacuteklady

kořenovaacute čistička = umělyacute mokřad oddělenyacute od okoliacute nepropustnou foacuteliiacute využiacutevaacute samočisticiacutech procesů probiacutehajiacuteciacutech v propustneacutem půdniacutem prostřediacute za spoluuacutečasti rostlin čištěniacute odpadniacutech vod z domaacutecnostiacute sklaacutedek a některyacutech průmyslovyacutech provozů

Rhizofiltrace

httpwwwnemcoviceczcontentviewfull3607

rostliny s vysokyacutemi

naacuteroky na vyacuteživu

+

bakterie

může zapaacutechat

5x - 10 x nižšiacute naacuteklady

Člověk čistiacute odpadniacute vodu za pomoci zařiacutezeniacute

ale přiacuteroda to zvlaacutedaacute bez přiacutestrojů a mnohem levněji

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute niacutezkeacute naacuteklady

rostlina chemickaacute sloučenina

pšenice 24 -D MCPA jako zdroj uhliacuteku

kukuřice atrazin degradace atrazinu mikroorganismy rhizosfeacutery

fazole diazinon parathion mineralizace v rhizosfeacuteře

luštěniny nafta

Kučerovaacute et al 1999 Chemickeacute listy

přiacutejem - velikost kořenoveacuteho systeacutemu přiacutestupnost pro rostlinu např chelaacutety

transport rostlinou - apoplast (difuacuteziacute)

symplast (specifickeacute přenašeče)

miacutesto uskladněniacute hustota rostlin v porostu

zaacutevažnějšiacute ekologickyacute a toxikologickyacute vyacuteznam přibližně 16 prvků (Fe Mo Mn Zn NiCo Cu V W Cr Hg Pb Cd Sb Ag a U)

Budoucnost fytoremediaciacute niacutezkeacute naacuteklady

Fytoremediace v praxi

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Ural 1953 odstraněniacute těžkyacutech kovů

Amana Iowa hybridniacute topoly atrazin odstraněna čaacutest až 20

Beaverton Kreton

hybridniacute topoly

organickeacute laacutetky kovy

a amonneacute sloučeniny

celkoveacute vyčistěniacute oblasti

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Fukušima 113 2011 slunečnice radioaktivniacute cesium dekontaminace půdy

Černobyl 2641986 slunečnice jabloně

cesium stroncium dekontaminace půdy povrchoveacute vody

paacutes 30 km - likvidace radioaktivniacutech rostlin

nebudou spaacuteleny rozloženy a kompostovaacuteny - speciaacutelniacute bakterie

slunečnice spotřebovaacutevajiacute z půdy drasliacutek kteryacute patřiacute mezi alkalickeacute kovy stejně jako cesium drasliacutek neniacute v půdě přiacutetomen květiny využijiacute praacutevě druhyacute prvek - Cs

Biotechnologie v ŽP niacutezkeacute naacuteklady

fytomining - fytodobyacutevaacuteniacute fytodolovaacuteniacute

ziacuteskaacutevaacuteniacute kovů z rostlin kde klasickaacute těžba je nevyacutehodnaacute rostliny - bdquotěžaři vzaacutecnyacutech kovůldquo a polokovů AuTh Co U Cd Ni Cu Mn

v rostlinaacutech hyperakumulaacutetorech je akumulace prvku sušina rostliny jako -ldquobio-rudaldquo

vyacutehody

- obsah kovu v bdquobio-ruděldquo je vyššiacute než v běžneacute rudě

- meacuteně skladovatelneacuteho miacutesta

- zelenaacute technologie jako alternativa

fytomining Ni pomociacute Alyssum bertolonii

Robinson et al 1997 The nickel hyperaccumulator plant Alyssum bertolonii as a potential agent for phytoremediation and phytomining of

nickel Journal of Geochemical Exploration59(2)75-86

zlatonosneacute rostliny

zlataacute jablka

zlateacute kapradiacute

hledaacuteniacute nalezišť

technologie budoucnosti

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute bioplasty z biomasy (škroby tuky) nahrazujiacute fosilniacute zdroje vyacutehodou je biodegradace biopaliva rostlinnyacute materiaacutel a řasy bioethanol GMO rezistentniacute rostliny vůči postřikům hmyziacutem škůdcům transfer genů pro symbiotickou fixaci dusiacuteku z luštěnin do dalšiacutech plodin přenos genů z bdquoC4ldquo do bdquoC3ldquo rostlin pro dosaženiacute uacutečinnějšiacute fotosynteacutezy (ryacuteže)

Transgenoziacute se přenaacutešiacute přirozeneacute geny vznikleacute evoluciacute z jednoho organismu do druheacuteho kteryacute se s daacutercem genu obvykle

nemůže křiacutežit pouze dokaacuteže přenosy mezi vyacutevojově ještě vzdaacutelenějšiacutemi organismy

Geny použiacutevaneacute při transgenosi jsou braacuteny z přiacuterody např gen v soacuteji tolerujiacuteciacute glyfosaacutet - je z bakterie rodu Agrobacterium

Klasičtiacute šlechtiteleacute takto pracujiacute daacutevno např smiacutechali geny pšenice a žita

GMO

Transgenoze ndash vnaacutešeniacute znaacutemyacutech jednotlivyacutech genů do dědičneacuteho

zaacutekladu (poprveacute 1978)

Pro přenos - Agrobacterium tumefaciens A rhizogenes E coli

httpblogscassuffolkeduiglesias20140424gmos

GMO bez obalu httpwwwbezpecnostpotravinczUserFilespublikaceGMO_web_1pdf

GMO - transgenniacute rostliny CARTAGENSKYacute PROTOKOL o biologickeacute bezpečnosti 29 1 2000 Montreal (OSN ndash program pro životniacute prostřediacute UNEP) platnost 11 9 2003

ČR podepsala 24 52000 (gmovschtcz) nyniacute 160 staacutetů

opatřeniacute ve staacutetech ktereacute se připojiacute k projektu (dovoz vyacutevoz transport)

vzdělaacuteniacute odborniacuteků a informovaacuteniacute veřejnosti

vytvořeniacute noveacute legislativy GMO (wwwenvcz )

spolupraacutece při vyacuteměně zkušenostiacute

Svět 2010 - viacutece než 150 mil ha viacutece než 20 zemiacute

pro vegetačniacute čaacutesti

nebo plody

CIacuteL PROTOKOLU - zajistit ochranu a bezpečnost při zachaacutezeniacute využiacutevaacuteniacute a přenosu živyacutech modifikovanyacutech organismů ktereacute jsou vyacutesledkem moderniacutech biotechnologiiacute a ktereacute mohou miacutet nepřiacuteznivyacute vliv na zachovaacutevaacuteniacute biologickeacute rozmanitosti a zdraviacute člověka Protokol je zaměřen předevšiacutem na převoz GMO přes hranice staacutetů a maacute ochraňovat zejmeacutena staacutety kteryacutem dosud chybiacute vlastniacute vnitrostaacutetniacute praacutevniacute předpisy v oblasti GMO

GMO - transgenniacute rostliny historie

EVROPA

SRN - Max-Planck-Institut

Belgie - Universita Ghent

Švyacutecarsko- ETH Zurych

ČR - Biofyzikaacutelniacute uacutestav Brno (Agrobacterium jako vhodnyacute přenašeč genů)

ČR - UacuteEB ČSAV Českeacute Budějovice (metody modifikaciacute)

2010 1 transgenniacute hraacutech v Evropě (ČR Agritec Šumperk)

transgenniacute len - oleje

FYTOPATOLOGIE IN VITRO

Fytopatologie in vitro

in vitro selekce = kultivace buněk se selekčniacutem činitelem (fitraacutet inokulum toxin)

ndash přežiacutevajiacuteciacute buňky jsou regenerovaacuteny do rostlin resistentniacuteho fenotypu

Studium interakce rostlina x patogen v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

Druh Patogen Typ biologickeacuteho testu Ciacutel

Coffea arabica Colletotrichum kahawae růst houby na kalusech vyacuteběr rezistentniacutech genotypů

Vitis vinifera Elsinoe ampelina růst kalusu na meacutediu s patogenem testy rezistence

Lycopersicon aes Alternaria alternata testy na izollistech in vitro hodnoceniacute toxicity

Pinus taeda Cronartium quercuum embryokultury s houbami vyacuteběr rezistentniacutech embryiacute

Triticum aestivum Microdochium nivale listy semenaacutečky in vitro vyacuteběr rezistentniacutech kultivarů

ozdravovaacuteniacute rostlin

klonoveacute množeniacute rezistentniacutech taxonů

Page 15: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,

6000 pnl produkce piva fermentaciacute (kvašeniacutem) Babyloacuteňaneacute Sumeroveacute

4000 pnl využitiacute kvasinek ve vyacuterobě piva a viacutena v Egyptě a Čiacuteně (znaacutem ječmen)

1675 Leeuwenhoek pozoroval bakterie

1860 Koch - rozvoj mikrobiologie

1857 Pasteur demonstrace fermentace - otec biotechnologiiacute

1877 Koch vypracoval techniky izolace a barveniacute bakteriiacute

1919 Ereky zavedeniacute termiacutenu biotechnologie

1935 Fleming objev peniciliacutenu - zavedeniacute sterilizace

1953 Watson a Crick popis struktury DNA

1975 Kohler a Milstein - produkce monoklonaacutelniacutech protilaacutetek

1978 produkce 1 lidskeacuteho proteinu v buňce firmou Genntech (USA) = inzuliacuten 1 praktickeacute využitiacute

1980 zavedeniacute metod rekombinantniacute DNA produkce inzuliacutenu v E coli

1994 schvaacuteleniacute prvniacute geneticky modifikovaneacute potraviny ndash rajče

1996 klonovaacuteniacute ovce Dolly Wilmuth a kol

Biotechnologie - historie

vyacuteroba jiacutedla a naacutepojů procesy vyviacutejeny za nesterilniacutech podmiacutenek zavedeniacute sterilniacutech podmiacutenek do biotechnologickyacutech procesů aplikace genetiky a technologie rekombinantniacute DNA

přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

nevyacutehoda - nekontrolovaneacute

zavedeniacute lidskeacuteho genu určujiacuteciacuteho produkci specifickeacute biacutelkoviny (inzuliacutenu) do bakterie pomociacute plazmidu - po zabudovaacuteniacute do genetickeacuteho aparaacutetu hostitelskeacute buňky je bakterie schopna produkovat AMK v přesně daneacutem pořadiacute a syntetizovat

lidskyacute inzuliacuten

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve

velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 11 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1843 superfosfaacutet hellip intenzivniacute hnojeniacute v zemědělstviacute

1849 Darwin - vznik druhů přirozenou selekciacute (cesta kolem světa Galapaacutegy)

1846-1850 krize monokultur - bdquobramborovyacuteldquo hladomor v Irsku (Phytophtora infestans)

1857 Pasteur - fermentace - otec biotechnologiiacute

1866 Mendel - publikuje svoje zaacutekony (znovu objeveny 1900)

1869 Miescher - objevuje DNA

1902 Haberlant - totipotence rostlinneacute buňky

1910 odrůda brambor Bintje (Holandsko) - odrůda roku 2012

1919 Ing Karl (Kaacuteroly) Ereky - termiacuten biotechnologie

migrace do Ameriky

technologie přeměny surovin na využitelneacute produkty pomociacute živyacutech organismů

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho

průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 10 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1923 Burbank USA - křiacuteženci bramboru odrůda

bdquoRUSSET BURBANKldquo (skladovatelnost hliacutez)

1933 prvniacute hybridi kukuřice

1941 Beadle a Tatum - hypoteacuteza 1 gen-1 enzym

1941 24-D (syntetickyacute auxin) jako prvyacute moderniacute herbicid

1950 1 radiomutanti chemomutanti řepka pšenice ryacuteže biacuteleacute fazole

ječmen (1965 - DIAMANT)

1960 ndash1970 ldquozelenaacute revoluceldquo zakrsliacute hybridi - Norman Borlaug

1970 NC miacuteru

1969 Triticale (Triticosecale tritikale žitovec - hybridniacute obilnina Triticum x Secale)

REKOMBINANTNIacute TECHNIKY

1985 prvniacute GM rostliny na poliacutech v UK

1995 odrůda bdquoBT NEW LEAF RUSSET BURBANKldquo

1998 zlataacute ryacuteže

2010 1 GMO hraacutech (Agritec)

I GMO odrůda brambor - odolnaacute vůči mandelince bramboroveacute vložen gen z bakteacuterie Bacillus thuringiensis produkujiacuteciacute protein narušujiacuteciacute vnitřnosti mandelinky

Mexiko 1943 import frac12 spotřeby pšenice 1944 plnaacute soběstačnost pšenice 1964 export 05 milionů tun pšenice

httpenwikipediaorgwikiNorman_Borlaug

Budoucnost biotechnologiiacute v ČR bdquoBiotechnologie jsou celosvětově nejprogresivnějšiacutech oblast vyacutezkumu vyacutevoje a podnikaacuteniacuteldquo

produkce viacutena - 1 psanaacute zmiacutenka r 276 (na Paacutelavě řiacutemskeacute legie) produkce piva - 11 stoletiacute syacutery destilaacutety 14 stoletiacute 1356 - kraacutelovskyacute dekret o produkci viacutena v Českyacutech zemiacutech alchymie (Rudolf II) 1518 - založeniacute Paliacuterny U Zeleneacuteho stromu v Prostějově 1887 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu pivovarskeacuteho a sladařskeacuteho v Praze 1949 - průmyslovaacute produkce peniciliacutenu v Roztokaacutech u Prahy 1966 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu antibiotik a transformaciacute (již neexistuje)

wwwbiotrincz wwwgate2biotechcz

AV ČR Univerzity Vyacutezkumneacute uacutestavy Šlechtitelskeacute stanice

kaacutemen mudrců elixiacuter mlaacutediacute přeměna hmoty

glukosa + kvasinky etanol + oxid uhličityacute přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces carlsbergensis

Biotechnologie v ČR

18 prosince 2008 bylo založeno sdruženiacute CzechBio - asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR zspo 1 asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR spojuje třicet soukromyacutech biotechnologickyacutech společnostiacute a akademickyacutech uacutestavů podpora spolupraacutece komerčniacute sfeacutery s vědeckou httpwwwczechbioorgcs

projekt Algatech ndash Centrum řasovyacutech biotechnologiiacute vyacutevoj novyacutech kultivačniacute zařiacutezeniacute a postupů na zpracovaacuteniacute řasoveacute biomasy pro vyacuterobu biopaliv krmiv potravniacutech doplňků a cennyacutech laacutetek Mikrobiologickyacute uacutestav Akademie věd ČR Třeboň

Centrum regionu Hanaacute pro biotechnologickyacute a zemědělskyacute vyacutezkum

UPOL + VUacuteRV + UacuteEB AV ČR - vytvaacuteřeniacute zemědělskyacutech plodin s vyššiacutemi vyacutenosy toleranciacute vůči nepřiacuteznivyacutem vlivům vnějšiacuteho prostřediacute

- transformace rostlin ječmene a dalšiacutech obilnin

wwwcr-hanaeu

Biotechnologie v ČR

wwwalgaczcscs-algatechhtml

Českaacute technologickaacute platforma rostlinnyacutech biotechnologiiacute ndash rozvoj biotechnologiiacute v ČR = Rostliny pro budoucnost (ČTP RB) - nepotravinaacuteřskeacute využitiacute rostlin vedlejšiacutech produktů odpadů - vyacutevoj novyacutech odrůd kulturniacutech rostlin - uplatněniacute rostlinnyacutech biotechnologiiacute v raacutemci životniacuteho prostřediacute

httpwwwczechinvestorgceska-technologicka-platforma -rostlinnych-biotechnologii

selekce - vyacuteběr nejlepšiacutech rostlin křiacuteženiacute GMO

Přiacuteklad šlechtěniacute - novyacute typ ryacuteže - maleacute vzpřiacutemeneacute listoveacute čepele - hodně odnožiacute - žaacutedneacute neproduktivniacute odnože - silneacute steacuteblo - C3 ryacuteže na C4 ryacuteže

Rostlinneacute biotechnologie Co pěstujeme na poliacutech v zahradaacutech a v sadech a co naacutesledně jiacuteme prošlo za několik tisiacuteciletiacute proměnou Prvniacute změna - předkoveacute opustili životniacute styl lovců a sběračů a stali se pěstiteli zemědělskyacutech plodina a chovateli hospodaacuteřskyacutech zviacuteřat

zlataacute ryacuteže geny z 5 různyacutech druhů

- Phaseolus vulgaris pro ferritin - Aspergilus fumigatus - ferritin - ryacuteže Basmati - ferritin - Narcissus pseudonarcissus synteacuteza karotenu - Erwinia uredovora - synteacuteza karotenu

bdquozlataacute ryacuteželdquo tvořiacute zvyacutešeneacute množstviacute provitaminu A zabraacuteniacute hladu zachraacuteniacute zrak vznikla na požadavek humanitaacuterniacute organizace bdquoHumanitarien Rice Boardldquo kteraacute se snažiacute řešit probleacutemy s nedostatkem potravy v nejchudšiacutech čaacutestech našiacute planety

švyacutecarskyacute genetik Ingo Portykus a německyacute genetik Peter Bayer

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute

ekologickaacute udržitelnost kvantita a kvalita zaacutekladniacutech zdrojů zemědělstviacute ekonomickaacute udržitelnost zemědělskaacute produkce (uacuteroda na ha) a zisk cena za produkty sociaacutelniacute (společenskaacute) udržitelnost kvalita života zemědělců vysokaacute kvalita potravin bez rizika na zdraviacute a prostřediacute

Co je udržitelneacute zemědělstviacute Mohou biotechnologie pomaacutehat

snižovaacuteniacute kvality zaacutekladniacutech zdrojů vyčerpaacuteniacute zaacutekladniacutech zdrojů

Vyhliacutedky na budoucnost

naacuterůst počtu obyvatel

zvyacutešeniacute životniacuteho standardu

pokles plochy orneacute půdy

pokles pracovniacuteků v zemědělstviacute

naacuterůst cen potravin

Naacuterůst zemědělskeacute produkce s využitiacutem biotechnologiiacute

šlechtěniacute (rezistence k chorobaacutem)

noveacute plodiny

nutričniacute kvalita plodin

ochrana rostlin

bezpečnost produktů

hybnou silou biotechnologiiacute je naacuterůst obyvatel Kolik lidiacute by mělo žiacutet na planetě Zemi

Rostlinneacute biotechnologie

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute mutace s naacuteslednou selekciacute odchylek noveacute techniky EK ciacutelenyacute přenos genů

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

prvniacute zemědělci

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) BT prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute MUTACE s naacuteslednou selekciacute odchylek - odrůda ječmene bdquoDIAMANTldquo

noveacute TECHNIKY EK VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

ciacutelenyacute přenos genů GMO

CO BUDE DAacuteL zvyšovat vyacutenosy BUDE VĚTŠINA PĚSTOVANYacuteCH ZEMĚDĚLSKYacuteCH PLODIN TRANSGENNIacute

vznik zemědělstviacute

1954

jsme moudřejšiacute

maacuteme většiacute možnosti

Počaacutetek EK 1902 Gottlieb Haberland segmenty listů 1904 Hannig zralaacute embrya

Potenciaacutel rostlinneacute buňky a podstata

explantaacutetovyacutech kultur rostlin

metody a jejich aplikace

ve šlechtěniacute rostlin

EK - historie

TOTIPOTENCE rostlinneacute buňky genetickeacute informace - jaacutedro plastidy mitochondrie

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

daacute se přeneacutest v raacutemci šlechtěniacute

blok totipotence

vyjaacutedřeniacute totipotence 1 dediferenciace buňky do buněčneacuteho cyklu a pokračovaacuteniacute v děleniacute 2 rediferenciace - tvorba organickyacutech struktur - přiacutemaacute regenerace tvorba kalusu - nepřiacutemaacute regenerace

vliv růstovyacutech regulaacutetorů

Rostlinneacute biotechnologie prvniacute generace - od explantaacutetovyacutech kultur po GMO

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute rostlin - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

Explantaacutet = aseptickaacute kultivace izolovanyacutech čaacutestiacute rostlin za umělyacutech podmiacutenek

EXPLANTAacuteTOVEacute KULTURY - VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

EK - historie

Metody EK využitelneacute v zemědělstviacute Meristeacutemoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Somatickaacute embryogeneze

Embryokultury

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze + buněčneacute inženyacuterstviacute

Genetickeacute manipulace

VITRIFIKACE (hyperhydricita) ndash vyjadřuje abnormality růstu in vitro skelnatyacute syndrom vyacutehonů křehkeacute mokryacute vzhled pryacutetů (vodou nasycenyacutech) průsvitnyacute sukulentniacute vzhled

metody zachovaacutevajiacuteciacute genotyp beze změn během kultivace metody zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu během kultivace

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK 1 rychleacute namnoženiacute

2 ozdravovaacuteniacute

3 překonaacuteniacute nekřiacutežitelnosti - embryokultury

4 dlouhodobeacute udržovaacuteniacute genetickyacutech zdrojů

5 indukce mutantů - ziacuteskaacuteniacute novyacutech genotypů

6 předselekce - urychleniacute šlechtitelskeacuteho cyklu

7 ziacuteskaacuteniacute novyacutech a udrženiacute genotypů s pylovou sterilitou

8 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho procesu

9 produkce haploidů

10 produkce polyploidů

11 rychlejšiacute ziacuteskaacuteniacute vyacutechoziacuteho šlechtitelskeacuteho materiaacutelu pro noveacute odrůdy

12 somatickaacute hybridizace - fuacuteze

13 konstrukce novyacutech genotypů kulturniacutech plodin přenos bdquoužitečnyacutech genůldquo

14 udržovaacuteniacute genofondu

15 selekce in vitro - rezistence k abiotickyacutem a biotickyacutem stresům

16 produkce sekundaacuterniacutech metabolitů

Plodina Technika

ječmen pšenice kukuřice

řepka paprika brukvovitaacute

zelenina mrkev

androgeneze

cibule gynogeneze

jahodniacutek česnek ozdravovaacuteniacute

brambor traacutevy polyploidizace in vitro

jeteloviny drobneacute ovoce

ovocneacute dřeviny podnože traacutevy mikropropagace

brambor řepka somatickaacute hybridizace

hraacutech brambor rezistence k chorobaacutem

traacutevy embryokultury

Kombinace metod embryokultury oplozeniacute in vitro fuacuteze protoplastů

plodiny se geneticky upravujiacute pro většiacute rezistenci k herbicidům - ničeniacute plevele bez poškozeniacute uacuterody GM rajčata potlačujiacute gen pro polygalakturonaacutezu enzym degradujiacuteciacute pektin způsobujiacuteciacute měknutiacute pletiv (Deacon a kol 2002)

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK

Meristeacutemoveacute kultury

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny meristeacutemoveacute kultury

Vyacutehody maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky naacuteslednaacute mikropropagace ozdraveneacuteho materiaacutelu bdquovirus - freeldquo

Vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana Iniciace kultury Testovaacuteniacute in vitro Přenos do nesterilniacutech podmiacutenek Testovaacuteniacute

MERISTEacuteM ndash děliveacute nediferencovaneacute pletivo ozdravovaacuteniacute rostlin (02 - 05 mm) meristeacutemy

OZDRAVOVAacuteNIacute Termoterapie (vyššiacute teplota)

Meristeacutemovaacute kultura Chemoterapie (antivirotika)

viry - nebuněčneacute mikroorganismy virovaacute čaacutestice = virion sklaacutedaacute se z RNA nebo DNA a kapsidu

fytopatologie in vitro

ribavirin

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny

Vyacuteznamneacute viroveacute choroby rostlin v ČR od 30 ztraacutet CaMV - 1968 PVY 30 -70 VMCH (virus mozaiky chmele) až o 70 mozaika česneku 25 - 50 žloutenka cibule až 100 bronzovitost rajčat

- žloutnutiacute listů kroužky a čaacutery na listech nevyvinuteacute rostliny abnormaacutelniacute růst - vstupujiacute různyacutemi poraněniacutemi - šiacuteřiacute se plasmodesmaty - velmi odolneacute proti inaktivaci - přenaacutešeny semeny hliacutezami pylem roubovaacuteniacutem hmyzem houbami červy

1952 Morel a Martin u jiřin

Využitiacute metody jahodniacutek česnek zeleniny květiny okrasneacute dřeviny ovocneacute dřeviny banaacutenovniacutek hellip

Tvorba bezviroacutezniacutech rostlin

1 meristeacutem = 1 rostlina testovaacuteniacute

wwwoselczindexphpclanek=2819

viroacutezniacute x zdravaacute

M Navraacutetil KBBPřFUPOL

PVY

In vitro klonovaacuteniacute mikropropagace meristeacutemoveacute kultury

zisk geneticky identickeacute rostliny vegetativniacutem množeniacutem

VYacuteHODY

maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny ktereacute jsou geneticky stabilniacute

v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky

vyššiacute množitelskyacute koeficient - potenciaacutelniacute hodnota zisku rostlin

Postup - vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana - iniciace kultury - mikropropagace - přenos do nesterilniacutech podmiacutenek

KLON - kolekce geneticky identickyacutech individuiacute původem z jedineacuteho rodiče

komerčně od 1960

httpwwwjanholubcz

In vitro meristeacutemoveacute kultury - využitiacute - zaacutechrana a množeniacute ohroženyacutech druhů kaktusy

- zaacutechranneacute množeniacute cennyacutech genotypů a liniiacute sterilniacutech rostlin - udrženiacute rodičovskyacutech komponent pro tvorbu hybridniacutech odrůd

- množeniacute transgenniacutech rostlin

- zachyceniacute a klonovaacuteniacute nově nalezenyacutech mutantů při šlechtěniacute

- klonovaacuteniacute nejlepšiacutech jedinců pro produkci elitniacuteho osiva

- vegetativniacute množeniacute okrasnyacutech rostlin karafiaacutet gerbera anthurie orchideje

sanpaulie kapradiny hellip

- množeniacute drobneacuteho ovoce jahodniacutek maliniacutek reacuteva

- množeniacute dřevin podnože pro školkařstviacute lesniacute dřeviny tropickeacute dřeviny

- v zelinaacuteřstviacute množeniacute brambor zeliacute

- množeniacute pouze samičiacutech rostlin datlovaacute palma

- kryoprezervace (-196 oC) jahodniacutek maliniacutek hraacutech brambor karafiaacutet

Genoveacute

banky

Mikropropagace multiplikace klonovaacuteniacute nejen z meristeacutemů

Solanum tuberosum Cucumis sativus Olea europea Eucalyptus grandis Salix sp Syringa sp Juglans regia

Schopnost regenerace tvorba identickyacutech rostlin = přiacutemaacute somatickaacute embryogeneze

Meristeacutemy Pryacutetoveacute segmenty Kalusy Embrya

Zdroje odchylek bull vysokeacute daacutevky růstovyacutech regulaacutetorů typ regulaacutetoru bull rostliny regenerujiacute z basaacutelniacuteho kalusu (možnost gen změn)

Kalusoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Primaacuterniacute explantaacutet kalus meristemoid orgaacutenoveacute primordium

Kalus = masa děliacuteciacutech se a rostouciacutech buněk

nejsou uniformniacute mohou se lišit velikostiacute tvarem pigmentaciacute metabolismem nebo počtem chromosomů

bull za určityacutech podmiacutenek regenerace pryacutetů a kořiacutenků

tma x světlo

subkultivace

metoda geneticky nestabilniacute

Kalusoveacute kultury - somaklonaacutelniacute variabilita ndash MUTACE a zisk novyacutech znaků

- mikropropagace ndash cibule žen-šen hellip

- vyacutechoziacute materiaacutel pro suspenzniacute a protoplastovou kulturu

- materiaacutel pro indukovaneacute mutace (zaacuteřeniacute chemomutageny)

- sekundaacuterniacute metabolity (alkaloidy AMK saponiny oleje složky vůniacute protinaacutedoroveacute laacutetky steroidy )

polyploidie aneuploidie

Selekce mutantů se zlepšenou nutričniacute hodnotou (viacutece biacutelkovin v zrnu)

Rezistence vůči zasoleniacute (vysokyacute turgor v buňkaacutech akumulace NaCl ve vakuolaacutech)

Rezistence vůči chorobaacutem (synteacuteza fytotoxinů fytoalexinů)

Sekundaacuterniacute metabolity (= chemickeacute individuality v rostlinaacutech ndash barviva vůně chuti obrana)

Artemisia annua - artemisin (antimalarika) Capsicum sp - capsaicin (protinaacutedoroveacute)

Digitalis lanata - digoxin (srdečniacute stimulanty) Papaver somniferum - codein (sedativa)

Taxus breviola - taxol (protinaacutedoroveacute) Vanilla planifolia - vaniliacuten (aroma)

Panax ginseng - (imunitniacute systeacutem) Zingiber officinale ndash gingerol (antioxidant)

Somatickaacute embryogeneze a suspenzniacute kultury

Využitiacute

umělaacute semena (enkapsulace somatickyacutech embryiacute)

využitiacute somatickeacute variability

klonoveacute množeniacute

sekundaacuterniacute metabolismus (suspenze)

kryoprezervace

Buněčnaacute suspenze = převedeme kalus do tekuteacuteho meacutedia

a provzdušňujeme (kontakt buněk a shluků buněk s meacutediem)

vznikaacute bipolaacuterniacute struktura obsahujiacuteciacute kořen a pryacutet

auxin (24-D)

umělaacute semena

Mutace RADIOMUTANT PROSPĚCH NEBO ZAacuteLUDNOST

SPONTAacuteNNIacute MUTACE využiacutevaacute člověk při šlechtěniacute odrůd spur typy (kompakt typy) jabloniacute absence trnů u ostružiniacuteku variabilita květenstviacute jiřinky proměnliveacute vznik plemen domaacuteciacutech zviacuteřat je založen na podchyceniacute spontaacutenniacutech mutaciacute ndash plemena psů

INDUKOVANEacute MUTACE působeniacute mutagenů

zaacuteměrneacute ndash ve vyacutezkumu ve šlechtěniacute rostlin (př odrůdy ječmene DIAMANT (zkraacuteceniacute steacutebel ndash nepoleacutehaacute) kompaktniacute růst a samosprašnost třešně změna barvy slupky u jabloně ndash sbquoredlsquo mutace)

nezaacuteměrneacute ndash důsledek použitiacute jadernyacutech a chemickyacutech zbraniacute ndash Yperit jaderneacute a jineacute katastrofy

1950 radiomutace chemomutace 1965 ječmen Diamant

Suspenzniacute kultury - SK KULTURA V TEKUTEacuteM MEacuteDIU ROSTE A DĚLIacute SE NĚKOLIKANAacuteSOBNĚ RYCHLEJI NEŽ KULTURA

NA PEVNEacuteM MEacuteDIU Využitiacute jako experimentaacutelniacute model produkce sekundaacuterniacutech metabolitů indukce somaklonaacutelniacute variability a naacutesledneacute selekce mikropropagace (pod kontrolou genetickeacute stability) pohyb kultury v bioreaktoru maacute za naacutesledek potlačeniacute apikaacutelniacute dominance tiacutem se stimuluje růst mnohonaacutesobnyacutech pryacutetů

Bioreaktory firmy VitroSys Inc Korea

ideaacutelniacute SK ndash rychlyacute růst karyologickaacute stabilita životnost buněk rentabilita

Minimaacutelně 103 ml buněk 110 suspenze v exponenciaacutelniacute faacutezi se doplniacute čerstvyacutem meacutediem Koncentrace sacharidů prodlužuje periodu růstu

Velkokapacitniacute kultivace rostlinnyacutech buněk v tekutyacutech meacutediiacutech sterilniacute prostřediacute obsahujiacuteciacute živiny a laacutetky potřebneacute pro růst a jeho regulaci vhodneacute pro kultivaci rostlinnyacutech mikrobiaacutelniacutech a živočišnyacutech buněk

Bioreaktor

Bioreaktory s tekutyacutem meacutediem explantaacutety jsou ponořeny v tekuteacutem meacutediu Bioreaktory s pravidelnyacutem zaplavovaacuteniacutem (temporary immersion bioreactor TIB) explantaacutety jsou pravidelně zaplavovaacuteny

Bioreaktor

httpwwwuebcasczcscontentzensenove-spagety

pěstujiacute se jen kořeny - zisk GINSENOSIDŮ za 3 měsiacutece v laboratoři stejnyacute zisk jako z rostlin ženšenu v přiacuterodě za 8 let obsah GINSENOSIDŮ je srovnatelnyacute s planě rostouciacutemi rostlinami množstviacutem i vzaacutejemnyacutem poměrem jednotlivyacutech laacutetek

v Koreji od r 2004

hairy-root systeacutem a sekundaacuterniacute metabolity

Sekundaacuterniacute metabolity - SM ROSTLINA BUNĚČNAacute KULTURA

EXTRAKT prověřovaacuteniacute oddělovaacuteniacute čištěniacute aktivniacute složky testovaacuteniacuteprověřovaacuteniacute

ČISTAacute BIOAKTIVNIacute LAacuteTKA

SM z buněčneacute kultury - extrakty ziacuteskaneacute za reprodukovatelnyacutech podmiacutenek spolehliveacute zdroje meacutedium - množstviacute čisteacuteho produktu

buňky rostou v tekuteacutem meacutediu -ne celaacute rostlina

produkt rostlina in vitro ()

rostlina ()

poměr

ginsenoside Panax ginseng 27 45 6 x

rosmarinic acid Coleus blumei 27 3 9 x

caffeic acid Vanilla planifolia 002 0005 4 x

shikonin Lithospermum erythrorhizon

20 15 135 x

ubiquinon-10 Nicotiana tabacum 0036 0003 12 x Heldman et al 2011

anti

oxy

dan

ty v sušině

bioreaktory

Sekundaacuterniacute metabolity - SM Rostlina Uacutečinnaacute laacutetka Uacutečinek

Artemisia annua pelyněk ročniacute artemisinin antimalarikum

Digitalis lanata naacuteprstniacutek vlnatyacute digoxin srdečniacute stimulants

Dubosia myoporoides lilkoviteacute atropin

scopolamin

očniacute přiacutepravky mořskaacute nemoc

Lithospermum

erythrorhizon

kamejka

rudokořennaacute

shikonin protinaacutedoroveacute

Panax ginseng ženšen pravyacute stimulant imunitniacuteho systeacutemu

Salix alba vrba biacutelaacute salicin antirevmatikum proti horečce

Taxus brevifolia tis

zaacutepadoamerickyacute

baccatin taxol protinaacutedoroveacute

Vinca rosea barviacutenek růžovyacute vinblastin

vinkristin

protinaacutedoroveacute alkaloidy

leukeacutemie

buněčnaacute kultura

Rostlina Extrakt Uacutečinek

Linum usitatissimum len setyacute olej

Mentha piperita maacuteta peprnaacute maacutetovyacute olej -

mentol

žaludečniacute potiacuteže

Mentha spicata maacuteta klasnataacute mentol žaludečniacute potiacuteže

Zingiber officinale zaacutezvor leacutekařskyacute gingerol antioxidant

informace z tradičniacute lidoveacute mediciacuteny - použitiacute extraktů a purifikace zdroje z nedotčeneacuteho ekosysteacutemu

kalusovaacute kultura buněčnaacute suspenze orgaacutenovaacute kultura - Artemisia Mentha - pryacutety

rostliny jsou vyacuterobci sekundaacuterniacutech metabolitů

cytostatikum

Sekundaacuterniacute metabolity - SM

Heldman et al 2011

VYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY

nezaacutevisleacute na geografickyacutech podmiacutenkaacutech

nezaacutevisleacute na sezoacutenniacutech podmiacutenkaacutech

v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

v přiacuterodě kontrolovaacuteno množstviacute in vitro ne

nepřetržitaacute dodaacutevka produktu

uniformniacute kvalita produktu

uniformniacute vyacutetěžnost produktu (průběžně)

vyacuteběr vhodneacute linie s vyššiacute produkciacute produktu

možnost tvorby novyacutech laacutetek nenormaacutelniacutech u donora

NEVYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY staacutele se vyviacutejejiacuteciacute

překaacutežky - pomalyacute růst

genetickaacute nestabilita

různorodost

niacutezkyacute obsah metabolitu

produkty vylučovaacuteniacute provozniacute - světelneacute podmiacutenky aseptickeacute podmiacutenky

STRATEGIE TVORBY SM vyacuteběr donorovyacutech rostlin - biochemickeacute testy

iniciace kalusů

vyacuteběr buněčneacute linie - rychle rostouciacute vysokaacute produkce

ciacutelenyacute metabolismus - kultivačniacute meacutedium (složeniacute koncentrace proporcionalita)

kultivačniacute podmiacutenky (teplota světlo pH) zvlaacuteštniacute požadavky (prekurzor simulace stresu - napadeniacute patogenem)

uvolněniacute do meacutedia

Embryokultury

Embryokultury = kultivace zralyacutech nebo nezralyacutech embryiacute in vitro

1904 Hannig - embrya u ředkve

1925 Laibach - aplikace v mezidruhoveacutem křiacuteženiacute r Linum sp

1945 Randolph - zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu u r Iris sp

1970 Kasha Kao - ziacuteskaacuteniacute haplodů u ječmene

Hordeum vulgare (zůstaacutevaacute) x Hordeum bulbosum (eliminace chromozoacutemů)

Zygotickaacute embrya vyacuteživa z endospermu (heterotrofniacute)

Embrya in vitro vyacuteživa z kultivačniacuteho meacutedia

In vitro oplodněniacute u člověka - 1978 pro neplodneacute paacutery

geneticky stabilniacute metoda

Embryokultury- in vitro

I Kultura semennyacutech embryiacute tj izolace plně vyvinutyacutech

bipolaacuterniacutech struktur obsahujiacuteciacutech kořenovyacute a stonkovyacute systeacutem

II Kultura proembryiacute tj izolace nezralyacutech zaacuterodků předchaacutezejiacuteciacutech

diferenciaci děloh

Embryogeneze zygotickeacuteho embrya (in vivo)

zygota (přiacuteprava na 1 děleniacute)

faacuteze pomaleacuteho vyacutevinu embrya po oplozeniacute

faacuteze rychleacuteho vyacutevinu růstu a diferenciace embrya

faacuteze dozraacutevaacuteniacute embrya

faacuteze přechodu embrya do dormance (ABA)

Embryokultury

1 překonaacuteniacute barieacuter vzdaacuteleneacuteho křiacuteženiacute (abortace hybridniacutech embryiacute sterility semen)

2 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu (viacutece generaciacute za rok)

3 řešeniacute jarovizačniacuteho staacutedia

4 primaacuterniacute explantaacutet pro dalšiacute kultury

5 eliminace inhibice kliacutečeniacute

6 studium mineraacutelniacute vyacuteživy

7 umělaacute semena

8 studium metabolickyacutech vztahů mezi embryem a endospermem embryem a dělohami

9 ziacuteskaacuteniacute haploidniacutech rostlin

Opylovaacuteniacute in vitro

Opylovaacuteniacute in situ

in vitro

Inkompatibilita rostlin

zaručuje stabilitu druhu

Barieacutery procesu opyleniacute a oplozeniacute

vnějšiacute (teplota vlhkost nedostatečnaacute vyacuteživa )

vnitřniacute (inkompatibilita samčiacute nebo samičiacute sterilita)

využitiacute v raacutemci šlechtěniacute rostlin k překonaacuteniacute prezygotickyacutech barieacuter vznik mezidruhovyacutech mezirodovyacutech hybridů

Barieacutery Technika překonaacuteniacute

Před oplodněniacutem selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute blizny pestiacuteku pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

rezistence vůči abiotickeacutemu stresu rezistence vůči škůdcům vyššiacute vyacutenos

přenos z jineacuteho druhu

EK využitiacute ve šlechtěniacute

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury HAPLOID rostlina s n počtem chromozomů menšiacute sterilniacute

1963 T Yamada a kol Tradescantia reflexa (haploidy)

1964 - 1966 S Guha SC Maheswari Datura diploidizace kolchicinem

1969 JP Nitsch a kol celeacute rostliny (tabaacutek)

1973 JP Nitsch Norrel mikrosporoveacute kultury

2000 šlechtitelskeacute programy polniacutech plodin (obiloviny řepka)

využiacutevajiacute haploidniacute kultury in vitro

Androgeneze prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Androgeneze - kultivace prašniacuteků pyl zrn mikrospor = samčiacute genotyp

Gynogeneze - kultivace neoplodněnyacutech vajiacuteček = samičiacute genotyp

Haploidie - spontaacutenniacute = haploidniacute partenogeneze (gynogeneze androgeneze) frekvence 10-6

- experimentaacutelniacute indukovanaacute

fyzikaacutelniacute faktory = UV γ-zaacuteřeniacute X-paprsky teplotniacute šoky

zaacutesahy do procesů opyleniacute a oplozeniacute (inaktivniacute pyl)

explantaacutetoveacute metody = prašniacutekoveacute a pyloveacute kultury kultivace semeniacuteků a vajiacuteček

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury Ontogeneze pylu

In vivo mikrosporogeneze

pylovaacute mateřskaacute buňka

meiosa

pyloveacute tetraacutedy

vyacutevoj mikrospory (1 pyl mitoacuteza)

In vitro vyacutevoj embryoidu

(vegetativniacute generativniacute buňka)

- přiacutemaacute embryogeneze

- nepřiacutemaacute embryogeneze

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

využitiacute haploidů (majiacute jen jednu sadu chromosomů)

segregace vloh na gametickeacute uacuterovni ndash homozygoacutetniacute stav (čisteacute linie v F2 generaci)

detekce recesivniacutech mutaciacute (fenotypickyacute projev)

trpasličiacute varieta ndash u okrasnyacutech rostlin

Dihaploidizace

n rostliny - sterilniacute

104 ndash 105 mikrospoacuterml meacutedia

Brassica sp

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Prašniacutekoveacute kultury

viacutece než 200 druhů (řepka ryacuteže kukuřice obiloviny)

20-60 dnů

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

vyacutevoj globulaacuterniacuteho embrya a naacutesledně haploidniacute rostliny přiacutemo z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory

z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory vznikaacute kalus rarr indukce organogeneze

TYPY ANDROGENEZE

vzaacutecně

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Solanaceae

Brassicaceae

Poaceae

prašniacuteky

Androgeneze

Indukovanaacute androgeneze ndash přiacuteklady

Beta vulgaris - homozygotniacute linie

Brassica napus - novaacute odrůda linie

Hordeum vulgare

Lycopersicon - novaacute odrůda

Nicotiana - noveacute odrůdy

Oryza - noveacute odrůdy

Pelargonium - trpasličiacute variety

Triticum ndash cv Florin Huapei

Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby Praha Vyacutezkumnyacute uacutestav obilnaacuteřskyacute Kroměřiacutež Vyacutezkumnyacute uacutestav olejnin Oseva

Gynogeneze kultury izolovanyacutech vajiacuteček

kultury izolovanyacutech semeniacuteků

kultury izolovanyacutech květenstviacute in vitro

haploidniacute rostliny

spontaacutenniacute dihaploidniacute rostliny

ječmen kukuřice moruše

slunečnice cibule

kultivace vajiacuteček Beta vulgaris Tomaszewska-Sowa 2010

327 haploids 458 diploids and 215 ndash mixoploids

x opyleniacute ozaacuteřenyacutem pylem

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

Polyploidizace in vitro

duplikace celeacuteho genomu až 70 všech krytosemennyacutech rostlin je polyploidniacutech (Masterson 1994) POLYPLOID metabolicky aktivnějšiacute a rozměrnějšiacute plodiny ktereacute jsou vhodneacute pro pěstovaacuteniacute a leacutepe se vyrovnaacutevajiacute se stresovyacutemi podmiacutenkami

kolchicin

oryzalin

trifluralin

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze protoplastů

1892 Klecker - 1 mechanickaacute izolace protoplastů Stratiotes aloides (řezan pilolistyacute) 1960 EC Cocking 1 enzymatickaacute izolace protoplastů Nicotiana sp 1978 G Melchers a kol 1 mezirodovyacute hybrid bdquopomatoldquo bdquotopatoldquo Solanum tuberosum x S lycopersicum (Lycopersicum esculentum)

httptheplanetfixerorg387new-vegetable-created-the-tomato-potato-plant

Protoplastoveacute kultury

= kultivace rostlinnyacutech buněk zbavenyacutech buněčneacute stěny

Protoplast = rostlinnaacute buňka bez buněčneacute stěny jejiacute povrch tvořiacute cytoplazmatickaacute membraacutena maacute kulovityacute tvar

Protoplastoveacute kultury - regenerace

Faktory ovlivňujiacuteciacute kultivaci a regeneraci

Hustota ( počet protoplastů v 1 ml)

Životnost ()

Podmiacutenky kultivace a meacutedium

bull Studium synteacutezy buněčneacute stěny vyacutevoj buňky fyziologie buňky a cytogenetiku

bull Studium hodnoceniacute uacutečinků farmak potravinovyacutech doplňků agrochemickyacutech laacutetek na rostlinnou

buňku

bull Studium transportu iontů a laacutetek přes cytoplasmatickou membraacutenu

bull Somatickaacute hybridizace (fuacuteze protoplastů)

bull Inkorporace exogenniacuteho genetickeacuteho materiaacutelu ndash organel cybridizace

bull Genoveacute transformace (cizorodaacute DNA z bakteriaacutelniacuteho plasmidu)

Protoplastoveacute kultury - fuacuteze

Využitiacute

kombinace znaků odlišnyacutech druhů a rodů ktereacute by nevznikly přirozenou cestou

jedinečneacute kombinace jadernyacutech a organelovyacutech genomů vytvaacuteřiacute noveacute genetickeacute zdroje

často jen - čaacutest chromozomů asymetrickeacute jaderneacute hybridy

chloroplasty

mitochondrie

chemickeacute fuacuteze - pomalejšiacute elektrofuacuteze - fuacutezanti po 10 min vyššiacute frekvence fuacutezantů

cytoplazmickeacute hybridy - cybridy

Charakterizace hybridů - morfologicky cytologicky molekulaacuterniacute analyacutezy

Přirozenaacute mezidruhovaacute hybridizace - vznik některyacutech kulturniacutech plodin

B oleracea + B campestris = Brassica napus Nicotiana sylvestris + N tomentosa = Nicotiana tabacum

cybridy nelze ziacuteskat klasickou hybridizaciacute (křiacuteženiacutem) ndash samčiacute pohlavniacute buňky (pyl zrna) nemajiacute plastidy a mitochondrie

V přiacuterodě blesky do půdy modifikace bakteriiacute

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

Přenos jaderneacute a cytoplazmatickeacute genetickeacute informace mezi rostlinnyacutemi druhy rody

- překonaacuteniacute sexuaacutelniacute inkompatibility

- přenos genů rezistence vůči virovyacutem houbovyacutem chorobaacutem

- přenos cytoplazmatickeacute samčiacute sterility

- přenos rezistence vůči stresům (teplotniacutem zasoleniacute)

- přenos rezistence vůči hmyziacutem škůdcům

(synteacuteza fytoalexinů)

- přenos genů pro synteacutezu zaacutesobniacutech proteinů vitamiacutenů

alkaloidů

plnokvětost

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

využitiacute pro fytoremediace

Brassica juncea Tlaspi caerulescens brukev siacutetinovitaacute peniacutezek modravyacute akumulace Pb akumulace Zn a Ni hybrid se zvyacutešenou rezistenciacute k Pb Zn a Ni rychlyacute naacuterůst

biomasy

Brassica napus Thlaspi caerulescens hybridi rostly na vysokeacutem obsahu Zn

Fuacuteze protoplastů rodu Brassica s planyacutemi druhy

Armoracia rusticana

Barbarea vulgaris

Camelina sativa

Capsella bursa pastoris

Diplotaxis catholica

Diplotaxis muralis

Diplotaxis harra

Eruca sativa

Lesquerella fendleri

Mathiola incana

Moricandia arvensis C4

Moricandia nitens C4

Raphanus sativus

Sinapis alba

Sinapis arvensis

Thlaspi perfoliatum

Thlaspi caerulescens

Genoveacute banky In vitro genoveacute banky

2397 vzorků 1249 odrůd Solanum tuberosum 450 teraploidniacutech křiacuteženců S tuberosum 266 dihaploidů 119 mezidruhovyacutech hybridů rodu Solanum 313 genotypů kulturniacutech genotypů 23 planyacutech druhů

Havliacutečkův Brod

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu rostlin

1 Uchovaacutevaacuteniacute semen ndash semenneacute banky (od 1 roku - hellip)

2 Uchovaacutevaacuteniacute vegetativniacutech orgaacutenů ndash hliacutezy cibule řiacutezky

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro Kraacutetkodobeacute - aktivně rostouciacute kultury (pravidelneacute pasaacuteže) - uchovaacuteniacute kultur v minimaacutelniacutem růstu nižšiacute teploty kultivace

Dlouhodobeacute u rostlin kde nejsou semena

- za velmi niacutezkyacutech teplot (-196oC) = kryobanka

Databaacuteze ndash přiacutestupneacute z celeacuteho světa

Špicberky

genobanka - wwwvurvcz part databases EVIGEZ

vyacuteznam v mediciacuteně

Zaacuteložniacute fond semena potravinaacuteřskyacutech plodin z celeacuteho světa

stane se zaacuteložniacutem fondem pro ostatniacutech 1400

semennyacutech bank po celeacutem světě

v Iraacuteku a v Afghaacutenistaacutenu byla podobnaacute zařiacutezeniacute za

vaacutelky zcela zničena

na Filipiacutenaacutech je v roce 2006 poškodila povodeň

semennaacute banka pro světoveacute plodiny je umiacutestěna v hoře

maacute vyztuženeacute stěny betonem a železem

třiacute komory o velikosti 27 kraacutet 10 metrů

teplota minus 18 oC (konzervace po stovky až tisiacutece let) httpwwwnorambczarkivBasisartikler---OversettelserIkke-

bruktnovinkyseedvault_eng

k 1172010 zde bylo uloženo 716 523 vzorků semen patřiacuteciacutech ke 4 205 druhům

českaacute banka uloženaacute v Praze-Ruzyni zaacuteloha na Slovensku

Špicberky

Uchovaacutevaacuteniacute genofonduv ČR

genofond odrůd meruněk broskvoniacute mandloniacute reacutevy vinneacute kdouloniacute lonicer rakytniacuteků a dřiacutenů

2400 položek

25 000 položek

5400 položek 2397

položek

4700 položek

2000 položek

2300 položek

Naacuterodniacute informačniacute systeacutem genetickyacutech zdrojů EVIGEZ httpwwwgenbankvurvczgeneticresources

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro

KRYOBANKA

prašniacuteky a pyl pletiva a orgaacuteny meristeacutemy

kalus

suspennzniacute somatickaacute kultury embrya

dlouhodobeacute skladovaacuteniacute

nižšiacute naacuteroky na uchovaacuteniacute

mezinaacuterodniacute vyacuteměna

nižšiacute podiacutel lidskeacute praacutece

potřeba menšiacuteho prostoru

uchovaacuteniacute genetickeacute stability

omezeniacute staacuternutiacute

ozdravenyacute materiaacutel

prodlouženeacute použitiacute pylu

uchovaacuteniacute vzaacutecnyacutech rostlin

apikaacutelniacute vrcholy

Biotechnologickaacute laboratoř Nestleacute - uchovaacutevaacute buněčneacute embryogenniacute linie kaacutevy kakaa a banaacutenů

Německaacute sbiacuterka mikroorganismů a buněčnyacutech kultur (DSMZ Braunschweig Německo) meristeacutemy 519 staryacutech kultivarů brambor ndash metoda mrazeniacute alginaacutetovyacutech perel

International Potato Centre (CIP Lima Peru) - 345 kultivarů brambor

INIBAP Leuven Belgie - 306 kultivarů banaacutenu (14 ze světoveacuteho počtu kultivarů)

Naacuterodniacute genobanka klonů NCGR USA - ročniacute naacuteklady

udržovaacuteniacute jedneacute položky v sadu (hrušně) 77 dolarů na skladovaacuteniacute in vitro 23 dolarů na kryoprezervaci 1 dolar (při počaacutetečniacute investici na kryometodu 50 dolarů za uchovaacutevanou jednotku)

Přiacuteklady komerčniacuteho využitiacute kryoprezervace meristeacutemů

Aplikace biotechnologiiacute ve šlechtěniacute rostlin

rostliny postraacutedajiacute schopnost aktivně se přesouvat z dosahu nepřiacuteznivyacutech vlivů rostliny vyvinuly adaptačniacute mechanismy pro překonaacuteniacute stresů a tiacutem přežitiacute v extreacutemniacutech podmiacutenkaacutech

Biotechnologie v zemědělstviacute ekologickeacute zemědělstviacute

VLIV ŠKŮDCŮ CHOROB A PLEVELŮ NA ZEMĚDĚLSKEacute PLODINY

1 sniacuteženiacute velikosti a vaacutehy zrna 2 ztraacuteta ve velikosti hliacutez a kořenů 3 zvyacutešeniacute obsahu vlhkosti 4 změny v chemickeacutem složeniacute zrna hliacutez a kořenů 5 odbarveniacute zrna a hliacutez - deformace 6 tvorba mykotoxinů patogeny 7 sniacuteženiacute kliacutečivosti 8 redukce krmiva

spotřeba vody - rezistence k suchu sniacutežiacute spotřebu uchovaacuteniacute vody rostlinou aplikace hnojiv chemickaacute kontrola škůdců

- studium abiotickeacuteho stresu

- zlepšeniacute ochrany rostlin vůči škůdcům

- ochrana životniacuteho prostřediacute

- zlepšeniacute kvality potravin

odstraněniacute hladu GMO fytoremediace

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

ohroženiacute klimatickyacutem suchem v ČR ndash nejrizikovějšiacute oblasti nižšiacute polohy na jižniacute a středniacute Moravě v prostoru mezi Prahou Uacutestiacutem nad Labem a Žatcem zaacutepadně od Pardubic

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

Rezistence k suchu - využitiacute vody

Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

vyacutevoj samčiacuteho gametofytu - spojen s expresiacute genů - 150 specifickyacutech genů spraacutevneacute načasovaacuteniacute

sporofyt gametofyt

2n 1n

rostlina pylovaacute zrnazaacuterodečnyacute vak

pohlavniacute rozmnožovaacuteniacute přiacuterodniacute vyacuteběr

pylzrna - exina (ovlivněna sporofytem) ochrana před UV laacutekaacuteniacute opylovačů - barva vůně komunikace s bliznou produkce alergenů

strategie rostlin zabraacuteněniacute samoopyleniacute

Biotechnologie v zemědělstviacute samčiacute gametofyt n TETRASPORE (TES) reg gen je vyžadovaacuten ke tvorbě přepaacutežek mezi produkty meioacutezy u mutanta všechna čtyři jaacutedra mikrospoacutery zůstaacutevajiacute ve stejneacute cytoplazmě polyploidniacute jedinci n GEMINI POLLEN 1 (GEM1) reg gen je vyžadovaacuten k orientaci mitotickeacuteho vřeteacutenka mutant tvořiacute dvě symetrickaacute jaacutedra typu vegetativniacuteho vede ke sterilitě n SIDECAR POLLEN (SCP) reg gen je vyžadovaacuten k děleniacute pylu prvniacute symetrickaacute pylovaacute mitoacuteza mutanta daacutevaacute dvě stejneacute buňky jedna extra- vegetativniacute (sterilniacute sidecar) a druhaacute regvegetativniacute a generativniacute mutace nevede ke sterilitě n QUARTET (QRT) reg gen je vyžadovaacuten k separaci pylovyacutech zrn u mutantů jsou stěny meiotickyacutech produktů pyloveacute mateřskeacute buňky fuacutezovaacuteny a zrna se uvolňujiacute v tetraacutedaacutech

samičiacute makrogametofyt n FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED (FIS) a FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) reg geny hrajiacute regulačniacute role ve vyacutevinu semene po oplozeniacute u mutantů se diploidniacute jaacutedra endospermu vyviacutejejiacute bez oplozeniacute pak atrofujiacute mutace neovlivňujiacute vaječnou buňku - procesy embryogeneze a vyacutevinu endospermu jsou odlišneacute n MEDEA (MEA) reg mutace genu způsobuje hypertrofii a zaacutenik embrya neniacute jasneacute na jakeacute uacuterovni se gen projevuje zaacuterodečnyacute vak endosperm nebo maternaacutelně imprintovanyacute embryonaacutelniacute gen

Biotechnologie ve šlechtěniacute rostlin Selektivniacute šlechtěniacute rostlin - přiacuterodniacute genetickeacute diverzity rostlin Techniky překonaacuteniacute barieacuter šlechtěniacute

Barieacutery Technika překonaacuteniacute Před oplodněniacutem

selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute pestiacuteku

pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony

pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro

selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů

odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute

abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry

sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

vyacutevoj semen

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

Škůdci v historii naacutelety sarančat (Staryacute zaacutekon)

ochrana saze tabaacutek

začaacutetek 19 stol - siacutera na houboveacute patogeny 1939 objev DDT uacutečinek na hmyz teorie bdquohmyz se může staacutet rezistentniacuteldquo 1948 Nobelova cena P Muumlller

50 leacuteta 20 st - herbicidy - postřiky na plevele ( rezistence na herbicid) 1972 zaacutekaz DDT (vyacutejimka - boj s malaacuteriiacute v Africe - naacutevrat DDT)

škůdce - hmyz hliacutestice 1861 - v Americe Iowa Nebraska 1880 1 pesticid v S Americe arzeacutenem bdquoParis greenldquo

S rostouciacute intenzitou pěstovaacuteniacute roste hospodaacuteřskyacute vyacuteznam škodlivyacutech organismů objem škod se zvyšuje staacutele přibyacutevajiacute noveacute druhy škodlivyacutech organismů zavaacutedějiacute se staacutele noveacute prostředky

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin - hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy

1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho

obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

ROS Reactive oxygen species reaktivniacute formy kysliacuteku SAR Systemic acquired resistance systeacutemově ziacuteskanaacute rezistence = neinfikovaneacute buňky začiacutenajiacute s přiacutepravou na atak patogena

napadeneacute rostliny uvolňujiacute signaacutelniacute molekuly (těkaveacute laacutetky - druhově specifickeacute) a varujiacute okolniacute rostliny ještě před napadeniacutem hmyzem

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin -hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy 1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

produkujiacute u různyacutech rostlin různě - sekundaacuterniacute metabolity - odstrašeniacute nebo zničeniacute patogena - proteiny inhibujiacuteciacute aktivitu zažiacutevaciacutech enzymů hmyzu - enzymy degradujiacuteciacute buněčnou stěnu hub (chitinaacutezy) - proteiny inhibujiacuteciacute překlad proteinů u škůdce - antiviroveacute složky degradujiacuteciacute virovou RNA blokujiacute vstup do buňky zastavujiacute replikaci

geny ktereacute bdquoSARldquo zapiacutenajiacute zvyšujiacute rezistenci rostliny

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům - již v čaacutesti fytotatologie

Co je plevel soutěžiacute s plodinou o živiny světlo a prostor intenziacutevně roste podiacuteliacute se na šiacuteřeniacute chorob a škůdců

lat herba - rostlina řeč cidoacute - ničiacutem

Vznik rezistence plevelů vůči některyacutem herbicidniacutem laacutetkaacutem = reakce plevelnyacutech druhů na podmiacutenky současneacuteho pěstovaacuteniacute rostlin = dlouhodobeacute působeniacute herbicidů

Vyacutevoj plevelů na zemědělskeacute půdě v naacutevaznosti na skladbu pěstovanyacutech plodin Vznik rezistence plevelů vůči herbicidům Problematika invaziacute a expanziacute plevelů

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům

Rezistenci vůči herbicidům způsobujiacute biochemickeacute fyziologickeacute změny nebo morfologickeacute odlišnosti ktereacute ovlivňujiacute přiacutejem herbicidů rostlinou

- degradujiacute herbicid

- měniacute jeho biochemickou funkci v rostlině

- pozměňujiacute miacutesto na ktereacute herbicid v rostlině působiacute

Rezistence rostlin vůči herbicidům dědičnaacute schopnost odolaacutevat takoveacute daacutevce herbicidů při ktereacute by za normaacutelniacutech okolnostiacute byla populace potlačena

směr pro šlechtěniacute

Aplikace rostlinnyacutech biotechnologiiacute v životniacutem

prostřediacute

takto nebo takto

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Těžba a zpracovaacuteniacute surovin(těžkeacute kovy- Cd Pb prach) Průmyslovaacute vyacuteroba (barviva)

Skladovaacuteniacute (haldy kaliště sklaacutedky) Zemědělstviacute (pesticidy herbicidy)

Domaacuteciacute odpad (leacutečiva detergenty praciacute prostředky)

čin

no

st č

lově

ka

půda voda ovzdušiacute

znečištěniacute

degradace organismy produkujiacuteciacute laacutetky (enzymy) pro

ciacutelenyacute rozklad

organismy snižujiacuteciacute toxicitu toxickeacute laacutetky metylaciacute dehalogenace hydroxylace hydrolyacuteza deaminacehellip

substraacutet je zdrojem C a energie

dekontaminace

+ katastrofy Černobyl vaacutelečneacute konflikty

remediace = navraacuteceniacute k původniacutemu stavu

Biodegradace všechny přirozeneacute procesy ktereacute jsou uskutečňovaacuteny bakteriemi a jinyacutemi mikroorganizmy nebo vyššiacutemi organismy ktereacute vedou k destrukci organickyacutech molekul = organickyacute substraacutet je přeměňovaacuten až na CO2 Bioremediace (bakterie houby)

spočiacutevaacute v akceleraci přirozenyacutech biodegradačniacutech procesů nebo v ciacuteleneacute biodegradace - vede k ozdraveniacute kontaminovaneacuteho prostřediacute - detoxifikace měniacute se na netoxickeacute = neškodneacute laacutetky - aplikaciacute mikroorganismů

Fytoremediace (rostliny) niacutezkaacute cena

využitiacute rostlin k odstraněniacute toxickeacute zaacutetěže (těžkeacute kovy) řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny Zooremediace (zviacuteřata)

zpracovaacuteniacute odpadů pomociacute zviacuteřat bezobratliacute - perlorodky měkkyacuteši

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

nevyacutehody pomalaacute viacutece než 2 roky maleacute rozměry vhodnyacutech rostlin maacutelo druhů vhodnyacutech rostlin neniacute 100 probleacutem s rostlinnyacutem odpadem - potřeba zvlaacuteštniacutech sklaacutedek spadeneacute listiacute

- řiacutezeneacute spalovaacuteniacute

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacute len slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

vyacutehody mineralizace organickyacutech sloučenin niacutezkeacute naacuteklady pasiacutevniacute metoda bez transportu kontaminovaneacute půdy energie ze slunečniacuteho zaacuteřeniacute nepoškozuje okoliacute - sniacuteženiacute prašnosti

estetickyacute přiacutenos etickyacute uacutečinek (veřejnosti přijatelnyacute)

2005 cca 450 rostlinnyacutech druhů - tzv bdquohyperakumulaacutetoryldquo 100 x vyššiacute akumulace než u ostatniacutech rostlin

teorie vzniku - obrana vůči hmyzu - hmyz preferuje

niacutezkeacute koncentrace kovu

Thlaspi careulescens

X bagrovaacuteniacute kontaminovaneacute zeminy transport zeminy dekontaminace

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute přiacutejem kořeny - z půdy přiacutejem nadzemniacute čaacutestiacute rostliny - vyacutefukoveacute plyny

akumuluje

degraduje

detoxifikuje

roste na kontaminovaneacute půdě

produkuje velkeacute množstviacute biomasy

tolerantniacute k salinitě a jinyacutem toxickyacutem podmiacutenkaacutem

poskytuje ekonomickeacute hodnoty - textilniacute vlaacutekna (len konopiacute)

GMO - gen fytovolatizace - bakteriaacutelniacute geny transformovaacuteny do rostlin transgeny merA a merB fytoextrakce - gen gsh1 a gsh2 z E coli do Brassica juncea

potenciaacutel je v GMO rostlinaacutech

Laboratoř rostlinnyacutech biotechnologiiacute Společnaacute laboratoř UacuteEB AV ČR vvi A VUacuteRV vvi Akademie věd Českeacute Republiky Mendelova univerzita v Brně Uacutestav experimentaacutelniacute botaniky AV ČR Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby v Praze Metoda použita na čištěniacute uranem a radiem znečištěneacute vody v Mydlovarech - kořenovaacute čistiacuterna

ideaacutelniacute rostlina

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

proces substraacutet ciacutel rostlina

fytoextrakce fytoakumulace

odstraněniacute toxickyacutech laacutetek z půdy a vody - akumulaciacute rychle rostouciacute rostlinou (zůstaacutevaacute v rostlině)

půda sedimenty kaly odpadniacute vody

toxickeacute kovy radionuklidy

Thlaspi sp Brassica sp

fytostabilizace ciacuteleneacute pěstovaacuteniacute tolerantniacutech druhů zamezeniacute eroziacute

půda haldy odkaliště těžkeacute kovy dlouheacute a bohateacute kořeny

fytovolatizace odstraněniacute Hg pomociacute genu koacutedujiacuteciacuteho reduktaacutezu Hg2+ na Hg0

a uvolněniacute do ovzdušiacute

půdy sedimenty odkaliště průmysloveacute a zemědělskeacute odpadniacute vody

kovy - Se Hg chlorovanaacute rozpouštědla

stromy traacutevy Brassica sp

fytodegradace degradace kontaminantů rostlinou na netoxickeacute laacutetky

půdy sedimenty odkaliště odpadniacute vody

ropneacute laacutetky pesticidy detergenty

stromy traacutevy

rhizofiltrace odstraněniacute pomociacute rostlinnyacutech kořenů

povrchoveacute vody odpadniacute vody

těžkeacute kovy - Co Cu Cr Mn Ni radionuklidy

Brassica sp Helianthus vodniacute rostliny hydroponie

superrostliny

niacutezkeacute naacuteklady

kořenovaacute čistička = umělyacute mokřad oddělenyacute od okoliacute nepropustnou foacuteliiacute využiacutevaacute samočisticiacutech procesů probiacutehajiacuteciacutech v propustneacutem půdniacutem prostřediacute za spoluuacutečasti rostlin čištěniacute odpadniacutech vod z domaacutecnostiacute sklaacutedek a některyacutech průmyslovyacutech provozů

Rhizofiltrace

httpwwwnemcoviceczcontentviewfull3607

rostliny s vysokyacutemi

naacuteroky na vyacuteživu

+

bakterie

může zapaacutechat

5x - 10 x nižšiacute naacuteklady

Člověk čistiacute odpadniacute vodu za pomoci zařiacutezeniacute

ale přiacuteroda to zvlaacutedaacute bez přiacutestrojů a mnohem levněji

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute niacutezkeacute naacuteklady

rostlina chemickaacute sloučenina

pšenice 24 -D MCPA jako zdroj uhliacuteku

kukuřice atrazin degradace atrazinu mikroorganismy rhizosfeacutery

fazole diazinon parathion mineralizace v rhizosfeacuteře

luštěniny nafta

Kučerovaacute et al 1999 Chemickeacute listy

přiacutejem - velikost kořenoveacuteho systeacutemu přiacutestupnost pro rostlinu např chelaacutety

transport rostlinou - apoplast (difuacuteziacute)

symplast (specifickeacute přenašeče)

miacutesto uskladněniacute hustota rostlin v porostu

zaacutevažnějšiacute ekologickyacute a toxikologickyacute vyacuteznam přibližně 16 prvků (Fe Mo Mn Zn NiCo Cu V W Cr Hg Pb Cd Sb Ag a U)

Budoucnost fytoremediaciacute niacutezkeacute naacuteklady

Fytoremediace v praxi

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Ural 1953 odstraněniacute těžkyacutech kovů

Amana Iowa hybridniacute topoly atrazin odstraněna čaacutest až 20

Beaverton Kreton

hybridniacute topoly

organickeacute laacutetky kovy

a amonneacute sloučeniny

celkoveacute vyčistěniacute oblasti

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Fukušima 113 2011 slunečnice radioaktivniacute cesium dekontaminace půdy

Černobyl 2641986 slunečnice jabloně

cesium stroncium dekontaminace půdy povrchoveacute vody

paacutes 30 km - likvidace radioaktivniacutech rostlin

nebudou spaacuteleny rozloženy a kompostovaacuteny - speciaacutelniacute bakterie

slunečnice spotřebovaacutevajiacute z půdy drasliacutek kteryacute patřiacute mezi alkalickeacute kovy stejně jako cesium drasliacutek neniacute v půdě přiacutetomen květiny využijiacute praacutevě druhyacute prvek - Cs

Biotechnologie v ŽP niacutezkeacute naacuteklady

fytomining - fytodobyacutevaacuteniacute fytodolovaacuteniacute

ziacuteskaacutevaacuteniacute kovů z rostlin kde klasickaacute těžba je nevyacutehodnaacute rostliny - bdquotěžaři vzaacutecnyacutech kovůldquo a polokovů AuTh Co U Cd Ni Cu Mn

v rostlinaacutech hyperakumulaacutetorech je akumulace prvku sušina rostliny jako -ldquobio-rudaldquo

vyacutehody

- obsah kovu v bdquobio-ruděldquo je vyššiacute než v běžneacute rudě

- meacuteně skladovatelneacuteho miacutesta

- zelenaacute technologie jako alternativa

fytomining Ni pomociacute Alyssum bertolonii

Robinson et al 1997 The nickel hyperaccumulator plant Alyssum bertolonii as a potential agent for phytoremediation and phytomining of

nickel Journal of Geochemical Exploration59(2)75-86

zlatonosneacute rostliny

zlataacute jablka

zlateacute kapradiacute

hledaacuteniacute nalezišť

technologie budoucnosti

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute bioplasty z biomasy (škroby tuky) nahrazujiacute fosilniacute zdroje vyacutehodou je biodegradace biopaliva rostlinnyacute materiaacutel a řasy bioethanol GMO rezistentniacute rostliny vůči postřikům hmyziacutem škůdcům transfer genů pro symbiotickou fixaci dusiacuteku z luštěnin do dalšiacutech plodin přenos genů z bdquoC4ldquo do bdquoC3ldquo rostlin pro dosaženiacute uacutečinnějšiacute fotosynteacutezy (ryacuteže)

Transgenoziacute se přenaacutešiacute přirozeneacute geny vznikleacute evoluciacute z jednoho organismu do druheacuteho kteryacute se s daacutercem genu obvykle

nemůže křiacutežit pouze dokaacuteže přenosy mezi vyacutevojově ještě vzdaacutelenějšiacutemi organismy

Geny použiacutevaneacute při transgenosi jsou braacuteny z přiacuterody např gen v soacuteji tolerujiacuteciacute glyfosaacutet - je z bakterie rodu Agrobacterium

Klasičtiacute šlechtiteleacute takto pracujiacute daacutevno např smiacutechali geny pšenice a žita

GMO

Transgenoze ndash vnaacutešeniacute znaacutemyacutech jednotlivyacutech genů do dědičneacuteho

zaacutekladu (poprveacute 1978)

Pro přenos - Agrobacterium tumefaciens A rhizogenes E coli

httpblogscassuffolkeduiglesias20140424gmos

GMO bez obalu httpwwwbezpecnostpotravinczUserFilespublikaceGMO_web_1pdf

GMO - transgenniacute rostliny CARTAGENSKYacute PROTOKOL o biologickeacute bezpečnosti 29 1 2000 Montreal (OSN ndash program pro životniacute prostřediacute UNEP) platnost 11 9 2003

ČR podepsala 24 52000 (gmovschtcz) nyniacute 160 staacutetů

opatřeniacute ve staacutetech ktereacute se připojiacute k projektu (dovoz vyacutevoz transport)

vzdělaacuteniacute odborniacuteků a informovaacuteniacute veřejnosti

vytvořeniacute noveacute legislativy GMO (wwwenvcz )

spolupraacutece při vyacuteměně zkušenostiacute

Svět 2010 - viacutece než 150 mil ha viacutece než 20 zemiacute

pro vegetačniacute čaacutesti

nebo plody

CIacuteL PROTOKOLU - zajistit ochranu a bezpečnost při zachaacutezeniacute využiacutevaacuteniacute a přenosu živyacutech modifikovanyacutech organismů ktereacute jsou vyacutesledkem moderniacutech biotechnologiiacute a ktereacute mohou miacutet nepřiacuteznivyacute vliv na zachovaacutevaacuteniacute biologickeacute rozmanitosti a zdraviacute člověka Protokol je zaměřen předevšiacutem na převoz GMO přes hranice staacutetů a maacute ochraňovat zejmeacutena staacutety kteryacutem dosud chybiacute vlastniacute vnitrostaacutetniacute praacutevniacute předpisy v oblasti GMO

GMO - transgenniacute rostliny historie

EVROPA

SRN - Max-Planck-Institut

Belgie - Universita Ghent

Švyacutecarsko- ETH Zurych

ČR - Biofyzikaacutelniacute uacutestav Brno (Agrobacterium jako vhodnyacute přenašeč genů)

ČR - UacuteEB ČSAV Českeacute Budějovice (metody modifikaciacute)

2010 1 transgenniacute hraacutech v Evropě (ČR Agritec Šumperk)

transgenniacute len - oleje

FYTOPATOLOGIE IN VITRO

Fytopatologie in vitro

in vitro selekce = kultivace buněk se selekčniacutem činitelem (fitraacutet inokulum toxin)

ndash přežiacutevajiacuteciacute buňky jsou regenerovaacuteny do rostlin resistentniacuteho fenotypu

Studium interakce rostlina x patogen v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

Druh Patogen Typ biologickeacuteho testu Ciacutel

Coffea arabica Colletotrichum kahawae růst houby na kalusech vyacuteběr rezistentniacutech genotypů

Vitis vinifera Elsinoe ampelina růst kalusu na meacutediu s patogenem testy rezistence

Lycopersicon aes Alternaria alternata testy na izollistech in vitro hodnoceniacute toxicity

Pinus taeda Cronartium quercuum embryokultury s houbami vyacuteběr rezistentniacutech embryiacute

Triticum aestivum Microdochium nivale listy semenaacutečky in vitro vyacuteběr rezistentniacutech kultivarů

ozdravovaacuteniacute rostlin

klonoveacute množeniacute rezistentniacutech taxonů

Page 16: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 11 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1843 superfosfaacutet hellip intenzivniacute hnojeniacute v zemědělstviacute

1849 Darwin - vznik druhů přirozenou selekciacute (cesta kolem světa Galapaacutegy)

1846-1850 krize monokultur - bdquobramborovyacuteldquo hladomor v Irsku (Phytophtora infestans)

1857 Pasteur - fermentace - otec biotechnologiiacute

1866 Mendel - publikuje svoje zaacutekony (znovu objeveny 1900)

1869 Miescher - objevuje DNA

1902 Haberlant - totipotence rostlinneacute buňky

1910 odrůda brambor Bintje (Holandsko) - odrůda roku 2012

1919 Ing Karl (Kaacuteroly) Ereky - termiacuten biotechnologie

migrace do Ameriky

technologie přeměny surovin na využitelneacute produkty pomociacute živyacutech organismů

bdquoBiotechnologie vyacuteroby masa tuku a mleacuteka ve velkoobjemovyacutech zařiacutezeniacutech zemědělskeacuteho

průmysluldquo

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 10 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1923 Burbank USA - křiacuteženci bramboru odrůda

bdquoRUSSET BURBANKldquo (skladovatelnost hliacutez)

1933 prvniacute hybridi kukuřice

1941 Beadle a Tatum - hypoteacuteza 1 gen-1 enzym

1941 24-D (syntetickyacute auxin) jako prvyacute moderniacute herbicid

1950 1 radiomutanti chemomutanti řepka pšenice ryacuteže biacuteleacute fazole

ječmen (1965 - DIAMANT)

1960 ndash1970 ldquozelenaacute revoluceldquo zakrsliacute hybridi - Norman Borlaug

1970 NC miacuteru

1969 Triticale (Triticosecale tritikale žitovec - hybridniacute obilnina Triticum x Secale)

REKOMBINANTNIacute TECHNIKY

1985 prvniacute GM rostliny na poliacutech v UK

1995 odrůda bdquoBT NEW LEAF RUSSET BURBANKldquo

1998 zlataacute ryacuteže

2010 1 GMO hraacutech (Agritec)

I GMO odrůda brambor - odolnaacute vůči mandelince bramboroveacute vložen gen z bakteacuterie Bacillus thuringiensis produkujiacuteciacute protein narušujiacuteciacute vnitřnosti mandelinky

Mexiko 1943 import frac12 spotřeby pšenice 1944 plnaacute soběstačnost pšenice 1964 export 05 milionů tun pšenice

httpenwikipediaorgwikiNorman_Borlaug

Budoucnost biotechnologiiacute v ČR bdquoBiotechnologie jsou celosvětově nejprogresivnějšiacutech oblast vyacutezkumu vyacutevoje a podnikaacuteniacuteldquo

produkce viacutena - 1 psanaacute zmiacutenka r 276 (na Paacutelavě řiacutemskeacute legie) produkce piva - 11 stoletiacute syacutery destilaacutety 14 stoletiacute 1356 - kraacutelovskyacute dekret o produkci viacutena v Českyacutech zemiacutech alchymie (Rudolf II) 1518 - založeniacute Paliacuterny U Zeleneacuteho stromu v Prostějově 1887 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu pivovarskeacuteho a sladařskeacuteho v Praze 1949 - průmyslovaacute produkce peniciliacutenu v Roztokaacutech u Prahy 1966 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu antibiotik a transformaciacute (již neexistuje)

wwwbiotrincz wwwgate2biotechcz

AV ČR Univerzity Vyacutezkumneacute uacutestavy Šlechtitelskeacute stanice

kaacutemen mudrců elixiacuter mlaacutediacute přeměna hmoty

glukosa + kvasinky etanol + oxid uhličityacute přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces carlsbergensis

Biotechnologie v ČR

18 prosince 2008 bylo založeno sdruženiacute CzechBio - asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR zspo 1 asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR spojuje třicet soukromyacutech biotechnologickyacutech společnostiacute a akademickyacutech uacutestavů podpora spolupraacutece komerčniacute sfeacutery s vědeckou httpwwwczechbioorgcs

projekt Algatech ndash Centrum řasovyacutech biotechnologiiacute vyacutevoj novyacutech kultivačniacute zařiacutezeniacute a postupů na zpracovaacuteniacute řasoveacute biomasy pro vyacuterobu biopaliv krmiv potravniacutech doplňků a cennyacutech laacutetek Mikrobiologickyacute uacutestav Akademie věd ČR Třeboň

Centrum regionu Hanaacute pro biotechnologickyacute a zemědělskyacute vyacutezkum

UPOL + VUacuteRV + UacuteEB AV ČR - vytvaacuteřeniacute zemědělskyacutech plodin s vyššiacutemi vyacutenosy toleranciacute vůči nepřiacuteznivyacutem vlivům vnějšiacuteho prostřediacute

- transformace rostlin ječmene a dalšiacutech obilnin

wwwcr-hanaeu

Biotechnologie v ČR

wwwalgaczcscs-algatechhtml

Českaacute technologickaacute platforma rostlinnyacutech biotechnologiiacute ndash rozvoj biotechnologiiacute v ČR = Rostliny pro budoucnost (ČTP RB) - nepotravinaacuteřskeacute využitiacute rostlin vedlejšiacutech produktů odpadů - vyacutevoj novyacutech odrůd kulturniacutech rostlin - uplatněniacute rostlinnyacutech biotechnologiiacute v raacutemci životniacuteho prostřediacute

httpwwwczechinvestorgceska-technologicka-platforma -rostlinnych-biotechnologii

selekce - vyacuteběr nejlepšiacutech rostlin křiacuteženiacute GMO

Přiacuteklad šlechtěniacute - novyacute typ ryacuteže - maleacute vzpřiacutemeneacute listoveacute čepele - hodně odnožiacute - žaacutedneacute neproduktivniacute odnože - silneacute steacuteblo - C3 ryacuteže na C4 ryacuteže

Rostlinneacute biotechnologie Co pěstujeme na poliacutech v zahradaacutech a v sadech a co naacutesledně jiacuteme prošlo za několik tisiacuteciletiacute proměnou Prvniacute změna - předkoveacute opustili životniacute styl lovců a sběračů a stali se pěstiteli zemědělskyacutech plodina a chovateli hospodaacuteřskyacutech zviacuteřat

zlataacute ryacuteže geny z 5 různyacutech druhů

- Phaseolus vulgaris pro ferritin - Aspergilus fumigatus - ferritin - ryacuteže Basmati - ferritin - Narcissus pseudonarcissus synteacuteza karotenu - Erwinia uredovora - synteacuteza karotenu

bdquozlataacute ryacuteželdquo tvořiacute zvyacutešeneacute množstviacute provitaminu A zabraacuteniacute hladu zachraacuteniacute zrak vznikla na požadavek humanitaacuterniacute organizace bdquoHumanitarien Rice Boardldquo kteraacute se snažiacute řešit probleacutemy s nedostatkem potravy v nejchudšiacutech čaacutestech našiacute planety

švyacutecarskyacute genetik Ingo Portykus a německyacute genetik Peter Bayer

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute

ekologickaacute udržitelnost kvantita a kvalita zaacutekladniacutech zdrojů zemědělstviacute ekonomickaacute udržitelnost zemědělskaacute produkce (uacuteroda na ha) a zisk cena za produkty sociaacutelniacute (společenskaacute) udržitelnost kvalita života zemědělců vysokaacute kvalita potravin bez rizika na zdraviacute a prostřediacute

Co je udržitelneacute zemědělstviacute Mohou biotechnologie pomaacutehat

snižovaacuteniacute kvality zaacutekladniacutech zdrojů vyčerpaacuteniacute zaacutekladniacutech zdrojů

Vyhliacutedky na budoucnost

naacuterůst počtu obyvatel

zvyacutešeniacute životniacuteho standardu

pokles plochy orneacute půdy

pokles pracovniacuteků v zemědělstviacute

naacuterůst cen potravin

Naacuterůst zemědělskeacute produkce s využitiacutem biotechnologiiacute

šlechtěniacute (rezistence k chorobaacutem)

noveacute plodiny

nutričniacute kvalita plodin

ochrana rostlin

bezpečnost produktů

hybnou silou biotechnologiiacute je naacuterůst obyvatel Kolik lidiacute by mělo žiacutet na planetě Zemi

Rostlinneacute biotechnologie

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute mutace s naacuteslednou selekciacute odchylek noveacute techniky EK ciacutelenyacute přenos genů

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

prvniacute zemědělci

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) BT prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute MUTACE s naacuteslednou selekciacute odchylek - odrůda ječmene bdquoDIAMANTldquo

noveacute TECHNIKY EK VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

ciacutelenyacute přenos genů GMO

CO BUDE DAacuteL zvyšovat vyacutenosy BUDE VĚTŠINA PĚSTOVANYacuteCH ZEMĚDĚLSKYacuteCH PLODIN TRANSGENNIacute

vznik zemědělstviacute

1954

jsme moudřejšiacute

maacuteme většiacute možnosti

Počaacutetek EK 1902 Gottlieb Haberland segmenty listů 1904 Hannig zralaacute embrya

Potenciaacutel rostlinneacute buňky a podstata

explantaacutetovyacutech kultur rostlin

metody a jejich aplikace

ve šlechtěniacute rostlin

EK - historie

TOTIPOTENCE rostlinneacute buňky genetickeacute informace - jaacutedro plastidy mitochondrie

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

daacute se přeneacutest v raacutemci šlechtěniacute

blok totipotence

vyjaacutedřeniacute totipotence 1 dediferenciace buňky do buněčneacuteho cyklu a pokračovaacuteniacute v děleniacute 2 rediferenciace - tvorba organickyacutech struktur - přiacutemaacute regenerace tvorba kalusu - nepřiacutemaacute regenerace

vliv růstovyacutech regulaacutetorů

Rostlinneacute biotechnologie prvniacute generace - od explantaacutetovyacutech kultur po GMO

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute rostlin - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

Explantaacutet = aseptickaacute kultivace izolovanyacutech čaacutestiacute rostlin za umělyacutech podmiacutenek

EXPLANTAacuteTOVEacute KULTURY - VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

EK - historie

Metody EK využitelneacute v zemědělstviacute Meristeacutemoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Somatickaacute embryogeneze

Embryokultury

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze + buněčneacute inženyacuterstviacute

Genetickeacute manipulace

VITRIFIKACE (hyperhydricita) ndash vyjadřuje abnormality růstu in vitro skelnatyacute syndrom vyacutehonů křehkeacute mokryacute vzhled pryacutetů (vodou nasycenyacutech) průsvitnyacute sukulentniacute vzhled

metody zachovaacutevajiacuteciacute genotyp beze změn během kultivace metody zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu během kultivace

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK 1 rychleacute namnoženiacute

2 ozdravovaacuteniacute

3 překonaacuteniacute nekřiacutežitelnosti - embryokultury

4 dlouhodobeacute udržovaacuteniacute genetickyacutech zdrojů

5 indukce mutantů - ziacuteskaacuteniacute novyacutech genotypů

6 předselekce - urychleniacute šlechtitelskeacuteho cyklu

7 ziacuteskaacuteniacute novyacutech a udrženiacute genotypů s pylovou sterilitou

8 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho procesu

9 produkce haploidů

10 produkce polyploidů

11 rychlejšiacute ziacuteskaacuteniacute vyacutechoziacuteho šlechtitelskeacuteho materiaacutelu pro noveacute odrůdy

12 somatickaacute hybridizace - fuacuteze

13 konstrukce novyacutech genotypů kulturniacutech plodin přenos bdquoužitečnyacutech genůldquo

14 udržovaacuteniacute genofondu

15 selekce in vitro - rezistence k abiotickyacutem a biotickyacutem stresům

16 produkce sekundaacuterniacutech metabolitů

Plodina Technika

ječmen pšenice kukuřice

řepka paprika brukvovitaacute

zelenina mrkev

androgeneze

cibule gynogeneze

jahodniacutek česnek ozdravovaacuteniacute

brambor traacutevy polyploidizace in vitro

jeteloviny drobneacute ovoce

ovocneacute dřeviny podnože traacutevy mikropropagace

brambor řepka somatickaacute hybridizace

hraacutech brambor rezistence k chorobaacutem

traacutevy embryokultury

Kombinace metod embryokultury oplozeniacute in vitro fuacuteze protoplastů

plodiny se geneticky upravujiacute pro většiacute rezistenci k herbicidům - ničeniacute plevele bez poškozeniacute uacuterody GM rajčata potlačujiacute gen pro polygalakturonaacutezu enzym degradujiacuteciacute pektin způsobujiacuteciacute měknutiacute pletiv (Deacon a kol 2002)

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK

Meristeacutemoveacute kultury

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny meristeacutemoveacute kultury

Vyacutehody maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky naacuteslednaacute mikropropagace ozdraveneacuteho materiaacutelu bdquovirus - freeldquo

Vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana Iniciace kultury Testovaacuteniacute in vitro Přenos do nesterilniacutech podmiacutenek Testovaacuteniacute

MERISTEacuteM ndash děliveacute nediferencovaneacute pletivo ozdravovaacuteniacute rostlin (02 - 05 mm) meristeacutemy

OZDRAVOVAacuteNIacute Termoterapie (vyššiacute teplota)

Meristeacutemovaacute kultura Chemoterapie (antivirotika)

viry - nebuněčneacute mikroorganismy virovaacute čaacutestice = virion sklaacutedaacute se z RNA nebo DNA a kapsidu

fytopatologie in vitro

ribavirin

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny

Vyacuteznamneacute viroveacute choroby rostlin v ČR od 30 ztraacutet CaMV - 1968 PVY 30 -70 VMCH (virus mozaiky chmele) až o 70 mozaika česneku 25 - 50 žloutenka cibule až 100 bronzovitost rajčat

- žloutnutiacute listů kroužky a čaacutery na listech nevyvinuteacute rostliny abnormaacutelniacute růst - vstupujiacute různyacutemi poraněniacutemi - šiacuteřiacute se plasmodesmaty - velmi odolneacute proti inaktivaci - přenaacutešeny semeny hliacutezami pylem roubovaacuteniacutem hmyzem houbami červy

1952 Morel a Martin u jiřin

Využitiacute metody jahodniacutek česnek zeleniny květiny okrasneacute dřeviny ovocneacute dřeviny banaacutenovniacutek hellip

Tvorba bezviroacutezniacutech rostlin

1 meristeacutem = 1 rostlina testovaacuteniacute

wwwoselczindexphpclanek=2819

viroacutezniacute x zdravaacute

M Navraacutetil KBBPřFUPOL

PVY

In vitro klonovaacuteniacute mikropropagace meristeacutemoveacute kultury

zisk geneticky identickeacute rostliny vegetativniacutem množeniacutem

VYacuteHODY

maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny ktereacute jsou geneticky stabilniacute

v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky

vyššiacute množitelskyacute koeficient - potenciaacutelniacute hodnota zisku rostlin

Postup - vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana - iniciace kultury - mikropropagace - přenos do nesterilniacutech podmiacutenek

KLON - kolekce geneticky identickyacutech individuiacute původem z jedineacuteho rodiče

komerčně od 1960

httpwwwjanholubcz

In vitro meristeacutemoveacute kultury - využitiacute - zaacutechrana a množeniacute ohroženyacutech druhů kaktusy

- zaacutechranneacute množeniacute cennyacutech genotypů a liniiacute sterilniacutech rostlin - udrženiacute rodičovskyacutech komponent pro tvorbu hybridniacutech odrůd

- množeniacute transgenniacutech rostlin

- zachyceniacute a klonovaacuteniacute nově nalezenyacutech mutantů při šlechtěniacute

- klonovaacuteniacute nejlepšiacutech jedinců pro produkci elitniacuteho osiva

- vegetativniacute množeniacute okrasnyacutech rostlin karafiaacutet gerbera anthurie orchideje

sanpaulie kapradiny hellip

- množeniacute drobneacuteho ovoce jahodniacutek maliniacutek reacuteva

- množeniacute dřevin podnože pro školkařstviacute lesniacute dřeviny tropickeacute dřeviny

- v zelinaacuteřstviacute množeniacute brambor zeliacute

- množeniacute pouze samičiacutech rostlin datlovaacute palma

- kryoprezervace (-196 oC) jahodniacutek maliniacutek hraacutech brambor karafiaacutet

Genoveacute

banky

Mikropropagace multiplikace klonovaacuteniacute nejen z meristeacutemů

Solanum tuberosum Cucumis sativus Olea europea Eucalyptus grandis Salix sp Syringa sp Juglans regia

Schopnost regenerace tvorba identickyacutech rostlin = přiacutemaacute somatickaacute embryogeneze

Meristeacutemy Pryacutetoveacute segmenty Kalusy Embrya

Zdroje odchylek bull vysokeacute daacutevky růstovyacutech regulaacutetorů typ regulaacutetoru bull rostliny regenerujiacute z basaacutelniacuteho kalusu (možnost gen změn)

Kalusoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Primaacuterniacute explantaacutet kalus meristemoid orgaacutenoveacute primordium

Kalus = masa děliacuteciacutech se a rostouciacutech buněk

nejsou uniformniacute mohou se lišit velikostiacute tvarem pigmentaciacute metabolismem nebo počtem chromosomů

bull za určityacutech podmiacutenek regenerace pryacutetů a kořiacutenků

tma x světlo

subkultivace

metoda geneticky nestabilniacute

Kalusoveacute kultury - somaklonaacutelniacute variabilita ndash MUTACE a zisk novyacutech znaků

- mikropropagace ndash cibule žen-šen hellip

- vyacutechoziacute materiaacutel pro suspenzniacute a protoplastovou kulturu

- materiaacutel pro indukovaneacute mutace (zaacuteřeniacute chemomutageny)

- sekundaacuterniacute metabolity (alkaloidy AMK saponiny oleje složky vůniacute protinaacutedoroveacute laacutetky steroidy )

polyploidie aneuploidie

Selekce mutantů se zlepšenou nutričniacute hodnotou (viacutece biacutelkovin v zrnu)

Rezistence vůči zasoleniacute (vysokyacute turgor v buňkaacutech akumulace NaCl ve vakuolaacutech)

Rezistence vůči chorobaacutem (synteacuteza fytotoxinů fytoalexinů)

Sekundaacuterniacute metabolity (= chemickeacute individuality v rostlinaacutech ndash barviva vůně chuti obrana)

Artemisia annua - artemisin (antimalarika) Capsicum sp - capsaicin (protinaacutedoroveacute)

Digitalis lanata - digoxin (srdečniacute stimulanty) Papaver somniferum - codein (sedativa)

Taxus breviola - taxol (protinaacutedoroveacute) Vanilla planifolia - vaniliacuten (aroma)

Panax ginseng - (imunitniacute systeacutem) Zingiber officinale ndash gingerol (antioxidant)

Somatickaacute embryogeneze a suspenzniacute kultury

Využitiacute

umělaacute semena (enkapsulace somatickyacutech embryiacute)

využitiacute somatickeacute variability

klonoveacute množeniacute

sekundaacuterniacute metabolismus (suspenze)

kryoprezervace

Buněčnaacute suspenze = převedeme kalus do tekuteacuteho meacutedia

a provzdušňujeme (kontakt buněk a shluků buněk s meacutediem)

vznikaacute bipolaacuterniacute struktura obsahujiacuteciacute kořen a pryacutet

auxin (24-D)

umělaacute semena

Mutace RADIOMUTANT PROSPĚCH NEBO ZAacuteLUDNOST

SPONTAacuteNNIacute MUTACE využiacutevaacute člověk při šlechtěniacute odrůd spur typy (kompakt typy) jabloniacute absence trnů u ostružiniacuteku variabilita květenstviacute jiřinky proměnliveacute vznik plemen domaacuteciacutech zviacuteřat je založen na podchyceniacute spontaacutenniacutech mutaciacute ndash plemena psů

INDUKOVANEacute MUTACE působeniacute mutagenů

zaacuteměrneacute ndash ve vyacutezkumu ve šlechtěniacute rostlin (př odrůdy ječmene DIAMANT (zkraacuteceniacute steacutebel ndash nepoleacutehaacute) kompaktniacute růst a samosprašnost třešně změna barvy slupky u jabloně ndash sbquoredlsquo mutace)

nezaacuteměrneacute ndash důsledek použitiacute jadernyacutech a chemickyacutech zbraniacute ndash Yperit jaderneacute a jineacute katastrofy

1950 radiomutace chemomutace 1965 ječmen Diamant

Suspenzniacute kultury - SK KULTURA V TEKUTEacuteM MEacuteDIU ROSTE A DĚLIacute SE NĚKOLIKANAacuteSOBNĚ RYCHLEJI NEŽ KULTURA

NA PEVNEacuteM MEacuteDIU Využitiacute jako experimentaacutelniacute model produkce sekundaacuterniacutech metabolitů indukce somaklonaacutelniacute variability a naacutesledneacute selekce mikropropagace (pod kontrolou genetickeacute stability) pohyb kultury v bioreaktoru maacute za naacutesledek potlačeniacute apikaacutelniacute dominance tiacutem se stimuluje růst mnohonaacutesobnyacutech pryacutetů

Bioreaktory firmy VitroSys Inc Korea

ideaacutelniacute SK ndash rychlyacute růst karyologickaacute stabilita životnost buněk rentabilita

Minimaacutelně 103 ml buněk 110 suspenze v exponenciaacutelniacute faacutezi se doplniacute čerstvyacutem meacutediem Koncentrace sacharidů prodlužuje periodu růstu

Velkokapacitniacute kultivace rostlinnyacutech buněk v tekutyacutech meacutediiacutech sterilniacute prostřediacute obsahujiacuteciacute živiny a laacutetky potřebneacute pro růst a jeho regulaci vhodneacute pro kultivaci rostlinnyacutech mikrobiaacutelniacutech a živočišnyacutech buněk

Bioreaktor

Bioreaktory s tekutyacutem meacutediem explantaacutety jsou ponořeny v tekuteacutem meacutediu Bioreaktory s pravidelnyacutem zaplavovaacuteniacutem (temporary immersion bioreactor TIB) explantaacutety jsou pravidelně zaplavovaacuteny

Bioreaktor

httpwwwuebcasczcscontentzensenove-spagety

pěstujiacute se jen kořeny - zisk GINSENOSIDŮ za 3 měsiacutece v laboratoři stejnyacute zisk jako z rostlin ženšenu v přiacuterodě za 8 let obsah GINSENOSIDŮ je srovnatelnyacute s planě rostouciacutemi rostlinami množstviacutem i vzaacutejemnyacutem poměrem jednotlivyacutech laacutetek

v Koreji od r 2004

hairy-root systeacutem a sekundaacuterniacute metabolity

Sekundaacuterniacute metabolity - SM ROSTLINA BUNĚČNAacute KULTURA

EXTRAKT prověřovaacuteniacute oddělovaacuteniacute čištěniacute aktivniacute složky testovaacuteniacuteprověřovaacuteniacute

ČISTAacute BIOAKTIVNIacute LAacuteTKA

SM z buněčneacute kultury - extrakty ziacuteskaneacute za reprodukovatelnyacutech podmiacutenek spolehliveacute zdroje meacutedium - množstviacute čisteacuteho produktu

buňky rostou v tekuteacutem meacutediu -ne celaacute rostlina

produkt rostlina in vitro ()

rostlina ()

poměr

ginsenoside Panax ginseng 27 45 6 x

rosmarinic acid Coleus blumei 27 3 9 x

caffeic acid Vanilla planifolia 002 0005 4 x

shikonin Lithospermum erythrorhizon

20 15 135 x

ubiquinon-10 Nicotiana tabacum 0036 0003 12 x Heldman et al 2011

anti

oxy

dan

ty v sušině

bioreaktory

Sekundaacuterniacute metabolity - SM Rostlina Uacutečinnaacute laacutetka Uacutečinek

Artemisia annua pelyněk ročniacute artemisinin antimalarikum

Digitalis lanata naacuteprstniacutek vlnatyacute digoxin srdečniacute stimulants

Dubosia myoporoides lilkoviteacute atropin

scopolamin

očniacute přiacutepravky mořskaacute nemoc

Lithospermum

erythrorhizon

kamejka

rudokořennaacute

shikonin protinaacutedoroveacute

Panax ginseng ženšen pravyacute stimulant imunitniacuteho systeacutemu

Salix alba vrba biacutelaacute salicin antirevmatikum proti horečce

Taxus brevifolia tis

zaacutepadoamerickyacute

baccatin taxol protinaacutedoroveacute

Vinca rosea barviacutenek růžovyacute vinblastin

vinkristin

protinaacutedoroveacute alkaloidy

leukeacutemie

buněčnaacute kultura

Rostlina Extrakt Uacutečinek

Linum usitatissimum len setyacute olej

Mentha piperita maacuteta peprnaacute maacutetovyacute olej -

mentol

žaludečniacute potiacuteže

Mentha spicata maacuteta klasnataacute mentol žaludečniacute potiacuteže

Zingiber officinale zaacutezvor leacutekařskyacute gingerol antioxidant

informace z tradičniacute lidoveacute mediciacuteny - použitiacute extraktů a purifikace zdroje z nedotčeneacuteho ekosysteacutemu

kalusovaacute kultura buněčnaacute suspenze orgaacutenovaacute kultura - Artemisia Mentha - pryacutety

rostliny jsou vyacuterobci sekundaacuterniacutech metabolitů

cytostatikum

Sekundaacuterniacute metabolity - SM

Heldman et al 2011

VYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY

nezaacutevisleacute na geografickyacutech podmiacutenkaacutech

nezaacutevisleacute na sezoacutenniacutech podmiacutenkaacutech

v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

v přiacuterodě kontrolovaacuteno množstviacute in vitro ne

nepřetržitaacute dodaacutevka produktu

uniformniacute kvalita produktu

uniformniacute vyacutetěžnost produktu (průběžně)

vyacuteběr vhodneacute linie s vyššiacute produkciacute produktu

možnost tvorby novyacutech laacutetek nenormaacutelniacutech u donora

NEVYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY staacutele se vyviacutejejiacuteciacute

překaacutežky - pomalyacute růst

genetickaacute nestabilita

různorodost

niacutezkyacute obsah metabolitu

produkty vylučovaacuteniacute provozniacute - světelneacute podmiacutenky aseptickeacute podmiacutenky

STRATEGIE TVORBY SM vyacuteběr donorovyacutech rostlin - biochemickeacute testy

iniciace kalusů

vyacuteběr buněčneacute linie - rychle rostouciacute vysokaacute produkce

ciacutelenyacute metabolismus - kultivačniacute meacutedium (složeniacute koncentrace proporcionalita)

kultivačniacute podmiacutenky (teplota světlo pH) zvlaacuteštniacute požadavky (prekurzor simulace stresu - napadeniacute patogenem)

uvolněniacute do meacutedia

Embryokultury

Embryokultury = kultivace zralyacutech nebo nezralyacutech embryiacute in vitro

1904 Hannig - embrya u ředkve

1925 Laibach - aplikace v mezidruhoveacutem křiacuteženiacute r Linum sp

1945 Randolph - zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu u r Iris sp

1970 Kasha Kao - ziacuteskaacuteniacute haplodů u ječmene

Hordeum vulgare (zůstaacutevaacute) x Hordeum bulbosum (eliminace chromozoacutemů)

Zygotickaacute embrya vyacuteživa z endospermu (heterotrofniacute)

Embrya in vitro vyacuteživa z kultivačniacuteho meacutedia

In vitro oplodněniacute u člověka - 1978 pro neplodneacute paacutery

geneticky stabilniacute metoda

Embryokultury- in vitro

I Kultura semennyacutech embryiacute tj izolace plně vyvinutyacutech

bipolaacuterniacutech struktur obsahujiacuteciacutech kořenovyacute a stonkovyacute systeacutem

II Kultura proembryiacute tj izolace nezralyacutech zaacuterodků předchaacutezejiacuteciacutech

diferenciaci děloh

Embryogeneze zygotickeacuteho embrya (in vivo)

zygota (přiacuteprava na 1 děleniacute)

faacuteze pomaleacuteho vyacutevinu embrya po oplozeniacute

faacuteze rychleacuteho vyacutevinu růstu a diferenciace embrya

faacuteze dozraacutevaacuteniacute embrya

faacuteze přechodu embrya do dormance (ABA)

Embryokultury

1 překonaacuteniacute barieacuter vzdaacuteleneacuteho křiacuteženiacute (abortace hybridniacutech embryiacute sterility semen)

2 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu (viacutece generaciacute za rok)

3 řešeniacute jarovizačniacuteho staacutedia

4 primaacuterniacute explantaacutet pro dalšiacute kultury

5 eliminace inhibice kliacutečeniacute

6 studium mineraacutelniacute vyacuteživy

7 umělaacute semena

8 studium metabolickyacutech vztahů mezi embryem a endospermem embryem a dělohami

9 ziacuteskaacuteniacute haploidniacutech rostlin

Opylovaacuteniacute in vitro

Opylovaacuteniacute in situ

in vitro

Inkompatibilita rostlin

zaručuje stabilitu druhu

Barieacutery procesu opyleniacute a oplozeniacute

vnějšiacute (teplota vlhkost nedostatečnaacute vyacuteživa )

vnitřniacute (inkompatibilita samčiacute nebo samičiacute sterilita)

využitiacute v raacutemci šlechtěniacute rostlin k překonaacuteniacute prezygotickyacutech barieacuter vznik mezidruhovyacutech mezirodovyacutech hybridů

Barieacutery Technika překonaacuteniacute

Před oplodněniacutem selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute blizny pestiacuteku pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

rezistence vůči abiotickeacutemu stresu rezistence vůči škůdcům vyššiacute vyacutenos

přenos z jineacuteho druhu

EK využitiacute ve šlechtěniacute

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury HAPLOID rostlina s n počtem chromozomů menšiacute sterilniacute

1963 T Yamada a kol Tradescantia reflexa (haploidy)

1964 - 1966 S Guha SC Maheswari Datura diploidizace kolchicinem

1969 JP Nitsch a kol celeacute rostliny (tabaacutek)

1973 JP Nitsch Norrel mikrosporoveacute kultury

2000 šlechtitelskeacute programy polniacutech plodin (obiloviny řepka)

využiacutevajiacute haploidniacute kultury in vitro

Androgeneze prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Androgeneze - kultivace prašniacuteků pyl zrn mikrospor = samčiacute genotyp

Gynogeneze - kultivace neoplodněnyacutech vajiacuteček = samičiacute genotyp

Haploidie - spontaacutenniacute = haploidniacute partenogeneze (gynogeneze androgeneze) frekvence 10-6

- experimentaacutelniacute indukovanaacute

fyzikaacutelniacute faktory = UV γ-zaacuteřeniacute X-paprsky teplotniacute šoky

zaacutesahy do procesů opyleniacute a oplozeniacute (inaktivniacute pyl)

explantaacutetoveacute metody = prašniacutekoveacute a pyloveacute kultury kultivace semeniacuteků a vajiacuteček

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury Ontogeneze pylu

In vivo mikrosporogeneze

pylovaacute mateřskaacute buňka

meiosa

pyloveacute tetraacutedy

vyacutevoj mikrospory (1 pyl mitoacuteza)

In vitro vyacutevoj embryoidu

(vegetativniacute generativniacute buňka)

- přiacutemaacute embryogeneze

- nepřiacutemaacute embryogeneze

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

využitiacute haploidů (majiacute jen jednu sadu chromosomů)

segregace vloh na gametickeacute uacuterovni ndash homozygoacutetniacute stav (čisteacute linie v F2 generaci)

detekce recesivniacutech mutaciacute (fenotypickyacute projev)

trpasličiacute varieta ndash u okrasnyacutech rostlin

Dihaploidizace

n rostliny - sterilniacute

104 ndash 105 mikrospoacuterml meacutedia

Brassica sp

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Prašniacutekoveacute kultury

viacutece než 200 druhů (řepka ryacuteže kukuřice obiloviny)

20-60 dnů

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

vyacutevoj globulaacuterniacuteho embrya a naacutesledně haploidniacute rostliny přiacutemo z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory

z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory vznikaacute kalus rarr indukce organogeneze

TYPY ANDROGENEZE

vzaacutecně

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Solanaceae

Brassicaceae

Poaceae

prašniacuteky

Androgeneze

Indukovanaacute androgeneze ndash přiacuteklady

Beta vulgaris - homozygotniacute linie

Brassica napus - novaacute odrůda linie

Hordeum vulgare

Lycopersicon - novaacute odrůda

Nicotiana - noveacute odrůdy

Oryza - noveacute odrůdy

Pelargonium - trpasličiacute variety

Triticum ndash cv Florin Huapei

Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby Praha Vyacutezkumnyacute uacutestav obilnaacuteřskyacute Kroměřiacutež Vyacutezkumnyacute uacutestav olejnin Oseva

Gynogeneze kultury izolovanyacutech vajiacuteček

kultury izolovanyacutech semeniacuteků

kultury izolovanyacutech květenstviacute in vitro

haploidniacute rostliny

spontaacutenniacute dihaploidniacute rostliny

ječmen kukuřice moruše

slunečnice cibule

kultivace vajiacuteček Beta vulgaris Tomaszewska-Sowa 2010

327 haploids 458 diploids and 215 ndash mixoploids

x opyleniacute ozaacuteřenyacutem pylem

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

Polyploidizace in vitro

duplikace celeacuteho genomu až 70 všech krytosemennyacutech rostlin je polyploidniacutech (Masterson 1994) POLYPLOID metabolicky aktivnějšiacute a rozměrnějšiacute plodiny ktereacute jsou vhodneacute pro pěstovaacuteniacute a leacutepe se vyrovnaacutevajiacute se stresovyacutemi podmiacutenkami

kolchicin

oryzalin

trifluralin

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze protoplastů

1892 Klecker - 1 mechanickaacute izolace protoplastů Stratiotes aloides (řezan pilolistyacute) 1960 EC Cocking 1 enzymatickaacute izolace protoplastů Nicotiana sp 1978 G Melchers a kol 1 mezirodovyacute hybrid bdquopomatoldquo bdquotopatoldquo Solanum tuberosum x S lycopersicum (Lycopersicum esculentum)

httptheplanetfixerorg387new-vegetable-created-the-tomato-potato-plant

Protoplastoveacute kultury

= kultivace rostlinnyacutech buněk zbavenyacutech buněčneacute stěny

Protoplast = rostlinnaacute buňka bez buněčneacute stěny jejiacute povrch tvořiacute cytoplazmatickaacute membraacutena maacute kulovityacute tvar

Protoplastoveacute kultury - regenerace

Faktory ovlivňujiacuteciacute kultivaci a regeneraci

Hustota ( počet protoplastů v 1 ml)

Životnost ()

Podmiacutenky kultivace a meacutedium

bull Studium synteacutezy buněčneacute stěny vyacutevoj buňky fyziologie buňky a cytogenetiku

bull Studium hodnoceniacute uacutečinků farmak potravinovyacutech doplňků agrochemickyacutech laacutetek na rostlinnou

buňku

bull Studium transportu iontů a laacutetek přes cytoplasmatickou membraacutenu

bull Somatickaacute hybridizace (fuacuteze protoplastů)

bull Inkorporace exogenniacuteho genetickeacuteho materiaacutelu ndash organel cybridizace

bull Genoveacute transformace (cizorodaacute DNA z bakteriaacutelniacuteho plasmidu)

Protoplastoveacute kultury - fuacuteze

Využitiacute

kombinace znaků odlišnyacutech druhů a rodů ktereacute by nevznikly přirozenou cestou

jedinečneacute kombinace jadernyacutech a organelovyacutech genomů vytvaacuteřiacute noveacute genetickeacute zdroje

často jen - čaacutest chromozomů asymetrickeacute jaderneacute hybridy

chloroplasty

mitochondrie

chemickeacute fuacuteze - pomalejšiacute elektrofuacuteze - fuacutezanti po 10 min vyššiacute frekvence fuacutezantů

cytoplazmickeacute hybridy - cybridy

Charakterizace hybridů - morfologicky cytologicky molekulaacuterniacute analyacutezy

Přirozenaacute mezidruhovaacute hybridizace - vznik některyacutech kulturniacutech plodin

B oleracea + B campestris = Brassica napus Nicotiana sylvestris + N tomentosa = Nicotiana tabacum

cybridy nelze ziacuteskat klasickou hybridizaciacute (křiacuteženiacutem) ndash samčiacute pohlavniacute buňky (pyl zrna) nemajiacute plastidy a mitochondrie

V přiacuterodě blesky do půdy modifikace bakteriiacute

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

Přenos jaderneacute a cytoplazmatickeacute genetickeacute informace mezi rostlinnyacutemi druhy rody

- překonaacuteniacute sexuaacutelniacute inkompatibility

- přenos genů rezistence vůči virovyacutem houbovyacutem chorobaacutem

- přenos cytoplazmatickeacute samčiacute sterility

- přenos rezistence vůči stresům (teplotniacutem zasoleniacute)

- přenos rezistence vůči hmyziacutem škůdcům

(synteacuteza fytoalexinů)

- přenos genů pro synteacutezu zaacutesobniacutech proteinů vitamiacutenů

alkaloidů

plnokvětost

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

využitiacute pro fytoremediace

Brassica juncea Tlaspi caerulescens brukev siacutetinovitaacute peniacutezek modravyacute akumulace Pb akumulace Zn a Ni hybrid se zvyacutešenou rezistenciacute k Pb Zn a Ni rychlyacute naacuterůst

biomasy

Brassica napus Thlaspi caerulescens hybridi rostly na vysokeacutem obsahu Zn

Fuacuteze protoplastů rodu Brassica s planyacutemi druhy

Armoracia rusticana

Barbarea vulgaris

Camelina sativa

Capsella bursa pastoris

Diplotaxis catholica

Diplotaxis muralis

Diplotaxis harra

Eruca sativa

Lesquerella fendleri

Mathiola incana

Moricandia arvensis C4

Moricandia nitens C4

Raphanus sativus

Sinapis alba

Sinapis arvensis

Thlaspi perfoliatum

Thlaspi caerulescens

Genoveacute banky In vitro genoveacute banky

2397 vzorků 1249 odrůd Solanum tuberosum 450 teraploidniacutech křiacuteženců S tuberosum 266 dihaploidů 119 mezidruhovyacutech hybridů rodu Solanum 313 genotypů kulturniacutech genotypů 23 planyacutech druhů

Havliacutečkův Brod

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu rostlin

1 Uchovaacutevaacuteniacute semen ndash semenneacute banky (od 1 roku - hellip)

2 Uchovaacutevaacuteniacute vegetativniacutech orgaacutenů ndash hliacutezy cibule řiacutezky

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro Kraacutetkodobeacute - aktivně rostouciacute kultury (pravidelneacute pasaacuteže) - uchovaacuteniacute kultur v minimaacutelniacutem růstu nižšiacute teploty kultivace

Dlouhodobeacute u rostlin kde nejsou semena

- za velmi niacutezkyacutech teplot (-196oC) = kryobanka

Databaacuteze ndash přiacutestupneacute z celeacuteho světa

Špicberky

genobanka - wwwvurvcz part databases EVIGEZ

vyacuteznam v mediciacuteně

Zaacuteložniacute fond semena potravinaacuteřskyacutech plodin z celeacuteho světa

stane se zaacuteložniacutem fondem pro ostatniacutech 1400

semennyacutech bank po celeacutem světě

v Iraacuteku a v Afghaacutenistaacutenu byla podobnaacute zařiacutezeniacute za

vaacutelky zcela zničena

na Filipiacutenaacutech je v roce 2006 poškodila povodeň

semennaacute banka pro světoveacute plodiny je umiacutestěna v hoře

maacute vyztuženeacute stěny betonem a železem

třiacute komory o velikosti 27 kraacutet 10 metrů

teplota minus 18 oC (konzervace po stovky až tisiacutece let) httpwwwnorambczarkivBasisartikler---OversettelserIkke-

bruktnovinkyseedvault_eng

k 1172010 zde bylo uloženo 716 523 vzorků semen patřiacuteciacutech ke 4 205 druhům

českaacute banka uloženaacute v Praze-Ruzyni zaacuteloha na Slovensku

Špicberky

Uchovaacutevaacuteniacute genofonduv ČR

genofond odrůd meruněk broskvoniacute mandloniacute reacutevy vinneacute kdouloniacute lonicer rakytniacuteků a dřiacutenů

2400 položek

25 000 položek

5400 položek 2397

položek

4700 položek

2000 položek

2300 položek

Naacuterodniacute informačniacute systeacutem genetickyacutech zdrojů EVIGEZ httpwwwgenbankvurvczgeneticresources

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro

KRYOBANKA

prašniacuteky a pyl pletiva a orgaacuteny meristeacutemy

kalus

suspennzniacute somatickaacute kultury embrya

dlouhodobeacute skladovaacuteniacute

nižšiacute naacuteroky na uchovaacuteniacute

mezinaacuterodniacute vyacuteměna

nižšiacute podiacutel lidskeacute praacutece

potřeba menšiacuteho prostoru

uchovaacuteniacute genetickeacute stability

omezeniacute staacuternutiacute

ozdravenyacute materiaacutel

prodlouženeacute použitiacute pylu

uchovaacuteniacute vzaacutecnyacutech rostlin

apikaacutelniacute vrcholy

Biotechnologickaacute laboratoř Nestleacute - uchovaacutevaacute buněčneacute embryogenniacute linie kaacutevy kakaa a banaacutenů

Německaacute sbiacuterka mikroorganismů a buněčnyacutech kultur (DSMZ Braunschweig Německo) meristeacutemy 519 staryacutech kultivarů brambor ndash metoda mrazeniacute alginaacutetovyacutech perel

International Potato Centre (CIP Lima Peru) - 345 kultivarů brambor

INIBAP Leuven Belgie - 306 kultivarů banaacutenu (14 ze světoveacuteho počtu kultivarů)

Naacuterodniacute genobanka klonů NCGR USA - ročniacute naacuteklady

udržovaacuteniacute jedneacute položky v sadu (hrušně) 77 dolarů na skladovaacuteniacute in vitro 23 dolarů na kryoprezervaci 1 dolar (při počaacutetečniacute investici na kryometodu 50 dolarů za uchovaacutevanou jednotku)

Přiacuteklady komerčniacuteho využitiacute kryoprezervace meristeacutemů

Aplikace biotechnologiiacute ve šlechtěniacute rostlin

rostliny postraacutedajiacute schopnost aktivně se přesouvat z dosahu nepřiacuteznivyacutech vlivů rostliny vyvinuly adaptačniacute mechanismy pro překonaacuteniacute stresů a tiacutem přežitiacute v extreacutemniacutech podmiacutenkaacutech

Biotechnologie v zemědělstviacute ekologickeacute zemědělstviacute

VLIV ŠKŮDCŮ CHOROB A PLEVELŮ NA ZEMĚDĚLSKEacute PLODINY

1 sniacuteženiacute velikosti a vaacutehy zrna 2 ztraacuteta ve velikosti hliacutez a kořenů 3 zvyacutešeniacute obsahu vlhkosti 4 změny v chemickeacutem složeniacute zrna hliacutez a kořenů 5 odbarveniacute zrna a hliacutez - deformace 6 tvorba mykotoxinů patogeny 7 sniacuteženiacute kliacutečivosti 8 redukce krmiva

spotřeba vody - rezistence k suchu sniacutežiacute spotřebu uchovaacuteniacute vody rostlinou aplikace hnojiv chemickaacute kontrola škůdců

- studium abiotickeacuteho stresu

- zlepšeniacute ochrany rostlin vůči škůdcům

- ochrana životniacuteho prostřediacute

- zlepšeniacute kvality potravin

odstraněniacute hladu GMO fytoremediace

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

ohroženiacute klimatickyacutem suchem v ČR ndash nejrizikovějšiacute oblasti nižšiacute polohy na jižniacute a středniacute Moravě v prostoru mezi Prahou Uacutestiacutem nad Labem a Žatcem zaacutepadně od Pardubic

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

Rezistence k suchu - využitiacute vody

Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

vyacutevoj samčiacuteho gametofytu - spojen s expresiacute genů - 150 specifickyacutech genů spraacutevneacute načasovaacuteniacute

sporofyt gametofyt

2n 1n

rostlina pylovaacute zrnazaacuterodečnyacute vak

pohlavniacute rozmnožovaacuteniacute přiacuterodniacute vyacuteběr

pylzrna - exina (ovlivněna sporofytem) ochrana před UV laacutekaacuteniacute opylovačů - barva vůně komunikace s bliznou produkce alergenů

strategie rostlin zabraacuteněniacute samoopyleniacute

Biotechnologie v zemědělstviacute samčiacute gametofyt n TETRASPORE (TES) reg gen je vyžadovaacuten ke tvorbě přepaacutežek mezi produkty meioacutezy u mutanta všechna čtyři jaacutedra mikrospoacutery zůstaacutevajiacute ve stejneacute cytoplazmě polyploidniacute jedinci n GEMINI POLLEN 1 (GEM1) reg gen je vyžadovaacuten k orientaci mitotickeacuteho vřeteacutenka mutant tvořiacute dvě symetrickaacute jaacutedra typu vegetativniacuteho vede ke sterilitě n SIDECAR POLLEN (SCP) reg gen je vyžadovaacuten k děleniacute pylu prvniacute symetrickaacute pylovaacute mitoacuteza mutanta daacutevaacute dvě stejneacute buňky jedna extra- vegetativniacute (sterilniacute sidecar) a druhaacute regvegetativniacute a generativniacute mutace nevede ke sterilitě n QUARTET (QRT) reg gen je vyžadovaacuten k separaci pylovyacutech zrn u mutantů jsou stěny meiotickyacutech produktů pyloveacute mateřskeacute buňky fuacutezovaacuteny a zrna se uvolňujiacute v tetraacutedaacutech

samičiacute makrogametofyt n FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED (FIS) a FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) reg geny hrajiacute regulačniacute role ve vyacutevinu semene po oplozeniacute u mutantů se diploidniacute jaacutedra endospermu vyviacutejejiacute bez oplozeniacute pak atrofujiacute mutace neovlivňujiacute vaječnou buňku - procesy embryogeneze a vyacutevinu endospermu jsou odlišneacute n MEDEA (MEA) reg mutace genu způsobuje hypertrofii a zaacutenik embrya neniacute jasneacute na jakeacute uacuterovni se gen projevuje zaacuterodečnyacute vak endosperm nebo maternaacutelně imprintovanyacute embryonaacutelniacute gen

Biotechnologie ve šlechtěniacute rostlin Selektivniacute šlechtěniacute rostlin - přiacuterodniacute genetickeacute diverzity rostlin Techniky překonaacuteniacute barieacuter šlechtěniacute

Barieacutery Technika překonaacuteniacute Před oplodněniacutem

selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute pestiacuteku

pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony

pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro

selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů

odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute

abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry

sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

vyacutevoj semen

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

Škůdci v historii naacutelety sarančat (Staryacute zaacutekon)

ochrana saze tabaacutek

začaacutetek 19 stol - siacutera na houboveacute patogeny 1939 objev DDT uacutečinek na hmyz teorie bdquohmyz se může staacutet rezistentniacuteldquo 1948 Nobelova cena P Muumlller

50 leacuteta 20 st - herbicidy - postřiky na plevele ( rezistence na herbicid) 1972 zaacutekaz DDT (vyacutejimka - boj s malaacuteriiacute v Africe - naacutevrat DDT)

škůdce - hmyz hliacutestice 1861 - v Americe Iowa Nebraska 1880 1 pesticid v S Americe arzeacutenem bdquoParis greenldquo

S rostouciacute intenzitou pěstovaacuteniacute roste hospodaacuteřskyacute vyacuteznam škodlivyacutech organismů objem škod se zvyšuje staacutele přibyacutevajiacute noveacute druhy škodlivyacutech organismů zavaacutedějiacute se staacutele noveacute prostředky

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin - hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy

1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho

obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

ROS Reactive oxygen species reaktivniacute formy kysliacuteku SAR Systemic acquired resistance systeacutemově ziacuteskanaacute rezistence = neinfikovaneacute buňky začiacutenajiacute s přiacutepravou na atak patogena

napadeneacute rostliny uvolňujiacute signaacutelniacute molekuly (těkaveacute laacutetky - druhově specifickeacute) a varujiacute okolniacute rostliny ještě před napadeniacutem hmyzem

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin -hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy 1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

produkujiacute u různyacutech rostlin různě - sekundaacuterniacute metabolity - odstrašeniacute nebo zničeniacute patogena - proteiny inhibujiacuteciacute aktivitu zažiacutevaciacutech enzymů hmyzu - enzymy degradujiacuteciacute buněčnou stěnu hub (chitinaacutezy) - proteiny inhibujiacuteciacute překlad proteinů u škůdce - antiviroveacute složky degradujiacuteciacute virovou RNA blokujiacute vstup do buňky zastavujiacute replikaci

geny ktereacute bdquoSARldquo zapiacutenajiacute zvyšujiacute rezistenci rostliny

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům - již v čaacutesti fytotatologie

Co je plevel soutěžiacute s plodinou o živiny světlo a prostor intenziacutevně roste podiacuteliacute se na šiacuteřeniacute chorob a škůdců

lat herba - rostlina řeč cidoacute - ničiacutem

Vznik rezistence plevelů vůči některyacutem herbicidniacutem laacutetkaacutem = reakce plevelnyacutech druhů na podmiacutenky současneacuteho pěstovaacuteniacute rostlin = dlouhodobeacute působeniacute herbicidů

Vyacutevoj plevelů na zemědělskeacute půdě v naacutevaznosti na skladbu pěstovanyacutech plodin Vznik rezistence plevelů vůči herbicidům Problematika invaziacute a expanziacute plevelů

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům

Rezistenci vůči herbicidům způsobujiacute biochemickeacute fyziologickeacute změny nebo morfologickeacute odlišnosti ktereacute ovlivňujiacute přiacutejem herbicidů rostlinou

- degradujiacute herbicid

- měniacute jeho biochemickou funkci v rostlině

- pozměňujiacute miacutesto na ktereacute herbicid v rostlině působiacute

Rezistence rostlin vůči herbicidům dědičnaacute schopnost odolaacutevat takoveacute daacutevce herbicidů při ktereacute by za normaacutelniacutech okolnostiacute byla populace potlačena

směr pro šlechtěniacute

Aplikace rostlinnyacutech biotechnologiiacute v životniacutem

prostřediacute

takto nebo takto

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Těžba a zpracovaacuteniacute surovin(těžkeacute kovy- Cd Pb prach) Průmyslovaacute vyacuteroba (barviva)

Skladovaacuteniacute (haldy kaliště sklaacutedky) Zemědělstviacute (pesticidy herbicidy)

Domaacuteciacute odpad (leacutečiva detergenty praciacute prostředky)

čin

no

st č

lově

ka

půda voda ovzdušiacute

znečištěniacute

degradace organismy produkujiacuteciacute laacutetky (enzymy) pro

ciacutelenyacute rozklad

organismy snižujiacuteciacute toxicitu toxickeacute laacutetky metylaciacute dehalogenace hydroxylace hydrolyacuteza deaminacehellip

substraacutet je zdrojem C a energie

dekontaminace

+ katastrofy Černobyl vaacutelečneacute konflikty

remediace = navraacuteceniacute k původniacutemu stavu

Biodegradace všechny přirozeneacute procesy ktereacute jsou uskutečňovaacuteny bakteriemi a jinyacutemi mikroorganizmy nebo vyššiacutemi organismy ktereacute vedou k destrukci organickyacutech molekul = organickyacute substraacutet je přeměňovaacuten až na CO2 Bioremediace (bakterie houby)

spočiacutevaacute v akceleraci přirozenyacutech biodegradačniacutech procesů nebo v ciacuteleneacute biodegradace - vede k ozdraveniacute kontaminovaneacuteho prostřediacute - detoxifikace měniacute se na netoxickeacute = neškodneacute laacutetky - aplikaciacute mikroorganismů

Fytoremediace (rostliny) niacutezkaacute cena

využitiacute rostlin k odstraněniacute toxickeacute zaacutetěže (těžkeacute kovy) řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny Zooremediace (zviacuteřata)

zpracovaacuteniacute odpadů pomociacute zviacuteřat bezobratliacute - perlorodky měkkyacuteši

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

nevyacutehody pomalaacute viacutece než 2 roky maleacute rozměry vhodnyacutech rostlin maacutelo druhů vhodnyacutech rostlin neniacute 100 probleacutem s rostlinnyacutem odpadem - potřeba zvlaacuteštniacutech sklaacutedek spadeneacute listiacute

- řiacutezeneacute spalovaacuteniacute

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacute len slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

vyacutehody mineralizace organickyacutech sloučenin niacutezkeacute naacuteklady pasiacutevniacute metoda bez transportu kontaminovaneacute půdy energie ze slunečniacuteho zaacuteřeniacute nepoškozuje okoliacute - sniacuteženiacute prašnosti

estetickyacute přiacutenos etickyacute uacutečinek (veřejnosti přijatelnyacute)

2005 cca 450 rostlinnyacutech druhů - tzv bdquohyperakumulaacutetoryldquo 100 x vyššiacute akumulace než u ostatniacutech rostlin

teorie vzniku - obrana vůči hmyzu - hmyz preferuje

niacutezkeacute koncentrace kovu

Thlaspi careulescens

X bagrovaacuteniacute kontaminovaneacute zeminy transport zeminy dekontaminace

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute přiacutejem kořeny - z půdy přiacutejem nadzemniacute čaacutestiacute rostliny - vyacutefukoveacute plyny

akumuluje

degraduje

detoxifikuje

roste na kontaminovaneacute půdě

produkuje velkeacute množstviacute biomasy

tolerantniacute k salinitě a jinyacutem toxickyacutem podmiacutenkaacutem

poskytuje ekonomickeacute hodnoty - textilniacute vlaacutekna (len konopiacute)

GMO - gen fytovolatizace - bakteriaacutelniacute geny transformovaacuteny do rostlin transgeny merA a merB fytoextrakce - gen gsh1 a gsh2 z E coli do Brassica juncea

potenciaacutel je v GMO rostlinaacutech

Laboratoř rostlinnyacutech biotechnologiiacute Společnaacute laboratoř UacuteEB AV ČR vvi A VUacuteRV vvi Akademie věd Českeacute Republiky Mendelova univerzita v Brně Uacutestav experimentaacutelniacute botaniky AV ČR Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby v Praze Metoda použita na čištěniacute uranem a radiem znečištěneacute vody v Mydlovarech - kořenovaacute čistiacuterna

ideaacutelniacute rostlina

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

proces substraacutet ciacutel rostlina

fytoextrakce fytoakumulace

odstraněniacute toxickyacutech laacutetek z půdy a vody - akumulaciacute rychle rostouciacute rostlinou (zůstaacutevaacute v rostlině)

půda sedimenty kaly odpadniacute vody

toxickeacute kovy radionuklidy

Thlaspi sp Brassica sp

fytostabilizace ciacuteleneacute pěstovaacuteniacute tolerantniacutech druhů zamezeniacute eroziacute

půda haldy odkaliště těžkeacute kovy dlouheacute a bohateacute kořeny

fytovolatizace odstraněniacute Hg pomociacute genu koacutedujiacuteciacuteho reduktaacutezu Hg2+ na Hg0

a uvolněniacute do ovzdušiacute

půdy sedimenty odkaliště průmysloveacute a zemědělskeacute odpadniacute vody

kovy - Se Hg chlorovanaacute rozpouštědla

stromy traacutevy Brassica sp

fytodegradace degradace kontaminantů rostlinou na netoxickeacute laacutetky

půdy sedimenty odkaliště odpadniacute vody

ropneacute laacutetky pesticidy detergenty

stromy traacutevy

rhizofiltrace odstraněniacute pomociacute rostlinnyacutech kořenů

povrchoveacute vody odpadniacute vody

těžkeacute kovy - Co Cu Cr Mn Ni radionuklidy

Brassica sp Helianthus vodniacute rostliny hydroponie

superrostliny

niacutezkeacute naacuteklady

kořenovaacute čistička = umělyacute mokřad oddělenyacute od okoliacute nepropustnou foacuteliiacute využiacutevaacute samočisticiacutech procesů probiacutehajiacuteciacutech v propustneacutem půdniacutem prostřediacute za spoluuacutečasti rostlin čištěniacute odpadniacutech vod z domaacutecnostiacute sklaacutedek a některyacutech průmyslovyacutech provozů

Rhizofiltrace

httpwwwnemcoviceczcontentviewfull3607

rostliny s vysokyacutemi

naacuteroky na vyacuteživu

+

bakterie

může zapaacutechat

5x - 10 x nižšiacute naacuteklady

Člověk čistiacute odpadniacute vodu za pomoci zařiacutezeniacute

ale přiacuteroda to zvlaacutedaacute bez přiacutestrojů a mnohem levněji

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute niacutezkeacute naacuteklady

rostlina chemickaacute sloučenina

pšenice 24 -D MCPA jako zdroj uhliacuteku

kukuřice atrazin degradace atrazinu mikroorganismy rhizosfeacutery

fazole diazinon parathion mineralizace v rhizosfeacuteře

luštěniny nafta

Kučerovaacute et al 1999 Chemickeacute listy

přiacutejem - velikost kořenoveacuteho systeacutemu přiacutestupnost pro rostlinu např chelaacutety

transport rostlinou - apoplast (difuacuteziacute)

symplast (specifickeacute přenašeče)

miacutesto uskladněniacute hustota rostlin v porostu

zaacutevažnějšiacute ekologickyacute a toxikologickyacute vyacuteznam přibližně 16 prvků (Fe Mo Mn Zn NiCo Cu V W Cr Hg Pb Cd Sb Ag a U)

Budoucnost fytoremediaciacute niacutezkeacute naacuteklady

Fytoremediace v praxi

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Ural 1953 odstraněniacute těžkyacutech kovů

Amana Iowa hybridniacute topoly atrazin odstraněna čaacutest až 20

Beaverton Kreton

hybridniacute topoly

organickeacute laacutetky kovy

a amonneacute sloučeniny

celkoveacute vyčistěniacute oblasti

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Fukušima 113 2011 slunečnice radioaktivniacute cesium dekontaminace půdy

Černobyl 2641986 slunečnice jabloně

cesium stroncium dekontaminace půdy povrchoveacute vody

paacutes 30 km - likvidace radioaktivniacutech rostlin

nebudou spaacuteleny rozloženy a kompostovaacuteny - speciaacutelniacute bakterie

slunečnice spotřebovaacutevajiacute z půdy drasliacutek kteryacute patřiacute mezi alkalickeacute kovy stejně jako cesium drasliacutek neniacute v půdě přiacutetomen květiny využijiacute praacutevě druhyacute prvek - Cs

Biotechnologie v ŽP niacutezkeacute naacuteklady

fytomining - fytodobyacutevaacuteniacute fytodolovaacuteniacute

ziacuteskaacutevaacuteniacute kovů z rostlin kde klasickaacute těžba je nevyacutehodnaacute rostliny - bdquotěžaři vzaacutecnyacutech kovůldquo a polokovů AuTh Co U Cd Ni Cu Mn

v rostlinaacutech hyperakumulaacutetorech je akumulace prvku sušina rostliny jako -ldquobio-rudaldquo

vyacutehody

- obsah kovu v bdquobio-ruděldquo je vyššiacute než v běžneacute rudě

- meacuteně skladovatelneacuteho miacutesta

- zelenaacute technologie jako alternativa

fytomining Ni pomociacute Alyssum bertolonii

Robinson et al 1997 The nickel hyperaccumulator plant Alyssum bertolonii as a potential agent for phytoremediation and phytomining of

nickel Journal of Geochemical Exploration59(2)75-86

zlatonosneacute rostliny

zlataacute jablka

zlateacute kapradiacute

hledaacuteniacute nalezišť

technologie budoucnosti

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute bioplasty z biomasy (škroby tuky) nahrazujiacute fosilniacute zdroje vyacutehodou je biodegradace biopaliva rostlinnyacute materiaacutel a řasy bioethanol GMO rezistentniacute rostliny vůči postřikům hmyziacutem škůdcům transfer genů pro symbiotickou fixaci dusiacuteku z luštěnin do dalšiacutech plodin přenos genů z bdquoC4ldquo do bdquoC3ldquo rostlin pro dosaženiacute uacutečinnějšiacute fotosynteacutezy (ryacuteže)

Transgenoziacute se přenaacutešiacute přirozeneacute geny vznikleacute evoluciacute z jednoho organismu do druheacuteho kteryacute se s daacutercem genu obvykle

nemůže křiacutežit pouze dokaacuteže přenosy mezi vyacutevojově ještě vzdaacutelenějšiacutemi organismy

Geny použiacutevaneacute při transgenosi jsou braacuteny z přiacuterody např gen v soacuteji tolerujiacuteciacute glyfosaacutet - je z bakterie rodu Agrobacterium

Klasičtiacute šlechtiteleacute takto pracujiacute daacutevno např smiacutechali geny pšenice a žita

GMO

Transgenoze ndash vnaacutešeniacute znaacutemyacutech jednotlivyacutech genů do dědičneacuteho

zaacutekladu (poprveacute 1978)

Pro přenos - Agrobacterium tumefaciens A rhizogenes E coli

httpblogscassuffolkeduiglesias20140424gmos

GMO bez obalu httpwwwbezpecnostpotravinczUserFilespublikaceGMO_web_1pdf

GMO - transgenniacute rostliny CARTAGENSKYacute PROTOKOL o biologickeacute bezpečnosti 29 1 2000 Montreal (OSN ndash program pro životniacute prostřediacute UNEP) platnost 11 9 2003

ČR podepsala 24 52000 (gmovschtcz) nyniacute 160 staacutetů

opatřeniacute ve staacutetech ktereacute se připojiacute k projektu (dovoz vyacutevoz transport)

vzdělaacuteniacute odborniacuteků a informovaacuteniacute veřejnosti

vytvořeniacute noveacute legislativy GMO (wwwenvcz )

spolupraacutece při vyacuteměně zkušenostiacute

Svět 2010 - viacutece než 150 mil ha viacutece než 20 zemiacute

pro vegetačniacute čaacutesti

nebo plody

CIacuteL PROTOKOLU - zajistit ochranu a bezpečnost při zachaacutezeniacute využiacutevaacuteniacute a přenosu živyacutech modifikovanyacutech organismů ktereacute jsou vyacutesledkem moderniacutech biotechnologiiacute a ktereacute mohou miacutet nepřiacuteznivyacute vliv na zachovaacutevaacuteniacute biologickeacute rozmanitosti a zdraviacute člověka Protokol je zaměřen předevšiacutem na převoz GMO přes hranice staacutetů a maacute ochraňovat zejmeacutena staacutety kteryacutem dosud chybiacute vlastniacute vnitrostaacutetniacute praacutevniacute předpisy v oblasti GMO

GMO - transgenniacute rostliny historie

EVROPA

SRN - Max-Planck-Institut

Belgie - Universita Ghent

Švyacutecarsko- ETH Zurych

ČR - Biofyzikaacutelniacute uacutestav Brno (Agrobacterium jako vhodnyacute přenašeč genů)

ČR - UacuteEB ČSAV Českeacute Budějovice (metody modifikaciacute)

2010 1 transgenniacute hraacutech v Evropě (ČR Agritec Šumperk)

transgenniacute len - oleje

FYTOPATOLOGIE IN VITRO

Fytopatologie in vitro

in vitro selekce = kultivace buněk se selekčniacutem činitelem (fitraacutet inokulum toxin)

ndash přežiacutevajiacuteciacute buňky jsou regenerovaacuteny do rostlin resistentniacuteho fenotypu

Studium interakce rostlina x patogen v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

Druh Patogen Typ biologickeacuteho testu Ciacutel

Coffea arabica Colletotrichum kahawae růst houby na kalusech vyacuteběr rezistentniacutech genotypů

Vitis vinifera Elsinoe ampelina růst kalusu na meacutediu s patogenem testy rezistence

Lycopersicon aes Alternaria alternata testy na izollistech in vitro hodnoceniacute toxicity

Pinus taeda Cronartium quercuum embryokultury s houbami vyacuteběr rezistentniacutech embryiacute

Triticum aestivum Microdochium nivale listy semenaacutečky in vitro vyacuteběr rezistentniacutech kultivarů

ozdravovaacuteniacute rostlin

klonoveacute množeniacute rezistentniacutech taxonů

Page 17: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,

Historie rostlinnyacutech biotechnologiiacute Domestikace rostlin ječmen pšenice hraacutech len ryacuteže kukuřice 10 000 - 8000 let PK

KLIacuteČOVEacute BODY ZEMĚDĚLSTVIacute

1923 Burbank USA - křiacuteženci bramboru odrůda

bdquoRUSSET BURBANKldquo (skladovatelnost hliacutez)

1933 prvniacute hybridi kukuřice

1941 Beadle a Tatum - hypoteacuteza 1 gen-1 enzym

1941 24-D (syntetickyacute auxin) jako prvyacute moderniacute herbicid

1950 1 radiomutanti chemomutanti řepka pšenice ryacuteže biacuteleacute fazole

ječmen (1965 - DIAMANT)

1960 ndash1970 ldquozelenaacute revoluceldquo zakrsliacute hybridi - Norman Borlaug

1970 NC miacuteru

1969 Triticale (Triticosecale tritikale žitovec - hybridniacute obilnina Triticum x Secale)

REKOMBINANTNIacute TECHNIKY

1985 prvniacute GM rostliny na poliacutech v UK

1995 odrůda bdquoBT NEW LEAF RUSSET BURBANKldquo

1998 zlataacute ryacuteže

2010 1 GMO hraacutech (Agritec)

I GMO odrůda brambor - odolnaacute vůči mandelince bramboroveacute vložen gen z bakteacuterie Bacillus thuringiensis produkujiacuteciacute protein narušujiacuteciacute vnitřnosti mandelinky

Mexiko 1943 import frac12 spotřeby pšenice 1944 plnaacute soběstačnost pšenice 1964 export 05 milionů tun pšenice

httpenwikipediaorgwikiNorman_Borlaug

Budoucnost biotechnologiiacute v ČR bdquoBiotechnologie jsou celosvětově nejprogresivnějšiacutech oblast vyacutezkumu vyacutevoje a podnikaacuteniacuteldquo

produkce viacutena - 1 psanaacute zmiacutenka r 276 (na Paacutelavě řiacutemskeacute legie) produkce piva - 11 stoletiacute syacutery destilaacutety 14 stoletiacute 1356 - kraacutelovskyacute dekret o produkci viacutena v Českyacutech zemiacutech alchymie (Rudolf II) 1518 - založeniacute Paliacuterny U Zeleneacuteho stromu v Prostějově 1887 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu pivovarskeacuteho a sladařskeacuteho v Praze 1949 - průmyslovaacute produkce peniciliacutenu v Roztokaacutech u Prahy 1966 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu antibiotik a transformaciacute (již neexistuje)

wwwbiotrincz wwwgate2biotechcz

AV ČR Univerzity Vyacutezkumneacute uacutestavy Šlechtitelskeacute stanice

kaacutemen mudrců elixiacuter mlaacutediacute přeměna hmoty

glukosa + kvasinky etanol + oxid uhličityacute přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces carlsbergensis

Biotechnologie v ČR

18 prosince 2008 bylo založeno sdruženiacute CzechBio - asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR zspo 1 asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR spojuje třicet soukromyacutech biotechnologickyacutech společnostiacute a akademickyacutech uacutestavů podpora spolupraacutece komerčniacute sfeacutery s vědeckou httpwwwczechbioorgcs

projekt Algatech ndash Centrum řasovyacutech biotechnologiiacute vyacutevoj novyacutech kultivačniacute zařiacutezeniacute a postupů na zpracovaacuteniacute řasoveacute biomasy pro vyacuterobu biopaliv krmiv potravniacutech doplňků a cennyacutech laacutetek Mikrobiologickyacute uacutestav Akademie věd ČR Třeboň

Centrum regionu Hanaacute pro biotechnologickyacute a zemědělskyacute vyacutezkum

UPOL + VUacuteRV + UacuteEB AV ČR - vytvaacuteřeniacute zemědělskyacutech plodin s vyššiacutemi vyacutenosy toleranciacute vůči nepřiacuteznivyacutem vlivům vnějšiacuteho prostřediacute

- transformace rostlin ječmene a dalšiacutech obilnin

wwwcr-hanaeu

Biotechnologie v ČR

wwwalgaczcscs-algatechhtml

Českaacute technologickaacute platforma rostlinnyacutech biotechnologiiacute ndash rozvoj biotechnologiiacute v ČR = Rostliny pro budoucnost (ČTP RB) - nepotravinaacuteřskeacute využitiacute rostlin vedlejšiacutech produktů odpadů - vyacutevoj novyacutech odrůd kulturniacutech rostlin - uplatněniacute rostlinnyacutech biotechnologiiacute v raacutemci životniacuteho prostřediacute

httpwwwczechinvestorgceska-technologicka-platforma -rostlinnych-biotechnologii

selekce - vyacuteběr nejlepšiacutech rostlin křiacuteženiacute GMO

Přiacuteklad šlechtěniacute - novyacute typ ryacuteže - maleacute vzpřiacutemeneacute listoveacute čepele - hodně odnožiacute - žaacutedneacute neproduktivniacute odnože - silneacute steacuteblo - C3 ryacuteže na C4 ryacuteže

Rostlinneacute biotechnologie Co pěstujeme na poliacutech v zahradaacutech a v sadech a co naacutesledně jiacuteme prošlo za několik tisiacuteciletiacute proměnou Prvniacute změna - předkoveacute opustili životniacute styl lovců a sběračů a stali se pěstiteli zemědělskyacutech plodina a chovateli hospodaacuteřskyacutech zviacuteřat

zlataacute ryacuteže geny z 5 různyacutech druhů

- Phaseolus vulgaris pro ferritin - Aspergilus fumigatus - ferritin - ryacuteže Basmati - ferritin - Narcissus pseudonarcissus synteacuteza karotenu - Erwinia uredovora - synteacuteza karotenu

bdquozlataacute ryacuteželdquo tvořiacute zvyacutešeneacute množstviacute provitaminu A zabraacuteniacute hladu zachraacuteniacute zrak vznikla na požadavek humanitaacuterniacute organizace bdquoHumanitarien Rice Boardldquo kteraacute se snažiacute řešit probleacutemy s nedostatkem potravy v nejchudšiacutech čaacutestech našiacute planety

švyacutecarskyacute genetik Ingo Portykus a německyacute genetik Peter Bayer

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute

ekologickaacute udržitelnost kvantita a kvalita zaacutekladniacutech zdrojů zemědělstviacute ekonomickaacute udržitelnost zemědělskaacute produkce (uacuteroda na ha) a zisk cena za produkty sociaacutelniacute (společenskaacute) udržitelnost kvalita života zemědělců vysokaacute kvalita potravin bez rizika na zdraviacute a prostřediacute

Co je udržitelneacute zemědělstviacute Mohou biotechnologie pomaacutehat

snižovaacuteniacute kvality zaacutekladniacutech zdrojů vyčerpaacuteniacute zaacutekladniacutech zdrojů

Vyhliacutedky na budoucnost

naacuterůst počtu obyvatel

zvyacutešeniacute životniacuteho standardu

pokles plochy orneacute půdy

pokles pracovniacuteků v zemědělstviacute

naacuterůst cen potravin

Naacuterůst zemědělskeacute produkce s využitiacutem biotechnologiiacute

šlechtěniacute (rezistence k chorobaacutem)

noveacute plodiny

nutričniacute kvalita plodin

ochrana rostlin

bezpečnost produktů

hybnou silou biotechnologiiacute je naacuterůst obyvatel Kolik lidiacute by mělo žiacutet na planetě Zemi

Rostlinneacute biotechnologie

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute mutace s naacuteslednou selekciacute odchylek noveacute techniky EK ciacutelenyacute přenos genů

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

prvniacute zemědělci

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) BT prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute MUTACE s naacuteslednou selekciacute odchylek - odrůda ječmene bdquoDIAMANTldquo

noveacute TECHNIKY EK VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

ciacutelenyacute přenos genů GMO

CO BUDE DAacuteL zvyšovat vyacutenosy BUDE VĚTŠINA PĚSTOVANYacuteCH ZEMĚDĚLSKYacuteCH PLODIN TRANSGENNIacute

vznik zemědělstviacute

1954

jsme moudřejšiacute

maacuteme většiacute možnosti

Počaacutetek EK 1902 Gottlieb Haberland segmenty listů 1904 Hannig zralaacute embrya

Potenciaacutel rostlinneacute buňky a podstata

explantaacutetovyacutech kultur rostlin

metody a jejich aplikace

ve šlechtěniacute rostlin

EK - historie

TOTIPOTENCE rostlinneacute buňky genetickeacute informace - jaacutedro plastidy mitochondrie

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

daacute se přeneacutest v raacutemci šlechtěniacute

blok totipotence

vyjaacutedřeniacute totipotence 1 dediferenciace buňky do buněčneacuteho cyklu a pokračovaacuteniacute v děleniacute 2 rediferenciace - tvorba organickyacutech struktur - přiacutemaacute regenerace tvorba kalusu - nepřiacutemaacute regenerace

vliv růstovyacutech regulaacutetorů

Rostlinneacute biotechnologie prvniacute generace - od explantaacutetovyacutech kultur po GMO

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute rostlin - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

Explantaacutet = aseptickaacute kultivace izolovanyacutech čaacutestiacute rostlin za umělyacutech podmiacutenek

EXPLANTAacuteTOVEacute KULTURY - VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

EK - historie

Metody EK využitelneacute v zemědělstviacute Meristeacutemoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Somatickaacute embryogeneze

Embryokultury

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze + buněčneacute inženyacuterstviacute

Genetickeacute manipulace

VITRIFIKACE (hyperhydricita) ndash vyjadřuje abnormality růstu in vitro skelnatyacute syndrom vyacutehonů křehkeacute mokryacute vzhled pryacutetů (vodou nasycenyacutech) průsvitnyacute sukulentniacute vzhled

metody zachovaacutevajiacuteciacute genotyp beze změn během kultivace metody zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu během kultivace

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK 1 rychleacute namnoženiacute

2 ozdravovaacuteniacute

3 překonaacuteniacute nekřiacutežitelnosti - embryokultury

4 dlouhodobeacute udržovaacuteniacute genetickyacutech zdrojů

5 indukce mutantů - ziacuteskaacuteniacute novyacutech genotypů

6 předselekce - urychleniacute šlechtitelskeacuteho cyklu

7 ziacuteskaacuteniacute novyacutech a udrženiacute genotypů s pylovou sterilitou

8 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho procesu

9 produkce haploidů

10 produkce polyploidů

11 rychlejšiacute ziacuteskaacuteniacute vyacutechoziacuteho šlechtitelskeacuteho materiaacutelu pro noveacute odrůdy

12 somatickaacute hybridizace - fuacuteze

13 konstrukce novyacutech genotypů kulturniacutech plodin přenos bdquoužitečnyacutech genůldquo

14 udržovaacuteniacute genofondu

15 selekce in vitro - rezistence k abiotickyacutem a biotickyacutem stresům

16 produkce sekundaacuterniacutech metabolitů

Plodina Technika

ječmen pšenice kukuřice

řepka paprika brukvovitaacute

zelenina mrkev

androgeneze

cibule gynogeneze

jahodniacutek česnek ozdravovaacuteniacute

brambor traacutevy polyploidizace in vitro

jeteloviny drobneacute ovoce

ovocneacute dřeviny podnože traacutevy mikropropagace

brambor řepka somatickaacute hybridizace

hraacutech brambor rezistence k chorobaacutem

traacutevy embryokultury

Kombinace metod embryokultury oplozeniacute in vitro fuacuteze protoplastů

plodiny se geneticky upravujiacute pro většiacute rezistenci k herbicidům - ničeniacute plevele bez poškozeniacute uacuterody GM rajčata potlačujiacute gen pro polygalakturonaacutezu enzym degradujiacuteciacute pektin způsobujiacuteciacute měknutiacute pletiv (Deacon a kol 2002)

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK

Meristeacutemoveacute kultury

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny meristeacutemoveacute kultury

Vyacutehody maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky naacuteslednaacute mikropropagace ozdraveneacuteho materiaacutelu bdquovirus - freeldquo

Vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana Iniciace kultury Testovaacuteniacute in vitro Přenos do nesterilniacutech podmiacutenek Testovaacuteniacute

MERISTEacuteM ndash děliveacute nediferencovaneacute pletivo ozdravovaacuteniacute rostlin (02 - 05 mm) meristeacutemy

OZDRAVOVAacuteNIacute Termoterapie (vyššiacute teplota)

Meristeacutemovaacute kultura Chemoterapie (antivirotika)

viry - nebuněčneacute mikroorganismy virovaacute čaacutestice = virion sklaacutedaacute se z RNA nebo DNA a kapsidu

fytopatologie in vitro

ribavirin

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny

Vyacuteznamneacute viroveacute choroby rostlin v ČR od 30 ztraacutet CaMV - 1968 PVY 30 -70 VMCH (virus mozaiky chmele) až o 70 mozaika česneku 25 - 50 žloutenka cibule až 100 bronzovitost rajčat

- žloutnutiacute listů kroužky a čaacutery na listech nevyvinuteacute rostliny abnormaacutelniacute růst - vstupujiacute různyacutemi poraněniacutemi - šiacuteřiacute se plasmodesmaty - velmi odolneacute proti inaktivaci - přenaacutešeny semeny hliacutezami pylem roubovaacuteniacutem hmyzem houbami červy

1952 Morel a Martin u jiřin

Využitiacute metody jahodniacutek česnek zeleniny květiny okrasneacute dřeviny ovocneacute dřeviny banaacutenovniacutek hellip

Tvorba bezviroacutezniacutech rostlin

1 meristeacutem = 1 rostlina testovaacuteniacute

wwwoselczindexphpclanek=2819

viroacutezniacute x zdravaacute

M Navraacutetil KBBPřFUPOL

PVY

In vitro klonovaacuteniacute mikropropagace meristeacutemoveacute kultury

zisk geneticky identickeacute rostliny vegetativniacutem množeniacutem

VYacuteHODY

maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny ktereacute jsou geneticky stabilniacute

v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky

vyššiacute množitelskyacute koeficient - potenciaacutelniacute hodnota zisku rostlin

Postup - vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana - iniciace kultury - mikropropagace - přenos do nesterilniacutech podmiacutenek

KLON - kolekce geneticky identickyacutech individuiacute původem z jedineacuteho rodiče

komerčně od 1960

httpwwwjanholubcz

In vitro meristeacutemoveacute kultury - využitiacute - zaacutechrana a množeniacute ohroženyacutech druhů kaktusy

- zaacutechranneacute množeniacute cennyacutech genotypů a liniiacute sterilniacutech rostlin - udrženiacute rodičovskyacutech komponent pro tvorbu hybridniacutech odrůd

- množeniacute transgenniacutech rostlin

- zachyceniacute a klonovaacuteniacute nově nalezenyacutech mutantů při šlechtěniacute

- klonovaacuteniacute nejlepšiacutech jedinců pro produkci elitniacuteho osiva

- vegetativniacute množeniacute okrasnyacutech rostlin karafiaacutet gerbera anthurie orchideje

sanpaulie kapradiny hellip

- množeniacute drobneacuteho ovoce jahodniacutek maliniacutek reacuteva

- množeniacute dřevin podnože pro školkařstviacute lesniacute dřeviny tropickeacute dřeviny

- v zelinaacuteřstviacute množeniacute brambor zeliacute

- množeniacute pouze samičiacutech rostlin datlovaacute palma

- kryoprezervace (-196 oC) jahodniacutek maliniacutek hraacutech brambor karafiaacutet

Genoveacute

banky

Mikropropagace multiplikace klonovaacuteniacute nejen z meristeacutemů

Solanum tuberosum Cucumis sativus Olea europea Eucalyptus grandis Salix sp Syringa sp Juglans regia

Schopnost regenerace tvorba identickyacutech rostlin = přiacutemaacute somatickaacute embryogeneze

Meristeacutemy Pryacutetoveacute segmenty Kalusy Embrya

Zdroje odchylek bull vysokeacute daacutevky růstovyacutech regulaacutetorů typ regulaacutetoru bull rostliny regenerujiacute z basaacutelniacuteho kalusu (možnost gen změn)

Kalusoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Primaacuterniacute explantaacutet kalus meristemoid orgaacutenoveacute primordium

Kalus = masa děliacuteciacutech se a rostouciacutech buněk

nejsou uniformniacute mohou se lišit velikostiacute tvarem pigmentaciacute metabolismem nebo počtem chromosomů

bull za určityacutech podmiacutenek regenerace pryacutetů a kořiacutenků

tma x světlo

subkultivace

metoda geneticky nestabilniacute

Kalusoveacute kultury - somaklonaacutelniacute variabilita ndash MUTACE a zisk novyacutech znaků

- mikropropagace ndash cibule žen-šen hellip

- vyacutechoziacute materiaacutel pro suspenzniacute a protoplastovou kulturu

- materiaacutel pro indukovaneacute mutace (zaacuteřeniacute chemomutageny)

- sekundaacuterniacute metabolity (alkaloidy AMK saponiny oleje složky vůniacute protinaacutedoroveacute laacutetky steroidy )

polyploidie aneuploidie

Selekce mutantů se zlepšenou nutričniacute hodnotou (viacutece biacutelkovin v zrnu)

Rezistence vůči zasoleniacute (vysokyacute turgor v buňkaacutech akumulace NaCl ve vakuolaacutech)

Rezistence vůči chorobaacutem (synteacuteza fytotoxinů fytoalexinů)

Sekundaacuterniacute metabolity (= chemickeacute individuality v rostlinaacutech ndash barviva vůně chuti obrana)

Artemisia annua - artemisin (antimalarika) Capsicum sp - capsaicin (protinaacutedoroveacute)

Digitalis lanata - digoxin (srdečniacute stimulanty) Papaver somniferum - codein (sedativa)

Taxus breviola - taxol (protinaacutedoroveacute) Vanilla planifolia - vaniliacuten (aroma)

Panax ginseng - (imunitniacute systeacutem) Zingiber officinale ndash gingerol (antioxidant)

Somatickaacute embryogeneze a suspenzniacute kultury

Využitiacute

umělaacute semena (enkapsulace somatickyacutech embryiacute)

využitiacute somatickeacute variability

klonoveacute množeniacute

sekundaacuterniacute metabolismus (suspenze)

kryoprezervace

Buněčnaacute suspenze = převedeme kalus do tekuteacuteho meacutedia

a provzdušňujeme (kontakt buněk a shluků buněk s meacutediem)

vznikaacute bipolaacuterniacute struktura obsahujiacuteciacute kořen a pryacutet

auxin (24-D)

umělaacute semena

Mutace RADIOMUTANT PROSPĚCH NEBO ZAacuteLUDNOST

SPONTAacuteNNIacute MUTACE využiacutevaacute člověk při šlechtěniacute odrůd spur typy (kompakt typy) jabloniacute absence trnů u ostružiniacuteku variabilita květenstviacute jiřinky proměnliveacute vznik plemen domaacuteciacutech zviacuteřat je založen na podchyceniacute spontaacutenniacutech mutaciacute ndash plemena psů

INDUKOVANEacute MUTACE působeniacute mutagenů

zaacuteměrneacute ndash ve vyacutezkumu ve šlechtěniacute rostlin (př odrůdy ječmene DIAMANT (zkraacuteceniacute steacutebel ndash nepoleacutehaacute) kompaktniacute růst a samosprašnost třešně změna barvy slupky u jabloně ndash sbquoredlsquo mutace)

nezaacuteměrneacute ndash důsledek použitiacute jadernyacutech a chemickyacutech zbraniacute ndash Yperit jaderneacute a jineacute katastrofy

1950 radiomutace chemomutace 1965 ječmen Diamant

Suspenzniacute kultury - SK KULTURA V TEKUTEacuteM MEacuteDIU ROSTE A DĚLIacute SE NĚKOLIKANAacuteSOBNĚ RYCHLEJI NEŽ KULTURA

NA PEVNEacuteM MEacuteDIU Využitiacute jako experimentaacutelniacute model produkce sekundaacuterniacutech metabolitů indukce somaklonaacutelniacute variability a naacutesledneacute selekce mikropropagace (pod kontrolou genetickeacute stability) pohyb kultury v bioreaktoru maacute za naacutesledek potlačeniacute apikaacutelniacute dominance tiacutem se stimuluje růst mnohonaacutesobnyacutech pryacutetů

Bioreaktory firmy VitroSys Inc Korea

ideaacutelniacute SK ndash rychlyacute růst karyologickaacute stabilita životnost buněk rentabilita

Minimaacutelně 103 ml buněk 110 suspenze v exponenciaacutelniacute faacutezi se doplniacute čerstvyacutem meacutediem Koncentrace sacharidů prodlužuje periodu růstu

Velkokapacitniacute kultivace rostlinnyacutech buněk v tekutyacutech meacutediiacutech sterilniacute prostřediacute obsahujiacuteciacute živiny a laacutetky potřebneacute pro růst a jeho regulaci vhodneacute pro kultivaci rostlinnyacutech mikrobiaacutelniacutech a živočišnyacutech buněk

Bioreaktor

Bioreaktory s tekutyacutem meacutediem explantaacutety jsou ponořeny v tekuteacutem meacutediu Bioreaktory s pravidelnyacutem zaplavovaacuteniacutem (temporary immersion bioreactor TIB) explantaacutety jsou pravidelně zaplavovaacuteny

Bioreaktor

httpwwwuebcasczcscontentzensenove-spagety

pěstujiacute se jen kořeny - zisk GINSENOSIDŮ za 3 měsiacutece v laboratoři stejnyacute zisk jako z rostlin ženšenu v přiacuterodě za 8 let obsah GINSENOSIDŮ je srovnatelnyacute s planě rostouciacutemi rostlinami množstviacutem i vzaacutejemnyacutem poměrem jednotlivyacutech laacutetek

v Koreji od r 2004

hairy-root systeacutem a sekundaacuterniacute metabolity

Sekundaacuterniacute metabolity - SM ROSTLINA BUNĚČNAacute KULTURA

EXTRAKT prověřovaacuteniacute oddělovaacuteniacute čištěniacute aktivniacute složky testovaacuteniacuteprověřovaacuteniacute

ČISTAacute BIOAKTIVNIacute LAacuteTKA

SM z buněčneacute kultury - extrakty ziacuteskaneacute za reprodukovatelnyacutech podmiacutenek spolehliveacute zdroje meacutedium - množstviacute čisteacuteho produktu

buňky rostou v tekuteacutem meacutediu -ne celaacute rostlina

produkt rostlina in vitro ()

rostlina ()

poměr

ginsenoside Panax ginseng 27 45 6 x

rosmarinic acid Coleus blumei 27 3 9 x

caffeic acid Vanilla planifolia 002 0005 4 x

shikonin Lithospermum erythrorhizon

20 15 135 x

ubiquinon-10 Nicotiana tabacum 0036 0003 12 x Heldman et al 2011

anti

oxy

dan

ty v sušině

bioreaktory

Sekundaacuterniacute metabolity - SM Rostlina Uacutečinnaacute laacutetka Uacutečinek

Artemisia annua pelyněk ročniacute artemisinin antimalarikum

Digitalis lanata naacuteprstniacutek vlnatyacute digoxin srdečniacute stimulants

Dubosia myoporoides lilkoviteacute atropin

scopolamin

očniacute přiacutepravky mořskaacute nemoc

Lithospermum

erythrorhizon

kamejka

rudokořennaacute

shikonin protinaacutedoroveacute

Panax ginseng ženšen pravyacute stimulant imunitniacuteho systeacutemu

Salix alba vrba biacutelaacute salicin antirevmatikum proti horečce

Taxus brevifolia tis

zaacutepadoamerickyacute

baccatin taxol protinaacutedoroveacute

Vinca rosea barviacutenek růžovyacute vinblastin

vinkristin

protinaacutedoroveacute alkaloidy

leukeacutemie

buněčnaacute kultura

Rostlina Extrakt Uacutečinek

Linum usitatissimum len setyacute olej

Mentha piperita maacuteta peprnaacute maacutetovyacute olej -

mentol

žaludečniacute potiacuteže

Mentha spicata maacuteta klasnataacute mentol žaludečniacute potiacuteže

Zingiber officinale zaacutezvor leacutekařskyacute gingerol antioxidant

informace z tradičniacute lidoveacute mediciacuteny - použitiacute extraktů a purifikace zdroje z nedotčeneacuteho ekosysteacutemu

kalusovaacute kultura buněčnaacute suspenze orgaacutenovaacute kultura - Artemisia Mentha - pryacutety

rostliny jsou vyacuterobci sekundaacuterniacutech metabolitů

cytostatikum

Sekundaacuterniacute metabolity - SM

Heldman et al 2011

VYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY

nezaacutevisleacute na geografickyacutech podmiacutenkaacutech

nezaacutevisleacute na sezoacutenniacutech podmiacutenkaacutech

v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

v přiacuterodě kontrolovaacuteno množstviacute in vitro ne

nepřetržitaacute dodaacutevka produktu

uniformniacute kvalita produktu

uniformniacute vyacutetěžnost produktu (průběžně)

vyacuteběr vhodneacute linie s vyššiacute produkciacute produktu

možnost tvorby novyacutech laacutetek nenormaacutelniacutech u donora

NEVYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY staacutele se vyviacutejejiacuteciacute

překaacutežky - pomalyacute růst

genetickaacute nestabilita

různorodost

niacutezkyacute obsah metabolitu

produkty vylučovaacuteniacute provozniacute - světelneacute podmiacutenky aseptickeacute podmiacutenky

STRATEGIE TVORBY SM vyacuteběr donorovyacutech rostlin - biochemickeacute testy

iniciace kalusů

vyacuteběr buněčneacute linie - rychle rostouciacute vysokaacute produkce

ciacutelenyacute metabolismus - kultivačniacute meacutedium (složeniacute koncentrace proporcionalita)

kultivačniacute podmiacutenky (teplota světlo pH) zvlaacuteštniacute požadavky (prekurzor simulace stresu - napadeniacute patogenem)

uvolněniacute do meacutedia

Embryokultury

Embryokultury = kultivace zralyacutech nebo nezralyacutech embryiacute in vitro

1904 Hannig - embrya u ředkve

1925 Laibach - aplikace v mezidruhoveacutem křiacuteženiacute r Linum sp

1945 Randolph - zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu u r Iris sp

1970 Kasha Kao - ziacuteskaacuteniacute haplodů u ječmene

Hordeum vulgare (zůstaacutevaacute) x Hordeum bulbosum (eliminace chromozoacutemů)

Zygotickaacute embrya vyacuteživa z endospermu (heterotrofniacute)

Embrya in vitro vyacuteživa z kultivačniacuteho meacutedia

In vitro oplodněniacute u člověka - 1978 pro neplodneacute paacutery

geneticky stabilniacute metoda

Embryokultury- in vitro

I Kultura semennyacutech embryiacute tj izolace plně vyvinutyacutech

bipolaacuterniacutech struktur obsahujiacuteciacutech kořenovyacute a stonkovyacute systeacutem

II Kultura proembryiacute tj izolace nezralyacutech zaacuterodků předchaacutezejiacuteciacutech

diferenciaci děloh

Embryogeneze zygotickeacuteho embrya (in vivo)

zygota (přiacuteprava na 1 děleniacute)

faacuteze pomaleacuteho vyacutevinu embrya po oplozeniacute

faacuteze rychleacuteho vyacutevinu růstu a diferenciace embrya

faacuteze dozraacutevaacuteniacute embrya

faacuteze přechodu embrya do dormance (ABA)

Embryokultury

1 překonaacuteniacute barieacuter vzdaacuteleneacuteho křiacuteženiacute (abortace hybridniacutech embryiacute sterility semen)

2 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu (viacutece generaciacute za rok)

3 řešeniacute jarovizačniacuteho staacutedia

4 primaacuterniacute explantaacutet pro dalšiacute kultury

5 eliminace inhibice kliacutečeniacute

6 studium mineraacutelniacute vyacuteživy

7 umělaacute semena

8 studium metabolickyacutech vztahů mezi embryem a endospermem embryem a dělohami

9 ziacuteskaacuteniacute haploidniacutech rostlin

Opylovaacuteniacute in vitro

Opylovaacuteniacute in situ

in vitro

Inkompatibilita rostlin

zaručuje stabilitu druhu

Barieacutery procesu opyleniacute a oplozeniacute

vnějšiacute (teplota vlhkost nedostatečnaacute vyacuteživa )

vnitřniacute (inkompatibilita samčiacute nebo samičiacute sterilita)

využitiacute v raacutemci šlechtěniacute rostlin k překonaacuteniacute prezygotickyacutech barieacuter vznik mezidruhovyacutech mezirodovyacutech hybridů

Barieacutery Technika překonaacuteniacute

Před oplodněniacutem selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute blizny pestiacuteku pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

rezistence vůči abiotickeacutemu stresu rezistence vůči škůdcům vyššiacute vyacutenos

přenos z jineacuteho druhu

EK využitiacute ve šlechtěniacute

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury HAPLOID rostlina s n počtem chromozomů menšiacute sterilniacute

1963 T Yamada a kol Tradescantia reflexa (haploidy)

1964 - 1966 S Guha SC Maheswari Datura diploidizace kolchicinem

1969 JP Nitsch a kol celeacute rostliny (tabaacutek)

1973 JP Nitsch Norrel mikrosporoveacute kultury

2000 šlechtitelskeacute programy polniacutech plodin (obiloviny řepka)

využiacutevajiacute haploidniacute kultury in vitro

Androgeneze prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Androgeneze - kultivace prašniacuteků pyl zrn mikrospor = samčiacute genotyp

Gynogeneze - kultivace neoplodněnyacutech vajiacuteček = samičiacute genotyp

Haploidie - spontaacutenniacute = haploidniacute partenogeneze (gynogeneze androgeneze) frekvence 10-6

- experimentaacutelniacute indukovanaacute

fyzikaacutelniacute faktory = UV γ-zaacuteřeniacute X-paprsky teplotniacute šoky

zaacutesahy do procesů opyleniacute a oplozeniacute (inaktivniacute pyl)

explantaacutetoveacute metody = prašniacutekoveacute a pyloveacute kultury kultivace semeniacuteků a vajiacuteček

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury Ontogeneze pylu

In vivo mikrosporogeneze

pylovaacute mateřskaacute buňka

meiosa

pyloveacute tetraacutedy

vyacutevoj mikrospory (1 pyl mitoacuteza)

In vitro vyacutevoj embryoidu

(vegetativniacute generativniacute buňka)

- přiacutemaacute embryogeneze

- nepřiacutemaacute embryogeneze

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

využitiacute haploidů (majiacute jen jednu sadu chromosomů)

segregace vloh na gametickeacute uacuterovni ndash homozygoacutetniacute stav (čisteacute linie v F2 generaci)

detekce recesivniacutech mutaciacute (fenotypickyacute projev)

trpasličiacute varieta ndash u okrasnyacutech rostlin

Dihaploidizace

n rostliny - sterilniacute

104 ndash 105 mikrospoacuterml meacutedia

Brassica sp

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Prašniacutekoveacute kultury

viacutece než 200 druhů (řepka ryacuteže kukuřice obiloviny)

20-60 dnů

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

vyacutevoj globulaacuterniacuteho embrya a naacutesledně haploidniacute rostliny přiacutemo z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory

z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory vznikaacute kalus rarr indukce organogeneze

TYPY ANDROGENEZE

vzaacutecně

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Solanaceae

Brassicaceae

Poaceae

prašniacuteky

Androgeneze

Indukovanaacute androgeneze ndash přiacuteklady

Beta vulgaris - homozygotniacute linie

Brassica napus - novaacute odrůda linie

Hordeum vulgare

Lycopersicon - novaacute odrůda

Nicotiana - noveacute odrůdy

Oryza - noveacute odrůdy

Pelargonium - trpasličiacute variety

Triticum ndash cv Florin Huapei

Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby Praha Vyacutezkumnyacute uacutestav obilnaacuteřskyacute Kroměřiacutež Vyacutezkumnyacute uacutestav olejnin Oseva

Gynogeneze kultury izolovanyacutech vajiacuteček

kultury izolovanyacutech semeniacuteků

kultury izolovanyacutech květenstviacute in vitro

haploidniacute rostliny

spontaacutenniacute dihaploidniacute rostliny

ječmen kukuřice moruše

slunečnice cibule

kultivace vajiacuteček Beta vulgaris Tomaszewska-Sowa 2010

327 haploids 458 diploids and 215 ndash mixoploids

x opyleniacute ozaacuteřenyacutem pylem

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

Polyploidizace in vitro

duplikace celeacuteho genomu až 70 všech krytosemennyacutech rostlin je polyploidniacutech (Masterson 1994) POLYPLOID metabolicky aktivnějšiacute a rozměrnějšiacute plodiny ktereacute jsou vhodneacute pro pěstovaacuteniacute a leacutepe se vyrovnaacutevajiacute se stresovyacutemi podmiacutenkami

kolchicin

oryzalin

trifluralin

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze protoplastů

1892 Klecker - 1 mechanickaacute izolace protoplastů Stratiotes aloides (řezan pilolistyacute) 1960 EC Cocking 1 enzymatickaacute izolace protoplastů Nicotiana sp 1978 G Melchers a kol 1 mezirodovyacute hybrid bdquopomatoldquo bdquotopatoldquo Solanum tuberosum x S lycopersicum (Lycopersicum esculentum)

httptheplanetfixerorg387new-vegetable-created-the-tomato-potato-plant

Protoplastoveacute kultury

= kultivace rostlinnyacutech buněk zbavenyacutech buněčneacute stěny

Protoplast = rostlinnaacute buňka bez buněčneacute stěny jejiacute povrch tvořiacute cytoplazmatickaacute membraacutena maacute kulovityacute tvar

Protoplastoveacute kultury - regenerace

Faktory ovlivňujiacuteciacute kultivaci a regeneraci

Hustota ( počet protoplastů v 1 ml)

Životnost ()

Podmiacutenky kultivace a meacutedium

bull Studium synteacutezy buněčneacute stěny vyacutevoj buňky fyziologie buňky a cytogenetiku

bull Studium hodnoceniacute uacutečinků farmak potravinovyacutech doplňků agrochemickyacutech laacutetek na rostlinnou

buňku

bull Studium transportu iontů a laacutetek přes cytoplasmatickou membraacutenu

bull Somatickaacute hybridizace (fuacuteze protoplastů)

bull Inkorporace exogenniacuteho genetickeacuteho materiaacutelu ndash organel cybridizace

bull Genoveacute transformace (cizorodaacute DNA z bakteriaacutelniacuteho plasmidu)

Protoplastoveacute kultury - fuacuteze

Využitiacute

kombinace znaků odlišnyacutech druhů a rodů ktereacute by nevznikly přirozenou cestou

jedinečneacute kombinace jadernyacutech a organelovyacutech genomů vytvaacuteřiacute noveacute genetickeacute zdroje

často jen - čaacutest chromozomů asymetrickeacute jaderneacute hybridy

chloroplasty

mitochondrie

chemickeacute fuacuteze - pomalejšiacute elektrofuacuteze - fuacutezanti po 10 min vyššiacute frekvence fuacutezantů

cytoplazmickeacute hybridy - cybridy

Charakterizace hybridů - morfologicky cytologicky molekulaacuterniacute analyacutezy

Přirozenaacute mezidruhovaacute hybridizace - vznik některyacutech kulturniacutech plodin

B oleracea + B campestris = Brassica napus Nicotiana sylvestris + N tomentosa = Nicotiana tabacum

cybridy nelze ziacuteskat klasickou hybridizaciacute (křiacuteženiacutem) ndash samčiacute pohlavniacute buňky (pyl zrna) nemajiacute plastidy a mitochondrie

V přiacuterodě blesky do půdy modifikace bakteriiacute

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

Přenos jaderneacute a cytoplazmatickeacute genetickeacute informace mezi rostlinnyacutemi druhy rody

- překonaacuteniacute sexuaacutelniacute inkompatibility

- přenos genů rezistence vůči virovyacutem houbovyacutem chorobaacutem

- přenos cytoplazmatickeacute samčiacute sterility

- přenos rezistence vůči stresům (teplotniacutem zasoleniacute)

- přenos rezistence vůči hmyziacutem škůdcům

(synteacuteza fytoalexinů)

- přenos genů pro synteacutezu zaacutesobniacutech proteinů vitamiacutenů

alkaloidů

plnokvětost

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

využitiacute pro fytoremediace

Brassica juncea Tlaspi caerulescens brukev siacutetinovitaacute peniacutezek modravyacute akumulace Pb akumulace Zn a Ni hybrid se zvyacutešenou rezistenciacute k Pb Zn a Ni rychlyacute naacuterůst

biomasy

Brassica napus Thlaspi caerulescens hybridi rostly na vysokeacutem obsahu Zn

Fuacuteze protoplastů rodu Brassica s planyacutemi druhy

Armoracia rusticana

Barbarea vulgaris

Camelina sativa

Capsella bursa pastoris

Diplotaxis catholica

Diplotaxis muralis

Diplotaxis harra

Eruca sativa

Lesquerella fendleri

Mathiola incana

Moricandia arvensis C4

Moricandia nitens C4

Raphanus sativus

Sinapis alba

Sinapis arvensis

Thlaspi perfoliatum

Thlaspi caerulescens

Genoveacute banky In vitro genoveacute banky

2397 vzorků 1249 odrůd Solanum tuberosum 450 teraploidniacutech křiacuteženců S tuberosum 266 dihaploidů 119 mezidruhovyacutech hybridů rodu Solanum 313 genotypů kulturniacutech genotypů 23 planyacutech druhů

Havliacutečkův Brod

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu rostlin

1 Uchovaacutevaacuteniacute semen ndash semenneacute banky (od 1 roku - hellip)

2 Uchovaacutevaacuteniacute vegetativniacutech orgaacutenů ndash hliacutezy cibule řiacutezky

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro Kraacutetkodobeacute - aktivně rostouciacute kultury (pravidelneacute pasaacuteže) - uchovaacuteniacute kultur v minimaacutelniacutem růstu nižšiacute teploty kultivace

Dlouhodobeacute u rostlin kde nejsou semena

- za velmi niacutezkyacutech teplot (-196oC) = kryobanka

Databaacuteze ndash přiacutestupneacute z celeacuteho světa

Špicberky

genobanka - wwwvurvcz part databases EVIGEZ

vyacuteznam v mediciacuteně

Zaacuteložniacute fond semena potravinaacuteřskyacutech plodin z celeacuteho světa

stane se zaacuteložniacutem fondem pro ostatniacutech 1400

semennyacutech bank po celeacutem světě

v Iraacuteku a v Afghaacutenistaacutenu byla podobnaacute zařiacutezeniacute za

vaacutelky zcela zničena

na Filipiacutenaacutech je v roce 2006 poškodila povodeň

semennaacute banka pro světoveacute plodiny je umiacutestěna v hoře

maacute vyztuženeacute stěny betonem a železem

třiacute komory o velikosti 27 kraacutet 10 metrů

teplota minus 18 oC (konzervace po stovky až tisiacutece let) httpwwwnorambczarkivBasisartikler---OversettelserIkke-

bruktnovinkyseedvault_eng

k 1172010 zde bylo uloženo 716 523 vzorků semen patřiacuteciacutech ke 4 205 druhům

českaacute banka uloženaacute v Praze-Ruzyni zaacuteloha na Slovensku

Špicberky

Uchovaacutevaacuteniacute genofonduv ČR

genofond odrůd meruněk broskvoniacute mandloniacute reacutevy vinneacute kdouloniacute lonicer rakytniacuteků a dřiacutenů

2400 položek

25 000 položek

5400 položek 2397

položek

4700 položek

2000 položek

2300 položek

Naacuterodniacute informačniacute systeacutem genetickyacutech zdrojů EVIGEZ httpwwwgenbankvurvczgeneticresources

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro

KRYOBANKA

prašniacuteky a pyl pletiva a orgaacuteny meristeacutemy

kalus

suspennzniacute somatickaacute kultury embrya

dlouhodobeacute skladovaacuteniacute

nižšiacute naacuteroky na uchovaacuteniacute

mezinaacuterodniacute vyacuteměna

nižšiacute podiacutel lidskeacute praacutece

potřeba menšiacuteho prostoru

uchovaacuteniacute genetickeacute stability

omezeniacute staacuternutiacute

ozdravenyacute materiaacutel

prodlouženeacute použitiacute pylu

uchovaacuteniacute vzaacutecnyacutech rostlin

apikaacutelniacute vrcholy

Biotechnologickaacute laboratoř Nestleacute - uchovaacutevaacute buněčneacute embryogenniacute linie kaacutevy kakaa a banaacutenů

Německaacute sbiacuterka mikroorganismů a buněčnyacutech kultur (DSMZ Braunschweig Německo) meristeacutemy 519 staryacutech kultivarů brambor ndash metoda mrazeniacute alginaacutetovyacutech perel

International Potato Centre (CIP Lima Peru) - 345 kultivarů brambor

INIBAP Leuven Belgie - 306 kultivarů banaacutenu (14 ze světoveacuteho počtu kultivarů)

Naacuterodniacute genobanka klonů NCGR USA - ročniacute naacuteklady

udržovaacuteniacute jedneacute položky v sadu (hrušně) 77 dolarů na skladovaacuteniacute in vitro 23 dolarů na kryoprezervaci 1 dolar (při počaacutetečniacute investici na kryometodu 50 dolarů za uchovaacutevanou jednotku)

Přiacuteklady komerčniacuteho využitiacute kryoprezervace meristeacutemů

Aplikace biotechnologiiacute ve šlechtěniacute rostlin

rostliny postraacutedajiacute schopnost aktivně se přesouvat z dosahu nepřiacuteznivyacutech vlivů rostliny vyvinuly adaptačniacute mechanismy pro překonaacuteniacute stresů a tiacutem přežitiacute v extreacutemniacutech podmiacutenkaacutech

Biotechnologie v zemědělstviacute ekologickeacute zemědělstviacute

VLIV ŠKŮDCŮ CHOROB A PLEVELŮ NA ZEMĚDĚLSKEacute PLODINY

1 sniacuteženiacute velikosti a vaacutehy zrna 2 ztraacuteta ve velikosti hliacutez a kořenů 3 zvyacutešeniacute obsahu vlhkosti 4 změny v chemickeacutem složeniacute zrna hliacutez a kořenů 5 odbarveniacute zrna a hliacutez - deformace 6 tvorba mykotoxinů patogeny 7 sniacuteženiacute kliacutečivosti 8 redukce krmiva

spotřeba vody - rezistence k suchu sniacutežiacute spotřebu uchovaacuteniacute vody rostlinou aplikace hnojiv chemickaacute kontrola škůdců

- studium abiotickeacuteho stresu

- zlepšeniacute ochrany rostlin vůči škůdcům

- ochrana životniacuteho prostřediacute

- zlepšeniacute kvality potravin

odstraněniacute hladu GMO fytoremediace

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

ohroženiacute klimatickyacutem suchem v ČR ndash nejrizikovějšiacute oblasti nižšiacute polohy na jižniacute a středniacute Moravě v prostoru mezi Prahou Uacutestiacutem nad Labem a Žatcem zaacutepadně od Pardubic

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

Rezistence k suchu - využitiacute vody

Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

vyacutevoj samčiacuteho gametofytu - spojen s expresiacute genů - 150 specifickyacutech genů spraacutevneacute načasovaacuteniacute

sporofyt gametofyt

2n 1n

rostlina pylovaacute zrnazaacuterodečnyacute vak

pohlavniacute rozmnožovaacuteniacute přiacuterodniacute vyacuteběr

pylzrna - exina (ovlivněna sporofytem) ochrana před UV laacutekaacuteniacute opylovačů - barva vůně komunikace s bliznou produkce alergenů

strategie rostlin zabraacuteněniacute samoopyleniacute

Biotechnologie v zemědělstviacute samčiacute gametofyt n TETRASPORE (TES) reg gen je vyžadovaacuten ke tvorbě přepaacutežek mezi produkty meioacutezy u mutanta všechna čtyři jaacutedra mikrospoacutery zůstaacutevajiacute ve stejneacute cytoplazmě polyploidniacute jedinci n GEMINI POLLEN 1 (GEM1) reg gen je vyžadovaacuten k orientaci mitotickeacuteho vřeteacutenka mutant tvořiacute dvě symetrickaacute jaacutedra typu vegetativniacuteho vede ke sterilitě n SIDECAR POLLEN (SCP) reg gen je vyžadovaacuten k děleniacute pylu prvniacute symetrickaacute pylovaacute mitoacuteza mutanta daacutevaacute dvě stejneacute buňky jedna extra- vegetativniacute (sterilniacute sidecar) a druhaacute regvegetativniacute a generativniacute mutace nevede ke sterilitě n QUARTET (QRT) reg gen je vyžadovaacuten k separaci pylovyacutech zrn u mutantů jsou stěny meiotickyacutech produktů pyloveacute mateřskeacute buňky fuacutezovaacuteny a zrna se uvolňujiacute v tetraacutedaacutech

samičiacute makrogametofyt n FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED (FIS) a FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) reg geny hrajiacute regulačniacute role ve vyacutevinu semene po oplozeniacute u mutantů se diploidniacute jaacutedra endospermu vyviacutejejiacute bez oplozeniacute pak atrofujiacute mutace neovlivňujiacute vaječnou buňku - procesy embryogeneze a vyacutevinu endospermu jsou odlišneacute n MEDEA (MEA) reg mutace genu způsobuje hypertrofii a zaacutenik embrya neniacute jasneacute na jakeacute uacuterovni se gen projevuje zaacuterodečnyacute vak endosperm nebo maternaacutelně imprintovanyacute embryonaacutelniacute gen

Biotechnologie ve šlechtěniacute rostlin Selektivniacute šlechtěniacute rostlin - přiacuterodniacute genetickeacute diverzity rostlin Techniky překonaacuteniacute barieacuter šlechtěniacute

Barieacutery Technika překonaacuteniacute Před oplodněniacutem

selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute pestiacuteku

pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony

pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro

selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů

odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute

abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry

sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

vyacutevoj semen

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

Škůdci v historii naacutelety sarančat (Staryacute zaacutekon)

ochrana saze tabaacutek

začaacutetek 19 stol - siacutera na houboveacute patogeny 1939 objev DDT uacutečinek na hmyz teorie bdquohmyz se může staacutet rezistentniacuteldquo 1948 Nobelova cena P Muumlller

50 leacuteta 20 st - herbicidy - postřiky na plevele ( rezistence na herbicid) 1972 zaacutekaz DDT (vyacutejimka - boj s malaacuteriiacute v Africe - naacutevrat DDT)

škůdce - hmyz hliacutestice 1861 - v Americe Iowa Nebraska 1880 1 pesticid v S Americe arzeacutenem bdquoParis greenldquo

S rostouciacute intenzitou pěstovaacuteniacute roste hospodaacuteřskyacute vyacuteznam škodlivyacutech organismů objem škod se zvyšuje staacutele přibyacutevajiacute noveacute druhy škodlivyacutech organismů zavaacutedějiacute se staacutele noveacute prostředky

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin - hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy

1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho

obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

ROS Reactive oxygen species reaktivniacute formy kysliacuteku SAR Systemic acquired resistance systeacutemově ziacuteskanaacute rezistence = neinfikovaneacute buňky začiacutenajiacute s přiacutepravou na atak patogena

napadeneacute rostliny uvolňujiacute signaacutelniacute molekuly (těkaveacute laacutetky - druhově specifickeacute) a varujiacute okolniacute rostliny ještě před napadeniacutem hmyzem

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin -hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy 1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

produkujiacute u různyacutech rostlin různě - sekundaacuterniacute metabolity - odstrašeniacute nebo zničeniacute patogena - proteiny inhibujiacuteciacute aktivitu zažiacutevaciacutech enzymů hmyzu - enzymy degradujiacuteciacute buněčnou stěnu hub (chitinaacutezy) - proteiny inhibujiacuteciacute překlad proteinů u škůdce - antiviroveacute složky degradujiacuteciacute virovou RNA blokujiacute vstup do buňky zastavujiacute replikaci

geny ktereacute bdquoSARldquo zapiacutenajiacute zvyšujiacute rezistenci rostliny

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům - již v čaacutesti fytotatologie

Co je plevel soutěžiacute s plodinou o živiny světlo a prostor intenziacutevně roste podiacuteliacute se na šiacuteřeniacute chorob a škůdců

lat herba - rostlina řeč cidoacute - ničiacutem

Vznik rezistence plevelů vůči některyacutem herbicidniacutem laacutetkaacutem = reakce plevelnyacutech druhů na podmiacutenky současneacuteho pěstovaacuteniacute rostlin = dlouhodobeacute působeniacute herbicidů

Vyacutevoj plevelů na zemědělskeacute půdě v naacutevaznosti na skladbu pěstovanyacutech plodin Vznik rezistence plevelů vůči herbicidům Problematika invaziacute a expanziacute plevelů

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům

Rezistenci vůči herbicidům způsobujiacute biochemickeacute fyziologickeacute změny nebo morfologickeacute odlišnosti ktereacute ovlivňujiacute přiacutejem herbicidů rostlinou

- degradujiacute herbicid

- měniacute jeho biochemickou funkci v rostlině

- pozměňujiacute miacutesto na ktereacute herbicid v rostlině působiacute

Rezistence rostlin vůči herbicidům dědičnaacute schopnost odolaacutevat takoveacute daacutevce herbicidů při ktereacute by za normaacutelniacutech okolnostiacute byla populace potlačena

směr pro šlechtěniacute

Aplikace rostlinnyacutech biotechnologiiacute v životniacutem

prostřediacute

takto nebo takto

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Těžba a zpracovaacuteniacute surovin(těžkeacute kovy- Cd Pb prach) Průmyslovaacute vyacuteroba (barviva)

Skladovaacuteniacute (haldy kaliště sklaacutedky) Zemědělstviacute (pesticidy herbicidy)

Domaacuteciacute odpad (leacutečiva detergenty praciacute prostředky)

čin

no

st č

lově

ka

půda voda ovzdušiacute

znečištěniacute

degradace organismy produkujiacuteciacute laacutetky (enzymy) pro

ciacutelenyacute rozklad

organismy snižujiacuteciacute toxicitu toxickeacute laacutetky metylaciacute dehalogenace hydroxylace hydrolyacuteza deaminacehellip

substraacutet je zdrojem C a energie

dekontaminace

+ katastrofy Černobyl vaacutelečneacute konflikty

remediace = navraacuteceniacute k původniacutemu stavu

Biodegradace všechny přirozeneacute procesy ktereacute jsou uskutečňovaacuteny bakteriemi a jinyacutemi mikroorganizmy nebo vyššiacutemi organismy ktereacute vedou k destrukci organickyacutech molekul = organickyacute substraacutet je přeměňovaacuten až na CO2 Bioremediace (bakterie houby)

spočiacutevaacute v akceleraci přirozenyacutech biodegradačniacutech procesů nebo v ciacuteleneacute biodegradace - vede k ozdraveniacute kontaminovaneacuteho prostřediacute - detoxifikace měniacute se na netoxickeacute = neškodneacute laacutetky - aplikaciacute mikroorganismů

Fytoremediace (rostliny) niacutezkaacute cena

využitiacute rostlin k odstraněniacute toxickeacute zaacutetěže (těžkeacute kovy) řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny Zooremediace (zviacuteřata)

zpracovaacuteniacute odpadů pomociacute zviacuteřat bezobratliacute - perlorodky měkkyacuteši

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

nevyacutehody pomalaacute viacutece než 2 roky maleacute rozměry vhodnyacutech rostlin maacutelo druhů vhodnyacutech rostlin neniacute 100 probleacutem s rostlinnyacutem odpadem - potřeba zvlaacuteštniacutech sklaacutedek spadeneacute listiacute

- řiacutezeneacute spalovaacuteniacute

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacute len slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

vyacutehody mineralizace organickyacutech sloučenin niacutezkeacute naacuteklady pasiacutevniacute metoda bez transportu kontaminovaneacute půdy energie ze slunečniacuteho zaacuteřeniacute nepoškozuje okoliacute - sniacuteženiacute prašnosti

estetickyacute přiacutenos etickyacute uacutečinek (veřejnosti přijatelnyacute)

2005 cca 450 rostlinnyacutech druhů - tzv bdquohyperakumulaacutetoryldquo 100 x vyššiacute akumulace než u ostatniacutech rostlin

teorie vzniku - obrana vůči hmyzu - hmyz preferuje

niacutezkeacute koncentrace kovu

Thlaspi careulescens

X bagrovaacuteniacute kontaminovaneacute zeminy transport zeminy dekontaminace

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute přiacutejem kořeny - z půdy přiacutejem nadzemniacute čaacutestiacute rostliny - vyacutefukoveacute plyny

akumuluje

degraduje

detoxifikuje

roste na kontaminovaneacute půdě

produkuje velkeacute množstviacute biomasy

tolerantniacute k salinitě a jinyacutem toxickyacutem podmiacutenkaacutem

poskytuje ekonomickeacute hodnoty - textilniacute vlaacutekna (len konopiacute)

GMO - gen fytovolatizace - bakteriaacutelniacute geny transformovaacuteny do rostlin transgeny merA a merB fytoextrakce - gen gsh1 a gsh2 z E coli do Brassica juncea

potenciaacutel je v GMO rostlinaacutech

Laboratoř rostlinnyacutech biotechnologiiacute Společnaacute laboratoř UacuteEB AV ČR vvi A VUacuteRV vvi Akademie věd Českeacute Republiky Mendelova univerzita v Brně Uacutestav experimentaacutelniacute botaniky AV ČR Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby v Praze Metoda použita na čištěniacute uranem a radiem znečištěneacute vody v Mydlovarech - kořenovaacute čistiacuterna

ideaacutelniacute rostlina

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

proces substraacutet ciacutel rostlina

fytoextrakce fytoakumulace

odstraněniacute toxickyacutech laacutetek z půdy a vody - akumulaciacute rychle rostouciacute rostlinou (zůstaacutevaacute v rostlině)

půda sedimenty kaly odpadniacute vody

toxickeacute kovy radionuklidy

Thlaspi sp Brassica sp

fytostabilizace ciacuteleneacute pěstovaacuteniacute tolerantniacutech druhů zamezeniacute eroziacute

půda haldy odkaliště těžkeacute kovy dlouheacute a bohateacute kořeny

fytovolatizace odstraněniacute Hg pomociacute genu koacutedujiacuteciacuteho reduktaacutezu Hg2+ na Hg0

a uvolněniacute do ovzdušiacute

půdy sedimenty odkaliště průmysloveacute a zemědělskeacute odpadniacute vody

kovy - Se Hg chlorovanaacute rozpouštědla

stromy traacutevy Brassica sp

fytodegradace degradace kontaminantů rostlinou na netoxickeacute laacutetky

půdy sedimenty odkaliště odpadniacute vody

ropneacute laacutetky pesticidy detergenty

stromy traacutevy

rhizofiltrace odstraněniacute pomociacute rostlinnyacutech kořenů

povrchoveacute vody odpadniacute vody

těžkeacute kovy - Co Cu Cr Mn Ni radionuklidy

Brassica sp Helianthus vodniacute rostliny hydroponie

superrostliny

niacutezkeacute naacuteklady

kořenovaacute čistička = umělyacute mokřad oddělenyacute od okoliacute nepropustnou foacuteliiacute využiacutevaacute samočisticiacutech procesů probiacutehajiacuteciacutech v propustneacutem půdniacutem prostřediacute za spoluuacutečasti rostlin čištěniacute odpadniacutech vod z domaacutecnostiacute sklaacutedek a některyacutech průmyslovyacutech provozů

Rhizofiltrace

httpwwwnemcoviceczcontentviewfull3607

rostliny s vysokyacutemi

naacuteroky na vyacuteživu

+

bakterie

může zapaacutechat

5x - 10 x nižšiacute naacuteklady

Člověk čistiacute odpadniacute vodu za pomoci zařiacutezeniacute

ale přiacuteroda to zvlaacutedaacute bez přiacutestrojů a mnohem levněji

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute niacutezkeacute naacuteklady

rostlina chemickaacute sloučenina

pšenice 24 -D MCPA jako zdroj uhliacuteku

kukuřice atrazin degradace atrazinu mikroorganismy rhizosfeacutery

fazole diazinon parathion mineralizace v rhizosfeacuteře

luštěniny nafta

Kučerovaacute et al 1999 Chemickeacute listy

přiacutejem - velikost kořenoveacuteho systeacutemu přiacutestupnost pro rostlinu např chelaacutety

transport rostlinou - apoplast (difuacuteziacute)

symplast (specifickeacute přenašeče)

miacutesto uskladněniacute hustota rostlin v porostu

zaacutevažnějšiacute ekologickyacute a toxikologickyacute vyacuteznam přibližně 16 prvků (Fe Mo Mn Zn NiCo Cu V W Cr Hg Pb Cd Sb Ag a U)

Budoucnost fytoremediaciacute niacutezkeacute naacuteklady

Fytoremediace v praxi

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Ural 1953 odstraněniacute těžkyacutech kovů

Amana Iowa hybridniacute topoly atrazin odstraněna čaacutest až 20

Beaverton Kreton

hybridniacute topoly

organickeacute laacutetky kovy

a amonneacute sloučeniny

celkoveacute vyčistěniacute oblasti

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Fukušima 113 2011 slunečnice radioaktivniacute cesium dekontaminace půdy

Černobyl 2641986 slunečnice jabloně

cesium stroncium dekontaminace půdy povrchoveacute vody

paacutes 30 km - likvidace radioaktivniacutech rostlin

nebudou spaacuteleny rozloženy a kompostovaacuteny - speciaacutelniacute bakterie

slunečnice spotřebovaacutevajiacute z půdy drasliacutek kteryacute patřiacute mezi alkalickeacute kovy stejně jako cesium drasliacutek neniacute v půdě přiacutetomen květiny využijiacute praacutevě druhyacute prvek - Cs

Biotechnologie v ŽP niacutezkeacute naacuteklady

fytomining - fytodobyacutevaacuteniacute fytodolovaacuteniacute

ziacuteskaacutevaacuteniacute kovů z rostlin kde klasickaacute těžba je nevyacutehodnaacute rostliny - bdquotěžaři vzaacutecnyacutech kovůldquo a polokovů AuTh Co U Cd Ni Cu Mn

v rostlinaacutech hyperakumulaacutetorech je akumulace prvku sušina rostliny jako -ldquobio-rudaldquo

vyacutehody

- obsah kovu v bdquobio-ruděldquo je vyššiacute než v běžneacute rudě

- meacuteně skladovatelneacuteho miacutesta

- zelenaacute technologie jako alternativa

fytomining Ni pomociacute Alyssum bertolonii

Robinson et al 1997 The nickel hyperaccumulator plant Alyssum bertolonii as a potential agent for phytoremediation and phytomining of

nickel Journal of Geochemical Exploration59(2)75-86

zlatonosneacute rostliny

zlataacute jablka

zlateacute kapradiacute

hledaacuteniacute nalezišť

technologie budoucnosti

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute bioplasty z biomasy (škroby tuky) nahrazujiacute fosilniacute zdroje vyacutehodou je biodegradace biopaliva rostlinnyacute materiaacutel a řasy bioethanol GMO rezistentniacute rostliny vůči postřikům hmyziacutem škůdcům transfer genů pro symbiotickou fixaci dusiacuteku z luštěnin do dalšiacutech plodin přenos genů z bdquoC4ldquo do bdquoC3ldquo rostlin pro dosaženiacute uacutečinnějšiacute fotosynteacutezy (ryacuteže)

Transgenoziacute se přenaacutešiacute přirozeneacute geny vznikleacute evoluciacute z jednoho organismu do druheacuteho kteryacute se s daacutercem genu obvykle

nemůže křiacutežit pouze dokaacuteže přenosy mezi vyacutevojově ještě vzdaacutelenějšiacutemi organismy

Geny použiacutevaneacute při transgenosi jsou braacuteny z přiacuterody např gen v soacuteji tolerujiacuteciacute glyfosaacutet - je z bakterie rodu Agrobacterium

Klasičtiacute šlechtiteleacute takto pracujiacute daacutevno např smiacutechali geny pšenice a žita

GMO

Transgenoze ndash vnaacutešeniacute znaacutemyacutech jednotlivyacutech genů do dědičneacuteho

zaacutekladu (poprveacute 1978)

Pro přenos - Agrobacterium tumefaciens A rhizogenes E coli

httpblogscassuffolkeduiglesias20140424gmos

GMO bez obalu httpwwwbezpecnostpotravinczUserFilespublikaceGMO_web_1pdf

GMO - transgenniacute rostliny CARTAGENSKYacute PROTOKOL o biologickeacute bezpečnosti 29 1 2000 Montreal (OSN ndash program pro životniacute prostřediacute UNEP) platnost 11 9 2003

ČR podepsala 24 52000 (gmovschtcz) nyniacute 160 staacutetů

opatřeniacute ve staacutetech ktereacute se připojiacute k projektu (dovoz vyacutevoz transport)

vzdělaacuteniacute odborniacuteků a informovaacuteniacute veřejnosti

vytvořeniacute noveacute legislativy GMO (wwwenvcz )

spolupraacutece při vyacuteměně zkušenostiacute

Svět 2010 - viacutece než 150 mil ha viacutece než 20 zemiacute

pro vegetačniacute čaacutesti

nebo plody

CIacuteL PROTOKOLU - zajistit ochranu a bezpečnost při zachaacutezeniacute využiacutevaacuteniacute a přenosu živyacutech modifikovanyacutech organismů ktereacute jsou vyacutesledkem moderniacutech biotechnologiiacute a ktereacute mohou miacutet nepřiacuteznivyacute vliv na zachovaacutevaacuteniacute biologickeacute rozmanitosti a zdraviacute člověka Protokol je zaměřen předevšiacutem na převoz GMO přes hranice staacutetů a maacute ochraňovat zejmeacutena staacutety kteryacutem dosud chybiacute vlastniacute vnitrostaacutetniacute praacutevniacute předpisy v oblasti GMO

GMO - transgenniacute rostliny historie

EVROPA

SRN - Max-Planck-Institut

Belgie - Universita Ghent

Švyacutecarsko- ETH Zurych

ČR - Biofyzikaacutelniacute uacutestav Brno (Agrobacterium jako vhodnyacute přenašeč genů)

ČR - UacuteEB ČSAV Českeacute Budějovice (metody modifikaciacute)

2010 1 transgenniacute hraacutech v Evropě (ČR Agritec Šumperk)

transgenniacute len - oleje

FYTOPATOLOGIE IN VITRO

Fytopatologie in vitro

in vitro selekce = kultivace buněk se selekčniacutem činitelem (fitraacutet inokulum toxin)

ndash přežiacutevajiacuteciacute buňky jsou regenerovaacuteny do rostlin resistentniacuteho fenotypu

Studium interakce rostlina x patogen v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

Druh Patogen Typ biologickeacuteho testu Ciacutel

Coffea arabica Colletotrichum kahawae růst houby na kalusech vyacuteběr rezistentniacutech genotypů

Vitis vinifera Elsinoe ampelina růst kalusu na meacutediu s patogenem testy rezistence

Lycopersicon aes Alternaria alternata testy na izollistech in vitro hodnoceniacute toxicity

Pinus taeda Cronartium quercuum embryokultury s houbami vyacuteběr rezistentniacutech embryiacute

Triticum aestivum Microdochium nivale listy semenaacutečky in vitro vyacuteběr rezistentniacutech kultivarů

ozdravovaacuteniacute rostlin

klonoveacute množeniacute rezistentniacutech taxonů

Page 18: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,

Budoucnost biotechnologiiacute v ČR bdquoBiotechnologie jsou celosvětově nejprogresivnějšiacutech oblast vyacutezkumu vyacutevoje a podnikaacuteniacuteldquo

produkce viacutena - 1 psanaacute zmiacutenka r 276 (na Paacutelavě řiacutemskeacute legie) produkce piva - 11 stoletiacute syacutery destilaacutety 14 stoletiacute 1356 - kraacutelovskyacute dekret o produkci viacutena v Českyacutech zemiacutech alchymie (Rudolf II) 1518 - založeniacute Paliacuterny U Zeleneacuteho stromu v Prostějově 1887 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu pivovarskeacuteho a sladařskeacuteho v Praze 1949 - průmyslovaacute produkce peniciliacutenu v Roztokaacutech u Prahy 1966 - založeniacute Vyacutezkumneacuteho uacutestavu antibiotik a transformaciacute (již neexistuje)

wwwbiotrincz wwwgate2biotechcz

AV ČR Univerzity Vyacutezkumneacute uacutestavy Šlechtitelskeacute stanice

kaacutemen mudrců elixiacuter mlaacutediacute přeměna hmoty

glukosa + kvasinky etanol + oxid uhličityacute přeměna cukrů na alkohol a CO2 za přiacutetomnosti kvasinek

Saccharomyces cerevisiae Saccharomyces carlsbergensis

Biotechnologie v ČR

18 prosince 2008 bylo založeno sdruženiacute CzechBio - asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR zspo 1 asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR spojuje třicet soukromyacutech biotechnologickyacutech společnostiacute a akademickyacutech uacutestavů podpora spolupraacutece komerčniacute sfeacutery s vědeckou httpwwwczechbioorgcs

projekt Algatech ndash Centrum řasovyacutech biotechnologiiacute vyacutevoj novyacutech kultivačniacute zařiacutezeniacute a postupů na zpracovaacuteniacute řasoveacute biomasy pro vyacuterobu biopaliv krmiv potravniacutech doplňků a cennyacutech laacutetek Mikrobiologickyacute uacutestav Akademie věd ČR Třeboň

Centrum regionu Hanaacute pro biotechnologickyacute a zemědělskyacute vyacutezkum

UPOL + VUacuteRV + UacuteEB AV ČR - vytvaacuteřeniacute zemědělskyacutech plodin s vyššiacutemi vyacutenosy toleranciacute vůči nepřiacuteznivyacutem vlivům vnějšiacuteho prostřediacute

- transformace rostlin ječmene a dalšiacutech obilnin

wwwcr-hanaeu

Biotechnologie v ČR

wwwalgaczcscs-algatechhtml

Českaacute technologickaacute platforma rostlinnyacutech biotechnologiiacute ndash rozvoj biotechnologiiacute v ČR = Rostliny pro budoucnost (ČTP RB) - nepotravinaacuteřskeacute využitiacute rostlin vedlejšiacutech produktů odpadů - vyacutevoj novyacutech odrůd kulturniacutech rostlin - uplatněniacute rostlinnyacutech biotechnologiiacute v raacutemci životniacuteho prostřediacute

httpwwwczechinvestorgceska-technologicka-platforma -rostlinnych-biotechnologii

selekce - vyacuteběr nejlepšiacutech rostlin křiacuteženiacute GMO

Přiacuteklad šlechtěniacute - novyacute typ ryacuteže - maleacute vzpřiacutemeneacute listoveacute čepele - hodně odnožiacute - žaacutedneacute neproduktivniacute odnože - silneacute steacuteblo - C3 ryacuteže na C4 ryacuteže

Rostlinneacute biotechnologie Co pěstujeme na poliacutech v zahradaacutech a v sadech a co naacutesledně jiacuteme prošlo za několik tisiacuteciletiacute proměnou Prvniacute změna - předkoveacute opustili životniacute styl lovců a sběračů a stali se pěstiteli zemědělskyacutech plodina a chovateli hospodaacuteřskyacutech zviacuteřat

zlataacute ryacuteže geny z 5 různyacutech druhů

- Phaseolus vulgaris pro ferritin - Aspergilus fumigatus - ferritin - ryacuteže Basmati - ferritin - Narcissus pseudonarcissus synteacuteza karotenu - Erwinia uredovora - synteacuteza karotenu

bdquozlataacute ryacuteželdquo tvořiacute zvyacutešeneacute množstviacute provitaminu A zabraacuteniacute hladu zachraacuteniacute zrak vznikla na požadavek humanitaacuterniacute organizace bdquoHumanitarien Rice Boardldquo kteraacute se snažiacute řešit probleacutemy s nedostatkem potravy v nejchudšiacutech čaacutestech našiacute planety

švyacutecarskyacute genetik Ingo Portykus a německyacute genetik Peter Bayer

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute

ekologickaacute udržitelnost kvantita a kvalita zaacutekladniacutech zdrojů zemědělstviacute ekonomickaacute udržitelnost zemědělskaacute produkce (uacuteroda na ha) a zisk cena za produkty sociaacutelniacute (společenskaacute) udržitelnost kvalita života zemědělců vysokaacute kvalita potravin bez rizika na zdraviacute a prostřediacute

Co je udržitelneacute zemědělstviacute Mohou biotechnologie pomaacutehat

snižovaacuteniacute kvality zaacutekladniacutech zdrojů vyčerpaacuteniacute zaacutekladniacutech zdrojů

Vyhliacutedky na budoucnost

naacuterůst počtu obyvatel

zvyacutešeniacute životniacuteho standardu

pokles plochy orneacute půdy

pokles pracovniacuteků v zemědělstviacute

naacuterůst cen potravin

Naacuterůst zemědělskeacute produkce s využitiacutem biotechnologiiacute

šlechtěniacute (rezistence k chorobaacutem)

noveacute plodiny

nutričniacute kvalita plodin

ochrana rostlin

bezpečnost produktů

hybnou silou biotechnologiiacute je naacuterůst obyvatel Kolik lidiacute by mělo žiacutet na planetě Zemi

Rostlinneacute biotechnologie

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute mutace s naacuteslednou selekciacute odchylek noveacute techniky EK ciacutelenyacute přenos genů

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

prvniacute zemědělci

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) BT prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute MUTACE s naacuteslednou selekciacute odchylek - odrůda ječmene bdquoDIAMANTldquo

noveacute TECHNIKY EK VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

ciacutelenyacute přenos genů GMO

CO BUDE DAacuteL zvyšovat vyacutenosy BUDE VĚTŠINA PĚSTOVANYacuteCH ZEMĚDĚLSKYacuteCH PLODIN TRANSGENNIacute

vznik zemědělstviacute

1954

jsme moudřejšiacute

maacuteme většiacute možnosti

Počaacutetek EK 1902 Gottlieb Haberland segmenty listů 1904 Hannig zralaacute embrya

Potenciaacutel rostlinneacute buňky a podstata

explantaacutetovyacutech kultur rostlin

metody a jejich aplikace

ve šlechtěniacute rostlin

EK - historie

TOTIPOTENCE rostlinneacute buňky genetickeacute informace - jaacutedro plastidy mitochondrie

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

daacute se přeneacutest v raacutemci šlechtěniacute

blok totipotence

vyjaacutedřeniacute totipotence 1 dediferenciace buňky do buněčneacuteho cyklu a pokračovaacuteniacute v děleniacute 2 rediferenciace - tvorba organickyacutech struktur - přiacutemaacute regenerace tvorba kalusu - nepřiacutemaacute regenerace

vliv růstovyacutech regulaacutetorů

Rostlinneacute biotechnologie prvniacute generace - od explantaacutetovyacutech kultur po GMO

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute rostlin - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

Explantaacutet = aseptickaacute kultivace izolovanyacutech čaacutestiacute rostlin za umělyacutech podmiacutenek

EXPLANTAacuteTOVEacute KULTURY - VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

EK - historie

Metody EK využitelneacute v zemědělstviacute Meristeacutemoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Somatickaacute embryogeneze

Embryokultury

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze + buněčneacute inženyacuterstviacute

Genetickeacute manipulace

VITRIFIKACE (hyperhydricita) ndash vyjadřuje abnormality růstu in vitro skelnatyacute syndrom vyacutehonů křehkeacute mokryacute vzhled pryacutetů (vodou nasycenyacutech) průsvitnyacute sukulentniacute vzhled

metody zachovaacutevajiacuteciacute genotyp beze změn během kultivace metody zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu během kultivace

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK 1 rychleacute namnoženiacute

2 ozdravovaacuteniacute

3 překonaacuteniacute nekřiacutežitelnosti - embryokultury

4 dlouhodobeacute udržovaacuteniacute genetickyacutech zdrojů

5 indukce mutantů - ziacuteskaacuteniacute novyacutech genotypů

6 předselekce - urychleniacute šlechtitelskeacuteho cyklu

7 ziacuteskaacuteniacute novyacutech a udrženiacute genotypů s pylovou sterilitou

8 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho procesu

9 produkce haploidů

10 produkce polyploidů

11 rychlejšiacute ziacuteskaacuteniacute vyacutechoziacuteho šlechtitelskeacuteho materiaacutelu pro noveacute odrůdy

12 somatickaacute hybridizace - fuacuteze

13 konstrukce novyacutech genotypů kulturniacutech plodin přenos bdquoužitečnyacutech genůldquo

14 udržovaacuteniacute genofondu

15 selekce in vitro - rezistence k abiotickyacutem a biotickyacutem stresům

16 produkce sekundaacuterniacutech metabolitů

Plodina Technika

ječmen pšenice kukuřice

řepka paprika brukvovitaacute

zelenina mrkev

androgeneze

cibule gynogeneze

jahodniacutek česnek ozdravovaacuteniacute

brambor traacutevy polyploidizace in vitro

jeteloviny drobneacute ovoce

ovocneacute dřeviny podnože traacutevy mikropropagace

brambor řepka somatickaacute hybridizace

hraacutech brambor rezistence k chorobaacutem

traacutevy embryokultury

Kombinace metod embryokultury oplozeniacute in vitro fuacuteze protoplastů

plodiny se geneticky upravujiacute pro většiacute rezistenci k herbicidům - ničeniacute plevele bez poškozeniacute uacuterody GM rajčata potlačujiacute gen pro polygalakturonaacutezu enzym degradujiacuteciacute pektin způsobujiacuteciacute měknutiacute pletiv (Deacon a kol 2002)

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK

Meristeacutemoveacute kultury

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny meristeacutemoveacute kultury

Vyacutehody maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky naacuteslednaacute mikropropagace ozdraveneacuteho materiaacutelu bdquovirus - freeldquo

Vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana Iniciace kultury Testovaacuteniacute in vitro Přenos do nesterilniacutech podmiacutenek Testovaacuteniacute

MERISTEacuteM ndash děliveacute nediferencovaneacute pletivo ozdravovaacuteniacute rostlin (02 - 05 mm) meristeacutemy

OZDRAVOVAacuteNIacute Termoterapie (vyššiacute teplota)

Meristeacutemovaacute kultura Chemoterapie (antivirotika)

viry - nebuněčneacute mikroorganismy virovaacute čaacutestice = virion sklaacutedaacute se z RNA nebo DNA a kapsidu

fytopatologie in vitro

ribavirin

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny

Vyacuteznamneacute viroveacute choroby rostlin v ČR od 30 ztraacutet CaMV - 1968 PVY 30 -70 VMCH (virus mozaiky chmele) až o 70 mozaika česneku 25 - 50 žloutenka cibule až 100 bronzovitost rajčat

- žloutnutiacute listů kroužky a čaacutery na listech nevyvinuteacute rostliny abnormaacutelniacute růst - vstupujiacute různyacutemi poraněniacutemi - šiacuteřiacute se plasmodesmaty - velmi odolneacute proti inaktivaci - přenaacutešeny semeny hliacutezami pylem roubovaacuteniacutem hmyzem houbami červy

1952 Morel a Martin u jiřin

Využitiacute metody jahodniacutek česnek zeleniny květiny okrasneacute dřeviny ovocneacute dřeviny banaacutenovniacutek hellip

Tvorba bezviroacutezniacutech rostlin

1 meristeacutem = 1 rostlina testovaacuteniacute

wwwoselczindexphpclanek=2819

viroacutezniacute x zdravaacute

M Navraacutetil KBBPřFUPOL

PVY

In vitro klonovaacuteniacute mikropropagace meristeacutemoveacute kultury

zisk geneticky identickeacute rostliny vegetativniacutem množeniacutem

VYacuteHODY

maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny ktereacute jsou geneticky stabilniacute

v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky

vyššiacute množitelskyacute koeficient - potenciaacutelniacute hodnota zisku rostlin

Postup - vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana - iniciace kultury - mikropropagace - přenos do nesterilniacutech podmiacutenek

KLON - kolekce geneticky identickyacutech individuiacute původem z jedineacuteho rodiče

komerčně od 1960

httpwwwjanholubcz

In vitro meristeacutemoveacute kultury - využitiacute - zaacutechrana a množeniacute ohroženyacutech druhů kaktusy

- zaacutechranneacute množeniacute cennyacutech genotypů a liniiacute sterilniacutech rostlin - udrženiacute rodičovskyacutech komponent pro tvorbu hybridniacutech odrůd

- množeniacute transgenniacutech rostlin

- zachyceniacute a klonovaacuteniacute nově nalezenyacutech mutantů při šlechtěniacute

- klonovaacuteniacute nejlepšiacutech jedinců pro produkci elitniacuteho osiva

- vegetativniacute množeniacute okrasnyacutech rostlin karafiaacutet gerbera anthurie orchideje

sanpaulie kapradiny hellip

- množeniacute drobneacuteho ovoce jahodniacutek maliniacutek reacuteva

- množeniacute dřevin podnože pro školkařstviacute lesniacute dřeviny tropickeacute dřeviny

- v zelinaacuteřstviacute množeniacute brambor zeliacute

- množeniacute pouze samičiacutech rostlin datlovaacute palma

- kryoprezervace (-196 oC) jahodniacutek maliniacutek hraacutech brambor karafiaacutet

Genoveacute

banky

Mikropropagace multiplikace klonovaacuteniacute nejen z meristeacutemů

Solanum tuberosum Cucumis sativus Olea europea Eucalyptus grandis Salix sp Syringa sp Juglans regia

Schopnost regenerace tvorba identickyacutech rostlin = přiacutemaacute somatickaacute embryogeneze

Meristeacutemy Pryacutetoveacute segmenty Kalusy Embrya

Zdroje odchylek bull vysokeacute daacutevky růstovyacutech regulaacutetorů typ regulaacutetoru bull rostliny regenerujiacute z basaacutelniacuteho kalusu (možnost gen změn)

Kalusoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Primaacuterniacute explantaacutet kalus meristemoid orgaacutenoveacute primordium

Kalus = masa děliacuteciacutech se a rostouciacutech buněk

nejsou uniformniacute mohou se lišit velikostiacute tvarem pigmentaciacute metabolismem nebo počtem chromosomů

bull za určityacutech podmiacutenek regenerace pryacutetů a kořiacutenků

tma x světlo

subkultivace

metoda geneticky nestabilniacute

Kalusoveacute kultury - somaklonaacutelniacute variabilita ndash MUTACE a zisk novyacutech znaků

- mikropropagace ndash cibule žen-šen hellip

- vyacutechoziacute materiaacutel pro suspenzniacute a protoplastovou kulturu

- materiaacutel pro indukovaneacute mutace (zaacuteřeniacute chemomutageny)

- sekundaacuterniacute metabolity (alkaloidy AMK saponiny oleje složky vůniacute protinaacutedoroveacute laacutetky steroidy )

polyploidie aneuploidie

Selekce mutantů se zlepšenou nutričniacute hodnotou (viacutece biacutelkovin v zrnu)

Rezistence vůči zasoleniacute (vysokyacute turgor v buňkaacutech akumulace NaCl ve vakuolaacutech)

Rezistence vůči chorobaacutem (synteacuteza fytotoxinů fytoalexinů)

Sekundaacuterniacute metabolity (= chemickeacute individuality v rostlinaacutech ndash barviva vůně chuti obrana)

Artemisia annua - artemisin (antimalarika) Capsicum sp - capsaicin (protinaacutedoroveacute)

Digitalis lanata - digoxin (srdečniacute stimulanty) Papaver somniferum - codein (sedativa)

Taxus breviola - taxol (protinaacutedoroveacute) Vanilla planifolia - vaniliacuten (aroma)

Panax ginseng - (imunitniacute systeacutem) Zingiber officinale ndash gingerol (antioxidant)

Somatickaacute embryogeneze a suspenzniacute kultury

Využitiacute

umělaacute semena (enkapsulace somatickyacutech embryiacute)

využitiacute somatickeacute variability

klonoveacute množeniacute

sekundaacuterniacute metabolismus (suspenze)

kryoprezervace

Buněčnaacute suspenze = převedeme kalus do tekuteacuteho meacutedia

a provzdušňujeme (kontakt buněk a shluků buněk s meacutediem)

vznikaacute bipolaacuterniacute struktura obsahujiacuteciacute kořen a pryacutet

auxin (24-D)

umělaacute semena

Mutace RADIOMUTANT PROSPĚCH NEBO ZAacuteLUDNOST

SPONTAacuteNNIacute MUTACE využiacutevaacute člověk při šlechtěniacute odrůd spur typy (kompakt typy) jabloniacute absence trnů u ostružiniacuteku variabilita květenstviacute jiřinky proměnliveacute vznik plemen domaacuteciacutech zviacuteřat je založen na podchyceniacute spontaacutenniacutech mutaciacute ndash plemena psů

INDUKOVANEacute MUTACE působeniacute mutagenů

zaacuteměrneacute ndash ve vyacutezkumu ve šlechtěniacute rostlin (př odrůdy ječmene DIAMANT (zkraacuteceniacute steacutebel ndash nepoleacutehaacute) kompaktniacute růst a samosprašnost třešně změna barvy slupky u jabloně ndash sbquoredlsquo mutace)

nezaacuteměrneacute ndash důsledek použitiacute jadernyacutech a chemickyacutech zbraniacute ndash Yperit jaderneacute a jineacute katastrofy

1950 radiomutace chemomutace 1965 ječmen Diamant

Suspenzniacute kultury - SK KULTURA V TEKUTEacuteM MEacuteDIU ROSTE A DĚLIacute SE NĚKOLIKANAacuteSOBNĚ RYCHLEJI NEŽ KULTURA

NA PEVNEacuteM MEacuteDIU Využitiacute jako experimentaacutelniacute model produkce sekundaacuterniacutech metabolitů indukce somaklonaacutelniacute variability a naacutesledneacute selekce mikropropagace (pod kontrolou genetickeacute stability) pohyb kultury v bioreaktoru maacute za naacutesledek potlačeniacute apikaacutelniacute dominance tiacutem se stimuluje růst mnohonaacutesobnyacutech pryacutetů

Bioreaktory firmy VitroSys Inc Korea

ideaacutelniacute SK ndash rychlyacute růst karyologickaacute stabilita životnost buněk rentabilita

Minimaacutelně 103 ml buněk 110 suspenze v exponenciaacutelniacute faacutezi se doplniacute čerstvyacutem meacutediem Koncentrace sacharidů prodlužuje periodu růstu

Velkokapacitniacute kultivace rostlinnyacutech buněk v tekutyacutech meacutediiacutech sterilniacute prostřediacute obsahujiacuteciacute živiny a laacutetky potřebneacute pro růst a jeho regulaci vhodneacute pro kultivaci rostlinnyacutech mikrobiaacutelniacutech a živočišnyacutech buněk

Bioreaktor

Bioreaktory s tekutyacutem meacutediem explantaacutety jsou ponořeny v tekuteacutem meacutediu Bioreaktory s pravidelnyacutem zaplavovaacuteniacutem (temporary immersion bioreactor TIB) explantaacutety jsou pravidelně zaplavovaacuteny

Bioreaktor

httpwwwuebcasczcscontentzensenove-spagety

pěstujiacute se jen kořeny - zisk GINSENOSIDŮ za 3 měsiacutece v laboratoři stejnyacute zisk jako z rostlin ženšenu v přiacuterodě za 8 let obsah GINSENOSIDŮ je srovnatelnyacute s planě rostouciacutemi rostlinami množstviacutem i vzaacutejemnyacutem poměrem jednotlivyacutech laacutetek

v Koreji od r 2004

hairy-root systeacutem a sekundaacuterniacute metabolity

Sekundaacuterniacute metabolity - SM ROSTLINA BUNĚČNAacute KULTURA

EXTRAKT prověřovaacuteniacute oddělovaacuteniacute čištěniacute aktivniacute složky testovaacuteniacuteprověřovaacuteniacute

ČISTAacute BIOAKTIVNIacute LAacuteTKA

SM z buněčneacute kultury - extrakty ziacuteskaneacute za reprodukovatelnyacutech podmiacutenek spolehliveacute zdroje meacutedium - množstviacute čisteacuteho produktu

buňky rostou v tekuteacutem meacutediu -ne celaacute rostlina

produkt rostlina in vitro ()

rostlina ()

poměr

ginsenoside Panax ginseng 27 45 6 x

rosmarinic acid Coleus blumei 27 3 9 x

caffeic acid Vanilla planifolia 002 0005 4 x

shikonin Lithospermum erythrorhizon

20 15 135 x

ubiquinon-10 Nicotiana tabacum 0036 0003 12 x Heldman et al 2011

anti

oxy

dan

ty v sušině

bioreaktory

Sekundaacuterniacute metabolity - SM Rostlina Uacutečinnaacute laacutetka Uacutečinek

Artemisia annua pelyněk ročniacute artemisinin antimalarikum

Digitalis lanata naacuteprstniacutek vlnatyacute digoxin srdečniacute stimulants

Dubosia myoporoides lilkoviteacute atropin

scopolamin

očniacute přiacutepravky mořskaacute nemoc

Lithospermum

erythrorhizon

kamejka

rudokořennaacute

shikonin protinaacutedoroveacute

Panax ginseng ženšen pravyacute stimulant imunitniacuteho systeacutemu

Salix alba vrba biacutelaacute salicin antirevmatikum proti horečce

Taxus brevifolia tis

zaacutepadoamerickyacute

baccatin taxol protinaacutedoroveacute

Vinca rosea barviacutenek růžovyacute vinblastin

vinkristin

protinaacutedoroveacute alkaloidy

leukeacutemie

buněčnaacute kultura

Rostlina Extrakt Uacutečinek

Linum usitatissimum len setyacute olej

Mentha piperita maacuteta peprnaacute maacutetovyacute olej -

mentol

žaludečniacute potiacuteže

Mentha spicata maacuteta klasnataacute mentol žaludečniacute potiacuteže

Zingiber officinale zaacutezvor leacutekařskyacute gingerol antioxidant

informace z tradičniacute lidoveacute mediciacuteny - použitiacute extraktů a purifikace zdroje z nedotčeneacuteho ekosysteacutemu

kalusovaacute kultura buněčnaacute suspenze orgaacutenovaacute kultura - Artemisia Mentha - pryacutety

rostliny jsou vyacuterobci sekundaacuterniacutech metabolitů

cytostatikum

Sekundaacuterniacute metabolity - SM

Heldman et al 2011

VYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY

nezaacutevisleacute na geografickyacutech podmiacutenkaacutech

nezaacutevisleacute na sezoacutenniacutech podmiacutenkaacutech

v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

v přiacuterodě kontrolovaacuteno množstviacute in vitro ne

nepřetržitaacute dodaacutevka produktu

uniformniacute kvalita produktu

uniformniacute vyacutetěžnost produktu (průběžně)

vyacuteběr vhodneacute linie s vyššiacute produkciacute produktu

možnost tvorby novyacutech laacutetek nenormaacutelniacutech u donora

NEVYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY staacutele se vyviacutejejiacuteciacute

překaacutežky - pomalyacute růst

genetickaacute nestabilita

různorodost

niacutezkyacute obsah metabolitu

produkty vylučovaacuteniacute provozniacute - světelneacute podmiacutenky aseptickeacute podmiacutenky

STRATEGIE TVORBY SM vyacuteběr donorovyacutech rostlin - biochemickeacute testy

iniciace kalusů

vyacuteběr buněčneacute linie - rychle rostouciacute vysokaacute produkce

ciacutelenyacute metabolismus - kultivačniacute meacutedium (složeniacute koncentrace proporcionalita)

kultivačniacute podmiacutenky (teplota světlo pH) zvlaacuteštniacute požadavky (prekurzor simulace stresu - napadeniacute patogenem)

uvolněniacute do meacutedia

Embryokultury

Embryokultury = kultivace zralyacutech nebo nezralyacutech embryiacute in vitro

1904 Hannig - embrya u ředkve

1925 Laibach - aplikace v mezidruhoveacutem křiacuteženiacute r Linum sp

1945 Randolph - zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu u r Iris sp

1970 Kasha Kao - ziacuteskaacuteniacute haplodů u ječmene

Hordeum vulgare (zůstaacutevaacute) x Hordeum bulbosum (eliminace chromozoacutemů)

Zygotickaacute embrya vyacuteživa z endospermu (heterotrofniacute)

Embrya in vitro vyacuteživa z kultivačniacuteho meacutedia

In vitro oplodněniacute u člověka - 1978 pro neplodneacute paacutery

geneticky stabilniacute metoda

Embryokultury- in vitro

I Kultura semennyacutech embryiacute tj izolace plně vyvinutyacutech

bipolaacuterniacutech struktur obsahujiacuteciacutech kořenovyacute a stonkovyacute systeacutem

II Kultura proembryiacute tj izolace nezralyacutech zaacuterodků předchaacutezejiacuteciacutech

diferenciaci děloh

Embryogeneze zygotickeacuteho embrya (in vivo)

zygota (přiacuteprava na 1 děleniacute)

faacuteze pomaleacuteho vyacutevinu embrya po oplozeniacute

faacuteze rychleacuteho vyacutevinu růstu a diferenciace embrya

faacuteze dozraacutevaacuteniacute embrya

faacuteze přechodu embrya do dormance (ABA)

Embryokultury

1 překonaacuteniacute barieacuter vzdaacuteleneacuteho křiacuteženiacute (abortace hybridniacutech embryiacute sterility semen)

2 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu (viacutece generaciacute za rok)

3 řešeniacute jarovizačniacuteho staacutedia

4 primaacuterniacute explantaacutet pro dalšiacute kultury

5 eliminace inhibice kliacutečeniacute

6 studium mineraacutelniacute vyacuteživy

7 umělaacute semena

8 studium metabolickyacutech vztahů mezi embryem a endospermem embryem a dělohami

9 ziacuteskaacuteniacute haploidniacutech rostlin

Opylovaacuteniacute in vitro

Opylovaacuteniacute in situ

in vitro

Inkompatibilita rostlin

zaručuje stabilitu druhu

Barieacutery procesu opyleniacute a oplozeniacute

vnějšiacute (teplota vlhkost nedostatečnaacute vyacuteživa )

vnitřniacute (inkompatibilita samčiacute nebo samičiacute sterilita)

využitiacute v raacutemci šlechtěniacute rostlin k překonaacuteniacute prezygotickyacutech barieacuter vznik mezidruhovyacutech mezirodovyacutech hybridů

Barieacutery Technika překonaacuteniacute

Před oplodněniacutem selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute blizny pestiacuteku pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

rezistence vůči abiotickeacutemu stresu rezistence vůči škůdcům vyššiacute vyacutenos

přenos z jineacuteho druhu

EK využitiacute ve šlechtěniacute

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury HAPLOID rostlina s n počtem chromozomů menšiacute sterilniacute

1963 T Yamada a kol Tradescantia reflexa (haploidy)

1964 - 1966 S Guha SC Maheswari Datura diploidizace kolchicinem

1969 JP Nitsch a kol celeacute rostliny (tabaacutek)

1973 JP Nitsch Norrel mikrosporoveacute kultury

2000 šlechtitelskeacute programy polniacutech plodin (obiloviny řepka)

využiacutevajiacute haploidniacute kultury in vitro

Androgeneze prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Androgeneze - kultivace prašniacuteků pyl zrn mikrospor = samčiacute genotyp

Gynogeneze - kultivace neoplodněnyacutech vajiacuteček = samičiacute genotyp

Haploidie - spontaacutenniacute = haploidniacute partenogeneze (gynogeneze androgeneze) frekvence 10-6

- experimentaacutelniacute indukovanaacute

fyzikaacutelniacute faktory = UV γ-zaacuteřeniacute X-paprsky teplotniacute šoky

zaacutesahy do procesů opyleniacute a oplozeniacute (inaktivniacute pyl)

explantaacutetoveacute metody = prašniacutekoveacute a pyloveacute kultury kultivace semeniacuteků a vajiacuteček

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury Ontogeneze pylu

In vivo mikrosporogeneze

pylovaacute mateřskaacute buňka

meiosa

pyloveacute tetraacutedy

vyacutevoj mikrospory (1 pyl mitoacuteza)

In vitro vyacutevoj embryoidu

(vegetativniacute generativniacute buňka)

- přiacutemaacute embryogeneze

- nepřiacutemaacute embryogeneze

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

využitiacute haploidů (majiacute jen jednu sadu chromosomů)

segregace vloh na gametickeacute uacuterovni ndash homozygoacutetniacute stav (čisteacute linie v F2 generaci)

detekce recesivniacutech mutaciacute (fenotypickyacute projev)

trpasličiacute varieta ndash u okrasnyacutech rostlin

Dihaploidizace

n rostliny - sterilniacute

104 ndash 105 mikrospoacuterml meacutedia

Brassica sp

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Prašniacutekoveacute kultury

viacutece než 200 druhů (řepka ryacuteže kukuřice obiloviny)

20-60 dnů

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

vyacutevoj globulaacuterniacuteho embrya a naacutesledně haploidniacute rostliny přiacutemo z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory

z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory vznikaacute kalus rarr indukce organogeneze

TYPY ANDROGENEZE

vzaacutecně

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Solanaceae

Brassicaceae

Poaceae

prašniacuteky

Androgeneze

Indukovanaacute androgeneze ndash přiacuteklady

Beta vulgaris - homozygotniacute linie

Brassica napus - novaacute odrůda linie

Hordeum vulgare

Lycopersicon - novaacute odrůda

Nicotiana - noveacute odrůdy

Oryza - noveacute odrůdy

Pelargonium - trpasličiacute variety

Triticum ndash cv Florin Huapei

Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby Praha Vyacutezkumnyacute uacutestav obilnaacuteřskyacute Kroměřiacutež Vyacutezkumnyacute uacutestav olejnin Oseva

Gynogeneze kultury izolovanyacutech vajiacuteček

kultury izolovanyacutech semeniacuteků

kultury izolovanyacutech květenstviacute in vitro

haploidniacute rostliny

spontaacutenniacute dihaploidniacute rostliny

ječmen kukuřice moruše

slunečnice cibule

kultivace vajiacuteček Beta vulgaris Tomaszewska-Sowa 2010

327 haploids 458 diploids and 215 ndash mixoploids

x opyleniacute ozaacuteřenyacutem pylem

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

Polyploidizace in vitro

duplikace celeacuteho genomu až 70 všech krytosemennyacutech rostlin je polyploidniacutech (Masterson 1994) POLYPLOID metabolicky aktivnějšiacute a rozměrnějšiacute plodiny ktereacute jsou vhodneacute pro pěstovaacuteniacute a leacutepe se vyrovnaacutevajiacute se stresovyacutemi podmiacutenkami

kolchicin

oryzalin

trifluralin

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze protoplastů

1892 Klecker - 1 mechanickaacute izolace protoplastů Stratiotes aloides (řezan pilolistyacute) 1960 EC Cocking 1 enzymatickaacute izolace protoplastů Nicotiana sp 1978 G Melchers a kol 1 mezirodovyacute hybrid bdquopomatoldquo bdquotopatoldquo Solanum tuberosum x S lycopersicum (Lycopersicum esculentum)

httptheplanetfixerorg387new-vegetable-created-the-tomato-potato-plant

Protoplastoveacute kultury

= kultivace rostlinnyacutech buněk zbavenyacutech buněčneacute stěny

Protoplast = rostlinnaacute buňka bez buněčneacute stěny jejiacute povrch tvořiacute cytoplazmatickaacute membraacutena maacute kulovityacute tvar

Protoplastoveacute kultury - regenerace

Faktory ovlivňujiacuteciacute kultivaci a regeneraci

Hustota ( počet protoplastů v 1 ml)

Životnost ()

Podmiacutenky kultivace a meacutedium

bull Studium synteacutezy buněčneacute stěny vyacutevoj buňky fyziologie buňky a cytogenetiku

bull Studium hodnoceniacute uacutečinků farmak potravinovyacutech doplňků agrochemickyacutech laacutetek na rostlinnou

buňku

bull Studium transportu iontů a laacutetek přes cytoplasmatickou membraacutenu

bull Somatickaacute hybridizace (fuacuteze protoplastů)

bull Inkorporace exogenniacuteho genetickeacuteho materiaacutelu ndash organel cybridizace

bull Genoveacute transformace (cizorodaacute DNA z bakteriaacutelniacuteho plasmidu)

Protoplastoveacute kultury - fuacuteze

Využitiacute

kombinace znaků odlišnyacutech druhů a rodů ktereacute by nevznikly přirozenou cestou

jedinečneacute kombinace jadernyacutech a organelovyacutech genomů vytvaacuteřiacute noveacute genetickeacute zdroje

často jen - čaacutest chromozomů asymetrickeacute jaderneacute hybridy

chloroplasty

mitochondrie

chemickeacute fuacuteze - pomalejšiacute elektrofuacuteze - fuacutezanti po 10 min vyššiacute frekvence fuacutezantů

cytoplazmickeacute hybridy - cybridy

Charakterizace hybridů - morfologicky cytologicky molekulaacuterniacute analyacutezy

Přirozenaacute mezidruhovaacute hybridizace - vznik některyacutech kulturniacutech plodin

B oleracea + B campestris = Brassica napus Nicotiana sylvestris + N tomentosa = Nicotiana tabacum

cybridy nelze ziacuteskat klasickou hybridizaciacute (křiacuteženiacutem) ndash samčiacute pohlavniacute buňky (pyl zrna) nemajiacute plastidy a mitochondrie

V přiacuterodě blesky do půdy modifikace bakteriiacute

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

Přenos jaderneacute a cytoplazmatickeacute genetickeacute informace mezi rostlinnyacutemi druhy rody

- překonaacuteniacute sexuaacutelniacute inkompatibility

- přenos genů rezistence vůči virovyacutem houbovyacutem chorobaacutem

- přenos cytoplazmatickeacute samčiacute sterility

- přenos rezistence vůči stresům (teplotniacutem zasoleniacute)

- přenos rezistence vůči hmyziacutem škůdcům

(synteacuteza fytoalexinů)

- přenos genů pro synteacutezu zaacutesobniacutech proteinů vitamiacutenů

alkaloidů

plnokvětost

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

využitiacute pro fytoremediace

Brassica juncea Tlaspi caerulescens brukev siacutetinovitaacute peniacutezek modravyacute akumulace Pb akumulace Zn a Ni hybrid se zvyacutešenou rezistenciacute k Pb Zn a Ni rychlyacute naacuterůst

biomasy

Brassica napus Thlaspi caerulescens hybridi rostly na vysokeacutem obsahu Zn

Fuacuteze protoplastů rodu Brassica s planyacutemi druhy

Armoracia rusticana

Barbarea vulgaris

Camelina sativa

Capsella bursa pastoris

Diplotaxis catholica

Diplotaxis muralis

Diplotaxis harra

Eruca sativa

Lesquerella fendleri

Mathiola incana

Moricandia arvensis C4

Moricandia nitens C4

Raphanus sativus

Sinapis alba

Sinapis arvensis

Thlaspi perfoliatum

Thlaspi caerulescens

Genoveacute banky In vitro genoveacute banky

2397 vzorků 1249 odrůd Solanum tuberosum 450 teraploidniacutech křiacuteženců S tuberosum 266 dihaploidů 119 mezidruhovyacutech hybridů rodu Solanum 313 genotypů kulturniacutech genotypů 23 planyacutech druhů

Havliacutečkův Brod

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu rostlin

1 Uchovaacutevaacuteniacute semen ndash semenneacute banky (od 1 roku - hellip)

2 Uchovaacutevaacuteniacute vegetativniacutech orgaacutenů ndash hliacutezy cibule řiacutezky

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro Kraacutetkodobeacute - aktivně rostouciacute kultury (pravidelneacute pasaacuteže) - uchovaacuteniacute kultur v minimaacutelniacutem růstu nižšiacute teploty kultivace

Dlouhodobeacute u rostlin kde nejsou semena

- za velmi niacutezkyacutech teplot (-196oC) = kryobanka

Databaacuteze ndash přiacutestupneacute z celeacuteho světa

Špicberky

genobanka - wwwvurvcz part databases EVIGEZ

vyacuteznam v mediciacuteně

Zaacuteložniacute fond semena potravinaacuteřskyacutech plodin z celeacuteho světa

stane se zaacuteložniacutem fondem pro ostatniacutech 1400

semennyacutech bank po celeacutem světě

v Iraacuteku a v Afghaacutenistaacutenu byla podobnaacute zařiacutezeniacute za

vaacutelky zcela zničena

na Filipiacutenaacutech je v roce 2006 poškodila povodeň

semennaacute banka pro světoveacute plodiny je umiacutestěna v hoře

maacute vyztuženeacute stěny betonem a železem

třiacute komory o velikosti 27 kraacutet 10 metrů

teplota minus 18 oC (konzervace po stovky až tisiacutece let) httpwwwnorambczarkivBasisartikler---OversettelserIkke-

bruktnovinkyseedvault_eng

k 1172010 zde bylo uloženo 716 523 vzorků semen patřiacuteciacutech ke 4 205 druhům

českaacute banka uloženaacute v Praze-Ruzyni zaacuteloha na Slovensku

Špicberky

Uchovaacutevaacuteniacute genofonduv ČR

genofond odrůd meruněk broskvoniacute mandloniacute reacutevy vinneacute kdouloniacute lonicer rakytniacuteků a dřiacutenů

2400 položek

25 000 položek

5400 položek 2397

položek

4700 položek

2000 položek

2300 položek

Naacuterodniacute informačniacute systeacutem genetickyacutech zdrojů EVIGEZ httpwwwgenbankvurvczgeneticresources

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro

KRYOBANKA

prašniacuteky a pyl pletiva a orgaacuteny meristeacutemy

kalus

suspennzniacute somatickaacute kultury embrya

dlouhodobeacute skladovaacuteniacute

nižšiacute naacuteroky na uchovaacuteniacute

mezinaacuterodniacute vyacuteměna

nižšiacute podiacutel lidskeacute praacutece

potřeba menšiacuteho prostoru

uchovaacuteniacute genetickeacute stability

omezeniacute staacuternutiacute

ozdravenyacute materiaacutel

prodlouženeacute použitiacute pylu

uchovaacuteniacute vzaacutecnyacutech rostlin

apikaacutelniacute vrcholy

Biotechnologickaacute laboratoř Nestleacute - uchovaacutevaacute buněčneacute embryogenniacute linie kaacutevy kakaa a banaacutenů

Německaacute sbiacuterka mikroorganismů a buněčnyacutech kultur (DSMZ Braunschweig Německo) meristeacutemy 519 staryacutech kultivarů brambor ndash metoda mrazeniacute alginaacutetovyacutech perel

International Potato Centre (CIP Lima Peru) - 345 kultivarů brambor

INIBAP Leuven Belgie - 306 kultivarů banaacutenu (14 ze světoveacuteho počtu kultivarů)

Naacuterodniacute genobanka klonů NCGR USA - ročniacute naacuteklady

udržovaacuteniacute jedneacute položky v sadu (hrušně) 77 dolarů na skladovaacuteniacute in vitro 23 dolarů na kryoprezervaci 1 dolar (při počaacutetečniacute investici na kryometodu 50 dolarů za uchovaacutevanou jednotku)

Přiacuteklady komerčniacuteho využitiacute kryoprezervace meristeacutemů

Aplikace biotechnologiiacute ve šlechtěniacute rostlin

rostliny postraacutedajiacute schopnost aktivně se přesouvat z dosahu nepřiacuteznivyacutech vlivů rostliny vyvinuly adaptačniacute mechanismy pro překonaacuteniacute stresů a tiacutem přežitiacute v extreacutemniacutech podmiacutenkaacutech

Biotechnologie v zemědělstviacute ekologickeacute zemědělstviacute

VLIV ŠKŮDCŮ CHOROB A PLEVELŮ NA ZEMĚDĚLSKEacute PLODINY

1 sniacuteženiacute velikosti a vaacutehy zrna 2 ztraacuteta ve velikosti hliacutez a kořenů 3 zvyacutešeniacute obsahu vlhkosti 4 změny v chemickeacutem složeniacute zrna hliacutez a kořenů 5 odbarveniacute zrna a hliacutez - deformace 6 tvorba mykotoxinů patogeny 7 sniacuteženiacute kliacutečivosti 8 redukce krmiva

spotřeba vody - rezistence k suchu sniacutežiacute spotřebu uchovaacuteniacute vody rostlinou aplikace hnojiv chemickaacute kontrola škůdců

- studium abiotickeacuteho stresu

- zlepšeniacute ochrany rostlin vůči škůdcům

- ochrana životniacuteho prostřediacute

- zlepšeniacute kvality potravin

odstraněniacute hladu GMO fytoremediace

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

ohroženiacute klimatickyacutem suchem v ČR ndash nejrizikovějšiacute oblasti nižšiacute polohy na jižniacute a středniacute Moravě v prostoru mezi Prahou Uacutestiacutem nad Labem a Žatcem zaacutepadně od Pardubic

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

Rezistence k suchu - využitiacute vody

Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

vyacutevoj samčiacuteho gametofytu - spojen s expresiacute genů - 150 specifickyacutech genů spraacutevneacute načasovaacuteniacute

sporofyt gametofyt

2n 1n

rostlina pylovaacute zrnazaacuterodečnyacute vak

pohlavniacute rozmnožovaacuteniacute přiacuterodniacute vyacuteběr

pylzrna - exina (ovlivněna sporofytem) ochrana před UV laacutekaacuteniacute opylovačů - barva vůně komunikace s bliznou produkce alergenů

strategie rostlin zabraacuteněniacute samoopyleniacute

Biotechnologie v zemědělstviacute samčiacute gametofyt n TETRASPORE (TES) reg gen je vyžadovaacuten ke tvorbě přepaacutežek mezi produkty meioacutezy u mutanta všechna čtyři jaacutedra mikrospoacutery zůstaacutevajiacute ve stejneacute cytoplazmě polyploidniacute jedinci n GEMINI POLLEN 1 (GEM1) reg gen je vyžadovaacuten k orientaci mitotickeacuteho vřeteacutenka mutant tvořiacute dvě symetrickaacute jaacutedra typu vegetativniacuteho vede ke sterilitě n SIDECAR POLLEN (SCP) reg gen je vyžadovaacuten k děleniacute pylu prvniacute symetrickaacute pylovaacute mitoacuteza mutanta daacutevaacute dvě stejneacute buňky jedna extra- vegetativniacute (sterilniacute sidecar) a druhaacute regvegetativniacute a generativniacute mutace nevede ke sterilitě n QUARTET (QRT) reg gen je vyžadovaacuten k separaci pylovyacutech zrn u mutantů jsou stěny meiotickyacutech produktů pyloveacute mateřskeacute buňky fuacutezovaacuteny a zrna se uvolňujiacute v tetraacutedaacutech

samičiacute makrogametofyt n FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED (FIS) a FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) reg geny hrajiacute regulačniacute role ve vyacutevinu semene po oplozeniacute u mutantů se diploidniacute jaacutedra endospermu vyviacutejejiacute bez oplozeniacute pak atrofujiacute mutace neovlivňujiacute vaječnou buňku - procesy embryogeneze a vyacutevinu endospermu jsou odlišneacute n MEDEA (MEA) reg mutace genu způsobuje hypertrofii a zaacutenik embrya neniacute jasneacute na jakeacute uacuterovni se gen projevuje zaacuterodečnyacute vak endosperm nebo maternaacutelně imprintovanyacute embryonaacutelniacute gen

Biotechnologie ve šlechtěniacute rostlin Selektivniacute šlechtěniacute rostlin - přiacuterodniacute genetickeacute diverzity rostlin Techniky překonaacuteniacute barieacuter šlechtěniacute

Barieacutery Technika překonaacuteniacute Před oplodněniacutem

selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute pestiacuteku

pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony

pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro

selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů

odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute

abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry

sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

vyacutevoj semen

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

Škůdci v historii naacutelety sarančat (Staryacute zaacutekon)

ochrana saze tabaacutek

začaacutetek 19 stol - siacutera na houboveacute patogeny 1939 objev DDT uacutečinek na hmyz teorie bdquohmyz se může staacutet rezistentniacuteldquo 1948 Nobelova cena P Muumlller

50 leacuteta 20 st - herbicidy - postřiky na plevele ( rezistence na herbicid) 1972 zaacutekaz DDT (vyacutejimka - boj s malaacuteriiacute v Africe - naacutevrat DDT)

škůdce - hmyz hliacutestice 1861 - v Americe Iowa Nebraska 1880 1 pesticid v S Americe arzeacutenem bdquoParis greenldquo

S rostouciacute intenzitou pěstovaacuteniacute roste hospodaacuteřskyacute vyacuteznam škodlivyacutech organismů objem škod se zvyšuje staacutele přibyacutevajiacute noveacute druhy škodlivyacutech organismů zavaacutedějiacute se staacutele noveacute prostředky

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin - hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy

1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho

obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

ROS Reactive oxygen species reaktivniacute formy kysliacuteku SAR Systemic acquired resistance systeacutemově ziacuteskanaacute rezistence = neinfikovaneacute buňky začiacutenajiacute s přiacutepravou na atak patogena

napadeneacute rostliny uvolňujiacute signaacutelniacute molekuly (těkaveacute laacutetky - druhově specifickeacute) a varujiacute okolniacute rostliny ještě před napadeniacutem hmyzem

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin -hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy 1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

produkujiacute u různyacutech rostlin různě - sekundaacuterniacute metabolity - odstrašeniacute nebo zničeniacute patogena - proteiny inhibujiacuteciacute aktivitu zažiacutevaciacutech enzymů hmyzu - enzymy degradujiacuteciacute buněčnou stěnu hub (chitinaacutezy) - proteiny inhibujiacuteciacute překlad proteinů u škůdce - antiviroveacute složky degradujiacuteciacute virovou RNA blokujiacute vstup do buňky zastavujiacute replikaci

geny ktereacute bdquoSARldquo zapiacutenajiacute zvyšujiacute rezistenci rostliny

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům - již v čaacutesti fytotatologie

Co je plevel soutěžiacute s plodinou o živiny světlo a prostor intenziacutevně roste podiacuteliacute se na šiacuteřeniacute chorob a škůdců

lat herba - rostlina řeč cidoacute - ničiacutem

Vznik rezistence plevelů vůči některyacutem herbicidniacutem laacutetkaacutem = reakce plevelnyacutech druhů na podmiacutenky současneacuteho pěstovaacuteniacute rostlin = dlouhodobeacute působeniacute herbicidů

Vyacutevoj plevelů na zemědělskeacute půdě v naacutevaznosti na skladbu pěstovanyacutech plodin Vznik rezistence plevelů vůči herbicidům Problematika invaziacute a expanziacute plevelů

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům

Rezistenci vůči herbicidům způsobujiacute biochemickeacute fyziologickeacute změny nebo morfologickeacute odlišnosti ktereacute ovlivňujiacute přiacutejem herbicidů rostlinou

- degradujiacute herbicid

- měniacute jeho biochemickou funkci v rostlině

- pozměňujiacute miacutesto na ktereacute herbicid v rostlině působiacute

Rezistence rostlin vůči herbicidům dědičnaacute schopnost odolaacutevat takoveacute daacutevce herbicidů při ktereacute by za normaacutelniacutech okolnostiacute byla populace potlačena

směr pro šlechtěniacute

Aplikace rostlinnyacutech biotechnologiiacute v životniacutem

prostřediacute

takto nebo takto

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Těžba a zpracovaacuteniacute surovin(těžkeacute kovy- Cd Pb prach) Průmyslovaacute vyacuteroba (barviva)

Skladovaacuteniacute (haldy kaliště sklaacutedky) Zemědělstviacute (pesticidy herbicidy)

Domaacuteciacute odpad (leacutečiva detergenty praciacute prostředky)

čin

no

st č

lově

ka

půda voda ovzdušiacute

znečištěniacute

degradace organismy produkujiacuteciacute laacutetky (enzymy) pro

ciacutelenyacute rozklad

organismy snižujiacuteciacute toxicitu toxickeacute laacutetky metylaciacute dehalogenace hydroxylace hydrolyacuteza deaminacehellip

substraacutet je zdrojem C a energie

dekontaminace

+ katastrofy Černobyl vaacutelečneacute konflikty

remediace = navraacuteceniacute k původniacutemu stavu

Biodegradace všechny přirozeneacute procesy ktereacute jsou uskutečňovaacuteny bakteriemi a jinyacutemi mikroorganizmy nebo vyššiacutemi organismy ktereacute vedou k destrukci organickyacutech molekul = organickyacute substraacutet je přeměňovaacuten až na CO2 Bioremediace (bakterie houby)

spočiacutevaacute v akceleraci přirozenyacutech biodegradačniacutech procesů nebo v ciacuteleneacute biodegradace - vede k ozdraveniacute kontaminovaneacuteho prostřediacute - detoxifikace měniacute se na netoxickeacute = neškodneacute laacutetky - aplikaciacute mikroorganismů

Fytoremediace (rostliny) niacutezkaacute cena

využitiacute rostlin k odstraněniacute toxickeacute zaacutetěže (těžkeacute kovy) řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny Zooremediace (zviacuteřata)

zpracovaacuteniacute odpadů pomociacute zviacuteřat bezobratliacute - perlorodky měkkyacuteši

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

nevyacutehody pomalaacute viacutece než 2 roky maleacute rozměry vhodnyacutech rostlin maacutelo druhů vhodnyacutech rostlin neniacute 100 probleacutem s rostlinnyacutem odpadem - potřeba zvlaacuteštniacutech sklaacutedek spadeneacute listiacute

- řiacutezeneacute spalovaacuteniacute

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacute len slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

vyacutehody mineralizace organickyacutech sloučenin niacutezkeacute naacuteklady pasiacutevniacute metoda bez transportu kontaminovaneacute půdy energie ze slunečniacuteho zaacuteřeniacute nepoškozuje okoliacute - sniacuteženiacute prašnosti

estetickyacute přiacutenos etickyacute uacutečinek (veřejnosti přijatelnyacute)

2005 cca 450 rostlinnyacutech druhů - tzv bdquohyperakumulaacutetoryldquo 100 x vyššiacute akumulace než u ostatniacutech rostlin

teorie vzniku - obrana vůči hmyzu - hmyz preferuje

niacutezkeacute koncentrace kovu

Thlaspi careulescens

X bagrovaacuteniacute kontaminovaneacute zeminy transport zeminy dekontaminace

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute přiacutejem kořeny - z půdy přiacutejem nadzemniacute čaacutestiacute rostliny - vyacutefukoveacute plyny

akumuluje

degraduje

detoxifikuje

roste na kontaminovaneacute půdě

produkuje velkeacute množstviacute biomasy

tolerantniacute k salinitě a jinyacutem toxickyacutem podmiacutenkaacutem

poskytuje ekonomickeacute hodnoty - textilniacute vlaacutekna (len konopiacute)

GMO - gen fytovolatizace - bakteriaacutelniacute geny transformovaacuteny do rostlin transgeny merA a merB fytoextrakce - gen gsh1 a gsh2 z E coli do Brassica juncea

potenciaacutel je v GMO rostlinaacutech

Laboratoř rostlinnyacutech biotechnologiiacute Společnaacute laboratoř UacuteEB AV ČR vvi A VUacuteRV vvi Akademie věd Českeacute Republiky Mendelova univerzita v Brně Uacutestav experimentaacutelniacute botaniky AV ČR Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby v Praze Metoda použita na čištěniacute uranem a radiem znečištěneacute vody v Mydlovarech - kořenovaacute čistiacuterna

ideaacutelniacute rostlina

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

proces substraacutet ciacutel rostlina

fytoextrakce fytoakumulace

odstraněniacute toxickyacutech laacutetek z půdy a vody - akumulaciacute rychle rostouciacute rostlinou (zůstaacutevaacute v rostlině)

půda sedimenty kaly odpadniacute vody

toxickeacute kovy radionuklidy

Thlaspi sp Brassica sp

fytostabilizace ciacuteleneacute pěstovaacuteniacute tolerantniacutech druhů zamezeniacute eroziacute

půda haldy odkaliště těžkeacute kovy dlouheacute a bohateacute kořeny

fytovolatizace odstraněniacute Hg pomociacute genu koacutedujiacuteciacuteho reduktaacutezu Hg2+ na Hg0

a uvolněniacute do ovzdušiacute

půdy sedimenty odkaliště průmysloveacute a zemědělskeacute odpadniacute vody

kovy - Se Hg chlorovanaacute rozpouštědla

stromy traacutevy Brassica sp

fytodegradace degradace kontaminantů rostlinou na netoxickeacute laacutetky

půdy sedimenty odkaliště odpadniacute vody

ropneacute laacutetky pesticidy detergenty

stromy traacutevy

rhizofiltrace odstraněniacute pomociacute rostlinnyacutech kořenů

povrchoveacute vody odpadniacute vody

těžkeacute kovy - Co Cu Cr Mn Ni radionuklidy

Brassica sp Helianthus vodniacute rostliny hydroponie

superrostliny

niacutezkeacute naacuteklady

kořenovaacute čistička = umělyacute mokřad oddělenyacute od okoliacute nepropustnou foacuteliiacute využiacutevaacute samočisticiacutech procesů probiacutehajiacuteciacutech v propustneacutem půdniacutem prostřediacute za spoluuacutečasti rostlin čištěniacute odpadniacutech vod z domaacutecnostiacute sklaacutedek a některyacutech průmyslovyacutech provozů

Rhizofiltrace

httpwwwnemcoviceczcontentviewfull3607

rostliny s vysokyacutemi

naacuteroky na vyacuteživu

+

bakterie

může zapaacutechat

5x - 10 x nižšiacute naacuteklady

Člověk čistiacute odpadniacute vodu za pomoci zařiacutezeniacute

ale přiacuteroda to zvlaacutedaacute bez přiacutestrojů a mnohem levněji

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute niacutezkeacute naacuteklady

rostlina chemickaacute sloučenina

pšenice 24 -D MCPA jako zdroj uhliacuteku

kukuřice atrazin degradace atrazinu mikroorganismy rhizosfeacutery

fazole diazinon parathion mineralizace v rhizosfeacuteře

luštěniny nafta

Kučerovaacute et al 1999 Chemickeacute listy

přiacutejem - velikost kořenoveacuteho systeacutemu přiacutestupnost pro rostlinu např chelaacutety

transport rostlinou - apoplast (difuacuteziacute)

symplast (specifickeacute přenašeče)

miacutesto uskladněniacute hustota rostlin v porostu

zaacutevažnějšiacute ekologickyacute a toxikologickyacute vyacuteznam přibližně 16 prvků (Fe Mo Mn Zn NiCo Cu V W Cr Hg Pb Cd Sb Ag a U)

Budoucnost fytoremediaciacute niacutezkeacute naacuteklady

Fytoremediace v praxi

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Ural 1953 odstraněniacute těžkyacutech kovů

Amana Iowa hybridniacute topoly atrazin odstraněna čaacutest až 20

Beaverton Kreton

hybridniacute topoly

organickeacute laacutetky kovy

a amonneacute sloučeniny

celkoveacute vyčistěniacute oblasti

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Fukušima 113 2011 slunečnice radioaktivniacute cesium dekontaminace půdy

Černobyl 2641986 slunečnice jabloně

cesium stroncium dekontaminace půdy povrchoveacute vody

paacutes 30 km - likvidace radioaktivniacutech rostlin

nebudou spaacuteleny rozloženy a kompostovaacuteny - speciaacutelniacute bakterie

slunečnice spotřebovaacutevajiacute z půdy drasliacutek kteryacute patřiacute mezi alkalickeacute kovy stejně jako cesium drasliacutek neniacute v půdě přiacutetomen květiny využijiacute praacutevě druhyacute prvek - Cs

Biotechnologie v ŽP niacutezkeacute naacuteklady

fytomining - fytodobyacutevaacuteniacute fytodolovaacuteniacute

ziacuteskaacutevaacuteniacute kovů z rostlin kde klasickaacute těžba je nevyacutehodnaacute rostliny - bdquotěžaři vzaacutecnyacutech kovůldquo a polokovů AuTh Co U Cd Ni Cu Mn

v rostlinaacutech hyperakumulaacutetorech je akumulace prvku sušina rostliny jako -ldquobio-rudaldquo

vyacutehody

- obsah kovu v bdquobio-ruděldquo je vyššiacute než v běžneacute rudě

- meacuteně skladovatelneacuteho miacutesta

- zelenaacute technologie jako alternativa

fytomining Ni pomociacute Alyssum bertolonii

Robinson et al 1997 The nickel hyperaccumulator plant Alyssum bertolonii as a potential agent for phytoremediation and phytomining of

nickel Journal of Geochemical Exploration59(2)75-86

zlatonosneacute rostliny

zlataacute jablka

zlateacute kapradiacute

hledaacuteniacute nalezišť

technologie budoucnosti

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute bioplasty z biomasy (škroby tuky) nahrazujiacute fosilniacute zdroje vyacutehodou je biodegradace biopaliva rostlinnyacute materiaacutel a řasy bioethanol GMO rezistentniacute rostliny vůči postřikům hmyziacutem škůdcům transfer genů pro symbiotickou fixaci dusiacuteku z luštěnin do dalšiacutech plodin přenos genů z bdquoC4ldquo do bdquoC3ldquo rostlin pro dosaženiacute uacutečinnějšiacute fotosynteacutezy (ryacuteže)

Transgenoziacute se přenaacutešiacute přirozeneacute geny vznikleacute evoluciacute z jednoho organismu do druheacuteho kteryacute se s daacutercem genu obvykle

nemůže křiacutežit pouze dokaacuteže přenosy mezi vyacutevojově ještě vzdaacutelenějšiacutemi organismy

Geny použiacutevaneacute při transgenosi jsou braacuteny z přiacuterody např gen v soacuteji tolerujiacuteciacute glyfosaacutet - je z bakterie rodu Agrobacterium

Klasičtiacute šlechtiteleacute takto pracujiacute daacutevno např smiacutechali geny pšenice a žita

GMO

Transgenoze ndash vnaacutešeniacute znaacutemyacutech jednotlivyacutech genů do dědičneacuteho

zaacutekladu (poprveacute 1978)

Pro přenos - Agrobacterium tumefaciens A rhizogenes E coli

httpblogscassuffolkeduiglesias20140424gmos

GMO bez obalu httpwwwbezpecnostpotravinczUserFilespublikaceGMO_web_1pdf

GMO - transgenniacute rostliny CARTAGENSKYacute PROTOKOL o biologickeacute bezpečnosti 29 1 2000 Montreal (OSN ndash program pro životniacute prostřediacute UNEP) platnost 11 9 2003

ČR podepsala 24 52000 (gmovschtcz) nyniacute 160 staacutetů

opatřeniacute ve staacutetech ktereacute se připojiacute k projektu (dovoz vyacutevoz transport)

vzdělaacuteniacute odborniacuteků a informovaacuteniacute veřejnosti

vytvořeniacute noveacute legislativy GMO (wwwenvcz )

spolupraacutece při vyacuteměně zkušenostiacute

Svět 2010 - viacutece než 150 mil ha viacutece než 20 zemiacute

pro vegetačniacute čaacutesti

nebo plody

CIacuteL PROTOKOLU - zajistit ochranu a bezpečnost při zachaacutezeniacute využiacutevaacuteniacute a přenosu živyacutech modifikovanyacutech organismů ktereacute jsou vyacutesledkem moderniacutech biotechnologiiacute a ktereacute mohou miacutet nepřiacuteznivyacute vliv na zachovaacutevaacuteniacute biologickeacute rozmanitosti a zdraviacute člověka Protokol je zaměřen předevšiacutem na převoz GMO přes hranice staacutetů a maacute ochraňovat zejmeacutena staacutety kteryacutem dosud chybiacute vlastniacute vnitrostaacutetniacute praacutevniacute předpisy v oblasti GMO

GMO - transgenniacute rostliny historie

EVROPA

SRN - Max-Planck-Institut

Belgie - Universita Ghent

Švyacutecarsko- ETH Zurych

ČR - Biofyzikaacutelniacute uacutestav Brno (Agrobacterium jako vhodnyacute přenašeč genů)

ČR - UacuteEB ČSAV Českeacute Budějovice (metody modifikaciacute)

2010 1 transgenniacute hraacutech v Evropě (ČR Agritec Šumperk)

transgenniacute len - oleje

FYTOPATOLOGIE IN VITRO

Fytopatologie in vitro

in vitro selekce = kultivace buněk se selekčniacutem činitelem (fitraacutet inokulum toxin)

ndash přežiacutevajiacuteciacute buňky jsou regenerovaacuteny do rostlin resistentniacuteho fenotypu

Studium interakce rostlina x patogen v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

Druh Patogen Typ biologickeacuteho testu Ciacutel

Coffea arabica Colletotrichum kahawae růst houby na kalusech vyacuteběr rezistentniacutech genotypů

Vitis vinifera Elsinoe ampelina růst kalusu na meacutediu s patogenem testy rezistence

Lycopersicon aes Alternaria alternata testy na izollistech in vitro hodnoceniacute toxicity

Pinus taeda Cronartium quercuum embryokultury s houbami vyacuteběr rezistentniacutech embryiacute

Triticum aestivum Microdochium nivale listy semenaacutečky in vitro vyacuteběr rezistentniacutech kultivarů

ozdravovaacuteniacute rostlin

klonoveacute množeniacute rezistentniacutech taxonů

Page 19: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,

18 prosince 2008 bylo založeno sdruženiacute CzechBio - asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR zspo 1 asociace biotechnologickyacutech společnostiacute ČR spojuje třicet soukromyacutech biotechnologickyacutech společnostiacute a akademickyacutech uacutestavů podpora spolupraacutece komerčniacute sfeacutery s vědeckou httpwwwczechbioorgcs

projekt Algatech ndash Centrum řasovyacutech biotechnologiiacute vyacutevoj novyacutech kultivačniacute zařiacutezeniacute a postupů na zpracovaacuteniacute řasoveacute biomasy pro vyacuterobu biopaliv krmiv potravniacutech doplňků a cennyacutech laacutetek Mikrobiologickyacute uacutestav Akademie věd ČR Třeboň

Centrum regionu Hanaacute pro biotechnologickyacute a zemědělskyacute vyacutezkum

UPOL + VUacuteRV + UacuteEB AV ČR - vytvaacuteřeniacute zemědělskyacutech plodin s vyššiacutemi vyacutenosy toleranciacute vůči nepřiacuteznivyacutem vlivům vnějšiacuteho prostřediacute

- transformace rostlin ječmene a dalšiacutech obilnin

wwwcr-hanaeu

Biotechnologie v ČR

wwwalgaczcscs-algatechhtml

Českaacute technologickaacute platforma rostlinnyacutech biotechnologiiacute ndash rozvoj biotechnologiiacute v ČR = Rostliny pro budoucnost (ČTP RB) - nepotravinaacuteřskeacute využitiacute rostlin vedlejšiacutech produktů odpadů - vyacutevoj novyacutech odrůd kulturniacutech rostlin - uplatněniacute rostlinnyacutech biotechnologiiacute v raacutemci životniacuteho prostřediacute

httpwwwczechinvestorgceska-technologicka-platforma -rostlinnych-biotechnologii

selekce - vyacuteběr nejlepšiacutech rostlin křiacuteženiacute GMO

Přiacuteklad šlechtěniacute - novyacute typ ryacuteže - maleacute vzpřiacutemeneacute listoveacute čepele - hodně odnožiacute - žaacutedneacute neproduktivniacute odnože - silneacute steacuteblo - C3 ryacuteže na C4 ryacuteže

Rostlinneacute biotechnologie Co pěstujeme na poliacutech v zahradaacutech a v sadech a co naacutesledně jiacuteme prošlo za několik tisiacuteciletiacute proměnou Prvniacute změna - předkoveacute opustili životniacute styl lovců a sběračů a stali se pěstiteli zemědělskyacutech plodina a chovateli hospodaacuteřskyacutech zviacuteřat

zlataacute ryacuteže geny z 5 různyacutech druhů

- Phaseolus vulgaris pro ferritin - Aspergilus fumigatus - ferritin - ryacuteže Basmati - ferritin - Narcissus pseudonarcissus synteacuteza karotenu - Erwinia uredovora - synteacuteza karotenu

bdquozlataacute ryacuteželdquo tvořiacute zvyacutešeneacute množstviacute provitaminu A zabraacuteniacute hladu zachraacuteniacute zrak vznikla na požadavek humanitaacuterniacute organizace bdquoHumanitarien Rice Boardldquo kteraacute se snažiacute řešit probleacutemy s nedostatkem potravy v nejchudšiacutech čaacutestech našiacute planety

švyacutecarskyacute genetik Ingo Portykus a německyacute genetik Peter Bayer

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute

ekologickaacute udržitelnost kvantita a kvalita zaacutekladniacutech zdrojů zemědělstviacute ekonomickaacute udržitelnost zemědělskaacute produkce (uacuteroda na ha) a zisk cena za produkty sociaacutelniacute (společenskaacute) udržitelnost kvalita života zemědělců vysokaacute kvalita potravin bez rizika na zdraviacute a prostřediacute

Co je udržitelneacute zemědělstviacute Mohou biotechnologie pomaacutehat

snižovaacuteniacute kvality zaacutekladniacutech zdrojů vyčerpaacuteniacute zaacutekladniacutech zdrojů

Vyhliacutedky na budoucnost

naacuterůst počtu obyvatel

zvyacutešeniacute životniacuteho standardu

pokles plochy orneacute půdy

pokles pracovniacuteků v zemědělstviacute

naacuterůst cen potravin

Naacuterůst zemědělskeacute produkce s využitiacutem biotechnologiiacute

šlechtěniacute (rezistence k chorobaacutem)

noveacute plodiny

nutričniacute kvalita plodin

ochrana rostlin

bezpečnost produktů

hybnou silou biotechnologiiacute je naacuterůst obyvatel Kolik lidiacute by mělo žiacutet na planetě Zemi

Rostlinneacute biotechnologie

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute mutace s naacuteslednou selekciacute odchylek noveacute techniky EK ciacutelenyacute přenos genů

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

prvniacute zemědělci

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) BT prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute MUTACE s naacuteslednou selekciacute odchylek - odrůda ječmene bdquoDIAMANTldquo

noveacute TECHNIKY EK VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

ciacutelenyacute přenos genů GMO

CO BUDE DAacuteL zvyšovat vyacutenosy BUDE VĚTŠINA PĚSTOVANYacuteCH ZEMĚDĚLSKYacuteCH PLODIN TRANSGENNIacute

vznik zemědělstviacute

1954

jsme moudřejšiacute

maacuteme většiacute možnosti

Počaacutetek EK 1902 Gottlieb Haberland segmenty listů 1904 Hannig zralaacute embrya

Potenciaacutel rostlinneacute buňky a podstata

explantaacutetovyacutech kultur rostlin

metody a jejich aplikace

ve šlechtěniacute rostlin

EK - historie

TOTIPOTENCE rostlinneacute buňky genetickeacute informace - jaacutedro plastidy mitochondrie

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

daacute se přeneacutest v raacutemci šlechtěniacute

blok totipotence

vyjaacutedřeniacute totipotence 1 dediferenciace buňky do buněčneacuteho cyklu a pokračovaacuteniacute v děleniacute 2 rediferenciace - tvorba organickyacutech struktur - přiacutemaacute regenerace tvorba kalusu - nepřiacutemaacute regenerace

vliv růstovyacutech regulaacutetorů

Rostlinneacute biotechnologie prvniacute generace - od explantaacutetovyacutech kultur po GMO

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute rostlin - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

Explantaacutet = aseptickaacute kultivace izolovanyacutech čaacutestiacute rostlin za umělyacutech podmiacutenek

EXPLANTAacuteTOVEacute KULTURY - VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

EK - historie

Metody EK využitelneacute v zemědělstviacute Meristeacutemoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Somatickaacute embryogeneze

Embryokultury

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze + buněčneacute inženyacuterstviacute

Genetickeacute manipulace

VITRIFIKACE (hyperhydricita) ndash vyjadřuje abnormality růstu in vitro skelnatyacute syndrom vyacutehonů křehkeacute mokryacute vzhled pryacutetů (vodou nasycenyacutech) průsvitnyacute sukulentniacute vzhled

metody zachovaacutevajiacuteciacute genotyp beze změn během kultivace metody zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu během kultivace

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK 1 rychleacute namnoženiacute

2 ozdravovaacuteniacute

3 překonaacuteniacute nekřiacutežitelnosti - embryokultury

4 dlouhodobeacute udržovaacuteniacute genetickyacutech zdrojů

5 indukce mutantů - ziacuteskaacuteniacute novyacutech genotypů

6 předselekce - urychleniacute šlechtitelskeacuteho cyklu

7 ziacuteskaacuteniacute novyacutech a udrženiacute genotypů s pylovou sterilitou

8 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho procesu

9 produkce haploidů

10 produkce polyploidů

11 rychlejšiacute ziacuteskaacuteniacute vyacutechoziacuteho šlechtitelskeacuteho materiaacutelu pro noveacute odrůdy

12 somatickaacute hybridizace - fuacuteze

13 konstrukce novyacutech genotypů kulturniacutech plodin přenos bdquoužitečnyacutech genůldquo

14 udržovaacuteniacute genofondu

15 selekce in vitro - rezistence k abiotickyacutem a biotickyacutem stresům

16 produkce sekundaacuterniacutech metabolitů

Plodina Technika

ječmen pšenice kukuřice

řepka paprika brukvovitaacute

zelenina mrkev

androgeneze

cibule gynogeneze

jahodniacutek česnek ozdravovaacuteniacute

brambor traacutevy polyploidizace in vitro

jeteloviny drobneacute ovoce

ovocneacute dřeviny podnože traacutevy mikropropagace

brambor řepka somatickaacute hybridizace

hraacutech brambor rezistence k chorobaacutem

traacutevy embryokultury

Kombinace metod embryokultury oplozeniacute in vitro fuacuteze protoplastů

plodiny se geneticky upravujiacute pro většiacute rezistenci k herbicidům - ničeniacute plevele bez poškozeniacute uacuterody GM rajčata potlačujiacute gen pro polygalakturonaacutezu enzym degradujiacuteciacute pektin způsobujiacuteciacute měknutiacute pletiv (Deacon a kol 2002)

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK

Meristeacutemoveacute kultury

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny meristeacutemoveacute kultury

Vyacutehody maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky naacuteslednaacute mikropropagace ozdraveneacuteho materiaacutelu bdquovirus - freeldquo

Vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana Iniciace kultury Testovaacuteniacute in vitro Přenos do nesterilniacutech podmiacutenek Testovaacuteniacute

MERISTEacuteM ndash děliveacute nediferencovaneacute pletivo ozdravovaacuteniacute rostlin (02 - 05 mm) meristeacutemy

OZDRAVOVAacuteNIacute Termoterapie (vyššiacute teplota)

Meristeacutemovaacute kultura Chemoterapie (antivirotika)

viry - nebuněčneacute mikroorganismy virovaacute čaacutestice = virion sklaacutedaacute se z RNA nebo DNA a kapsidu

fytopatologie in vitro

ribavirin

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny

Vyacuteznamneacute viroveacute choroby rostlin v ČR od 30 ztraacutet CaMV - 1968 PVY 30 -70 VMCH (virus mozaiky chmele) až o 70 mozaika česneku 25 - 50 žloutenka cibule až 100 bronzovitost rajčat

- žloutnutiacute listů kroužky a čaacutery na listech nevyvinuteacute rostliny abnormaacutelniacute růst - vstupujiacute různyacutemi poraněniacutemi - šiacuteřiacute se plasmodesmaty - velmi odolneacute proti inaktivaci - přenaacutešeny semeny hliacutezami pylem roubovaacuteniacutem hmyzem houbami červy

1952 Morel a Martin u jiřin

Využitiacute metody jahodniacutek česnek zeleniny květiny okrasneacute dřeviny ovocneacute dřeviny banaacutenovniacutek hellip

Tvorba bezviroacutezniacutech rostlin

1 meristeacutem = 1 rostlina testovaacuteniacute

wwwoselczindexphpclanek=2819

viroacutezniacute x zdravaacute

M Navraacutetil KBBPřFUPOL

PVY

In vitro klonovaacuteniacute mikropropagace meristeacutemoveacute kultury

zisk geneticky identickeacute rostliny vegetativniacutem množeniacutem

VYacuteHODY

maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny ktereacute jsou geneticky stabilniacute

v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky

vyššiacute množitelskyacute koeficient - potenciaacutelniacute hodnota zisku rostlin

Postup - vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana - iniciace kultury - mikropropagace - přenos do nesterilniacutech podmiacutenek

KLON - kolekce geneticky identickyacutech individuiacute původem z jedineacuteho rodiče

komerčně od 1960

httpwwwjanholubcz

In vitro meristeacutemoveacute kultury - využitiacute - zaacutechrana a množeniacute ohroženyacutech druhů kaktusy

- zaacutechranneacute množeniacute cennyacutech genotypů a liniiacute sterilniacutech rostlin - udrženiacute rodičovskyacutech komponent pro tvorbu hybridniacutech odrůd

- množeniacute transgenniacutech rostlin

- zachyceniacute a klonovaacuteniacute nově nalezenyacutech mutantů při šlechtěniacute

- klonovaacuteniacute nejlepšiacutech jedinců pro produkci elitniacuteho osiva

- vegetativniacute množeniacute okrasnyacutech rostlin karafiaacutet gerbera anthurie orchideje

sanpaulie kapradiny hellip

- množeniacute drobneacuteho ovoce jahodniacutek maliniacutek reacuteva

- množeniacute dřevin podnože pro školkařstviacute lesniacute dřeviny tropickeacute dřeviny

- v zelinaacuteřstviacute množeniacute brambor zeliacute

- množeniacute pouze samičiacutech rostlin datlovaacute palma

- kryoprezervace (-196 oC) jahodniacutek maliniacutek hraacutech brambor karafiaacutet

Genoveacute

banky

Mikropropagace multiplikace klonovaacuteniacute nejen z meristeacutemů

Solanum tuberosum Cucumis sativus Olea europea Eucalyptus grandis Salix sp Syringa sp Juglans regia

Schopnost regenerace tvorba identickyacutech rostlin = přiacutemaacute somatickaacute embryogeneze

Meristeacutemy Pryacutetoveacute segmenty Kalusy Embrya

Zdroje odchylek bull vysokeacute daacutevky růstovyacutech regulaacutetorů typ regulaacutetoru bull rostliny regenerujiacute z basaacutelniacuteho kalusu (možnost gen změn)

Kalusoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Primaacuterniacute explantaacutet kalus meristemoid orgaacutenoveacute primordium

Kalus = masa děliacuteciacutech se a rostouciacutech buněk

nejsou uniformniacute mohou se lišit velikostiacute tvarem pigmentaciacute metabolismem nebo počtem chromosomů

bull za určityacutech podmiacutenek regenerace pryacutetů a kořiacutenků

tma x světlo

subkultivace

metoda geneticky nestabilniacute

Kalusoveacute kultury - somaklonaacutelniacute variabilita ndash MUTACE a zisk novyacutech znaků

- mikropropagace ndash cibule žen-šen hellip

- vyacutechoziacute materiaacutel pro suspenzniacute a protoplastovou kulturu

- materiaacutel pro indukovaneacute mutace (zaacuteřeniacute chemomutageny)

- sekundaacuterniacute metabolity (alkaloidy AMK saponiny oleje složky vůniacute protinaacutedoroveacute laacutetky steroidy )

polyploidie aneuploidie

Selekce mutantů se zlepšenou nutričniacute hodnotou (viacutece biacutelkovin v zrnu)

Rezistence vůči zasoleniacute (vysokyacute turgor v buňkaacutech akumulace NaCl ve vakuolaacutech)

Rezistence vůči chorobaacutem (synteacuteza fytotoxinů fytoalexinů)

Sekundaacuterniacute metabolity (= chemickeacute individuality v rostlinaacutech ndash barviva vůně chuti obrana)

Artemisia annua - artemisin (antimalarika) Capsicum sp - capsaicin (protinaacutedoroveacute)

Digitalis lanata - digoxin (srdečniacute stimulanty) Papaver somniferum - codein (sedativa)

Taxus breviola - taxol (protinaacutedoroveacute) Vanilla planifolia - vaniliacuten (aroma)

Panax ginseng - (imunitniacute systeacutem) Zingiber officinale ndash gingerol (antioxidant)

Somatickaacute embryogeneze a suspenzniacute kultury

Využitiacute

umělaacute semena (enkapsulace somatickyacutech embryiacute)

využitiacute somatickeacute variability

klonoveacute množeniacute

sekundaacuterniacute metabolismus (suspenze)

kryoprezervace

Buněčnaacute suspenze = převedeme kalus do tekuteacuteho meacutedia

a provzdušňujeme (kontakt buněk a shluků buněk s meacutediem)

vznikaacute bipolaacuterniacute struktura obsahujiacuteciacute kořen a pryacutet

auxin (24-D)

umělaacute semena

Mutace RADIOMUTANT PROSPĚCH NEBO ZAacuteLUDNOST

SPONTAacuteNNIacute MUTACE využiacutevaacute člověk při šlechtěniacute odrůd spur typy (kompakt typy) jabloniacute absence trnů u ostružiniacuteku variabilita květenstviacute jiřinky proměnliveacute vznik plemen domaacuteciacutech zviacuteřat je založen na podchyceniacute spontaacutenniacutech mutaciacute ndash plemena psů

INDUKOVANEacute MUTACE působeniacute mutagenů

zaacuteměrneacute ndash ve vyacutezkumu ve šlechtěniacute rostlin (př odrůdy ječmene DIAMANT (zkraacuteceniacute steacutebel ndash nepoleacutehaacute) kompaktniacute růst a samosprašnost třešně změna barvy slupky u jabloně ndash sbquoredlsquo mutace)

nezaacuteměrneacute ndash důsledek použitiacute jadernyacutech a chemickyacutech zbraniacute ndash Yperit jaderneacute a jineacute katastrofy

1950 radiomutace chemomutace 1965 ječmen Diamant

Suspenzniacute kultury - SK KULTURA V TEKUTEacuteM MEacuteDIU ROSTE A DĚLIacute SE NĚKOLIKANAacuteSOBNĚ RYCHLEJI NEŽ KULTURA

NA PEVNEacuteM MEacuteDIU Využitiacute jako experimentaacutelniacute model produkce sekundaacuterniacutech metabolitů indukce somaklonaacutelniacute variability a naacutesledneacute selekce mikropropagace (pod kontrolou genetickeacute stability) pohyb kultury v bioreaktoru maacute za naacutesledek potlačeniacute apikaacutelniacute dominance tiacutem se stimuluje růst mnohonaacutesobnyacutech pryacutetů

Bioreaktory firmy VitroSys Inc Korea

ideaacutelniacute SK ndash rychlyacute růst karyologickaacute stabilita životnost buněk rentabilita

Minimaacutelně 103 ml buněk 110 suspenze v exponenciaacutelniacute faacutezi se doplniacute čerstvyacutem meacutediem Koncentrace sacharidů prodlužuje periodu růstu

Velkokapacitniacute kultivace rostlinnyacutech buněk v tekutyacutech meacutediiacutech sterilniacute prostřediacute obsahujiacuteciacute živiny a laacutetky potřebneacute pro růst a jeho regulaci vhodneacute pro kultivaci rostlinnyacutech mikrobiaacutelniacutech a živočišnyacutech buněk

Bioreaktor

Bioreaktory s tekutyacutem meacutediem explantaacutety jsou ponořeny v tekuteacutem meacutediu Bioreaktory s pravidelnyacutem zaplavovaacuteniacutem (temporary immersion bioreactor TIB) explantaacutety jsou pravidelně zaplavovaacuteny

Bioreaktor

httpwwwuebcasczcscontentzensenove-spagety

pěstujiacute se jen kořeny - zisk GINSENOSIDŮ za 3 měsiacutece v laboratoři stejnyacute zisk jako z rostlin ženšenu v přiacuterodě za 8 let obsah GINSENOSIDŮ je srovnatelnyacute s planě rostouciacutemi rostlinami množstviacutem i vzaacutejemnyacutem poměrem jednotlivyacutech laacutetek

v Koreji od r 2004

hairy-root systeacutem a sekundaacuterniacute metabolity

Sekundaacuterniacute metabolity - SM ROSTLINA BUNĚČNAacute KULTURA

EXTRAKT prověřovaacuteniacute oddělovaacuteniacute čištěniacute aktivniacute složky testovaacuteniacuteprověřovaacuteniacute

ČISTAacute BIOAKTIVNIacute LAacuteTKA

SM z buněčneacute kultury - extrakty ziacuteskaneacute za reprodukovatelnyacutech podmiacutenek spolehliveacute zdroje meacutedium - množstviacute čisteacuteho produktu

buňky rostou v tekuteacutem meacutediu -ne celaacute rostlina

produkt rostlina in vitro ()

rostlina ()

poměr

ginsenoside Panax ginseng 27 45 6 x

rosmarinic acid Coleus blumei 27 3 9 x

caffeic acid Vanilla planifolia 002 0005 4 x

shikonin Lithospermum erythrorhizon

20 15 135 x

ubiquinon-10 Nicotiana tabacum 0036 0003 12 x Heldman et al 2011

anti

oxy

dan

ty v sušině

bioreaktory

Sekundaacuterniacute metabolity - SM Rostlina Uacutečinnaacute laacutetka Uacutečinek

Artemisia annua pelyněk ročniacute artemisinin antimalarikum

Digitalis lanata naacuteprstniacutek vlnatyacute digoxin srdečniacute stimulants

Dubosia myoporoides lilkoviteacute atropin

scopolamin

očniacute přiacutepravky mořskaacute nemoc

Lithospermum

erythrorhizon

kamejka

rudokořennaacute

shikonin protinaacutedoroveacute

Panax ginseng ženšen pravyacute stimulant imunitniacuteho systeacutemu

Salix alba vrba biacutelaacute salicin antirevmatikum proti horečce

Taxus brevifolia tis

zaacutepadoamerickyacute

baccatin taxol protinaacutedoroveacute

Vinca rosea barviacutenek růžovyacute vinblastin

vinkristin

protinaacutedoroveacute alkaloidy

leukeacutemie

buněčnaacute kultura

Rostlina Extrakt Uacutečinek

Linum usitatissimum len setyacute olej

Mentha piperita maacuteta peprnaacute maacutetovyacute olej -

mentol

žaludečniacute potiacuteže

Mentha spicata maacuteta klasnataacute mentol žaludečniacute potiacuteže

Zingiber officinale zaacutezvor leacutekařskyacute gingerol antioxidant

informace z tradičniacute lidoveacute mediciacuteny - použitiacute extraktů a purifikace zdroje z nedotčeneacuteho ekosysteacutemu

kalusovaacute kultura buněčnaacute suspenze orgaacutenovaacute kultura - Artemisia Mentha - pryacutety

rostliny jsou vyacuterobci sekundaacuterniacutech metabolitů

cytostatikum

Sekundaacuterniacute metabolity - SM

Heldman et al 2011

VYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY

nezaacutevisleacute na geografickyacutech podmiacutenkaacutech

nezaacutevisleacute na sezoacutenniacutech podmiacutenkaacutech

v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

v přiacuterodě kontrolovaacuteno množstviacute in vitro ne

nepřetržitaacute dodaacutevka produktu

uniformniacute kvalita produktu

uniformniacute vyacutetěžnost produktu (průběžně)

vyacuteběr vhodneacute linie s vyššiacute produkciacute produktu

možnost tvorby novyacutech laacutetek nenormaacutelniacutech u donora

NEVYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY staacutele se vyviacutejejiacuteciacute

překaacutežky - pomalyacute růst

genetickaacute nestabilita

různorodost

niacutezkyacute obsah metabolitu

produkty vylučovaacuteniacute provozniacute - světelneacute podmiacutenky aseptickeacute podmiacutenky

STRATEGIE TVORBY SM vyacuteběr donorovyacutech rostlin - biochemickeacute testy

iniciace kalusů

vyacuteběr buněčneacute linie - rychle rostouciacute vysokaacute produkce

ciacutelenyacute metabolismus - kultivačniacute meacutedium (složeniacute koncentrace proporcionalita)

kultivačniacute podmiacutenky (teplota světlo pH) zvlaacuteštniacute požadavky (prekurzor simulace stresu - napadeniacute patogenem)

uvolněniacute do meacutedia

Embryokultury

Embryokultury = kultivace zralyacutech nebo nezralyacutech embryiacute in vitro

1904 Hannig - embrya u ředkve

1925 Laibach - aplikace v mezidruhoveacutem křiacuteženiacute r Linum sp

1945 Randolph - zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu u r Iris sp

1970 Kasha Kao - ziacuteskaacuteniacute haplodů u ječmene

Hordeum vulgare (zůstaacutevaacute) x Hordeum bulbosum (eliminace chromozoacutemů)

Zygotickaacute embrya vyacuteživa z endospermu (heterotrofniacute)

Embrya in vitro vyacuteživa z kultivačniacuteho meacutedia

In vitro oplodněniacute u člověka - 1978 pro neplodneacute paacutery

geneticky stabilniacute metoda

Embryokultury- in vitro

I Kultura semennyacutech embryiacute tj izolace plně vyvinutyacutech

bipolaacuterniacutech struktur obsahujiacuteciacutech kořenovyacute a stonkovyacute systeacutem

II Kultura proembryiacute tj izolace nezralyacutech zaacuterodků předchaacutezejiacuteciacutech

diferenciaci děloh

Embryogeneze zygotickeacuteho embrya (in vivo)

zygota (přiacuteprava na 1 děleniacute)

faacuteze pomaleacuteho vyacutevinu embrya po oplozeniacute

faacuteze rychleacuteho vyacutevinu růstu a diferenciace embrya

faacuteze dozraacutevaacuteniacute embrya

faacuteze přechodu embrya do dormance (ABA)

Embryokultury

1 překonaacuteniacute barieacuter vzdaacuteleneacuteho křiacuteženiacute (abortace hybridniacutech embryiacute sterility semen)

2 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu (viacutece generaciacute za rok)

3 řešeniacute jarovizačniacuteho staacutedia

4 primaacuterniacute explantaacutet pro dalšiacute kultury

5 eliminace inhibice kliacutečeniacute

6 studium mineraacutelniacute vyacuteživy

7 umělaacute semena

8 studium metabolickyacutech vztahů mezi embryem a endospermem embryem a dělohami

9 ziacuteskaacuteniacute haploidniacutech rostlin

Opylovaacuteniacute in vitro

Opylovaacuteniacute in situ

in vitro

Inkompatibilita rostlin

zaručuje stabilitu druhu

Barieacutery procesu opyleniacute a oplozeniacute

vnějšiacute (teplota vlhkost nedostatečnaacute vyacuteživa )

vnitřniacute (inkompatibilita samčiacute nebo samičiacute sterilita)

využitiacute v raacutemci šlechtěniacute rostlin k překonaacuteniacute prezygotickyacutech barieacuter vznik mezidruhovyacutech mezirodovyacutech hybridů

Barieacutery Technika překonaacuteniacute

Před oplodněniacutem selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute blizny pestiacuteku pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

rezistence vůči abiotickeacutemu stresu rezistence vůči škůdcům vyššiacute vyacutenos

přenos z jineacuteho druhu

EK využitiacute ve šlechtěniacute

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury HAPLOID rostlina s n počtem chromozomů menšiacute sterilniacute

1963 T Yamada a kol Tradescantia reflexa (haploidy)

1964 - 1966 S Guha SC Maheswari Datura diploidizace kolchicinem

1969 JP Nitsch a kol celeacute rostliny (tabaacutek)

1973 JP Nitsch Norrel mikrosporoveacute kultury

2000 šlechtitelskeacute programy polniacutech plodin (obiloviny řepka)

využiacutevajiacute haploidniacute kultury in vitro

Androgeneze prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Androgeneze - kultivace prašniacuteků pyl zrn mikrospor = samčiacute genotyp

Gynogeneze - kultivace neoplodněnyacutech vajiacuteček = samičiacute genotyp

Haploidie - spontaacutenniacute = haploidniacute partenogeneze (gynogeneze androgeneze) frekvence 10-6

- experimentaacutelniacute indukovanaacute

fyzikaacutelniacute faktory = UV γ-zaacuteřeniacute X-paprsky teplotniacute šoky

zaacutesahy do procesů opyleniacute a oplozeniacute (inaktivniacute pyl)

explantaacutetoveacute metody = prašniacutekoveacute a pyloveacute kultury kultivace semeniacuteků a vajiacuteček

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury Ontogeneze pylu

In vivo mikrosporogeneze

pylovaacute mateřskaacute buňka

meiosa

pyloveacute tetraacutedy

vyacutevoj mikrospory (1 pyl mitoacuteza)

In vitro vyacutevoj embryoidu

(vegetativniacute generativniacute buňka)

- přiacutemaacute embryogeneze

- nepřiacutemaacute embryogeneze

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

využitiacute haploidů (majiacute jen jednu sadu chromosomů)

segregace vloh na gametickeacute uacuterovni ndash homozygoacutetniacute stav (čisteacute linie v F2 generaci)

detekce recesivniacutech mutaciacute (fenotypickyacute projev)

trpasličiacute varieta ndash u okrasnyacutech rostlin

Dihaploidizace

n rostliny - sterilniacute

104 ndash 105 mikrospoacuterml meacutedia

Brassica sp

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Prašniacutekoveacute kultury

viacutece než 200 druhů (řepka ryacuteže kukuřice obiloviny)

20-60 dnů

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

vyacutevoj globulaacuterniacuteho embrya a naacutesledně haploidniacute rostliny přiacutemo z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory

z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory vznikaacute kalus rarr indukce organogeneze

TYPY ANDROGENEZE

vzaacutecně

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Solanaceae

Brassicaceae

Poaceae

prašniacuteky

Androgeneze

Indukovanaacute androgeneze ndash přiacuteklady

Beta vulgaris - homozygotniacute linie

Brassica napus - novaacute odrůda linie

Hordeum vulgare

Lycopersicon - novaacute odrůda

Nicotiana - noveacute odrůdy

Oryza - noveacute odrůdy

Pelargonium - trpasličiacute variety

Triticum ndash cv Florin Huapei

Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby Praha Vyacutezkumnyacute uacutestav obilnaacuteřskyacute Kroměřiacutež Vyacutezkumnyacute uacutestav olejnin Oseva

Gynogeneze kultury izolovanyacutech vajiacuteček

kultury izolovanyacutech semeniacuteků

kultury izolovanyacutech květenstviacute in vitro

haploidniacute rostliny

spontaacutenniacute dihaploidniacute rostliny

ječmen kukuřice moruše

slunečnice cibule

kultivace vajiacuteček Beta vulgaris Tomaszewska-Sowa 2010

327 haploids 458 diploids and 215 ndash mixoploids

x opyleniacute ozaacuteřenyacutem pylem

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

Polyploidizace in vitro

duplikace celeacuteho genomu až 70 všech krytosemennyacutech rostlin je polyploidniacutech (Masterson 1994) POLYPLOID metabolicky aktivnějšiacute a rozměrnějšiacute plodiny ktereacute jsou vhodneacute pro pěstovaacuteniacute a leacutepe se vyrovnaacutevajiacute se stresovyacutemi podmiacutenkami

kolchicin

oryzalin

trifluralin

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze protoplastů

1892 Klecker - 1 mechanickaacute izolace protoplastů Stratiotes aloides (řezan pilolistyacute) 1960 EC Cocking 1 enzymatickaacute izolace protoplastů Nicotiana sp 1978 G Melchers a kol 1 mezirodovyacute hybrid bdquopomatoldquo bdquotopatoldquo Solanum tuberosum x S lycopersicum (Lycopersicum esculentum)

httptheplanetfixerorg387new-vegetable-created-the-tomato-potato-plant

Protoplastoveacute kultury

= kultivace rostlinnyacutech buněk zbavenyacutech buněčneacute stěny

Protoplast = rostlinnaacute buňka bez buněčneacute stěny jejiacute povrch tvořiacute cytoplazmatickaacute membraacutena maacute kulovityacute tvar

Protoplastoveacute kultury - regenerace

Faktory ovlivňujiacuteciacute kultivaci a regeneraci

Hustota ( počet protoplastů v 1 ml)

Životnost ()

Podmiacutenky kultivace a meacutedium

bull Studium synteacutezy buněčneacute stěny vyacutevoj buňky fyziologie buňky a cytogenetiku

bull Studium hodnoceniacute uacutečinků farmak potravinovyacutech doplňků agrochemickyacutech laacutetek na rostlinnou

buňku

bull Studium transportu iontů a laacutetek přes cytoplasmatickou membraacutenu

bull Somatickaacute hybridizace (fuacuteze protoplastů)

bull Inkorporace exogenniacuteho genetickeacuteho materiaacutelu ndash organel cybridizace

bull Genoveacute transformace (cizorodaacute DNA z bakteriaacutelniacuteho plasmidu)

Protoplastoveacute kultury - fuacuteze

Využitiacute

kombinace znaků odlišnyacutech druhů a rodů ktereacute by nevznikly přirozenou cestou

jedinečneacute kombinace jadernyacutech a organelovyacutech genomů vytvaacuteřiacute noveacute genetickeacute zdroje

často jen - čaacutest chromozomů asymetrickeacute jaderneacute hybridy

chloroplasty

mitochondrie

chemickeacute fuacuteze - pomalejšiacute elektrofuacuteze - fuacutezanti po 10 min vyššiacute frekvence fuacutezantů

cytoplazmickeacute hybridy - cybridy

Charakterizace hybridů - morfologicky cytologicky molekulaacuterniacute analyacutezy

Přirozenaacute mezidruhovaacute hybridizace - vznik některyacutech kulturniacutech plodin

B oleracea + B campestris = Brassica napus Nicotiana sylvestris + N tomentosa = Nicotiana tabacum

cybridy nelze ziacuteskat klasickou hybridizaciacute (křiacuteženiacutem) ndash samčiacute pohlavniacute buňky (pyl zrna) nemajiacute plastidy a mitochondrie

V přiacuterodě blesky do půdy modifikace bakteriiacute

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

Přenos jaderneacute a cytoplazmatickeacute genetickeacute informace mezi rostlinnyacutemi druhy rody

- překonaacuteniacute sexuaacutelniacute inkompatibility

- přenos genů rezistence vůči virovyacutem houbovyacutem chorobaacutem

- přenos cytoplazmatickeacute samčiacute sterility

- přenos rezistence vůči stresům (teplotniacutem zasoleniacute)

- přenos rezistence vůči hmyziacutem škůdcům

(synteacuteza fytoalexinů)

- přenos genů pro synteacutezu zaacutesobniacutech proteinů vitamiacutenů

alkaloidů

plnokvětost

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

využitiacute pro fytoremediace

Brassica juncea Tlaspi caerulescens brukev siacutetinovitaacute peniacutezek modravyacute akumulace Pb akumulace Zn a Ni hybrid se zvyacutešenou rezistenciacute k Pb Zn a Ni rychlyacute naacuterůst

biomasy

Brassica napus Thlaspi caerulescens hybridi rostly na vysokeacutem obsahu Zn

Fuacuteze protoplastů rodu Brassica s planyacutemi druhy

Armoracia rusticana

Barbarea vulgaris

Camelina sativa

Capsella bursa pastoris

Diplotaxis catholica

Diplotaxis muralis

Diplotaxis harra

Eruca sativa

Lesquerella fendleri

Mathiola incana

Moricandia arvensis C4

Moricandia nitens C4

Raphanus sativus

Sinapis alba

Sinapis arvensis

Thlaspi perfoliatum

Thlaspi caerulescens

Genoveacute banky In vitro genoveacute banky

2397 vzorků 1249 odrůd Solanum tuberosum 450 teraploidniacutech křiacuteženců S tuberosum 266 dihaploidů 119 mezidruhovyacutech hybridů rodu Solanum 313 genotypů kulturniacutech genotypů 23 planyacutech druhů

Havliacutečkův Brod

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu rostlin

1 Uchovaacutevaacuteniacute semen ndash semenneacute banky (od 1 roku - hellip)

2 Uchovaacutevaacuteniacute vegetativniacutech orgaacutenů ndash hliacutezy cibule řiacutezky

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro Kraacutetkodobeacute - aktivně rostouciacute kultury (pravidelneacute pasaacuteže) - uchovaacuteniacute kultur v minimaacutelniacutem růstu nižšiacute teploty kultivace

Dlouhodobeacute u rostlin kde nejsou semena

- za velmi niacutezkyacutech teplot (-196oC) = kryobanka

Databaacuteze ndash přiacutestupneacute z celeacuteho světa

Špicberky

genobanka - wwwvurvcz part databases EVIGEZ

vyacuteznam v mediciacuteně

Zaacuteložniacute fond semena potravinaacuteřskyacutech plodin z celeacuteho světa

stane se zaacuteložniacutem fondem pro ostatniacutech 1400

semennyacutech bank po celeacutem světě

v Iraacuteku a v Afghaacutenistaacutenu byla podobnaacute zařiacutezeniacute za

vaacutelky zcela zničena

na Filipiacutenaacutech je v roce 2006 poškodila povodeň

semennaacute banka pro světoveacute plodiny je umiacutestěna v hoře

maacute vyztuženeacute stěny betonem a železem

třiacute komory o velikosti 27 kraacutet 10 metrů

teplota minus 18 oC (konzervace po stovky až tisiacutece let) httpwwwnorambczarkivBasisartikler---OversettelserIkke-

bruktnovinkyseedvault_eng

k 1172010 zde bylo uloženo 716 523 vzorků semen patřiacuteciacutech ke 4 205 druhům

českaacute banka uloženaacute v Praze-Ruzyni zaacuteloha na Slovensku

Špicberky

Uchovaacutevaacuteniacute genofonduv ČR

genofond odrůd meruněk broskvoniacute mandloniacute reacutevy vinneacute kdouloniacute lonicer rakytniacuteků a dřiacutenů

2400 položek

25 000 položek

5400 položek 2397

položek

4700 položek

2000 položek

2300 položek

Naacuterodniacute informačniacute systeacutem genetickyacutech zdrojů EVIGEZ httpwwwgenbankvurvczgeneticresources

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro

KRYOBANKA

prašniacuteky a pyl pletiva a orgaacuteny meristeacutemy

kalus

suspennzniacute somatickaacute kultury embrya

dlouhodobeacute skladovaacuteniacute

nižšiacute naacuteroky na uchovaacuteniacute

mezinaacuterodniacute vyacuteměna

nižšiacute podiacutel lidskeacute praacutece

potřeba menšiacuteho prostoru

uchovaacuteniacute genetickeacute stability

omezeniacute staacuternutiacute

ozdravenyacute materiaacutel

prodlouženeacute použitiacute pylu

uchovaacuteniacute vzaacutecnyacutech rostlin

apikaacutelniacute vrcholy

Biotechnologickaacute laboratoř Nestleacute - uchovaacutevaacute buněčneacute embryogenniacute linie kaacutevy kakaa a banaacutenů

Německaacute sbiacuterka mikroorganismů a buněčnyacutech kultur (DSMZ Braunschweig Německo) meristeacutemy 519 staryacutech kultivarů brambor ndash metoda mrazeniacute alginaacutetovyacutech perel

International Potato Centre (CIP Lima Peru) - 345 kultivarů brambor

INIBAP Leuven Belgie - 306 kultivarů banaacutenu (14 ze světoveacuteho počtu kultivarů)

Naacuterodniacute genobanka klonů NCGR USA - ročniacute naacuteklady

udržovaacuteniacute jedneacute položky v sadu (hrušně) 77 dolarů na skladovaacuteniacute in vitro 23 dolarů na kryoprezervaci 1 dolar (při počaacutetečniacute investici na kryometodu 50 dolarů za uchovaacutevanou jednotku)

Přiacuteklady komerčniacuteho využitiacute kryoprezervace meristeacutemů

Aplikace biotechnologiiacute ve šlechtěniacute rostlin

rostliny postraacutedajiacute schopnost aktivně se přesouvat z dosahu nepřiacuteznivyacutech vlivů rostliny vyvinuly adaptačniacute mechanismy pro překonaacuteniacute stresů a tiacutem přežitiacute v extreacutemniacutech podmiacutenkaacutech

Biotechnologie v zemědělstviacute ekologickeacute zemědělstviacute

VLIV ŠKŮDCŮ CHOROB A PLEVELŮ NA ZEMĚDĚLSKEacute PLODINY

1 sniacuteženiacute velikosti a vaacutehy zrna 2 ztraacuteta ve velikosti hliacutez a kořenů 3 zvyacutešeniacute obsahu vlhkosti 4 změny v chemickeacutem složeniacute zrna hliacutez a kořenů 5 odbarveniacute zrna a hliacutez - deformace 6 tvorba mykotoxinů patogeny 7 sniacuteženiacute kliacutečivosti 8 redukce krmiva

spotřeba vody - rezistence k suchu sniacutežiacute spotřebu uchovaacuteniacute vody rostlinou aplikace hnojiv chemickaacute kontrola škůdců

- studium abiotickeacuteho stresu

- zlepšeniacute ochrany rostlin vůči škůdcům

- ochrana životniacuteho prostřediacute

- zlepšeniacute kvality potravin

odstraněniacute hladu GMO fytoremediace

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

ohroženiacute klimatickyacutem suchem v ČR ndash nejrizikovějšiacute oblasti nižšiacute polohy na jižniacute a středniacute Moravě v prostoru mezi Prahou Uacutestiacutem nad Labem a Žatcem zaacutepadně od Pardubic

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

Rezistence k suchu - využitiacute vody

Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

vyacutevoj samčiacuteho gametofytu - spojen s expresiacute genů - 150 specifickyacutech genů spraacutevneacute načasovaacuteniacute

sporofyt gametofyt

2n 1n

rostlina pylovaacute zrnazaacuterodečnyacute vak

pohlavniacute rozmnožovaacuteniacute přiacuterodniacute vyacuteběr

pylzrna - exina (ovlivněna sporofytem) ochrana před UV laacutekaacuteniacute opylovačů - barva vůně komunikace s bliznou produkce alergenů

strategie rostlin zabraacuteněniacute samoopyleniacute

Biotechnologie v zemědělstviacute samčiacute gametofyt n TETRASPORE (TES) reg gen je vyžadovaacuten ke tvorbě přepaacutežek mezi produkty meioacutezy u mutanta všechna čtyři jaacutedra mikrospoacutery zůstaacutevajiacute ve stejneacute cytoplazmě polyploidniacute jedinci n GEMINI POLLEN 1 (GEM1) reg gen je vyžadovaacuten k orientaci mitotickeacuteho vřeteacutenka mutant tvořiacute dvě symetrickaacute jaacutedra typu vegetativniacuteho vede ke sterilitě n SIDECAR POLLEN (SCP) reg gen je vyžadovaacuten k děleniacute pylu prvniacute symetrickaacute pylovaacute mitoacuteza mutanta daacutevaacute dvě stejneacute buňky jedna extra- vegetativniacute (sterilniacute sidecar) a druhaacute regvegetativniacute a generativniacute mutace nevede ke sterilitě n QUARTET (QRT) reg gen je vyžadovaacuten k separaci pylovyacutech zrn u mutantů jsou stěny meiotickyacutech produktů pyloveacute mateřskeacute buňky fuacutezovaacuteny a zrna se uvolňujiacute v tetraacutedaacutech

samičiacute makrogametofyt n FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED (FIS) a FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) reg geny hrajiacute regulačniacute role ve vyacutevinu semene po oplozeniacute u mutantů se diploidniacute jaacutedra endospermu vyviacutejejiacute bez oplozeniacute pak atrofujiacute mutace neovlivňujiacute vaječnou buňku - procesy embryogeneze a vyacutevinu endospermu jsou odlišneacute n MEDEA (MEA) reg mutace genu způsobuje hypertrofii a zaacutenik embrya neniacute jasneacute na jakeacute uacuterovni se gen projevuje zaacuterodečnyacute vak endosperm nebo maternaacutelně imprintovanyacute embryonaacutelniacute gen

Biotechnologie ve šlechtěniacute rostlin Selektivniacute šlechtěniacute rostlin - přiacuterodniacute genetickeacute diverzity rostlin Techniky překonaacuteniacute barieacuter šlechtěniacute

Barieacutery Technika překonaacuteniacute Před oplodněniacutem

selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute pestiacuteku

pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony

pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro

selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů

odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute

abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry

sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

vyacutevoj semen

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

Škůdci v historii naacutelety sarančat (Staryacute zaacutekon)

ochrana saze tabaacutek

začaacutetek 19 stol - siacutera na houboveacute patogeny 1939 objev DDT uacutečinek na hmyz teorie bdquohmyz se může staacutet rezistentniacuteldquo 1948 Nobelova cena P Muumlller

50 leacuteta 20 st - herbicidy - postřiky na plevele ( rezistence na herbicid) 1972 zaacutekaz DDT (vyacutejimka - boj s malaacuteriiacute v Africe - naacutevrat DDT)

škůdce - hmyz hliacutestice 1861 - v Americe Iowa Nebraska 1880 1 pesticid v S Americe arzeacutenem bdquoParis greenldquo

S rostouciacute intenzitou pěstovaacuteniacute roste hospodaacuteřskyacute vyacuteznam škodlivyacutech organismů objem škod se zvyšuje staacutele přibyacutevajiacute noveacute druhy škodlivyacutech organismů zavaacutedějiacute se staacutele noveacute prostředky

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin - hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy

1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho

obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

ROS Reactive oxygen species reaktivniacute formy kysliacuteku SAR Systemic acquired resistance systeacutemově ziacuteskanaacute rezistence = neinfikovaneacute buňky začiacutenajiacute s přiacutepravou na atak patogena

napadeneacute rostliny uvolňujiacute signaacutelniacute molekuly (těkaveacute laacutetky - druhově specifickeacute) a varujiacute okolniacute rostliny ještě před napadeniacutem hmyzem

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin -hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy 1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

produkujiacute u různyacutech rostlin různě - sekundaacuterniacute metabolity - odstrašeniacute nebo zničeniacute patogena - proteiny inhibujiacuteciacute aktivitu zažiacutevaciacutech enzymů hmyzu - enzymy degradujiacuteciacute buněčnou stěnu hub (chitinaacutezy) - proteiny inhibujiacuteciacute překlad proteinů u škůdce - antiviroveacute složky degradujiacuteciacute virovou RNA blokujiacute vstup do buňky zastavujiacute replikaci

geny ktereacute bdquoSARldquo zapiacutenajiacute zvyšujiacute rezistenci rostliny

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům - již v čaacutesti fytotatologie

Co je plevel soutěžiacute s plodinou o živiny světlo a prostor intenziacutevně roste podiacuteliacute se na šiacuteřeniacute chorob a škůdců

lat herba - rostlina řeč cidoacute - ničiacutem

Vznik rezistence plevelů vůči některyacutem herbicidniacutem laacutetkaacutem = reakce plevelnyacutech druhů na podmiacutenky současneacuteho pěstovaacuteniacute rostlin = dlouhodobeacute působeniacute herbicidů

Vyacutevoj plevelů na zemědělskeacute půdě v naacutevaznosti na skladbu pěstovanyacutech plodin Vznik rezistence plevelů vůči herbicidům Problematika invaziacute a expanziacute plevelů

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům

Rezistenci vůči herbicidům způsobujiacute biochemickeacute fyziologickeacute změny nebo morfologickeacute odlišnosti ktereacute ovlivňujiacute přiacutejem herbicidů rostlinou

- degradujiacute herbicid

- měniacute jeho biochemickou funkci v rostlině

- pozměňujiacute miacutesto na ktereacute herbicid v rostlině působiacute

Rezistence rostlin vůči herbicidům dědičnaacute schopnost odolaacutevat takoveacute daacutevce herbicidů při ktereacute by za normaacutelniacutech okolnostiacute byla populace potlačena

směr pro šlechtěniacute

Aplikace rostlinnyacutech biotechnologiiacute v životniacutem

prostřediacute

takto nebo takto

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Těžba a zpracovaacuteniacute surovin(těžkeacute kovy- Cd Pb prach) Průmyslovaacute vyacuteroba (barviva)

Skladovaacuteniacute (haldy kaliště sklaacutedky) Zemědělstviacute (pesticidy herbicidy)

Domaacuteciacute odpad (leacutečiva detergenty praciacute prostředky)

čin

no

st č

lově

ka

půda voda ovzdušiacute

znečištěniacute

degradace organismy produkujiacuteciacute laacutetky (enzymy) pro

ciacutelenyacute rozklad

organismy snižujiacuteciacute toxicitu toxickeacute laacutetky metylaciacute dehalogenace hydroxylace hydrolyacuteza deaminacehellip

substraacutet je zdrojem C a energie

dekontaminace

+ katastrofy Černobyl vaacutelečneacute konflikty

remediace = navraacuteceniacute k původniacutemu stavu

Biodegradace všechny přirozeneacute procesy ktereacute jsou uskutečňovaacuteny bakteriemi a jinyacutemi mikroorganizmy nebo vyššiacutemi organismy ktereacute vedou k destrukci organickyacutech molekul = organickyacute substraacutet je přeměňovaacuten až na CO2 Bioremediace (bakterie houby)

spočiacutevaacute v akceleraci přirozenyacutech biodegradačniacutech procesů nebo v ciacuteleneacute biodegradace - vede k ozdraveniacute kontaminovaneacuteho prostřediacute - detoxifikace měniacute se na netoxickeacute = neškodneacute laacutetky - aplikaciacute mikroorganismů

Fytoremediace (rostliny) niacutezkaacute cena

využitiacute rostlin k odstraněniacute toxickeacute zaacutetěže (těžkeacute kovy) řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny Zooremediace (zviacuteřata)

zpracovaacuteniacute odpadů pomociacute zviacuteřat bezobratliacute - perlorodky měkkyacuteši

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

nevyacutehody pomalaacute viacutece než 2 roky maleacute rozměry vhodnyacutech rostlin maacutelo druhů vhodnyacutech rostlin neniacute 100 probleacutem s rostlinnyacutem odpadem - potřeba zvlaacuteštniacutech sklaacutedek spadeneacute listiacute

- řiacutezeneacute spalovaacuteniacute

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacute len slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

vyacutehody mineralizace organickyacutech sloučenin niacutezkeacute naacuteklady pasiacutevniacute metoda bez transportu kontaminovaneacute půdy energie ze slunečniacuteho zaacuteřeniacute nepoškozuje okoliacute - sniacuteženiacute prašnosti

estetickyacute přiacutenos etickyacute uacutečinek (veřejnosti přijatelnyacute)

2005 cca 450 rostlinnyacutech druhů - tzv bdquohyperakumulaacutetoryldquo 100 x vyššiacute akumulace než u ostatniacutech rostlin

teorie vzniku - obrana vůči hmyzu - hmyz preferuje

niacutezkeacute koncentrace kovu

Thlaspi careulescens

X bagrovaacuteniacute kontaminovaneacute zeminy transport zeminy dekontaminace

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute přiacutejem kořeny - z půdy přiacutejem nadzemniacute čaacutestiacute rostliny - vyacutefukoveacute plyny

akumuluje

degraduje

detoxifikuje

roste na kontaminovaneacute půdě

produkuje velkeacute množstviacute biomasy

tolerantniacute k salinitě a jinyacutem toxickyacutem podmiacutenkaacutem

poskytuje ekonomickeacute hodnoty - textilniacute vlaacutekna (len konopiacute)

GMO - gen fytovolatizace - bakteriaacutelniacute geny transformovaacuteny do rostlin transgeny merA a merB fytoextrakce - gen gsh1 a gsh2 z E coli do Brassica juncea

potenciaacutel je v GMO rostlinaacutech

Laboratoř rostlinnyacutech biotechnologiiacute Společnaacute laboratoř UacuteEB AV ČR vvi A VUacuteRV vvi Akademie věd Českeacute Republiky Mendelova univerzita v Brně Uacutestav experimentaacutelniacute botaniky AV ČR Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby v Praze Metoda použita na čištěniacute uranem a radiem znečištěneacute vody v Mydlovarech - kořenovaacute čistiacuterna

ideaacutelniacute rostlina

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

proces substraacutet ciacutel rostlina

fytoextrakce fytoakumulace

odstraněniacute toxickyacutech laacutetek z půdy a vody - akumulaciacute rychle rostouciacute rostlinou (zůstaacutevaacute v rostlině)

půda sedimenty kaly odpadniacute vody

toxickeacute kovy radionuklidy

Thlaspi sp Brassica sp

fytostabilizace ciacuteleneacute pěstovaacuteniacute tolerantniacutech druhů zamezeniacute eroziacute

půda haldy odkaliště těžkeacute kovy dlouheacute a bohateacute kořeny

fytovolatizace odstraněniacute Hg pomociacute genu koacutedujiacuteciacuteho reduktaacutezu Hg2+ na Hg0

a uvolněniacute do ovzdušiacute

půdy sedimenty odkaliště průmysloveacute a zemědělskeacute odpadniacute vody

kovy - Se Hg chlorovanaacute rozpouštědla

stromy traacutevy Brassica sp

fytodegradace degradace kontaminantů rostlinou na netoxickeacute laacutetky

půdy sedimenty odkaliště odpadniacute vody

ropneacute laacutetky pesticidy detergenty

stromy traacutevy

rhizofiltrace odstraněniacute pomociacute rostlinnyacutech kořenů

povrchoveacute vody odpadniacute vody

těžkeacute kovy - Co Cu Cr Mn Ni radionuklidy

Brassica sp Helianthus vodniacute rostliny hydroponie

superrostliny

niacutezkeacute naacuteklady

kořenovaacute čistička = umělyacute mokřad oddělenyacute od okoliacute nepropustnou foacuteliiacute využiacutevaacute samočisticiacutech procesů probiacutehajiacuteciacutech v propustneacutem půdniacutem prostřediacute za spoluuacutečasti rostlin čištěniacute odpadniacutech vod z domaacutecnostiacute sklaacutedek a některyacutech průmyslovyacutech provozů

Rhizofiltrace

httpwwwnemcoviceczcontentviewfull3607

rostliny s vysokyacutemi

naacuteroky na vyacuteživu

+

bakterie

může zapaacutechat

5x - 10 x nižšiacute naacuteklady

Člověk čistiacute odpadniacute vodu za pomoci zařiacutezeniacute

ale přiacuteroda to zvlaacutedaacute bez přiacutestrojů a mnohem levněji

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute niacutezkeacute naacuteklady

rostlina chemickaacute sloučenina

pšenice 24 -D MCPA jako zdroj uhliacuteku

kukuřice atrazin degradace atrazinu mikroorganismy rhizosfeacutery

fazole diazinon parathion mineralizace v rhizosfeacuteře

luštěniny nafta

Kučerovaacute et al 1999 Chemickeacute listy

přiacutejem - velikost kořenoveacuteho systeacutemu přiacutestupnost pro rostlinu např chelaacutety

transport rostlinou - apoplast (difuacuteziacute)

symplast (specifickeacute přenašeče)

miacutesto uskladněniacute hustota rostlin v porostu

zaacutevažnějšiacute ekologickyacute a toxikologickyacute vyacuteznam přibližně 16 prvků (Fe Mo Mn Zn NiCo Cu V W Cr Hg Pb Cd Sb Ag a U)

Budoucnost fytoremediaciacute niacutezkeacute naacuteklady

Fytoremediace v praxi

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Ural 1953 odstraněniacute těžkyacutech kovů

Amana Iowa hybridniacute topoly atrazin odstraněna čaacutest až 20

Beaverton Kreton

hybridniacute topoly

organickeacute laacutetky kovy

a amonneacute sloučeniny

celkoveacute vyčistěniacute oblasti

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Fukušima 113 2011 slunečnice radioaktivniacute cesium dekontaminace půdy

Černobyl 2641986 slunečnice jabloně

cesium stroncium dekontaminace půdy povrchoveacute vody

paacutes 30 km - likvidace radioaktivniacutech rostlin

nebudou spaacuteleny rozloženy a kompostovaacuteny - speciaacutelniacute bakterie

slunečnice spotřebovaacutevajiacute z půdy drasliacutek kteryacute patřiacute mezi alkalickeacute kovy stejně jako cesium drasliacutek neniacute v půdě přiacutetomen květiny využijiacute praacutevě druhyacute prvek - Cs

Biotechnologie v ŽP niacutezkeacute naacuteklady

fytomining - fytodobyacutevaacuteniacute fytodolovaacuteniacute

ziacuteskaacutevaacuteniacute kovů z rostlin kde klasickaacute těžba je nevyacutehodnaacute rostliny - bdquotěžaři vzaacutecnyacutech kovůldquo a polokovů AuTh Co U Cd Ni Cu Mn

v rostlinaacutech hyperakumulaacutetorech je akumulace prvku sušina rostliny jako -ldquobio-rudaldquo

vyacutehody

- obsah kovu v bdquobio-ruděldquo je vyššiacute než v běžneacute rudě

- meacuteně skladovatelneacuteho miacutesta

- zelenaacute technologie jako alternativa

fytomining Ni pomociacute Alyssum bertolonii

Robinson et al 1997 The nickel hyperaccumulator plant Alyssum bertolonii as a potential agent for phytoremediation and phytomining of

nickel Journal of Geochemical Exploration59(2)75-86

zlatonosneacute rostliny

zlataacute jablka

zlateacute kapradiacute

hledaacuteniacute nalezišť

technologie budoucnosti

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute bioplasty z biomasy (škroby tuky) nahrazujiacute fosilniacute zdroje vyacutehodou je biodegradace biopaliva rostlinnyacute materiaacutel a řasy bioethanol GMO rezistentniacute rostliny vůči postřikům hmyziacutem škůdcům transfer genů pro symbiotickou fixaci dusiacuteku z luštěnin do dalšiacutech plodin přenos genů z bdquoC4ldquo do bdquoC3ldquo rostlin pro dosaženiacute uacutečinnějšiacute fotosynteacutezy (ryacuteže)

Transgenoziacute se přenaacutešiacute přirozeneacute geny vznikleacute evoluciacute z jednoho organismu do druheacuteho kteryacute se s daacutercem genu obvykle

nemůže křiacutežit pouze dokaacuteže přenosy mezi vyacutevojově ještě vzdaacutelenějšiacutemi organismy

Geny použiacutevaneacute při transgenosi jsou braacuteny z přiacuterody např gen v soacuteji tolerujiacuteciacute glyfosaacutet - je z bakterie rodu Agrobacterium

Klasičtiacute šlechtiteleacute takto pracujiacute daacutevno např smiacutechali geny pšenice a žita

GMO

Transgenoze ndash vnaacutešeniacute znaacutemyacutech jednotlivyacutech genů do dědičneacuteho

zaacutekladu (poprveacute 1978)

Pro přenos - Agrobacterium tumefaciens A rhizogenes E coli

httpblogscassuffolkeduiglesias20140424gmos

GMO bez obalu httpwwwbezpecnostpotravinczUserFilespublikaceGMO_web_1pdf

GMO - transgenniacute rostliny CARTAGENSKYacute PROTOKOL o biologickeacute bezpečnosti 29 1 2000 Montreal (OSN ndash program pro životniacute prostřediacute UNEP) platnost 11 9 2003

ČR podepsala 24 52000 (gmovschtcz) nyniacute 160 staacutetů

opatřeniacute ve staacutetech ktereacute se připojiacute k projektu (dovoz vyacutevoz transport)

vzdělaacuteniacute odborniacuteků a informovaacuteniacute veřejnosti

vytvořeniacute noveacute legislativy GMO (wwwenvcz )

spolupraacutece při vyacuteměně zkušenostiacute

Svět 2010 - viacutece než 150 mil ha viacutece než 20 zemiacute

pro vegetačniacute čaacutesti

nebo plody

CIacuteL PROTOKOLU - zajistit ochranu a bezpečnost při zachaacutezeniacute využiacutevaacuteniacute a přenosu živyacutech modifikovanyacutech organismů ktereacute jsou vyacutesledkem moderniacutech biotechnologiiacute a ktereacute mohou miacutet nepřiacuteznivyacute vliv na zachovaacutevaacuteniacute biologickeacute rozmanitosti a zdraviacute člověka Protokol je zaměřen předevšiacutem na převoz GMO přes hranice staacutetů a maacute ochraňovat zejmeacutena staacutety kteryacutem dosud chybiacute vlastniacute vnitrostaacutetniacute praacutevniacute předpisy v oblasti GMO

GMO - transgenniacute rostliny historie

EVROPA

SRN - Max-Planck-Institut

Belgie - Universita Ghent

Švyacutecarsko- ETH Zurych

ČR - Biofyzikaacutelniacute uacutestav Brno (Agrobacterium jako vhodnyacute přenašeč genů)

ČR - UacuteEB ČSAV Českeacute Budějovice (metody modifikaciacute)

2010 1 transgenniacute hraacutech v Evropě (ČR Agritec Šumperk)

transgenniacute len - oleje

FYTOPATOLOGIE IN VITRO

Fytopatologie in vitro

in vitro selekce = kultivace buněk se selekčniacutem činitelem (fitraacutet inokulum toxin)

ndash přežiacutevajiacuteciacute buňky jsou regenerovaacuteny do rostlin resistentniacuteho fenotypu

Studium interakce rostlina x patogen v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

Druh Patogen Typ biologickeacuteho testu Ciacutel

Coffea arabica Colletotrichum kahawae růst houby na kalusech vyacuteběr rezistentniacutech genotypů

Vitis vinifera Elsinoe ampelina růst kalusu na meacutediu s patogenem testy rezistence

Lycopersicon aes Alternaria alternata testy na izollistech in vitro hodnoceniacute toxicity

Pinus taeda Cronartium quercuum embryokultury s houbami vyacuteběr rezistentniacutech embryiacute

Triticum aestivum Microdochium nivale listy semenaacutečky in vitro vyacuteběr rezistentniacutech kultivarů

ozdravovaacuteniacute rostlin

klonoveacute množeniacute rezistentniacutech taxonů

Page 20: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,

selekce - vyacuteběr nejlepšiacutech rostlin křiacuteženiacute GMO

Přiacuteklad šlechtěniacute - novyacute typ ryacuteže - maleacute vzpřiacutemeneacute listoveacute čepele - hodně odnožiacute - žaacutedneacute neproduktivniacute odnože - silneacute steacuteblo - C3 ryacuteže na C4 ryacuteže

Rostlinneacute biotechnologie Co pěstujeme na poliacutech v zahradaacutech a v sadech a co naacutesledně jiacuteme prošlo za několik tisiacuteciletiacute proměnou Prvniacute změna - předkoveacute opustili životniacute styl lovců a sběračů a stali se pěstiteli zemědělskyacutech plodina a chovateli hospodaacuteřskyacutech zviacuteřat

zlataacute ryacuteže geny z 5 různyacutech druhů

- Phaseolus vulgaris pro ferritin - Aspergilus fumigatus - ferritin - ryacuteže Basmati - ferritin - Narcissus pseudonarcissus synteacuteza karotenu - Erwinia uredovora - synteacuteza karotenu

bdquozlataacute ryacuteželdquo tvořiacute zvyacutešeneacute množstviacute provitaminu A zabraacuteniacute hladu zachraacuteniacute zrak vznikla na požadavek humanitaacuterniacute organizace bdquoHumanitarien Rice Boardldquo kteraacute se snažiacute řešit probleacutemy s nedostatkem potravy v nejchudšiacutech čaacutestech našiacute planety

švyacutecarskyacute genetik Ingo Portykus a německyacute genetik Peter Bayer

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute

ekologickaacute udržitelnost kvantita a kvalita zaacutekladniacutech zdrojů zemědělstviacute ekonomickaacute udržitelnost zemědělskaacute produkce (uacuteroda na ha) a zisk cena za produkty sociaacutelniacute (společenskaacute) udržitelnost kvalita života zemědělců vysokaacute kvalita potravin bez rizika na zdraviacute a prostřediacute

Co je udržitelneacute zemědělstviacute Mohou biotechnologie pomaacutehat

snižovaacuteniacute kvality zaacutekladniacutech zdrojů vyčerpaacuteniacute zaacutekladniacutech zdrojů

Vyhliacutedky na budoucnost

naacuterůst počtu obyvatel

zvyacutešeniacute životniacuteho standardu

pokles plochy orneacute půdy

pokles pracovniacuteků v zemědělstviacute

naacuterůst cen potravin

Naacuterůst zemědělskeacute produkce s využitiacutem biotechnologiiacute

šlechtěniacute (rezistence k chorobaacutem)

noveacute plodiny

nutričniacute kvalita plodin

ochrana rostlin

bezpečnost produktů

hybnou silou biotechnologiiacute je naacuterůst obyvatel Kolik lidiacute by mělo žiacutet na planetě Zemi

Rostlinneacute biotechnologie

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute mutace s naacuteslednou selekciacute odchylek noveacute techniky EK ciacutelenyacute přenos genů

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

prvniacute zemědělci

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) BT prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute MUTACE s naacuteslednou selekciacute odchylek - odrůda ječmene bdquoDIAMANTldquo

noveacute TECHNIKY EK VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

ciacutelenyacute přenos genů GMO

CO BUDE DAacuteL zvyšovat vyacutenosy BUDE VĚTŠINA PĚSTOVANYacuteCH ZEMĚDĚLSKYacuteCH PLODIN TRANSGENNIacute

vznik zemědělstviacute

1954

jsme moudřejšiacute

maacuteme většiacute možnosti

Počaacutetek EK 1902 Gottlieb Haberland segmenty listů 1904 Hannig zralaacute embrya

Potenciaacutel rostlinneacute buňky a podstata

explantaacutetovyacutech kultur rostlin

metody a jejich aplikace

ve šlechtěniacute rostlin

EK - historie

TOTIPOTENCE rostlinneacute buňky genetickeacute informace - jaacutedro plastidy mitochondrie

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

daacute se přeneacutest v raacutemci šlechtěniacute

blok totipotence

vyjaacutedřeniacute totipotence 1 dediferenciace buňky do buněčneacuteho cyklu a pokračovaacuteniacute v děleniacute 2 rediferenciace - tvorba organickyacutech struktur - přiacutemaacute regenerace tvorba kalusu - nepřiacutemaacute regenerace

vliv růstovyacutech regulaacutetorů

Rostlinneacute biotechnologie prvniacute generace - od explantaacutetovyacutech kultur po GMO

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute rostlin - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

Explantaacutet = aseptickaacute kultivace izolovanyacutech čaacutestiacute rostlin za umělyacutech podmiacutenek

EXPLANTAacuteTOVEacute KULTURY - VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

EK - historie

Metody EK využitelneacute v zemědělstviacute Meristeacutemoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Somatickaacute embryogeneze

Embryokultury

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze + buněčneacute inženyacuterstviacute

Genetickeacute manipulace

VITRIFIKACE (hyperhydricita) ndash vyjadřuje abnormality růstu in vitro skelnatyacute syndrom vyacutehonů křehkeacute mokryacute vzhled pryacutetů (vodou nasycenyacutech) průsvitnyacute sukulentniacute vzhled

metody zachovaacutevajiacuteciacute genotyp beze změn během kultivace metody zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu během kultivace

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK 1 rychleacute namnoženiacute

2 ozdravovaacuteniacute

3 překonaacuteniacute nekřiacutežitelnosti - embryokultury

4 dlouhodobeacute udržovaacuteniacute genetickyacutech zdrojů

5 indukce mutantů - ziacuteskaacuteniacute novyacutech genotypů

6 předselekce - urychleniacute šlechtitelskeacuteho cyklu

7 ziacuteskaacuteniacute novyacutech a udrženiacute genotypů s pylovou sterilitou

8 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho procesu

9 produkce haploidů

10 produkce polyploidů

11 rychlejšiacute ziacuteskaacuteniacute vyacutechoziacuteho šlechtitelskeacuteho materiaacutelu pro noveacute odrůdy

12 somatickaacute hybridizace - fuacuteze

13 konstrukce novyacutech genotypů kulturniacutech plodin přenos bdquoužitečnyacutech genůldquo

14 udržovaacuteniacute genofondu

15 selekce in vitro - rezistence k abiotickyacutem a biotickyacutem stresům

16 produkce sekundaacuterniacutech metabolitů

Plodina Technika

ječmen pšenice kukuřice

řepka paprika brukvovitaacute

zelenina mrkev

androgeneze

cibule gynogeneze

jahodniacutek česnek ozdravovaacuteniacute

brambor traacutevy polyploidizace in vitro

jeteloviny drobneacute ovoce

ovocneacute dřeviny podnože traacutevy mikropropagace

brambor řepka somatickaacute hybridizace

hraacutech brambor rezistence k chorobaacutem

traacutevy embryokultury

Kombinace metod embryokultury oplozeniacute in vitro fuacuteze protoplastů

plodiny se geneticky upravujiacute pro většiacute rezistenci k herbicidům - ničeniacute plevele bez poškozeniacute uacuterody GM rajčata potlačujiacute gen pro polygalakturonaacutezu enzym degradujiacuteciacute pektin způsobujiacuteciacute měknutiacute pletiv (Deacon a kol 2002)

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK

Meristeacutemoveacute kultury

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny meristeacutemoveacute kultury

Vyacutehody maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky naacuteslednaacute mikropropagace ozdraveneacuteho materiaacutelu bdquovirus - freeldquo

Vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana Iniciace kultury Testovaacuteniacute in vitro Přenos do nesterilniacutech podmiacutenek Testovaacuteniacute

MERISTEacuteM ndash děliveacute nediferencovaneacute pletivo ozdravovaacuteniacute rostlin (02 - 05 mm) meristeacutemy

OZDRAVOVAacuteNIacute Termoterapie (vyššiacute teplota)

Meristeacutemovaacute kultura Chemoterapie (antivirotika)

viry - nebuněčneacute mikroorganismy virovaacute čaacutestice = virion sklaacutedaacute se z RNA nebo DNA a kapsidu

fytopatologie in vitro

ribavirin

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny

Vyacuteznamneacute viroveacute choroby rostlin v ČR od 30 ztraacutet CaMV - 1968 PVY 30 -70 VMCH (virus mozaiky chmele) až o 70 mozaika česneku 25 - 50 žloutenka cibule až 100 bronzovitost rajčat

- žloutnutiacute listů kroužky a čaacutery na listech nevyvinuteacute rostliny abnormaacutelniacute růst - vstupujiacute různyacutemi poraněniacutemi - šiacuteřiacute se plasmodesmaty - velmi odolneacute proti inaktivaci - přenaacutešeny semeny hliacutezami pylem roubovaacuteniacutem hmyzem houbami červy

1952 Morel a Martin u jiřin

Využitiacute metody jahodniacutek česnek zeleniny květiny okrasneacute dřeviny ovocneacute dřeviny banaacutenovniacutek hellip

Tvorba bezviroacutezniacutech rostlin

1 meristeacutem = 1 rostlina testovaacuteniacute

wwwoselczindexphpclanek=2819

viroacutezniacute x zdravaacute

M Navraacutetil KBBPřFUPOL

PVY

In vitro klonovaacuteniacute mikropropagace meristeacutemoveacute kultury

zisk geneticky identickeacute rostliny vegetativniacutem množeniacutem

VYacuteHODY

maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny ktereacute jsou geneticky stabilniacute

v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky

vyššiacute množitelskyacute koeficient - potenciaacutelniacute hodnota zisku rostlin

Postup - vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana - iniciace kultury - mikropropagace - přenos do nesterilniacutech podmiacutenek

KLON - kolekce geneticky identickyacutech individuiacute původem z jedineacuteho rodiče

komerčně od 1960

httpwwwjanholubcz

In vitro meristeacutemoveacute kultury - využitiacute - zaacutechrana a množeniacute ohroženyacutech druhů kaktusy

- zaacutechranneacute množeniacute cennyacutech genotypů a liniiacute sterilniacutech rostlin - udrženiacute rodičovskyacutech komponent pro tvorbu hybridniacutech odrůd

- množeniacute transgenniacutech rostlin

- zachyceniacute a klonovaacuteniacute nově nalezenyacutech mutantů při šlechtěniacute

- klonovaacuteniacute nejlepšiacutech jedinců pro produkci elitniacuteho osiva

- vegetativniacute množeniacute okrasnyacutech rostlin karafiaacutet gerbera anthurie orchideje

sanpaulie kapradiny hellip

- množeniacute drobneacuteho ovoce jahodniacutek maliniacutek reacuteva

- množeniacute dřevin podnože pro školkařstviacute lesniacute dřeviny tropickeacute dřeviny

- v zelinaacuteřstviacute množeniacute brambor zeliacute

- množeniacute pouze samičiacutech rostlin datlovaacute palma

- kryoprezervace (-196 oC) jahodniacutek maliniacutek hraacutech brambor karafiaacutet

Genoveacute

banky

Mikropropagace multiplikace klonovaacuteniacute nejen z meristeacutemů

Solanum tuberosum Cucumis sativus Olea europea Eucalyptus grandis Salix sp Syringa sp Juglans regia

Schopnost regenerace tvorba identickyacutech rostlin = přiacutemaacute somatickaacute embryogeneze

Meristeacutemy Pryacutetoveacute segmenty Kalusy Embrya

Zdroje odchylek bull vysokeacute daacutevky růstovyacutech regulaacutetorů typ regulaacutetoru bull rostliny regenerujiacute z basaacutelniacuteho kalusu (možnost gen změn)

Kalusoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Primaacuterniacute explantaacutet kalus meristemoid orgaacutenoveacute primordium

Kalus = masa děliacuteciacutech se a rostouciacutech buněk

nejsou uniformniacute mohou se lišit velikostiacute tvarem pigmentaciacute metabolismem nebo počtem chromosomů

bull za určityacutech podmiacutenek regenerace pryacutetů a kořiacutenků

tma x světlo

subkultivace

metoda geneticky nestabilniacute

Kalusoveacute kultury - somaklonaacutelniacute variabilita ndash MUTACE a zisk novyacutech znaků

- mikropropagace ndash cibule žen-šen hellip

- vyacutechoziacute materiaacutel pro suspenzniacute a protoplastovou kulturu

- materiaacutel pro indukovaneacute mutace (zaacuteřeniacute chemomutageny)

- sekundaacuterniacute metabolity (alkaloidy AMK saponiny oleje složky vůniacute protinaacutedoroveacute laacutetky steroidy )

polyploidie aneuploidie

Selekce mutantů se zlepšenou nutričniacute hodnotou (viacutece biacutelkovin v zrnu)

Rezistence vůči zasoleniacute (vysokyacute turgor v buňkaacutech akumulace NaCl ve vakuolaacutech)

Rezistence vůči chorobaacutem (synteacuteza fytotoxinů fytoalexinů)

Sekundaacuterniacute metabolity (= chemickeacute individuality v rostlinaacutech ndash barviva vůně chuti obrana)

Artemisia annua - artemisin (antimalarika) Capsicum sp - capsaicin (protinaacutedoroveacute)

Digitalis lanata - digoxin (srdečniacute stimulanty) Papaver somniferum - codein (sedativa)

Taxus breviola - taxol (protinaacutedoroveacute) Vanilla planifolia - vaniliacuten (aroma)

Panax ginseng - (imunitniacute systeacutem) Zingiber officinale ndash gingerol (antioxidant)

Somatickaacute embryogeneze a suspenzniacute kultury

Využitiacute

umělaacute semena (enkapsulace somatickyacutech embryiacute)

využitiacute somatickeacute variability

klonoveacute množeniacute

sekundaacuterniacute metabolismus (suspenze)

kryoprezervace

Buněčnaacute suspenze = převedeme kalus do tekuteacuteho meacutedia

a provzdušňujeme (kontakt buněk a shluků buněk s meacutediem)

vznikaacute bipolaacuterniacute struktura obsahujiacuteciacute kořen a pryacutet

auxin (24-D)

umělaacute semena

Mutace RADIOMUTANT PROSPĚCH NEBO ZAacuteLUDNOST

SPONTAacuteNNIacute MUTACE využiacutevaacute člověk při šlechtěniacute odrůd spur typy (kompakt typy) jabloniacute absence trnů u ostružiniacuteku variabilita květenstviacute jiřinky proměnliveacute vznik plemen domaacuteciacutech zviacuteřat je založen na podchyceniacute spontaacutenniacutech mutaciacute ndash plemena psů

INDUKOVANEacute MUTACE působeniacute mutagenů

zaacuteměrneacute ndash ve vyacutezkumu ve šlechtěniacute rostlin (př odrůdy ječmene DIAMANT (zkraacuteceniacute steacutebel ndash nepoleacutehaacute) kompaktniacute růst a samosprašnost třešně změna barvy slupky u jabloně ndash sbquoredlsquo mutace)

nezaacuteměrneacute ndash důsledek použitiacute jadernyacutech a chemickyacutech zbraniacute ndash Yperit jaderneacute a jineacute katastrofy

1950 radiomutace chemomutace 1965 ječmen Diamant

Suspenzniacute kultury - SK KULTURA V TEKUTEacuteM MEacuteDIU ROSTE A DĚLIacute SE NĚKOLIKANAacuteSOBNĚ RYCHLEJI NEŽ KULTURA

NA PEVNEacuteM MEacuteDIU Využitiacute jako experimentaacutelniacute model produkce sekundaacuterniacutech metabolitů indukce somaklonaacutelniacute variability a naacutesledneacute selekce mikropropagace (pod kontrolou genetickeacute stability) pohyb kultury v bioreaktoru maacute za naacutesledek potlačeniacute apikaacutelniacute dominance tiacutem se stimuluje růst mnohonaacutesobnyacutech pryacutetů

Bioreaktory firmy VitroSys Inc Korea

ideaacutelniacute SK ndash rychlyacute růst karyologickaacute stabilita životnost buněk rentabilita

Minimaacutelně 103 ml buněk 110 suspenze v exponenciaacutelniacute faacutezi se doplniacute čerstvyacutem meacutediem Koncentrace sacharidů prodlužuje periodu růstu

Velkokapacitniacute kultivace rostlinnyacutech buněk v tekutyacutech meacutediiacutech sterilniacute prostřediacute obsahujiacuteciacute živiny a laacutetky potřebneacute pro růst a jeho regulaci vhodneacute pro kultivaci rostlinnyacutech mikrobiaacutelniacutech a živočišnyacutech buněk

Bioreaktor

Bioreaktory s tekutyacutem meacutediem explantaacutety jsou ponořeny v tekuteacutem meacutediu Bioreaktory s pravidelnyacutem zaplavovaacuteniacutem (temporary immersion bioreactor TIB) explantaacutety jsou pravidelně zaplavovaacuteny

Bioreaktor

httpwwwuebcasczcscontentzensenove-spagety

pěstujiacute se jen kořeny - zisk GINSENOSIDŮ za 3 měsiacutece v laboratoři stejnyacute zisk jako z rostlin ženšenu v přiacuterodě za 8 let obsah GINSENOSIDŮ je srovnatelnyacute s planě rostouciacutemi rostlinami množstviacutem i vzaacutejemnyacutem poměrem jednotlivyacutech laacutetek

v Koreji od r 2004

hairy-root systeacutem a sekundaacuterniacute metabolity

Sekundaacuterniacute metabolity - SM ROSTLINA BUNĚČNAacute KULTURA

EXTRAKT prověřovaacuteniacute oddělovaacuteniacute čištěniacute aktivniacute složky testovaacuteniacuteprověřovaacuteniacute

ČISTAacute BIOAKTIVNIacute LAacuteTKA

SM z buněčneacute kultury - extrakty ziacuteskaneacute za reprodukovatelnyacutech podmiacutenek spolehliveacute zdroje meacutedium - množstviacute čisteacuteho produktu

buňky rostou v tekuteacutem meacutediu -ne celaacute rostlina

produkt rostlina in vitro ()

rostlina ()

poměr

ginsenoside Panax ginseng 27 45 6 x

rosmarinic acid Coleus blumei 27 3 9 x

caffeic acid Vanilla planifolia 002 0005 4 x

shikonin Lithospermum erythrorhizon

20 15 135 x

ubiquinon-10 Nicotiana tabacum 0036 0003 12 x Heldman et al 2011

anti

oxy

dan

ty v sušině

bioreaktory

Sekundaacuterniacute metabolity - SM Rostlina Uacutečinnaacute laacutetka Uacutečinek

Artemisia annua pelyněk ročniacute artemisinin antimalarikum

Digitalis lanata naacuteprstniacutek vlnatyacute digoxin srdečniacute stimulants

Dubosia myoporoides lilkoviteacute atropin

scopolamin

očniacute přiacutepravky mořskaacute nemoc

Lithospermum

erythrorhizon

kamejka

rudokořennaacute

shikonin protinaacutedoroveacute

Panax ginseng ženšen pravyacute stimulant imunitniacuteho systeacutemu

Salix alba vrba biacutelaacute salicin antirevmatikum proti horečce

Taxus brevifolia tis

zaacutepadoamerickyacute

baccatin taxol protinaacutedoroveacute

Vinca rosea barviacutenek růžovyacute vinblastin

vinkristin

protinaacutedoroveacute alkaloidy

leukeacutemie

buněčnaacute kultura

Rostlina Extrakt Uacutečinek

Linum usitatissimum len setyacute olej

Mentha piperita maacuteta peprnaacute maacutetovyacute olej -

mentol

žaludečniacute potiacuteže

Mentha spicata maacuteta klasnataacute mentol žaludečniacute potiacuteže

Zingiber officinale zaacutezvor leacutekařskyacute gingerol antioxidant

informace z tradičniacute lidoveacute mediciacuteny - použitiacute extraktů a purifikace zdroje z nedotčeneacuteho ekosysteacutemu

kalusovaacute kultura buněčnaacute suspenze orgaacutenovaacute kultura - Artemisia Mentha - pryacutety

rostliny jsou vyacuterobci sekundaacuterniacutech metabolitů

cytostatikum

Sekundaacuterniacute metabolity - SM

Heldman et al 2011

VYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY

nezaacutevisleacute na geografickyacutech podmiacutenkaacutech

nezaacutevisleacute na sezoacutenniacutech podmiacutenkaacutech

v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

v přiacuterodě kontrolovaacuteno množstviacute in vitro ne

nepřetržitaacute dodaacutevka produktu

uniformniacute kvalita produktu

uniformniacute vyacutetěžnost produktu (průběžně)

vyacuteběr vhodneacute linie s vyššiacute produkciacute produktu

možnost tvorby novyacutech laacutetek nenormaacutelniacutech u donora

NEVYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY staacutele se vyviacutejejiacuteciacute

překaacutežky - pomalyacute růst

genetickaacute nestabilita

různorodost

niacutezkyacute obsah metabolitu

produkty vylučovaacuteniacute provozniacute - světelneacute podmiacutenky aseptickeacute podmiacutenky

STRATEGIE TVORBY SM vyacuteběr donorovyacutech rostlin - biochemickeacute testy

iniciace kalusů

vyacuteběr buněčneacute linie - rychle rostouciacute vysokaacute produkce

ciacutelenyacute metabolismus - kultivačniacute meacutedium (složeniacute koncentrace proporcionalita)

kultivačniacute podmiacutenky (teplota světlo pH) zvlaacuteštniacute požadavky (prekurzor simulace stresu - napadeniacute patogenem)

uvolněniacute do meacutedia

Embryokultury

Embryokultury = kultivace zralyacutech nebo nezralyacutech embryiacute in vitro

1904 Hannig - embrya u ředkve

1925 Laibach - aplikace v mezidruhoveacutem křiacuteženiacute r Linum sp

1945 Randolph - zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu u r Iris sp

1970 Kasha Kao - ziacuteskaacuteniacute haplodů u ječmene

Hordeum vulgare (zůstaacutevaacute) x Hordeum bulbosum (eliminace chromozoacutemů)

Zygotickaacute embrya vyacuteživa z endospermu (heterotrofniacute)

Embrya in vitro vyacuteživa z kultivačniacuteho meacutedia

In vitro oplodněniacute u člověka - 1978 pro neplodneacute paacutery

geneticky stabilniacute metoda

Embryokultury- in vitro

I Kultura semennyacutech embryiacute tj izolace plně vyvinutyacutech

bipolaacuterniacutech struktur obsahujiacuteciacutech kořenovyacute a stonkovyacute systeacutem

II Kultura proembryiacute tj izolace nezralyacutech zaacuterodků předchaacutezejiacuteciacutech

diferenciaci děloh

Embryogeneze zygotickeacuteho embrya (in vivo)

zygota (přiacuteprava na 1 děleniacute)

faacuteze pomaleacuteho vyacutevinu embrya po oplozeniacute

faacuteze rychleacuteho vyacutevinu růstu a diferenciace embrya

faacuteze dozraacutevaacuteniacute embrya

faacuteze přechodu embrya do dormance (ABA)

Embryokultury

1 překonaacuteniacute barieacuter vzdaacuteleneacuteho křiacuteženiacute (abortace hybridniacutech embryiacute sterility semen)

2 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu (viacutece generaciacute za rok)

3 řešeniacute jarovizačniacuteho staacutedia

4 primaacuterniacute explantaacutet pro dalšiacute kultury

5 eliminace inhibice kliacutečeniacute

6 studium mineraacutelniacute vyacuteživy

7 umělaacute semena

8 studium metabolickyacutech vztahů mezi embryem a endospermem embryem a dělohami

9 ziacuteskaacuteniacute haploidniacutech rostlin

Opylovaacuteniacute in vitro

Opylovaacuteniacute in situ

in vitro

Inkompatibilita rostlin

zaručuje stabilitu druhu

Barieacutery procesu opyleniacute a oplozeniacute

vnějšiacute (teplota vlhkost nedostatečnaacute vyacuteživa )

vnitřniacute (inkompatibilita samčiacute nebo samičiacute sterilita)

využitiacute v raacutemci šlechtěniacute rostlin k překonaacuteniacute prezygotickyacutech barieacuter vznik mezidruhovyacutech mezirodovyacutech hybridů

Barieacutery Technika překonaacuteniacute

Před oplodněniacutem selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute blizny pestiacuteku pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

rezistence vůči abiotickeacutemu stresu rezistence vůči škůdcům vyššiacute vyacutenos

přenos z jineacuteho druhu

EK využitiacute ve šlechtěniacute

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury HAPLOID rostlina s n počtem chromozomů menšiacute sterilniacute

1963 T Yamada a kol Tradescantia reflexa (haploidy)

1964 - 1966 S Guha SC Maheswari Datura diploidizace kolchicinem

1969 JP Nitsch a kol celeacute rostliny (tabaacutek)

1973 JP Nitsch Norrel mikrosporoveacute kultury

2000 šlechtitelskeacute programy polniacutech plodin (obiloviny řepka)

využiacutevajiacute haploidniacute kultury in vitro

Androgeneze prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Androgeneze - kultivace prašniacuteků pyl zrn mikrospor = samčiacute genotyp

Gynogeneze - kultivace neoplodněnyacutech vajiacuteček = samičiacute genotyp

Haploidie - spontaacutenniacute = haploidniacute partenogeneze (gynogeneze androgeneze) frekvence 10-6

- experimentaacutelniacute indukovanaacute

fyzikaacutelniacute faktory = UV γ-zaacuteřeniacute X-paprsky teplotniacute šoky

zaacutesahy do procesů opyleniacute a oplozeniacute (inaktivniacute pyl)

explantaacutetoveacute metody = prašniacutekoveacute a pyloveacute kultury kultivace semeniacuteků a vajiacuteček

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury Ontogeneze pylu

In vivo mikrosporogeneze

pylovaacute mateřskaacute buňka

meiosa

pyloveacute tetraacutedy

vyacutevoj mikrospory (1 pyl mitoacuteza)

In vitro vyacutevoj embryoidu

(vegetativniacute generativniacute buňka)

- přiacutemaacute embryogeneze

- nepřiacutemaacute embryogeneze

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

využitiacute haploidů (majiacute jen jednu sadu chromosomů)

segregace vloh na gametickeacute uacuterovni ndash homozygoacutetniacute stav (čisteacute linie v F2 generaci)

detekce recesivniacutech mutaciacute (fenotypickyacute projev)

trpasličiacute varieta ndash u okrasnyacutech rostlin

Dihaploidizace

n rostliny - sterilniacute

104 ndash 105 mikrospoacuterml meacutedia

Brassica sp

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Prašniacutekoveacute kultury

viacutece než 200 druhů (řepka ryacuteže kukuřice obiloviny)

20-60 dnů

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

vyacutevoj globulaacuterniacuteho embrya a naacutesledně haploidniacute rostliny přiacutemo z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory

z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory vznikaacute kalus rarr indukce organogeneze

TYPY ANDROGENEZE

vzaacutecně

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Solanaceae

Brassicaceae

Poaceae

prašniacuteky

Androgeneze

Indukovanaacute androgeneze ndash přiacuteklady

Beta vulgaris - homozygotniacute linie

Brassica napus - novaacute odrůda linie

Hordeum vulgare

Lycopersicon - novaacute odrůda

Nicotiana - noveacute odrůdy

Oryza - noveacute odrůdy

Pelargonium - trpasličiacute variety

Triticum ndash cv Florin Huapei

Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby Praha Vyacutezkumnyacute uacutestav obilnaacuteřskyacute Kroměřiacutež Vyacutezkumnyacute uacutestav olejnin Oseva

Gynogeneze kultury izolovanyacutech vajiacuteček

kultury izolovanyacutech semeniacuteků

kultury izolovanyacutech květenstviacute in vitro

haploidniacute rostliny

spontaacutenniacute dihaploidniacute rostliny

ječmen kukuřice moruše

slunečnice cibule

kultivace vajiacuteček Beta vulgaris Tomaszewska-Sowa 2010

327 haploids 458 diploids and 215 ndash mixoploids

x opyleniacute ozaacuteřenyacutem pylem

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

Polyploidizace in vitro

duplikace celeacuteho genomu až 70 všech krytosemennyacutech rostlin je polyploidniacutech (Masterson 1994) POLYPLOID metabolicky aktivnějšiacute a rozměrnějšiacute plodiny ktereacute jsou vhodneacute pro pěstovaacuteniacute a leacutepe se vyrovnaacutevajiacute se stresovyacutemi podmiacutenkami

kolchicin

oryzalin

trifluralin

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze protoplastů

1892 Klecker - 1 mechanickaacute izolace protoplastů Stratiotes aloides (řezan pilolistyacute) 1960 EC Cocking 1 enzymatickaacute izolace protoplastů Nicotiana sp 1978 G Melchers a kol 1 mezirodovyacute hybrid bdquopomatoldquo bdquotopatoldquo Solanum tuberosum x S lycopersicum (Lycopersicum esculentum)

httptheplanetfixerorg387new-vegetable-created-the-tomato-potato-plant

Protoplastoveacute kultury

= kultivace rostlinnyacutech buněk zbavenyacutech buněčneacute stěny

Protoplast = rostlinnaacute buňka bez buněčneacute stěny jejiacute povrch tvořiacute cytoplazmatickaacute membraacutena maacute kulovityacute tvar

Protoplastoveacute kultury - regenerace

Faktory ovlivňujiacuteciacute kultivaci a regeneraci

Hustota ( počet protoplastů v 1 ml)

Životnost ()

Podmiacutenky kultivace a meacutedium

bull Studium synteacutezy buněčneacute stěny vyacutevoj buňky fyziologie buňky a cytogenetiku

bull Studium hodnoceniacute uacutečinků farmak potravinovyacutech doplňků agrochemickyacutech laacutetek na rostlinnou

buňku

bull Studium transportu iontů a laacutetek přes cytoplasmatickou membraacutenu

bull Somatickaacute hybridizace (fuacuteze protoplastů)

bull Inkorporace exogenniacuteho genetickeacuteho materiaacutelu ndash organel cybridizace

bull Genoveacute transformace (cizorodaacute DNA z bakteriaacutelniacuteho plasmidu)

Protoplastoveacute kultury - fuacuteze

Využitiacute

kombinace znaků odlišnyacutech druhů a rodů ktereacute by nevznikly přirozenou cestou

jedinečneacute kombinace jadernyacutech a organelovyacutech genomů vytvaacuteřiacute noveacute genetickeacute zdroje

často jen - čaacutest chromozomů asymetrickeacute jaderneacute hybridy

chloroplasty

mitochondrie

chemickeacute fuacuteze - pomalejšiacute elektrofuacuteze - fuacutezanti po 10 min vyššiacute frekvence fuacutezantů

cytoplazmickeacute hybridy - cybridy

Charakterizace hybridů - morfologicky cytologicky molekulaacuterniacute analyacutezy

Přirozenaacute mezidruhovaacute hybridizace - vznik některyacutech kulturniacutech plodin

B oleracea + B campestris = Brassica napus Nicotiana sylvestris + N tomentosa = Nicotiana tabacum

cybridy nelze ziacuteskat klasickou hybridizaciacute (křiacuteženiacutem) ndash samčiacute pohlavniacute buňky (pyl zrna) nemajiacute plastidy a mitochondrie

V přiacuterodě blesky do půdy modifikace bakteriiacute

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

Přenos jaderneacute a cytoplazmatickeacute genetickeacute informace mezi rostlinnyacutemi druhy rody

- překonaacuteniacute sexuaacutelniacute inkompatibility

- přenos genů rezistence vůči virovyacutem houbovyacutem chorobaacutem

- přenos cytoplazmatickeacute samčiacute sterility

- přenos rezistence vůči stresům (teplotniacutem zasoleniacute)

- přenos rezistence vůči hmyziacutem škůdcům

(synteacuteza fytoalexinů)

- přenos genů pro synteacutezu zaacutesobniacutech proteinů vitamiacutenů

alkaloidů

plnokvětost

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

využitiacute pro fytoremediace

Brassica juncea Tlaspi caerulescens brukev siacutetinovitaacute peniacutezek modravyacute akumulace Pb akumulace Zn a Ni hybrid se zvyacutešenou rezistenciacute k Pb Zn a Ni rychlyacute naacuterůst

biomasy

Brassica napus Thlaspi caerulescens hybridi rostly na vysokeacutem obsahu Zn

Fuacuteze protoplastů rodu Brassica s planyacutemi druhy

Armoracia rusticana

Barbarea vulgaris

Camelina sativa

Capsella bursa pastoris

Diplotaxis catholica

Diplotaxis muralis

Diplotaxis harra

Eruca sativa

Lesquerella fendleri

Mathiola incana

Moricandia arvensis C4

Moricandia nitens C4

Raphanus sativus

Sinapis alba

Sinapis arvensis

Thlaspi perfoliatum

Thlaspi caerulescens

Genoveacute banky In vitro genoveacute banky

2397 vzorků 1249 odrůd Solanum tuberosum 450 teraploidniacutech křiacuteženců S tuberosum 266 dihaploidů 119 mezidruhovyacutech hybridů rodu Solanum 313 genotypů kulturniacutech genotypů 23 planyacutech druhů

Havliacutečkův Brod

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu rostlin

1 Uchovaacutevaacuteniacute semen ndash semenneacute banky (od 1 roku - hellip)

2 Uchovaacutevaacuteniacute vegetativniacutech orgaacutenů ndash hliacutezy cibule řiacutezky

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro Kraacutetkodobeacute - aktivně rostouciacute kultury (pravidelneacute pasaacuteže) - uchovaacuteniacute kultur v minimaacutelniacutem růstu nižšiacute teploty kultivace

Dlouhodobeacute u rostlin kde nejsou semena

- za velmi niacutezkyacutech teplot (-196oC) = kryobanka

Databaacuteze ndash přiacutestupneacute z celeacuteho světa

Špicberky

genobanka - wwwvurvcz part databases EVIGEZ

vyacuteznam v mediciacuteně

Zaacuteložniacute fond semena potravinaacuteřskyacutech plodin z celeacuteho světa

stane se zaacuteložniacutem fondem pro ostatniacutech 1400

semennyacutech bank po celeacutem světě

v Iraacuteku a v Afghaacutenistaacutenu byla podobnaacute zařiacutezeniacute za

vaacutelky zcela zničena

na Filipiacutenaacutech je v roce 2006 poškodila povodeň

semennaacute banka pro světoveacute plodiny je umiacutestěna v hoře

maacute vyztuženeacute stěny betonem a železem

třiacute komory o velikosti 27 kraacutet 10 metrů

teplota minus 18 oC (konzervace po stovky až tisiacutece let) httpwwwnorambczarkivBasisartikler---OversettelserIkke-

bruktnovinkyseedvault_eng

k 1172010 zde bylo uloženo 716 523 vzorků semen patřiacuteciacutech ke 4 205 druhům

českaacute banka uloženaacute v Praze-Ruzyni zaacuteloha na Slovensku

Špicberky

Uchovaacutevaacuteniacute genofonduv ČR

genofond odrůd meruněk broskvoniacute mandloniacute reacutevy vinneacute kdouloniacute lonicer rakytniacuteků a dřiacutenů

2400 položek

25 000 položek

5400 položek 2397

položek

4700 položek

2000 položek

2300 položek

Naacuterodniacute informačniacute systeacutem genetickyacutech zdrojů EVIGEZ httpwwwgenbankvurvczgeneticresources

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro

KRYOBANKA

prašniacuteky a pyl pletiva a orgaacuteny meristeacutemy

kalus

suspennzniacute somatickaacute kultury embrya

dlouhodobeacute skladovaacuteniacute

nižšiacute naacuteroky na uchovaacuteniacute

mezinaacuterodniacute vyacuteměna

nižšiacute podiacutel lidskeacute praacutece

potřeba menšiacuteho prostoru

uchovaacuteniacute genetickeacute stability

omezeniacute staacuternutiacute

ozdravenyacute materiaacutel

prodlouženeacute použitiacute pylu

uchovaacuteniacute vzaacutecnyacutech rostlin

apikaacutelniacute vrcholy

Biotechnologickaacute laboratoř Nestleacute - uchovaacutevaacute buněčneacute embryogenniacute linie kaacutevy kakaa a banaacutenů

Německaacute sbiacuterka mikroorganismů a buněčnyacutech kultur (DSMZ Braunschweig Německo) meristeacutemy 519 staryacutech kultivarů brambor ndash metoda mrazeniacute alginaacutetovyacutech perel

International Potato Centre (CIP Lima Peru) - 345 kultivarů brambor

INIBAP Leuven Belgie - 306 kultivarů banaacutenu (14 ze světoveacuteho počtu kultivarů)

Naacuterodniacute genobanka klonů NCGR USA - ročniacute naacuteklady

udržovaacuteniacute jedneacute položky v sadu (hrušně) 77 dolarů na skladovaacuteniacute in vitro 23 dolarů na kryoprezervaci 1 dolar (při počaacutetečniacute investici na kryometodu 50 dolarů za uchovaacutevanou jednotku)

Přiacuteklady komerčniacuteho využitiacute kryoprezervace meristeacutemů

Aplikace biotechnologiiacute ve šlechtěniacute rostlin

rostliny postraacutedajiacute schopnost aktivně se přesouvat z dosahu nepřiacuteznivyacutech vlivů rostliny vyvinuly adaptačniacute mechanismy pro překonaacuteniacute stresů a tiacutem přežitiacute v extreacutemniacutech podmiacutenkaacutech

Biotechnologie v zemědělstviacute ekologickeacute zemědělstviacute

VLIV ŠKŮDCŮ CHOROB A PLEVELŮ NA ZEMĚDĚLSKEacute PLODINY

1 sniacuteženiacute velikosti a vaacutehy zrna 2 ztraacuteta ve velikosti hliacutez a kořenů 3 zvyacutešeniacute obsahu vlhkosti 4 změny v chemickeacutem složeniacute zrna hliacutez a kořenů 5 odbarveniacute zrna a hliacutez - deformace 6 tvorba mykotoxinů patogeny 7 sniacuteženiacute kliacutečivosti 8 redukce krmiva

spotřeba vody - rezistence k suchu sniacutežiacute spotřebu uchovaacuteniacute vody rostlinou aplikace hnojiv chemickaacute kontrola škůdců

- studium abiotickeacuteho stresu

- zlepšeniacute ochrany rostlin vůči škůdcům

- ochrana životniacuteho prostřediacute

- zlepšeniacute kvality potravin

odstraněniacute hladu GMO fytoremediace

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

ohroženiacute klimatickyacutem suchem v ČR ndash nejrizikovějšiacute oblasti nižšiacute polohy na jižniacute a středniacute Moravě v prostoru mezi Prahou Uacutestiacutem nad Labem a Žatcem zaacutepadně od Pardubic

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

Rezistence k suchu - využitiacute vody

Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

vyacutevoj samčiacuteho gametofytu - spojen s expresiacute genů - 150 specifickyacutech genů spraacutevneacute načasovaacuteniacute

sporofyt gametofyt

2n 1n

rostlina pylovaacute zrnazaacuterodečnyacute vak

pohlavniacute rozmnožovaacuteniacute přiacuterodniacute vyacuteběr

pylzrna - exina (ovlivněna sporofytem) ochrana před UV laacutekaacuteniacute opylovačů - barva vůně komunikace s bliznou produkce alergenů

strategie rostlin zabraacuteněniacute samoopyleniacute

Biotechnologie v zemědělstviacute samčiacute gametofyt n TETRASPORE (TES) reg gen je vyžadovaacuten ke tvorbě přepaacutežek mezi produkty meioacutezy u mutanta všechna čtyři jaacutedra mikrospoacutery zůstaacutevajiacute ve stejneacute cytoplazmě polyploidniacute jedinci n GEMINI POLLEN 1 (GEM1) reg gen je vyžadovaacuten k orientaci mitotickeacuteho vřeteacutenka mutant tvořiacute dvě symetrickaacute jaacutedra typu vegetativniacuteho vede ke sterilitě n SIDECAR POLLEN (SCP) reg gen je vyžadovaacuten k děleniacute pylu prvniacute symetrickaacute pylovaacute mitoacuteza mutanta daacutevaacute dvě stejneacute buňky jedna extra- vegetativniacute (sterilniacute sidecar) a druhaacute regvegetativniacute a generativniacute mutace nevede ke sterilitě n QUARTET (QRT) reg gen je vyžadovaacuten k separaci pylovyacutech zrn u mutantů jsou stěny meiotickyacutech produktů pyloveacute mateřskeacute buňky fuacutezovaacuteny a zrna se uvolňujiacute v tetraacutedaacutech

samičiacute makrogametofyt n FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED (FIS) a FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) reg geny hrajiacute regulačniacute role ve vyacutevinu semene po oplozeniacute u mutantů se diploidniacute jaacutedra endospermu vyviacutejejiacute bez oplozeniacute pak atrofujiacute mutace neovlivňujiacute vaječnou buňku - procesy embryogeneze a vyacutevinu endospermu jsou odlišneacute n MEDEA (MEA) reg mutace genu způsobuje hypertrofii a zaacutenik embrya neniacute jasneacute na jakeacute uacuterovni se gen projevuje zaacuterodečnyacute vak endosperm nebo maternaacutelně imprintovanyacute embryonaacutelniacute gen

Biotechnologie ve šlechtěniacute rostlin Selektivniacute šlechtěniacute rostlin - přiacuterodniacute genetickeacute diverzity rostlin Techniky překonaacuteniacute barieacuter šlechtěniacute

Barieacutery Technika překonaacuteniacute Před oplodněniacutem

selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute pestiacuteku

pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony

pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro

selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů

odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute

abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry

sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

vyacutevoj semen

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

Škůdci v historii naacutelety sarančat (Staryacute zaacutekon)

ochrana saze tabaacutek

začaacutetek 19 stol - siacutera na houboveacute patogeny 1939 objev DDT uacutečinek na hmyz teorie bdquohmyz se může staacutet rezistentniacuteldquo 1948 Nobelova cena P Muumlller

50 leacuteta 20 st - herbicidy - postřiky na plevele ( rezistence na herbicid) 1972 zaacutekaz DDT (vyacutejimka - boj s malaacuteriiacute v Africe - naacutevrat DDT)

škůdce - hmyz hliacutestice 1861 - v Americe Iowa Nebraska 1880 1 pesticid v S Americe arzeacutenem bdquoParis greenldquo

S rostouciacute intenzitou pěstovaacuteniacute roste hospodaacuteřskyacute vyacuteznam škodlivyacutech organismů objem škod se zvyšuje staacutele přibyacutevajiacute noveacute druhy škodlivyacutech organismů zavaacutedějiacute se staacutele noveacute prostředky

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin - hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy

1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho

obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

ROS Reactive oxygen species reaktivniacute formy kysliacuteku SAR Systemic acquired resistance systeacutemově ziacuteskanaacute rezistence = neinfikovaneacute buňky začiacutenajiacute s přiacutepravou na atak patogena

napadeneacute rostliny uvolňujiacute signaacutelniacute molekuly (těkaveacute laacutetky - druhově specifickeacute) a varujiacute okolniacute rostliny ještě před napadeniacutem hmyzem

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin -hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy 1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

produkujiacute u různyacutech rostlin různě - sekundaacuterniacute metabolity - odstrašeniacute nebo zničeniacute patogena - proteiny inhibujiacuteciacute aktivitu zažiacutevaciacutech enzymů hmyzu - enzymy degradujiacuteciacute buněčnou stěnu hub (chitinaacutezy) - proteiny inhibujiacuteciacute překlad proteinů u škůdce - antiviroveacute složky degradujiacuteciacute virovou RNA blokujiacute vstup do buňky zastavujiacute replikaci

geny ktereacute bdquoSARldquo zapiacutenajiacute zvyšujiacute rezistenci rostliny

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům - již v čaacutesti fytotatologie

Co je plevel soutěžiacute s plodinou o živiny světlo a prostor intenziacutevně roste podiacuteliacute se na šiacuteřeniacute chorob a škůdců

lat herba - rostlina řeč cidoacute - ničiacutem

Vznik rezistence plevelů vůči některyacutem herbicidniacutem laacutetkaacutem = reakce plevelnyacutech druhů na podmiacutenky současneacuteho pěstovaacuteniacute rostlin = dlouhodobeacute působeniacute herbicidů

Vyacutevoj plevelů na zemědělskeacute půdě v naacutevaznosti na skladbu pěstovanyacutech plodin Vznik rezistence plevelů vůči herbicidům Problematika invaziacute a expanziacute plevelů

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům

Rezistenci vůči herbicidům způsobujiacute biochemickeacute fyziologickeacute změny nebo morfologickeacute odlišnosti ktereacute ovlivňujiacute přiacutejem herbicidů rostlinou

- degradujiacute herbicid

- měniacute jeho biochemickou funkci v rostlině

- pozměňujiacute miacutesto na ktereacute herbicid v rostlině působiacute

Rezistence rostlin vůči herbicidům dědičnaacute schopnost odolaacutevat takoveacute daacutevce herbicidů při ktereacute by za normaacutelniacutech okolnostiacute byla populace potlačena

směr pro šlechtěniacute

Aplikace rostlinnyacutech biotechnologiiacute v životniacutem

prostřediacute

takto nebo takto

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Těžba a zpracovaacuteniacute surovin(těžkeacute kovy- Cd Pb prach) Průmyslovaacute vyacuteroba (barviva)

Skladovaacuteniacute (haldy kaliště sklaacutedky) Zemědělstviacute (pesticidy herbicidy)

Domaacuteciacute odpad (leacutečiva detergenty praciacute prostředky)

čin

no

st č

lově

ka

půda voda ovzdušiacute

znečištěniacute

degradace organismy produkujiacuteciacute laacutetky (enzymy) pro

ciacutelenyacute rozklad

organismy snižujiacuteciacute toxicitu toxickeacute laacutetky metylaciacute dehalogenace hydroxylace hydrolyacuteza deaminacehellip

substraacutet je zdrojem C a energie

dekontaminace

+ katastrofy Černobyl vaacutelečneacute konflikty

remediace = navraacuteceniacute k původniacutemu stavu

Biodegradace všechny přirozeneacute procesy ktereacute jsou uskutečňovaacuteny bakteriemi a jinyacutemi mikroorganizmy nebo vyššiacutemi organismy ktereacute vedou k destrukci organickyacutech molekul = organickyacute substraacutet je přeměňovaacuten až na CO2 Bioremediace (bakterie houby)

spočiacutevaacute v akceleraci přirozenyacutech biodegradačniacutech procesů nebo v ciacuteleneacute biodegradace - vede k ozdraveniacute kontaminovaneacuteho prostřediacute - detoxifikace měniacute se na netoxickeacute = neškodneacute laacutetky - aplikaciacute mikroorganismů

Fytoremediace (rostliny) niacutezkaacute cena

využitiacute rostlin k odstraněniacute toxickeacute zaacutetěže (těžkeacute kovy) řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny Zooremediace (zviacuteřata)

zpracovaacuteniacute odpadů pomociacute zviacuteřat bezobratliacute - perlorodky měkkyacuteši

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

nevyacutehody pomalaacute viacutece než 2 roky maleacute rozměry vhodnyacutech rostlin maacutelo druhů vhodnyacutech rostlin neniacute 100 probleacutem s rostlinnyacutem odpadem - potřeba zvlaacuteštniacutech sklaacutedek spadeneacute listiacute

- řiacutezeneacute spalovaacuteniacute

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacute len slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

vyacutehody mineralizace organickyacutech sloučenin niacutezkeacute naacuteklady pasiacutevniacute metoda bez transportu kontaminovaneacute půdy energie ze slunečniacuteho zaacuteřeniacute nepoškozuje okoliacute - sniacuteženiacute prašnosti

estetickyacute přiacutenos etickyacute uacutečinek (veřejnosti přijatelnyacute)

2005 cca 450 rostlinnyacutech druhů - tzv bdquohyperakumulaacutetoryldquo 100 x vyššiacute akumulace než u ostatniacutech rostlin

teorie vzniku - obrana vůči hmyzu - hmyz preferuje

niacutezkeacute koncentrace kovu

Thlaspi careulescens

X bagrovaacuteniacute kontaminovaneacute zeminy transport zeminy dekontaminace

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute přiacutejem kořeny - z půdy přiacutejem nadzemniacute čaacutestiacute rostliny - vyacutefukoveacute plyny

akumuluje

degraduje

detoxifikuje

roste na kontaminovaneacute půdě

produkuje velkeacute množstviacute biomasy

tolerantniacute k salinitě a jinyacutem toxickyacutem podmiacutenkaacutem

poskytuje ekonomickeacute hodnoty - textilniacute vlaacutekna (len konopiacute)

GMO - gen fytovolatizace - bakteriaacutelniacute geny transformovaacuteny do rostlin transgeny merA a merB fytoextrakce - gen gsh1 a gsh2 z E coli do Brassica juncea

potenciaacutel je v GMO rostlinaacutech

Laboratoř rostlinnyacutech biotechnologiiacute Společnaacute laboratoř UacuteEB AV ČR vvi A VUacuteRV vvi Akademie věd Českeacute Republiky Mendelova univerzita v Brně Uacutestav experimentaacutelniacute botaniky AV ČR Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby v Praze Metoda použita na čištěniacute uranem a radiem znečištěneacute vody v Mydlovarech - kořenovaacute čistiacuterna

ideaacutelniacute rostlina

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

proces substraacutet ciacutel rostlina

fytoextrakce fytoakumulace

odstraněniacute toxickyacutech laacutetek z půdy a vody - akumulaciacute rychle rostouciacute rostlinou (zůstaacutevaacute v rostlině)

půda sedimenty kaly odpadniacute vody

toxickeacute kovy radionuklidy

Thlaspi sp Brassica sp

fytostabilizace ciacuteleneacute pěstovaacuteniacute tolerantniacutech druhů zamezeniacute eroziacute

půda haldy odkaliště těžkeacute kovy dlouheacute a bohateacute kořeny

fytovolatizace odstraněniacute Hg pomociacute genu koacutedujiacuteciacuteho reduktaacutezu Hg2+ na Hg0

a uvolněniacute do ovzdušiacute

půdy sedimenty odkaliště průmysloveacute a zemědělskeacute odpadniacute vody

kovy - Se Hg chlorovanaacute rozpouštědla

stromy traacutevy Brassica sp

fytodegradace degradace kontaminantů rostlinou na netoxickeacute laacutetky

půdy sedimenty odkaliště odpadniacute vody

ropneacute laacutetky pesticidy detergenty

stromy traacutevy

rhizofiltrace odstraněniacute pomociacute rostlinnyacutech kořenů

povrchoveacute vody odpadniacute vody

těžkeacute kovy - Co Cu Cr Mn Ni radionuklidy

Brassica sp Helianthus vodniacute rostliny hydroponie

superrostliny

niacutezkeacute naacuteklady

kořenovaacute čistička = umělyacute mokřad oddělenyacute od okoliacute nepropustnou foacuteliiacute využiacutevaacute samočisticiacutech procesů probiacutehajiacuteciacutech v propustneacutem půdniacutem prostřediacute za spoluuacutečasti rostlin čištěniacute odpadniacutech vod z domaacutecnostiacute sklaacutedek a některyacutech průmyslovyacutech provozů

Rhizofiltrace

httpwwwnemcoviceczcontentviewfull3607

rostliny s vysokyacutemi

naacuteroky na vyacuteživu

+

bakterie

může zapaacutechat

5x - 10 x nižšiacute naacuteklady

Člověk čistiacute odpadniacute vodu za pomoci zařiacutezeniacute

ale přiacuteroda to zvlaacutedaacute bez přiacutestrojů a mnohem levněji

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute niacutezkeacute naacuteklady

rostlina chemickaacute sloučenina

pšenice 24 -D MCPA jako zdroj uhliacuteku

kukuřice atrazin degradace atrazinu mikroorganismy rhizosfeacutery

fazole diazinon parathion mineralizace v rhizosfeacuteře

luštěniny nafta

Kučerovaacute et al 1999 Chemickeacute listy

přiacutejem - velikost kořenoveacuteho systeacutemu přiacutestupnost pro rostlinu např chelaacutety

transport rostlinou - apoplast (difuacuteziacute)

symplast (specifickeacute přenašeče)

miacutesto uskladněniacute hustota rostlin v porostu

zaacutevažnějšiacute ekologickyacute a toxikologickyacute vyacuteznam přibližně 16 prvků (Fe Mo Mn Zn NiCo Cu V W Cr Hg Pb Cd Sb Ag a U)

Budoucnost fytoremediaciacute niacutezkeacute naacuteklady

Fytoremediace v praxi

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Ural 1953 odstraněniacute těžkyacutech kovů

Amana Iowa hybridniacute topoly atrazin odstraněna čaacutest až 20

Beaverton Kreton

hybridniacute topoly

organickeacute laacutetky kovy

a amonneacute sloučeniny

celkoveacute vyčistěniacute oblasti

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Fukušima 113 2011 slunečnice radioaktivniacute cesium dekontaminace půdy

Černobyl 2641986 slunečnice jabloně

cesium stroncium dekontaminace půdy povrchoveacute vody

paacutes 30 km - likvidace radioaktivniacutech rostlin

nebudou spaacuteleny rozloženy a kompostovaacuteny - speciaacutelniacute bakterie

slunečnice spotřebovaacutevajiacute z půdy drasliacutek kteryacute patřiacute mezi alkalickeacute kovy stejně jako cesium drasliacutek neniacute v půdě přiacutetomen květiny využijiacute praacutevě druhyacute prvek - Cs

Biotechnologie v ŽP niacutezkeacute naacuteklady

fytomining - fytodobyacutevaacuteniacute fytodolovaacuteniacute

ziacuteskaacutevaacuteniacute kovů z rostlin kde klasickaacute těžba je nevyacutehodnaacute rostliny - bdquotěžaři vzaacutecnyacutech kovůldquo a polokovů AuTh Co U Cd Ni Cu Mn

v rostlinaacutech hyperakumulaacutetorech je akumulace prvku sušina rostliny jako -ldquobio-rudaldquo

vyacutehody

- obsah kovu v bdquobio-ruděldquo je vyššiacute než v běžneacute rudě

- meacuteně skladovatelneacuteho miacutesta

- zelenaacute technologie jako alternativa

fytomining Ni pomociacute Alyssum bertolonii

Robinson et al 1997 The nickel hyperaccumulator plant Alyssum bertolonii as a potential agent for phytoremediation and phytomining of

nickel Journal of Geochemical Exploration59(2)75-86

zlatonosneacute rostliny

zlataacute jablka

zlateacute kapradiacute

hledaacuteniacute nalezišť

technologie budoucnosti

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute bioplasty z biomasy (škroby tuky) nahrazujiacute fosilniacute zdroje vyacutehodou je biodegradace biopaliva rostlinnyacute materiaacutel a řasy bioethanol GMO rezistentniacute rostliny vůči postřikům hmyziacutem škůdcům transfer genů pro symbiotickou fixaci dusiacuteku z luštěnin do dalšiacutech plodin přenos genů z bdquoC4ldquo do bdquoC3ldquo rostlin pro dosaženiacute uacutečinnějšiacute fotosynteacutezy (ryacuteže)

Transgenoziacute se přenaacutešiacute přirozeneacute geny vznikleacute evoluciacute z jednoho organismu do druheacuteho kteryacute se s daacutercem genu obvykle

nemůže křiacutežit pouze dokaacuteže přenosy mezi vyacutevojově ještě vzdaacutelenějšiacutemi organismy

Geny použiacutevaneacute při transgenosi jsou braacuteny z přiacuterody např gen v soacuteji tolerujiacuteciacute glyfosaacutet - je z bakterie rodu Agrobacterium

Klasičtiacute šlechtiteleacute takto pracujiacute daacutevno např smiacutechali geny pšenice a žita

GMO

Transgenoze ndash vnaacutešeniacute znaacutemyacutech jednotlivyacutech genů do dědičneacuteho

zaacutekladu (poprveacute 1978)

Pro přenos - Agrobacterium tumefaciens A rhizogenes E coli

httpblogscassuffolkeduiglesias20140424gmos

GMO bez obalu httpwwwbezpecnostpotravinczUserFilespublikaceGMO_web_1pdf

GMO - transgenniacute rostliny CARTAGENSKYacute PROTOKOL o biologickeacute bezpečnosti 29 1 2000 Montreal (OSN ndash program pro životniacute prostřediacute UNEP) platnost 11 9 2003

ČR podepsala 24 52000 (gmovschtcz) nyniacute 160 staacutetů

opatřeniacute ve staacutetech ktereacute se připojiacute k projektu (dovoz vyacutevoz transport)

vzdělaacuteniacute odborniacuteků a informovaacuteniacute veřejnosti

vytvořeniacute noveacute legislativy GMO (wwwenvcz )

spolupraacutece při vyacuteměně zkušenostiacute

Svět 2010 - viacutece než 150 mil ha viacutece než 20 zemiacute

pro vegetačniacute čaacutesti

nebo plody

CIacuteL PROTOKOLU - zajistit ochranu a bezpečnost při zachaacutezeniacute využiacutevaacuteniacute a přenosu živyacutech modifikovanyacutech organismů ktereacute jsou vyacutesledkem moderniacutech biotechnologiiacute a ktereacute mohou miacutet nepřiacuteznivyacute vliv na zachovaacutevaacuteniacute biologickeacute rozmanitosti a zdraviacute člověka Protokol je zaměřen předevšiacutem na převoz GMO přes hranice staacutetů a maacute ochraňovat zejmeacutena staacutety kteryacutem dosud chybiacute vlastniacute vnitrostaacutetniacute praacutevniacute předpisy v oblasti GMO

GMO - transgenniacute rostliny historie

EVROPA

SRN - Max-Planck-Institut

Belgie - Universita Ghent

Švyacutecarsko- ETH Zurych

ČR - Biofyzikaacutelniacute uacutestav Brno (Agrobacterium jako vhodnyacute přenašeč genů)

ČR - UacuteEB ČSAV Českeacute Budějovice (metody modifikaciacute)

2010 1 transgenniacute hraacutech v Evropě (ČR Agritec Šumperk)

transgenniacute len - oleje

FYTOPATOLOGIE IN VITRO

Fytopatologie in vitro

in vitro selekce = kultivace buněk se selekčniacutem činitelem (fitraacutet inokulum toxin)

ndash přežiacutevajiacuteciacute buňky jsou regenerovaacuteny do rostlin resistentniacuteho fenotypu

Studium interakce rostlina x patogen v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

Druh Patogen Typ biologickeacuteho testu Ciacutel

Coffea arabica Colletotrichum kahawae růst houby na kalusech vyacuteběr rezistentniacutech genotypů

Vitis vinifera Elsinoe ampelina růst kalusu na meacutediu s patogenem testy rezistence

Lycopersicon aes Alternaria alternata testy na izollistech in vitro hodnoceniacute toxicity

Pinus taeda Cronartium quercuum embryokultury s houbami vyacuteběr rezistentniacutech embryiacute

Triticum aestivum Microdochium nivale listy semenaacutečky in vitro vyacuteběr rezistentniacutech kultivarů

ozdravovaacuteniacute rostlin

klonoveacute množeniacute rezistentniacutech taxonů

Page 21: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute

ekologickaacute udržitelnost kvantita a kvalita zaacutekladniacutech zdrojů zemědělstviacute ekonomickaacute udržitelnost zemědělskaacute produkce (uacuteroda na ha) a zisk cena za produkty sociaacutelniacute (společenskaacute) udržitelnost kvalita života zemědělců vysokaacute kvalita potravin bez rizika na zdraviacute a prostřediacute

Co je udržitelneacute zemědělstviacute Mohou biotechnologie pomaacutehat

snižovaacuteniacute kvality zaacutekladniacutech zdrojů vyčerpaacuteniacute zaacutekladniacutech zdrojů

Vyhliacutedky na budoucnost

naacuterůst počtu obyvatel

zvyacutešeniacute životniacuteho standardu

pokles plochy orneacute půdy

pokles pracovniacuteků v zemědělstviacute

naacuterůst cen potravin

Naacuterůst zemědělskeacute produkce s využitiacutem biotechnologiiacute

šlechtěniacute (rezistence k chorobaacutem)

noveacute plodiny

nutričniacute kvalita plodin

ochrana rostlin

bezpečnost produktů

hybnou silou biotechnologiiacute je naacuterůst obyvatel Kolik lidiacute by mělo žiacutet na planetě Zemi

Rostlinneacute biotechnologie

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute mutace s naacuteslednou selekciacute odchylek noveacute techniky EK ciacutelenyacute přenos genů

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

prvniacute zemědělci

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) BT prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute MUTACE s naacuteslednou selekciacute odchylek - odrůda ječmene bdquoDIAMANTldquo

noveacute TECHNIKY EK VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

ciacutelenyacute přenos genů GMO

CO BUDE DAacuteL zvyšovat vyacutenosy BUDE VĚTŠINA PĚSTOVANYacuteCH ZEMĚDĚLSKYacuteCH PLODIN TRANSGENNIacute

vznik zemědělstviacute

1954

jsme moudřejšiacute

maacuteme většiacute možnosti

Počaacutetek EK 1902 Gottlieb Haberland segmenty listů 1904 Hannig zralaacute embrya

Potenciaacutel rostlinneacute buňky a podstata

explantaacutetovyacutech kultur rostlin

metody a jejich aplikace

ve šlechtěniacute rostlin

EK - historie

TOTIPOTENCE rostlinneacute buňky genetickeacute informace - jaacutedro plastidy mitochondrie

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

daacute se přeneacutest v raacutemci šlechtěniacute

blok totipotence

vyjaacutedřeniacute totipotence 1 dediferenciace buňky do buněčneacuteho cyklu a pokračovaacuteniacute v děleniacute 2 rediferenciace - tvorba organickyacutech struktur - přiacutemaacute regenerace tvorba kalusu - nepřiacutemaacute regenerace

vliv růstovyacutech regulaacutetorů

Rostlinneacute biotechnologie prvniacute generace - od explantaacutetovyacutech kultur po GMO

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute rostlin - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

Explantaacutet = aseptickaacute kultivace izolovanyacutech čaacutestiacute rostlin za umělyacutech podmiacutenek

EXPLANTAacuteTOVEacute KULTURY - VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

EK - historie

Metody EK využitelneacute v zemědělstviacute Meristeacutemoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Somatickaacute embryogeneze

Embryokultury

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze + buněčneacute inženyacuterstviacute

Genetickeacute manipulace

VITRIFIKACE (hyperhydricita) ndash vyjadřuje abnormality růstu in vitro skelnatyacute syndrom vyacutehonů křehkeacute mokryacute vzhled pryacutetů (vodou nasycenyacutech) průsvitnyacute sukulentniacute vzhled

metody zachovaacutevajiacuteciacute genotyp beze změn během kultivace metody zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu během kultivace

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK 1 rychleacute namnoženiacute

2 ozdravovaacuteniacute

3 překonaacuteniacute nekřiacutežitelnosti - embryokultury

4 dlouhodobeacute udržovaacuteniacute genetickyacutech zdrojů

5 indukce mutantů - ziacuteskaacuteniacute novyacutech genotypů

6 předselekce - urychleniacute šlechtitelskeacuteho cyklu

7 ziacuteskaacuteniacute novyacutech a udrženiacute genotypů s pylovou sterilitou

8 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho procesu

9 produkce haploidů

10 produkce polyploidů

11 rychlejšiacute ziacuteskaacuteniacute vyacutechoziacuteho šlechtitelskeacuteho materiaacutelu pro noveacute odrůdy

12 somatickaacute hybridizace - fuacuteze

13 konstrukce novyacutech genotypů kulturniacutech plodin přenos bdquoužitečnyacutech genůldquo

14 udržovaacuteniacute genofondu

15 selekce in vitro - rezistence k abiotickyacutem a biotickyacutem stresům

16 produkce sekundaacuterniacutech metabolitů

Plodina Technika

ječmen pšenice kukuřice

řepka paprika brukvovitaacute

zelenina mrkev

androgeneze

cibule gynogeneze

jahodniacutek česnek ozdravovaacuteniacute

brambor traacutevy polyploidizace in vitro

jeteloviny drobneacute ovoce

ovocneacute dřeviny podnože traacutevy mikropropagace

brambor řepka somatickaacute hybridizace

hraacutech brambor rezistence k chorobaacutem

traacutevy embryokultury

Kombinace metod embryokultury oplozeniacute in vitro fuacuteze protoplastů

plodiny se geneticky upravujiacute pro většiacute rezistenci k herbicidům - ničeniacute plevele bez poškozeniacute uacuterody GM rajčata potlačujiacute gen pro polygalakturonaacutezu enzym degradujiacuteciacute pektin způsobujiacuteciacute měknutiacute pletiv (Deacon a kol 2002)

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK

Meristeacutemoveacute kultury

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny meristeacutemoveacute kultury

Vyacutehody maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky naacuteslednaacute mikropropagace ozdraveneacuteho materiaacutelu bdquovirus - freeldquo

Vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana Iniciace kultury Testovaacuteniacute in vitro Přenos do nesterilniacutech podmiacutenek Testovaacuteniacute

MERISTEacuteM ndash děliveacute nediferencovaneacute pletivo ozdravovaacuteniacute rostlin (02 - 05 mm) meristeacutemy

OZDRAVOVAacuteNIacute Termoterapie (vyššiacute teplota)

Meristeacutemovaacute kultura Chemoterapie (antivirotika)

viry - nebuněčneacute mikroorganismy virovaacute čaacutestice = virion sklaacutedaacute se z RNA nebo DNA a kapsidu

fytopatologie in vitro

ribavirin

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny

Vyacuteznamneacute viroveacute choroby rostlin v ČR od 30 ztraacutet CaMV - 1968 PVY 30 -70 VMCH (virus mozaiky chmele) až o 70 mozaika česneku 25 - 50 žloutenka cibule až 100 bronzovitost rajčat

- žloutnutiacute listů kroužky a čaacutery na listech nevyvinuteacute rostliny abnormaacutelniacute růst - vstupujiacute různyacutemi poraněniacutemi - šiacuteřiacute se plasmodesmaty - velmi odolneacute proti inaktivaci - přenaacutešeny semeny hliacutezami pylem roubovaacuteniacutem hmyzem houbami červy

1952 Morel a Martin u jiřin

Využitiacute metody jahodniacutek česnek zeleniny květiny okrasneacute dřeviny ovocneacute dřeviny banaacutenovniacutek hellip

Tvorba bezviroacutezniacutech rostlin

1 meristeacutem = 1 rostlina testovaacuteniacute

wwwoselczindexphpclanek=2819

viroacutezniacute x zdravaacute

M Navraacutetil KBBPřFUPOL

PVY

In vitro klonovaacuteniacute mikropropagace meristeacutemoveacute kultury

zisk geneticky identickeacute rostliny vegetativniacutem množeniacutem

VYacuteHODY

maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny ktereacute jsou geneticky stabilniacute

v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky

vyššiacute množitelskyacute koeficient - potenciaacutelniacute hodnota zisku rostlin

Postup - vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana - iniciace kultury - mikropropagace - přenos do nesterilniacutech podmiacutenek

KLON - kolekce geneticky identickyacutech individuiacute původem z jedineacuteho rodiče

komerčně od 1960

httpwwwjanholubcz

In vitro meristeacutemoveacute kultury - využitiacute - zaacutechrana a množeniacute ohroženyacutech druhů kaktusy

- zaacutechranneacute množeniacute cennyacutech genotypů a liniiacute sterilniacutech rostlin - udrženiacute rodičovskyacutech komponent pro tvorbu hybridniacutech odrůd

- množeniacute transgenniacutech rostlin

- zachyceniacute a klonovaacuteniacute nově nalezenyacutech mutantů při šlechtěniacute

- klonovaacuteniacute nejlepšiacutech jedinců pro produkci elitniacuteho osiva

- vegetativniacute množeniacute okrasnyacutech rostlin karafiaacutet gerbera anthurie orchideje

sanpaulie kapradiny hellip

- množeniacute drobneacuteho ovoce jahodniacutek maliniacutek reacuteva

- množeniacute dřevin podnože pro školkařstviacute lesniacute dřeviny tropickeacute dřeviny

- v zelinaacuteřstviacute množeniacute brambor zeliacute

- množeniacute pouze samičiacutech rostlin datlovaacute palma

- kryoprezervace (-196 oC) jahodniacutek maliniacutek hraacutech brambor karafiaacutet

Genoveacute

banky

Mikropropagace multiplikace klonovaacuteniacute nejen z meristeacutemů

Solanum tuberosum Cucumis sativus Olea europea Eucalyptus grandis Salix sp Syringa sp Juglans regia

Schopnost regenerace tvorba identickyacutech rostlin = přiacutemaacute somatickaacute embryogeneze

Meristeacutemy Pryacutetoveacute segmenty Kalusy Embrya

Zdroje odchylek bull vysokeacute daacutevky růstovyacutech regulaacutetorů typ regulaacutetoru bull rostliny regenerujiacute z basaacutelniacuteho kalusu (možnost gen změn)

Kalusoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Primaacuterniacute explantaacutet kalus meristemoid orgaacutenoveacute primordium

Kalus = masa děliacuteciacutech se a rostouciacutech buněk

nejsou uniformniacute mohou se lišit velikostiacute tvarem pigmentaciacute metabolismem nebo počtem chromosomů

bull za určityacutech podmiacutenek regenerace pryacutetů a kořiacutenků

tma x světlo

subkultivace

metoda geneticky nestabilniacute

Kalusoveacute kultury - somaklonaacutelniacute variabilita ndash MUTACE a zisk novyacutech znaků

- mikropropagace ndash cibule žen-šen hellip

- vyacutechoziacute materiaacutel pro suspenzniacute a protoplastovou kulturu

- materiaacutel pro indukovaneacute mutace (zaacuteřeniacute chemomutageny)

- sekundaacuterniacute metabolity (alkaloidy AMK saponiny oleje složky vůniacute protinaacutedoroveacute laacutetky steroidy )

polyploidie aneuploidie

Selekce mutantů se zlepšenou nutričniacute hodnotou (viacutece biacutelkovin v zrnu)

Rezistence vůči zasoleniacute (vysokyacute turgor v buňkaacutech akumulace NaCl ve vakuolaacutech)

Rezistence vůči chorobaacutem (synteacuteza fytotoxinů fytoalexinů)

Sekundaacuterniacute metabolity (= chemickeacute individuality v rostlinaacutech ndash barviva vůně chuti obrana)

Artemisia annua - artemisin (antimalarika) Capsicum sp - capsaicin (protinaacutedoroveacute)

Digitalis lanata - digoxin (srdečniacute stimulanty) Papaver somniferum - codein (sedativa)

Taxus breviola - taxol (protinaacutedoroveacute) Vanilla planifolia - vaniliacuten (aroma)

Panax ginseng - (imunitniacute systeacutem) Zingiber officinale ndash gingerol (antioxidant)

Somatickaacute embryogeneze a suspenzniacute kultury

Využitiacute

umělaacute semena (enkapsulace somatickyacutech embryiacute)

využitiacute somatickeacute variability

klonoveacute množeniacute

sekundaacuterniacute metabolismus (suspenze)

kryoprezervace

Buněčnaacute suspenze = převedeme kalus do tekuteacuteho meacutedia

a provzdušňujeme (kontakt buněk a shluků buněk s meacutediem)

vznikaacute bipolaacuterniacute struktura obsahujiacuteciacute kořen a pryacutet

auxin (24-D)

umělaacute semena

Mutace RADIOMUTANT PROSPĚCH NEBO ZAacuteLUDNOST

SPONTAacuteNNIacute MUTACE využiacutevaacute člověk při šlechtěniacute odrůd spur typy (kompakt typy) jabloniacute absence trnů u ostružiniacuteku variabilita květenstviacute jiřinky proměnliveacute vznik plemen domaacuteciacutech zviacuteřat je založen na podchyceniacute spontaacutenniacutech mutaciacute ndash plemena psů

INDUKOVANEacute MUTACE působeniacute mutagenů

zaacuteměrneacute ndash ve vyacutezkumu ve šlechtěniacute rostlin (př odrůdy ječmene DIAMANT (zkraacuteceniacute steacutebel ndash nepoleacutehaacute) kompaktniacute růst a samosprašnost třešně změna barvy slupky u jabloně ndash sbquoredlsquo mutace)

nezaacuteměrneacute ndash důsledek použitiacute jadernyacutech a chemickyacutech zbraniacute ndash Yperit jaderneacute a jineacute katastrofy

1950 radiomutace chemomutace 1965 ječmen Diamant

Suspenzniacute kultury - SK KULTURA V TEKUTEacuteM MEacuteDIU ROSTE A DĚLIacute SE NĚKOLIKANAacuteSOBNĚ RYCHLEJI NEŽ KULTURA

NA PEVNEacuteM MEacuteDIU Využitiacute jako experimentaacutelniacute model produkce sekundaacuterniacutech metabolitů indukce somaklonaacutelniacute variability a naacutesledneacute selekce mikropropagace (pod kontrolou genetickeacute stability) pohyb kultury v bioreaktoru maacute za naacutesledek potlačeniacute apikaacutelniacute dominance tiacutem se stimuluje růst mnohonaacutesobnyacutech pryacutetů

Bioreaktory firmy VitroSys Inc Korea

ideaacutelniacute SK ndash rychlyacute růst karyologickaacute stabilita životnost buněk rentabilita

Minimaacutelně 103 ml buněk 110 suspenze v exponenciaacutelniacute faacutezi se doplniacute čerstvyacutem meacutediem Koncentrace sacharidů prodlužuje periodu růstu

Velkokapacitniacute kultivace rostlinnyacutech buněk v tekutyacutech meacutediiacutech sterilniacute prostřediacute obsahujiacuteciacute živiny a laacutetky potřebneacute pro růst a jeho regulaci vhodneacute pro kultivaci rostlinnyacutech mikrobiaacutelniacutech a živočišnyacutech buněk

Bioreaktor

Bioreaktory s tekutyacutem meacutediem explantaacutety jsou ponořeny v tekuteacutem meacutediu Bioreaktory s pravidelnyacutem zaplavovaacuteniacutem (temporary immersion bioreactor TIB) explantaacutety jsou pravidelně zaplavovaacuteny

Bioreaktor

httpwwwuebcasczcscontentzensenove-spagety

pěstujiacute se jen kořeny - zisk GINSENOSIDŮ za 3 měsiacutece v laboratoři stejnyacute zisk jako z rostlin ženšenu v přiacuterodě za 8 let obsah GINSENOSIDŮ je srovnatelnyacute s planě rostouciacutemi rostlinami množstviacutem i vzaacutejemnyacutem poměrem jednotlivyacutech laacutetek

v Koreji od r 2004

hairy-root systeacutem a sekundaacuterniacute metabolity

Sekundaacuterniacute metabolity - SM ROSTLINA BUNĚČNAacute KULTURA

EXTRAKT prověřovaacuteniacute oddělovaacuteniacute čištěniacute aktivniacute složky testovaacuteniacuteprověřovaacuteniacute

ČISTAacute BIOAKTIVNIacute LAacuteTKA

SM z buněčneacute kultury - extrakty ziacuteskaneacute za reprodukovatelnyacutech podmiacutenek spolehliveacute zdroje meacutedium - množstviacute čisteacuteho produktu

buňky rostou v tekuteacutem meacutediu -ne celaacute rostlina

produkt rostlina in vitro ()

rostlina ()

poměr

ginsenoside Panax ginseng 27 45 6 x

rosmarinic acid Coleus blumei 27 3 9 x

caffeic acid Vanilla planifolia 002 0005 4 x

shikonin Lithospermum erythrorhizon

20 15 135 x

ubiquinon-10 Nicotiana tabacum 0036 0003 12 x Heldman et al 2011

anti

oxy

dan

ty v sušině

bioreaktory

Sekundaacuterniacute metabolity - SM Rostlina Uacutečinnaacute laacutetka Uacutečinek

Artemisia annua pelyněk ročniacute artemisinin antimalarikum

Digitalis lanata naacuteprstniacutek vlnatyacute digoxin srdečniacute stimulants

Dubosia myoporoides lilkoviteacute atropin

scopolamin

očniacute přiacutepravky mořskaacute nemoc

Lithospermum

erythrorhizon

kamejka

rudokořennaacute

shikonin protinaacutedoroveacute

Panax ginseng ženšen pravyacute stimulant imunitniacuteho systeacutemu

Salix alba vrba biacutelaacute salicin antirevmatikum proti horečce

Taxus brevifolia tis

zaacutepadoamerickyacute

baccatin taxol protinaacutedoroveacute

Vinca rosea barviacutenek růžovyacute vinblastin

vinkristin

protinaacutedoroveacute alkaloidy

leukeacutemie

buněčnaacute kultura

Rostlina Extrakt Uacutečinek

Linum usitatissimum len setyacute olej

Mentha piperita maacuteta peprnaacute maacutetovyacute olej -

mentol

žaludečniacute potiacuteže

Mentha spicata maacuteta klasnataacute mentol žaludečniacute potiacuteže

Zingiber officinale zaacutezvor leacutekařskyacute gingerol antioxidant

informace z tradičniacute lidoveacute mediciacuteny - použitiacute extraktů a purifikace zdroje z nedotčeneacuteho ekosysteacutemu

kalusovaacute kultura buněčnaacute suspenze orgaacutenovaacute kultura - Artemisia Mentha - pryacutety

rostliny jsou vyacuterobci sekundaacuterniacutech metabolitů

cytostatikum

Sekundaacuterniacute metabolity - SM

Heldman et al 2011

VYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY

nezaacutevisleacute na geografickyacutech podmiacutenkaacutech

nezaacutevisleacute na sezoacutenniacutech podmiacutenkaacutech

v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

v přiacuterodě kontrolovaacuteno množstviacute in vitro ne

nepřetržitaacute dodaacutevka produktu

uniformniacute kvalita produktu

uniformniacute vyacutetěžnost produktu (průběžně)

vyacuteběr vhodneacute linie s vyššiacute produkciacute produktu

možnost tvorby novyacutech laacutetek nenormaacutelniacutech u donora

NEVYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY staacutele se vyviacutejejiacuteciacute

překaacutežky - pomalyacute růst

genetickaacute nestabilita

různorodost

niacutezkyacute obsah metabolitu

produkty vylučovaacuteniacute provozniacute - světelneacute podmiacutenky aseptickeacute podmiacutenky

STRATEGIE TVORBY SM vyacuteběr donorovyacutech rostlin - biochemickeacute testy

iniciace kalusů

vyacuteběr buněčneacute linie - rychle rostouciacute vysokaacute produkce

ciacutelenyacute metabolismus - kultivačniacute meacutedium (složeniacute koncentrace proporcionalita)

kultivačniacute podmiacutenky (teplota světlo pH) zvlaacuteštniacute požadavky (prekurzor simulace stresu - napadeniacute patogenem)

uvolněniacute do meacutedia

Embryokultury

Embryokultury = kultivace zralyacutech nebo nezralyacutech embryiacute in vitro

1904 Hannig - embrya u ředkve

1925 Laibach - aplikace v mezidruhoveacutem křiacuteženiacute r Linum sp

1945 Randolph - zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu u r Iris sp

1970 Kasha Kao - ziacuteskaacuteniacute haplodů u ječmene

Hordeum vulgare (zůstaacutevaacute) x Hordeum bulbosum (eliminace chromozoacutemů)

Zygotickaacute embrya vyacuteživa z endospermu (heterotrofniacute)

Embrya in vitro vyacuteživa z kultivačniacuteho meacutedia

In vitro oplodněniacute u člověka - 1978 pro neplodneacute paacutery

geneticky stabilniacute metoda

Embryokultury- in vitro

I Kultura semennyacutech embryiacute tj izolace plně vyvinutyacutech

bipolaacuterniacutech struktur obsahujiacuteciacutech kořenovyacute a stonkovyacute systeacutem

II Kultura proembryiacute tj izolace nezralyacutech zaacuterodků předchaacutezejiacuteciacutech

diferenciaci děloh

Embryogeneze zygotickeacuteho embrya (in vivo)

zygota (přiacuteprava na 1 děleniacute)

faacuteze pomaleacuteho vyacutevinu embrya po oplozeniacute

faacuteze rychleacuteho vyacutevinu růstu a diferenciace embrya

faacuteze dozraacutevaacuteniacute embrya

faacuteze přechodu embrya do dormance (ABA)

Embryokultury

1 překonaacuteniacute barieacuter vzdaacuteleneacuteho křiacuteženiacute (abortace hybridniacutech embryiacute sterility semen)

2 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu (viacutece generaciacute za rok)

3 řešeniacute jarovizačniacuteho staacutedia

4 primaacuterniacute explantaacutet pro dalšiacute kultury

5 eliminace inhibice kliacutečeniacute

6 studium mineraacutelniacute vyacuteživy

7 umělaacute semena

8 studium metabolickyacutech vztahů mezi embryem a endospermem embryem a dělohami

9 ziacuteskaacuteniacute haploidniacutech rostlin

Opylovaacuteniacute in vitro

Opylovaacuteniacute in situ

in vitro

Inkompatibilita rostlin

zaručuje stabilitu druhu

Barieacutery procesu opyleniacute a oplozeniacute

vnějšiacute (teplota vlhkost nedostatečnaacute vyacuteživa )

vnitřniacute (inkompatibilita samčiacute nebo samičiacute sterilita)

využitiacute v raacutemci šlechtěniacute rostlin k překonaacuteniacute prezygotickyacutech barieacuter vznik mezidruhovyacutech mezirodovyacutech hybridů

Barieacutery Technika překonaacuteniacute

Před oplodněniacutem selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute blizny pestiacuteku pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

rezistence vůči abiotickeacutemu stresu rezistence vůči škůdcům vyššiacute vyacutenos

přenos z jineacuteho druhu

EK využitiacute ve šlechtěniacute

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury HAPLOID rostlina s n počtem chromozomů menšiacute sterilniacute

1963 T Yamada a kol Tradescantia reflexa (haploidy)

1964 - 1966 S Guha SC Maheswari Datura diploidizace kolchicinem

1969 JP Nitsch a kol celeacute rostliny (tabaacutek)

1973 JP Nitsch Norrel mikrosporoveacute kultury

2000 šlechtitelskeacute programy polniacutech plodin (obiloviny řepka)

využiacutevajiacute haploidniacute kultury in vitro

Androgeneze prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Androgeneze - kultivace prašniacuteků pyl zrn mikrospor = samčiacute genotyp

Gynogeneze - kultivace neoplodněnyacutech vajiacuteček = samičiacute genotyp

Haploidie - spontaacutenniacute = haploidniacute partenogeneze (gynogeneze androgeneze) frekvence 10-6

- experimentaacutelniacute indukovanaacute

fyzikaacutelniacute faktory = UV γ-zaacuteřeniacute X-paprsky teplotniacute šoky

zaacutesahy do procesů opyleniacute a oplozeniacute (inaktivniacute pyl)

explantaacutetoveacute metody = prašniacutekoveacute a pyloveacute kultury kultivace semeniacuteků a vajiacuteček

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury Ontogeneze pylu

In vivo mikrosporogeneze

pylovaacute mateřskaacute buňka

meiosa

pyloveacute tetraacutedy

vyacutevoj mikrospory (1 pyl mitoacuteza)

In vitro vyacutevoj embryoidu

(vegetativniacute generativniacute buňka)

- přiacutemaacute embryogeneze

- nepřiacutemaacute embryogeneze

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

využitiacute haploidů (majiacute jen jednu sadu chromosomů)

segregace vloh na gametickeacute uacuterovni ndash homozygoacutetniacute stav (čisteacute linie v F2 generaci)

detekce recesivniacutech mutaciacute (fenotypickyacute projev)

trpasličiacute varieta ndash u okrasnyacutech rostlin

Dihaploidizace

n rostliny - sterilniacute

104 ndash 105 mikrospoacuterml meacutedia

Brassica sp

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Prašniacutekoveacute kultury

viacutece než 200 druhů (řepka ryacuteže kukuřice obiloviny)

20-60 dnů

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

vyacutevoj globulaacuterniacuteho embrya a naacutesledně haploidniacute rostliny přiacutemo z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory

z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory vznikaacute kalus rarr indukce organogeneze

TYPY ANDROGENEZE

vzaacutecně

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Solanaceae

Brassicaceae

Poaceae

prašniacuteky

Androgeneze

Indukovanaacute androgeneze ndash přiacuteklady

Beta vulgaris - homozygotniacute linie

Brassica napus - novaacute odrůda linie

Hordeum vulgare

Lycopersicon - novaacute odrůda

Nicotiana - noveacute odrůdy

Oryza - noveacute odrůdy

Pelargonium - trpasličiacute variety

Triticum ndash cv Florin Huapei

Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby Praha Vyacutezkumnyacute uacutestav obilnaacuteřskyacute Kroměřiacutež Vyacutezkumnyacute uacutestav olejnin Oseva

Gynogeneze kultury izolovanyacutech vajiacuteček

kultury izolovanyacutech semeniacuteků

kultury izolovanyacutech květenstviacute in vitro

haploidniacute rostliny

spontaacutenniacute dihaploidniacute rostliny

ječmen kukuřice moruše

slunečnice cibule

kultivace vajiacuteček Beta vulgaris Tomaszewska-Sowa 2010

327 haploids 458 diploids and 215 ndash mixoploids

x opyleniacute ozaacuteřenyacutem pylem

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

Polyploidizace in vitro

duplikace celeacuteho genomu až 70 všech krytosemennyacutech rostlin je polyploidniacutech (Masterson 1994) POLYPLOID metabolicky aktivnějšiacute a rozměrnějšiacute plodiny ktereacute jsou vhodneacute pro pěstovaacuteniacute a leacutepe se vyrovnaacutevajiacute se stresovyacutemi podmiacutenkami

kolchicin

oryzalin

trifluralin

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze protoplastů

1892 Klecker - 1 mechanickaacute izolace protoplastů Stratiotes aloides (řezan pilolistyacute) 1960 EC Cocking 1 enzymatickaacute izolace protoplastů Nicotiana sp 1978 G Melchers a kol 1 mezirodovyacute hybrid bdquopomatoldquo bdquotopatoldquo Solanum tuberosum x S lycopersicum (Lycopersicum esculentum)

httptheplanetfixerorg387new-vegetable-created-the-tomato-potato-plant

Protoplastoveacute kultury

= kultivace rostlinnyacutech buněk zbavenyacutech buněčneacute stěny

Protoplast = rostlinnaacute buňka bez buněčneacute stěny jejiacute povrch tvořiacute cytoplazmatickaacute membraacutena maacute kulovityacute tvar

Protoplastoveacute kultury - regenerace

Faktory ovlivňujiacuteciacute kultivaci a regeneraci

Hustota ( počet protoplastů v 1 ml)

Životnost ()

Podmiacutenky kultivace a meacutedium

bull Studium synteacutezy buněčneacute stěny vyacutevoj buňky fyziologie buňky a cytogenetiku

bull Studium hodnoceniacute uacutečinků farmak potravinovyacutech doplňků agrochemickyacutech laacutetek na rostlinnou

buňku

bull Studium transportu iontů a laacutetek přes cytoplasmatickou membraacutenu

bull Somatickaacute hybridizace (fuacuteze protoplastů)

bull Inkorporace exogenniacuteho genetickeacuteho materiaacutelu ndash organel cybridizace

bull Genoveacute transformace (cizorodaacute DNA z bakteriaacutelniacuteho plasmidu)

Protoplastoveacute kultury - fuacuteze

Využitiacute

kombinace znaků odlišnyacutech druhů a rodů ktereacute by nevznikly přirozenou cestou

jedinečneacute kombinace jadernyacutech a organelovyacutech genomů vytvaacuteřiacute noveacute genetickeacute zdroje

často jen - čaacutest chromozomů asymetrickeacute jaderneacute hybridy

chloroplasty

mitochondrie

chemickeacute fuacuteze - pomalejšiacute elektrofuacuteze - fuacutezanti po 10 min vyššiacute frekvence fuacutezantů

cytoplazmickeacute hybridy - cybridy

Charakterizace hybridů - morfologicky cytologicky molekulaacuterniacute analyacutezy

Přirozenaacute mezidruhovaacute hybridizace - vznik některyacutech kulturniacutech plodin

B oleracea + B campestris = Brassica napus Nicotiana sylvestris + N tomentosa = Nicotiana tabacum

cybridy nelze ziacuteskat klasickou hybridizaciacute (křiacuteženiacutem) ndash samčiacute pohlavniacute buňky (pyl zrna) nemajiacute plastidy a mitochondrie

V přiacuterodě blesky do půdy modifikace bakteriiacute

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

Přenos jaderneacute a cytoplazmatickeacute genetickeacute informace mezi rostlinnyacutemi druhy rody

- překonaacuteniacute sexuaacutelniacute inkompatibility

- přenos genů rezistence vůči virovyacutem houbovyacutem chorobaacutem

- přenos cytoplazmatickeacute samčiacute sterility

- přenos rezistence vůči stresům (teplotniacutem zasoleniacute)

- přenos rezistence vůči hmyziacutem škůdcům

(synteacuteza fytoalexinů)

- přenos genů pro synteacutezu zaacutesobniacutech proteinů vitamiacutenů

alkaloidů

plnokvětost

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

využitiacute pro fytoremediace

Brassica juncea Tlaspi caerulescens brukev siacutetinovitaacute peniacutezek modravyacute akumulace Pb akumulace Zn a Ni hybrid se zvyacutešenou rezistenciacute k Pb Zn a Ni rychlyacute naacuterůst

biomasy

Brassica napus Thlaspi caerulescens hybridi rostly na vysokeacutem obsahu Zn

Fuacuteze protoplastů rodu Brassica s planyacutemi druhy

Armoracia rusticana

Barbarea vulgaris

Camelina sativa

Capsella bursa pastoris

Diplotaxis catholica

Diplotaxis muralis

Diplotaxis harra

Eruca sativa

Lesquerella fendleri

Mathiola incana

Moricandia arvensis C4

Moricandia nitens C4

Raphanus sativus

Sinapis alba

Sinapis arvensis

Thlaspi perfoliatum

Thlaspi caerulescens

Genoveacute banky In vitro genoveacute banky

2397 vzorků 1249 odrůd Solanum tuberosum 450 teraploidniacutech křiacuteženců S tuberosum 266 dihaploidů 119 mezidruhovyacutech hybridů rodu Solanum 313 genotypů kulturniacutech genotypů 23 planyacutech druhů

Havliacutečkův Brod

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu rostlin

1 Uchovaacutevaacuteniacute semen ndash semenneacute banky (od 1 roku - hellip)

2 Uchovaacutevaacuteniacute vegetativniacutech orgaacutenů ndash hliacutezy cibule řiacutezky

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro Kraacutetkodobeacute - aktivně rostouciacute kultury (pravidelneacute pasaacuteže) - uchovaacuteniacute kultur v minimaacutelniacutem růstu nižšiacute teploty kultivace

Dlouhodobeacute u rostlin kde nejsou semena

- za velmi niacutezkyacutech teplot (-196oC) = kryobanka

Databaacuteze ndash přiacutestupneacute z celeacuteho světa

Špicberky

genobanka - wwwvurvcz part databases EVIGEZ

vyacuteznam v mediciacuteně

Zaacuteložniacute fond semena potravinaacuteřskyacutech plodin z celeacuteho světa

stane se zaacuteložniacutem fondem pro ostatniacutech 1400

semennyacutech bank po celeacutem světě

v Iraacuteku a v Afghaacutenistaacutenu byla podobnaacute zařiacutezeniacute za

vaacutelky zcela zničena

na Filipiacutenaacutech je v roce 2006 poškodila povodeň

semennaacute banka pro světoveacute plodiny je umiacutestěna v hoře

maacute vyztuženeacute stěny betonem a železem

třiacute komory o velikosti 27 kraacutet 10 metrů

teplota minus 18 oC (konzervace po stovky až tisiacutece let) httpwwwnorambczarkivBasisartikler---OversettelserIkke-

bruktnovinkyseedvault_eng

k 1172010 zde bylo uloženo 716 523 vzorků semen patřiacuteciacutech ke 4 205 druhům

českaacute banka uloženaacute v Praze-Ruzyni zaacuteloha na Slovensku

Špicberky

Uchovaacutevaacuteniacute genofonduv ČR

genofond odrůd meruněk broskvoniacute mandloniacute reacutevy vinneacute kdouloniacute lonicer rakytniacuteků a dřiacutenů

2400 položek

25 000 položek

5400 položek 2397

položek

4700 položek

2000 položek

2300 položek

Naacuterodniacute informačniacute systeacutem genetickyacutech zdrojů EVIGEZ httpwwwgenbankvurvczgeneticresources

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro

KRYOBANKA

prašniacuteky a pyl pletiva a orgaacuteny meristeacutemy

kalus

suspennzniacute somatickaacute kultury embrya

dlouhodobeacute skladovaacuteniacute

nižšiacute naacuteroky na uchovaacuteniacute

mezinaacuterodniacute vyacuteměna

nižšiacute podiacutel lidskeacute praacutece

potřeba menšiacuteho prostoru

uchovaacuteniacute genetickeacute stability

omezeniacute staacuternutiacute

ozdravenyacute materiaacutel

prodlouženeacute použitiacute pylu

uchovaacuteniacute vzaacutecnyacutech rostlin

apikaacutelniacute vrcholy

Biotechnologickaacute laboratoř Nestleacute - uchovaacutevaacute buněčneacute embryogenniacute linie kaacutevy kakaa a banaacutenů

Německaacute sbiacuterka mikroorganismů a buněčnyacutech kultur (DSMZ Braunschweig Německo) meristeacutemy 519 staryacutech kultivarů brambor ndash metoda mrazeniacute alginaacutetovyacutech perel

International Potato Centre (CIP Lima Peru) - 345 kultivarů brambor

INIBAP Leuven Belgie - 306 kultivarů banaacutenu (14 ze světoveacuteho počtu kultivarů)

Naacuterodniacute genobanka klonů NCGR USA - ročniacute naacuteklady

udržovaacuteniacute jedneacute položky v sadu (hrušně) 77 dolarů na skladovaacuteniacute in vitro 23 dolarů na kryoprezervaci 1 dolar (při počaacutetečniacute investici na kryometodu 50 dolarů za uchovaacutevanou jednotku)

Přiacuteklady komerčniacuteho využitiacute kryoprezervace meristeacutemů

Aplikace biotechnologiiacute ve šlechtěniacute rostlin

rostliny postraacutedajiacute schopnost aktivně se přesouvat z dosahu nepřiacuteznivyacutech vlivů rostliny vyvinuly adaptačniacute mechanismy pro překonaacuteniacute stresů a tiacutem přežitiacute v extreacutemniacutech podmiacutenkaacutech

Biotechnologie v zemědělstviacute ekologickeacute zemědělstviacute

VLIV ŠKŮDCŮ CHOROB A PLEVELŮ NA ZEMĚDĚLSKEacute PLODINY

1 sniacuteženiacute velikosti a vaacutehy zrna 2 ztraacuteta ve velikosti hliacutez a kořenů 3 zvyacutešeniacute obsahu vlhkosti 4 změny v chemickeacutem složeniacute zrna hliacutez a kořenů 5 odbarveniacute zrna a hliacutez - deformace 6 tvorba mykotoxinů patogeny 7 sniacuteženiacute kliacutečivosti 8 redukce krmiva

spotřeba vody - rezistence k suchu sniacutežiacute spotřebu uchovaacuteniacute vody rostlinou aplikace hnojiv chemickaacute kontrola škůdců

- studium abiotickeacuteho stresu

- zlepšeniacute ochrany rostlin vůči škůdcům

- ochrana životniacuteho prostřediacute

- zlepšeniacute kvality potravin

odstraněniacute hladu GMO fytoremediace

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

ohroženiacute klimatickyacutem suchem v ČR ndash nejrizikovějšiacute oblasti nižšiacute polohy na jižniacute a středniacute Moravě v prostoru mezi Prahou Uacutestiacutem nad Labem a Žatcem zaacutepadně od Pardubic

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

Rezistence k suchu - využitiacute vody

Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

vyacutevoj samčiacuteho gametofytu - spojen s expresiacute genů - 150 specifickyacutech genů spraacutevneacute načasovaacuteniacute

sporofyt gametofyt

2n 1n

rostlina pylovaacute zrnazaacuterodečnyacute vak

pohlavniacute rozmnožovaacuteniacute přiacuterodniacute vyacuteběr

pylzrna - exina (ovlivněna sporofytem) ochrana před UV laacutekaacuteniacute opylovačů - barva vůně komunikace s bliznou produkce alergenů

strategie rostlin zabraacuteněniacute samoopyleniacute

Biotechnologie v zemědělstviacute samčiacute gametofyt n TETRASPORE (TES) reg gen je vyžadovaacuten ke tvorbě přepaacutežek mezi produkty meioacutezy u mutanta všechna čtyři jaacutedra mikrospoacutery zůstaacutevajiacute ve stejneacute cytoplazmě polyploidniacute jedinci n GEMINI POLLEN 1 (GEM1) reg gen je vyžadovaacuten k orientaci mitotickeacuteho vřeteacutenka mutant tvořiacute dvě symetrickaacute jaacutedra typu vegetativniacuteho vede ke sterilitě n SIDECAR POLLEN (SCP) reg gen je vyžadovaacuten k děleniacute pylu prvniacute symetrickaacute pylovaacute mitoacuteza mutanta daacutevaacute dvě stejneacute buňky jedna extra- vegetativniacute (sterilniacute sidecar) a druhaacute regvegetativniacute a generativniacute mutace nevede ke sterilitě n QUARTET (QRT) reg gen je vyžadovaacuten k separaci pylovyacutech zrn u mutantů jsou stěny meiotickyacutech produktů pyloveacute mateřskeacute buňky fuacutezovaacuteny a zrna se uvolňujiacute v tetraacutedaacutech

samičiacute makrogametofyt n FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED (FIS) a FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) reg geny hrajiacute regulačniacute role ve vyacutevinu semene po oplozeniacute u mutantů se diploidniacute jaacutedra endospermu vyviacutejejiacute bez oplozeniacute pak atrofujiacute mutace neovlivňujiacute vaječnou buňku - procesy embryogeneze a vyacutevinu endospermu jsou odlišneacute n MEDEA (MEA) reg mutace genu způsobuje hypertrofii a zaacutenik embrya neniacute jasneacute na jakeacute uacuterovni se gen projevuje zaacuterodečnyacute vak endosperm nebo maternaacutelně imprintovanyacute embryonaacutelniacute gen

Biotechnologie ve šlechtěniacute rostlin Selektivniacute šlechtěniacute rostlin - přiacuterodniacute genetickeacute diverzity rostlin Techniky překonaacuteniacute barieacuter šlechtěniacute

Barieacutery Technika překonaacuteniacute Před oplodněniacutem

selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute pestiacuteku

pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony

pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro

selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů

odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute

abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry

sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

vyacutevoj semen

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

Škůdci v historii naacutelety sarančat (Staryacute zaacutekon)

ochrana saze tabaacutek

začaacutetek 19 stol - siacutera na houboveacute patogeny 1939 objev DDT uacutečinek na hmyz teorie bdquohmyz se může staacutet rezistentniacuteldquo 1948 Nobelova cena P Muumlller

50 leacuteta 20 st - herbicidy - postřiky na plevele ( rezistence na herbicid) 1972 zaacutekaz DDT (vyacutejimka - boj s malaacuteriiacute v Africe - naacutevrat DDT)

škůdce - hmyz hliacutestice 1861 - v Americe Iowa Nebraska 1880 1 pesticid v S Americe arzeacutenem bdquoParis greenldquo

S rostouciacute intenzitou pěstovaacuteniacute roste hospodaacuteřskyacute vyacuteznam škodlivyacutech organismů objem škod se zvyšuje staacutele přibyacutevajiacute noveacute druhy škodlivyacutech organismů zavaacutedějiacute se staacutele noveacute prostředky

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin - hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy

1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho

obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

ROS Reactive oxygen species reaktivniacute formy kysliacuteku SAR Systemic acquired resistance systeacutemově ziacuteskanaacute rezistence = neinfikovaneacute buňky začiacutenajiacute s přiacutepravou na atak patogena

napadeneacute rostliny uvolňujiacute signaacutelniacute molekuly (těkaveacute laacutetky - druhově specifickeacute) a varujiacute okolniacute rostliny ještě před napadeniacutem hmyzem

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin -hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy 1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

produkujiacute u různyacutech rostlin různě - sekundaacuterniacute metabolity - odstrašeniacute nebo zničeniacute patogena - proteiny inhibujiacuteciacute aktivitu zažiacutevaciacutech enzymů hmyzu - enzymy degradujiacuteciacute buněčnou stěnu hub (chitinaacutezy) - proteiny inhibujiacuteciacute překlad proteinů u škůdce - antiviroveacute složky degradujiacuteciacute virovou RNA blokujiacute vstup do buňky zastavujiacute replikaci

geny ktereacute bdquoSARldquo zapiacutenajiacute zvyšujiacute rezistenci rostliny

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům - již v čaacutesti fytotatologie

Co je plevel soutěžiacute s plodinou o živiny světlo a prostor intenziacutevně roste podiacuteliacute se na šiacuteřeniacute chorob a škůdců

lat herba - rostlina řeč cidoacute - ničiacutem

Vznik rezistence plevelů vůči některyacutem herbicidniacutem laacutetkaacutem = reakce plevelnyacutech druhů na podmiacutenky současneacuteho pěstovaacuteniacute rostlin = dlouhodobeacute působeniacute herbicidů

Vyacutevoj plevelů na zemědělskeacute půdě v naacutevaznosti na skladbu pěstovanyacutech plodin Vznik rezistence plevelů vůči herbicidům Problematika invaziacute a expanziacute plevelů

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům

Rezistenci vůči herbicidům způsobujiacute biochemickeacute fyziologickeacute změny nebo morfologickeacute odlišnosti ktereacute ovlivňujiacute přiacutejem herbicidů rostlinou

- degradujiacute herbicid

- měniacute jeho biochemickou funkci v rostlině

- pozměňujiacute miacutesto na ktereacute herbicid v rostlině působiacute

Rezistence rostlin vůči herbicidům dědičnaacute schopnost odolaacutevat takoveacute daacutevce herbicidů při ktereacute by za normaacutelniacutech okolnostiacute byla populace potlačena

směr pro šlechtěniacute

Aplikace rostlinnyacutech biotechnologiiacute v životniacutem

prostřediacute

takto nebo takto

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Těžba a zpracovaacuteniacute surovin(těžkeacute kovy- Cd Pb prach) Průmyslovaacute vyacuteroba (barviva)

Skladovaacuteniacute (haldy kaliště sklaacutedky) Zemědělstviacute (pesticidy herbicidy)

Domaacuteciacute odpad (leacutečiva detergenty praciacute prostředky)

čin

no

st č

lově

ka

půda voda ovzdušiacute

znečištěniacute

degradace organismy produkujiacuteciacute laacutetky (enzymy) pro

ciacutelenyacute rozklad

organismy snižujiacuteciacute toxicitu toxickeacute laacutetky metylaciacute dehalogenace hydroxylace hydrolyacuteza deaminacehellip

substraacutet je zdrojem C a energie

dekontaminace

+ katastrofy Černobyl vaacutelečneacute konflikty

remediace = navraacuteceniacute k původniacutemu stavu

Biodegradace všechny přirozeneacute procesy ktereacute jsou uskutečňovaacuteny bakteriemi a jinyacutemi mikroorganizmy nebo vyššiacutemi organismy ktereacute vedou k destrukci organickyacutech molekul = organickyacute substraacutet je přeměňovaacuten až na CO2 Bioremediace (bakterie houby)

spočiacutevaacute v akceleraci přirozenyacutech biodegradačniacutech procesů nebo v ciacuteleneacute biodegradace - vede k ozdraveniacute kontaminovaneacuteho prostřediacute - detoxifikace měniacute se na netoxickeacute = neškodneacute laacutetky - aplikaciacute mikroorganismů

Fytoremediace (rostliny) niacutezkaacute cena

využitiacute rostlin k odstraněniacute toxickeacute zaacutetěže (těžkeacute kovy) řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny Zooremediace (zviacuteřata)

zpracovaacuteniacute odpadů pomociacute zviacuteřat bezobratliacute - perlorodky měkkyacuteši

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

nevyacutehody pomalaacute viacutece než 2 roky maleacute rozměry vhodnyacutech rostlin maacutelo druhů vhodnyacutech rostlin neniacute 100 probleacutem s rostlinnyacutem odpadem - potřeba zvlaacuteštniacutech sklaacutedek spadeneacute listiacute

- řiacutezeneacute spalovaacuteniacute

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacute len slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

vyacutehody mineralizace organickyacutech sloučenin niacutezkeacute naacuteklady pasiacutevniacute metoda bez transportu kontaminovaneacute půdy energie ze slunečniacuteho zaacuteřeniacute nepoškozuje okoliacute - sniacuteženiacute prašnosti

estetickyacute přiacutenos etickyacute uacutečinek (veřejnosti přijatelnyacute)

2005 cca 450 rostlinnyacutech druhů - tzv bdquohyperakumulaacutetoryldquo 100 x vyššiacute akumulace než u ostatniacutech rostlin

teorie vzniku - obrana vůči hmyzu - hmyz preferuje

niacutezkeacute koncentrace kovu

Thlaspi careulescens

X bagrovaacuteniacute kontaminovaneacute zeminy transport zeminy dekontaminace

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute přiacutejem kořeny - z půdy přiacutejem nadzemniacute čaacutestiacute rostliny - vyacutefukoveacute plyny

akumuluje

degraduje

detoxifikuje

roste na kontaminovaneacute půdě

produkuje velkeacute množstviacute biomasy

tolerantniacute k salinitě a jinyacutem toxickyacutem podmiacutenkaacutem

poskytuje ekonomickeacute hodnoty - textilniacute vlaacutekna (len konopiacute)

GMO - gen fytovolatizace - bakteriaacutelniacute geny transformovaacuteny do rostlin transgeny merA a merB fytoextrakce - gen gsh1 a gsh2 z E coli do Brassica juncea

potenciaacutel je v GMO rostlinaacutech

Laboratoř rostlinnyacutech biotechnologiiacute Společnaacute laboratoř UacuteEB AV ČR vvi A VUacuteRV vvi Akademie věd Českeacute Republiky Mendelova univerzita v Brně Uacutestav experimentaacutelniacute botaniky AV ČR Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby v Praze Metoda použita na čištěniacute uranem a radiem znečištěneacute vody v Mydlovarech - kořenovaacute čistiacuterna

ideaacutelniacute rostlina

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

proces substraacutet ciacutel rostlina

fytoextrakce fytoakumulace

odstraněniacute toxickyacutech laacutetek z půdy a vody - akumulaciacute rychle rostouciacute rostlinou (zůstaacutevaacute v rostlině)

půda sedimenty kaly odpadniacute vody

toxickeacute kovy radionuklidy

Thlaspi sp Brassica sp

fytostabilizace ciacuteleneacute pěstovaacuteniacute tolerantniacutech druhů zamezeniacute eroziacute

půda haldy odkaliště těžkeacute kovy dlouheacute a bohateacute kořeny

fytovolatizace odstraněniacute Hg pomociacute genu koacutedujiacuteciacuteho reduktaacutezu Hg2+ na Hg0

a uvolněniacute do ovzdušiacute

půdy sedimenty odkaliště průmysloveacute a zemědělskeacute odpadniacute vody

kovy - Se Hg chlorovanaacute rozpouštědla

stromy traacutevy Brassica sp

fytodegradace degradace kontaminantů rostlinou na netoxickeacute laacutetky

půdy sedimenty odkaliště odpadniacute vody

ropneacute laacutetky pesticidy detergenty

stromy traacutevy

rhizofiltrace odstraněniacute pomociacute rostlinnyacutech kořenů

povrchoveacute vody odpadniacute vody

těžkeacute kovy - Co Cu Cr Mn Ni radionuklidy

Brassica sp Helianthus vodniacute rostliny hydroponie

superrostliny

niacutezkeacute naacuteklady

kořenovaacute čistička = umělyacute mokřad oddělenyacute od okoliacute nepropustnou foacuteliiacute využiacutevaacute samočisticiacutech procesů probiacutehajiacuteciacutech v propustneacutem půdniacutem prostřediacute za spoluuacutečasti rostlin čištěniacute odpadniacutech vod z domaacutecnostiacute sklaacutedek a některyacutech průmyslovyacutech provozů

Rhizofiltrace

httpwwwnemcoviceczcontentviewfull3607

rostliny s vysokyacutemi

naacuteroky na vyacuteživu

+

bakterie

může zapaacutechat

5x - 10 x nižšiacute naacuteklady

Člověk čistiacute odpadniacute vodu za pomoci zařiacutezeniacute

ale přiacuteroda to zvlaacutedaacute bez přiacutestrojů a mnohem levněji

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute niacutezkeacute naacuteklady

rostlina chemickaacute sloučenina

pšenice 24 -D MCPA jako zdroj uhliacuteku

kukuřice atrazin degradace atrazinu mikroorganismy rhizosfeacutery

fazole diazinon parathion mineralizace v rhizosfeacuteře

luštěniny nafta

Kučerovaacute et al 1999 Chemickeacute listy

přiacutejem - velikost kořenoveacuteho systeacutemu přiacutestupnost pro rostlinu např chelaacutety

transport rostlinou - apoplast (difuacuteziacute)

symplast (specifickeacute přenašeče)

miacutesto uskladněniacute hustota rostlin v porostu

zaacutevažnějšiacute ekologickyacute a toxikologickyacute vyacuteznam přibližně 16 prvků (Fe Mo Mn Zn NiCo Cu V W Cr Hg Pb Cd Sb Ag a U)

Budoucnost fytoremediaciacute niacutezkeacute naacuteklady

Fytoremediace v praxi

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Ural 1953 odstraněniacute těžkyacutech kovů

Amana Iowa hybridniacute topoly atrazin odstraněna čaacutest až 20

Beaverton Kreton

hybridniacute topoly

organickeacute laacutetky kovy

a amonneacute sloučeniny

celkoveacute vyčistěniacute oblasti

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Fukušima 113 2011 slunečnice radioaktivniacute cesium dekontaminace půdy

Černobyl 2641986 slunečnice jabloně

cesium stroncium dekontaminace půdy povrchoveacute vody

paacutes 30 km - likvidace radioaktivniacutech rostlin

nebudou spaacuteleny rozloženy a kompostovaacuteny - speciaacutelniacute bakterie

slunečnice spotřebovaacutevajiacute z půdy drasliacutek kteryacute patřiacute mezi alkalickeacute kovy stejně jako cesium drasliacutek neniacute v půdě přiacutetomen květiny využijiacute praacutevě druhyacute prvek - Cs

Biotechnologie v ŽP niacutezkeacute naacuteklady

fytomining - fytodobyacutevaacuteniacute fytodolovaacuteniacute

ziacuteskaacutevaacuteniacute kovů z rostlin kde klasickaacute těžba je nevyacutehodnaacute rostliny - bdquotěžaři vzaacutecnyacutech kovůldquo a polokovů AuTh Co U Cd Ni Cu Mn

v rostlinaacutech hyperakumulaacutetorech je akumulace prvku sušina rostliny jako -ldquobio-rudaldquo

vyacutehody

- obsah kovu v bdquobio-ruděldquo je vyššiacute než v běžneacute rudě

- meacuteně skladovatelneacuteho miacutesta

- zelenaacute technologie jako alternativa

fytomining Ni pomociacute Alyssum bertolonii

Robinson et al 1997 The nickel hyperaccumulator plant Alyssum bertolonii as a potential agent for phytoremediation and phytomining of

nickel Journal of Geochemical Exploration59(2)75-86

zlatonosneacute rostliny

zlataacute jablka

zlateacute kapradiacute

hledaacuteniacute nalezišť

technologie budoucnosti

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute bioplasty z biomasy (škroby tuky) nahrazujiacute fosilniacute zdroje vyacutehodou je biodegradace biopaliva rostlinnyacute materiaacutel a řasy bioethanol GMO rezistentniacute rostliny vůči postřikům hmyziacutem škůdcům transfer genů pro symbiotickou fixaci dusiacuteku z luštěnin do dalšiacutech plodin přenos genů z bdquoC4ldquo do bdquoC3ldquo rostlin pro dosaženiacute uacutečinnějšiacute fotosynteacutezy (ryacuteže)

Transgenoziacute se přenaacutešiacute přirozeneacute geny vznikleacute evoluciacute z jednoho organismu do druheacuteho kteryacute se s daacutercem genu obvykle

nemůže křiacutežit pouze dokaacuteže přenosy mezi vyacutevojově ještě vzdaacutelenějšiacutemi organismy

Geny použiacutevaneacute při transgenosi jsou braacuteny z přiacuterody např gen v soacuteji tolerujiacuteciacute glyfosaacutet - je z bakterie rodu Agrobacterium

Klasičtiacute šlechtiteleacute takto pracujiacute daacutevno např smiacutechali geny pšenice a žita

GMO

Transgenoze ndash vnaacutešeniacute znaacutemyacutech jednotlivyacutech genů do dědičneacuteho

zaacutekladu (poprveacute 1978)

Pro přenos - Agrobacterium tumefaciens A rhizogenes E coli

httpblogscassuffolkeduiglesias20140424gmos

GMO bez obalu httpwwwbezpecnostpotravinczUserFilespublikaceGMO_web_1pdf

GMO - transgenniacute rostliny CARTAGENSKYacute PROTOKOL o biologickeacute bezpečnosti 29 1 2000 Montreal (OSN ndash program pro životniacute prostřediacute UNEP) platnost 11 9 2003

ČR podepsala 24 52000 (gmovschtcz) nyniacute 160 staacutetů

opatřeniacute ve staacutetech ktereacute se připojiacute k projektu (dovoz vyacutevoz transport)

vzdělaacuteniacute odborniacuteků a informovaacuteniacute veřejnosti

vytvořeniacute noveacute legislativy GMO (wwwenvcz )

spolupraacutece při vyacuteměně zkušenostiacute

Svět 2010 - viacutece než 150 mil ha viacutece než 20 zemiacute

pro vegetačniacute čaacutesti

nebo plody

CIacuteL PROTOKOLU - zajistit ochranu a bezpečnost při zachaacutezeniacute využiacutevaacuteniacute a přenosu živyacutech modifikovanyacutech organismů ktereacute jsou vyacutesledkem moderniacutech biotechnologiiacute a ktereacute mohou miacutet nepřiacuteznivyacute vliv na zachovaacutevaacuteniacute biologickeacute rozmanitosti a zdraviacute člověka Protokol je zaměřen předevšiacutem na převoz GMO přes hranice staacutetů a maacute ochraňovat zejmeacutena staacutety kteryacutem dosud chybiacute vlastniacute vnitrostaacutetniacute praacutevniacute předpisy v oblasti GMO

GMO - transgenniacute rostliny historie

EVROPA

SRN - Max-Planck-Institut

Belgie - Universita Ghent

Švyacutecarsko- ETH Zurych

ČR - Biofyzikaacutelniacute uacutestav Brno (Agrobacterium jako vhodnyacute přenašeč genů)

ČR - UacuteEB ČSAV Českeacute Budějovice (metody modifikaciacute)

2010 1 transgenniacute hraacutech v Evropě (ČR Agritec Šumperk)

transgenniacute len - oleje

FYTOPATOLOGIE IN VITRO

Fytopatologie in vitro

in vitro selekce = kultivace buněk se selekčniacutem činitelem (fitraacutet inokulum toxin)

ndash přežiacutevajiacuteciacute buňky jsou regenerovaacuteny do rostlin resistentniacuteho fenotypu

Studium interakce rostlina x patogen v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

Druh Patogen Typ biologickeacuteho testu Ciacutel

Coffea arabica Colletotrichum kahawae růst houby na kalusech vyacuteběr rezistentniacutech genotypů

Vitis vinifera Elsinoe ampelina růst kalusu na meacutediu s patogenem testy rezistence

Lycopersicon aes Alternaria alternata testy na izollistech in vitro hodnoceniacute toxicity

Pinus taeda Cronartium quercuum embryokultury s houbami vyacuteběr rezistentniacutech embryiacute

Triticum aestivum Microdochium nivale listy semenaacutečky in vitro vyacuteběr rezistentniacutech kultivarů

ozdravovaacuteniacute rostlin

klonoveacute množeniacute rezistentniacutech taxonů

Page 22: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,

Rostlinneacute biotechnologie

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute mutace s naacuteslednou selekciacute odchylek noveacute techniky EK ciacutelenyacute přenos genů

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

prvniacute zemědělci

neuvědomělyacute ciacutelenyacute vyacuteběr nahodilyacutech odchylek (spontaacutenniacute mutace) BT prvniacute ciacuteleneacute křiacuteženiacute bliacutezkeacute vzdaacuteleneacute standardniacute hybridizačniacute techniky již NESTAČIacute zvyšovaacuteniacute množstviacute hnojiv do půdy použitiacute těžkeacute techniky - neniacute řešeniacute uacutebytek počtu druhů půdniacutech mikroorganismů eroze půdy - ztraacuteta schopnosti zadržovat vodu kontaminace půdy pesticidy - pesticidy i v produktech

zaacuteměrnaacute MUTACE s naacuteslednou selekciacute odchylek - odrůda ječmene bdquoDIAMANTldquo

noveacute TECHNIKY EK VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

ciacutelenyacute přenos genů GMO

CO BUDE DAacuteL zvyšovat vyacutenosy BUDE VĚTŠINA PĚSTOVANYacuteCH ZEMĚDĚLSKYacuteCH PLODIN TRANSGENNIacute

vznik zemědělstviacute

1954

jsme moudřejšiacute

maacuteme většiacute možnosti

Počaacutetek EK 1902 Gottlieb Haberland segmenty listů 1904 Hannig zralaacute embrya

Potenciaacutel rostlinneacute buňky a podstata

explantaacutetovyacutech kultur rostlin

metody a jejich aplikace

ve šlechtěniacute rostlin

EK - historie

TOTIPOTENCE rostlinneacute buňky genetickeacute informace - jaacutedro plastidy mitochondrie

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

daacute se přeneacutest v raacutemci šlechtěniacute

blok totipotence

vyjaacutedřeniacute totipotence 1 dediferenciace buňky do buněčneacuteho cyklu a pokračovaacuteniacute v děleniacute 2 rediferenciace - tvorba organickyacutech struktur - přiacutemaacute regenerace tvorba kalusu - nepřiacutemaacute regenerace

vliv růstovyacutech regulaacutetorů

Rostlinneacute biotechnologie prvniacute generace - od explantaacutetovyacutech kultur po GMO

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute rostlin - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

Explantaacutet = aseptickaacute kultivace izolovanyacutech čaacutestiacute rostlin za umělyacutech podmiacutenek

EXPLANTAacuteTOVEacute KULTURY - VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

EK - historie

Metody EK využitelneacute v zemědělstviacute Meristeacutemoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Somatickaacute embryogeneze

Embryokultury

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze + buněčneacute inženyacuterstviacute

Genetickeacute manipulace

VITRIFIKACE (hyperhydricita) ndash vyjadřuje abnormality růstu in vitro skelnatyacute syndrom vyacutehonů křehkeacute mokryacute vzhled pryacutetů (vodou nasycenyacutech) průsvitnyacute sukulentniacute vzhled

metody zachovaacutevajiacuteciacute genotyp beze změn během kultivace metody zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu během kultivace

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK 1 rychleacute namnoženiacute

2 ozdravovaacuteniacute

3 překonaacuteniacute nekřiacutežitelnosti - embryokultury

4 dlouhodobeacute udržovaacuteniacute genetickyacutech zdrojů

5 indukce mutantů - ziacuteskaacuteniacute novyacutech genotypů

6 předselekce - urychleniacute šlechtitelskeacuteho cyklu

7 ziacuteskaacuteniacute novyacutech a udrženiacute genotypů s pylovou sterilitou

8 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho procesu

9 produkce haploidů

10 produkce polyploidů

11 rychlejšiacute ziacuteskaacuteniacute vyacutechoziacuteho šlechtitelskeacuteho materiaacutelu pro noveacute odrůdy

12 somatickaacute hybridizace - fuacuteze

13 konstrukce novyacutech genotypů kulturniacutech plodin přenos bdquoužitečnyacutech genůldquo

14 udržovaacuteniacute genofondu

15 selekce in vitro - rezistence k abiotickyacutem a biotickyacutem stresům

16 produkce sekundaacuterniacutech metabolitů

Plodina Technika

ječmen pšenice kukuřice

řepka paprika brukvovitaacute

zelenina mrkev

androgeneze

cibule gynogeneze

jahodniacutek česnek ozdravovaacuteniacute

brambor traacutevy polyploidizace in vitro

jeteloviny drobneacute ovoce

ovocneacute dřeviny podnože traacutevy mikropropagace

brambor řepka somatickaacute hybridizace

hraacutech brambor rezistence k chorobaacutem

traacutevy embryokultury

Kombinace metod embryokultury oplozeniacute in vitro fuacuteze protoplastů

plodiny se geneticky upravujiacute pro většiacute rezistenci k herbicidům - ničeniacute plevele bez poškozeniacute uacuterody GM rajčata potlačujiacute gen pro polygalakturonaacutezu enzym degradujiacuteciacute pektin způsobujiacuteciacute měknutiacute pletiv (Deacon a kol 2002)

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK

Meristeacutemoveacute kultury

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny meristeacutemoveacute kultury

Vyacutehody maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky naacuteslednaacute mikropropagace ozdraveneacuteho materiaacutelu bdquovirus - freeldquo

Vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana Iniciace kultury Testovaacuteniacute in vitro Přenos do nesterilniacutech podmiacutenek Testovaacuteniacute

MERISTEacuteM ndash děliveacute nediferencovaneacute pletivo ozdravovaacuteniacute rostlin (02 - 05 mm) meristeacutemy

OZDRAVOVAacuteNIacute Termoterapie (vyššiacute teplota)

Meristeacutemovaacute kultura Chemoterapie (antivirotika)

viry - nebuněčneacute mikroorganismy virovaacute čaacutestice = virion sklaacutedaacute se z RNA nebo DNA a kapsidu

fytopatologie in vitro

ribavirin

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny

Vyacuteznamneacute viroveacute choroby rostlin v ČR od 30 ztraacutet CaMV - 1968 PVY 30 -70 VMCH (virus mozaiky chmele) až o 70 mozaika česneku 25 - 50 žloutenka cibule až 100 bronzovitost rajčat

- žloutnutiacute listů kroužky a čaacutery na listech nevyvinuteacute rostliny abnormaacutelniacute růst - vstupujiacute různyacutemi poraněniacutemi - šiacuteřiacute se plasmodesmaty - velmi odolneacute proti inaktivaci - přenaacutešeny semeny hliacutezami pylem roubovaacuteniacutem hmyzem houbami červy

1952 Morel a Martin u jiřin

Využitiacute metody jahodniacutek česnek zeleniny květiny okrasneacute dřeviny ovocneacute dřeviny banaacutenovniacutek hellip

Tvorba bezviroacutezniacutech rostlin

1 meristeacutem = 1 rostlina testovaacuteniacute

wwwoselczindexphpclanek=2819

viroacutezniacute x zdravaacute

M Navraacutetil KBBPřFUPOL

PVY

In vitro klonovaacuteniacute mikropropagace meristeacutemoveacute kultury

zisk geneticky identickeacute rostliny vegetativniacutem množeniacutem

VYacuteHODY

maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny ktereacute jsou geneticky stabilniacute

v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky

vyššiacute množitelskyacute koeficient - potenciaacutelniacute hodnota zisku rostlin

Postup - vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana - iniciace kultury - mikropropagace - přenos do nesterilniacutech podmiacutenek

KLON - kolekce geneticky identickyacutech individuiacute původem z jedineacuteho rodiče

komerčně od 1960

httpwwwjanholubcz

In vitro meristeacutemoveacute kultury - využitiacute - zaacutechrana a množeniacute ohroženyacutech druhů kaktusy

- zaacutechranneacute množeniacute cennyacutech genotypů a liniiacute sterilniacutech rostlin - udrženiacute rodičovskyacutech komponent pro tvorbu hybridniacutech odrůd

- množeniacute transgenniacutech rostlin

- zachyceniacute a klonovaacuteniacute nově nalezenyacutech mutantů při šlechtěniacute

- klonovaacuteniacute nejlepšiacutech jedinců pro produkci elitniacuteho osiva

- vegetativniacute množeniacute okrasnyacutech rostlin karafiaacutet gerbera anthurie orchideje

sanpaulie kapradiny hellip

- množeniacute drobneacuteho ovoce jahodniacutek maliniacutek reacuteva

- množeniacute dřevin podnože pro školkařstviacute lesniacute dřeviny tropickeacute dřeviny

- v zelinaacuteřstviacute množeniacute brambor zeliacute

- množeniacute pouze samičiacutech rostlin datlovaacute palma

- kryoprezervace (-196 oC) jahodniacutek maliniacutek hraacutech brambor karafiaacutet

Genoveacute

banky

Mikropropagace multiplikace klonovaacuteniacute nejen z meristeacutemů

Solanum tuberosum Cucumis sativus Olea europea Eucalyptus grandis Salix sp Syringa sp Juglans regia

Schopnost regenerace tvorba identickyacutech rostlin = přiacutemaacute somatickaacute embryogeneze

Meristeacutemy Pryacutetoveacute segmenty Kalusy Embrya

Zdroje odchylek bull vysokeacute daacutevky růstovyacutech regulaacutetorů typ regulaacutetoru bull rostliny regenerujiacute z basaacutelniacuteho kalusu (možnost gen změn)

Kalusoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Primaacuterniacute explantaacutet kalus meristemoid orgaacutenoveacute primordium

Kalus = masa děliacuteciacutech se a rostouciacutech buněk

nejsou uniformniacute mohou se lišit velikostiacute tvarem pigmentaciacute metabolismem nebo počtem chromosomů

bull za určityacutech podmiacutenek regenerace pryacutetů a kořiacutenků

tma x světlo

subkultivace

metoda geneticky nestabilniacute

Kalusoveacute kultury - somaklonaacutelniacute variabilita ndash MUTACE a zisk novyacutech znaků

- mikropropagace ndash cibule žen-šen hellip

- vyacutechoziacute materiaacutel pro suspenzniacute a protoplastovou kulturu

- materiaacutel pro indukovaneacute mutace (zaacuteřeniacute chemomutageny)

- sekundaacuterniacute metabolity (alkaloidy AMK saponiny oleje složky vůniacute protinaacutedoroveacute laacutetky steroidy )

polyploidie aneuploidie

Selekce mutantů se zlepšenou nutričniacute hodnotou (viacutece biacutelkovin v zrnu)

Rezistence vůči zasoleniacute (vysokyacute turgor v buňkaacutech akumulace NaCl ve vakuolaacutech)

Rezistence vůči chorobaacutem (synteacuteza fytotoxinů fytoalexinů)

Sekundaacuterniacute metabolity (= chemickeacute individuality v rostlinaacutech ndash barviva vůně chuti obrana)

Artemisia annua - artemisin (antimalarika) Capsicum sp - capsaicin (protinaacutedoroveacute)

Digitalis lanata - digoxin (srdečniacute stimulanty) Papaver somniferum - codein (sedativa)

Taxus breviola - taxol (protinaacutedoroveacute) Vanilla planifolia - vaniliacuten (aroma)

Panax ginseng - (imunitniacute systeacutem) Zingiber officinale ndash gingerol (antioxidant)

Somatickaacute embryogeneze a suspenzniacute kultury

Využitiacute

umělaacute semena (enkapsulace somatickyacutech embryiacute)

využitiacute somatickeacute variability

klonoveacute množeniacute

sekundaacuterniacute metabolismus (suspenze)

kryoprezervace

Buněčnaacute suspenze = převedeme kalus do tekuteacuteho meacutedia

a provzdušňujeme (kontakt buněk a shluků buněk s meacutediem)

vznikaacute bipolaacuterniacute struktura obsahujiacuteciacute kořen a pryacutet

auxin (24-D)

umělaacute semena

Mutace RADIOMUTANT PROSPĚCH NEBO ZAacuteLUDNOST

SPONTAacuteNNIacute MUTACE využiacutevaacute člověk při šlechtěniacute odrůd spur typy (kompakt typy) jabloniacute absence trnů u ostružiniacuteku variabilita květenstviacute jiřinky proměnliveacute vznik plemen domaacuteciacutech zviacuteřat je založen na podchyceniacute spontaacutenniacutech mutaciacute ndash plemena psů

INDUKOVANEacute MUTACE působeniacute mutagenů

zaacuteměrneacute ndash ve vyacutezkumu ve šlechtěniacute rostlin (př odrůdy ječmene DIAMANT (zkraacuteceniacute steacutebel ndash nepoleacutehaacute) kompaktniacute růst a samosprašnost třešně změna barvy slupky u jabloně ndash sbquoredlsquo mutace)

nezaacuteměrneacute ndash důsledek použitiacute jadernyacutech a chemickyacutech zbraniacute ndash Yperit jaderneacute a jineacute katastrofy

1950 radiomutace chemomutace 1965 ječmen Diamant

Suspenzniacute kultury - SK KULTURA V TEKUTEacuteM MEacuteDIU ROSTE A DĚLIacute SE NĚKOLIKANAacuteSOBNĚ RYCHLEJI NEŽ KULTURA

NA PEVNEacuteM MEacuteDIU Využitiacute jako experimentaacutelniacute model produkce sekundaacuterniacutech metabolitů indukce somaklonaacutelniacute variability a naacutesledneacute selekce mikropropagace (pod kontrolou genetickeacute stability) pohyb kultury v bioreaktoru maacute za naacutesledek potlačeniacute apikaacutelniacute dominance tiacutem se stimuluje růst mnohonaacutesobnyacutech pryacutetů

Bioreaktory firmy VitroSys Inc Korea

ideaacutelniacute SK ndash rychlyacute růst karyologickaacute stabilita životnost buněk rentabilita

Minimaacutelně 103 ml buněk 110 suspenze v exponenciaacutelniacute faacutezi se doplniacute čerstvyacutem meacutediem Koncentrace sacharidů prodlužuje periodu růstu

Velkokapacitniacute kultivace rostlinnyacutech buněk v tekutyacutech meacutediiacutech sterilniacute prostřediacute obsahujiacuteciacute živiny a laacutetky potřebneacute pro růst a jeho regulaci vhodneacute pro kultivaci rostlinnyacutech mikrobiaacutelniacutech a živočišnyacutech buněk

Bioreaktor

Bioreaktory s tekutyacutem meacutediem explantaacutety jsou ponořeny v tekuteacutem meacutediu Bioreaktory s pravidelnyacutem zaplavovaacuteniacutem (temporary immersion bioreactor TIB) explantaacutety jsou pravidelně zaplavovaacuteny

Bioreaktor

httpwwwuebcasczcscontentzensenove-spagety

pěstujiacute se jen kořeny - zisk GINSENOSIDŮ za 3 měsiacutece v laboratoři stejnyacute zisk jako z rostlin ženšenu v přiacuterodě za 8 let obsah GINSENOSIDŮ je srovnatelnyacute s planě rostouciacutemi rostlinami množstviacutem i vzaacutejemnyacutem poměrem jednotlivyacutech laacutetek

v Koreji od r 2004

hairy-root systeacutem a sekundaacuterniacute metabolity

Sekundaacuterniacute metabolity - SM ROSTLINA BUNĚČNAacute KULTURA

EXTRAKT prověřovaacuteniacute oddělovaacuteniacute čištěniacute aktivniacute složky testovaacuteniacuteprověřovaacuteniacute

ČISTAacute BIOAKTIVNIacute LAacuteTKA

SM z buněčneacute kultury - extrakty ziacuteskaneacute za reprodukovatelnyacutech podmiacutenek spolehliveacute zdroje meacutedium - množstviacute čisteacuteho produktu

buňky rostou v tekuteacutem meacutediu -ne celaacute rostlina

produkt rostlina in vitro ()

rostlina ()

poměr

ginsenoside Panax ginseng 27 45 6 x

rosmarinic acid Coleus blumei 27 3 9 x

caffeic acid Vanilla planifolia 002 0005 4 x

shikonin Lithospermum erythrorhizon

20 15 135 x

ubiquinon-10 Nicotiana tabacum 0036 0003 12 x Heldman et al 2011

anti

oxy

dan

ty v sušině

bioreaktory

Sekundaacuterniacute metabolity - SM Rostlina Uacutečinnaacute laacutetka Uacutečinek

Artemisia annua pelyněk ročniacute artemisinin antimalarikum

Digitalis lanata naacuteprstniacutek vlnatyacute digoxin srdečniacute stimulants

Dubosia myoporoides lilkoviteacute atropin

scopolamin

očniacute přiacutepravky mořskaacute nemoc

Lithospermum

erythrorhizon

kamejka

rudokořennaacute

shikonin protinaacutedoroveacute

Panax ginseng ženšen pravyacute stimulant imunitniacuteho systeacutemu

Salix alba vrba biacutelaacute salicin antirevmatikum proti horečce

Taxus brevifolia tis

zaacutepadoamerickyacute

baccatin taxol protinaacutedoroveacute

Vinca rosea barviacutenek růžovyacute vinblastin

vinkristin

protinaacutedoroveacute alkaloidy

leukeacutemie

buněčnaacute kultura

Rostlina Extrakt Uacutečinek

Linum usitatissimum len setyacute olej

Mentha piperita maacuteta peprnaacute maacutetovyacute olej -

mentol

žaludečniacute potiacuteže

Mentha spicata maacuteta klasnataacute mentol žaludečniacute potiacuteže

Zingiber officinale zaacutezvor leacutekařskyacute gingerol antioxidant

informace z tradičniacute lidoveacute mediciacuteny - použitiacute extraktů a purifikace zdroje z nedotčeneacuteho ekosysteacutemu

kalusovaacute kultura buněčnaacute suspenze orgaacutenovaacute kultura - Artemisia Mentha - pryacutety

rostliny jsou vyacuterobci sekundaacuterniacutech metabolitů

cytostatikum

Sekundaacuterniacute metabolity - SM

Heldman et al 2011

VYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY

nezaacutevisleacute na geografickyacutech podmiacutenkaacutech

nezaacutevisleacute na sezoacutenniacutech podmiacutenkaacutech

v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

v přiacuterodě kontrolovaacuteno množstviacute in vitro ne

nepřetržitaacute dodaacutevka produktu

uniformniacute kvalita produktu

uniformniacute vyacutetěžnost produktu (průběžně)

vyacuteběr vhodneacute linie s vyššiacute produkciacute produktu

možnost tvorby novyacutech laacutetek nenormaacutelniacutech u donora

NEVYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY staacutele se vyviacutejejiacuteciacute

překaacutežky - pomalyacute růst

genetickaacute nestabilita

různorodost

niacutezkyacute obsah metabolitu

produkty vylučovaacuteniacute provozniacute - světelneacute podmiacutenky aseptickeacute podmiacutenky

STRATEGIE TVORBY SM vyacuteběr donorovyacutech rostlin - biochemickeacute testy

iniciace kalusů

vyacuteběr buněčneacute linie - rychle rostouciacute vysokaacute produkce

ciacutelenyacute metabolismus - kultivačniacute meacutedium (složeniacute koncentrace proporcionalita)

kultivačniacute podmiacutenky (teplota světlo pH) zvlaacuteštniacute požadavky (prekurzor simulace stresu - napadeniacute patogenem)

uvolněniacute do meacutedia

Embryokultury

Embryokultury = kultivace zralyacutech nebo nezralyacutech embryiacute in vitro

1904 Hannig - embrya u ředkve

1925 Laibach - aplikace v mezidruhoveacutem křiacuteženiacute r Linum sp

1945 Randolph - zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu u r Iris sp

1970 Kasha Kao - ziacuteskaacuteniacute haplodů u ječmene

Hordeum vulgare (zůstaacutevaacute) x Hordeum bulbosum (eliminace chromozoacutemů)

Zygotickaacute embrya vyacuteživa z endospermu (heterotrofniacute)

Embrya in vitro vyacuteživa z kultivačniacuteho meacutedia

In vitro oplodněniacute u člověka - 1978 pro neplodneacute paacutery

geneticky stabilniacute metoda

Embryokultury- in vitro

I Kultura semennyacutech embryiacute tj izolace plně vyvinutyacutech

bipolaacuterniacutech struktur obsahujiacuteciacutech kořenovyacute a stonkovyacute systeacutem

II Kultura proembryiacute tj izolace nezralyacutech zaacuterodků předchaacutezejiacuteciacutech

diferenciaci děloh

Embryogeneze zygotickeacuteho embrya (in vivo)

zygota (přiacuteprava na 1 děleniacute)

faacuteze pomaleacuteho vyacutevinu embrya po oplozeniacute

faacuteze rychleacuteho vyacutevinu růstu a diferenciace embrya

faacuteze dozraacutevaacuteniacute embrya

faacuteze přechodu embrya do dormance (ABA)

Embryokultury

1 překonaacuteniacute barieacuter vzdaacuteleneacuteho křiacuteženiacute (abortace hybridniacutech embryiacute sterility semen)

2 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu (viacutece generaciacute za rok)

3 řešeniacute jarovizačniacuteho staacutedia

4 primaacuterniacute explantaacutet pro dalšiacute kultury

5 eliminace inhibice kliacutečeniacute

6 studium mineraacutelniacute vyacuteživy

7 umělaacute semena

8 studium metabolickyacutech vztahů mezi embryem a endospermem embryem a dělohami

9 ziacuteskaacuteniacute haploidniacutech rostlin

Opylovaacuteniacute in vitro

Opylovaacuteniacute in situ

in vitro

Inkompatibilita rostlin

zaručuje stabilitu druhu

Barieacutery procesu opyleniacute a oplozeniacute

vnějšiacute (teplota vlhkost nedostatečnaacute vyacuteživa )

vnitřniacute (inkompatibilita samčiacute nebo samičiacute sterilita)

využitiacute v raacutemci šlechtěniacute rostlin k překonaacuteniacute prezygotickyacutech barieacuter vznik mezidruhovyacutech mezirodovyacutech hybridů

Barieacutery Technika překonaacuteniacute

Před oplodněniacutem selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute blizny pestiacuteku pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

rezistence vůči abiotickeacutemu stresu rezistence vůči škůdcům vyššiacute vyacutenos

přenos z jineacuteho druhu

EK využitiacute ve šlechtěniacute

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury HAPLOID rostlina s n počtem chromozomů menšiacute sterilniacute

1963 T Yamada a kol Tradescantia reflexa (haploidy)

1964 - 1966 S Guha SC Maheswari Datura diploidizace kolchicinem

1969 JP Nitsch a kol celeacute rostliny (tabaacutek)

1973 JP Nitsch Norrel mikrosporoveacute kultury

2000 šlechtitelskeacute programy polniacutech plodin (obiloviny řepka)

využiacutevajiacute haploidniacute kultury in vitro

Androgeneze prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Androgeneze - kultivace prašniacuteků pyl zrn mikrospor = samčiacute genotyp

Gynogeneze - kultivace neoplodněnyacutech vajiacuteček = samičiacute genotyp

Haploidie - spontaacutenniacute = haploidniacute partenogeneze (gynogeneze androgeneze) frekvence 10-6

- experimentaacutelniacute indukovanaacute

fyzikaacutelniacute faktory = UV γ-zaacuteřeniacute X-paprsky teplotniacute šoky

zaacutesahy do procesů opyleniacute a oplozeniacute (inaktivniacute pyl)

explantaacutetoveacute metody = prašniacutekoveacute a pyloveacute kultury kultivace semeniacuteků a vajiacuteček

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury Ontogeneze pylu

In vivo mikrosporogeneze

pylovaacute mateřskaacute buňka

meiosa

pyloveacute tetraacutedy

vyacutevoj mikrospory (1 pyl mitoacuteza)

In vitro vyacutevoj embryoidu

(vegetativniacute generativniacute buňka)

- přiacutemaacute embryogeneze

- nepřiacutemaacute embryogeneze

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

využitiacute haploidů (majiacute jen jednu sadu chromosomů)

segregace vloh na gametickeacute uacuterovni ndash homozygoacutetniacute stav (čisteacute linie v F2 generaci)

detekce recesivniacutech mutaciacute (fenotypickyacute projev)

trpasličiacute varieta ndash u okrasnyacutech rostlin

Dihaploidizace

n rostliny - sterilniacute

104 ndash 105 mikrospoacuterml meacutedia

Brassica sp

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Prašniacutekoveacute kultury

viacutece než 200 druhů (řepka ryacuteže kukuřice obiloviny)

20-60 dnů

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

vyacutevoj globulaacuterniacuteho embrya a naacutesledně haploidniacute rostliny přiacutemo z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory

z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory vznikaacute kalus rarr indukce organogeneze

TYPY ANDROGENEZE

vzaacutecně

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Solanaceae

Brassicaceae

Poaceae

prašniacuteky

Androgeneze

Indukovanaacute androgeneze ndash přiacuteklady

Beta vulgaris - homozygotniacute linie

Brassica napus - novaacute odrůda linie

Hordeum vulgare

Lycopersicon - novaacute odrůda

Nicotiana - noveacute odrůdy

Oryza - noveacute odrůdy

Pelargonium - trpasličiacute variety

Triticum ndash cv Florin Huapei

Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby Praha Vyacutezkumnyacute uacutestav obilnaacuteřskyacute Kroměřiacutež Vyacutezkumnyacute uacutestav olejnin Oseva

Gynogeneze kultury izolovanyacutech vajiacuteček

kultury izolovanyacutech semeniacuteků

kultury izolovanyacutech květenstviacute in vitro

haploidniacute rostliny

spontaacutenniacute dihaploidniacute rostliny

ječmen kukuřice moruše

slunečnice cibule

kultivace vajiacuteček Beta vulgaris Tomaszewska-Sowa 2010

327 haploids 458 diploids and 215 ndash mixoploids

x opyleniacute ozaacuteřenyacutem pylem

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

Polyploidizace in vitro

duplikace celeacuteho genomu až 70 všech krytosemennyacutech rostlin je polyploidniacutech (Masterson 1994) POLYPLOID metabolicky aktivnějšiacute a rozměrnějšiacute plodiny ktereacute jsou vhodneacute pro pěstovaacuteniacute a leacutepe se vyrovnaacutevajiacute se stresovyacutemi podmiacutenkami

kolchicin

oryzalin

trifluralin

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze protoplastů

1892 Klecker - 1 mechanickaacute izolace protoplastů Stratiotes aloides (řezan pilolistyacute) 1960 EC Cocking 1 enzymatickaacute izolace protoplastů Nicotiana sp 1978 G Melchers a kol 1 mezirodovyacute hybrid bdquopomatoldquo bdquotopatoldquo Solanum tuberosum x S lycopersicum (Lycopersicum esculentum)

httptheplanetfixerorg387new-vegetable-created-the-tomato-potato-plant

Protoplastoveacute kultury

= kultivace rostlinnyacutech buněk zbavenyacutech buněčneacute stěny

Protoplast = rostlinnaacute buňka bez buněčneacute stěny jejiacute povrch tvořiacute cytoplazmatickaacute membraacutena maacute kulovityacute tvar

Protoplastoveacute kultury - regenerace

Faktory ovlivňujiacuteciacute kultivaci a regeneraci

Hustota ( počet protoplastů v 1 ml)

Životnost ()

Podmiacutenky kultivace a meacutedium

bull Studium synteacutezy buněčneacute stěny vyacutevoj buňky fyziologie buňky a cytogenetiku

bull Studium hodnoceniacute uacutečinků farmak potravinovyacutech doplňků agrochemickyacutech laacutetek na rostlinnou

buňku

bull Studium transportu iontů a laacutetek přes cytoplasmatickou membraacutenu

bull Somatickaacute hybridizace (fuacuteze protoplastů)

bull Inkorporace exogenniacuteho genetickeacuteho materiaacutelu ndash organel cybridizace

bull Genoveacute transformace (cizorodaacute DNA z bakteriaacutelniacuteho plasmidu)

Protoplastoveacute kultury - fuacuteze

Využitiacute

kombinace znaků odlišnyacutech druhů a rodů ktereacute by nevznikly přirozenou cestou

jedinečneacute kombinace jadernyacutech a organelovyacutech genomů vytvaacuteřiacute noveacute genetickeacute zdroje

často jen - čaacutest chromozomů asymetrickeacute jaderneacute hybridy

chloroplasty

mitochondrie

chemickeacute fuacuteze - pomalejšiacute elektrofuacuteze - fuacutezanti po 10 min vyššiacute frekvence fuacutezantů

cytoplazmickeacute hybridy - cybridy

Charakterizace hybridů - morfologicky cytologicky molekulaacuterniacute analyacutezy

Přirozenaacute mezidruhovaacute hybridizace - vznik některyacutech kulturniacutech plodin

B oleracea + B campestris = Brassica napus Nicotiana sylvestris + N tomentosa = Nicotiana tabacum

cybridy nelze ziacuteskat klasickou hybridizaciacute (křiacuteženiacutem) ndash samčiacute pohlavniacute buňky (pyl zrna) nemajiacute plastidy a mitochondrie

V přiacuterodě blesky do půdy modifikace bakteriiacute

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

Přenos jaderneacute a cytoplazmatickeacute genetickeacute informace mezi rostlinnyacutemi druhy rody

- překonaacuteniacute sexuaacutelniacute inkompatibility

- přenos genů rezistence vůči virovyacutem houbovyacutem chorobaacutem

- přenos cytoplazmatickeacute samčiacute sterility

- přenos rezistence vůči stresům (teplotniacutem zasoleniacute)

- přenos rezistence vůči hmyziacutem škůdcům

(synteacuteza fytoalexinů)

- přenos genů pro synteacutezu zaacutesobniacutech proteinů vitamiacutenů

alkaloidů

plnokvětost

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

využitiacute pro fytoremediace

Brassica juncea Tlaspi caerulescens brukev siacutetinovitaacute peniacutezek modravyacute akumulace Pb akumulace Zn a Ni hybrid se zvyacutešenou rezistenciacute k Pb Zn a Ni rychlyacute naacuterůst

biomasy

Brassica napus Thlaspi caerulescens hybridi rostly na vysokeacutem obsahu Zn

Fuacuteze protoplastů rodu Brassica s planyacutemi druhy

Armoracia rusticana

Barbarea vulgaris

Camelina sativa

Capsella bursa pastoris

Diplotaxis catholica

Diplotaxis muralis

Diplotaxis harra

Eruca sativa

Lesquerella fendleri

Mathiola incana

Moricandia arvensis C4

Moricandia nitens C4

Raphanus sativus

Sinapis alba

Sinapis arvensis

Thlaspi perfoliatum

Thlaspi caerulescens

Genoveacute banky In vitro genoveacute banky

2397 vzorků 1249 odrůd Solanum tuberosum 450 teraploidniacutech křiacuteženců S tuberosum 266 dihaploidů 119 mezidruhovyacutech hybridů rodu Solanum 313 genotypů kulturniacutech genotypů 23 planyacutech druhů

Havliacutečkův Brod

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu rostlin

1 Uchovaacutevaacuteniacute semen ndash semenneacute banky (od 1 roku - hellip)

2 Uchovaacutevaacuteniacute vegetativniacutech orgaacutenů ndash hliacutezy cibule řiacutezky

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro Kraacutetkodobeacute - aktivně rostouciacute kultury (pravidelneacute pasaacuteže) - uchovaacuteniacute kultur v minimaacutelniacutem růstu nižšiacute teploty kultivace

Dlouhodobeacute u rostlin kde nejsou semena

- za velmi niacutezkyacutech teplot (-196oC) = kryobanka

Databaacuteze ndash přiacutestupneacute z celeacuteho světa

Špicberky

genobanka - wwwvurvcz part databases EVIGEZ

vyacuteznam v mediciacuteně

Zaacuteložniacute fond semena potravinaacuteřskyacutech plodin z celeacuteho světa

stane se zaacuteložniacutem fondem pro ostatniacutech 1400

semennyacutech bank po celeacutem světě

v Iraacuteku a v Afghaacutenistaacutenu byla podobnaacute zařiacutezeniacute za

vaacutelky zcela zničena

na Filipiacutenaacutech je v roce 2006 poškodila povodeň

semennaacute banka pro světoveacute plodiny je umiacutestěna v hoře

maacute vyztuženeacute stěny betonem a železem

třiacute komory o velikosti 27 kraacutet 10 metrů

teplota minus 18 oC (konzervace po stovky až tisiacutece let) httpwwwnorambczarkivBasisartikler---OversettelserIkke-

bruktnovinkyseedvault_eng

k 1172010 zde bylo uloženo 716 523 vzorků semen patřiacuteciacutech ke 4 205 druhům

českaacute banka uloženaacute v Praze-Ruzyni zaacuteloha na Slovensku

Špicberky

Uchovaacutevaacuteniacute genofonduv ČR

genofond odrůd meruněk broskvoniacute mandloniacute reacutevy vinneacute kdouloniacute lonicer rakytniacuteků a dřiacutenů

2400 položek

25 000 položek

5400 položek 2397

položek

4700 položek

2000 položek

2300 položek

Naacuterodniacute informačniacute systeacutem genetickyacutech zdrojů EVIGEZ httpwwwgenbankvurvczgeneticresources

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro

KRYOBANKA

prašniacuteky a pyl pletiva a orgaacuteny meristeacutemy

kalus

suspennzniacute somatickaacute kultury embrya

dlouhodobeacute skladovaacuteniacute

nižšiacute naacuteroky na uchovaacuteniacute

mezinaacuterodniacute vyacuteměna

nižšiacute podiacutel lidskeacute praacutece

potřeba menšiacuteho prostoru

uchovaacuteniacute genetickeacute stability

omezeniacute staacuternutiacute

ozdravenyacute materiaacutel

prodlouženeacute použitiacute pylu

uchovaacuteniacute vzaacutecnyacutech rostlin

apikaacutelniacute vrcholy

Biotechnologickaacute laboratoř Nestleacute - uchovaacutevaacute buněčneacute embryogenniacute linie kaacutevy kakaa a banaacutenů

Německaacute sbiacuterka mikroorganismů a buněčnyacutech kultur (DSMZ Braunschweig Německo) meristeacutemy 519 staryacutech kultivarů brambor ndash metoda mrazeniacute alginaacutetovyacutech perel

International Potato Centre (CIP Lima Peru) - 345 kultivarů brambor

INIBAP Leuven Belgie - 306 kultivarů banaacutenu (14 ze světoveacuteho počtu kultivarů)

Naacuterodniacute genobanka klonů NCGR USA - ročniacute naacuteklady

udržovaacuteniacute jedneacute položky v sadu (hrušně) 77 dolarů na skladovaacuteniacute in vitro 23 dolarů na kryoprezervaci 1 dolar (při počaacutetečniacute investici na kryometodu 50 dolarů za uchovaacutevanou jednotku)

Přiacuteklady komerčniacuteho využitiacute kryoprezervace meristeacutemů

Aplikace biotechnologiiacute ve šlechtěniacute rostlin

rostliny postraacutedajiacute schopnost aktivně se přesouvat z dosahu nepřiacuteznivyacutech vlivů rostliny vyvinuly adaptačniacute mechanismy pro překonaacuteniacute stresů a tiacutem přežitiacute v extreacutemniacutech podmiacutenkaacutech

Biotechnologie v zemědělstviacute ekologickeacute zemědělstviacute

VLIV ŠKŮDCŮ CHOROB A PLEVELŮ NA ZEMĚDĚLSKEacute PLODINY

1 sniacuteženiacute velikosti a vaacutehy zrna 2 ztraacuteta ve velikosti hliacutez a kořenů 3 zvyacutešeniacute obsahu vlhkosti 4 změny v chemickeacutem složeniacute zrna hliacutez a kořenů 5 odbarveniacute zrna a hliacutez - deformace 6 tvorba mykotoxinů patogeny 7 sniacuteženiacute kliacutečivosti 8 redukce krmiva

spotřeba vody - rezistence k suchu sniacutežiacute spotřebu uchovaacuteniacute vody rostlinou aplikace hnojiv chemickaacute kontrola škůdců

- studium abiotickeacuteho stresu

- zlepšeniacute ochrany rostlin vůči škůdcům

- ochrana životniacuteho prostřediacute

- zlepšeniacute kvality potravin

odstraněniacute hladu GMO fytoremediace

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

ohroženiacute klimatickyacutem suchem v ČR ndash nejrizikovějšiacute oblasti nižšiacute polohy na jižniacute a středniacute Moravě v prostoru mezi Prahou Uacutestiacutem nad Labem a Žatcem zaacutepadně od Pardubic

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

Rezistence k suchu - využitiacute vody

Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

vyacutevoj samčiacuteho gametofytu - spojen s expresiacute genů - 150 specifickyacutech genů spraacutevneacute načasovaacuteniacute

sporofyt gametofyt

2n 1n

rostlina pylovaacute zrnazaacuterodečnyacute vak

pohlavniacute rozmnožovaacuteniacute přiacuterodniacute vyacuteběr

pylzrna - exina (ovlivněna sporofytem) ochrana před UV laacutekaacuteniacute opylovačů - barva vůně komunikace s bliznou produkce alergenů

strategie rostlin zabraacuteněniacute samoopyleniacute

Biotechnologie v zemědělstviacute samčiacute gametofyt n TETRASPORE (TES) reg gen je vyžadovaacuten ke tvorbě přepaacutežek mezi produkty meioacutezy u mutanta všechna čtyři jaacutedra mikrospoacutery zůstaacutevajiacute ve stejneacute cytoplazmě polyploidniacute jedinci n GEMINI POLLEN 1 (GEM1) reg gen je vyžadovaacuten k orientaci mitotickeacuteho vřeteacutenka mutant tvořiacute dvě symetrickaacute jaacutedra typu vegetativniacuteho vede ke sterilitě n SIDECAR POLLEN (SCP) reg gen je vyžadovaacuten k děleniacute pylu prvniacute symetrickaacute pylovaacute mitoacuteza mutanta daacutevaacute dvě stejneacute buňky jedna extra- vegetativniacute (sterilniacute sidecar) a druhaacute regvegetativniacute a generativniacute mutace nevede ke sterilitě n QUARTET (QRT) reg gen je vyžadovaacuten k separaci pylovyacutech zrn u mutantů jsou stěny meiotickyacutech produktů pyloveacute mateřskeacute buňky fuacutezovaacuteny a zrna se uvolňujiacute v tetraacutedaacutech

samičiacute makrogametofyt n FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED (FIS) a FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) reg geny hrajiacute regulačniacute role ve vyacutevinu semene po oplozeniacute u mutantů se diploidniacute jaacutedra endospermu vyviacutejejiacute bez oplozeniacute pak atrofujiacute mutace neovlivňujiacute vaječnou buňku - procesy embryogeneze a vyacutevinu endospermu jsou odlišneacute n MEDEA (MEA) reg mutace genu způsobuje hypertrofii a zaacutenik embrya neniacute jasneacute na jakeacute uacuterovni se gen projevuje zaacuterodečnyacute vak endosperm nebo maternaacutelně imprintovanyacute embryonaacutelniacute gen

Biotechnologie ve šlechtěniacute rostlin Selektivniacute šlechtěniacute rostlin - přiacuterodniacute genetickeacute diverzity rostlin Techniky překonaacuteniacute barieacuter šlechtěniacute

Barieacutery Technika překonaacuteniacute Před oplodněniacutem

selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute pestiacuteku

pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony

pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro

selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů

odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute

abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry

sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

vyacutevoj semen

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

Škůdci v historii naacutelety sarančat (Staryacute zaacutekon)

ochrana saze tabaacutek

začaacutetek 19 stol - siacutera na houboveacute patogeny 1939 objev DDT uacutečinek na hmyz teorie bdquohmyz se může staacutet rezistentniacuteldquo 1948 Nobelova cena P Muumlller

50 leacuteta 20 st - herbicidy - postřiky na plevele ( rezistence na herbicid) 1972 zaacutekaz DDT (vyacutejimka - boj s malaacuteriiacute v Africe - naacutevrat DDT)

škůdce - hmyz hliacutestice 1861 - v Americe Iowa Nebraska 1880 1 pesticid v S Americe arzeacutenem bdquoParis greenldquo

S rostouciacute intenzitou pěstovaacuteniacute roste hospodaacuteřskyacute vyacuteznam škodlivyacutech organismů objem škod se zvyšuje staacutele přibyacutevajiacute noveacute druhy škodlivyacutech organismů zavaacutedějiacute se staacutele noveacute prostředky

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin - hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy

1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho

obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

ROS Reactive oxygen species reaktivniacute formy kysliacuteku SAR Systemic acquired resistance systeacutemově ziacuteskanaacute rezistence = neinfikovaneacute buňky začiacutenajiacute s přiacutepravou na atak patogena

napadeneacute rostliny uvolňujiacute signaacutelniacute molekuly (těkaveacute laacutetky - druhově specifickeacute) a varujiacute okolniacute rostliny ještě před napadeniacutem hmyzem

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin -hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy 1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

produkujiacute u různyacutech rostlin různě - sekundaacuterniacute metabolity - odstrašeniacute nebo zničeniacute patogena - proteiny inhibujiacuteciacute aktivitu zažiacutevaciacutech enzymů hmyzu - enzymy degradujiacuteciacute buněčnou stěnu hub (chitinaacutezy) - proteiny inhibujiacuteciacute překlad proteinů u škůdce - antiviroveacute složky degradujiacuteciacute virovou RNA blokujiacute vstup do buňky zastavujiacute replikaci

geny ktereacute bdquoSARldquo zapiacutenajiacute zvyšujiacute rezistenci rostliny

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům - již v čaacutesti fytotatologie

Co je plevel soutěžiacute s plodinou o živiny světlo a prostor intenziacutevně roste podiacuteliacute se na šiacuteřeniacute chorob a škůdců

lat herba - rostlina řeč cidoacute - ničiacutem

Vznik rezistence plevelů vůči některyacutem herbicidniacutem laacutetkaacutem = reakce plevelnyacutech druhů na podmiacutenky současneacuteho pěstovaacuteniacute rostlin = dlouhodobeacute působeniacute herbicidů

Vyacutevoj plevelů na zemědělskeacute půdě v naacutevaznosti na skladbu pěstovanyacutech plodin Vznik rezistence plevelů vůči herbicidům Problematika invaziacute a expanziacute plevelů

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům

Rezistenci vůči herbicidům způsobujiacute biochemickeacute fyziologickeacute změny nebo morfologickeacute odlišnosti ktereacute ovlivňujiacute přiacutejem herbicidů rostlinou

- degradujiacute herbicid

- měniacute jeho biochemickou funkci v rostlině

- pozměňujiacute miacutesto na ktereacute herbicid v rostlině působiacute

Rezistence rostlin vůči herbicidům dědičnaacute schopnost odolaacutevat takoveacute daacutevce herbicidů při ktereacute by za normaacutelniacutech okolnostiacute byla populace potlačena

směr pro šlechtěniacute

Aplikace rostlinnyacutech biotechnologiiacute v životniacutem

prostřediacute

takto nebo takto

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Těžba a zpracovaacuteniacute surovin(těžkeacute kovy- Cd Pb prach) Průmyslovaacute vyacuteroba (barviva)

Skladovaacuteniacute (haldy kaliště sklaacutedky) Zemědělstviacute (pesticidy herbicidy)

Domaacuteciacute odpad (leacutečiva detergenty praciacute prostředky)

čin

no

st č

lově

ka

půda voda ovzdušiacute

znečištěniacute

degradace organismy produkujiacuteciacute laacutetky (enzymy) pro

ciacutelenyacute rozklad

organismy snižujiacuteciacute toxicitu toxickeacute laacutetky metylaciacute dehalogenace hydroxylace hydrolyacuteza deaminacehellip

substraacutet je zdrojem C a energie

dekontaminace

+ katastrofy Černobyl vaacutelečneacute konflikty

remediace = navraacuteceniacute k původniacutemu stavu

Biodegradace všechny přirozeneacute procesy ktereacute jsou uskutečňovaacuteny bakteriemi a jinyacutemi mikroorganizmy nebo vyššiacutemi organismy ktereacute vedou k destrukci organickyacutech molekul = organickyacute substraacutet je přeměňovaacuten až na CO2 Bioremediace (bakterie houby)

spočiacutevaacute v akceleraci přirozenyacutech biodegradačniacutech procesů nebo v ciacuteleneacute biodegradace - vede k ozdraveniacute kontaminovaneacuteho prostřediacute - detoxifikace měniacute se na netoxickeacute = neškodneacute laacutetky - aplikaciacute mikroorganismů

Fytoremediace (rostliny) niacutezkaacute cena

využitiacute rostlin k odstraněniacute toxickeacute zaacutetěže (těžkeacute kovy) řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny Zooremediace (zviacuteřata)

zpracovaacuteniacute odpadů pomociacute zviacuteřat bezobratliacute - perlorodky měkkyacuteši

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

nevyacutehody pomalaacute viacutece než 2 roky maleacute rozměry vhodnyacutech rostlin maacutelo druhů vhodnyacutech rostlin neniacute 100 probleacutem s rostlinnyacutem odpadem - potřeba zvlaacuteštniacutech sklaacutedek spadeneacute listiacute

- řiacutezeneacute spalovaacuteniacute

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacute len slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

vyacutehody mineralizace organickyacutech sloučenin niacutezkeacute naacuteklady pasiacutevniacute metoda bez transportu kontaminovaneacute půdy energie ze slunečniacuteho zaacuteřeniacute nepoškozuje okoliacute - sniacuteženiacute prašnosti

estetickyacute přiacutenos etickyacute uacutečinek (veřejnosti přijatelnyacute)

2005 cca 450 rostlinnyacutech druhů - tzv bdquohyperakumulaacutetoryldquo 100 x vyššiacute akumulace než u ostatniacutech rostlin

teorie vzniku - obrana vůči hmyzu - hmyz preferuje

niacutezkeacute koncentrace kovu

Thlaspi careulescens

X bagrovaacuteniacute kontaminovaneacute zeminy transport zeminy dekontaminace

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute přiacutejem kořeny - z půdy přiacutejem nadzemniacute čaacutestiacute rostliny - vyacutefukoveacute plyny

akumuluje

degraduje

detoxifikuje

roste na kontaminovaneacute půdě

produkuje velkeacute množstviacute biomasy

tolerantniacute k salinitě a jinyacutem toxickyacutem podmiacutenkaacutem

poskytuje ekonomickeacute hodnoty - textilniacute vlaacutekna (len konopiacute)

GMO - gen fytovolatizace - bakteriaacutelniacute geny transformovaacuteny do rostlin transgeny merA a merB fytoextrakce - gen gsh1 a gsh2 z E coli do Brassica juncea

potenciaacutel je v GMO rostlinaacutech

Laboratoř rostlinnyacutech biotechnologiiacute Společnaacute laboratoř UacuteEB AV ČR vvi A VUacuteRV vvi Akademie věd Českeacute Republiky Mendelova univerzita v Brně Uacutestav experimentaacutelniacute botaniky AV ČR Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby v Praze Metoda použita na čištěniacute uranem a radiem znečištěneacute vody v Mydlovarech - kořenovaacute čistiacuterna

ideaacutelniacute rostlina

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

proces substraacutet ciacutel rostlina

fytoextrakce fytoakumulace

odstraněniacute toxickyacutech laacutetek z půdy a vody - akumulaciacute rychle rostouciacute rostlinou (zůstaacutevaacute v rostlině)

půda sedimenty kaly odpadniacute vody

toxickeacute kovy radionuklidy

Thlaspi sp Brassica sp

fytostabilizace ciacuteleneacute pěstovaacuteniacute tolerantniacutech druhů zamezeniacute eroziacute

půda haldy odkaliště těžkeacute kovy dlouheacute a bohateacute kořeny

fytovolatizace odstraněniacute Hg pomociacute genu koacutedujiacuteciacuteho reduktaacutezu Hg2+ na Hg0

a uvolněniacute do ovzdušiacute

půdy sedimenty odkaliště průmysloveacute a zemědělskeacute odpadniacute vody

kovy - Se Hg chlorovanaacute rozpouštědla

stromy traacutevy Brassica sp

fytodegradace degradace kontaminantů rostlinou na netoxickeacute laacutetky

půdy sedimenty odkaliště odpadniacute vody

ropneacute laacutetky pesticidy detergenty

stromy traacutevy

rhizofiltrace odstraněniacute pomociacute rostlinnyacutech kořenů

povrchoveacute vody odpadniacute vody

těžkeacute kovy - Co Cu Cr Mn Ni radionuklidy

Brassica sp Helianthus vodniacute rostliny hydroponie

superrostliny

niacutezkeacute naacuteklady

kořenovaacute čistička = umělyacute mokřad oddělenyacute od okoliacute nepropustnou foacuteliiacute využiacutevaacute samočisticiacutech procesů probiacutehajiacuteciacutech v propustneacutem půdniacutem prostřediacute za spoluuacutečasti rostlin čištěniacute odpadniacutech vod z domaacutecnostiacute sklaacutedek a některyacutech průmyslovyacutech provozů

Rhizofiltrace

httpwwwnemcoviceczcontentviewfull3607

rostliny s vysokyacutemi

naacuteroky na vyacuteživu

+

bakterie

může zapaacutechat

5x - 10 x nižšiacute naacuteklady

Člověk čistiacute odpadniacute vodu za pomoci zařiacutezeniacute

ale přiacuteroda to zvlaacutedaacute bez přiacutestrojů a mnohem levněji

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute niacutezkeacute naacuteklady

rostlina chemickaacute sloučenina

pšenice 24 -D MCPA jako zdroj uhliacuteku

kukuřice atrazin degradace atrazinu mikroorganismy rhizosfeacutery

fazole diazinon parathion mineralizace v rhizosfeacuteře

luštěniny nafta

Kučerovaacute et al 1999 Chemickeacute listy

přiacutejem - velikost kořenoveacuteho systeacutemu přiacutestupnost pro rostlinu např chelaacutety

transport rostlinou - apoplast (difuacuteziacute)

symplast (specifickeacute přenašeče)

miacutesto uskladněniacute hustota rostlin v porostu

zaacutevažnějšiacute ekologickyacute a toxikologickyacute vyacuteznam přibližně 16 prvků (Fe Mo Mn Zn NiCo Cu V W Cr Hg Pb Cd Sb Ag a U)

Budoucnost fytoremediaciacute niacutezkeacute naacuteklady

Fytoremediace v praxi

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Ural 1953 odstraněniacute těžkyacutech kovů

Amana Iowa hybridniacute topoly atrazin odstraněna čaacutest až 20

Beaverton Kreton

hybridniacute topoly

organickeacute laacutetky kovy

a amonneacute sloučeniny

celkoveacute vyčistěniacute oblasti

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Fukušima 113 2011 slunečnice radioaktivniacute cesium dekontaminace půdy

Černobyl 2641986 slunečnice jabloně

cesium stroncium dekontaminace půdy povrchoveacute vody

paacutes 30 km - likvidace radioaktivniacutech rostlin

nebudou spaacuteleny rozloženy a kompostovaacuteny - speciaacutelniacute bakterie

slunečnice spotřebovaacutevajiacute z půdy drasliacutek kteryacute patřiacute mezi alkalickeacute kovy stejně jako cesium drasliacutek neniacute v půdě přiacutetomen květiny využijiacute praacutevě druhyacute prvek - Cs

Biotechnologie v ŽP niacutezkeacute naacuteklady

fytomining - fytodobyacutevaacuteniacute fytodolovaacuteniacute

ziacuteskaacutevaacuteniacute kovů z rostlin kde klasickaacute těžba je nevyacutehodnaacute rostliny - bdquotěžaři vzaacutecnyacutech kovůldquo a polokovů AuTh Co U Cd Ni Cu Mn

v rostlinaacutech hyperakumulaacutetorech je akumulace prvku sušina rostliny jako -ldquobio-rudaldquo

vyacutehody

- obsah kovu v bdquobio-ruděldquo je vyššiacute než v běžneacute rudě

- meacuteně skladovatelneacuteho miacutesta

- zelenaacute technologie jako alternativa

fytomining Ni pomociacute Alyssum bertolonii

Robinson et al 1997 The nickel hyperaccumulator plant Alyssum bertolonii as a potential agent for phytoremediation and phytomining of

nickel Journal of Geochemical Exploration59(2)75-86

zlatonosneacute rostliny

zlataacute jablka

zlateacute kapradiacute

hledaacuteniacute nalezišť

technologie budoucnosti

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute bioplasty z biomasy (škroby tuky) nahrazujiacute fosilniacute zdroje vyacutehodou je biodegradace biopaliva rostlinnyacute materiaacutel a řasy bioethanol GMO rezistentniacute rostliny vůči postřikům hmyziacutem škůdcům transfer genů pro symbiotickou fixaci dusiacuteku z luštěnin do dalšiacutech plodin přenos genů z bdquoC4ldquo do bdquoC3ldquo rostlin pro dosaženiacute uacutečinnějšiacute fotosynteacutezy (ryacuteže)

Transgenoziacute se přenaacutešiacute přirozeneacute geny vznikleacute evoluciacute z jednoho organismu do druheacuteho kteryacute se s daacutercem genu obvykle

nemůže křiacutežit pouze dokaacuteže přenosy mezi vyacutevojově ještě vzdaacutelenějšiacutemi organismy

Geny použiacutevaneacute při transgenosi jsou braacuteny z přiacuterody např gen v soacuteji tolerujiacuteciacute glyfosaacutet - je z bakterie rodu Agrobacterium

Klasičtiacute šlechtiteleacute takto pracujiacute daacutevno např smiacutechali geny pšenice a žita

GMO

Transgenoze ndash vnaacutešeniacute znaacutemyacutech jednotlivyacutech genů do dědičneacuteho

zaacutekladu (poprveacute 1978)

Pro přenos - Agrobacterium tumefaciens A rhizogenes E coli

httpblogscassuffolkeduiglesias20140424gmos

GMO bez obalu httpwwwbezpecnostpotravinczUserFilespublikaceGMO_web_1pdf

GMO - transgenniacute rostliny CARTAGENSKYacute PROTOKOL o biologickeacute bezpečnosti 29 1 2000 Montreal (OSN ndash program pro životniacute prostřediacute UNEP) platnost 11 9 2003

ČR podepsala 24 52000 (gmovschtcz) nyniacute 160 staacutetů

opatřeniacute ve staacutetech ktereacute se připojiacute k projektu (dovoz vyacutevoz transport)

vzdělaacuteniacute odborniacuteků a informovaacuteniacute veřejnosti

vytvořeniacute noveacute legislativy GMO (wwwenvcz )

spolupraacutece při vyacuteměně zkušenostiacute

Svět 2010 - viacutece než 150 mil ha viacutece než 20 zemiacute

pro vegetačniacute čaacutesti

nebo plody

CIacuteL PROTOKOLU - zajistit ochranu a bezpečnost při zachaacutezeniacute využiacutevaacuteniacute a přenosu živyacutech modifikovanyacutech organismů ktereacute jsou vyacutesledkem moderniacutech biotechnologiiacute a ktereacute mohou miacutet nepřiacuteznivyacute vliv na zachovaacutevaacuteniacute biologickeacute rozmanitosti a zdraviacute člověka Protokol je zaměřen předevšiacutem na převoz GMO přes hranice staacutetů a maacute ochraňovat zejmeacutena staacutety kteryacutem dosud chybiacute vlastniacute vnitrostaacutetniacute praacutevniacute předpisy v oblasti GMO

GMO - transgenniacute rostliny historie

EVROPA

SRN - Max-Planck-Institut

Belgie - Universita Ghent

Švyacutecarsko- ETH Zurych

ČR - Biofyzikaacutelniacute uacutestav Brno (Agrobacterium jako vhodnyacute přenašeč genů)

ČR - UacuteEB ČSAV Českeacute Budějovice (metody modifikaciacute)

2010 1 transgenniacute hraacutech v Evropě (ČR Agritec Šumperk)

transgenniacute len - oleje

FYTOPATOLOGIE IN VITRO

Fytopatologie in vitro

in vitro selekce = kultivace buněk se selekčniacutem činitelem (fitraacutet inokulum toxin)

ndash přežiacutevajiacuteciacute buňky jsou regenerovaacuteny do rostlin resistentniacuteho fenotypu

Studium interakce rostlina x patogen v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

Druh Patogen Typ biologickeacuteho testu Ciacutel

Coffea arabica Colletotrichum kahawae růst houby na kalusech vyacuteběr rezistentniacutech genotypů

Vitis vinifera Elsinoe ampelina růst kalusu na meacutediu s patogenem testy rezistence

Lycopersicon aes Alternaria alternata testy na izollistech in vitro hodnoceniacute toxicity

Pinus taeda Cronartium quercuum embryokultury s houbami vyacuteběr rezistentniacutech embryiacute

Triticum aestivum Microdochium nivale listy semenaacutečky in vitro vyacuteběr rezistentniacutech kultivarů

ozdravovaacuteniacute rostlin

klonoveacute množeniacute rezistentniacutech taxonů

Page 23: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,

Počaacutetek EK 1902 Gottlieb Haberland segmenty listů 1904 Hannig zralaacute embrya

Potenciaacutel rostlinneacute buňky a podstata

explantaacutetovyacutech kultur rostlin

metody a jejich aplikace

ve šlechtěniacute rostlin

EK - historie

TOTIPOTENCE rostlinneacute buňky genetickeacute informace - jaacutedro plastidy mitochondrie

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

daacute se přeneacutest v raacutemci šlechtěniacute

blok totipotence

vyjaacutedřeniacute totipotence 1 dediferenciace buňky do buněčneacuteho cyklu a pokračovaacuteniacute v děleniacute 2 rediferenciace - tvorba organickyacutech struktur - přiacutemaacute regenerace tvorba kalusu - nepřiacutemaacute regenerace

vliv růstovyacutech regulaacutetorů

Rostlinneacute biotechnologie prvniacute generace - od explantaacutetovyacutech kultur po GMO

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute rostlin - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

Explantaacutet = aseptickaacute kultivace izolovanyacutech čaacutestiacute rostlin za umělyacutech podmiacutenek

EXPLANTAacuteTOVEacute KULTURY - VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

EK - historie

Metody EK využitelneacute v zemědělstviacute Meristeacutemoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Somatickaacute embryogeneze

Embryokultury

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze + buněčneacute inženyacuterstviacute

Genetickeacute manipulace

VITRIFIKACE (hyperhydricita) ndash vyjadřuje abnormality růstu in vitro skelnatyacute syndrom vyacutehonů křehkeacute mokryacute vzhled pryacutetů (vodou nasycenyacutech) průsvitnyacute sukulentniacute vzhled

metody zachovaacutevajiacuteciacute genotyp beze změn během kultivace metody zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu během kultivace

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK 1 rychleacute namnoženiacute

2 ozdravovaacuteniacute

3 překonaacuteniacute nekřiacutežitelnosti - embryokultury

4 dlouhodobeacute udržovaacuteniacute genetickyacutech zdrojů

5 indukce mutantů - ziacuteskaacuteniacute novyacutech genotypů

6 předselekce - urychleniacute šlechtitelskeacuteho cyklu

7 ziacuteskaacuteniacute novyacutech a udrženiacute genotypů s pylovou sterilitou

8 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho procesu

9 produkce haploidů

10 produkce polyploidů

11 rychlejšiacute ziacuteskaacuteniacute vyacutechoziacuteho šlechtitelskeacuteho materiaacutelu pro noveacute odrůdy

12 somatickaacute hybridizace - fuacuteze

13 konstrukce novyacutech genotypů kulturniacutech plodin přenos bdquoužitečnyacutech genůldquo

14 udržovaacuteniacute genofondu

15 selekce in vitro - rezistence k abiotickyacutem a biotickyacutem stresům

16 produkce sekundaacuterniacutech metabolitů

Plodina Technika

ječmen pšenice kukuřice

řepka paprika brukvovitaacute

zelenina mrkev

androgeneze

cibule gynogeneze

jahodniacutek česnek ozdravovaacuteniacute

brambor traacutevy polyploidizace in vitro

jeteloviny drobneacute ovoce

ovocneacute dřeviny podnože traacutevy mikropropagace

brambor řepka somatickaacute hybridizace

hraacutech brambor rezistence k chorobaacutem

traacutevy embryokultury

Kombinace metod embryokultury oplozeniacute in vitro fuacuteze protoplastů

plodiny se geneticky upravujiacute pro většiacute rezistenci k herbicidům - ničeniacute plevele bez poškozeniacute uacuterody GM rajčata potlačujiacute gen pro polygalakturonaacutezu enzym degradujiacuteciacute pektin způsobujiacuteciacute měknutiacute pletiv (Deacon a kol 2002)

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK

Meristeacutemoveacute kultury

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny meristeacutemoveacute kultury

Vyacutehody maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky naacuteslednaacute mikropropagace ozdraveneacuteho materiaacutelu bdquovirus - freeldquo

Vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana Iniciace kultury Testovaacuteniacute in vitro Přenos do nesterilniacutech podmiacutenek Testovaacuteniacute

MERISTEacuteM ndash děliveacute nediferencovaneacute pletivo ozdravovaacuteniacute rostlin (02 - 05 mm) meristeacutemy

OZDRAVOVAacuteNIacute Termoterapie (vyššiacute teplota)

Meristeacutemovaacute kultura Chemoterapie (antivirotika)

viry - nebuněčneacute mikroorganismy virovaacute čaacutestice = virion sklaacutedaacute se z RNA nebo DNA a kapsidu

fytopatologie in vitro

ribavirin

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny

Vyacuteznamneacute viroveacute choroby rostlin v ČR od 30 ztraacutet CaMV - 1968 PVY 30 -70 VMCH (virus mozaiky chmele) až o 70 mozaika česneku 25 - 50 žloutenka cibule až 100 bronzovitost rajčat

- žloutnutiacute listů kroužky a čaacutery na listech nevyvinuteacute rostliny abnormaacutelniacute růst - vstupujiacute různyacutemi poraněniacutemi - šiacuteřiacute se plasmodesmaty - velmi odolneacute proti inaktivaci - přenaacutešeny semeny hliacutezami pylem roubovaacuteniacutem hmyzem houbami červy

1952 Morel a Martin u jiřin

Využitiacute metody jahodniacutek česnek zeleniny květiny okrasneacute dřeviny ovocneacute dřeviny banaacutenovniacutek hellip

Tvorba bezviroacutezniacutech rostlin

1 meristeacutem = 1 rostlina testovaacuteniacute

wwwoselczindexphpclanek=2819

viroacutezniacute x zdravaacute

M Navraacutetil KBBPřFUPOL

PVY

In vitro klonovaacuteniacute mikropropagace meristeacutemoveacute kultury

zisk geneticky identickeacute rostliny vegetativniacutem množeniacutem

VYacuteHODY

maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny ktereacute jsou geneticky stabilniacute

v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky

vyššiacute množitelskyacute koeficient - potenciaacutelniacute hodnota zisku rostlin

Postup - vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana - iniciace kultury - mikropropagace - přenos do nesterilniacutech podmiacutenek

KLON - kolekce geneticky identickyacutech individuiacute původem z jedineacuteho rodiče

komerčně od 1960

httpwwwjanholubcz

In vitro meristeacutemoveacute kultury - využitiacute - zaacutechrana a množeniacute ohroženyacutech druhů kaktusy

- zaacutechranneacute množeniacute cennyacutech genotypů a liniiacute sterilniacutech rostlin - udrženiacute rodičovskyacutech komponent pro tvorbu hybridniacutech odrůd

- množeniacute transgenniacutech rostlin

- zachyceniacute a klonovaacuteniacute nově nalezenyacutech mutantů při šlechtěniacute

- klonovaacuteniacute nejlepšiacutech jedinců pro produkci elitniacuteho osiva

- vegetativniacute množeniacute okrasnyacutech rostlin karafiaacutet gerbera anthurie orchideje

sanpaulie kapradiny hellip

- množeniacute drobneacuteho ovoce jahodniacutek maliniacutek reacuteva

- množeniacute dřevin podnože pro školkařstviacute lesniacute dřeviny tropickeacute dřeviny

- v zelinaacuteřstviacute množeniacute brambor zeliacute

- množeniacute pouze samičiacutech rostlin datlovaacute palma

- kryoprezervace (-196 oC) jahodniacutek maliniacutek hraacutech brambor karafiaacutet

Genoveacute

banky

Mikropropagace multiplikace klonovaacuteniacute nejen z meristeacutemů

Solanum tuberosum Cucumis sativus Olea europea Eucalyptus grandis Salix sp Syringa sp Juglans regia

Schopnost regenerace tvorba identickyacutech rostlin = přiacutemaacute somatickaacute embryogeneze

Meristeacutemy Pryacutetoveacute segmenty Kalusy Embrya

Zdroje odchylek bull vysokeacute daacutevky růstovyacutech regulaacutetorů typ regulaacutetoru bull rostliny regenerujiacute z basaacutelniacuteho kalusu (možnost gen změn)

Kalusoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Primaacuterniacute explantaacutet kalus meristemoid orgaacutenoveacute primordium

Kalus = masa děliacuteciacutech se a rostouciacutech buněk

nejsou uniformniacute mohou se lišit velikostiacute tvarem pigmentaciacute metabolismem nebo počtem chromosomů

bull za určityacutech podmiacutenek regenerace pryacutetů a kořiacutenků

tma x světlo

subkultivace

metoda geneticky nestabilniacute

Kalusoveacute kultury - somaklonaacutelniacute variabilita ndash MUTACE a zisk novyacutech znaků

- mikropropagace ndash cibule žen-šen hellip

- vyacutechoziacute materiaacutel pro suspenzniacute a protoplastovou kulturu

- materiaacutel pro indukovaneacute mutace (zaacuteřeniacute chemomutageny)

- sekundaacuterniacute metabolity (alkaloidy AMK saponiny oleje složky vůniacute protinaacutedoroveacute laacutetky steroidy )

polyploidie aneuploidie

Selekce mutantů se zlepšenou nutričniacute hodnotou (viacutece biacutelkovin v zrnu)

Rezistence vůči zasoleniacute (vysokyacute turgor v buňkaacutech akumulace NaCl ve vakuolaacutech)

Rezistence vůči chorobaacutem (synteacuteza fytotoxinů fytoalexinů)

Sekundaacuterniacute metabolity (= chemickeacute individuality v rostlinaacutech ndash barviva vůně chuti obrana)

Artemisia annua - artemisin (antimalarika) Capsicum sp - capsaicin (protinaacutedoroveacute)

Digitalis lanata - digoxin (srdečniacute stimulanty) Papaver somniferum - codein (sedativa)

Taxus breviola - taxol (protinaacutedoroveacute) Vanilla planifolia - vaniliacuten (aroma)

Panax ginseng - (imunitniacute systeacutem) Zingiber officinale ndash gingerol (antioxidant)

Somatickaacute embryogeneze a suspenzniacute kultury

Využitiacute

umělaacute semena (enkapsulace somatickyacutech embryiacute)

využitiacute somatickeacute variability

klonoveacute množeniacute

sekundaacuterniacute metabolismus (suspenze)

kryoprezervace

Buněčnaacute suspenze = převedeme kalus do tekuteacuteho meacutedia

a provzdušňujeme (kontakt buněk a shluků buněk s meacutediem)

vznikaacute bipolaacuterniacute struktura obsahujiacuteciacute kořen a pryacutet

auxin (24-D)

umělaacute semena

Mutace RADIOMUTANT PROSPĚCH NEBO ZAacuteLUDNOST

SPONTAacuteNNIacute MUTACE využiacutevaacute člověk při šlechtěniacute odrůd spur typy (kompakt typy) jabloniacute absence trnů u ostružiniacuteku variabilita květenstviacute jiřinky proměnliveacute vznik plemen domaacuteciacutech zviacuteřat je založen na podchyceniacute spontaacutenniacutech mutaciacute ndash plemena psů

INDUKOVANEacute MUTACE působeniacute mutagenů

zaacuteměrneacute ndash ve vyacutezkumu ve šlechtěniacute rostlin (př odrůdy ječmene DIAMANT (zkraacuteceniacute steacutebel ndash nepoleacutehaacute) kompaktniacute růst a samosprašnost třešně změna barvy slupky u jabloně ndash sbquoredlsquo mutace)

nezaacuteměrneacute ndash důsledek použitiacute jadernyacutech a chemickyacutech zbraniacute ndash Yperit jaderneacute a jineacute katastrofy

1950 radiomutace chemomutace 1965 ječmen Diamant

Suspenzniacute kultury - SK KULTURA V TEKUTEacuteM MEacuteDIU ROSTE A DĚLIacute SE NĚKOLIKANAacuteSOBNĚ RYCHLEJI NEŽ KULTURA

NA PEVNEacuteM MEacuteDIU Využitiacute jako experimentaacutelniacute model produkce sekundaacuterniacutech metabolitů indukce somaklonaacutelniacute variability a naacutesledneacute selekce mikropropagace (pod kontrolou genetickeacute stability) pohyb kultury v bioreaktoru maacute za naacutesledek potlačeniacute apikaacutelniacute dominance tiacutem se stimuluje růst mnohonaacutesobnyacutech pryacutetů

Bioreaktory firmy VitroSys Inc Korea

ideaacutelniacute SK ndash rychlyacute růst karyologickaacute stabilita životnost buněk rentabilita

Minimaacutelně 103 ml buněk 110 suspenze v exponenciaacutelniacute faacutezi se doplniacute čerstvyacutem meacutediem Koncentrace sacharidů prodlužuje periodu růstu

Velkokapacitniacute kultivace rostlinnyacutech buněk v tekutyacutech meacutediiacutech sterilniacute prostřediacute obsahujiacuteciacute živiny a laacutetky potřebneacute pro růst a jeho regulaci vhodneacute pro kultivaci rostlinnyacutech mikrobiaacutelniacutech a živočišnyacutech buněk

Bioreaktor

Bioreaktory s tekutyacutem meacutediem explantaacutety jsou ponořeny v tekuteacutem meacutediu Bioreaktory s pravidelnyacutem zaplavovaacuteniacutem (temporary immersion bioreactor TIB) explantaacutety jsou pravidelně zaplavovaacuteny

Bioreaktor

httpwwwuebcasczcscontentzensenove-spagety

pěstujiacute se jen kořeny - zisk GINSENOSIDŮ za 3 měsiacutece v laboratoři stejnyacute zisk jako z rostlin ženšenu v přiacuterodě za 8 let obsah GINSENOSIDŮ je srovnatelnyacute s planě rostouciacutemi rostlinami množstviacutem i vzaacutejemnyacutem poměrem jednotlivyacutech laacutetek

v Koreji od r 2004

hairy-root systeacutem a sekundaacuterniacute metabolity

Sekundaacuterniacute metabolity - SM ROSTLINA BUNĚČNAacute KULTURA

EXTRAKT prověřovaacuteniacute oddělovaacuteniacute čištěniacute aktivniacute složky testovaacuteniacuteprověřovaacuteniacute

ČISTAacute BIOAKTIVNIacute LAacuteTKA

SM z buněčneacute kultury - extrakty ziacuteskaneacute za reprodukovatelnyacutech podmiacutenek spolehliveacute zdroje meacutedium - množstviacute čisteacuteho produktu

buňky rostou v tekuteacutem meacutediu -ne celaacute rostlina

produkt rostlina in vitro ()

rostlina ()

poměr

ginsenoside Panax ginseng 27 45 6 x

rosmarinic acid Coleus blumei 27 3 9 x

caffeic acid Vanilla planifolia 002 0005 4 x

shikonin Lithospermum erythrorhizon

20 15 135 x

ubiquinon-10 Nicotiana tabacum 0036 0003 12 x Heldman et al 2011

anti

oxy

dan

ty v sušině

bioreaktory

Sekundaacuterniacute metabolity - SM Rostlina Uacutečinnaacute laacutetka Uacutečinek

Artemisia annua pelyněk ročniacute artemisinin antimalarikum

Digitalis lanata naacuteprstniacutek vlnatyacute digoxin srdečniacute stimulants

Dubosia myoporoides lilkoviteacute atropin

scopolamin

očniacute přiacutepravky mořskaacute nemoc

Lithospermum

erythrorhizon

kamejka

rudokořennaacute

shikonin protinaacutedoroveacute

Panax ginseng ženšen pravyacute stimulant imunitniacuteho systeacutemu

Salix alba vrba biacutelaacute salicin antirevmatikum proti horečce

Taxus brevifolia tis

zaacutepadoamerickyacute

baccatin taxol protinaacutedoroveacute

Vinca rosea barviacutenek růžovyacute vinblastin

vinkristin

protinaacutedoroveacute alkaloidy

leukeacutemie

buněčnaacute kultura

Rostlina Extrakt Uacutečinek

Linum usitatissimum len setyacute olej

Mentha piperita maacuteta peprnaacute maacutetovyacute olej -

mentol

žaludečniacute potiacuteže

Mentha spicata maacuteta klasnataacute mentol žaludečniacute potiacuteže

Zingiber officinale zaacutezvor leacutekařskyacute gingerol antioxidant

informace z tradičniacute lidoveacute mediciacuteny - použitiacute extraktů a purifikace zdroje z nedotčeneacuteho ekosysteacutemu

kalusovaacute kultura buněčnaacute suspenze orgaacutenovaacute kultura - Artemisia Mentha - pryacutety

rostliny jsou vyacuterobci sekundaacuterniacutech metabolitů

cytostatikum

Sekundaacuterniacute metabolity - SM

Heldman et al 2011

VYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY

nezaacutevisleacute na geografickyacutech podmiacutenkaacutech

nezaacutevisleacute na sezoacutenniacutech podmiacutenkaacutech

v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

v přiacuterodě kontrolovaacuteno množstviacute in vitro ne

nepřetržitaacute dodaacutevka produktu

uniformniacute kvalita produktu

uniformniacute vyacutetěžnost produktu (průběžně)

vyacuteběr vhodneacute linie s vyššiacute produkciacute produktu

možnost tvorby novyacutech laacutetek nenormaacutelniacutech u donora

NEVYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY staacutele se vyviacutejejiacuteciacute

překaacutežky - pomalyacute růst

genetickaacute nestabilita

různorodost

niacutezkyacute obsah metabolitu

produkty vylučovaacuteniacute provozniacute - světelneacute podmiacutenky aseptickeacute podmiacutenky

STRATEGIE TVORBY SM vyacuteběr donorovyacutech rostlin - biochemickeacute testy

iniciace kalusů

vyacuteběr buněčneacute linie - rychle rostouciacute vysokaacute produkce

ciacutelenyacute metabolismus - kultivačniacute meacutedium (složeniacute koncentrace proporcionalita)

kultivačniacute podmiacutenky (teplota světlo pH) zvlaacuteštniacute požadavky (prekurzor simulace stresu - napadeniacute patogenem)

uvolněniacute do meacutedia

Embryokultury

Embryokultury = kultivace zralyacutech nebo nezralyacutech embryiacute in vitro

1904 Hannig - embrya u ředkve

1925 Laibach - aplikace v mezidruhoveacutem křiacuteženiacute r Linum sp

1945 Randolph - zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu u r Iris sp

1970 Kasha Kao - ziacuteskaacuteniacute haplodů u ječmene

Hordeum vulgare (zůstaacutevaacute) x Hordeum bulbosum (eliminace chromozoacutemů)

Zygotickaacute embrya vyacuteživa z endospermu (heterotrofniacute)

Embrya in vitro vyacuteživa z kultivačniacuteho meacutedia

In vitro oplodněniacute u člověka - 1978 pro neplodneacute paacutery

geneticky stabilniacute metoda

Embryokultury- in vitro

I Kultura semennyacutech embryiacute tj izolace plně vyvinutyacutech

bipolaacuterniacutech struktur obsahujiacuteciacutech kořenovyacute a stonkovyacute systeacutem

II Kultura proembryiacute tj izolace nezralyacutech zaacuterodků předchaacutezejiacuteciacutech

diferenciaci děloh

Embryogeneze zygotickeacuteho embrya (in vivo)

zygota (přiacuteprava na 1 děleniacute)

faacuteze pomaleacuteho vyacutevinu embrya po oplozeniacute

faacuteze rychleacuteho vyacutevinu růstu a diferenciace embrya

faacuteze dozraacutevaacuteniacute embrya

faacuteze přechodu embrya do dormance (ABA)

Embryokultury

1 překonaacuteniacute barieacuter vzdaacuteleneacuteho křiacuteženiacute (abortace hybridniacutech embryiacute sterility semen)

2 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu (viacutece generaciacute za rok)

3 řešeniacute jarovizačniacuteho staacutedia

4 primaacuterniacute explantaacutet pro dalšiacute kultury

5 eliminace inhibice kliacutečeniacute

6 studium mineraacutelniacute vyacuteživy

7 umělaacute semena

8 studium metabolickyacutech vztahů mezi embryem a endospermem embryem a dělohami

9 ziacuteskaacuteniacute haploidniacutech rostlin

Opylovaacuteniacute in vitro

Opylovaacuteniacute in situ

in vitro

Inkompatibilita rostlin

zaručuje stabilitu druhu

Barieacutery procesu opyleniacute a oplozeniacute

vnějšiacute (teplota vlhkost nedostatečnaacute vyacuteživa )

vnitřniacute (inkompatibilita samčiacute nebo samičiacute sterilita)

využitiacute v raacutemci šlechtěniacute rostlin k překonaacuteniacute prezygotickyacutech barieacuter vznik mezidruhovyacutech mezirodovyacutech hybridů

Barieacutery Technika překonaacuteniacute

Před oplodněniacutem selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute blizny pestiacuteku pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

rezistence vůči abiotickeacutemu stresu rezistence vůči škůdcům vyššiacute vyacutenos

přenos z jineacuteho druhu

EK využitiacute ve šlechtěniacute

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury HAPLOID rostlina s n počtem chromozomů menšiacute sterilniacute

1963 T Yamada a kol Tradescantia reflexa (haploidy)

1964 - 1966 S Guha SC Maheswari Datura diploidizace kolchicinem

1969 JP Nitsch a kol celeacute rostliny (tabaacutek)

1973 JP Nitsch Norrel mikrosporoveacute kultury

2000 šlechtitelskeacute programy polniacutech plodin (obiloviny řepka)

využiacutevajiacute haploidniacute kultury in vitro

Androgeneze prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Androgeneze - kultivace prašniacuteků pyl zrn mikrospor = samčiacute genotyp

Gynogeneze - kultivace neoplodněnyacutech vajiacuteček = samičiacute genotyp

Haploidie - spontaacutenniacute = haploidniacute partenogeneze (gynogeneze androgeneze) frekvence 10-6

- experimentaacutelniacute indukovanaacute

fyzikaacutelniacute faktory = UV γ-zaacuteřeniacute X-paprsky teplotniacute šoky

zaacutesahy do procesů opyleniacute a oplozeniacute (inaktivniacute pyl)

explantaacutetoveacute metody = prašniacutekoveacute a pyloveacute kultury kultivace semeniacuteků a vajiacuteček

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury Ontogeneze pylu

In vivo mikrosporogeneze

pylovaacute mateřskaacute buňka

meiosa

pyloveacute tetraacutedy

vyacutevoj mikrospory (1 pyl mitoacuteza)

In vitro vyacutevoj embryoidu

(vegetativniacute generativniacute buňka)

- přiacutemaacute embryogeneze

- nepřiacutemaacute embryogeneze

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

využitiacute haploidů (majiacute jen jednu sadu chromosomů)

segregace vloh na gametickeacute uacuterovni ndash homozygoacutetniacute stav (čisteacute linie v F2 generaci)

detekce recesivniacutech mutaciacute (fenotypickyacute projev)

trpasličiacute varieta ndash u okrasnyacutech rostlin

Dihaploidizace

n rostliny - sterilniacute

104 ndash 105 mikrospoacuterml meacutedia

Brassica sp

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Prašniacutekoveacute kultury

viacutece než 200 druhů (řepka ryacuteže kukuřice obiloviny)

20-60 dnů

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

vyacutevoj globulaacuterniacuteho embrya a naacutesledně haploidniacute rostliny přiacutemo z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory

z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory vznikaacute kalus rarr indukce organogeneze

TYPY ANDROGENEZE

vzaacutecně

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Solanaceae

Brassicaceae

Poaceae

prašniacuteky

Androgeneze

Indukovanaacute androgeneze ndash přiacuteklady

Beta vulgaris - homozygotniacute linie

Brassica napus - novaacute odrůda linie

Hordeum vulgare

Lycopersicon - novaacute odrůda

Nicotiana - noveacute odrůdy

Oryza - noveacute odrůdy

Pelargonium - trpasličiacute variety

Triticum ndash cv Florin Huapei

Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby Praha Vyacutezkumnyacute uacutestav obilnaacuteřskyacute Kroměřiacutež Vyacutezkumnyacute uacutestav olejnin Oseva

Gynogeneze kultury izolovanyacutech vajiacuteček

kultury izolovanyacutech semeniacuteků

kultury izolovanyacutech květenstviacute in vitro

haploidniacute rostliny

spontaacutenniacute dihaploidniacute rostliny

ječmen kukuřice moruše

slunečnice cibule

kultivace vajiacuteček Beta vulgaris Tomaszewska-Sowa 2010

327 haploids 458 diploids and 215 ndash mixoploids

x opyleniacute ozaacuteřenyacutem pylem

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

Polyploidizace in vitro

duplikace celeacuteho genomu až 70 všech krytosemennyacutech rostlin je polyploidniacutech (Masterson 1994) POLYPLOID metabolicky aktivnějšiacute a rozměrnějšiacute plodiny ktereacute jsou vhodneacute pro pěstovaacuteniacute a leacutepe se vyrovnaacutevajiacute se stresovyacutemi podmiacutenkami

kolchicin

oryzalin

trifluralin

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze protoplastů

1892 Klecker - 1 mechanickaacute izolace protoplastů Stratiotes aloides (řezan pilolistyacute) 1960 EC Cocking 1 enzymatickaacute izolace protoplastů Nicotiana sp 1978 G Melchers a kol 1 mezirodovyacute hybrid bdquopomatoldquo bdquotopatoldquo Solanum tuberosum x S lycopersicum (Lycopersicum esculentum)

httptheplanetfixerorg387new-vegetable-created-the-tomato-potato-plant

Protoplastoveacute kultury

= kultivace rostlinnyacutech buněk zbavenyacutech buněčneacute stěny

Protoplast = rostlinnaacute buňka bez buněčneacute stěny jejiacute povrch tvořiacute cytoplazmatickaacute membraacutena maacute kulovityacute tvar

Protoplastoveacute kultury - regenerace

Faktory ovlivňujiacuteciacute kultivaci a regeneraci

Hustota ( počet protoplastů v 1 ml)

Životnost ()

Podmiacutenky kultivace a meacutedium

bull Studium synteacutezy buněčneacute stěny vyacutevoj buňky fyziologie buňky a cytogenetiku

bull Studium hodnoceniacute uacutečinků farmak potravinovyacutech doplňků agrochemickyacutech laacutetek na rostlinnou

buňku

bull Studium transportu iontů a laacutetek přes cytoplasmatickou membraacutenu

bull Somatickaacute hybridizace (fuacuteze protoplastů)

bull Inkorporace exogenniacuteho genetickeacuteho materiaacutelu ndash organel cybridizace

bull Genoveacute transformace (cizorodaacute DNA z bakteriaacutelniacuteho plasmidu)

Protoplastoveacute kultury - fuacuteze

Využitiacute

kombinace znaků odlišnyacutech druhů a rodů ktereacute by nevznikly přirozenou cestou

jedinečneacute kombinace jadernyacutech a organelovyacutech genomů vytvaacuteřiacute noveacute genetickeacute zdroje

často jen - čaacutest chromozomů asymetrickeacute jaderneacute hybridy

chloroplasty

mitochondrie

chemickeacute fuacuteze - pomalejšiacute elektrofuacuteze - fuacutezanti po 10 min vyššiacute frekvence fuacutezantů

cytoplazmickeacute hybridy - cybridy

Charakterizace hybridů - morfologicky cytologicky molekulaacuterniacute analyacutezy

Přirozenaacute mezidruhovaacute hybridizace - vznik některyacutech kulturniacutech plodin

B oleracea + B campestris = Brassica napus Nicotiana sylvestris + N tomentosa = Nicotiana tabacum

cybridy nelze ziacuteskat klasickou hybridizaciacute (křiacuteženiacutem) ndash samčiacute pohlavniacute buňky (pyl zrna) nemajiacute plastidy a mitochondrie

V přiacuterodě blesky do půdy modifikace bakteriiacute

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

Přenos jaderneacute a cytoplazmatickeacute genetickeacute informace mezi rostlinnyacutemi druhy rody

- překonaacuteniacute sexuaacutelniacute inkompatibility

- přenos genů rezistence vůči virovyacutem houbovyacutem chorobaacutem

- přenos cytoplazmatickeacute samčiacute sterility

- přenos rezistence vůči stresům (teplotniacutem zasoleniacute)

- přenos rezistence vůči hmyziacutem škůdcům

(synteacuteza fytoalexinů)

- přenos genů pro synteacutezu zaacutesobniacutech proteinů vitamiacutenů

alkaloidů

plnokvětost

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

využitiacute pro fytoremediace

Brassica juncea Tlaspi caerulescens brukev siacutetinovitaacute peniacutezek modravyacute akumulace Pb akumulace Zn a Ni hybrid se zvyacutešenou rezistenciacute k Pb Zn a Ni rychlyacute naacuterůst

biomasy

Brassica napus Thlaspi caerulescens hybridi rostly na vysokeacutem obsahu Zn

Fuacuteze protoplastů rodu Brassica s planyacutemi druhy

Armoracia rusticana

Barbarea vulgaris

Camelina sativa

Capsella bursa pastoris

Diplotaxis catholica

Diplotaxis muralis

Diplotaxis harra

Eruca sativa

Lesquerella fendleri

Mathiola incana

Moricandia arvensis C4

Moricandia nitens C4

Raphanus sativus

Sinapis alba

Sinapis arvensis

Thlaspi perfoliatum

Thlaspi caerulescens

Genoveacute banky In vitro genoveacute banky

2397 vzorků 1249 odrůd Solanum tuberosum 450 teraploidniacutech křiacuteženců S tuberosum 266 dihaploidů 119 mezidruhovyacutech hybridů rodu Solanum 313 genotypů kulturniacutech genotypů 23 planyacutech druhů

Havliacutečkův Brod

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu rostlin

1 Uchovaacutevaacuteniacute semen ndash semenneacute banky (od 1 roku - hellip)

2 Uchovaacutevaacuteniacute vegetativniacutech orgaacutenů ndash hliacutezy cibule řiacutezky

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro Kraacutetkodobeacute - aktivně rostouciacute kultury (pravidelneacute pasaacuteže) - uchovaacuteniacute kultur v minimaacutelniacutem růstu nižšiacute teploty kultivace

Dlouhodobeacute u rostlin kde nejsou semena

- za velmi niacutezkyacutech teplot (-196oC) = kryobanka

Databaacuteze ndash přiacutestupneacute z celeacuteho světa

Špicberky

genobanka - wwwvurvcz part databases EVIGEZ

vyacuteznam v mediciacuteně

Zaacuteložniacute fond semena potravinaacuteřskyacutech plodin z celeacuteho světa

stane se zaacuteložniacutem fondem pro ostatniacutech 1400

semennyacutech bank po celeacutem světě

v Iraacuteku a v Afghaacutenistaacutenu byla podobnaacute zařiacutezeniacute za

vaacutelky zcela zničena

na Filipiacutenaacutech je v roce 2006 poškodila povodeň

semennaacute banka pro světoveacute plodiny je umiacutestěna v hoře

maacute vyztuženeacute stěny betonem a železem

třiacute komory o velikosti 27 kraacutet 10 metrů

teplota minus 18 oC (konzervace po stovky až tisiacutece let) httpwwwnorambczarkivBasisartikler---OversettelserIkke-

bruktnovinkyseedvault_eng

k 1172010 zde bylo uloženo 716 523 vzorků semen patřiacuteciacutech ke 4 205 druhům

českaacute banka uloženaacute v Praze-Ruzyni zaacuteloha na Slovensku

Špicberky

Uchovaacutevaacuteniacute genofonduv ČR

genofond odrůd meruněk broskvoniacute mandloniacute reacutevy vinneacute kdouloniacute lonicer rakytniacuteků a dřiacutenů

2400 položek

25 000 položek

5400 položek 2397

položek

4700 položek

2000 položek

2300 položek

Naacuterodniacute informačniacute systeacutem genetickyacutech zdrojů EVIGEZ httpwwwgenbankvurvczgeneticresources

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro

KRYOBANKA

prašniacuteky a pyl pletiva a orgaacuteny meristeacutemy

kalus

suspennzniacute somatickaacute kultury embrya

dlouhodobeacute skladovaacuteniacute

nižšiacute naacuteroky na uchovaacuteniacute

mezinaacuterodniacute vyacuteměna

nižšiacute podiacutel lidskeacute praacutece

potřeba menšiacuteho prostoru

uchovaacuteniacute genetickeacute stability

omezeniacute staacuternutiacute

ozdravenyacute materiaacutel

prodlouženeacute použitiacute pylu

uchovaacuteniacute vzaacutecnyacutech rostlin

apikaacutelniacute vrcholy

Biotechnologickaacute laboratoř Nestleacute - uchovaacutevaacute buněčneacute embryogenniacute linie kaacutevy kakaa a banaacutenů

Německaacute sbiacuterka mikroorganismů a buněčnyacutech kultur (DSMZ Braunschweig Německo) meristeacutemy 519 staryacutech kultivarů brambor ndash metoda mrazeniacute alginaacutetovyacutech perel

International Potato Centre (CIP Lima Peru) - 345 kultivarů brambor

INIBAP Leuven Belgie - 306 kultivarů banaacutenu (14 ze světoveacuteho počtu kultivarů)

Naacuterodniacute genobanka klonů NCGR USA - ročniacute naacuteklady

udržovaacuteniacute jedneacute položky v sadu (hrušně) 77 dolarů na skladovaacuteniacute in vitro 23 dolarů na kryoprezervaci 1 dolar (při počaacutetečniacute investici na kryometodu 50 dolarů za uchovaacutevanou jednotku)

Přiacuteklady komerčniacuteho využitiacute kryoprezervace meristeacutemů

Aplikace biotechnologiiacute ve šlechtěniacute rostlin

rostliny postraacutedajiacute schopnost aktivně se přesouvat z dosahu nepřiacuteznivyacutech vlivů rostliny vyvinuly adaptačniacute mechanismy pro překonaacuteniacute stresů a tiacutem přežitiacute v extreacutemniacutech podmiacutenkaacutech

Biotechnologie v zemědělstviacute ekologickeacute zemědělstviacute

VLIV ŠKŮDCŮ CHOROB A PLEVELŮ NA ZEMĚDĚLSKEacute PLODINY

1 sniacuteženiacute velikosti a vaacutehy zrna 2 ztraacuteta ve velikosti hliacutez a kořenů 3 zvyacutešeniacute obsahu vlhkosti 4 změny v chemickeacutem složeniacute zrna hliacutez a kořenů 5 odbarveniacute zrna a hliacutez - deformace 6 tvorba mykotoxinů patogeny 7 sniacuteženiacute kliacutečivosti 8 redukce krmiva

spotřeba vody - rezistence k suchu sniacutežiacute spotřebu uchovaacuteniacute vody rostlinou aplikace hnojiv chemickaacute kontrola škůdců

- studium abiotickeacuteho stresu

- zlepšeniacute ochrany rostlin vůči škůdcům

- ochrana životniacuteho prostřediacute

- zlepšeniacute kvality potravin

odstraněniacute hladu GMO fytoremediace

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

ohroženiacute klimatickyacutem suchem v ČR ndash nejrizikovějšiacute oblasti nižšiacute polohy na jižniacute a středniacute Moravě v prostoru mezi Prahou Uacutestiacutem nad Labem a Žatcem zaacutepadně od Pardubic

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

Rezistence k suchu - využitiacute vody

Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

vyacutevoj samčiacuteho gametofytu - spojen s expresiacute genů - 150 specifickyacutech genů spraacutevneacute načasovaacuteniacute

sporofyt gametofyt

2n 1n

rostlina pylovaacute zrnazaacuterodečnyacute vak

pohlavniacute rozmnožovaacuteniacute přiacuterodniacute vyacuteběr

pylzrna - exina (ovlivněna sporofytem) ochrana před UV laacutekaacuteniacute opylovačů - barva vůně komunikace s bliznou produkce alergenů

strategie rostlin zabraacuteněniacute samoopyleniacute

Biotechnologie v zemědělstviacute samčiacute gametofyt n TETRASPORE (TES) reg gen je vyžadovaacuten ke tvorbě přepaacutežek mezi produkty meioacutezy u mutanta všechna čtyři jaacutedra mikrospoacutery zůstaacutevajiacute ve stejneacute cytoplazmě polyploidniacute jedinci n GEMINI POLLEN 1 (GEM1) reg gen je vyžadovaacuten k orientaci mitotickeacuteho vřeteacutenka mutant tvořiacute dvě symetrickaacute jaacutedra typu vegetativniacuteho vede ke sterilitě n SIDECAR POLLEN (SCP) reg gen je vyžadovaacuten k děleniacute pylu prvniacute symetrickaacute pylovaacute mitoacuteza mutanta daacutevaacute dvě stejneacute buňky jedna extra- vegetativniacute (sterilniacute sidecar) a druhaacute regvegetativniacute a generativniacute mutace nevede ke sterilitě n QUARTET (QRT) reg gen je vyžadovaacuten k separaci pylovyacutech zrn u mutantů jsou stěny meiotickyacutech produktů pyloveacute mateřskeacute buňky fuacutezovaacuteny a zrna se uvolňujiacute v tetraacutedaacutech

samičiacute makrogametofyt n FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED (FIS) a FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) reg geny hrajiacute regulačniacute role ve vyacutevinu semene po oplozeniacute u mutantů se diploidniacute jaacutedra endospermu vyviacutejejiacute bez oplozeniacute pak atrofujiacute mutace neovlivňujiacute vaječnou buňku - procesy embryogeneze a vyacutevinu endospermu jsou odlišneacute n MEDEA (MEA) reg mutace genu způsobuje hypertrofii a zaacutenik embrya neniacute jasneacute na jakeacute uacuterovni se gen projevuje zaacuterodečnyacute vak endosperm nebo maternaacutelně imprintovanyacute embryonaacutelniacute gen

Biotechnologie ve šlechtěniacute rostlin Selektivniacute šlechtěniacute rostlin - přiacuterodniacute genetickeacute diverzity rostlin Techniky překonaacuteniacute barieacuter šlechtěniacute

Barieacutery Technika překonaacuteniacute Před oplodněniacutem

selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute pestiacuteku

pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony

pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro

selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů

odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute

abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry

sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

vyacutevoj semen

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

Škůdci v historii naacutelety sarančat (Staryacute zaacutekon)

ochrana saze tabaacutek

začaacutetek 19 stol - siacutera na houboveacute patogeny 1939 objev DDT uacutečinek na hmyz teorie bdquohmyz se může staacutet rezistentniacuteldquo 1948 Nobelova cena P Muumlller

50 leacuteta 20 st - herbicidy - postřiky na plevele ( rezistence na herbicid) 1972 zaacutekaz DDT (vyacutejimka - boj s malaacuteriiacute v Africe - naacutevrat DDT)

škůdce - hmyz hliacutestice 1861 - v Americe Iowa Nebraska 1880 1 pesticid v S Americe arzeacutenem bdquoParis greenldquo

S rostouciacute intenzitou pěstovaacuteniacute roste hospodaacuteřskyacute vyacuteznam škodlivyacutech organismů objem škod se zvyšuje staacutele přibyacutevajiacute noveacute druhy škodlivyacutech organismů zavaacutedějiacute se staacutele noveacute prostředky

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin - hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy

1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho

obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

ROS Reactive oxygen species reaktivniacute formy kysliacuteku SAR Systemic acquired resistance systeacutemově ziacuteskanaacute rezistence = neinfikovaneacute buňky začiacutenajiacute s přiacutepravou na atak patogena

napadeneacute rostliny uvolňujiacute signaacutelniacute molekuly (těkaveacute laacutetky - druhově specifickeacute) a varujiacute okolniacute rostliny ještě před napadeniacutem hmyzem

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin -hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy 1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

produkujiacute u různyacutech rostlin různě - sekundaacuterniacute metabolity - odstrašeniacute nebo zničeniacute patogena - proteiny inhibujiacuteciacute aktivitu zažiacutevaciacutech enzymů hmyzu - enzymy degradujiacuteciacute buněčnou stěnu hub (chitinaacutezy) - proteiny inhibujiacuteciacute překlad proteinů u škůdce - antiviroveacute složky degradujiacuteciacute virovou RNA blokujiacute vstup do buňky zastavujiacute replikaci

geny ktereacute bdquoSARldquo zapiacutenajiacute zvyšujiacute rezistenci rostliny

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům - již v čaacutesti fytotatologie

Co je plevel soutěžiacute s plodinou o živiny světlo a prostor intenziacutevně roste podiacuteliacute se na šiacuteřeniacute chorob a škůdců

lat herba - rostlina řeč cidoacute - ničiacutem

Vznik rezistence plevelů vůči některyacutem herbicidniacutem laacutetkaacutem = reakce plevelnyacutech druhů na podmiacutenky současneacuteho pěstovaacuteniacute rostlin = dlouhodobeacute působeniacute herbicidů

Vyacutevoj plevelů na zemědělskeacute půdě v naacutevaznosti na skladbu pěstovanyacutech plodin Vznik rezistence plevelů vůči herbicidům Problematika invaziacute a expanziacute plevelů

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům

Rezistenci vůči herbicidům způsobujiacute biochemickeacute fyziologickeacute změny nebo morfologickeacute odlišnosti ktereacute ovlivňujiacute přiacutejem herbicidů rostlinou

- degradujiacute herbicid

- měniacute jeho biochemickou funkci v rostlině

- pozměňujiacute miacutesto na ktereacute herbicid v rostlině působiacute

Rezistence rostlin vůči herbicidům dědičnaacute schopnost odolaacutevat takoveacute daacutevce herbicidů při ktereacute by za normaacutelniacutech okolnostiacute byla populace potlačena

směr pro šlechtěniacute

Aplikace rostlinnyacutech biotechnologiiacute v životniacutem

prostřediacute

takto nebo takto

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Těžba a zpracovaacuteniacute surovin(těžkeacute kovy- Cd Pb prach) Průmyslovaacute vyacuteroba (barviva)

Skladovaacuteniacute (haldy kaliště sklaacutedky) Zemědělstviacute (pesticidy herbicidy)

Domaacuteciacute odpad (leacutečiva detergenty praciacute prostředky)

čin

no

st č

lově

ka

půda voda ovzdušiacute

znečištěniacute

degradace organismy produkujiacuteciacute laacutetky (enzymy) pro

ciacutelenyacute rozklad

organismy snižujiacuteciacute toxicitu toxickeacute laacutetky metylaciacute dehalogenace hydroxylace hydrolyacuteza deaminacehellip

substraacutet je zdrojem C a energie

dekontaminace

+ katastrofy Černobyl vaacutelečneacute konflikty

remediace = navraacuteceniacute k původniacutemu stavu

Biodegradace všechny přirozeneacute procesy ktereacute jsou uskutečňovaacuteny bakteriemi a jinyacutemi mikroorganizmy nebo vyššiacutemi organismy ktereacute vedou k destrukci organickyacutech molekul = organickyacute substraacutet je přeměňovaacuten až na CO2 Bioremediace (bakterie houby)

spočiacutevaacute v akceleraci přirozenyacutech biodegradačniacutech procesů nebo v ciacuteleneacute biodegradace - vede k ozdraveniacute kontaminovaneacuteho prostřediacute - detoxifikace měniacute se na netoxickeacute = neškodneacute laacutetky - aplikaciacute mikroorganismů

Fytoremediace (rostliny) niacutezkaacute cena

využitiacute rostlin k odstraněniacute toxickeacute zaacutetěže (těžkeacute kovy) řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny Zooremediace (zviacuteřata)

zpracovaacuteniacute odpadů pomociacute zviacuteřat bezobratliacute - perlorodky měkkyacuteši

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

nevyacutehody pomalaacute viacutece než 2 roky maleacute rozměry vhodnyacutech rostlin maacutelo druhů vhodnyacutech rostlin neniacute 100 probleacutem s rostlinnyacutem odpadem - potřeba zvlaacuteštniacutech sklaacutedek spadeneacute listiacute

- řiacutezeneacute spalovaacuteniacute

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacute len slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

vyacutehody mineralizace organickyacutech sloučenin niacutezkeacute naacuteklady pasiacutevniacute metoda bez transportu kontaminovaneacute půdy energie ze slunečniacuteho zaacuteřeniacute nepoškozuje okoliacute - sniacuteženiacute prašnosti

estetickyacute přiacutenos etickyacute uacutečinek (veřejnosti přijatelnyacute)

2005 cca 450 rostlinnyacutech druhů - tzv bdquohyperakumulaacutetoryldquo 100 x vyššiacute akumulace než u ostatniacutech rostlin

teorie vzniku - obrana vůči hmyzu - hmyz preferuje

niacutezkeacute koncentrace kovu

Thlaspi careulescens

X bagrovaacuteniacute kontaminovaneacute zeminy transport zeminy dekontaminace

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute přiacutejem kořeny - z půdy přiacutejem nadzemniacute čaacutestiacute rostliny - vyacutefukoveacute plyny

akumuluje

degraduje

detoxifikuje

roste na kontaminovaneacute půdě

produkuje velkeacute množstviacute biomasy

tolerantniacute k salinitě a jinyacutem toxickyacutem podmiacutenkaacutem

poskytuje ekonomickeacute hodnoty - textilniacute vlaacutekna (len konopiacute)

GMO - gen fytovolatizace - bakteriaacutelniacute geny transformovaacuteny do rostlin transgeny merA a merB fytoextrakce - gen gsh1 a gsh2 z E coli do Brassica juncea

potenciaacutel je v GMO rostlinaacutech

Laboratoř rostlinnyacutech biotechnologiiacute Společnaacute laboratoř UacuteEB AV ČR vvi A VUacuteRV vvi Akademie věd Českeacute Republiky Mendelova univerzita v Brně Uacutestav experimentaacutelniacute botaniky AV ČR Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby v Praze Metoda použita na čištěniacute uranem a radiem znečištěneacute vody v Mydlovarech - kořenovaacute čistiacuterna

ideaacutelniacute rostlina

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

proces substraacutet ciacutel rostlina

fytoextrakce fytoakumulace

odstraněniacute toxickyacutech laacutetek z půdy a vody - akumulaciacute rychle rostouciacute rostlinou (zůstaacutevaacute v rostlině)

půda sedimenty kaly odpadniacute vody

toxickeacute kovy radionuklidy

Thlaspi sp Brassica sp

fytostabilizace ciacuteleneacute pěstovaacuteniacute tolerantniacutech druhů zamezeniacute eroziacute

půda haldy odkaliště těžkeacute kovy dlouheacute a bohateacute kořeny

fytovolatizace odstraněniacute Hg pomociacute genu koacutedujiacuteciacuteho reduktaacutezu Hg2+ na Hg0

a uvolněniacute do ovzdušiacute

půdy sedimenty odkaliště průmysloveacute a zemědělskeacute odpadniacute vody

kovy - Se Hg chlorovanaacute rozpouštědla

stromy traacutevy Brassica sp

fytodegradace degradace kontaminantů rostlinou na netoxickeacute laacutetky

půdy sedimenty odkaliště odpadniacute vody

ropneacute laacutetky pesticidy detergenty

stromy traacutevy

rhizofiltrace odstraněniacute pomociacute rostlinnyacutech kořenů

povrchoveacute vody odpadniacute vody

těžkeacute kovy - Co Cu Cr Mn Ni radionuklidy

Brassica sp Helianthus vodniacute rostliny hydroponie

superrostliny

niacutezkeacute naacuteklady

kořenovaacute čistička = umělyacute mokřad oddělenyacute od okoliacute nepropustnou foacuteliiacute využiacutevaacute samočisticiacutech procesů probiacutehajiacuteciacutech v propustneacutem půdniacutem prostřediacute za spoluuacutečasti rostlin čištěniacute odpadniacutech vod z domaacutecnostiacute sklaacutedek a některyacutech průmyslovyacutech provozů

Rhizofiltrace

httpwwwnemcoviceczcontentviewfull3607

rostliny s vysokyacutemi

naacuteroky na vyacuteživu

+

bakterie

může zapaacutechat

5x - 10 x nižšiacute naacuteklady

Člověk čistiacute odpadniacute vodu za pomoci zařiacutezeniacute

ale přiacuteroda to zvlaacutedaacute bez přiacutestrojů a mnohem levněji

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute niacutezkeacute naacuteklady

rostlina chemickaacute sloučenina

pšenice 24 -D MCPA jako zdroj uhliacuteku

kukuřice atrazin degradace atrazinu mikroorganismy rhizosfeacutery

fazole diazinon parathion mineralizace v rhizosfeacuteře

luštěniny nafta

Kučerovaacute et al 1999 Chemickeacute listy

přiacutejem - velikost kořenoveacuteho systeacutemu přiacutestupnost pro rostlinu např chelaacutety

transport rostlinou - apoplast (difuacuteziacute)

symplast (specifickeacute přenašeče)

miacutesto uskladněniacute hustota rostlin v porostu

zaacutevažnějšiacute ekologickyacute a toxikologickyacute vyacuteznam přibližně 16 prvků (Fe Mo Mn Zn NiCo Cu V W Cr Hg Pb Cd Sb Ag a U)

Budoucnost fytoremediaciacute niacutezkeacute naacuteklady

Fytoremediace v praxi

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Ural 1953 odstraněniacute těžkyacutech kovů

Amana Iowa hybridniacute topoly atrazin odstraněna čaacutest až 20

Beaverton Kreton

hybridniacute topoly

organickeacute laacutetky kovy

a amonneacute sloučeniny

celkoveacute vyčistěniacute oblasti

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Fukušima 113 2011 slunečnice radioaktivniacute cesium dekontaminace půdy

Černobyl 2641986 slunečnice jabloně

cesium stroncium dekontaminace půdy povrchoveacute vody

paacutes 30 km - likvidace radioaktivniacutech rostlin

nebudou spaacuteleny rozloženy a kompostovaacuteny - speciaacutelniacute bakterie

slunečnice spotřebovaacutevajiacute z půdy drasliacutek kteryacute patřiacute mezi alkalickeacute kovy stejně jako cesium drasliacutek neniacute v půdě přiacutetomen květiny využijiacute praacutevě druhyacute prvek - Cs

Biotechnologie v ŽP niacutezkeacute naacuteklady

fytomining - fytodobyacutevaacuteniacute fytodolovaacuteniacute

ziacuteskaacutevaacuteniacute kovů z rostlin kde klasickaacute těžba je nevyacutehodnaacute rostliny - bdquotěžaři vzaacutecnyacutech kovůldquo a polokovů AuTh Co U Cd Ni Cu Mn

v rostlinaacutech hyperakumulaacutetorech je akumulace prvku sušina rostliny jako -ldquobio-rudaldquo

vyacutehody

- obsah kovu v bdquobio-ruděldquo je vyššiacute než v běžneacute rudě

- meacuteně skladovatelneacuteho miacutesta

- zelenaacute technologie jako alternativa

fytomining Ni pomociacute Alyssum bertolonii

Robinson et al 1997 The nickel hyperaccumulator plant Alyssum bertolonii as a potential agent for phytoremediation and phytomining of

nickel Journal of Geochemical Exploration59(2)75-86

zlatonosneacute rostliny

zlataacute jablka

zlateacute kapradiacute

hledaacuteniacute nalezišť

technologie budoucnosti

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute bioplasty z biomasy (škroby tuky) nahrazujiacute fosilniacute zdroje vyacutehodou je biodegradace biopaliva rostlinnyacute materiaacutel a řasy bioethanol GMO rezistentniacute rostliny vůči postřikům hmyziacutem škůdcům transfer genů pro symbiotickou fixaci dusiacuteku z luštěnin do dalšiacutech plodin přenos genů z bdquoC4ldquo do bdquoC3ldquo rostlin pro dosaženiacute uacutečinnějšiacute fotosynteacutezy (ryacuteže)

Transgenoziacute se přenaacutešiacute přirozeneacute geny vznikleacute evoluciacute z jednoho organismu do druheacuteho kteryacute se s daacutercem genu obvykle

nemůže křiacutežit pouze dokaacuteže přenosy mezi vyacutevojově ještě vzdaacutelenějšiacutemi organismy

Geny použiacutevaneacute při transgenosi jsou braacuteny z přiacuterody např gen v soacuteji tolerujiacuteciacute glyfosaacutet - je z bakterie rodu Agrobacterium

Klasičtiacute šlechtiteleacute takto pracujiacute daacutevno např smiacutechali geny pšenice a žita

GMO

Transgenoze ndash vnaacutešeniacute znaacutemyacutech jednotlivyacutech genů do dědičneacuteho

zaacutekladu (poprveacute 1978)

Pro přenos - Agrobacterium tumefaciens A rhizogenes E coli

httpblogscassuffolkeduiglesias20140424gmos

GMO bez obalu httpwwwbezpecnostpotravinczUserFilespublikaceGMO_web_1pdf

GMO - transgenniacute rostliny CARTAGENSKYacute PROTOKOL o biologickeacute bezpečnosti 29 1 2000 Montreal (OSN ndash program pro životniacute prostřediacute UNEP) platnost 11 9 2003

ČR podepsala 24 52000 (gmovschtcz) nyniacute 160 staacutetů

opatřeniacute ve staacutetech ktereacute se připojiacute k projektu (dovoz vyacutevoz transport)

vzdělaacuteniacute odborniacuteků a informovaacuteniacute veřejnosti

vytvořeniacute noveacute legislativy GMO (wwwenvcz )

spolupraacutece při vyacuteměně zkušenostiacute

Svět 2010 - viacutece než 150 mil ha viacutece než 20 zemiacute

pro vegetačniacute čaacutesti

nebo plody

CIacuteL PROTOKOLU - zajistit ochranu a bezpečnost při zachaacutezeniacute využiacutevaacuteniacute a přenosu živyacutech modifikovanyacutech organismů ktereacute jsou vyacutesledkem moderniacutech biotechnologiiacute a ktereacute mohou miacutet nepřiacuteznivyacute vliv na zachovaacutevaacuteniacute biologickeacute rozmanitosti a zdraviacute člověka Protokol je zaměřen předevšiacutem na převoz GMO přes hranice staacutetů a maacute ochraňovat zejmeacutena staacutety kteryacutem dosud chybiacute vlastniacute vnitrostaacutetniacute praacutevniacute předpisy v oblasti GMO

GMO - transgenniacute rostliny historie

EVROPA

SRN - Max-Planck-Institut

Belgie - Universita Ghent

Švyacutecarsko- ETH Zurych

ČR - Biofyzikaacutelniacute uacutestav Brno (Agrobacterium jako vhodnyacute přenašeč genů)

ČR - UacuteEB ČSAV Českeacute Budějovice (metody modifikaciacute)

2010 1 transgenniacute hraacutech v Evropě (ČR Agritec Šumperk)

transgenniacute len - oleje

FYTOPATOLOGIE IN VITRO

Fytopatologie in vitro

in vitro selekce = kultivace buněk se selekčniacutem činitelem (fitraacutet inokulum toxin)

ndash přežiacutevajiacuteciacute buňky jsou regenerovaacuteny do rostlin resistentniacuteho fenotypu

Studium interakce rostlina x patogen v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

Druh Patogen Typ biologickeacuteho testu Ciacutel

Coffea arabica Colletotrichum kahawae růst houby na kalusech vyacuteběr rezistentniacutech genotypů

Vitis vinifera Elsinoe ampelina růst kalusu na meacutediu s patogenem testy rezistence

Lycopersicon aes Alternaria alternata testy na izollistech in vitro hodnoceniacute toxicity

Pinus taeda Cronartium quercuum embryokultury s houbami vyacuteběr rezistentniacutech embryiacute

Triticum aestivum Microdochium nivale listy semenaacutečky in vitro vyacuteběr rezistentniacutech kultivarů

ozdravovaacuteniacute rostlin

klonoveacute množeniacute rezistentniacutech taxonů

Page 24: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,

EK - historie

TOTIPOTENCE rostlinneacute buňky genetickeacute informace - jaacutedro plastidy mitochondrie

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

daacute se přeneacutest v raacutemci šlechtěniacute

blok totipotence

vyjaacutedřeniacute totipotence 1 dediferenciace buňky do buněčneacuteho cyklu a pokračovaacuteniacute v děleniacute 2 rediferenciace - tvorba organickyacutech struktur - přiacutemaacute regenerace tvorba kalusu - nepřiacutemaacute regenerace

vliv růstovyacutech regulaacutetorů

Rostlinneacute biotechnologie prvniacute generace - od explantaacutetovyacutech kultur po GMO

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute rostlin - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

Explantaacutet = aseptickaacute kultivace izolovanyacutech čaacutestiacute rostlin za umělyacutech podmiacutenek

EXPLANTAacuteTOVEacute KULTURY - VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

EK - historie

Metody EK využitelneacute v zemědělstviacute Meristeacutemoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Somatickaacute embryogeneze

Embryokultury

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze + buněčneacute inženyacuterstviacute

Genetickeacute manipulace

VITRIFIKACE (hyperhydricita) ndash vyjadřuje abnormality růstu in vitro skelnatyacute syndrom vyacutehonů křehkeacute mokryacute vzhled pryacutetů (vodou nasycenyacutech) průsvitnyacute sukulentniacute vzhled

metody zachovaacutevajiacuteciacute genotyp beze změn během kultivace metody zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu během kultivace

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK 1 rychleacute namnoženiacute

2 ozdravovaacuteniacute

3 překonaacuteniacute nekřiacutežitelnosti - embryokultury

4 dlouhodobeacute udržovaacuteniacute genetickyacutech zdrojů

5 indukce mutantů - ziacuteskaacuteniacute novyacutech genotypů

6 předselekce - urychleniacute šlechtitelskeacuteho cyklu

7 ziacuteskaacuteniacute novyacutech a udrženiacute genotypů s pylovou sterilitou

8 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho procesu

9 produkce haploidů

10 produkce polyploidů

11 rychlejšiacute ziacuteskaacuteniacute vyacutechoziacuteho šlechtitelskeacuteho materiaacutelu pro noveacute odrůdy

12 somatickaacute hybridizace - fuacuteze

13 konstrukce novyacutech genotypů kulturniacutech plodin přenos bdquoužitečnyacutech genůldquo

14 udržovaacuteniacute genofondu

15 selekce in vitro - rezistence k abiotickyacutem a biotickyacutem stresům

16 produkce sekundaacuterniacutech metabolitů

Plodina Technika

ječmen pšenice kukuřice

řepka paprika brukvovitaacute

zelenina mrkev

androgeneze

cibule gynogeneze

jahodniacutek česnek ozdravovaacuteniacute

brambor traacutevy polyploidizace in vitro

jeteloviny drobneacute ovoce

ovocneacute dřeviny podnože traacutevy mikropropagace

brambor řepka somatickaacute hybridizace

hraacutech brambor rezistence k chorobaacutem

traacutevy embryokultury

Kombinace metod embryokultury oplozeniacute in vitro fuacuteze protoplastů

plodiny se geneticky upravujiacute pro většiacute rezistenci k herbicidům - ničeniacute plevele bez poškozeniacute uacuterody GM rajčata potlačujiacute gen pro polygalakturonaacutezu enzym degradujiacuteciacute pektin způsobujiacuteciacute měknutiacute pletiv (Deacon a kol 2002)

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK

Meristeacutemoveacute kultury

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny meristeacutemoveacute kultury

Vyacutehody maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky naacuteslednaacute mikropropagace ozdraveneacuteho materiaacutelu bdquovirus - freeldquo

Vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana Iniciace kultury Testovaacuteniacute in vitro Přenos do nesterilniacutech podmiacutenek Testovaacuteniacute

MERISTEacuteM ndash děliveacute nediferencovaneacute pletivo ozdravovaacuteniacute rostlin (02 - 05 mm) meristeacutemy

OZDRAVOVAacuteNIacute Termoterapie (vyššiacute teplota)

Meristeacutemovaacute kultura Chemoterapie (antivirotika)

viry - nebuněčneacute mikroorganismy virovaacute čaacutestice = virion sklaacutedaacute se z RNA nebo DNA a kapsidu

fytopatologie in vitro

ribavirin

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny

Vyacuteznamneacute viroveacute choroby rostlin v ČR od 30 ztraacutet CaMV - 1968 PVY 30 -70 VMCH (virus mozaiky chmele) až o 70 mozaika česneku 25 - 50 žloutenka cibule až 100 bronzovitost rajčat

- žloutnutiacute listů kroužky a čaacutery na listech nevyvinuteacute rostliny abnormaacutelniacute růst - vstupujiacute různyacutemi poraněniacutemi - šiacuteřiacute se plasmodesmaty - velmi odolneacute proti inaktivaci - přenaacutešeny semeny hliacutezami pylem roubovaacuteniacutem hmyzem houbami červy

1952 Morel a Martin u jiřin

Využitiacute metody jahodniacutek česnek zeleniny květiny okrasneacute dřeviny ovocneacute dřeviny banaacutenovniacutek hellip

Tvorba bezviroacutezniacutech rostlin

1 meristeacutem = 1 rostlina testovaacuteniacute

wwwoselczindexphpclanek=2819

viroacutezniacute x zdravaacute

M Navraacutetil KBBPřFUPOL

PVY

In vitro klonovaacuteniacute mikropropagace meristeacutemoveacute kultury

zisk geneticky identickeacute rostliny vegetativniacutem množeniacutem

VYacuteHODY

maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny ktereacute jsou geneticky stabilniacute

v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky

vyššiacute množitelskyacute koeficient - potenciaacutelniacute hodnota zisku rostlin

Postup - vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana - iniciace kultury - mikropropagace - přenos do nesterilniacutech podmiacutenek

KLON - kolekce geneticky identickyacutech individuiacute původem z jedineacuteho rodiče

komerčně od 1960

httpwwwjanholubcz

In vitro meristeacutemoveacute kultury - využitiacute - zaacutechrana a množeniacute ohroženyacutech druhů kaktusy

- zaacutechranneacute množeniacute cennyacutech genotypů a liniiacute sterilniacutech rostlin - udrženiacute rodičovskyacutech komponent pro tvorbu hybridniacutech odrůd

- množeniacute transgenniacutech rostlin

- zachyceniacute a klonovaacuteniacute nově nalezenyacutech mutantů při šlechtěniacute

- klonovaacuteniacute nejlepšiacutech jedinců pro produkci elitniacuteho osiva

- vegetativniacute množeniacute okrasnyacutech rostlin karafiaacutet gerbera anthurie orchideje

sanpaulie kapradiny hellip

- množeniacute drobneacuteho ovoce jahodniacutek maliniacutek reacuteva

- množeniacute dřevin podnože pro školkařstviacute lesniacute dřeviny tropickeacute dřeviny

- v zelinaacuteřstviacute množeniacute brambor zeliacute

- množeniacute pouze samičiacutech rostlin datlovaacute palma

- kryoprezervace (-196 oC) jahodniacutek maliniacutek hraacutech brambor karafiaacutet

Genoveacute

banky

Mikropropagace multiplikace klonovaacuteniacute nejen z meristeacutemů

Solanum tuberosum Cucumis sativus Olea europea Eucalyptus grandis Salix sp Syringa sp Juglans regia

Schopnost regenerace tvorba identickyacutech rostlin = přiacutemaacute somatickaacute embryogeneze

Meristeacutemy Pryacutetoveacute segmenty Kalusy Embrya

Zdroje odchylek bull vysokeacute daacutevky růstovyacutech regulaacutetorů typ regulaacutetoru bull rostliny regenerujiacute z basaacutelniacuteho kalusu (možnost gen změn)

Kalusoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Primaacuterniacute explantaacutet kalus meristemoid orgaacutenoveacute primordium

Kalus = masa děliacuteciacutech se a rostouciacutech buněk

nejsou uniformniacute mohou se lišit velikostiacute tvarem pigmentaciacute metabolismem nebo počtem chromosomů

bull za určityacutech podmiacutenek regenerace pryacutetů a kořiacutenků

tma x světlo

subkultivace

metoda geneticky nestabilniacute

Kalusoveacute kultury - somaklonaacutelniacute variabilita ndash MUTACE a zisk novyacutech znaků

- mikropropagace ndash cibule žen-šen hellip

- vyacutechoziacute materiaacutel pro suspenzniacute a protoplastovou kulturu

- materiaacutel pro indukovaneacute mutace (zaacuteřeniacute chemomutageny)

- sekundaacuterniacute metabolity (alkaloidy AMK saponiny oleje složky vůniacute protinaacutedoroveacute laacutetky steroidy )

polyploidie aneuploidie

Selekce mutantů se zlepšenou nutričniacute hodnotou (viacutece biacutelkovin v zrnu)

Rezistence vůči zasoleniacute (vysokyacute turgor v buňkaacutech akumulace NaCl ve vakuolaacutech)

Rezistence vůči chorobaacutem (synteacuteza fytotoxinů fytoalexinů)

Sekundaacuterniacute metabolity (= chemickeacute individuality v rostlinaacutech ndash barviva vůně chuti obrana)

Artemisia annua - artemisin (antimalarika) Capsicum sp - capsaicin (protinaacutedoroveacute)

Digitalis lanata - digoxin (srdečniacute stimulanty) Papaver somniferum - codein (sedativa)

Taxus breviola - taxol (protinaacutedoroveacute) Vanilla planifolia - vaniliacuten (aroma)

Panax ginseng - (imunitniacute systeacutem) Zingiber officinale ndash gingerol (antioxidant)

Somatickaacute embryogeneze a suspenzniacute kultury

Využitiacute

umělaacute semena (enkapsulace somatickyacutech embryiacute)

využitiacute somatickeacute variability

klonoveacute množeniacute

sekundaacuterniacute metabolismus (suspenze)

kryoprezervace

Buněčnaacute suspenze = převedeme kalus do tekuteacuteho meacutedia

a provzdušňujeme (kontakt buněk a shluků buněk s meacutediem)

vznikaacute bipolaacuterniacute struktura obsahujiacuteciacute kořen a pryacutet

auxin (24-D)

umělaacute semena

Mutace RADIOMUTANT PROSPĚCH NEBO ZAacuteLUDNOST

SPONTAacuteNNIacute MUTACE využiacutevaacute člověk při šlechtěniacute odrůd spur typy (kompakt typy) jabloniacute absence trnů u ostružiniacuteku variabilita květenstviacute jiřinky proměnliveacute vznik plemen domaacuteciacutech zviacuteřat je založen na podchyceniacute spontaacutenniacutech mutaciacute ndash plemena psů

INDUKOVANEacute MUTACE působeniacute mutagenů

zaacuteměrneacute ndash ve vyacutezkumu ve šlechtěniacute rostlin (př odrůdy ječmene DIAMANT (zkraacuteceniacute steacutebel ndash nepoleacutehaacute) kompaktniacute růst a samosprašnost třešně změna barvy slupky u jabloně ndash sbquoredlsquo mutace)

nezaacuteměrneacute ndash důsledek použitiacute jadernyacutech a chemickyacutech zbraniacute ndash Yperit jaderneacute a jineacute katastrofy

1950 radiomutace chemomutace 1965 ječmen Diamant

Suspenzniacute kultury - SK KULTURA V TEKUTEacuteM MEacuteDIU ROSTE A DĚLIacute SE NĚKOLIKANAacuteSOBNĚ RYCHLEJI NEŽ KULTURA

NA PEVNEacuteM MEacuteDIU Využitiacute jako experimentaacutelniacute model produkce sekundaacuterniacutech metabolitů indukce somaklonaacutelniacute variability a naacutesledneacute selekce mikropropagace (pod kontrolou genetickeacute stability) pohyb kultury v bioreaktoru maacute za naacutesledek potlačeniacute apikaacutelniacute dominance tiacutem se stimuluje růst mnohonaacutesobnyacutech pryacutetů

Bioreaktory firmy VitroSys Inc Korea

ideaacutelniacute SK ndash rychlyacute růst karyologickaacute stabilita životnost buněk rentabilita

Minimaacutelně 103 ml buněk 110 suspenze v exponenciaacutelniacute faacutezi se doplniacute čerstvyacutem meacutediem Koncentrace sacharidů prodlužuje periodu růstu

Velkokapacitniacute kultivace rostlinnyacutech buněk v tekutyacutech meacutediiacutech sterilniacute prostřediacute obsahujiacuteciacute živiny a laacutetky potřebneacute pro růst a jeho regulaci vhodneacute pro kultivaci rostlinnyacutech mikrobiaacutelniacutech a živočišnyacutech buněk

Bioreaktor

Bioreaktory s tekutyacutem meacutediem explantaacutety jsou ponořeny v tekuteacutem meacutediu Bioreaktory s pravidelnyacutem zaplavovaacuteniacutem (temporary immersion bioreactor TIB) explantaacutety jsou pravidelně zaplavovaacuteny

Bioreaktor

httpwwwuebcasczcscontentzensenove-spagety

pěstujiacute se jen kořeny - zisk GINSENOSIDŮ za 3 měsiacutece v laboratoři stejnyacute zisk jako z rostlin ženšenu v přiacuterodě za 8 let obsah GINSENOSIDŮ je srovnatelnyacute s planě rostouciacutemi rostlinami množstviacutem i vzaacutejemnyacutem poměrem jednotlivyacutech laacutetek

v Koreji od r 2004

hairy-root systeacutem a sekundaacuterniacute metabolity

Sekundaacuterniacute metabolity - SM ROSTLINA BUNĚČNAacute KULTURA

EXTRAKT prověřovaacuteniacute oddělovaacuteniacute čištěniacute aktivniacute složky testovaacuteniacuteprověřovaacuteniacute

ČISTAacute BIOAKTIVNIacute LAacuteTKA

SM z buněčneacute kultury - extrakty ziacuteskaneacute za reprodukovatelnyacutech podmiacutenek spolehliveacute zdroje meacutedium - množstviacute čisteacuteho produktu

buňky rostou v tekuteacutem meacutediu -ne celaacute rostlina

produkt rostlina in vitro ()

rostlina ()

poměr

ginsenoside Panax ginseng 27 45 6 x

rosmarinic acid Coleus blumei 27 3 9 x

caffeic acid Vanilla planifolia 002 0005 4 x

shikonin Lithospermum erythrorhizon

20 15 135 x

ubiquinon-10 Nicotiana tabacum 0036 0003 12 x Heldman et al 2011

anti

oxy

dan

ty v sušině

bioreaktory

Sekundaacuterniacute metabolity - SM Rostlina Uacutečinnaacute laacutetka Uacutečinek

Artemisia annua pelyněk ročniacute artemisinin antimalarikum

Digitalis lanata naacuteprstniacutek vlnatyacute digoxin srdečniacute stimulants

Dubosia myoporoides lilkoviteacute atropin

scopolamin

očniacute přiacutepravky mořskaacute nemoc

Lithospermum

erythrorhizon

kamejka

rudokořennaacute

shikonin protinaacutedoroveacute

Panax ginseng ženšen pravyacute stimulant imunitniacuteho systeacutemu

Salix alba vrba biacutelaacute salicin antirevmatikum proti horečce

Taxus brevifolia tis

zaacutepadoamerickyacute

baccatin taxol protinaacutedoroveacute

Vinca rosea barviacutenek růžovyacute vinblastin

vinkristin

protinaacutedoroveacute alkaloidy

leukeacutemie

buněčnaacute kultura

Rostlina Extrakt Uacutečinek

Linum usitatissimum len setyacute olej

Mentha piperita maacuteta peprnaacute maacutetovyacute olej -

mentol

žaludečniacute potiacuteže

Mentha spicata maacuteta klasnataacute mentol žaludečniacute potiacuteže

Zingiber officinale zaacutezvor leacutekařskyacute gingerol antioxidant

informace z tradičniacute lidoveacute mediciacuteny - použitiacute extraktů a purifikace zdroje z nedotčeneacuteho ekosysteacutemu

kalusovaacute kultura buněčnaacute suspenze orgaacutenovaacute kultura - Artemisia Mentha - pryacutety

rostliny jsou vyacuterobci sekundaacuterniacutech metabolitů

cytostatikum

Sekundaacuterniacute metabolity - SM

Heldman et al 2011

VYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY

nezaacutevisleacute na geografickyacutech podmiacutenkaacutech

nezaacutevisleacute na sezoacutenniacutech podmiacutenkaacutech

v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

v přiacuterodě kontrolovaacuteno množstviacute in vitro ne

nepřetržitaacute dodaacutevka produktu

uniformniacute kvalita produktu

uniformniacute vyacutetěžnost produktu (průběžně)

vyacuteběr vhodneacute linie s vyššiacute produkciacute produktu

možnost tvorby novyacutech laacutetek nenormaacutelniacutech u donora

NEVYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY staacutele se vyviacutejejiacuteciacute

překaacutežky - pomalyacute růst

genetickaacute nestabilita

různorodost

niacutezkyacute obsah metabolitu

produkty vylučovaacuteniacute provozniacute - světelneacute podmiacutenky aseptickeacute podmiacutenky

STRATEGIE TVORBY SM vyacuteběr donorovyacutech rostlin - biochemickeacute testy

iniciace kalusů

vyacuteběr buněčneacute linie - rychle rostouciacute vysokaacute produkce

ciacutelenyacute metabolismus - kultivačniacute meacutedium (složeniacute koncentrace proporcionalita)

kultivačniacute podmiacutenky (teplota světlo pH) zvlaacuteštniacute požadavky (prekurzor simulace stresu - napadeniacute patogenem)

uvolněniacute do meacutedia

Embryokultury

Embryokultury = kultivace zralyacutech nebo nezralyacutech embryiacute in vitro

1904 Hannig - embrya u ředkve

1925 Laibach - aplikace v mezidruhoveacutem křiacuteženiacute r Linum sp

1945 Randolph - zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu u r Iris sp

1970 Kasha Kao - ziacuteskaacuteniacute haplodů u ječmene

Hordeum vulgare (zůstaacutevaacute) x Hordeum bulbosum (eliminace chromozoacutemů)

Zygotickaacute embrya vyacuteživa z endospermu (heterotrofniacute)

Embrya in vitro vyacuteživa z kultivačniacuteho meacutedia

In vitro oplodněniacute u člověka - 1978 pro neplodneacute paacutery

geneticky stabilniacute metoda

Embryokultury- in vitro

I Kultura semennyacutech embryiacute tj izolace plně vyvinutyacutech

bipolaacuterniacutech struktur obsahujiacuteciacutech kořenovyacute a stonkovyacute systeacutem

II Kultura proembryiacute tj izolace nezralyacutech zaacuterodků předchaacutezejiacuteciacutech

diferenciaci děloh

Embryogeneze zygotickeacuteho embrya (in vivo)

zygota (přiacuteprava na 1 děleniacute)

faacuteze pomaleacuteho vyacutevinu embrya po oplozeniacute

faacuteze rychleacuteho vyacutevinu růstu a diferenciace embrya

faacuteze dozraacutevaacuteniacute embrya

faacuteze přechodu embrya do dormance (ABA)

Embryokultury

1 překonaacuteniacute barieacuter vzdaacuteleneacuteho křiacuteženiacute (abortace hybridniacutech embryiacute sterility semen)

2 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu (viacutece generaciacute za rok)

3 řešeniacute jarovizačniacuteho staacutedia

4 primaacuterniacute explantaacutet pro dalšiacute kultury

5 eliminace inhibice kliacutečeniacute

6 studium mineraacutelniacute vyacuteživy

7 umělaacute semena

8 studium metabolickyacutech vztahů mezi embryem a endospermem embryem a dělohami

9 ziacuteskaacuteniacute haploidniacutech rostlin

Opylovaacuteniacute in vitro

Opylovaacuteniacute in situ

in vitro

Inkompatibilita rostlin

zaručuje stabilitu druhu

Barieacutery procesu opyleniacute a oplozeniacute

vnějšiacute (teplota vlhkost nedostatečnaacute vyacuteživa )

vnitřniacute (inkompatibilita samčiacute nebo samičiacute sterilita)

využitiacute v raacutemci šlechtěniacute rostlin k překonaacuteniacute prezygotickyacutech barieacuter vznik mezidruhovyacutech mezirodovyacutech hybridů

Barieacutery Technika překonaacuteniacute

Před oplodněniacutem selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute blizny pestiacuteku pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

rezistence vůči abiotickeacutemu stresu rezistence vůči škůdcům vyššiacute vyacutenos

přenos z jineacuteho druhu

EK využitiacute ve šlechtěniacute

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury HAPLOID rostlina s n počtem chromozomů menšiacute sterilniacute

1963 T Yamada a kol Tradescantia reflexa (haploidy)

1964 - 1966 S Guha SC Maheswari Datura diploidizace kolchicinem

1969 JP Nitsch a kol celeacute rostliny (tabaacutek)

1973 JP Nitsch Norrel mikrosporoveacute kultury

2000 šlechtitelskeacute programy polniacutech plodin (obiloviny řepka)

využiacutevajiacute haploidniacute kultury in vitro

Androgeneze prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Androgeneze - kultivace prašniacuteků pyl zrn mikrospor = samčiacute genotyp

Gynogeneze - kultivace neoplodněnyacutech vajiacuteček = samičiacute genotyp

Haploidie - spontaacutenniacute = haploidniacute partenogeneze (gynogeneze androgeneze) frekvence 10-6

- experimentaacutelniacute indukovanaacute

fyzikaacutelniacute faktory = UV γ-zaacuteřeniacute X-paprsky teplotniacute šoky

zaacutesahy do procesů opyleniacute a oplozeniacute (inaktivniacute pyl)

explantaacutetoveacute metody = prašniacutekoveacute a pyloveacute kultury kultivace semeniacuteků a vajiacuteček

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury Ontogeneze pylu

In vivo mikrosporogeneze

pylovaacute mateřskaacute buňka

meiosa

pyloveacute tetraacutedy

vyacutevoj mikrospory (1 pyl mitoacuteza)

In vitro vyacutevoj embryoidu

(vegetativniacute generativniacute buňka)

- přiacutemaacute embryogeneze

- nepřiacutemaacute embryogeneze

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

využitiacute haploidů (majiacute jen jednu sadu chromosomů)

segregace vloh na gametickeacute uacuterovni ndash homozygoacutetniacute stav (čisteacute linie v F2 generaci)

detekce recesivniacutech mutaciacute (fenotypickyacute projev)

trpasličiacute varieta ndash u okrasnyacutech rostlin

Dihaploidizace

n rostliny - sterilniacute

104 ndash 105 mikrospoacuterml meacutedia

Brassica sp

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Prašniacutekoveacute kultury

viacutece než 200 druhů (řepka ryacuteže kukuřice obiloviny)

20-60 dnů

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

vyacutevoj globulaacuterniacuteho embrya a naacutesledně haploidniacute rostliny přiacutemo z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory

z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory vznikaacute kalus rarr indukce organogeneze

TYPY ANDROGENEZE

vzaacutecně

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Solanaceae

Brassicaceae

Poaceae

prašniacuteky

Androgeneze

Indukovanaacute androgeneze ndash přiacuteklady

Beta vulgaris - homozygotniacute linie

Brassica napus - novaacute odrůda linie

Hordeum vulgare

Lycopersicon - novaacute odrůda

Nicotiana - noveacute odrůdy

Oryza - noveacute odrůdy

Pelargonium - trpasličiacute variety

Triticum ndash cv Florin Huapei

Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby Praha Vyacutezkumnyacute uacutestav obilnaacuteřskyacute Kroměřiacutež Vyacutezkumnyacute uacutestav olejnin Oseva

Gynogeneze kultury izolovanyacutech vajiacuteček

kultury izolovanyacutech semeniacuteků

kultury izolovanyacutech květenstviacute in vitro

haploidniacute rostliny

spontaacutenniacute dihaploidniacute rostliny

ječmen kukuřice moruše

slunečnice cibule

kultivace vajiacuteček Beta vulgaris Tomaszewska-Sowa 2010

327 haploids 458 diploids and 215 ndash mixoploids

x opyleniacute ozaacuteřenyacutem pylem

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

Polyploidizace in vitro

duplikace celeacuteho genomu až 70 všech krytosemennyacutech rostlin je polyploidniacutech (Masterson 1994) POLYPLOID metabolicky aktivnějšiacute a rozměrnějšiacute plodiny ktereacute jsou vhodneacute pro pěstovaacuteniacute a leacutepe se vyrovnaacutevajiacute se stresovyacutemi podmiacutenkami

kolchicin

oryzalin

trifluralin

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze protoplastů

1892 Klecker - 1 mechanickaacute izolace protoplastů Stratiotes aloides (řezan pilolistyacute) 1960 EC Cocking 1 enzymatickaacute izolace protoplastů Nicotiana sp 1978 G Melchers a kol 1 mezirodovyacute hybrid bdquopomatoldquo bdquotopatoldquo Solanum tuberosum x S lycopersicum (Lycopersicum esculentum)

httptheplanetfixerorg387new-vegetable-created-the-tomato-potato-plant

Protoplastoveacute kultury

= kultivace rostlinnyacutech buněk zbavenyacutech buněčneacute stěny

Protoplast = rostlinnaacute buňka bez buněčneacute stěny jejiacute povrch tvořiacute cytoplazmatickaacute membraacutena maacute kulovityacute tvar

Protoplastoveacute kultury - regenerace

Faktory ovlivňujiacuteciacute kultivaci a regeneraci

Hustota ( počet protoplastů v 1 ml)

Životnost ()

Podmiacutenky kultivace a meacutedium

bull Studium synteacutezy buněčneacute stěny vyacutevoj buňky fyziologie buňky a cytogenetiku

bull Studium hodnoceniacute uacutečinků farmak potravinovyacutech doplňků agrochemickyacutech laacutetek na rostlinnou

buňku

bull Studium transportu iontů a laacutetek přes cytoplasmatickou membraacutenu

bull Somatickaacute hybridizace (fuacuteze protoplastů)

bull Inkorporace exogenniacuteho genetickeacuteho materiaacutelu ndash organel cybridizace

bull Genoveacute transformace (cizorodaacute DNA z bakteriaacutelniacuteho plasmidu)

Protoplastoveacute kultury - fuacuteze

Využitiacute

kombinace znaků odlišnyacutech druhů a rodů ktereacute by nevznikly přirozenou cestou

jedinečneacute kombinace jadernyacutech a organelovyacutech genomů vytvaacuteřiacute noveacute genetickeacute zdroje

často jen - čaacutest chromozomů asymetrickeacute jaderneacute hybridy

chloroplasty

mitochondrie

chemickeacute fuacuteze - pomalejšiacute elektrofuacuteze - fuacutezanti po 10 min vyššiacute frekvence fuacutezantů

cytoplazmickeacute hybridy - cybridy

Charakterizace hybridů - morfologicky cytologicky molekulaacuterniacute analyacutezy

Přirozenaacute mezidruhovaacute hybridizace - vznik některyacutech kulturniacutech plodin

B oleracea + B campestris = Brassica napus Nicotiana sylvestris + N tomentosa = Nicotiana tabacum

cybridy nelze ziacuteskat klasickou hybridizaciacute (křiacuteženiacutem) ndash samčiacute pohlavniacute buňky (pyl zrna) nemajiacute plastidy a mitochondrie

V přiacuterodě blesky do půdy modifikace bakteriiacute

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

Přenos jaderneacute a cytoplazmatickeacute genetickeacute informace mezi rostlinnyacutemi druhy rody

- překonaacuteniacute sexuaacutelniacute inkompatibility

- přenos genů rezistence vůči virovyacutem houbovyacutem chorobaacutem

- přenos cytoplazmatickeacute samčiacute sterility

- přenos rezistence vůči stresům (teplotniacutem zasoleniacute)

- přenos rezistence vůči hmyziacutem škůdcům

(synteacuteza fytoalexinů)

- přenos genů pro synteacutezu zaacutesobniacutech proteinů vitamiacutenů

alkaloidů

plnokvětost

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

využitiacute pro fytoremediace

Brassica juncea Tlaspi caerulescens brukev siacutetinovitaacute peniacutezek modravyacute akumulace Pb akumulace Zn a Ni hybrid se zvyacutešenou rezistenciacute k Pb Zn a Ni rychlyacute naacuterůst

biomasy

Brassica napus Thlaspi caerulescens hybridi rostly na vysokeacutem obsahu Zn

Fuacuteze protoplastů rodu Brassica s planyacutemi druhy

Armoracia rusticana

Barbarea vulgaris

Camelina sativa

Capsella bursa pastoris

Diplotaxis catholica

Diplotaxis muralis

Diplotaxis harra

Eruca sativa

Lesquerella fendleri

Mathiola incana

Moricandia arvensis C4

Moricandia nitens C4

Raphanus sativus

Sinapis alba

Sinapis arvensis

Thlaspi perfoliatum

Thlaspi caerulescens

Genoveacute banky In vitro genoveacute banky

2397 vzorků 1249 odrůd Solanum tuberosum 450 teraploidniacutech křiacuteženců S tuberosum 266 dihaploidů 119 mezidruhovyacutech hybridů rodu Solanum 313 genotypů kulturniacutech genotypů 23 planyacutech druhů

Havliacutečkův Brod

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu rostlin

1 Uchovaacutevaacuteniacute semen ndash semenneacute banky (od 1 roku - hellip)

2 Uchovaacutevaacuteniacute vegetativniacutech orgaacutenů ndash hliacutezy cibule řiacutezky

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro Kraacutetkodobeacute - aktivně rostouciacute kultury (pravidelneacute pasaacuteže) - uchovaacuteniacute kultur v minimaacutelniacutem růstu nižšiacute teploty kultivace

Dlouhodobeacute u rostlin kde nejsou semena

- za velmi niacutezkyacutech teplot (-196oC) = kryobanka

Databaacuteze ndash přiacutestupneacute z celeacuteho světa

Špicberky

genobanka - wwwvurvcz part databases EVIGEZ

vyacuteznam v mediciacuteně

Zaacuteložniacute fond semena potravinaacuteřskyacutech plodin z celeacuteho světa

stane se zaacuteložniacutem fondem pro ostatniacutech 1400

semennyacutech bank po celeacutem světě

v Iraacuteku a v Afghaacutenistaacutenu byla podobnaacute zařiacutezeniacute za

vaacutelky zcela zničena

na Filipiacutenaacutech je v roce 2006 poškodila povodeň

semennaacute banka pro světoveacute plodiny je umiacutestěna v hoře

maacute vyztuženeacute stěny betonem a železem

třiacute komory o velikosti 27 kraacutet 10 metrů

teplota minus 18 oC (konzervace po stovky až tisiacutece let) httpwwwnorambczarkivBasisartikler---OversettelserIkke-

bruktnovinkyseedvault_eng

k 1172010 zde bylo uloženo 716 523 vzorků semen patřiacuteciacutech ke 4 205 druhům

českaacute banka uloženaacute v Praze-Ruzyni zaacuteloha na Slovensku

Špicberky

Uchovaacutevaacuteniacute genofonduv ČR

genofond odrůd meruněk broskvoniacute mandloniacute reacutevy vinneacute kdouloniacute lonicer rakytniacuteků a dřiacutenů

2400 položek

25 000 položek

5400 položek 2397

položek

4700 položek

2000 položek

2300 položek

Naacuterodniacute informačniacute systeacutem genetickyacutech zdrojů EVIGEZ httpwwwgenbankvurvczgeneticresources

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro

KRYOBANKA

prašniacuteky a pyl pletiva a orgaacuteny meristeacutemy

kalus

suspennzniacute somatickaacute kultury embrya

dlouhodobeacute skladovaacuteniacute

nižšiacute naacuteroky na uchovaacuteniacute

mezinaacuterodniacute vyacuteměna

nižšiacute podiacutel lidskeacute praacutece

potřeba menšiacuteho prostoru

uchovaacuteniacute genetickeacute stability

omezeniacute staacuternutiacute

ozdravenyacute materiaacutel

prodlouženeacute použitiacute pylu

uchovaacuteniacute vzaacutecnyacutech rostlin

apikaacutelniacute vrcholy

Biotechnologickaacute laboratoř Nestleacute - uchovaacutevaacute buněčneacute embryogenniacute linie kaacutevy kakaa a banaacutenů

Německaacute sbiacuterka mikroorganismů a buněčnyacutech kultur (DSMZ Braunschweig Německo) meristeacutemy 519 staryacutech kultivarů brambor ndash metoda mrazeniacute alginaacutetovyacutech perel

International Potato Centre (CIP Lima Peru) - 345 kultivarů brambor

INIBAP Leuven Belgie - 306 kultivarů banaacutenu (14 ze světoveacuteho počtu kultivarů)

Naacuterodniacute genobanka klonů NCGR USA - ročniacute naacuteklady

udržovaacuteniacute jedneacute položky v sadu (hrušně) 77 dolarů na skladovaacuteniacute in vitro 23 dolarů na kryoprezervaci 1 dolar (při počaacutetečniacute investici na kryometodu 50 dolarů za uchovaacutevanou jednotku)

Přiacuteklady komerčniacuteho využitiacute kryoprezervace meristeacutemů

Aplikace biotechnologiiacute ve šlechtěniacute rostlin

rostliny postraacutedajiacute schopnost aktivně se přesouvat z dosahu nepřiacuteznivyacutech vlivů rostliny vyvinuly adaptačniacute mechanismy pro překonaacuteniacute stresů a tiacutem přežitiacute v extreacutemniacutech podmiacutenkaacutech

Biotechnologie v zemědělstviacute ekologickeacute zemědělstviacute

VLIV ŠKŮDCŮ CHOROB A PLEVELŮ NA ZEMĚDĚLSKEacute PLODINY

1 sniacuteženiacute velikosti a vaacutehy zrna 2 ztraacuteta ve velikosti hliacutez a kořenů 3 zvyacutešeniacute obsahu vlhkosti 4 změny v chemickeacutem složeniacute zrna hliacutez a kořenů 5 odbarveniacute zrna a hliacutez - deformace 6 tvorba mykotoxinů patogeny 7 sniacuteženiacute kliacutečivosti 8 redukce krmiva

spotřeba vody - rezistence k suchu sniacutežiacute spotřebu uchovaacuteniacute vody rostlinou aplikace hnojiv chemickaacute kontrola škůdců

- studium abiotickeacuteho stresu

- zlepšeniacute ochrany rostlin vůči škůdcům

- ochrana životniacuteho prostřediacute

- zlepšeniacute kvality potravin

odstraněniacute hladu GMO fytoremediace

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

ohroženiacute klimatickyacutem suchem v ČR ndash nejrizikovějšiacute oblasti nižšiacute polohy na jižniacute a středniacute Moravě v prostoru mezi Prahou Uacutestiacutem nad Labem a Žatcem zaacutepadně od Pardubic

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

Rezistence k suchu - využitiacute vody

Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

vyacutevoj samčiacuteho gametofytu - spojen s expresiacute genů - 150 specifickyacutech genů spraacutevneacute načasovaacuteniacute

sporofyt gametofyt

2n 1n

rostlina pylovaacute zrnazaacuterodečnyacute vak

pohlavniacute rozmnožovaacuteniacute přiacuterodniacute vyacuteběr

pylzrna - exina (ovlivněna sporofytem) ochrana před UV laacutekaacuteniacute opylovačů - barva vůně komunikace s bliznou produkce alergenů

strategie rostlin zabraacuteněniacute samoopyleniacute

Biotechnologie v zemědělstviacute samčiacute gametofyt n TETRASPORE (TES) reg gen je vyžadovaacuten ke tvorbě přepaacutežek mezi produkty meioacutezy u mutanta všechna čtyři jaacutedra mikrospoacutery zůstaacutevajiacute ve stejneacute cytoplazmě polyploidniacute jedinci n GEMINI POLLEN 1 (GEM1) reg gen je vyžadovaacuten k orientaci mitotickeacuteho vřeteacutenka mutant tvořiacute dvě symetrickaacute jaacutedra typu vegetativniacuteho vede ke sterilitě n SIDECAR POLLEN (SCP) reg gen je vyžadovaacuten k děleniacute pylu prvniacute symetrickaacute pylovaacute mitoacuteza mutanta daacutevaacute dvě stejneacute buňky jedna extra- vegetativniacute (sterilniacute sidecar) a druhaacute regvegetativniacute a generativniacute mutace nevede ke sterilitě n QUARTET (QRT) reg gen je vyžadovaacuten k separaci pylovyacutech zrn u mutantů jsou stěny meiotickyacutech produktů pyloveacute mateřskeacute buňky fuacutezovaacuteny a zrna se uvolňujiacute v tetraacutedaacutech

samičiacute makrogametofyt n FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED (FIS) a FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) reg geny hrajiacute regulačniacute role ve vyacutevinu semene po oplozeniacute u mutantů se diploidniacute jaacutedra endospermu vyviacutejejiacute bez oplozeniacute pak atrofujiacute mutace neovlivňujiacute vaječnou buňku - procesy embryogeneze a vyacutevinu endospermu jsou odlišneacute n MEDEA (MEA) reg mutace genu způsobuje hypertrofii a zaacutenik embrya neniacute jasneacute na jakeacute uacuterovni se gen projevuje zaacuterodečnyacute vak endosperm nebo maternaacutelně imprintovanyacute embryonaacutelniacute gen

Biotechnologie ve šlechtěniacute rostlin Selektivniacute šlechtěniacute rostlin - přiacuterodniacute genetickeacute diverzity rostlin Techniky překonaacuteniacute barieacuter šlechtěniacute

Barieacutery Technika překonaacuteniacute Před oplodněniacutem

selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute pestiacuteku

pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony

pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro

selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů

odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute

abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry

sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

vyacutevoj semen

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

Škůdci v historii naacutelety sarančat (Staryacute zaacutekon)

ochrana saze tabaacutek

začaacutetek 19 stol - siacutera na houboveacute patogeny 1939 objev DDT uacutečinek na hmyz teorie bdquohmyz se může staacutet rezistentniacuteldquo 1948 Nobelova cena P Muumlller

50 leacuteta 20 st - herbicidy - postřiky na plevele ( rezistence na herbicid) 1972 zaacutekaz DDT (vyacutejimka - boj s malaacuteriiacute v Africe - naacutevrat DDT)

škůdce - hmyz hliacutestice 1861 - v Americe Iowa Nebraska 1880 1 pesticid v S Americe arzeacutenem bdquoParis greenldquo

S rostouciacute intenzitou pěstovaacuteniacute roste hospodaacuteřskyacute vyacuteznam škodlivyacutech organismů objem škod se zvyšuje staacutele přibyacutevajiacute noveacute druhy škodlivyacutech organismů zavaacutedějiacute se staacutele noveacute prostředky

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin - hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy

1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho

obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

ROS Reactive oxygen species reaktivniacute formy kysliacuteku SAR Systemic acquired resistance systeacutemově ziacuteskanaacute rezistence = neinfikovaneacute buňky začiacutenajiacute s přiacutepravou na atak patogena

napadeneacute rostliny uvolňujiacute signaacutelniacute molekuly (těkaveacute laacutetky - druhově specifickeacute) a varujiacute okolniacute rostliny ještě před napadeniacutem hmyzem

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin -hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy 1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

produkujiacute u různyacutech rostlin různě - sekundaacuterniacute metabolity - odstrašeniacute nebo zničeniacute patogena - proteiny inhibujiacuteciacute aktivitu zažiacutevaciacutech enzymů hmyzu - enzymy degradujiacuteciacute buněčnou stěnu hub (chitinaacutezy) - proteiny inhibujiacuteciacute překlad proteinů u škůdce - antiviroveacute složky degradujiacuteciacute virovou RNA blokujiacute vstup do buňky zastavujiacute replikaci

geny ktereacute bdquoSARldquo zapiacutenajiacute zvyšujiacute rezistenci rostliny

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům - již v čaacutesti fytotatologie

Co je plevel soutěžiacute s plodinou o živiny světlo a prostor intenziacutevně roste podiacuteliacute se na šiacuteřeniacute chorob a škůdců

lat herba - rostlina řeč cidoacute - ničiacutem

Vznik rezistence plevelů vůči některyacutem herbicidniacutem laacutetkaacutem = reakce plevelnyacutech druhů na podmiacutenky současneacuteho pěstovaacuteniacute rostlin = dlouhodobeacute působeniacute herbicidů

Vyacutevoj plevelů na zemědělskeacute půdě v naacutevaznosti na skladbu pěstovanyacutech plodin Vznik rezistence plevelů vůči herbicidům Problematika invaziacute a expanziacute plevelů

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům

Rezistenci vůči herbicidům způsobujiacute biochemickeacute fyziologickeacute změny nebo morfologickeacute odlišnosti ktereacute ovlivňujiacute přiacutejem herbicidů rostlinou

- degradujiacute herbicid

- měniacute jeho biochemickou funkci v rostlině

- pozměňujiacute miacutesto na ktereacute herbicid v rostlině působiacute

Rezistence rostlin vůči herbicidům dědičnaacute schopnost odolaacutevat takoveacute daacutevce herbicidů při ktereacute by za normaacutelniacutech okolnostiacute byla populace potlačena

směr pro šlechtěniacute

Aplikace rostlinnyacutech biotechnologiiacute v životniacutem

prostřediacute

takto nebo takto

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Těžba a zpracovaacuteniacute surovin(těžkeacute kovy- Cd Pb prach) Průmyslovaacute vyacuteroba (barviva)

Skladovaacuteniacute (haldy kaliště sklaacutedky) Zemědělstviacute (pesticidy herbicidy)

Domaacuteciacute odpad (leacutečiva detergenty praciacute prostředky)

čin

no

st č

lově

ka

půda voda ovzdušiacute

znečištěniacute

degradace organismy produkujiacuteciacute laacutetky (enzymy) pro

ciacutelenyacute rozklad

organismy snižujiacuteciacute toxicitu toxickeacute laacutetky metylaciacute dehalogenace hydroxylace hydrolyacuteza deaminacehellip

substraacutet je zdrojem C a energie

dekontaminace

+ katastrofy Černobyl vaacutelečneacute konflikty

remediace = navraacuteceniacute k původniacutemu stavu

Biodegradace všechny přirozeneacute procesy ktereacute jsou uskutečňovaacuteny bakteriemi a jinyacutemi mikroorganizmy nebo vyššiacutemi organismy ktereacute vedou k destrukci organickyacutech molekul = organickyacute substraacutet je přeměňovaacuten až na CO2 Bioremediace (bakterie houby)

spočiacutevaacute v akceleraci přirozenyacutech biodegradačniacutech procesů nebo v ciacuteleneacute biodegradace - vede k ozdraveniacute kontaminovaneacuteho prostřediacute - detoxifikace měniacute se na netoxickeacute = neškodneacute laacutetky - aplikaciacute mikroorganismů

Fytoremediace (rostliny) niacutezkaacute cena

využitiacute rostlin k odstraněniacute toxickeacute zaacutetěže (těžkeacute kovy) řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny Zooremediace (zviacuteřata)

zpracovaacuteniacute odpadů pomociacute zviacuteřat bezobratliacute - perlorodky měkkyacuteši

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

nevyacutehody pomalaacute viacutece než 2 roky maleacute rozměry vhodnyacutech rostlin maacutelo druhů vhodnyacutech rostlin neniacute 100 probleacutem s rostlinnyacutem odpadem - potřeba zvlaacuteštniacutech sklaacutedek spadeneacute listiacute

- řiacutezeneacute spalovaacuteniacute

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacute len slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

vyacutehody mineralizace organickyacutech sloučenin niacutezkeacute naacuteklady pasiacutevniacute metoda bez transportu kontaminovaneacute půdy energie ze slunečniacuteho zaacuteřeniacute nepoškozuje okoliacute - sniacuteženiacute prašnosti

estetickyacute přiacutenos etickyacute uacutečinek (veřejnosti přijatelnyacute)

2005 cca 450 rostlinnyacutech druhů - tzv bdquohyperakumulaacutetoryldquo 100 x vyššiacute akumulace než u ostatniacutech rostlin

teorie vzniku - obrana vůči hmyzu - hmyz preferuje

niacutezkeacute koncentrace kovu

Thlaspi careulescens

X bagrovaacuteniacute kontaminovaneacute zeminy transport zeminy dekontaminace

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute přiacutejem kořeny - z půdy přiacutejem nadzemniacute čaacutestiacute rostliny - vyacutefukoveacute plyny

akumuluje

degraduje

detoxifikuje

roste na kontaminovaneacute půdě

produkuje velkeacute množstviacute biomasy

tolerantniacute k salinitě a jinyacutem toxickyacutem podmiacutenkaacutem

poskytuje ekonomickeacute hodnoty - textilniacute vlaacutekna (len konopiacute)

GMO - gen fytovolatizace - bakteriaacutelniacute geny transformovaacuteny do rostlin transgeny merA a merB fytoextrakce - gen gsh1 a gsh2 z E coli do Brassica juncea

potenciaacutel je v GMO rostlinaacutech

Laboratoř rostlinnyacutech biotechnologiiacute Společnaacute laboratoř UacuteEB AV ČR vvi A VUacuteRV vvi Akademie věd Českeacute Republiky Mendelova univerzita v Brně Uacutestav experimentaacutelniacute botaniky AV ČR Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby v Praze Metoda použita na čištěniacute uranem a radiem znečištěneacute vody v Mydlovarech - kořenovaacute čistiacuterna

ideaacutelniacute rostlina

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

proces substraacutet ciacutel rostlina

fytoextrakce fytoakumulace

odstraněniacute toxickyacutech laacutetek z půdy a vody - akumulaciacute rychle rostouciacute rostlinou (zůstaacutevaacute v rostlině)

půda sedimenty kaly odpadniacute vody

toxickeacute kovy radionuklidy

Thlaspi sp Brassica sp

fytostabilizace ciacuteleneacute pěstovaacuteniacute tolerantniacutech druhů zamezeniacute eroziacute

půda haldy odkaliště těžkeacute kovy dlouheacute a bohateacute kořeny

fytovolatizace odstraněniacute Hg pomociacute genu koacutedujiacuteciacuteho reduktaacutezu Hg2+ na Hg0

a uvolněniacute do ovzdušiacute

půdy sedimenty odkaliště průmysloveacute a zemědělskeacute odpadniacute vody

kovy - Se Hg chlorovanaacute rozpouštědla

stromy traacutevy Brassica sp

fytodegradace degradace kontaminantů rostlinou na netoxickeacute laacutetky

půdy sedimenty odkaliště odpadniacute vody

ropneacute laacutetky pesticidy detergenty

stromy traacutevy

rhizofiltrace odstraněniacute pomociacute rostlinnyacutech kořenů

povrchoveacute vody odpadniacute vody

těžkeacute kovy - Co Cu Cr Mn Ni radionuklidy

Brassica sp Helianthus vodniacute rostliny hydroponie

superrostliny

niacutezkeacute naacuteklady

kořenovaacute čistička = umělyacute mokřad oddělenyacute od okoliacute nepropustnou foacuteliiacute využiacutevaacute samočisticiacutech procesů probiacutehajiacuteciacutech v propustneacutem půdniacutem prostřediacute za spoluuacutečasti rostlin čištěniacute odpadniacutech vod z domaacutecnostiacute sklaacutedek a některyacutech průmyslovyacutech provozů

Rhizofiltrace

httpwwwnemcoviceczcontentviewfull3607

rostliny s vysokyacutemi

naacuteroky na vyacuteživu

+

bakterie

může zapaacutechat

5x - 10 x nižšiacute naacuteklady

Člověk čistiacute odpadniacute vodu za pomoci zařiacutezeniacute

ale přiacuteroda to zvlaacutedaacute bez přiacutestrojů a mnohem levněji

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute niacutezkeacute naacuteklady

rostlina chemickaacute sloučenina

pšenice 24 -D MCPA jako zdroj uhliacuteku

kukuřice atrazin degradace atrazinu mikroorganismy rhizosfeacutery

fazole diazinon parathion mineralizace v rhizosfeacuteře

luštěniny nafta

Kučerovaacute et al 1999 Chemickeacute listy

přiacutejem - velikost kořenoveacuteho systeacutemu přiacutestupnost pro rostlinu např chelaacutety

transport rostlinou - apoplast (difuacuteziacute)

symplast (specifickeacute přenašeče)

miacutesto uskladněniacute hustota rostlin v porostu

zaacutevažnějšiacute ekologickyacute a toxikologickyacute vyacuteznam přibližně 16 prvků (Fe Mo Mn Zn NiCo Cu V W Cr Hg Pb Cd Sb Ag a U)

Budoucnost fytoremediaciacute niacutezkeacute naacuteklady

Fytoremediace v praxi

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Ural 1953 odstraněniacute těžkyacutech kovů

Amana Iowa hybridniacute topoly atrazin odstraněna čaacutest až 20

Beaverton Kreton

hybridniacute topoly

organickeacute laacutetky kovy

a amonneacute sloučeniny

celkoveacute vyčistěniacute oblasti

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Fukušima 113 2011 slunečnice radioaktivniacute cesium dekontaminace půdy

Černobyl 2641986 slunečnice jabloně

cesium stroncium dekontaminace půdy povrchoveacute vody

paacutes 30 km - likvidace radioaktivniacutech rostlin

nebudou spaacuteleny rozloženy a kompostovaacuteny - speciaacutelniacute bakterie

slunečnice spotřebovaacutevajiacute z půdy drasliacutek kteryacute patřiacute mezi alkalickeacute kovy stejně jako cesium drasliacutek neniacute v půdě přiacutetomen květiny využijiacute praacutevě druhyacute prvek - Cs

Biotechnologie v ŽP niacutezkeacute naacuteklady

fytomining - fytodobyacutevaacuteniacute fytodolovaacuteniacute

ziacuteskaacutevaacuteniacute kovů z rostlin kde klasickaacute těžba je nevyacutehodnaacute rostliny - bdquotěžaři vzaacutecnyacutech kovůldquo a polokovů AuTh Co U Cd Ni Cu Mn

v rostlinaacutech hyperakumulaacutetorech je akumulace prvku sušina rostliny jako -ldquobio-rudaldquo

vyacutehody

- obsah kovu v bdquobio-ruděldquo je vyššiacute než v běžneacute rudě

- meacuteně skladovatelneacuteho miacutesta

- zelenaacute technologie jako alternativa

fytomining Ni pomociacute Alyssum bertolonii

Robinson et al 1997 The nickel hyperaccumulator plant Alyssum bertolonii as a potential agent for phytoremediation and phytomining of

nickel Journal of Geochemical Exploration59(2)75-86

zlatonosneacute rostliny

zlataacute jablka

zlateacute kapradiacute

hledaacuteniacute nalezišť

technologie budoucnosti

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute bioplasty z biomasy (škroby tuky) nahrazujiacute fosilniacute zdroje vyacutehodou je biodegradace biopaliva rostlinnyacute materiaacutel a řasy bioethanol GMO rezistentniacute rostliny vůči postřikům hmyziacutem škůdcům transfer genů pro symbiotickou fixaci dusiacuteku z luštěnin do dalšiacutech plodin přenos genů z bdquoC4ldquo do bdquoC3ldquo rostlin pro dosaženiacute uacutečinnějšiacute fotosynteacutezy (ryacuteže)

Transgenoziacute se přenaacutešiacute přirozeneacute geny vznikleacute evoluciacute z jednoho organismu do druheacuteho kteryacute se s daacutercem genu obvykle

nemůže křiacutežit pouze dokaacuteže přenosy mezi vyacutevojově ještě vzdaacutelenějšiacutemi organismy

Geny použiacutevaneacute při transgenosi jsou braacuteny z přiacuterody např gen v soacuteji tolerujiacuteciacute glyfosaacutet - je z bakterie rodu Agrobacterium

Klasičtiacute šlechtiteleacute takto pracujiacute daacutevno např smiacutechali geny pšenice a žita

GMO

Transgenoze ndash vnaacutešeniacute znaacutemyacutech jednotlivyacutech genů do dědičneacuteho

zaacutekladu (poprveacute 1978)

Pro přenos - Agrobacterium tumefaciens A rhizogenes E coli

httpblogscassuffolkeduiglesias20140424gmos

GMO bez obalu httpwwwbezpecnostpotravinczUserFilespublikaceGMO_web_1pdf

GMO - transgenniacute rostliny CARTAGENSKYacute PROTOKOL o biologickeacute bezpečnosti 29 1 2000 Montreal (OSN ndash program pro životniacute prostřediacute UNEP) platnost 11 9 2003

ČR podepsala 24 52000 (gmovschtcz) nyniacute 160 staacutetů

opatřeniacute ve staacutetech ktereacute se připojiacute k projektu (dovoz vyacutevoz transport)

vzdělaacuteniacute odborniacuteků a informovaacuteniacute veřejnosti

vytvořeniacute noveacute legislativy GMO (wwwenvcz )

spolupraacutece při vyacuteměně zkušenostiacute

Svět 2010 - viacutece než 150 mil ha viacutece než 20 zemiacute

pro vegetačniacute čaacutesti

nebo plody

CIacuteL PROTOKOLU - zajistit ochranu a bezpečnost při zachaacutezeniacute využiacutevaacuteniacute a přenosu živyacutech modifikovanyacutech organismů ktereacute jsou vyacutesledkem moderniacutech biotechnologiiacute a ktereacute mohou miacutet nepřiacuteznivyacute vliv na zachovaacutevaacuteniacute biologickeacute rozmanitosti a zdraviacute člověka Protokol je zaměřen předevšiacutem na převoz GMO přes hranice staacutetů a maacute ochraňovat zejmeacutena staacutety kteryacutem dosud chybiacute vlastniacute vnitrostaacutetniacute praacutevniacute předpisy v oblasti GMO

GMO - transgenniacute rostliny historie

EVROPA

SRN - Max-Planck-Institut

Belgie - Universita Ghent

Švyacutecarsko- ETH Zurych

ČR - Biofyzikaacutelniacute uacutestav Brno (Agrobacterium jako vhodnyacute přenašeč genů)

ČR - UacuteEB ČSAV Českeacute Budějovice (metody modifikaciacute)

2010 1 transgenniacute hraacutech v Evropě (ČR Agritec Šumperk)

transgenniacute len - oleje

FYTOPATOLOGIE IN VITRO

Fytopatologie in vitro

in vitro selekce = kultivace buněk se selekčniacutem činitelem (fitraacutet inokulum toxin)

ndash přežiacutevajiacuteciacute buňky jsou regenerovaacuteny do rostlin resistentniacuteho fenotypu

Studium interakce rostlina x patogen v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

Druh Patogen Typ biologickeacuteho testu Ciacutel

Coffea arabica Colletotrichum kahawae růst houby na kalusech vyacuteběr rezistentniacutech genotypů

Vitis vinifera Elsinoe ampelina růst kalusu na meacutediu s patogenem testy rezistence

Lycopersicon aes Alternaria alternata testy na izollistech in vitro hodnoceniacute toxicity

Pinus taeda Cronartium quercuum embryokultury s houbami vyacuteběr rezistentniacutech embryiacute

Triticum aestivum Microdochium nivale listy semenaacutečky in vitro vyacuteběr rezistentniacutech kultivarů

ozdravovaacuteniacute rostlin

klonoveacute množeniacute rezistentniacutech taxonů

Page 25: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,

Rostlinneacute biotechnologie prvniacute generace - od explantaacutetovyacutech kultur po GMO

- explantaacutetoveacute ozdravovaacuteniacute rostlin - explantaacutetoveacute množeniacute - explantaacutetoveacute šlechtěniacute

Explantaacutet = aseptickaacute kultivace izolovanyacutech čaacutestiacute rostlin za umělyacutech podmiacutenek

EXPLANTAacuteTOVEacute KULTURY - VELKEacute NADĚJE A OČEKAacuteVAacuteNIacute

in vitro regenerace je genetickaacute vlastnost

x rekalcitrance

EK - historie

Metody EK využitelneacute v zemědělstviacute Meristeacutemoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Somatickaacute embryogeneze

Embryokultury

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze + buněčneacute inženyacuterstviacute

Genetickeacute manipulace

VITRIFIKACE (hyperhydricita) ndash vyjadřuje abnormality růstu in vitro skelnatyacute syndrom vyacutehonů křehkeacute mokryacute vzhled pryacutetů (vodou nasycenyacutech) průsvitnyacute sukulentniacute vzhled

metody zachovaacutevajiacuteciacute genotyp beze změn během kultivace metody zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu během kultivace

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK 1 rychleacute namnoženiacute

2 ozdravovaacuteniacute

3 překonaacuteniacute nekřiacutežitelnosti - embryokultury

4 dlouhodobeacute udržovaacuteniacute genetickyacutech zdrojů

5 indukce mutantů - ziacuteskaacuteniacute novyacutech genotypů

6 předselekce - urychleniacute šlechtitelskeacuteho cyklu

7 ziacuteskaacuteniacute novyacutech a udrženiacute genotypů s pylovou sterilitou

8 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho procesu

9 produkce haploidů

10 produkce polyploidů

11 rychlejšiacute ziacuteskaacuteniacute vyacutechoziacuteho šlechtitelskeacuteho materiaacutelu pro noveacute odrůdy

12 somatickaacute hybridizace - fuacuteze

13 konstrukce novyacutech genotypů kulturniacutech plodin přenos bdquoužitečnyacutech genůldquo

14 udržovaacuteniacute genofondu

15 selekce in vitro - rezistence k abiotickyacutem a biotickyacutem stresům

16 produkce sekundaacuterniacutech metabolitů

Plodina Technika

ječmen pšenice kukuřice

řepka paprika brukvovitaacute

zelenina mrkev

androgeneze

cibule gynogeneze

jahodniacutek česnek ozdravovaacuteniacute

brambor traacutevy polyploidizace in vitro

jeteloviny drobneacute ovoce

ovocneacute dřeviny podnože traacutevy mikropropagace

brambor řepka somatickaacute hybridizace

hraacutech brambor rezistence k chorobaacutem

traacutevy embryokultury

Kombinace metod embryokultury oplozeniacute in vitro fuacuteze protoplastů

plodiny se geneticky upravujiacute pro většiacute rezistenci k herbicidům - ničeniacute plevele bez poškozeniacute uacuterody GM rajčata potlačujiacute gen pro polygalakturonaacutezu enzym degradujiacuteciacute pektin způsobujiacuteciacute měknutiacute pletiv (Deacon a kol 2002)

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK

Meristeacutemoveacute kultury

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny meristeacutemoveacute kultury

Vyacutehody maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky naacuteslednaacute mikropropagace ozdraveneacuteho materiaacutelu bdquovirus - freeldquo

Vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana Iniciace kultury Testovaacuteniacute in vitro Přenos do nesterilniacutech podmiacutenek Testovaacuteniacute

MERISTEacuteM ndash děliveacute nediferencovaneacute pletivo ozdravovaacuteniacute rostlin (02 - 05 mm) meristeacutemy

OZDRAVOVAacuteNIacute Termoterapie (vyššiacute teplota)

Meristeacutemovaacute kultura Chemoterapie (antivirotika)

viry - nebuněčneacute mikroorganismy virovaacute čaacutestice = virion sklaacutedaacute se z RNA nebo DNA a kapsidu

fytopatologie in vitro

ribavirin

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny

Vyacuteznamneacute viroveacute choroby rostlin v ČR od 30 ztraacutet CaMV - 1968 PVY 30 -70 VMCH (virus mozaiky chmele) až o 70 mozaika česneku 25 - 50 žloutenka cibule až 100 bronzovitost rajčat

- žloutnutiacute listů kroužky a čaacutery na listech nevyvinuteacute rostliny abnormaacutelniacute růst - vstupujiacute různyacutemi poraněniacutemi - šiacuteřiacute se plasmodesmaty - velmi odolneacute proti inaktivaci - přenaacutešeny semeny hliacutezami pylem roubovaacuteniacutem hmyzem houbami červy

1952 Morel a Martin u jiřin

Využitiacute metody jahodniacutek česnek zeleniny květiny okrasneacute dřeviny ovocneacute dřeviny banaacutenovniacutek hellip

Tvorba bezviroacutezniacutech rostlin

1 meristeacutem = 1 rostlina testovaacuteniacute

wwwoselczindexphpclanek=2819

viroacutezniacute x zdravaacute

M Navraacutetil KBBPřFUPOL

PVY

In vitro klonovaacuteniacute mikropropagace meristeacutemoveacute kultury

zisk geneticky identickeacute rostliny vegetativniacutem množeniacutem

VYacuteHODY

maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny ktereacute jsou geneticky stabilniacute

v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky

vyššiacute množitelskyacute koeficient - potenciaacutelniacute hodnota zisku rostlin

Postup - vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana - iniciace kultury - mikropropagace - přenos do nesterilniacutech podmiacutenek

KLON - kolekce geneticky identickyacutech individuiacute původem z jedineacuteho rodiče

komerčně od 1960

httpwwwjanholubcz

In vitro meristeacutemoveacute kultury - využitiacute - zaacutechrana a množeniacute ohroženyacutech druhů kaktusy

- zaacutechranneacute množeniacute cennyacutech genotypů a liniiacute sterilniacutech rostlin - udrženiacute rodičovskyacutech komponent pro tvorbu hybridniacutech odrůd

- množeniacute transgenniacutech rostlin

- zachyceniacute a klonovaacuteniacute nově nalezenyacutech mutantů při šlechtěniacute

- klonovaacuteniacute nejlepšiacutech jedinců pro produkci elitniacuteho osiva

- vegetativniacute množeniacute okrasnyacutech rostlin karafiaacutet gerbera anthurie orchideje

sanpaulie kapradiny hellip

- množeniacute drobneacuteho ovoce jahodniacutek maliniacutek reacuteva

- množeniacute dřevin podnože pro školkařstviacute lesniacute dřeviny tropickeacute dřeviny

- v zelinaacuteřstviacute množeniacute brambor zeliacute

- množeniacute pouze samičiacutech rostlin datlovaacute palma

- kryoprezervace (-196 oC) jahodniacutek maliniacutek hraacutech brambor karafiaacutet

Genoveacute

banky

Mikropropagace multiplikace klonovaacuteniacute nejen z meristeacutemů

Solanum tuberosum Cucumis sativus Olea europea Eucalyptus grandis Salix sp Syringa sp Juglans regia

Schopnost regenerace tvorba identickyacutech rostlin = přiacutemaacute somatickaacute embryogeneze

Meristeacutemy Pryacutetoveacute segmenty Kalusy Embrya

Zdroje odchylek bull vysokeacute daacutevky růstovyacutech regulaacutetorů typ regulaacutetoru bull rostliny regenerujiacute z basaacutelniacuteho kalusu (možnost gen změn)

Kalusoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Primaacuterniacute explantaacutet kalus meristemoid orgaacutenoveacute primordium

Kalus = masa děliacuteciacutech se a rostouciacutech buněk

nejsou uniformniacute mohou se lišit velikostiacute tvarem pigmentaciacute metabolismem nebo počtem chromosomů

bull za určityacutech podmiacutenek regenerace pryacutetů a kořiacutenků

tma x světlo

subkultivace

metoda geneticky nestabilniacute

Kalusoveacute kultury - somaklonaacutelniacute variabilita ndash MUTACE a zisk novyacutech znaků

- mikropropagace ndash cibule žen-šen hellip

- vyacutechoziacute materiaacutel pro suspenzniacute a protoplastovou kulturu

- materiaacutel pro indukovaneacute mutace (zaacuteřeniacute chemomutageny)

- sekundaacuterniacute metabolity (alkaloidy AMK saponiny oleje složky vůniacute protinaacutedoroveacute laacutetky steroidy )

polyploidie aneuploidie

Selekce mutantů se zlepšenou nutričniacute hodnotou (viacutece biacutelkovin v zrnu)

Rezistence vůči zasoleniacute (vysokyacute turgor v buňkaacutech akumulace NaCl ve vakuolaacutech)

Rezistence vůči chorobaacutem (synteacuteza fytotoxinů fytoalexinů)

Sekundaacuterniacute metabolity (= chemickeacute individuality v rostlinaacutech ndash barviva vůně chuti obrana)

Artemisia annua - artemisin (antimalarika) Capsicum sp - capsaicin (protinaacutedoroveacute)

Digitalis lanata - digoxin (srdečniacute stimulanty) Papaver somniferum - codein (sedativa)

Taxus breviola - taxol (protinaacutedoroveacute) Vanilla planifolia - vaniliacuten (aroma)

Panax ginseng - (imunitniacute systeacutem) Zingiber officinale ndash gingerol (antioxidant)

Somatickaacute embryogeneze a suspenzniacute kultury

Využitiacute

umělaacute semena (enkapsulace somatickyacutech embryiacute)

využitiacute somatickeacute variability

klonoveacute množeniacute

sekundaacuterniacute metabolismus (suspenze)

kryoprezervace

Buněčnaacute suspenze = převedeme kalus do tekuteacuteho meacutedia

a provzdušňujeme (kontakt buněk a shluků buněk s meacutediem)

vznikaacute bipolaacuterniacute struktura obsahujiacuteciacute kořen a pryacutet

auxin (24-D)

umělaacute semena

Mutace RADIOMUTANT PROSPĚCH NEBO ZAacuteLUDNOST

SPONTAacuteNNIacute MUTACE využiacutevaacute člověk při šlechtěniacute odrůd spur typy (kompakt typy) jabloniacute absence trnů u ostružiniacuteku variabilita květenstviacute jiřinky proměnliveacute vznik plemen domaacuteciacutech zviacuteřat je založen na podchyceniacute spontaacutenniacutech mutaciacute ndash plemena psů

INDUKOVANEacute MUTACE působeniacute mutagenů

zaacuteměrneacute ndash ve vyacutezkumu ve šlechtěniacute rostlin (př odrůdy ječmene DIAMANT (zkraacuteceniacute steacutebel ndash nepoleacutehaacute) kompaktniacute růst a samosprašnost třešně změna barvy slupky u jabloně ndash sbquoredlsquo mutace)

nezaacuteměrneacute ndash důsledek použitiacute jadernyacutech a chemickyacutech zbraniacute ndash Yperit jaderneacute a jineacute katastrofy

1950 radiomutace chemomutace 1965 ječmen Diamant

Suspenzniacute kultury - SK KULTURA V TEKUTEacuteM MEacuteDIU ROSTE A DĚLIacute SE NĚKOLIKANAacuteSOBNĚ RYCHLEJI NEŽ KULTURA

NA PEVNEacuteM MEacuteDIU Využitiacute jako experimentaacutelniacute model produkce sekundaacuterniacutech metabolitů indukce somaklonaacutelniacute variability a naacutesledneacute selekce mikropropagace (pod kontrolou genetickeacute stability) pohyb kultury v bioreaktoru maacute za naacutesledek potlačeniacute apikaacutelniacute dominance tiacutem se stimuluje růst mnohonaacutesobnyacutech pryacutetů

Bioreaktory firmy VitroSys Inc Korea

ideaacutelniacute SK ndash rychlyacute růst karyologickaacute stabilita životnost buněk rentabilita

Minimaacutelně 103 ml buněk 110 suspenze v exponenciaacutelniacute faacutezi se doplniacute čerstvyacutem meacutediem Koncentrace sacharidů prodlužuje periodu růstu

Velkokapacitniacute kultivace rostlinnyacutech buněk v tekutyacutech meacutediiacutech sterilniacute prostřediacute obsahujiacuteciacute živiny a laacutetky potřebneacute pro růst a jeho regulaci vhodneacute pro kultivaci rostlinnyacutech mikrobiaacutelniacutech a živočišnyacutech buněk

Bioreaktor

Bioreaktory s tekutyacutem meacutediem explantaacutety jsou ponořeny v tekuteacutem meacutediu Bioreaktory s pravidelnyacutem zaplavovaacuteniacutem (temporary immersion bioreactor TIB) explantaacutety jsou pravidelně zaplavovaacuteny

Bioreaktor

httpwwwuebcasczcscontentzensenove-spagety

pěstujiacute se jen kořeny - zisk GINSENOSIDŮ za 3 měsiacutece v laboratoři stejnyacute zisk jako z rostlin ženšenu v přiacuterodě za 8 let obsah GINSENOSIDŮ je srovnatelnyacute s planě rostouciacutemi rostlinami množstviacutem i vzaacutejemnyacutem poměrem jednotlivyacutech laacutetek

v Koreji od r 2004

hairy-root systeacutem a sekundaacuterniacute metabolity

Sekundaacuterniacute metabolity - SM ROSTLINA BUNĚČNAacute KULTURA

EXTRAKT prověřovaacuteniacute oddělovaacuteniacute čištěniacute aktivniacute složky testovaacuteniacuteprověřovaacuteniacute

ČISTAacute BIOAKTIVNIacute LAacuteTKA

SM z buněčneacute kultury - extrakty ziacuteskaneacute za reprodukovatelnyacutech podmiacutenek spolehliveacute zdroje meacutedium - množstviacute čisteacuteho produktu

buňky rostou v tekuteacutem meacutediu -ne celaacute rostlina

produkt rostlina in vitro ()

rostlina ()

poměr

ginsenoside Panax ginseng 27 45 6 x

rosmarinic acid Coleus blumei 27 3 9 x

caffeic acid Vanilla planifolia 002 0005 4 x

shikonin Lithospermum erythrorhizon

20 15 135 x

ubiquinon-10 Nicotiana tabacum 0036 0003 12 x Heldman et al 2011

anti

oxy

dan

ty v sušině

bioreaktory

Sekundaacuterniacute metabolity - SM Rostlina Uacutečinnaacute laacutetka Uacutečinek

Artemisia annua pelyněk ročniacute artemisinin antimalarikum

Digitalis lanata naacuteprstniacutek vlnatyacute digoxin srdečniacute stimulants

Dubosia myoporoides lilkoviteacute atropin

scopolamin

očniacute přiacutepravky mořskaacute nemoc

Lithospermum

erythrorhizon

kamejka

rudokořennaacute

shikonin protinaacutedoroveacute

Panax ginseng ženšen pravyacute stimulant imunitniacuteho systeacutemu

Salix alba vrba biacutelaacute salicin antirevmatikum proti horečce

Taxus brevifolia tis

zaacutepadoamerickyacute

baccatin taxol protinaacutedoroveacute

Vinca rosea barviacutenek růžovyacute vinblastin

vinkristin

protinaacutedoroveacute alkaloidy

leukeacutemie

buněčnaacute kultura

Rostlina Extrakt Uacutečinek

Linum usitatissimum len setyacute olej

Mentha piperita maacuteta peprnaacute maacutetovyacute olej -

mentol

žaludečniacute potiacuteže

Mentha spicata maacuteta klasnataacute mentol žaludečniacute potiacuteže

Zingiber officinale zaacutezvor leacutekařskyacute gingerol antioxidant

informace z tradičniacute lidoveacute mediciacuteny - použitiacute extraktů a purifikace zdroje z nedotčeneacuteho ekosysteacutemu

kalusovaacute kultura buněčnaacute suspenze orgaacutenovaacute kultura - Artemisia Mentha - pryacutety

rostliny jsou vyacuterobci sekundaacuterniacutech metabolitů

cytostatikum

Sekundaacuterniacute metabolity - SM

Heldman et al 2011

VYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY

nezaacutevisleacute na geografickyacutech podmiacutenkaacutech

nezaacutevisleacute na sezoacutenniacutech podmiacutenkaacutech

v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

v přiacuterodě kontrolovaacuteno množstviacute in vitro ne

nepřetržitaacute dodaacutevka produktu

uniformniacute kvalita produktu

uniformniacute vyacutetěžnost produktu (průběžně)

vyacuteběr vhodneacute linie s vyššiacute produkciacute produktu

možnost tvorby novyacutech laacutetek nenormaacutelniacutech u donora

NEVYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY staacutele se vyviacutejejiacuteciacute

překaacutežky - pomalyacute růst

genetickaacute nestabilita

různorodost

niacutezkyacute obsah metabolitu

produkty vylučovaacuteniacute provozniacute - světelneacute podmiacutenky aseptickeacute podmiacutenky

STRATEGIE TVORBY SM vyacuteběr donorovyacutech rostlin - biochemickeacute testy

iniciace kalusů

vyacuteběr buněčneacute linie - rychle rostouciacute vysokaacute produkce

ciacutelenyacute metabolismus - kultivačniacute meacutedium (složeniacute koncentrace proporcionalita)

kultivačniacute podmiacutenky (teplota světlo pH) zvlaacuteštniacute požadavky (prekurzor simulace stresu - napadeniacute patogenem)

uvolněniacute do meacutedia

Embryokultury

Embryokultury = kultivace zralyacutech nebo nezralyacutech embryiacute in vitro

1904 Hannig - embrya u ředkve

1925 Laibach - aplikace v mezidruhoveacutem křiacuteženiacute r Linum sp

1945 Randolph - zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu u r Iris sp

1970 Kasha Kao - ziacuteskaacuteniacute haplodů u ječmene

Hordeum vulgare (zůstaacutevaacute) x Hordeum bulbosum (eliminace chromozoacutemů)

Zygotickaacute embrya vyacuteživa z endospermu (heterotrofniacute)

Embrya in vitro vyacuteživa z kultivačniacuteho meacutedia

In vitro oplodněniacute u člověka - 1978 pro neplodneacute paacutery

geneticky stabilniacute metoda

Embryokultury- in vitro

I Kultura semennyacutech embryiacute tj izolace plně vyvinutyacutech

bipolaacuterniacutech struktur obsahujiacuteciacutech kořenovyacute a stonkovyacute systeacutem

II Kultura proembryiacute tj izolace nezralyacutech zaacuterodků předchaacutezejiacuteciacutech

diferenciaci děloh

Embryogeneze zygotickeacuteho embrya (in vivo)

zygota (přiacuteprava na 1 děleniacute)

faacuteze pomaleacuteho vyacutevinu embrya po oplozeniacute

faacuteze rychleacuteho vyacutevinu růstu a diferenciace embrya

faacuteze dozraacutevaacuteniacute embrya

faacuteze přechodu embrya do dormance (ABA)

Embryokultury

1 překonaacuteniacute barieacuter vzdaacuteleneacuteho křiacuteženiacute (abortace hybridniacutech embryiacute sterility semen)

2 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu (viacutece generaciacute za rok)

3 řešeniacute jarovizačniacuteho staacutedia

4 primaacuterniacute explantaacutet pro dalšiacute kultury

5 eliminace inhibice kliacutečeniacute

6 studium mineraacutelniacute vyacuteživy

7 umělaacute semena

8 studium metabolickyacutech vztahů mezi embryem a endospermem embryem a dělohami

9 ziacuteskaacuteniacute haploidniacutech rostlin

Opylovaacuteniacute in vitro

Opylovaacuteniacute in situ

in vitro

Inkompatibilita rostlin

zaručuje stabilitu druhu

Barieacutery procesu opyleniacute a oplozeniacute

vnějšiacute (teplota vlhkost nedostatečnaacute vyacuteživa )

vnitřniacute (inkompatibilita samčiacute nebo samičiacute sterilita)

využitiacute v raacutemci šlechtěniacute rostlin k překonaacuteniacute prezygotickyacutech barieacuter vznik mezidruhovyacutech mezirodovyacutech hybridů

Barieacutery Technika překonaacuteniacute

Před oplodněniacutem selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute blizny pestiacuteku pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

rezistence vůči abiotickeacutemu stresu rezistence vůči škůdcům vyššiacute vyacutenos

přenos z jineacuteho druhu

EK využitiacute ve šlechtěniacute

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury HAPLOID rostlina s n počtem chromozomů menšiacute sterilniacute

1963 T Yamada a kol Tradescantia reflexa (haploidy)

1964 - 1966 S Guha SC Maheswari Datura diploidizace kolchicinem

1969 JP Nitsch a kol celeacute rostliny (tabaacutek)

1973 JP Nitsch Norrel mikrosporoveacute kultury

2000 šlechtitelskeacute programy polniacutech plodin (obiloviny řepka)

využiacutevajiacute haploidniacute kultury in vitro

Androgeneze prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Androgeneze - kultivace prašniacuteků pyl zrn mikrospor = samčiacute genotyp

Gynogeneze - kultivace neoplodněnyacutech vajiacuteček = samičiacute genotyp

Haploidie - spontaacutenniacute = haploidniacute partenogeneze (gynogeneze androgeneze) frekvence 10-6

- experimentaacutelniacute indukovanaacute

fyzikaacutelniacute faktory = UV γ-zaacuteřeniacute X-paprsky teplotniacute šoky

zaacutesahy do procesů opyleniacute a oplozeniacute (inaktivniacute pyl)

explantaacutetoveacute metody = prašniacutekoveacute a pyloveacute kultury kultivace semeniacuteků a vajiacuteček

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury Ontogeneze pylu

In vivo mikrosporogeneze

pylovaacute mateřskaacute buňka

meiosa

pyloveacute tetraacutedy

vyacutevoj mikrospory (1 pyl mitoacuteza)

In vitro vyacutevoj embryoidu

(vegetativniacute generativniacute buňka)

- přiacutemaacute embryogeneze

- nepřiacutemaacute embryogeneze

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

využitiacute haploidů (majiacute jen jednu sadu chromosomů)

segregace vloh na gametickeacute uacuterovni ndash homozygoacutetniacute stav (čisteacute linie v F2 generaci)

detekce recesivniacutech mutaciacute (fenotypickyacute projev)

trpasličiacute varieta ndash u okrasnyacutech rostlin

Dihaploidizace

n rostliny - sterilniacute

104 ndash 105 mikrospoacuterml meacutedia

Brassica sp

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Prašniacutekoveacute kultury

viacutece než 200 druhů (řepka ryacuteže kukuřice obiloviny)

20-60 dnů

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

vyacutevoj globulaacuterniacuteho embrya a naacutesledně haploidniacute rostliny přiacutemo z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory

z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory vznikaacute kalus rarr indukce organogeneze

TYPY ANDROGENEZE

vzaacutecně

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Solanaceae

Brassicaceae

Poaceae

prašniacuteky

Androgeneze

Indukovanaacute androgeneze ndash přiacuteklady

Beta vulgaris - homozygotniacute linie

Brassica napus - novaacute odrůda linie

Hordeum vulgare

Lycopersicon - novaacute odrůda

Nicotiana - noveacute odrůdy

Oryza - noveacute odrůdy

Pelargonium - trpasličiacute variety

Triticum ndash cv Florin Huapei

Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby Praha Vyacutezkumnyacute uacutestav obilnaacuteřskyacute Kroměřiacutež Vyacutezkumnyacute uacutestav olejnin Oseva

Gynogeneze kultury izolovanyacutech vajiacuteček

kultury izolovanyacutech semeniacuteků

kultury izolovanyacutech květenstviacute in vitro

haploidniacute rostliny

spontaacutenniacute dihaploidniacute rostliny

ječmen kukuřice moruše

slunečnice cibule

kultivace vajiacuteček Beta vulgaris Tomaszewska-Sowa 2010

327 haploids 458 diploids and 215 ndash mixoploids

x opyleniacute ozaacuteřenyacutem pylem

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

Polyploidizace in vitro

duplikace celeacuteho genomu až 70 všech krytosemennyacutech rostlin je polyploidniacutech (Masterson 1994) POLYPLOID metabolicky aktivnějšiacute a rozměrnějšiacute plodiny ktereacute jsou vhodneacute pro pěstovaacuteniacute a leacutepe se vyrovnaacutevajiacute se stresovyacutemi podmiacutenkami

kolchicin

oryzalin

trifluralin

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze protoplastů

1892 Klecker - 1 mechanickaacute izolace protoplastů Stratiotes aloides (řezan pilolistyacute) 1960 EC Cocking 1 enzymatickaacute izolace protoplastů Nicotiana sp 1978 G Melchers a kol 1 mezirodovyacute hybrid bdquopomatoldquo bdquotopatoldquo Solanum tuberosum x S lycopersicum (Lycopersicum esculentum)

httptheplanetfixerorg387new-vegetable-created-the-tomato-potato-plant

Protoplastoveacute kultury

= kultivace rostlinnyacutech buněk zbavenyacutech buněčneacute stěny

Protoplast = rostlinnaacute buňka bez buněčneacute stěny jejiacute povrch tvořiacute cytoplazmatickaacute membraacutena maacute kulovityacute tvar

Protoplastoveacute kultury - regenerace

Faktory ovlivňujiacuteciacute kultivaci a regeneraci

Hustota ( počet protoplastů v 1 ml)

Životnost ()

Podmiacutenky kultivace a meacutedium

bull Studium synteacutezy buněčneacute stěny vyacutevoj buňky fyziologie buňky a cytogenetiku

bull Studium hodnoceniacute uacutečinků farmak potravinovyacutech doplňků agrochemickyacutech laacutetek na rostlinnou

buňku

bull Studium transportu iontů a laacutetek přes cytoplasmatickou membraacutenu

bull Somatickaacute hybridizace (fuacuteze protoplastů)

bull Inkorporace exogenniacuteho genetickeacuteho materiaacutelu ndash organel cybridizace

bull Genoveacute transformace (cizorodaacute DNA z bakteriaacutelniacuteho plasmidu)

Protoplastoveacute kultury - fuacuteze

Využitiacute

kombinace znaků odlišnyacutech druhů a rodů ktereacute by nevznikly přirozenou cestou

jedinečneacute kombinace jadernyacutech a organelovyacutech genomů vytvaacuteřiacute noveacute genetickeacute zdroje

často jen - čaacutest chromozomů asymetrickeacute jaderneacute hybridy

chloroplasty

mitochondrie

chemickeacute fuacuteze - pomalejšiacute elektrofuacuteze - fuacutezanti po 10 min vyššiacute frekvence fuacutezantů

cytoplazmickeacute hybridy - cybridy

Charakterizace hybridů - morfologicky cytologicky molekulaacuterniacute analyacutezy

Přirozenaacute mezidruhovaacute hybridizace - vznik některyacutech kulturniacutech plodin

B oleracea + B campestris = Brassica napus Nicotiana sylvestris + N tomentosa = Nicotiana tabacum

cybridy nelze ziacuteskat klasickou hybridizaciacute (křiacuteženiacutem) ndash samčiacute pohlavniacute buňky (pyl zrna) nemajiacute plastidy a mitochondrie

V přiacuterodě blesky do půdy modifikace bakteriiacute

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

Přenos jaderneacute a cytoplazmatickeacute genetickeacute informace mezi rostlinnyacutemi druhy rody

- překonaacuteniacute sexuaacutelniacute inkompatibility

- přenos genů rezistence vůči virovyacutem houbovyacutem chorobaacutem

- přenos cytoplazmatickeacute samčiacute sterility

- přenos rezistence vůči stresům (teplotniacutem zasoleniacute)

- přenos rezistence vůči hmyziacutem škůdcům

(synteacuteza fytoalexinů)

- přenos genů pro synteacutezu zaacutesobniacutech proteinů vitamiacutenů

alkaloidů

plnokvětost

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

využitiacute pro fytoremediace

Brassica juncea Tlaspi caerulescens brukev siacutetinovitaacute peniacutezek modravyacute akumulace Pb akumulace Zn a Ni hybrid se zvyacutešenou rezistenciacute k Pb Zn a Ni rychlyacute naacuterůst

biomasy

Brassica napus Thlaspi caerulescens hybridi rostly na vysokeacutem obsahu Zn

Fuacuteze protoplastů rodu Brassica s planyacutemi druhy

Armoracia rusticana

Barbarea vulgaris

Camelina sativa

Capsella bursa pastoris

Diplotaxis catholica

Diplotaxis muralis

Diplotaxis harra

Eruca sativa

Lesquerella fendleri

Mathiola incana

Moricandia arvensis C4

Moricandia nitens C4

Raphanus sativus

Sinapis alba

Sinapis arvensis

Thlaspi perfoliatum

Thlaspi caerulescens

Genoveacute banky In vitro genoveacute banky

2397 vzorků 1249 odrůd Solanum tuberosum 450 teraploidniacutech křiacuteženců S tuberosum 266 dihaploidů 119 mezidruhovyacutech hybridů rodu Solanum 313 genotypů kulturniacutech genotypů 23 planyacutech druhů

Havliacutečkův Brod

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu rostlin

1 Uchovaacutevaacuteniacute semen ndash semenneacute banky (od 1 roku - hellip)

2 Uchovaacutevaacuteniacute vegetativniacutech orgaacutenů ndash hliacutezy cibule řiacutezky

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro Kraacutetkodobeacute - aktivně rostouciacute kultury (pravidelneacute pasaacuteže) - uchovaacuteniacute kultur v minimaacutelniacutem růstu nižšiacute teploty kultivace

Dlouhodobeacute u rostlin kde nejsou semena

- za velmi niacutezkyacutech teplot (-196oC) = kryobanka

Databaacuteze ndash přiacutestupneacute z celeacuteho světa

Špicberky

genobanka - wwwvurvcz part databases EVIGEZ

vyacuteznam v mediciacuteně

Zaacuteložniacute fond semena potravinaacuteřskyacutech plodin z celeacuteho světa

stane se zaacuteložniacutem fondem pro ostatniacutech 1400

semennyacutech bank po celeacutem světě

v Iraacuteku a v Afghaacutenistaacutenu byla podobnaacute zařiacutezeniacute za

vaacutelky zcela zničena

na Filipiacutenaacutech je v roce 2006 poškodila povodeň

semennaacute banka pro světoveacute plodiny je umiacutestěna v hoře

maacute vyztuženeacute stěny betonem a železem

třiacute komory o velikosti 27 kraacutet 10 metrů

teplota minus 18 oC (konzervace po stovky až tisiacutece let) httpwwwnorambczarkivBasisartikler---OversettelserIkke-

bruktnovinkyseedvault_eng

k 1172010 zde bylo uloženo 716 523 vzorků semen patřiacuteciacutech ke 4 205 druhům

českaacute banka uloženaacute v Praze-Ruzyni zaacuteloha na Slovensku

Špicberky

Uchovaacutevaacuteniacute genofonduv ČR

genofond odrůd meruněk broskvoniacute mandloniacute reacutevy vinneacute kdouloniacute lonicer rakytniacuteků a dřiacutenů

2400 položek

25 000 položek

5400 položek 2397

položek

4700 položek

2000 položek

2300 položek

Naacuterodniacute informačniacute systeacutem genetickyacutech zdrojů EVIGEZ httpwwwgenbankvurvczgeneticresources

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro

KRYOBANKA

prašniacuteky a pyl pletiva a orgaacuteny meristeacutemy

kalus

suspennzniacute somatickaacute kultury embrya

dlouhodobeacute skladovaacuteniacute

nižšiacute naacuteroky na uchovaacuteniacute

mezinaacuterodniacute vyacuteměna

nižšiacute podiacutel lidskeacute praacutece

potřeba menšiacuteho prostoru

uchovaacuteniacute genetickeacute stability

omezeniacute staacuternutiacute

ozdravenyacute materiaacutel

prodlouženeacute použitiacute pylu

uchovaacuteniacute vzaacutecnyacutech rostlin

apikaacutelniacute vrcholy

Biotechnologickaacute laboratoř Nestleacute - uchovaacutevaacute buněčneacute embryogenniacute linie kaacutevy kakaa a banaacutenů

Německaacute sbiacuterka mikroorganismů a buněčnyacutech kultur (DSMZ Braunschweig Německo) meristeacutemy 519 staryacutech kultivarů brambor ndash metoda mrazeniacute alginaacutetovyacutech perel

International Potato Centre (CIP Lima Peru) - 345 kultivarů brambor

INIBAP Leuven Belgie - 306 kultivarů banaacutenu (14 ze světoveacuteho počtu kultivarů)

Naacuterodniacute genobanka klonů NCGR USA - ročniacute naacuteklady

udržovaacuteniacute jedneacute položky v sadu (hrušně) 77 dolarů na skladovaacuteniacute in vitro 23 dolarů na kryoprezervaci 1 dolar (při počaacutetečniacute investici na kryometodu 50 dolarů za uchovaacutevanou jednotku)

Přiacuteklady komerčniacuteho využitiacute kryoprezervace meristeacutemů

Aplikace biotechnologiiacute ve šlechtěniacute rostlin

rostliny postraacutedajiacute schopnost aktivně se přesouvat z dosahu nepřiacuteznivyacutech vlivů rostliny vyvinuly adaptačniacute mechanismy pro překonaacuteniacute stresů a tiacutem přežitiacute v extreacutemniacutech podmiacutenkaacutech

Biotechnologie v zemědělstviacute ekologickeacute zemědělstviacute

VLIV ŠKŮDCŮ CHOROB A PLEVELŮ NA ZEMĚDĚLSKEacute PLODINY

1 sniacuteženiacute velikosti a vaacutehy zrna 2 ztraacuteta ve velikosti hliacutez a kořenů 3 zvyacutešeniacute obsahu vlhkosti 4 změny v chemickeacutem složeniacute zrna hliacutez a kořenů 5 odbarveniacute zrna a hliacutez - deformace 6 tvorba mykotoxinů patogeny 7 sniacuteženiacute kliacutečivosti 8 redukce krmiva

spotřeba vody - rezistence k suchu sniacutežiacute spotřebu uchovaacuteniacute vody rostlinou aplikace hnojiv chemickaacute kontrola škůdců

- studium abiotickeacuteho stresu

- zlepšeniacute ochrany rostlin vůči škůdcům

- ochrana životniacuteho prostřediacute

- zlepšeniacute kvality potravin

odstraněniacute hladu GMO fytoremediace

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

ohroženiacute klimatickyacutem suchem v ČR ndash nejrizikovějšiacute oblasti nižšiacute polohy na jižniacute a středniacute Moravě v prostoru mezi Prahou Uacutestiacutem nad Labem a Žatcem zaacutepadně od Pardubic

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

Rezistence k suchu - využitiacute vody

Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

vyacutevoj samčiacuteho gametofytu - spojen s expresiacute genů - 150 specifickyacutech genů spraacutevneacute načasovaacuteniacute

sporofyt gametofyt

2n 1n

rostlina pylovaacute zrnazaacuterodečnyacute vak

pohlavniacute rozmnožovaacuteniacute přiacuterodniacute vyacuteběr

pylzrna - exina (ovlivněna sporofytem) ochrana před UV laacutekaacuteniacute opylovačů - barva vůně komunikace s bliznou produkce alergenů

strategie rostlin zabraacuteněniacute samoopyleniacute

Biotechnologie v zemědělstviacute samčiacute gametofyt n TETRASPORE (TES) reg gen je vyžadovaacuten ke tvorbě přepaacutežek mezi produkty meioacutezy u mutanta všechna čtyři jaacutedra mikrospoacutery zůstaacutevajiacute ve stejneacute cytoplazmě polyploidniacute jedinci n GEMINI POLLEN 1 (GEM1) reg gen je vyžadovaacuten k orientaci mitotickeacuteho vřeteacutenka mutant tvořiacute dvě symetrickaacute jaacutedra typu vegetativniacuteho vede ke sterilitě n SIDECAR POLLEN (SCP) reg gen je vyžadovaacuten k děleniacute pylu prvniacute symetrickaacute pylovaacute mitoacuteza mutanta daacutevaacute dvě stejneacute buňky jedna extra- vegetativniacute (sterilniacute sidecar) a druhaacute regvegetativniacute a generativniacute mutace nevede ke sterilitě n QUARTET (QRT) reg gen je vyžadovaacuten k separaci pylovyacutech zrn u mutantů jsou stěny meiotickyacutech produktů pyloveacute mateřskeacute buňky fuacutezovaacuteny a zrna se uvolňujiacute v tetraacutedaacutech

samičiacute makrogametofyt n FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED (FIS) a FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) reg geny hrajiacute regulačniacute role ve vyacutevinu semene po oplozeniacute u mutantů se diploidniacute jaacutedra endospermu vyviacutejejiacute bez oplozeniacute pak atrofujiacute mutace neovlivňujiacute vaječnou buňku - procesy embryogeneze a vyacutevinu endospermu jsou odlišneacute n MEDEA (MEA) reg mutace genu způsobuje hypertrofii a zaacutenik embrya neniacute jasneacute na jakeacute uacuterovni se gen projevuje zaacuterodečnyacute vak endosperm nebo maternaacutelně imprintovanyacute embryonaacutelniacute gen

Biotechnologie ve šlechtěniacute rostlin Selektivniacute šlechtěniacute rostlin - přiacuterodniacute genetickeacute diverzity rostlin Techniky překonaacuteniacute barieacuter šlechtěniacute

Barieacutery Technika překonaacuteniacute Před oplodněniacutem

selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute pestiacuteku

pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony

pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro

selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů

odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute

abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry

sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

vyacutevoj semen

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

Škůdci v historii naacutelety sarančat (Staryacute zaacutekon)

ochrana saze tabaacutek

začaacutetek 19 stol - siacutera na houboveacute patogeny 1939 objev DDT uacutečinek na hmyz teorie bdquohmyz se může staacutet rezistentniacuteldquo 1948 Nobelova cena P Muumlller

50 leacuteta 20 st - herbicidy - postřiky na plevele ( rezistence na herbicid) 1972 zaacutekaz DDT (vyacutejimka - boj s malaacuteriiacute v Africe - naacutevrat DDT)

škůdce - hmyz hliacutestice 1861 - v Americe Iowa Nebraska 1880 1 pesticid v S Americe arzeacutenem bdquoParis greenldquo

S rostouciacute intenzitou pěstovaacuteniacute roste hospodaacuteřskyacute vyacuteznam škodlivyacutech organismů objem škod se zvyšuje staacutele přibyacutevajiacute noveacute druhy škodlivyacutech organismů zavaacutedějiacute se staacutele noveacute prostředky

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin - hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy

1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho

obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

ROS Reactive oxygen species reaktivniacute formy kysliacuteku SAR Systemic acquired resistance systeacutemově ziacuteskanaacute rezistence = neinfikovaneacute buňky začiacutenajiacute s přiacutepravou na atak patogena

napadeneacute rostliny uvolňujiacute signaacutelniacute molekuly (těkaveacute laacutetky - druhově specifickeacute) a varujiacute okolniacute rostliny ještě před napadeniacutem hmyzem

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin -hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy 1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

produkujiacute u různyacutech rostlin různě - sekundaacuterniacute metabolity - odstrašeniacute nebo zničeniacute patogena - proteiny inhibujiacuteciacute aktivitu zažiacutevaciacutech enzymů hmyzu - enzymy degradujiacuteciacute buněčnou stěnu hub (chitinaacutezy) - proteiny inhibujiacuteciacute překlad proteinů u škůdce - antiviroveacute složky degradujiacuteciacute virovou RNA blokujiacute vstup do buňky zastavujiacute replikaci

geny ktereacute bdquoSARldquo zapiacutenajiacute zvyšujiacute rezistenci rostliny

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům - již v čaacutesti fytotatologie

Co je plevel soutěžiacute s plodinou o živiny světlo a prostor intenziacutevně roste podiacuteliacute se na šiacuteřeniacute chorob a škůdců

lat herba - rostlina řeč cidoacute - ničiacutem

Vznik rezistence plevelů vůči některyacutem herbicidniacutem laacutetkaacutem = reakce plevelnyacutech druhů na podmiacutenky současneacuteho pěstovaacuteniacute rostlin = dlouhodobeacute působeniacute herbicidů

Vyacutevoj plevelů na zemědělskeacute půdě v naacutevaznosti na skladbu pěstovanyacutech plodin Vznik rezistence plevelů vůči herbicidům Problematika invaziacute a expanziacute plevelů

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům

Rezistenci vůči herbicidům způsobujiacute biochemickeacute fyziologickeacute změny nebo morfologickeacute odlišnosti ktereacute ovlivňujiacute přiacutejem herbicidů rostlinou

- degradujiacute herbicid

- měniacute jeho biochemickou funkci v rostlině

- pozměňujiacute miacutesto na ktereacute herbicid v rostlině působiacute

Rezistence rostlin vůči herbicidům dědičnaacute schopnost odolaacutevat takoveacute daacutevce herbicidů při ktereacute by za normaacutelniacutech okolnostiacute byla populace potlačena

směr pro šlechtěniacute

Aplikace rostlinnyacutech biotechnologiiacute v životniacutem

prostřediacute

takto nebo takto

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Těžba a zpracovaacuteniacute surovin(těžkeacute kovy- Cd Pb prach) Průmyslovaacute vyacuteroba (barviva)

Skladovaacuteniacute (haldy kaliště sklaacutedky) Zemědělstviacute (pesticidy herbicidy)

Domaacuteciacute odpad (leacutečiva detergenty praciacute prostředky)

čin

no

st č

lově

ka

půda voda ovzdušiacute

znečištěniacute

degradace organismy produkujiacuteciacute laacutetky (enzymy) pro

ciacutelenyacute rozklad

organismy snižujiacuteciacute toxicitu toxickeacute laacutetky metylaciacute dehalogenace hydroxylace hydrolyacuteza deaminacehellip

substraacutet je zdrojem C a energie

dekontaminace

+ katastrofy Černobyl vaacutelečneacute konflikty

remediace = navraacuteceniacute k původniacutemu stavu

Biodegradace všechny přirozeneacute procesy ktereacute jsou uskutečňovaacuteny bakteriemi a jinyacutemi mikroorganizmy nebo vyššiacutemi organismy ktereacute vedou k destrukci organickyacutech molekul = organickyacute substraacutet je přeměňovaacuten až na CO2 Bioremediace (bakterie houby)

spočiacutevaacute v akceleraci přirozenyacutech biodegradačniacutech procesů nebo v ciacuteleneacute biodegradace - vede k ozdraveniacute kontaminovaneacuteho prostřediacute - detoxifikace měniacute se na netoxickeacute = neškodneacute laacutetky - aplikaciacute mikroorganismů

Fytoremediace (rostliny) niacutezkaacute cena

využitiacute rostlin k odstraněniacute toxickeacute zaacutetěže (těžkeacute kovy) řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny Zooremediace (zviacuteřata)

zpracovaacuteniacute odpadů pomociacute zviacuteřat bezobratliacute - perlorodky měkkyacuteši

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

nevyacutehody pomalaacute viacutece než 2 roky maleacute rozměry vhodnyacutech rostlin maacutelo druhů vhodnyacutech rostlin neniacute 100 probleacutem s rostlinnyacutem odpadem - potřeba zvlaacuteštniacutech sklaacutedek spadeneacute listiacute

- řiacutezeneacute spalovaacuteniacute

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacute len slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

vyacutehody mineralizace organickyacutech sloučenin niacutezkeacute naacuteklady pasiacutevniacute metoda bez transportu kontaminovaneacute půdy energie ze slunečniacuteho zaacuteřeniacute nepoškozuje okoliacute - sniacuteženiacute prašnosti

estetickyacute přiacutenos etickyacute uacutečinek (veřejnosti přijatelnyacute)

2005 cca 450 rostlinnyacutech druhů - tzv bdquohyperakumulaacutetoryldquo 100 x vyššiacute akumulace než u ostatniacutech rostlin

teorie vzniku - obrana vůči hmyzu - hmyz preferuje

niacutezkeacute koncentrace kovu

Thlaspi careulescens

X bagrovaacuteniacute kontaminovaneacute zeminy transport zeminy dekontaminace

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute přiacutejem kořeny - z půdy přiacutejem nadzemniacute čaacutestiacute rostliny - vyacutefukoveacute plyny

akumuluje

degraduje

detoxifikuje

roste na kontaminovaneacute půdě

produkuje velkeacute množstviacute biomasy

tolerantniacute k salinitě a jinyacutem toxickyacutem podmiacutenkaacutem

poskytuje ekonomickeacute hodnoty - textilniacute vlaacutekna (len konopiacute)

GMO - gen fytovolatizace - bakteriaacutelniacute geny transformovaacuteny do rostlin transgeny merA a merB fytoextrakce - gen gsh1 a gsh2 z E coli do Brassica juncea

potenciaacutel je v GMO rostlinaacutech

Laboratoř rostlinnyacutech biotechnologiiacute Společnaacute laboratoř UacuteEB AV ČR vvi A VUacuteRV vvi Akademie věd Českeacute Republiky Mendelova univerzita v Brně Uacutestav experimentaacutelniacute botaniky AV ČR Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby v Praze Metoda použita na čištěniacute uranem a radiem znečištěneacute vody v Mydlovarech - kořenovaacute čistiacuterna

ideaacutelniacute rostlina

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

proces substraacutet ciacutel rostlina

fytoextrakce fytoakumulace

odstraněniacute toxickyacutech laacutetek z půdy a vody - akumulaciacute rychle rostouciacute rostlinou (zůstaacutevaacute v rostlině)

půda sedimenty kaly odpadniacute vody

toxickeacute kovy radionuklidy

Thlaspi sp Brassica sp

fytostabilizace ciacuteleneacute pěstovaacuteniacute tolerantniacutech druhů zamezeniacute eroziacute

půda haldy odkaliště těžkeacute kovy dlouheacute a bohateacute kořeny

fytovolatizace odstraněniacute Hg pomociacute genu koacutedujiacuteciacuteho reduktaacutezu Hg2+ na Hg0

a uvolněniacute do ovzdušiacute

půdy sedimenty odkaliště průmysloveacute a zemědělskeacute odpadniacute vody

kovy - Se Hg chlorovanaacute rozpouštědla

stromy traacutevy Brassica sp

fytodegradace degradace kontaminantů rostlinou na netoxickeacute laacutetky

půdy sedimenty odkaliště odpadniacute vody

ropneacute laacutetky pesticidy detergenty

stromy traacutevy

rhizofiltrace odstraněniacute pomociacute rostlinnyacutech kořenů

povrchoveacute vody odpadniacute vody

těžkeacute kovy - Co Cu Cr Mn Ni radionuklidy

Brassica sp Helianthus vodniacute rostliny hydroponie

superrostliny

niacutezkeacute naacuteklady

kořenovaacute čistička = umělyacute mokřad oddělenyacute od okoliacute nepropustnou foacuteliiacute využiacutevaacute samočisticiacutech procesů probiacutehajiacuteciacutech v propustneacutem půdniacutem prostřediacute za spoluuacutečasti rostlin čištěniacute odpadniacutech vod z domaacutecnostiacute sklaacutedek a některyacutech průmyslovyacutech provozů

Rhizofiltrace

httpwwwnemcoviceczcontentviewfull3607

rostliny s vysokyacutemi

naacuteroky na vyacuteživu

+

bakterie

může zapaacutechat

5x - 10 x nižšiacute naacuteklady

Člověk čistiacute odpadniacute vodu za pomoci zařiacutezeniacute

ale přiacuteroda to zvlaacutedaacute bez přiacutestrojů a mnohem levněji

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute niacutezkeacute naacuteklady

rostlina chemickaacute sloučenina

pšenice 24 -D MCPA jako zdroj uhliacuteku

kukuřice atrazin degradace atrazinu mikroorganismy rhizosfeacutery

fazole diazinon parathion mineralizace v rhizosfeacuteře

luštěniny nafta

Kučerovaacute et al 1999 Chemickeacute listy

přiacutejem - velikost kořenoveacuteho systeacutemu přiacutestupnost pro rostlinu např chelaacutety

transport rostlinou - apoplast (difuacuteziacute)

symplast (specifickeacute přenašeče)

miacutesto uskladněniacute hustota rostlin v porostu

zaacutevažnějšiacute ekologickyacute a toxikologickyacute vyacuteznam přibližně 16 prvků (Fe Mo Mn Zn NiCo Cu V W Cr Hg Pb Cd Sb Ag a U)

Budoucnost fytoremediaciacute niacutezkeacute naacuteklady

Fytoremediace v praxi

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Ural 1953 odstraněniacute těžkyacutech kovů

Amana Iowa hybridniacute topoly atrazin odstraněna čaacutest až 20

Beaverton Kreton

hybridniacute topoly

organickeacute laacutetky kovy

a amonneacute sloučeniny

celkoveacute vyčistěniacute oblasti

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Fukušima 113 2011 slunečnice radioaktivniacute cesium dekontaminace půdy

Černobyl 2641986 slunečnice jabloně

cesium stroncium dekontaminace půdy povrchoveacute vody

paacutes 30 km - likvidace radioaktivniacutech rostlin

nebudou spaacuteleny rozloženy a kompostovaacuteny - speciaacutelniacute bakterie

slunečnice spotřebovaacutevajiacute z půdy drasliacutek kteryacute patřiacute mezi alkalickeacute kovy stejně jako cesium drasliacutek neniacute v půdě přiacutetomen květiny využijiacute praacutevě druhyacute prvek - Cs

Biotechnologie v ŽP niacutezkeacute naacuteklady

fytomining - fytodobyacutevaacuteniacute fytodolovaacuteniacute

ziacuteskaacutevaacuteniacute kovů z rostlin kde klasickaacute těžba je nevyacutehodnaacute rostliny - bdquotěžaři vzaacutecnyacutech kovůldquo a polokovů AuTh Co U Cd Ni Cu Mn

v rostlinaacutech hyperakumulaacutetorech je akumulace prvku sušina rostliny jako -ldquobio-rudaldquo

vyacutehody

- obsah kovu v bdquobio-ruděldquo je vyššiacute než v běžneacute rudě

- meacuteně skladovatelneacuteho miacutesta

- zelenaacute technologie jako alternativa

fytomining Ni pomociacute Alyssum bertolonii

Robinson et al 1997 The nickel hyperaccumulator plant Alyssum bertolonii as a potential agent for phytoremediation and phytomining of

nickel Journal of Geochemical Exploration59(2)75-86

zlatonosneacute rostliny

zlataacute jablka

zlateacute kapradiacute

hledaacuteniacute nalezišť

technologie budoucnosti

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute bioplasty z biomasy (škroby tuky) nahrazujiacute fosilniacute zdroje vyacutehodou je biodegradace biopaliva rostlinnyacute materiaacutel a řasy bioethanol GMO rezistentniacute rostliny vůči postřikům hmyziacutem škůdcům transfer genů pro symbiotickou fixaci dusiacuteku z luštěnin do dalšiacutech plodin přenos genů z bdquoC4ldquo do bdquoC3ldquo rostlin pro dosaženiacute uacutečinnějšiacute fotosynteacutezy (ryacuteže)

Transgenoziacute se přenaacutešiacute přirozeneacute geny vznikleacute evoluciacute z jednoho organismu do druheacuteho kteryacute se s daacutercem genu obvykle

nemůže křiacutežit pouze dokaacuteže přenosy mezi vyacutevojově ještě vzdaacutelenějšiacutemi organismy

Geny použiacutevaneacute při transgenosi jsou braacuteny z přiacuterody např gen v soacuteji tolerujiacuteciacute glyfosaacutet - je z bakterie rodu Agrobacterium

Klasičtiacute šlechtiteleacute takto pracujiacute daacutevno např smiacutechali geny pšenice a žita

GMO

Transgenoze ndash vnaacutešeniacute znaacutemyacutech jednotlivyacutech genů do dědičneacuteho

zaacutekladu (poprveacute 1978)

Pro přenos - Agrobacterium tumefaciens A rhizogenes E coli

httpblogscassuffolkeduiglesias20140424gmos

GMO bez obalu httpwwwbezpecnostpotravinczUserFilespublikaceGMO_web_1pdf

GMO - transgenniacute rostliny CARTAGENSKYacute PROTOKOL o biologickeacute bezpečnosti 29 1 2000 Montreal (OSN ndash program pro životniacute prostřediacute UNEP) platnost 11 9 2003

ČR podepsala 24 52000 (gmovschtcz) nyniacute 160 staacutetů

opatřeniacute ve staacutetech ktereacute se připojiacute k projektu (dovoz vyacutevoz transport)

vzdělaacuteniacute odborniacuteků a informovaacuteniacute veřejnosti

vytvořeniacute noveacute legislativy GMO (wwwenvcz )

spolupraacutece při vyacuteměně zkušenostiacute

Svět 2010 - viacutece než 150 mil ha viacutece než 20 zemiacute

pro vegetačniacute čaacutesti

nebo plody

CIacuteL PROTOKOLU - zajistit ochranu a bezpečnost při zachaacutezeniacute využiacutevaacuteniacute a přenosu živyacutech modifikovanyacutech organismů ktereacute jsou vyacutesledkem moderniacutech biotechnologiiacute a ktereacute mohou miacutet nepřiacuteznivyacute vliv na zachovaacutevaacuteniacute biologickeacute rozmanitosti a zdraviacute člověka Protokol je zaměřen předevšiacutem na převoz GMO přes hranice staacutetů a maacute ochraňovat zejmeacutena staacutety kteryacutem dosud chybiacute vlastniacute vnitrostaacutetniacute praacutevniacute předpisy v oblasti GMO

GMO - transgenniacute rostliny historie

EVROPA

SRN - Max-Planck-Institut

Belgie - Universita Ghent

Švyacutecarsko- ETH Zurych

ČR - Biofyzikaacutelniacute uacutestav Brno (Agrobacterium jako vhodnyacute přenašeč genů)

ČR - UacuteEB ČSAV Českeacute Budějovice (metody modifikaciacute)

2010 1 transgenniacute hraacutech v Evropě (ČR Agritec Šumperk)

transgenniacute len - oleje

FYTOPATOLOGIE IN VITRO

Fytopatologie in vitro

in vitro selekce = kultivace buněk se selekčniacutem činitelem (fitraacutet inokulum toxin)

ndash přežiacutevajiacuteciacute buňky jsou regenerovaacuteny do rostlin resistentniacuteho fenotypu

Studium interakce rostlina x patogen v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

Druh Patogen Typ biologickeacuteho testu Ciacutel

Coffea arabica Colletotrichum kahawae růst houby na kalusech vyacuteběr rezistentniacutech genotypů

Vitis vinifera Elsinoe ampelina růst kalusu na meacutediu s patogenem testy rezistence

Lycopersicon aes Alternaria alternata testy na izollistech in vitro hodnoceniacute toxicity

Pinus taeda Cronartium quercuum embryokultury s houbami vyacuteběr rezistentniacutech embryiacute

Triticum aestivum Microdochium nivale listy semenaacutečky in vitro vyacuteběr rezistentniacutech kultivarů

ozdravovaacuteniacute rostlin

klonoveacute množeniacute rezistentniacutech taxonů

Page 26: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,

Metody EK využitelneacute v zemědělstviacute Meristeacutemoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Somatickaacute embryogeneze

Embryokultury

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze + buněčneacute inženyacuterstviacute

Genetickeacute manipulace

VITRIFIKACE (hyperhydricita) ndash vyjadřuje abnormality růstu in vitro skelnatyacute syndrom vyacutehonů křehkeacute mokryacute vzhled pryacutetů (vodou nasycenyacutech) průsvitnyacute sukulentniacute vzhled

metody zachovaacutevajiacuteciacute genotyp beze změn během kultivace metody zvyšujiacuteciacute genetickou variabilitu během kultivace

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK 1 rychleacute namnoženiacute

2 ozdravovaacuteniacute

3 překonaacuteniacute nekřiacutežitelnosti - embryokultury

4 dlouhodobeacute udržovaacuteniacute genetickyacutech zdrojů

5 indukce mutantů - ziacuteskaacuteniacute novyacutech genotypů

6 předselekce - urychleniacute šlechtitelskeacuteho cyklu

7 ziacuteskaacuteniacute novyacutech a udrženiacute genotypů s pylovou sterilitou

8 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho procesu

9 produkce haploidů

10 produkce polyploidů

11 rychlejšiacute ziacuteskaacuteniacute vyacutechoziacuteho šlechtitelskeacuteho materiaacutelu pro noveacute odrůdy

12 somatickaacute hybridizace - fuacuteze

13 konstrukce novyacutech genotypů kulturniacutech plodin přenos bdquoužitečnyacutech genůldquo

14 udržovaacuteniacute genofondu

15 selekce in vitro - rezistence k abiotickyacutem a biotickyacutem stresům

16 produkce sekundaacuterniacutech metabolitů

Plodina Technika

ječmen pšenice kukuřice

řepka paprika brukvovitaacute

zelenina mrkev

androgeneze

cibule gynogeneze

jahodniacutek česnek ozdravovaacuteniacute

brambor traacutevy polyploidizace in vitro

jeteloviny drobneacute ovoce

ovocneacute dřeviny podnože traacutevy mikropropagace

brambor řepka somatickaacute hybridizace

hraacutech brambor rezistence k chorobaacutem

traacutevy embryokultury

Kombinace metod embryokultury oplozeniacute in vitro fuacuteze protoplastů

plodiny se geneticky upravujiacute pro většiacute rezistenci k herbicidům - ničeniacute plevele bez poškozeniacute uacuterody GM rajčata potlačujiacute gen pro polygalakturonaacutezu enzym degradujiacuteciacute pektin způsobujiacuteciacute měknutiacute pletiv (Deacon a kol 2002)

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK

Meristeacutemoveacute kultury

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny meristeacutemoveacute kultury

Vyacutehody maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky naacuteslednaacute mikropropagace ozdraveneacuteho materiaacutelu bdquovirus - freeldquo

Vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana Iniciace kultury Testovaacuteniacute in vitro Přenos do nesterilniacutech podmiacutenek Testovaacuteniacute

MERISTEacuteM ndash děliveacute nediferencovaneacute pletivo ozdravovaacuteniacute rostlin (02 - 05 mm) meristeacutemy

OZDRAVOVAacuteNIacute Termoterapie (vyššiacute teplota)

Meristeacutemovaacute kultura Chemoterapie (antivirotika)

viry - nebuněčneacute mikroorganismy virovaacute čaacutestice = virion sklaacutedaacute se z RNA nebo DNA a kapsidu

fytopatologie in vitro

ribavirin

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny

Vyacuteznamneacute viroveacute choroby rostlin v ČR od 30 ztraacutet CaMV - 1968 PVY 30 -70 VMCH (virus mozaiky chmele) až o 70 mozaika česneku 25 - 50 žloutenka cibule až 100 bronzovitost rajčat

- žloutnutiacute listů kroužky a čaacutery na listech nevyvinuteacute rostliny abnormaacutelniacute růst - vstupujiacute různyacutemi poraněniacutemi - šiacuteřiacute se plasmodesmaty - velmi odolneacute proti inaktivaci - přenaacutešeny semeny hliacutezami pylem roubovaacuteniacutem hmyzem houbami červy

1952 Morel a Martin u jiřin

Využitiacute metody jahodniacutek česnek zeleniny květiny okrasneacute dřeviny ovocneacute dřeviny banaacutenovniacutek hellip

Tvorba bezviroacutezniacutech rostlin

1 meristeacutem = 1 rostlina testovaacuteniacute

wwwoselczindexphpclanek=2819

viroacutezniacute x zdravaacute

M Navraacutetil KBBPřFUPOL

PVY

In vitro klonovaacuteniacute mikropropagace meristeacutemoveacute kultury

zisk geneticky identickeacute rostliny vegetativniacutem množeniacutem

VYacuteHODY

maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny ktereacute jsou geneticky stabilniacute

v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky

vyššiacute množitelskyacute koeficient - potenciaacutelniacute hodnota zisku rostlin

Postup - vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana - iniciace kultury - mikropropagace - přenos do nesterilniacutech podmiacutenek

KLON - kolekce geneticky identickyacutech individuiacute původem z jedineacuteho rodiče

komerčně od 1960

httpwwwjanholubcz

In vitro meristeacutemoveacute kultury - využitiacute - zaacutechrana a množeniacute ohroženyacutech druhů kaktusy

- zaacutechranneacute množeniacute cennyacutech genotypů a liniiacute sterilniacutech rostlin - udrženiacute rodičovskyacutech komponent pro tvorbu hybridniacutech odrůd

- množeniacute transgenniacutech rostlin

- zachyceniacute a klonovaacuteniacute nově nalezenyacutech mutantů při šlechtěniacute

- klonovaacuteniacute nejlepšiacutech jedinců pro produkci elitniacuteho osiva

- vegetativniacute množeniacute okrasnyacutech rostlin karafiaacutet gerbera anthurie orchideje

sanpaulie kapradiny hellip

- množeniacute drobneacuteho ovoce jahodniacutek maliniacutek reacuteva

- množeniacute dřevin podnože pro školkařstviacute lesniacute dřeviny tropickeacute dřeviny

- v zelinaacuteřstviacute množeniacute brambor zeliacute

- množeniacute pouze samičiacutech rostlin datlovaacute palma

- kryoprezervace (-196 oC) jahodniacutek maliniacutek hraacutech brambor karafiaacutet

Genoveacute

banky

Mikropropagace multiplikace klonovaacuteniacute nejen z meristeacutemů

Solanum tuberosum Cucumis sativus Olea europea Eucalyptus grandis Salix sp Syringa sp Juglans regia

Schopnost regenerace tvorba identickyacutech rostlin = přiacutemaacute somatickaacute embryogeneze

Meristeacutemy Pryacutetoveacute segmenty Kalusy Embrya

Zdroje odchylek bull vysokeacute daacutevky růstovyacutech regulaacutetorů typ regulaacutetoru bull rostliny regenerujiacute z basaacutelniacuteho kalusu (možnost gen změn)

Kalusoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Primaacuterniacute explantaacutet kalus meristemoid orgaacutenoveacute primordium

Kalus = masa děliacuteciacutech se a rostouciacutech buněk

nejsou uniformniacute mohou se lišit velikostiacute tvarem pigmentaciacute metabolismem nebo počtem chromosomů

bull za určityacutech podmiacutenek regenerace pryacutetů a kořiacutenků

tma x světlo

subkultivace

metoda geneticky nestabilniacute

Kalusoveacute kultury - somaklonaacutelniacute variabilita ndash MUTACE a zisk novyacutech znaků

- mikropropagace ndash cibule žen-šen hellip

- vyacutechoziacute materiaacutel pro suspenzniacute a protoplastovou kulturu

- materiaacutel pro indukovaneacute mutace (zaacuteřeniacute chemomutageny)

- sekundaacuterniacute metabolity (alkaloidy AMK saponiny oleje složky vůniacute protinaacutedoroveacute laacutetky steroidy )

polyploidie aneuploidie

Selekce mutantů se zlepšenou nutričniacute hodnotou (viacutece biacutelkovin v zrnu)

Rezistence vůči zasoleniacute (vysokyacute turgor v buňkaacutech akumulace NaCl ve vakuolaacutech)

Rezistence vůči chorobaacutem (synteacuteza fytotoxinů fytoalexinů)

Sekundaacuterniacute metabolity (= chemickeacute individuality v rostlinaacutech ndash barviva vůně chuti obrana)

Artemisia annua - artemisin (antimalarika) Capsicum sp - capsaicin (protinaacutedoroveacute)

Digitalis lanata - digoxin (srdečniacute stimulanty) Papaver somniferum - codein (sedativa)

Taxus breviola - taxol (protinaacutedoroveacute) Vanilla planifolia - vaniliacuten (aroma)

Panax ginseng - (imunitniacute systeacutem) Zingiber officinale ndash gingerol (antioxidant)

Somatickaacute embryogeneze a suspenzniacute kultury

Využitiacute

umělaacute semena (enkapsulace somatickyacutech embryiacute)

využitiacute somatickeacute variability

klonoveacute množeniacute

sekundaacuterniacute metabolismus (suspenze)

kryoprezervace

Buněčnaacute suspenze = převedeme kalus do tekuteacuteho meacutedia

a provzdušňujeme (kontakt buněk a shluků buněk s meacutediem)

vznikaacute bipolaacuterniacute struktura obsahujiacuteciacute kořen a pryacutet

auxin (24-D)

umělaacute semena

Mutace RADIOMUTANT PROSPĚCH NEBO ZAacuteLUDNOST

SPONTAacuteNNIacute MUTACE využiacutevaacute člověk při šlechtěniacute odrůd spur typy (kompakt typy) jabloniacute absence trnů u ostružiniacuteku variabilita květenstviacute jiřinky proměnliveacute vznik plemen domaacuteciacutech zviacuteřat je založen na podchyceniacute spontaacutenniacutech mutaciacute ndash plemena psů

INDUKOVANEacute MUTACE působeniacute mutagenů

zaacuteměrneacute ndash ve vyacutezkumu ve šlechtěniacute rostlin (př odrůdy ječmene DIAMANT (zkraacuteceniacute steacutebel ndash nepoleacutehaacute) kompaktniacute růst a samosprašnost třešně změna barvy slupky u jabloně ndash sbquoredlsquo mutace)

nezaacuteměrneacute ndash důsledek použitiacute jadernyacutech a chemickyacutech zbraniacute ndash Yperit jaderneacute a jineacute katastrofy

1950 radiomutace chemomutace 1965 ječmen Diamant

Suspenzniacute kultury - SK KULTURA V TEKUTEacuteM MEacuteDIU ROSTE A DĚLIacute SE NĚKOLIKANAacuteSOBNĚ RYCHLEJI NEŽ KULTURA

NA PEVNEacuteM MEacuteDIU Využitiacute jako experimentaacutelniacute model produkce sekundaacuterniacutech metabolitů indukce somaklonaacutelniacute variability a naacutesledneacute selekce mikropropagace (pod kontrolou genetickeacute stability) pohyb kultury v bioreaktoru maacute za naacutesledek potlačeniacute apikaacutelniacute dominance tiacutem se stimuluje růst mnohonaacutesobnyacutech pryacutetů

Bioreaktory firmy VitroSys Inc Korea

ideaacutelniacute SK ndash rychlyacute růst karyologickaacute stabilita životnost buněk rentabilita

Minimaacutelně 103 ml buněk 110 suspenze v exponenciaacutelniacute faacutezi se doplniacute čerstvyacutem meacutediem Koncentrace sacharidů prodlužuje periodu růstu

Velkokapacitniacute kultivace rostlinnyacutech buněk v tekutyacutech meacutediiacutech sterilniacute prostřediacute obsahujiacuteciacute živiny a laacutetky potřebneacute pro růst a jeho regulaci vhodneacute pro kultivaci rostlinnyacutech mikrobiaacutelniacutech a živočišnyacutech buněk

Bioreaktor

Bioreaktory s tekutyacutem meacutediem explantaacutety jsou ponořeny v tekuteacutem meacutediu Bioreaktory s pravidelnyacutem zaplavovaacuteniacutem (temporary immersion bioreactor TIB) explantaacutety jsou pravidelně zaplavovaacuteny

Bioreaktor

httpwwwuebcasczcscontentzensenove-spagety

pěstujiacute se jen kořeny - zisk GINSENOSIDŮ za 3 měsiacutece v laboratoři stejnyacute zisk jako z rostlin ženšenu v přiacuterodě za 8 let obsah GINSENOSIDŮ je srovnatelnyacute s planě rostouciacutemi rostlinami množstviacutem i vzaacutejemnyacutem poměrem jednotlivyacutech laacutetek

v Koreji od r 2004

hairy-root systeacutem a sekundaacuterniacute metabolity

Sekundaacuterniacute metabolity - SM ROSTLINA BUNĚČNAacute KULTURA

EXTRAKT prověřovaacuteniacute oddělovaacuteniacute čištěniacute aktivniacute složky testovaacuteniacuteprověřovaacuteniacute

ČISTAacute BIOAKTIVNIacute LAacuteTKA

SM z buněčneacute kultury - extrakty ziacuteskaneacute za reprodukovatelnyacutech podmiacutenek spolehliveacute zdroje meacutedium - množstviacute čisteacuteho produktu

buňky rostou v tekuteacutem meacutediu -ne celaacute rostlina

produkt rostlina in vitro ()

rostlina ()

poměr

ginsenoside Panax ginseng 27 45 6 x

rosmarinic acid Coleus blumei 27 3 9 x

caffeic acid Vanilla planifolia 002 0005 4 x

shikonin Lithospermum erythrorhizon

20 15 135 x

ubiquinon-10 Nicotiana tabacum 0036 0003 12 x Heldman et al 2011

anti

oxy

dan

ty v sušině

bioreaktory

Sekundaacuterniacute metabolity - SM Rostlina Uacutečinnaacute laacutetka Uacutečinek

Artemisia annua pelyněk ročniacute artemisinin antimalarikum

Digitalis lanata naacuteprstniacutek vlnatyacute digoxin srdečniacute stimulants

Dubosia myoporoides lilkoviteacute atropin

scopolamin

očniacute přiacutepravky mořskaacute nemoc

Lithospermum

erythrorhizon

kamejka

rudokořennaacute

shikonin protinaacutedoroveacute

Panax ginseng ženšen pravyacute stimulant imunitniacuteho systeacutemu

Salix alba vrba biacutelaacute salicin antirevmatikum proti horečce

Taxus brevifolia tis

zaacutepadoamerickyacute

baccatin taxol protinaacutedoroveacute

Vinca rosea barviacutenek růžovyacute vinblastin

vinkristin

protinaacutedoroveacute alkaloidy

leukeacutemie

buněčnaacute kultura

Rostlina Extrakt Uacutečinek

Linum usitatissimum len setyacute olej

Mentha piperita maacuteta peprnaacute maacutetovyacute olej -

mentol

žaludečniacute potiacuteže

Mentha spicata maacuteta klasnataacute mentol žaludečniacute potiacuteže

Zingiber officinale zaacutezvor leacutekařskyacute gingerol antioxidant

informace z tradičniacute lidoveacute mediciacuteny - použitiacute extraktů a purifikace zdroje z nedotčeneacuteho ekosysteacutemu

kalusovaacute kultura buněčnaacute suspenze orgaacutenovaacute kultura - Artemisia Mentha - pryacutety

rostliny jsou vyacuterobci sekundaacuterniacutech metabolitů

cytostatikum

Sekundaacuterniacute metabolity - SM

Heldman et al 2011

VYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY

nezaacutevisleacute na geografickyacutech podmiacutenkaacutech

nezaacutevisleacute na sezoacutenniacutech podmiacutenkaacutech

v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

v přiacuterodě kontrolovaacuteno množstviacute in vitro ne

nepřetržitaacute dodaacutevka produktu

uniformniacute kvalita produktu

uniformniacute vyacutetěžnost produktu (průběžně)

vyacuteběr vhodneacute linie s vyššiacute produkciacute produktu

možnost tvorby novyacutech laacutetek nenormaacutelniacutech u donora

NEVYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY staacutele se vyviacutejejiacuteciacute

překaacutežky - pomalyacute růst

genetickaacute nestabilita

různorodost

niacutezkyacute obsah metabolitu

produkty vylučovaacuteniacute provozniacute - světelneacute podmiacutenky aseptickeacute podmiacutenky

STRATEGIE TVORBY SM vyacuteběr donorovyacutech rostlin - biochemickeacute testy

iniciace kalusů

vyacuteběr buněčneacute linie - rychle rostouciacute vysokaacute produkce

ciacutelenyacute metabolismus - kultivačniacute meacutedium (složeniacute koncentrace proporcionalita)

kultivačniacute podmiacutenky (teplota světlo pH) zvlaacuteštniacute požadavky (prekurzor simulace stresu - napadeniacute patogenem)

uvolněniacute do meacutedia

Embryokultury

Embryokultury = kultivace zralyacutech nebo nezralyacutech embryiacute in vitro

1904 Hannig - embrya u ředkve

1925 Laibach - aplikace v mezidruhoveacutem křiacuteženiacute r Linum sp

1945 Randolph - zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu u r Iris sp

1970 Kasha Kao - ziacuteskaacuteniacute haplodů u ječmene

Hordeum vulgare (zůstaacutevaacute) x Hordeum bulbosum (eliminace chromozoacutemů)

Zygotickaacute embrya vyacuteživa z endospermu (heterotrofniacute)

Embrya in vitro vyacuteživa z kultivačniacuteho meacutedia

In vitro oplodněniacute u člověka - 1978 pro neplodneacute paacutery

geneticky stabilniacute metoda

Embryokultury- in vitro

I Kultura semennyacutech embryiacute tj izolace plně vyvinutyacutech

bipolaacuterniacutech struktur obsahujiacuteciacutech kořenovyacute a stonkovyacute systeacutem

II Kultura proembryiacute tj izolace nezralyacutech zaacuterodků předchaacutezejiacuteciacutech

diferenciaci děloh

Embryogeneze zygotickeacuteho embrya (in vivo)

zygota (přiacuteprava na 1 děleniacute)

faacuteze pomaleacuteho vyacutevinu embrya po oplozeniacute

faacuteze rychleacuteho vyacutevinu růstu a diferenciace embrya

faacuteze dozraacutevaacuteniacute embrya

faacuteze přechodu embrya do dormance (ABA)

Embryokultury

1 překonaacuteniacute barieacuter vzdaacuteleneacuteho křiacuteženiacute (abortace hybridniacutech embryiacute sterility semen)

2 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu (viacutece generaciacute za rok)

3 řešeniacute jarovizačniacuteho staacutedia

4 primaacuterniacute explantaacutet pro dalšiacute kultury

5 eliminace inhibice kliacutečeniacute

6 studium mineraacutelniacute vyacuteživy

7 umělaacute semena

8 studium metabolickyacutech vztahů mezi embryem a endospermem embryem a dělohami

9 ziacuteskaacuteniacute haploidniacutech rostlin

Opylovaacuteniacute in vitro

Opylovaacuteniacute in situ

in vitro

Inkompatibilita rostlin

zaručuje stabilitu druhu

Barieacutery procesu opyleniacute a oplozeniacute

vnějšiacute (teplota vlhkost nedostatečnaacute vyacuteživa )

vnitřniacute (inkompatibilita samčiacute nebo samičiacute sterilita)

využitiacute v raacutemci šlechtěniacute rostlin k překonaacuteniacute prezygotickyacutech barieacuter vznik mezidruhovyacutech mezirodovyacutech hybridů

Barieacutery Technika překonaacuteniacute

Před oplodněniacutem selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute blizny pestiacuteku pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

rezistence vůči abiotickeacutemu stresu rezistence vůči škůdcům vyššiacute vyacutenos

přenos z jineacuteho druhu

EK využitiacute ve šlechtěniacute

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury HAPLOID rostlina s n počtem chromozomů menšiacute sterilniacute

1963 T Yamada a kol Tradescantia reflexa (haploidy)

1964 - 1966 S Guha SC Maheswari Datura diploidizace kolchicinem

1969 JP Nitsch a kol celeacute rostliny (tabaacutek)

1973 JP Nitsch Norrel mikrosporoveacute kultury

2000 šlechtitelskeacute programy polniacutech plodin (obiloviny řepka)

využiacutevajiacute haploidniacute kultury in vitro

Androgeneze prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Androgeneze - kultivace prašniacuteků pyl zrn mikrospor = samčiacute genotyp

Gynogeneze - kultivace neoplodněnyacutech vajiacuteček = samičiacute genotyp

Haploidie - spontaacutenniacute = haploidniacute partenogeneze (gynogeneze androgeneze) frekvence 10-6

- experimentaacutelniacute indukovanaacute

fyzikaacutelniacute faktory = UV γ-zaacuteřeniacute X-paprsky teplotniacute šoky

zaacutesahy do procesů opyleniacute a oplozeniacute (inaktivniacute pyl)

explantaacutetoveacute metody = prašniacutekoveacute a pyloveacute kultury kultivace semeniacuteků a vajiacuteček

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury Ontogeneze pylu

In vivo mikrosporogeneze

pylovaacute mateřskaacute buňka

meiosa

pyloveacute tetraacutedy

vyacutevoj mikrospory (1 pyl mitoacuteza)

In vitro vyacutevoj embryoidu

(vegetativniacute generativniacute buňka)

- přiacutemaacute embryogeneze

- nepřiacutemaacute embryogeneze

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

využitiacute haploidů (majiacute jen jednu sadu chromosomů)

segregace vloh na gametickeacute uacuterovni ndash homozygoacutetniacute stav (čisteacute linie v F2 generaci)

detekce recesivniacutech mutaciacute (fenotypickyacute projev)

trpasličiacute varieta ndash u okrasnyacutech rostlin

Dihaploidizace

n rostliny - sterilniacute

104 ndash 105 mikrospoacuterml meacutedia

Brassica sp

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Prašniacutekoveacute kultury

viacutece než 200 druhů (řepka ryacuteže kukuřice obiloviny)

20-60 dnů

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

vyacutevoj globulaacuterniacuteho embrya a naacutesledně haploidniacute rostliny přiacutemo z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory

z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory vznikaacute kalus rarr indukce organogeneze

TYPY ANDROGENEZE

vzaacutecně

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Solanaceae

Brassicaceae

Poaceae

prašniacuteky

Androgeneze

Indukovanaacute androgeneze ndash přiacuteklady

Beta vulgaris - homozygotniacute linie

Brassica napus - novaacute odrůda linie

Hordeum vulgare

Lycopersicon - novaacute odrůda

Nicotiana - noveacute odrůdy

Oryza - noveacute odrůdy

Pelargonium - trpasličiacute variety

Triticum ndash cv Florin Huapei

Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby Praha Vyacutezkumnyacute uacutestav obilnaacuteřskyacute Kroměřiacutež Vyacutezkumnyacute uacutestav olejnin Oseva

Gynogeneze kultury izolovanyacutech vajiacuteček

kultury izolovanyacutech semeniacuteků

kultury izolovanyacutech květenstviacute in vitro

haploidniacute rostliny

spontaacutenniacute dihaploidniacute rostliny

ječmen kukuřice moruše

slunečnice cibule

kultivace vajiacuteček Beta vulgaris Tomaszewska-Sowa 2010

327 haploids 458 diploids and 215 ndash mixoploids

x opyleniacute ozaacuteřenyacutem pylem

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

Polyploidizace in vitro

duplikace celeacuteho genomu až 70 všech krytosemennyacutech rostlin je polyploidniacutech (Masterson 1994) POLYPLOID metabolicky aktivnějšiacute a rozměrnějšiacute plodiny ktereacute jsou vhodneacute pro pěstovaacuteniacute a leacutepe se vyrovnaacutevajiacute se stresovyacutemi podmiacutenkami

kolchicin

oryzalin

trifluralin

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze protoplastů

1892 Klecker - 1 mechanickaacute izolace protoplastů Stratiotes aloides (řezan pilolistyacute) 1960 EC Cocking 1 enzymatickaacute izolace protoplastů Nicotiana sp 1978 G Melchers a kol 1 mezirodovyacute hybrid bdquopomatoldquo bdquotopatoldquo Solanum tuberosum x S lycopersicum (Lycopersicum esculentum)

httptheplanetfixerorg387new-vegetable-created-the-tomato-potato-plant

Protoplastoveacute kultury

= kultivace rostlinnyacutech buněk zbavenyacutech buněčneacute stěny

Protoplast = rostlinnaacute buňka bez buněčneacute stěny jejiacute povrch tvořiacute cytoplazmatickaacute membraacutena maacute kulovityacute tvar

Protoplastoveacute kultury - regenerace

Faktory ovlivňujiacuteciacute kultivaci a regeneraci

Hustota ( počet protoplastů v 1 ml)

Životnost ()

Podmiacutenky kultivace a meacutedium

bull Studium synteacutezy buněčneacute stěny vyacutevoj buňky fyziologie buňky a cytogenetiku

bull Studium hodnoceniacute uacutečinků farmak potravinovyacutech doplňků agrochemickyacutech laacutetek na rostlinnou

buňku

bull Studium transportu iontů a laacutetek přes cytoplasmatickou membraacutenu

bull Somatickaacute hybridizace (fuacuteze protoplastů)

bull Inkorporace exogenniacuteho genetickeacuteho materiaacutelu ndash organel cybridizace

bull Genoveacute transformace (cizorodaacute DNA z bakteriaacutelniacuteho plasmidu)

Protoplastoveacute kultury - fuacuteze

Využitiacute

kombinace znaků odlišnyacutech druhů a rodů ktereacute by nevznikly přirozenou cestou

jedinečneacute kombinace jadernyacutech a organelovyacutech genomů vytvaacuteřiacute noveacute genetickeacute zdroje

často jen - čaacutest chromozomů asymetrickeacute jaderneacute hybridy

chloroplasty

mitochondrie

chemickeacute fuacuteze - pomalejšiacute elektrofuacuteze - fuacutezanti po 10 min vyššiacute frekvence fuacutezantů

cytoplazmickeacute hybridy - cybridy

Charakterizace hybridů - morfologicky cytologicky molekulaacuterniacute analyacutezy

Přirozenaacute mezidruhovaacute hybridizace - vznik některyacutech kulturniacutech plodin

B oleracea + B campestris = Brassica napus Nicotiana sylvestris + N tomentosa = Nicotiana tabacum

cybridy nelze ziacuteskat klasickou hybridizaciacute (křiacuteženiacutem) ndash samčiacute pohlavniacute buňky (pyl zrna) nemajiacute plastidy a mitochondrie

V přiacuterodě blesky do půdy modifikace bakteriiacute

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

Přenos jaderneacute a cytoplazmatickeacute genetickeacute informace mezi rostlinnyacutemi druhy rody

- překonaacuteniacute sexuaacutelniacute inkompatibility

- přenos genů rezistence vůči virovyacutem houbovyacutem chorobaacutem

- přenos cytoplazmatickeacute samčiacute sterility

- přenos rezistence vůči stresům (teplotniacutem zasoleniacute)

- přenos rezistence vůči hmyziacutem škůdcům

(synteacuteza fytoalexinů)

- přenos genů pro synteacutezu zaacutesobniacutech proteinů vitamiacutenů

alkaloidů

plnokvětost

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

využitiacute pro fytoremediace

Brassica juncea Tlaspi caerulescens brukev siacutetinovitaacute peniacutezek modravyacute akumulace Pb akumulace Zn a Ni hybrid se zvyacutešenou rezistenciacute k Pb Zn a Ni rychlyacute naacuterůst

biomasy

Brassica napus Thlaspi caerulescens hybridi rostly na vysokeacutem obsahu Zn

Fuacuteze protoplastů rodu Brassica s planyacutemi druhy

Armoracia rusticana

Barbarea vulgaris

Camelina sativa

Capsella bursa pastoris

Diplotaxis catholica

Diplotaxis muralis

Diplotaxis harra

Eruca sativa

Lesquerella fendleri

Mathiola incana

Moricandia arvensis C4

Moricandia nitens C4

Raphanus sativus

Sinapis alba

Sinapis arvensis

Thlaspi perfoliatum

Thlaspi caerulescens

Genoveacute banky In vitro genoveacute banky

2397 vzorků 1249 odrůd Solanum tuberosum 450 teraploidniacutech křiacuteženců S tuberosum 266 dihaploidů 119 mezidruhovyacutech hybridů rodu Solanum 313 genotypů kulturniacutech genotypů 23 planyacutech druhů

Havliacutečkův Brod

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu rostlin

1 Uchovaacutevaacuteniacute semen ndash semenneacute banky (od 1 roku - hellip)

2 Uchovaacutevaacuteniacute vegetativniacutech orgaacutenů ndash hliacutezy cibule řiacutezky

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro Kraacutetkodobeacute - aktivně rostouciacute kultury (pravidelneacute pasaacuteže) - uchovaacuteniacute kultur v minimaacutelniacutem růstu nižšiacute teploty kultivace

Dlouhodobeacute u rostlin kde nejsou semena

- za velmi niacutezkyacutech teplot (-196oC) = kryobanka

Databaacuteze ndash přiacutestupneacute z celeacuteho světa

Špicberky

genobanka - wwwvurvcz part databases EVIGEZ

vyacuteznam v mediciacuteně

Zaacuteložniacute fond semena potravinaacuteřskyacutech plodin z celeacuteho světa

stane se zaacuteložniacutem fondem pro ostatniacutech 1400

semennyacutech bank po celeacutem světě

v Iraacuteku a v Afghaacutenistaacutenu byla podobnaacute zařiacutezeniacute za

vaacutelky zcela zničena

na Filipiacutenaacutech je v roce 2006 poškodila povodeň

semennaacute banka pro světoveacute plodiny je umiacutestěna v hoře

maacute vyztuženeacute stěny betonem a železem

třiacute komory o velikosti 27 kraacutet 10 metrů

teplota minus 18 oC (konzervace po stovky až tisiacutece let) httpwwwnorambczarkivBasisartikler---OversettelserIkke-

bruktnovinkyseedvault_eng

k 1172010 zde bylo uloženo 716 523 vzorků semen patřiacuteciacutech ke 4 205 druhům

českaacute banka uloženaacute v Praze-Ruzyni zaacuteloha na Slovensku

Špicberky

Uchovaacutevaacuteniacute genofonduv ČR

genofond odrůd meruněk broskvoniacute mandloniacute reacutevy vinneacute kdouloniacute lonicer rakytniacuteků a dřiacutenů

2400 položek

25 000 položek

5400 položek 2397

položek

4700 položek

2000 položek

2300 položek

Naacuterodniacute informačniacute systeacutem genetickyacutech zdrojů EVIGEZ httpwwwgenbankvurvczgeneticresources

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro

KRYOBANKA

prašniacuteky a pyl pletiva a orgaacuteny meristeacutemy

kalus

suspennzniacute somatickaacute kultury embrya

dlouhodobeacute skladovaacuteniacute

nižšiacute naacuteroky na uchovaacuteniacute

mezinaacuterodniacute vyacuteměna

nižšiacute podiacutel lidskeacute praacutece

potřeba menšiacuteho prostoru

uchovaacuteniacute genetickeacute stability

omezeniacute staacuternutiacute

ozdravenyacute materiaacutel

prodlouženeacute použitiacute pylu

uchovaacuteniacute vzaacutecnyacutech rostlin

apikaacutelniacute vrcholy

Biotechnologickaacute laboratoř Nestleacute - uchovaacutevaacute buněčneacute embryogenniacute linie kaacutevy kakaa a banaacutenů

Německaacute sbiacuterka mikroorganismů a buněčnyacutech kultur (DSMZ Braunschweig Německo) meristeacutemy 519 staryacutech kultivarů brambor ndash metoda mrazeniacute alginaacutetovyacutech perel

International Potato Centre (CIP Lima Peru) - 345 kultivarů brambor

INIBAP Leuven Belgie - 306 kultivarů banaacutenu (14 ze světoveacuteho počtu kultivarů)

Naacuterodniacute genobanka klonů NCGR USA - ročniacute naacuteklady

udržovaacuteniacute jedneacute položky v sadu (hrušně) 77 dolarů na skladovaacuteniacute in vitro 23 dolarů na kryoprezervaci 1 dolar (při počaacutetečniacute investici na kryometodu 50 dolarů za uchovaacutevanou jednotku)

Přiacuteklady komerčniacuteho využitiacute kryoprezervace meristeacutemů

Aplikace biotechnologiiacute ve šlechtěniacute rostlin

rostliny postraacutedajiacute schopnost aktivně se přesouvat z dosahu nepřiacuteznivyacutech vlivů rostliny vyvinuly adaptačniacute mechanismy pro překonaacuteniacute stresů a tiacutem přežitiacute v extreacutemniacutech podmiacutenkaacutech

Biotechnologie v zemědělstviacute ekologickeacute zemědělstviacute

VLIV ŠKŮDCŮ CHOROB A PLEVELŮ NA ZEMĚDĚLSKEacute PLODINY

1 sniacuteženiacute velikosti a vaacutehy zrna 2 ztraacuteta ve velikosti hliacutez a kořenů 3 zvyacutešeniacute obsahu vlhkosti 4 změny v chemickeacutem složeniacute zrna hliacutez a kořenů 5 odbarveniacute zrna a hliacutez - deformace 6 tvorba mykotoxinů patogeny 7 sniacuteženiacute kliacutečivosti 8 redukce krmiva

spotřeba vody - rezistence k suchu sniacutežiacute spotřebu uchovaacuteniacute vody rostlinou aplikace hnojiv chemickaacute kontrola škůdců

- studium abiotickeacuteho stresu

- zlepšeniacute ochrany rostlin vůči škůdcům

- ochrana životniacuteho prostřediacute

- zlepšeniacute kvality potravin

odstraněniacute hladu GMO fytoremediace

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

ohroženiacute klimatickyacutem suchem v ČR ndash nejrizikovějšiacute oblasti nižšiacute polohy na jižniacute a středniacute Moravě v prostoru mezi Prahou Uacutestiacutem nad Labem a Žatcem zaacutepadně od Pardubic

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

Rezistence k suchu - využitiacute vody

Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

vyacutevoj samčiacuteho gametofytu - spojen s expresiacute genů - 150 specifickyacutech genů spraacutevneacute načasovaacuteniacute

sporofyt gametofyt

2n 1n

rostlina pylovaacute zrnazaacuterodečnyacute vak

pohlavniacute rozmnožovaacuteniacute přiacuterodniacute vyacuteběr

pylzrna - exina (ovlivněna sporofytem) ochrana před UV laacutekaacuteniacute opylovačů - barva vůně komunikace s bliznou produkce alergenů

strategie rostlin zabraacuteněniacute samoopyleniacute

Biotechnologie v zemědělstviacute samčiacute gametofyt n TETRASPORE (TES) reg gen je vyžadovaacuten ke tvorbě přepaacutežek mezi produkty meioacutezy u mutanta všechna čtyři jaacutedra mikrospoacutery zůstaacutevajiacute ve stejneacute cytoplazmě polyploidniacute jedinci n GEMINI POLLEN 1 (GEM1) reg gen je vyžadovaacuten k orientaci mitotickeacuteho vřeteacutenka mutant tvořiacute dvě symetrickaacute jaacutedra typu vegetativniacuteho vede ke sterilitě n SIDECAR POLLEN (SCP) reg gen je vyžadovaacuten k děleniacute pylu prvniacute symetrickaacute pylovaacute mitoacuteza mutanta daacutevaacute dvě stejneacute buňky jedna extra- vegetativniacute (sterilniacute sidecar) a druhaacute regvegetativniacute a generativniacute mutace nevede ke sterilitě n QUARTET (QRT) reg gen je vyžadovaacuten k separaci pylovyacutech zrn u mutantů jsou stěny meiotickyacutech produktů pyloveacute mateřskeacute buňky fuacutezovaacuteny a zrna se uvolňujiacute v tetraacutedaacutech

samičiacute makrogametofyt n FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED (FIS) a FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) reg geny hrajiacute regulačniacute role ve vyacutevinu semene po oplozeniacute u mutantů se diploidniacute jaacutedra endospermu vyviacutejejiacute bez oplozeniacute pak atrofujiacute mutace neovlivňujiacute vaječnou buňku - procesy embryogeneze a vyacutevinu endospermu jsou odlišneacute n MEDEA (MEA) reg mutace genu způsobuje hypertrofii a zaacutenik embrya neniacute jasneacute na jakeacute uacuterovni se gen projevuje zaacuterodečnyacute vak endosperm nebo maternaacutelně imprintovanyacute embryonaacutelniacute gen

Biotechnologie ve šlechtěniacute rostlin Selektivniacute šlechtěniacute rostlin - přiacuterodniacute genetickeacute diverzity rostlin Techniky překonaacuteniacute barieacuter šlechtěniacute

Barieacutery Technika překonaacuteniacute Před oplodněniacutem

selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute pestiacuteku

pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony

pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro

selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů

odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute

abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry

sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

vyacutevoj semen

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

Škůdci v historii naacutelety sarančat (Staryacute zaacutekon)

ochrana saze tabaacutek

začaacutetek 19 stol - siacutera na houboveacute patogeny 1939 objev DDT uacutečinek na hmyz teorie bdquohmyz se může staacutet rezistentniacuteldquo 1948 Nobelova cena P Muumlller

50 leacuteta 20 st - herbicidy - postřiky na plevele ( rezistence na herbicid) 1972 zaacutekaz DDT (vyacutejimka - boj s malaacuteriiacute v Africe - naacutevrat DDT)

škůdce - hmyz hliacutestice 1861 - v Americe Iowa Nebraska 1880 1 pesticid v S Americe arzeacutenem bdquoParis greenldquo

S rostouciacute intenzitou pěstovaacuteniacute roste hospodaacuteřskyacute vyacuteznam škodlivyacutech organismů objem škod se zvyšuje staacutele přibyacutevajiacute noveacute druhy škodlivyacutech organismů zavaacutedějiacute se staacutele noveacute prostředky

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin - hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy

1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho

obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

ROS Reactive oxygen species reaktivniacute formy kysliacuteku SAR Systemic acquired resistance systeacutemově ziacuteskanaacute rezistence = neinfikovaneacute buňky začiacutenajiacute s přiacutepravou na atak patogena

napadeneacute rostliny uvolňujiacute signaacutelniacute molekuly (těkaveacute laacutetky - druhově specifickeacute) a varujiacute okolniacute rostliny ještě před napadeniacutem hmyzem

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin -hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy 1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

produkujiacute u různyacutech rostlin různě - sekundaacuterniacute metabolity - odstrašeniacute nebo zničeniacute patogena - proteiny inhibujiacuteciacute aktivitu zažiacutevaciacutech enzymů hmyzu - enzymy degradujiacuteciacute buněčnou stěnu hub (chitinaacutezy) - proteiny inhibujiacuteciacute překlad proteinů u škůdce - antiviroveacute složky degradujiacuteciacute virovou RNA blokujiacute vstup do buňky zastavujiacute replikaci

geny ktereacute bdquoSARldquo zapiacutenajiacute zvyšujiacute rezistenci rostliny

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům - již v čaacutesti fytotatologie

Co je plevel soutěžiacute s plodinou o živiny světlo a prostor intenziacutevně roste podiacuteliacute se na šiacuteřeniacute chorob a škůdců

lat herba - rostlina řeč cidoacute - ničiacutem

Vznik rezistence plevelů vůči některyacutem herbicidniacutem laacutetkaacutem = reakce plevelnyacutech druhů na podmiacutenky současneacuteho pěstovaacuteniacute rostlin = dlouhodobeacute působeniacute herbicidů

Vyacutevoj plevelů na zemědělskeacute půdě v naacutevaznosti na skladbu pěstovanyacutech plodin Vznik rezistence plevelů vůči herbicidům Problematika invaziacute a expanziacute plevelů

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům

Rezistenci vůči herbicidům způsobujiacute biochemickeacute fyziologickeacute změny nebo morfologickeacute odlišnosti ktereacute ovlivňujiacute přiacutejem herbicidů rostlinou

- degradujiacute herbicid

- měniacute jeho biochemickou funkci v rostlině

- pozměňujiacute miacutesto na ktereacute herbicid v rostlině působiacute

Rezistence rostlin vůči herbicidům dědičnaacute schopnost odolaacutevat takoveacute daacutevce herbicidů při ktereacute by za normaacutelniacutech okolnostiacute byla populace potlačena

směr pro šlechtěniacute

Aplikace rostlinnyacutech biotechnologiiacute v životniacutem

prostřediacute

takto nebo takto

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Těžba a zpracovaacuteniacute surovin(těžkeacute kovy- Cd Pb prach) Průmyslovaacute vyacuteroba (barviva)

Skladovaacuteniacute (haldy kaliště sklaacutedky) Zemědělstviacute (pesticidy herbicidy)

Domaacuteciacute odpad (leacutečiva detergenty praciacute prostředky)

čin

no

st č

lově

ka

půda voda ovzdušiacute

znečištěniacute

degradace organismy produkujiacuteciacute laacutetky (enzymy) pro

ciacutelenyacute rozklad

organismy snižujiacuteciacute toxicitu toxickeacute laacutetky metylaciacute dehalogenace hydroxylace hydrolyacuteza deaminacehellip

substraacutet je zdrojem C a energie

dekontaminace

+ katastrofy Černobyl vaacutelečneacute konflikty

remediace = navraacuteceniacute k původniacutemu stavu

Biodegradace všechny přirozeneacute procesy ktereacute jsou uskutečňovaacuteny bakteriemi a jinyacutemi mikroorganizmy nebo vyššiacutemi organismy ktereacute vedou k destrukci organickyacutech molekul = organickyacute substraacutet je přeměňovaacuten až na CO2 Bioremediace (bakterie houby)

spočiacutevaacute v akceleraci přirozenyacutech biodegradačniacutech procesů nebo v ciacuteleneacute biodegradace - vede k ozdraveniacute kontaminovaneacuteho prostřediacute - detoxifikace měniacute se na netoxickeacute = neškodneacute laacutetky - aplikaciacute mikroorganismů

Fytoremediace (rostliny) niacutezkaacute cena

využitiacute rostlin k odstraněniacute toxickeacute zaacutetěže (těžkeacute kovy) řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny Zooremediace (zviacuteřata)

zpracovaacuteniacute odpadů pomociacute zviacuteřat bezobratliacute - perlorodky měkkyacuteši

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

nevyacutehody pomalaacute viacutece než 2 roky maleacute rozměry vhodnyacutech rostlin maacutelo druhů vhodnyacutech rostlin neniacute 100 probleacutem s rostlinnyacutem odpadem - potřeba zvlaacuteštniacutech sklaacutedek spadeneacute listiacute

- řiacutezeneacute spalovaacuteniacute

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacute len slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

vyacutehody mineralizace organickyacutech sloučenin niacutezkeacute naacuteklady pasiacutevniacute metoda bez transportu kontaminovaneacute půdy energie ze slunečniacuteho zaacuteřeniacute nepoškozuje okoliacute - sniacuteženiacute prašnosti

estetickyacute přiacutenos etickyacute uacutečinek (veřejnosti přijatelnyacute)

2005 cca 450 rostlinnyacutech druhů - tzv bdquohyperakumulaacutetoryldquo 100 x vyššiacute akumulace než u ostatniacutech rostlin

teorie vzniku - obrana vůči hmyzu - hmyz preferuje

niacutezkeacute koncentrace kovu

Thlaspi careulescens

X bagrovaacuteniacute kontaminovaneacute zeminy transport zeminy dekontaminace

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute přiacutejem kořeny - z půdy přiacutejem nadzemniacute čaacutestiacute rostliny - vyacutefukoveacute plyny

akumuluje

degraduje

detoxifikuje

roste na kontaminovaneacute půdě

produkuje velkeacute množstviacute biomasy

tolerantniacute k salinitě a jinyacutem toxickyacutem podmiacutenkaacutem

poskytuje ekonomickeacute hodnoty - textilniacute vlaacutekna (len konopiacute)

GMO - gen fytovolatizace - bakteriaacutelniacute geny transformovaacuteny do rostlin transgeny merA a merB fytoextrakce - gen gsh1 a gsh2 z E coli do Brassica juncea

potenciaacutel je v GMO rostlinaacutech

Laboratoř rostlinnyacutech biotechnologiiacute Společnaacute laboratoř UacuteEB AV ČR vvi A VUacuteRV vvi Akademie věd Českeacute Republiky Mendelova univerzita v Brně Uacutestav experimentaacutelniacute botaniky AV ČR Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby v Praze Metoda použita na čištěniacute uranem a radiem znečištěneacute vody v Mydlovarech - kořenovaacute čistiacuterna

ideaacutelniacute rostlina

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

proces substraacutet ciacutel rostlina

fytoextrakce fytoakumulace

odstraněniacute toxickyacutech laacutetek z půdy a vody - akumulaciacute rychle rostouciacute rostlinou (zůstaacutevaacute v rostlině)

půda sedimenty kaly odpadniacute vody

toxickeacute kovy radionuklidy

Thlaspi sp Brassica sp

fytostabilizace ciacuteleneacute pěstovaacuteniacute tolerantniacutech druhů zamezeniacute eroziacute

půda haldy odkaliště těžkeacute kovy dlouheacute a bohateacute kořeny

fytovolatizace odstraněniacute Hg pomociacute genu koacutedujiacuteciacuteho reduktaacutezu Hg2+ na Hg0

a uvolněniacute do ovzdušiacute

půdy sedimenty odkaliště průmysloveacute a zemědělskeacute odpadniacute vody

kovy - Se Hg chlorovanaacute rozpouštědla

stromy traacutevy Brassica sp

fytodegradace degradace kontaminantů rostlinou na netoxickeacute laacutetky

půdy sedimenty odkaliště odpadniacute vody

ropneacute laacutetky pesticidy detergenty

stromy traacutevy

rhizofiltrace odstraněniacute pomociacute rostlinnyacutech kořenů

povrchoveacute vody odpadniacute vody

těžkeacute kovy - Co Cu Cr Mn Ni radionuklidy

Brassica sp Helianthus vodniacute rostliny hydroponie

superrostliny

niacutezkeacute naacuteklady

kořenovaacute čistička = umělyacute mokřad oddělenyacute od okoliacute nepropustnou foacuteliiacute využiacutevaacute samočisticiacutech procesů probiacutehajiacuteciacutech v propustneacutem půdniacutem prostřediacute za spoluuacutečasti rostlin čištěniacute odpadniacutech vod z domaacutecnostiacute sklaacutedek a některyacutech průmyslovyacutech provozů

Rhizofiltrace

httpwwwnemcoviceczcontentviewfull3607

rostliny s vysokyacutemi

naacuteroky na vyacuteživu

+

bakterie

může zapaacutechat

5x - 10 x nižšiacute naacuteklady

Člověk čistiacute odpadniacute vodu za pomoci zařiacutezeniacute

ale přiacuteroda to zvlaacutedaacute bez přiacutestrojů a mnohem levněji

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute niacutezkeacute naacuteklady

rostlina chemickaacute sloučenina

pšenice 24 -D MCPA jako zdroj uhliacuteku

kukuřice atrazin degradace atrazinu mikroorganismy rhizosfeacutery

fazole diazinon parathion mineralizace v rhizosfeacuteře

luštěniny nafta

Kučerovaacute et al 1999 Chemickeacute listy

přiacutejem - velikost kořenoveacuteho systeacutemu přiacutestupnost pro rostlinu např chelaacutety

transport rostlinou - apoplast (difuacuteziacute)

symplast (specifickeacute přenašeče)

miacutesto uskladněniacute hustota rostlin v porostu

zaacutevažnějšiacute ekologickyacute a toxikologickyacute vyacuteznam přibližně 16 prvků (Fe Mo Mn Zn NiCo Cu V W Cr Hg Pb Cd Sb Ag a U)

Budoucnost fytoremediaciacute niacutezkeacute naacuteklady

Fytoremediace v praxi

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Ural 1953 odstraněniacute těžkyacutech kovů

Amana Iowa hybridniacute topoly atrazin odstraněna čaacutest až 20

Beaverton Kreton

hybridniacute topoly

organickeacute laacutetky kovy

a amonneacute sloučeniny

celkoveacute vyčistěniacute oblasti

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Fukušima 113 2011 slunečnice radioaktivniacute cesium dekontaminace půdy

Černobyl 2641986 slunečnice jabloně

cesium stroncium dekontaminace půdy povrchoveacute vody

paacutes 30 km - likvidace radioaktivniacutech rostlin

nebudou spaacuteleny rozloženy a kompostovaacuteny - speciaacutelniacute bakterie

slunečnice spotřebovaacutevajiacute z půdy drasliacutek kteryacute patřiacute mezi alkalickeacute kovy stejně jako cesium drasliacutek neniacute v půdě přiacutetomen květiny využijiacute praacutevě druhyacute prvek - Cs

Biotechnologie v ŽP niacutezkeacute naacuteklady

fytomining - fytodobyacutevaacuteniacute fytodolovaacuteniacute

ziacuteskaacutevaacuteniacute kovů z rostlin kde klasickaacute těžba je nevyacutehodnaacute rostliny - bdquotěžaři vzaacutecnyacutech kovůldquo a polokovů AuTh Co U Cd Ni Cu Mn

v rostlinaacutech hyperakumulaacutetorech je akumulace prvku sušina rostliny jako -ldquobio-rudaldquo

vyacutehody

- obsah kovu v bdquobio-ruděldquo je vyššiacute než v běžneacute rudě

- meacuteně skladovatelneacuteho miacutesta

- zelenaacute technologie jako alternativa

fytomining Ni pomociacute Alyssum bertolonii

Robinson et al 1997 The nickel hyperaccumulator plant Alyssum bertolonii as a potential agent for phytoremediation and phytomining of

nickel Journal of Geochemical Exploration59(2)75-86

zlatonosneacute rostliny

zlataacute jablka

zlateacute kapradiacute

hledaacuteniacute nalezišť

technologie budoucnosti

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute bioplasty z biomasy (škroby tuky) nahrazujiacute fosilniacute zdroje vyacutehodou je biodegradace biopaliva rostlinnyacute materiaacutel a řasy bioethanol GMO rezistentniacute rostliny vůči postřikům hmyziacutem škůdcům transfer genů pro symbiotickou fixaci dusiacuteku z luštěnin do dalšiacutech plodin přenos genů z bdquoC4ldquo do bdquoC3ldquo rostlin pro dosaženiacute uacutečinnějšiacute fotosynteacutezy (ryacuteže)

Transgenoziacute se přenaacutešiacute přirozeneacute geny vznikleacute evoluciacute z jednoho organismu do druheacuteho kteryacute se s daacutercem genu obvykle

nemůže křiacutežit pouze dokaacuteže přenosy mezi vyacutevojově ještě vzdaacutelenějšiacutemi organismy

Geny použiacutevaneacute při transgenosi jsou braacuteny z přiacuterody např gen v soacuteji tolerujiacuteciacute glyfosaacutet - je z bakterie rodu Agrobacterium

Klasičtiacute šlechtiteleacute takto pracujiacute daacutevno např smiacutechali geny pšenice a žita

GMO

Transgenoze ndash vnaacutešeniacute znaacutemyacutech jednotlivyacutech genů do dědičneacuteho

zaacutekladu (poprveacute 1978)

Pro přenos - Agrobacterium tumefaciens A rhizogenes E coli

httpblogscassuffolkeduiglesias20140424gmos

GMO bez obalu httpwwwbezpecnostpotravinczUserFilespublikaceGMO_web_1pdf

GMO - transgenniacute rostliny CARTAGENSKYacute PROTOKOL o biologickeacute bezpečnosti 29 1 2000 Montreal (OSN ndash program pro životniacute prostřediacute UNEP) platnost 11 9 2003

ČR podepsala 24 52000 (gmovschtcz) nyniacute 160 staacutetů

opatřeniacute ve staacutetech ktereacute se připojiacute k projektu (dovoz vyacutevoz transport)

vzdělaacuteniacute odborniacuteků a informovaacuteniacute veřejnosti

vytvořeniacute noveacute legislativy GMO (wwwenvcz )

spolupraacutece při vyacuteměně zkušenostiacute

Svět 2010 - viacutece než 150 mil ha viacutece než 20 zemiacute

pro vegetačniacute čaacutesti

nebo plody

CIacuteL PROTOKOLU - zajistit ochranu a bezpečnost při zachaacutezeniacute využiacutevaacuteniacute a přenosu živyacutech modifikovanyacutech organismů ktereacute jsou vyacutesledkem moderniacutech biotechnologiiacute a ktereacute mohou miacutet nepřiacuteznivyacute vliv na zachovaacutevaacuteniacute biologickeacute rozmanitosti a zdraviacute člověka Protokol je zaměřen předevšiacutem na převoz GMO přes hranice staacutetů a maacute ochraňovat zejmeacutena staacutety kteryacutem dosud chybiacute vlastniacute vnitrostaacutetniacute praacutevniacute předpisy v oblasti GMO

GMO - transgenniacute rostliny historie

EVROPA

SRN - Max-Planck-Institut

Belgie - Universita Ghent

Švyacutecarsko- ETH Zurych

ČR - Biofyzikaacutelniacute uacutestav Brno (Agrobacterium jako vhodnyacute přenašeč genů)

ČR - UacuteEB ČSAV Českeacute Budějovice (metody modifikaciacute)

2010 1 transgenniacute hraacutech v Evropě (ČR Agritec Šumperk)

transgenniacute len - oleje

FYTOPATOLOGIE IN VITRO

Fytopatologie in vitro

in vitro selekce = kultivace buněk se selekčniacutem činitelem (fitraacutet inokulum toxin)

ndash přežiacutevajiacuteciacute buňky jsou regenerovaacuteny do rostlin resistentniacuteho fenotypu

Studium interakce rostlina x patogen v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

Druh Patogen Typ biologickeacuteho testu Ciacutel

Coffea arabica Colletotrichum kahawae růst houby na kalusech vyacuteběr rezistentniacutech genotypů

Vitis vinifera Elsinoe ampelina růst kalusu na meacutediu s patogenem testy rezistence

Lycopersicon aes Alternaria alternata testy na izollistech in vitro hodnoceniacute toxicity

Pinus taeda Cronartium quercuum embryokultury s houbami vyacuteběr rezistentniacutech embryiacute

Triticum aestivum Microdochium nivale listy semenaacutečky in vitro vyacuteběr rezistentniacutech kultivarů

ozdravovaacuteniacute rostlin

klonoveacute množeniacute rezistentniacutech taxonů

Page 27: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK 1 rychleacute namnoženiacute

2 ozdravovaacuteniacute

3 překonaacuteniacute nekřiacutežitelnosti - embryokultury

4 dlouhodobeacute udržovaacuteniacute genetickyacutech zdrojů

5 indukce mutantů - ziacuteskaacuteniacute novyacutech genotypů

6 předselekce - urychleniacute šlechtitelskeacuteho cyklu

7 ziacuteskaacuteniacute novyacutech a udrženiacute genotypů s pylovou sterilitou

8 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho procesu

9 produkce haploidů

10 produkce polyploidů

11 rychlejšiacute ziacuteskaacuteniacute vyacutechoziacuteho šlechtitelskeacuteho materiaacutelu pro noveacute odrůdy

12 somatickaacute hybridizace - fuacuteze

13 konstrukce novyacutech genotypů kulturniacutech plodin přenos bdquoužitečnyacutech genůldquo

14 udržovaacuteniacute genofondu

15 selekce in vitro - rezistence k abiotickyacutem a biotickyacutem stresům

16 produkce sekundaacuterniacutech metabolitů

Plodina Technika

ječmen pšenice kukuřice

řepka paprika brukvovitaacute

zelenina mrkev

androgeneze

cibule gynogeneze

jahodniacutek česnek ozdravovaacuteniacute

brambor traacutevy polyploidizace in vitro

jeteloviny drobneacute ovoce

ovocneacute dřeviny podnože traacutevy mikropropagace

brambor řepka somatickaacute hybridizace

hraacutech brambor rezistence k chorobaacutem

traacutevy embryokultury

Kombinace metod embryokultury oplozeniacute in vitro fuacuteze protoplastů

plodiny se geneticky upravujiacute pro většiacute rezistenci k herbicidům - ničeniacute plevele bez poškozeniacute uacuterody GM rajčata potlačujiacute gen pro polygalakturonaacutezu enzym degradujiacuteciacute pektin způsobujiacuteciacute měknutiacute pletiv (Deacon a kol 2002)

Biotechnologie ndash přiacuteklady využitiacute EK

Meristeacutemoveacute kultury

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny meristeacutemoveacute kultury

Vyacutehody maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky naacuteslednaacute mikropropagace ozdraveneacuteho materiaacutelu bdquovirus - freeldquo

Vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana Iniciace kultury Testovaacuteniacute in vitro Přenos do nesterilniacutech podmiacutenek Testovaacuteniacute

MERISTEacuteM ndash děliveacute nediferencovaneacute pletivo ozdravovaacuteniacute rostlin (02 - 05 mm) meristeacutemy

OZDRAVOVAacuteNIacute Termoterapie (vyššiacute teplota)

Meristeacutemovaacute kultura Chemoterapie (antivirotika)

viry - nebuněčneacute mikroorganismy virovaacute čaacutestice = virion sklaacutedaacute se z RNA nebo DNA a kapsidu

fytopatologie in vitro

ribavirin

In vitro ozdravovaacuteniacute - bezviroacutezniacute rostliny

Vyacuteznamneacute viroveacute choroby rostlin v ČR od 30 ztraacutet CaMV - 1968 PVY 30 -70 VMCH (virus mozaiky chmele) až o 70 mozaika česneku 25 - 50 žloutenka cibule až 100 bronzovitost rajčat

- žloutnutiacute listů kroužky a čaacutery na listech nevyvinuteacute rostliny abnormaacutelniacute růst - vstupujiacute různyacutemi poraněniacutemi - šiacuteřiacute se plasmodesmaty - velmi odolneacute proti inaktivaci - přenaacutešeny semeny hliacutezami pylem roubovaacuteniacutem hmyzem houbami červy

1952 Morel a Martin u jiřin

Využitiacute metody jahodniacutek česnek zeleniny květiny okrasneacute dřeviny ovocneacute dřeviny banaacutenovniacutek hellip

Tvorba bezviroacutezniacutech rostlin

1 meristeacutem = 1 rostlina testovaacuteniacute

wwwoselczindexphpclanek=2819

viroacutezniacute x zdravaacute

M Navraacutetil KBBPřFUPOL

PVY

In vitro klonovaacuteniacute mikropropagace meristeacutemoveacute kultury

zisk geneticky identickeacute rostliny vegetativniacutem množeniacutem

VYacuteHODY

maleacute čaacutesti mateřskeacute rostliny ktereacute jsou geneticky stabilniacute

v aseptickeacutem prostřediacute definovaneacute podmiacutenky

vyššiacute množitelskyacute koeficient - potenciaacutelniacute hodnota zisku rostlin

Postup - vyacuteběr a přiacuteprava mateřskeacuteho materiaacutelu - fit ochrana - iniciace kultury - mikropropagace - přenos do nesterilniacutech podmiacutenek

KLON - kolekce geneticky identickyacutech individuiacute původem z jedineacuteho rodiče

komerčně od 1960

httpwwwjanholubcz

In vitro meristeacutemoveacute kultury - využitiacute - zaacutechrana a množeniacute ohroženyacutech druhů kaktusy

- zaacutechranneacute množeniacute cennyacutech genotypů a liniiacute sterilniacutech rostlin - udrženiacute rodičovskyacutech komponent pro tvorbu hybridniacutech odrůd

- množeniacute transgenniacutech rostlin

- zachyceniacute a klonovaacuteniacute nově nalezenyacutech mutantů při šlechtěniacute

- klonovaacuteniacute nejlepšiacutech jedinců pro produkci elitniacuteho osiva

- vegetativniacute množeniacute okrasnyacutech rostlin karafiaacutet gerbera anthurie orchideje

sanpaulie kapradiny hellip

- množeniacute drobneacuteho ovoce jahodniacutek maliniacutek reacuteva

- množeniacute dřevin podnože pro školkařstviacute lesniacute dřeviny tropickeacute dřeviny

- v zelinaacuteřstviacute množeniacute brambor zeliacute

- množeniacute pouze samičiacutech rostlin datlovaacute palma

- kryoprezervace (-196 oC) jahodniacutek maliniacutek hraacutech brambor karafiaacutet

Genoveacute

banky

Mikropropagace multiplikace klonovaacuteniacute nejen z meristeacutemů

Solanum tuberosum Cucumis sativus Olea europea Eucalyptus grandis Salix sp Syringa sp Juglans regia

Schopnost regenerace tvorba identickyacutech rostlin = přiacutemaacute somatickaacute embryogeneze

Meristeacutemy Pryacutetoveacute segmenty Kalusy Embrya

Zdroje odchylek bull vysokeacute daacutevky růstovyacutech regulaacutetorů typ regulaacutetoru bull rostliny regenerujiacute z basaacutelniacuteho kalusu (možnost gen změn)

Kalusoveacute kultury

Kalusoveacute kultury

Primaacuterniacute explantaacutet kalus meristemoid orgaacutenoveacute primordium

Kalus = masa děliacuteciacutech se a rostouciacutech buněk

nejsou uniformniacute mohou se lišit velikostiacute tvarem pigmentaciacute metabolismem nebo počtem chromosomů

bull za určityacutech podmiacutenek regenerace pryacutetů a kořiacutenků

tma x světlo

subkultivace

metoda geneticky nestabilniacute

Kalusoveacute kultury - somaklonaacutelniacute variabilita ndash MUTACE a zisk novyacutech znaků

- mikropropagace ndash cibule žen-šen hellip

- vyacutechoziacute materiaacutel pro suspenzniacute a protoplastovou kulturu

- materiaacutel pro indukovaneacute mutace (zaacuteřeniacute chemomutageny)

- sekundaacuterniacute metabolity (alkaloidy AMK saponiny oleje složky vůniacute protinaacutedoroveacute laacutetky steroidy )

polyploidie aneuploidie

Selekce mutantů se zlepšenou nutričniacute hodnotou (viacutece biacutelkovin v zrnu)

Rezistence vůči zasoleniacute (vysokyacute turgor v buňkaacutech akumulace NaCl ve vakuolaacutech)

Rezistence vůči chorobaacutem (synteacuteza fytotoxinů fytoalexinů)

Sekundaacuterniacute metabolity (= chemickeacute individuality v rostlinaacutech ndash barviva vůně chuti obrana)

Artemisia annua - artemisin (antimalarika) Capsicum sp - capsaicin (protinaacutedoroveacute)

Digitalis lanata - digoxin (srdečniacute stimulanty) Papaver somniferum - codein (sedativa)

Taxus breviola - taxol (protinaacutedoroveacute) Vanilla planifolia - vaniliacuten (aroma)

Panax ginseng - (imunitniacute systeacutem) Zingiber officinale ndash gingerol (antioxidant)

Somatickaacute embryogeneze a suspenzniacute kultury

Využitiacute

umělaacute semena (enkapsulace somatickyacutech embryiacute)

využitiacute somatickeacute variability

klonoveacute množeniacute

sekundaacuterniacute metabolismus (suspenze)

kryoprezervace

Buněčnaacute suspenze = převedeme kalus do tekuteacuteho meacutedia

a provzdušňujeme (kontakt buněk a shluků buněk s meacutediem)

vznikaacute bipolaacuterniacute struktura obsahujiacuteciacute kořen a pryacutet

auxin (24-D)

umělaacute semena

Mutace RADIOMUTANT PROSPĚCH NEBO ZAacuteLUDNOST

SPONTAacuteNNIacute MUTACE využiacutevaacute člověk při šlechtěniacute odrůd spur typy (kompakt typy) jabloniacute absence trnů u ostružiniacuteku variabilita květenstviacute jiřinky proměnliveacute vznik plemen domaacuteciacutech zviacuteřat je založen na podchyceniacute spontaacutenniacutech mutaciacute ndash plemena psů

INDUKOVANEacute MUTACE působeniacute mutagenů

zaacuteměrneacute ndash ve vyacutezkumu ve šlechtěniacute rostlin (př odrůdy ječmene DIAMANT (zkraacuteceniacute steacutebel ndash nepoleacutehaacute) kompaktniacute růst a samosprašnost třešně změna barvy slupky u jabloně ndash sbquoredlsquo mutace)

nezaacuteměrneacute ndash důsledek použitiacute jadernyacutech a chemickyacutech zbraniacute ndash Yperit jaderneacute a jineacute katastrofy

1950 radiomutace chemomutace 1965 ječmen Diamant

Suspenzniacute kultury - SK KULTURA V TEKUTEacuteM MEacuteDIU ROSTE A DĚLIacute SE NĚKOLIKANAacuteSOBNĚ RYCHLEJI NEŽ KULTURA

NA PEVNEacuteM MEacuteDIU Využitiacute jako experimentaacutelniacute model produkce sekundaacuterniacutech metabolitů indukce somaklonaacutelniacute variability a naacutesledneacute selekce mikropropagace (pod kontrolou genetickeacute stability) pohyb kultury v bioreaktoru maacute za naacutesledek potlačeniacute apikaacutelniacute dominance tiacutem se stimuluje růst mnohonaacutesobnyacutech pryacutetů

Bioreaktory firmy VitroSys Inc Korea

ideaacutelniacute SK ndash rychlyacute růst karyologickaacute stabilita životnost buněk rentabilita

Minimaacutelně 103 ml buněk 110 suspenze v exponenciaacutelniacute faacutezi se doplniacute čerstvyacutem meacutediem Koncentrace sacharidů prodlužuje periodu růstu

Velkokapacitniacute kultivace rostlinnyacutech buněk v tekutyacutech meacutediiacutech sterilniacute prostřediacute obsahujiacuteciacute živiny a laacutetky potřebneacute pro růst a jeho regulaci vhodneacute pro kultivaci rostlinnyacutech mikrobiaacutelniacutech a živočišnyacutech buněk

Bioreaktor

Bioreaktory s tekutyacutem meacutediem explantaacutety jsou ponořeny v tekuteacutem meacutediu Bioreaktory s pravidelnyacutem zaplavovaacuteniacutem (temporary immersion bioreactor TIB) explantaacutety jsou pravidelně zaplavovaacuteny

Bioreaktor

httpwwwuebcasczcscontentzensenove-spagety

pěstujiacute se jen kořeny - zisk GINSENOSIDŮ za 3 měsiacutece v laboratoři stejnyacute zisk jako z rostlin ženšenu v přiacuterodě za 8 let obsah GINSENOSIDŮ je srovnatelnyacute s planě rostouciacutemi rostlinami množstviacutem i vzaacutejemnyacutem poměrem jednotlivyacutech laacutetek

v Koreji od r 2004

hairy-root systeacutem a sekundaacuterniacute metabolity

Sekundaacuterniacute metabolity - SM ROSTLINA BUNĚČNAacute KULTURA

EXTRAKT prověřovaacuteniacute oddělovaacuteniacute čištěniacute aktivniacute složky testovaacuteniacuteprověřovaacuteniacute

ČISTAacute BIOAKTIVNIacute LAacuteTKA

SM z buněčneacute kultury - extrakty ziacuteskaneacute za reprodukovatelnyacutech podmiacutenek spolehliveacute zdroje meacutedium - množstviacute čisteacuteho produktu

buňky rostou v tekuteacutem meacutediu -ne celaacute rostlina

produkt rostlina in vitro ()

rostlina ()

poměr

ginsenoside Panax ginseng 27 45 6 x

rosmarinic acid Coleus blumei 27 3 9 x

caffeic acid Vanilla planifolia 002 0005 4 x

shikonin Lithospermum erythrorhizon

20 15 135 x

ubiquinon-10 Nicotiana tabacum 0036 0003 12 x Heldman et al 2011

anti

oxy

dan

ty v sušině

bioreaktory

Sekundaacuterniacute metabolity - SM Rostlina Uacutečinnaacute laacutetka Uacutečinek

Artemisia annua pelyněk ročniacute artemisinin antimalarikum

Digitalis lanata naacuteprstniacutek vlnatyacute digoxin srdečniacute stimulants

Dubosia myoporoides lilkoviteacute atropin

scopolamin

očniacute přiacutepravky mořskaacute nemoc

Lithospermum

erythrorhizon

kamejka

rudokořennaacute

shikonin protinaacutedoroveacute

Panax ginseng ženšen pravyacute stimulant imunitniacuteho systeacutemu

Salix alba vrba biacutelaacute salicin antirevmatikum proti horečce

Taxus brevifolia tis

zaacutepadoamerickyacute

baccatin taxol protinaacutedoroveacute

Vinca rosea barviacutenek růžovyacute vinblastin

vinkristin

protinaacutedoroveacute alkaloidy

leukeacutemie

buněčnaacute kultura

Rostlina Extrakt Uacutečinek

Linum usitatissimum len setyacute olej

Mentha piperita maacuteta peprnaacute maacutetovyacute olej -

mentol

žaludečniacute potiacuteže

Mentha spicata maacuteta klasnataacute mentol žaludečniacute potiacuteže

Zingiber officinale zaacutezvor leacutekařskyacute gingerol antioxidant

informace z tradičniacute lidoveacute mediciacuteny - použitiacute extraktů a purifikace zdroje z nedotčeneacuteho ekosysteacutemu

kalusovaacute kultura buněčnaacute suspenze orgaacutenovaacute kultura - Artemisia Mentha - pryacutety

rostliny jsou vyacuterobci sekundaacuterniacutech metabolitů

cytostatikum

Sekundaacuterniacute metabolity - SM

Heldman et al 2011

VYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY

nezaacutevisleacute na geografickyacutech podmiacutenkaacutech

nezaacutevisleacute na sezoacutenniacutech podmiacutenkaacutech

v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

v přiacuterodě kontrolovaacuteno množstviacute in vitro ne

nepřetržitaacute dodaacutevka produktu

uniformniacute kvalita produktu

uniformniacute vyacutetěžnost produktu (průběžně)

vyacuteběr vhodneacute linie s vyššiacute produkciacute produktu

možnost tvorby novyacutech laacutetek nenormaacutelniacutech u donora

NEVYacuteHODY BUNĚČNEacute KULTURY staacutele se vyviacutejejiacuteciacute

překaacutežky - pomalyacute růst

genetickaacute nestabilita

různorodost

niacutezkyacute obsah metabolitu

produkty vylučovaacuteniacute provozniacute - světelneacute podmiacutenky aseptickeacute podmiacutenky

STRATEGIE TVORBY SM vyacuteběr donorovyacutech rostlin - biochemickeacute testy

iniciace kalusů

vyacuteběr buněčneacute linie - rychle rostouciacute vysokaacute produkce

ciacutelenyacute metabolismus - kultivačniacute meacutedium (složeniacute koncentrace proporcionalita)

kultivačniacute podmiacutenky (teplota světlo pH) zvlaacuteštniacute požadavky (prekurzor simulace stresu - napadeniacute patogenem)

uvolněniacute do meacutedia

Embryokultury

Embryokultury = kultivace zralyacutech nebo nezralyacutech embryiacute in vitro

1904 Hannig - embrya u ředkve

1925 Laibach - aplikace v mezidruhoveacutem křiacuteženiacute r Linum sp

1945 Randolph - zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu u r Iris sp

1970 Kasha Kao - ziacuteskaacuteniacute haplodů u ječmene

Hordeum vulgare (zůstaacutevaacute) x Hordeum bulbosum (eliminace chromozoacutemů)

Zygotickaacute embrya vyacuteživa z endospermu (heterotrofniacute)

Embrya in vitro vyacuteživa z kultivačniacuteho meacutedia

In vitro oplodněniacute u člověka - 1978 pro neplodneacute paacutery

geneticky stabilniacute metoda

Embryokultury- in vitro

I Kultura semennyacutech embryiacute tj izolace plně vyvinutyacutech

bipolaacuterniacutech struktur obsahujiacuteciacutech kořenovyacute a stonkovyacute systeacutem

II Kultura proembryiacute tj izolace nezralyacutech zaacuterodků předchaacutezejiacuteciacutech

diferenciaci děloh

Embryogeneze zygotickeacuteho embrya (in vivo)

zygota (přiacuteprava na 1 děleniacute)

faacuteze pomaleacuteho vyacutevinu embrya po oplozeniacute

faacuteze rychleacuteho vyacutevinu růstu a diferenciace embrya

faacuteze dozraacutevaacuteniacute embrya

faacuteze přechodu embrya do dormance (ABA)

Embryokultury

1 překonaacuteniacute barieacuter vzdaacuteleneacuteho křiacuteženiacute (abortace hybridniacutech embryiacute sterility semen)

2 zkraacuteceniacute šlechtitelskeacuteho cyklu (viacutece generaciacute za rok)

3 řešeniacute jarovizačniacuteho staacutedia

4 primaacuterniacute explantaacutet pro dalšiacute kultury

5 eliminace inhibice kliacutečeniacute

6 studium mineraacutelniacute vyacuteživy

7 umělaacute semena

8 studium metabolickyacutech vztahů mezi embryem a endospermem embryem a dělohami

9 ziacuteskaacuteniacute haploidniacutech rostlin

Opylovaacuteniacute in vitro

Opylovaacuteniacute in situ

in vitro

Inkompatibilita rostlin

zaručuje stabilitu druhu

Barieacutery procesu opyleniacute a oplozeniacute

vnějšiacute (teplota vlhkost nedostatečnaacute vyacuteživa )

vnitřniacute (inkompatibilita samčiacute nebo samičiacute sterilita)

využitiacute v raacutemci šlechtěniacute rostlin k překonaacuteniacute prezygotickyacutech barieacuter vznik mezidruhovyacutech mezirodovyacutech hybridů

Barieacutery Technika překonaacuteniacute

Před oplodněniacutem selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute blizny pestiacuteku pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

rezistence vůči abiotickeacutemu stresu rezistence vůči škůdcům vyššiacute vyacutenos

přenos z jineacuteho druhu

EK využitiacute ve šlechtěniacute

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury HAPLOID rostlina s n počtem chromozomů menšiacute sterilniacute

1963 T Yamada a kol Tradescantia reflexa (haploidy)

1964 - 1966 S Guha SC Maheswari Datura diploidizace kolchicinem

1969 JP Nitsch a kol celeacute rostliny (tabaacutek)

1973 JP Nitsch Norrel mikrosporoveacute kultury

2000 šlechtitelskeacute programy polniacutech plodin (obiloviny řepka)

využiacutevajiacute haploidniacute kultury in vitro

Androgeneze prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

Androgeneze - kultivace prašniacuteků pyl zrn mikrospor = samčiacute genotyp

Gynogeneze - kultivace neoplodněnyacutech vajiacuteček = samičiacute genotyp

Haploidie - spontaacutenniacute = haploidniacute partenogeneze (gynogeneze androgeneze) frekvence 10-6

- experimentaacutelniacute indukovanaacute

fyzikaacutelniacute faktory = UV γ-zaacuteřeniacute X-paprsky teplotniacute šoky

zaacutesahy do procesů opyleniacute a oplozeniacute (inaktivniacute pyl)

explantaacutetoveacute metody = prašniacutekoveacute a pyloveacute kultury kultivace semeniacuteků a vajiacuteček

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury Ontogeneze pylu

In vivo mikrosporogeneze

pylovaacute mateřskaacute buňka

meiosa

pyloveacute tetraacutedy

vyacutevoj mikrospory (1 pyl mitoacuteza)

In vitro vyacutevoj embryoidu

(vegetativniacute generativniacute buňka)

- přiacutemaacute embryogeneze

- nepřiacutemaacute embryogeneze

Prašniacutekoveacute a mikrosporoveacute kultury

využitiacute haploidů (majiacute jen jednu sadu chromosomů)

segregace vloh na gametickeacute uacuterovni ndash homozygoacutetniacute stav (čisteacute linie v F2 generaci)

detekce recesivniacutech mutaciacute (fenotypickyacute projev)

trpasličiacute varieta ndash u okrasnyacutech rostlin

Dihaploidizace

n rostliny - sterilniacute

104 ndash 105 mikrospoacuterml meacutedia

Brassica sp

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Prašniacutekoveacute kultury

viacutece než 200 druhů (řepka ryacuteže kukuřice obiloviny)

20-60 dnů

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

vyacutevoj globulaacuterniacuteho embrya a naacutesledně haploidniacute rostliny přiacutemo z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory

z pyloveacuteho zrna nebo mikrospory vznikaacute kalus rarr indukce organogeneze

TYPY ANDROGENEZE

vzaacutecně

mezi ziacuteskanyacutemi rostlinami jsou hledaacuteny rostliny s žaacutedanyacutemi vlastnostmi

Solanaceae

Brassicaceae

Poaceae

prašniacuteky

Androgeneze

Indukovanaacute androgeneze ndash přiacuteklady

Beta vulgaris - homozygotniacute linie

Brassica napus - novaacute odrůda linie

Hordeum vulgare

Lycopersicon - novaacute odrůda

Nicotiana - noveacute odrůdy

Oryza - noveacute odrůdy

Pelargonium - trpasličiacute variety

Triticum ndash cv Florin Huapei

Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby Praha Vyacutezkumnyacute uacutestav obilnaacuteřskyacute Kroměřiacutež Vyacutezkumnyacute uacutestav olejnin Oseva

Gynogeneze kultury izolovanyacutech vajiacuteček

kultury izolovanyacutech semeniacuteků

kultury izolovanyacutech květenstviacute in vitro

haploidniacute rostliny

spontaacutenniacute dihaploidniacute rostliny

ječmen kukuřice moruše

slunečnice cibule

kultivace vajiacuteček Beta vulgaris Tomaszewska-Sowa 2010

327 haploids 458 diploids and 215 ndash mixoploids

x opyleniacute ozaacuteřenyacutem pylem

přiacutemaacute

nepřiacutemaacute

Polyploidizace in vitro

duplikace celeacuteho genomu až 70 všech krytosemennyacutech rostlin je polyploidniacutech (Masterson 1994) POLYPLOID metabolicky aktivnějšiacute a rozměrnějšiacute plodiny ktereacute jsou vhodneacute pro pěstovaacuteniacute a leacutepe se vyrovnaacutevajiacute se stresovyacutemi podmiacutenkami

kolchicin

oryzalin

trifluralin

Protoplastoveacute kultury a fuacuteze protoplastů

1892 Klecker - 1 mechanickaacute izolace protoplastů Stratiotes aloides (řezan pilolistyacute) 1960 EC Cocking 1 enzymatickaacute izolace protoplastů Nicotiana sp 1978 G Melchers a kol 1 mezirodovyacute hybrid bdquopomatoldquo bdquotopatoldquo Solanum tuberosum x S lycopersicum (Lycopersicum esculentum)

httptheplanetfixerorg387new-vegetable-created-the-tomato-potato-plant

Protoplastoveacute kultury

= kultivace rostlinnyacutech buněk zbavenyacutech buněčneacute stěny

Protoplast = rostlinnaacute buňka bez buněčneacute stěny jejiacute povrch tvořiacute cytoplazmatickaacute membraacutena maacute kulovityacute tvar

Protoplastoveacute kultury - regenerace

Faktory ovlivňujiacuteciacute kultivaci a regeneraci

Hustota ( počet protoplastů v 1 ml)

Životnost ()

Podmiacutenky kultivace a meacutedium

bull Studium synteacutezy buněčneacute stěny vyacutevoj buňky fyziologie buňky a cytogenetiku

bull Studium hodnoceniacute uacutečinků farmak potravinovyacutech doplňků agrochemickyacutech laacutetek na rostlinnou

buňku

bull Studium transportu iontů a laacutetek přes cytoplasmatickou membraacutenu

bull Somatickaacute hybridizace (fuacuteze protoplastů)

bull Inkorporace exogenniacuteho genetickeacuteho materiaacutelu ndash organel cybridizace

bull Genoveacute transformace (cizorodaacute DNA z bakteriaacutelniacuteho plasmidu)

Protoplastoveacute kultury - fuacuteze

Využitiacute

kombinace znaků odlišnyacutech druhů a rodů ktereacute by nevznikly přirozenou cestou

jedinečneacute kombinace jadernyacutech a organelovyacutech genomů vytvaacuteřiacute noveacute genetickeacute zdroje

často jen - čaacutest chromozomů asymetrickeacute jaderneacute hybridy

chloroplasty

mitochondrie

chemickeacute fuacuteze - pomalejšiacute elektrofuacuteze - fuacutezanti po 10 min vyššiacute frekvence fuacutezantů

cytoplazmickeacute hybridy - cybridy

Charakterizace hybridů - morfologicky cytologicky molekulaacuterniacute analyacutezy

Přirozenaacute mezidruhovaacute hybridizace - vznik některyacutech kulturniacutech plodin

B oleracea + B campestris = Brassica napus Nicotiana sylvestris + N tomentosa = Nicotiana tabacum

cybridy nelze ziacuteskat klasickou hybridizaciacute (křiacuteženiacutem) ndash samčiacute pohlavniacute buňky (pyl zrna) nemajiacute plastidy a mitochondrie

V přiacuterodě blesky do půdy modifikace bakteriiacute

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

Přenos jaderneacute a cytoplazmatickeacute genetickeacute informace mezi rostlinnyacutemi druhy rody

- překonaacuteniacute sexuaacutelniacute inkompatibility

- přenos genů rezistence vůči virovyacutem houbovyacutem chorobaacutem

- přenos cytoplazmatickeacute samčiacute sterility

- přenos rezistence vůči stresům (teplotniacutem zasoleniacute)

- přenos rezistence vůči hmyziacutem škůdcům

(synteacuteza fytoalexinů)

- přenos genů pro synteacutezu zaacutesobniacutech proteinů vitamiacutenů

alkaloidů

plnokvětost

Protoplastoveacute kultury- fuacuteze protoplastů

využitiacute pro fytoremediace

Brassica juncea Tlaspi caerulescens brukev siacutetinovitaacute peniacutezek modravyacute akumulace Pb akumulace Zn a Ni hybrid se zvyacutešenou rezistenciacute k Pb Zn a Ni rychlyacute naacuterůst

biomasy

Brassica napus Thlaspi caerulescens hybridi rostly na vysokeacutem obsahu Zn

Fuacuteze protoplastů rodu Brassica s planyacutemi druhy

Armoracia rusticana

Barbarea vulgaris

Camelina sativa

Capsella bursa pastoris

Diplotaxis catholica

Diplotaxis muralis

Diplotaxis harra

Eruca sativa

Lesquerella fendleri

Mathiola incana

Moricandia arvensis C4

Moricandia nitens C4

Raphanus sativus

Sinapis alba

Sinapis arvensis

Thlaspi perfoliatum

Thlaspi caerulescens

Genoveacute banky In vitro genoveacute banky

2397 vzorků 1249 odrůd Solanum tuberosum 450 teraploidniacutech křiacuteženců S tuberosum 266 dihaploidů 119 mezidruhovyacutech hybridů rodu Solanum 313 genotypů kulturniacutech genotypů 23 planyacutech druhů

Havliacutečkův Brod

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu rostlin

1 Uchovaacutevaacuteniacute semen ndash semenneacute banky (od 1 roku - hellip)

2 Uchovaacutevaacuteniacute vegetativniacutech orgaacutenů ndash hliacutezy cibule řiacutezky

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro Kraacutetkodobeacute - aktivně rostouciacute kultury (pravidelneacute pasaacuteže) - uchovaacuteniacute kultur v minimaacutelniacutem růstu nižšiacute teploty kultivace

Dlouhodobeacute u rostlin kde nejsou semena

- za velmi niacutezkyacutech teplot (-196oC) = kryobanka

Databaacuteze ndash přiacutestupneacute z celeacuteho světa

Špicberky

genobanka - wwwvurvcz part databases EVIGEZ

vyacuteznam v mediciacuteně

Zaacuteložniacute fond semena potravinaacuteřskyacutech plodin z celeacuteho světa

stane se zaacuteložniacutem fondem pro ostatniacutech 1400

semennyacutech bank po celeacutem světě

v Iraacuteku a v Afghaacutenistaacutenu byla podobnaacute zařiacutezeniacute za

vaacutelky zcela zničena

na Filipiacutenaacutech je v roce 2006 poškodila povodeň

semennaacute banka pro světoveacute plodiny je umiacutestěna v hoře

maacute vyztuženeacute stěny betonem a železem

třiacute komory o velikosti 27 kraacutet 10 metrů

teplota minus 18 oC (konzervace po stovky až tisiacutece let) httpwwwnorambczarkivBasisartikler---OversettelserIkke-

bruktnovinkyseedvault_eng

k 1172010 zde bylo uloženo 716 523 vzorků semen patřiacuteciacutech ke 4 205 druhům

českaacute banka uloženaacute v Praze-Ruzyni zaacuteloha na Slovensku

Špicberky

Uchovaacutevaacuteniacute genofonduv ČR

genofond odrůd meruněk broskvoniacute mandloniacute reacutevy vinneacute kdouloniacute lonicer rakytniacuteků a dřiacutenů

2400 položek

25 000 položek

5400 položek 2397

položek

4700 položek

2000 položek

2300 položek

Naacuterodniacute informačniacute systeacutem genetickyacutech zdrojů EVIGEZ httpwwwgenbankvurvczgeneticresources

Uchovaacutevaacuteniacute genofondu in vitro

KRYOBANKA

prašniacuteky a pyl pletiva a orgaacuteny meristeacutemy

kalus

suspennzniacute somatickaacute kultury embrya

dlouhodobeacute skladovaacuteniacute

nižšiacute naacuteroky na uchovaacuteniacute

mezinaacuterodniacute vyacuteměna

nižšiacute podiacutel lidskeacute praacutece

potřeba menšiacuteho prostoru

uchovaacuteniacute genetickeacute stability

omezeniacute staacuternutiacute

ozdravenyacute materiaacutel

prodlouženeacute použitiacute pylu

uchovaacuteniacute vzaacutecnyacutech rostlin

apikaacutelniacute vrcholy

Biotechnologickaacute laboratoř Nestleacute - uchovaacutevaacute buněčneacute embryogenniacute linie kaacutevy kakaa a banaacutenů

Německaacute sbiacuterka mikroorganismů a buněčnyacutech kultur (DSMZ Braunschweig Německo) meristeacutemy 519 staryacutech kultivarů brambor ndash metoda mrazeniacute alginaacutetovyacutech perel

International Potato Centre (CIP Lima Peru) - 345 kultivarů brambor

INIBAP Leuven Belgie - 306 kultivarů banaacutenu (14 ze světoveacuteho počtu kultivarů)

Naacuterodniacute genobanka klonů NCGR USA - ročniacute naacuteklady

udržovaacuteniacute jedneacute položky v sadu (hrušně) 77 dolarů na skladovaacuteniacute in vitro 23 dolarů na kryoprezervaci 1 dolar (při počaacutetečniacute investici na kryometodu 50 dolarů za uchovaacutevanou jednotku)

Přiacuteklady komerčniacuteho využitiacute kryoprezervace meristeacutemů

Aplikace biotechnologiiacute ve šlechtěniacute rostlin

rostliny postraacutedajiacute schopnost aktivně se přesouvat z dosahu nepřiacuteznivyacutech vlivů rostliny vyvinuly adaptačniacute mechanismy pro překonaacuteniacute stresů a tiacutem přežitiacute v extreacutemniacutech podmiacutenkaacutech

Biotechnologie v zemědělstviacute ekologickeacute zemědělstviacute

VLIV ŠKŮDCŮ CHOROB A PLEVELŮ NA ZEMĚDĚLSKEacute PLODINY

1 sniacuteženiacute velikosti a vaacutehy zrna 2 ztraacuteta ve velikosti hliacutez a kořenů 3 zvyacutešeniacute obsahu vlhkosti 4 změny v chemickeacutem složeniacute zrna hliacutez a kořenů 5 odbarveniacute zrna a hliacutez - deformace 6 tvorba mykotoxinů patogeny 7 sniacuteženiacute kliacutečivosti 8 redukce krmiva

spotřeba vody - rezistence k suchu sniacutežiacute spotřebu uchovaacuteniacute vody rostlinou aplikace hnojiv chemickaacute kontrola škůdců

- studium abiotickeacuteho stresu

- zlepšeniacute ochrany rostlin vůči škůdcům

- ochrana životniacuteho prostřediacute

- zlepšeniacute kvality potravin

odstraněniacute hladu GMO fytoremediace

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

ohroženiacute klimatickyacutem suchem v ČR ndash nejrizikovějšiacute oblasti nižšiacute polohy na jižniacute a středniacute Moravě v prostoru mezi Prahou Uacutestiacutem nad Labem a Žatcem zaacutepadně od Pardubic

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

1 Rezistence k suchu - využitiacute vody zachovaacuteniacute vody v rostlinaacutech - zvyacutešeniacute produkce kutinu prodlužovaacuteniacute kořenů osmotickeacute zabezpečeniacute ochrana před oxidativniacutem stresem 2 Techniky opylovaacuteniacute 3 Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců 4 Rezistence k herbicidům

přechod rostlin na souš 450 mil let

gen koacutedujiacuteciacute protein zvyšujiacuteciacute produkci kutinu

gen koacutedujiacuteciacute stavebniacute protein prodlužujiacuteciacute buňky kořene

geny koacutedujiacuteciacute proteiny ktereacute zabraňujiacute destruktivniacutemuacuteuacutečinku vysokeacute koncentrace iontů zvyacutešeniacutem tvorby

transportniacutech proteinů ktereacute pumpujiacute ionty do vakuol

geny koacutedujiacuteciacute proteiny odpovědneacute za synteacutezu malyacutech molekul (osmoprotektantů) stabilizujiacuteciacutech membraacuteny

gen koacutedujiacuteciacute katalasu kteraacute rozklaacutedaacute kysliacutekoveacute radikaacutely (ROS)

Biotechnologie v zemědělstviacute

Rezistence k suchu - využitiacute vody

Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

vyacutevoj samčiacuteho gametofytu - spojen s expresiacute genů - 150 specifickyacutech genů spraacutevneacute načasovaacuteniacute

sporofyt gametofyt

2n 1n

rostlina pylovaacute zrnazaacuterodečnyacute vak

pohlavniacute rozmnožovaacuteniacute přiacuterodniacute vyacuteběr

pylzrna - exina (ovlivněna sporofytem) ochrana před UV laacutekaacuteniacute opylovačů - barva vůně komunikace s bliznou produkce alergenů

strategie rostlin zabraacuteněniacute samoopyleniacute

Biotechnologie v zemědělstviacute samčiacute gametofyt n TETRASPORE (TES) reg gen je vyžadovaacuten ke tvorbě přepaacutežek mezi produkty meioacutezy u mutanta všechna čtyři jaacutedra mikrospoacutery zůstaacutevajiacute ve stejneacute cytoplazmě polyploidniacute jedinci n GEMINI POLLEN 1 (GEM1) reg gen je vyžadovaacuten k orientaci mitotickeacuteho vřeteacutenka mutant tvořiacute dvě symetrickaacute jaacutedra typu vegetativniacuteho vede ke sterilitě n SIDECAR POLLEN (SCP) reg gen je vyžadovaacuten k děleniacute pylu prvniacute symetrickaacute pylovaacute mitoacuteza mutanta daacutevaacute dvě stejneacute buňky jedna extra- vegetativniacute (sterilniacute sidecar) a druhaacute regvegetativniacute a generativniacute mutace nevede ke sterilitě n QUARTET (QRT) reg gen je vyžadovaacuten k separaci pylovyacutech zrn u mutantů jsou stěny meiotickyacutech produktů pyloveacute mateřskeacute buňky fuacutezovaacuteny a zrna se uvolňujiacute v tetraacutedaacutech

samičiacute makrogametofyt n FERTILIZATION-INDEPENDENT SEED (FIS) a FERTILIZATION-INDEPENDENT ENDOSPERM (FIE) reg geny hrajiacute regulačniacute role ve vyacutevinu semene po oplozeniacute u mutantů se diploidniacute jaacutedra endospermu vyviacutejejiacute bez oplozeniacute pak atrofujiacute mutace neovlivňujiacute vaječnou buňku - procesy embryogeneze a vyacutevinu endospermu jsou odlišneacute n MEDEA (MEA) reg mutace genu způsobuje hypertrofii a zaacutenik embrya neniacute jasneacute na jakeacute uacuterovni se gen projevuje zaacuterodečnyacute vak endosperm nebo maternaacutelně imprintovanyacute embryonaacutelniacute gen

Biotechnologie ve šlechtěniacute rostlin Selektivniacute šlechtěniacute rostlin - přiacuterodniacute genetickeacute diverzity rostlin Techniky překonaacuteniacute barieacuter šlechtěniacute

Barieacutery Technika překonaacuteniacute Před oplodněniacutem

selhaacuteniacute kliacutečeniacute pylu odstraněniacute pestiacuteku

pomalyacute růst pyloveacute laacutečky chemickeacute předpůsobeniacute fytohormony

pylovaacute laacutečka neroste opylovaacuteniacute in vitro

selhaacuteniacute ziacuteskaacuteniacute sexuaacutelniacutech hybridů fůze protoplastů

odlišneacute čiacuteslo chromozomů chemickeacute navozeniacute duplicity chromozomů

Po oplodněniacute

abortace embrya in vivoin vitro embryokultutry

sterilniacute hybridy chemickaacute diploidizace (zdvojeniacute chromozoacutemů)

vyacutevoj semen

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

Škůdci v historii naacutelety sarančat (Staryacute zaacutekon)

ochrana saze tabaacutek

začaacutetek 19 stol - siacutera na houboveacute patogeny 1939 objev DDT uacutečinek na hmyz teorie bdquohmyz se může staacutet rezistentniacuteldquo 1948 Nobelova cena P Muumlller

50 leacuteta 20 st - herbicidy - postřiky na plevele ( rezistence na herbicid) 1972 zaacutekaz DDT (vyacutejimka - boj s malaacuteriiacute v Africe - naacutevrat DDT)

škůdce - hmyz hliacutestice 1861 - v Americe Iowa Nebraska 1880 1 pesticid v S Americe arzeacutenem bdquoParis greenldquo

S rostouciacute intenzitou pěstovaacuteniacute roste hospodaacuteřskyacute vyacuteznam škodlivyacutech organismů objem škod se zvyšuje staacutele přibyacutevajiacute noveacute druhy škodlivyacutech organismů zavaacutedějiacute se staacutele noveacute prostředky

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin - hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy

1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho

obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

ROS Reactive oxygen species reaktivniacute formy kysliacuteku SAR Systemic acquired resistance systeacutemově ziacuteskanaacute rezistence = neinfikovaneacute buňky začiacutenajiacute s přiacutepravou na atak patogena

napadeneacute rostliny uvolňujiacute signaacutelniacute molekuly (těkaveacute laacutetky - druhově specifickeacute) a varujiacute okolniacute rostliny ještě před napadeniacutem hmyzem

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute

Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců Rezistence k herbicidům

princip vnitřniacuteho systeacutemu ochrany rostlin -hypersenzitivniacute odpověď - lokalizace infekce- rostlina odpoviacutedaacute na infekci - podle molekul z patogena přes bdquoROSldquo spouštiacute biochemickeacute procesy 1 vyvolaacute siacuteťovaacuteniacute molekul v BS zesiacuteliacute ochranu vůči patogenu 2 programuje buněčnou smrt infikovaneacute buňky i patogena 3 ROS je pro okolniacute buňky varovnyacute signaacutel a stimuluje aktivaci sekundaacuterniacuteho obranneacuteho systeacutemu tzv bdquoSARldquo

produkujiacute u různyacutech rostlin různě - sekundaacuterniacute metabolity - odstrašeniacute nebo zničeniacute patogena - proteiny inhibujiacuteciacute aktivitu zažiacutevaciacutech enzymů hmyzu - enzymy degradujiacuteciacute buněčnou stěnu hub (chitinaacutezy) - proteiny inhibujiacuteciacute překlad proteinů u škůdce - antiviroveacute složky degradujiacuteciacute virovou RNA blokujiacute vstup do buňky zastavujiacute replikaci

geny ktereacute bdquoSARldquo zapiacutenajiacute zvyšujiacute rezistenci rostliny

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům - již v čaacutesti fytotatologie

Co je plevel soutěžiacute s plodinou o živiny světlo a prostor intenziacutevně roste podiacuteliacute se na šiacuteřeniacute chorob a škůdců

lat herba - rostlina řeč cidoacute - ničiacutem

Vznik rezistence plevelů vůči některyacutem herbicidniacutem laacutetkaacutem = reakce plevelnyacutech druhů na podmiacutenky současneacuteho pěstovaacuteniacute rostlin = dlouhodobeacute působeniacute herbicidů

Vyacutevoj plevelů na zemědělskeacute půdě v naacutevaznosti na skladbu pěstovanyacutech plodin Vznik rezistence plevelů vůči herbicidům Problematika invaziacute a expanziacute plevelů

Biotechnologie v zemědělstviacute Rezistence k suchu - využitiacute vody Techniky opylovaacuteniacute Chemickaacute kontrola hmyziacutech škůdců

Rezistence k herbicidům

Rezistenci vůči herbicidům způsobujiacute biochemickeacute fyziologickeacute změny nebo morfologickeacute odlišnosti ktereacute ovlivňujiacute přiacutejem herbicidů rostlinou

- degradujiacute herbicid

- měniacute jeho biochemickou funkci v rostlině

- pozměňujiacute miacutesto na ktereacute herbicid v rostlině působiacute

Rezistence rostlin vůči herbicidům dědičnaacute schopnost odolaacutevat takoveacute daacutevce herbicidů při ktereacute by za normaacutelniacutech okolnostiacute byla populace potlačena

směr pro šlechtěniacute

Aplikace rostlinnyacutech biotechnologiiacute v životniacutem

prostřediacute

takto nebo takto

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Těžba a zpracovaacuteniacute surovin(těžkeacute kovy- Cd Pb prach) Průmyslovaacute vyacuteroba (barviva)

Skladovaacuteniacute (haldy kaliště sklaacutedky) Zemědělstviacute (pesticidy herbicidy)

Domaacuteciacute odpad (leacutečiva detergenty praciacute prostředky)

čin

no

st č

lově

ka

půda voda ovzdušiacute

znečištěniacute

degradace organismy produkujiacuteciacute laacutetky (enzymy) pro

ciacutelenyacute rozklad

organismy snižujiacuteciacute toxicitu toxickeacute laacutetky metylaciacute dehalogenace hydroxylace hydrolyacuteza deaminacehellip

substraacutet je zdrojem C a energie

dekontaminace

+ katastrofy Černobyl vaacutelečneacute konflikty

remediace = navraacuteceniacute k původniacutemu stavu

Biodegradace všechny přirozeneacute procesy ktereacute jsou uskutečňovaacuteny bakteriemi a jinyacutemi mikroorganizmy nebo vyššiacutemi organismy ktereacute vedou k destrukci organickyacutech molekul = organickyacute substraacutet je přeměňovaacuten až na CO2 Bioremediace (bakterie houby)

spočiacutevaacute v akceleraci přirozenyacutech biodegradačniacutech procesů nebo v ciacuteleneacute biodegradace - vede k ozdraveniacute kontaminovaneacuteho prostřediacute - detoxifikace měniacute se na netoxickeacute = neškodneacute laacutetky - aplikaciacute mikroorganismů

Fytoremediace (rostliny) niacutezkaacute cena

využitiacute rostlin k odstraněniacute toxickeacute zaacutetěže (těžkeacute kovy) řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny Zooremediace (zviacuteřata)

zpracovaacuteniacute odpadů pomociacute zviacuteřat bezobratliacute - perlorodky měkkyacuteši

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

nevyacutehody pomalaacute viacutece než 2 roky maleacute rozměry vhodnyacutech rostlin maacutelo druhů vhodnyacutech rostlin neniacute 100 probleacutem s rostlinnyacutem odpadem - potřeba zvlaacuteštniacutech sklaacutedek spadeneacute listiacute

- řiacutezeneacute spalovaacuteniacute

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacute len slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

vyacutehody mineralizace organickyacutech sloučenin niacutezkeacute naacuteklady pasiacutevniacute metoda bez transportu kontaminovaneacute půdy energie ze slunečniacuteho zaacuteřeniacute nepoškozuje okoliacute - sniacuteženiacute prašnosti

estetickyacute přiacutenos etickyacute uacutečinek (veřejnosti přijatelnyacute)

2005 cca 450 rostlinnyacutech druhů - tzv bdquohyperakumulaacutetoryldquo 100 x vyššiacute akumulace než u ostatniacutech rostlin

teorie vzniku - obrana vůči hmyzu - hmyz preferuje

niacutezkeacute koncentrace kovu

Thlaspi careulescens

X bagrovaacuteniacute kontaminovaneacute zeminy transport zeminy dekontaminace

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute přiacutejem kořeny - z půdy přiacutejem nadzemniacute čaacutestiacute rostliny - vyacutefukoveacute plyny

akumuluje

degraduje

detoxifikuje

roste na kontaminovaneacute půdě

produkuje velkeacute množstviacute biomasy

tolerantniacute k salinitě a jinyacutem toxickyacutem podmiacutenkaacutem

poskytuje ekonomickeacute hodnoty - textilniacute vlaacutekna (len konopiacute)

GMO - gen fytovolatizace - bakteriaacutelniacute geny transformovaacuteny do rostlin transgeny merA a merB fytoextrakce - gen gsh1 a gsh2 z E coli do Brassica juncea

potenciaacutel je v GMO rostlinaacutech

Laboratoř rostlinnyacutech biotechnologiiacute Společnaacute laboratoř UacuteEB AV ČR vvi A VUacuteRV vvi Akademie věd Českeacute Republiky Mendelova univerzita v Brně Uacutestav experimentaacutelniacute botaniky AV ČR Vyacutezkumnyacute uacutestav rostlinneacute vyacuteroby v Praze Metoda použita na čištěniacute uranem a radiem znečištěneacute vody v Mydlovarech - kořenovaacute čistiacuterna

ideaacutelniacute rostlina

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute

proces substraacutet ciacutel rostlina

fytoextrakce fytoakumulace

odstraněniacute toxickyacutech laacutetek z půdy a vody - akumulaciacute rychle rostouciacute rostlinou (zůstaacutevaacute v rostlině)

půda sedimenty kaly odpadniacute vody

toxickeacute kovy radionuklidy

Thlaspi sp Brassica sp

fytostabilizace ciacuteleneacute pěstovaacuteniacute tolerantniacutech druhů zamezeniacute eroziacute

půda haldy odkaliště těžkeacute kovy dlouheacute a bohateacute kořeny

fytovolatizace odstraněniacute Hg pomociacute genu koacutedujiacuteciacuteho reduktaacutezu Hg2+ na Hg0

a uvolněniacute do ovzdušiacute

půdy sedimenty odkaliště průmysloveacute a zemědělskeacute odpadniacute vody

kovy - Se Hg chlorovanaacute rozpouštědla

stromy traacutevy Brassica sp

fytodegradace degradace kontaminantů rostlinou na netoxickeacute laacutetky

půdy sedimenty odkaliště odpadniacute vody

ropneacute laacutetky pesticidy detergenty

stromy traacutevy

rhizofiltrace odstraněniacute pomociacute rostlinnyacutech kořenů

povrchoveacute vody odpadniacute vody

těžkeacute kovy - Co Cu Cr Mn Ni radionuklidy

Brassica sp Helianthus vodniacute rostliny hydroponie

superrostliny

niacutezkeacute naacuteklady

kořenovaacute čistička = umělyacute mokřad oddělenyacute od okoliacute nepropustnou foacuteliiacute využiacutevaacute samočisticiacutech procesů probiacutehajiacuteciacutech v propustneacutem půdniacutem prostřediacute za spoluuacutečasti rostlin čištěniacute odpadniacutech vod z domaacutecnostiacute sklaacutedek a některyacutech průmyslovyacutech provozů

Rhizofiltrace

httpwwwnemcoviceczcontentviewfull3607

rostliny s vysokyacutemi

naacuteroky na vyacuteživu

+

bakterie

může zapaacutechat

5x - 10 x nižšiacute naacuteklady

Člověk čistiacute odpadniacute vodu za pomoci zařiacutezeniacute

ale přiacuteroda to zvlaacutedaacute bez přiacutestrojů a mnohem levněji

Fytoremediace (rostliny) - pasiacutevniacute technika

využitiacute rostlin k odstraněniacute přesunu toxickeacute zaacutetěže (např těžkeacute kovy) - kontaminantů řasy peniacutezek rolniacute rychle rostouciacute rostliny (technickeacute konopiacutelen slunečnice kukuřice) a rychle rostouciacute dřeviny

Biotechnologie životniacuteho prostřediacute niacutezkeacute naacuteklady

rostlina chemickaacute sloučenina

pšenice 24 -D MCPA jako zdroj uhliacuteku

kukuřice atrazin degradace atrazinu mikroorganismy rhizosfeacutery

fazole diazinon parathion mineralizace v rhizosfeacuteře

luštěniny nafta

Kučerovaacute et al 1999 Chemickeacute listy

přiacutejem - velikost kořenoveacuteho systeacutemu přiacutestupnost pro rostlinu např chelaacutety

transport rostlinou - apoplast (difuacuteziacute)

symplast (specifickeacute přenašeče)

miacutesto uskladněniacute hustota rostlin v porostu

zaacutevažnějšiacute ekologickyacute a toxikologickyacute vyacuteznam přibližně 16 prvků (Fe Mo Mn Zn NiCo Cu V W Cr Hg Pb Cd Sb Ag a U)

Budoucnost fytoremediaciacute niacutezkeacute naacuteklady

Fytoremediace v praxi

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Ural 1953 odstraněniacute těžkyacutech kovů

Amana Iowa hybridniacute topoly atrazin odstraněna čaacutest až 20

Beaverton Kreton

hybridniacute topoly

organickeacute laacutetky kovy

a amonneacute sloučeniny

celkoveacute vyčistěniacute oblasti

lokalita rostliny kontaminant vyacutesledek

Fukušima 113 2011 slunečnice radioaktivniacute cesium dekontaminace půdy

Černobyl 2641986 slunečnice jabloně

cesium stroncium dekontaminace půdy povrchoveacute vody

paacutes 30 km - likvidace radioaktivniacutech rostlin

nebudou spaacuteleny rozloženy a kompostovaacuteny - speciaacutelniacute bakterie

slunečnice spotřebovaacutevajiacute z půdy drasliacutek kteryacute patřiacute mezi alkalickeacute kovy stejně jako cesium drasliacutek neniacute v půdě přiacutetomen květiny využijiacute praacutevě druhyacute prvek - Cs

Biotechnologie v ŽP niacutezkeacute naacuteklady

fytomining - fytodobyacutevaacuteniacute fytodolovaacuteniacute

ziacuteskaacutevaacuteniacute kovů z rostlin kde klasickaacute těžba je nevyacutehodnaacute rostliny - bdquotěžaři vzaacutecnyacutech kovůldquo a polokovů AuTh Co U Cd Ni Cu Mn

v rostlinaacutech hyperakumulaacutetorech je akumulace prvku sušina rostliny jako -ldquobio-rudaldquo

vyacutehody

- obsah kovu v bdquobio-ruděldquo je vyššiacute než v běžneacute rudě

- meacuteně skladovatelneacuteho miacutesta

- zelenaacute technologie jako alternativa

fytomining Ni pomociacute Alyssum bertolonii

Robinson et al 1997 The nickel hyperaccumulator plant Alyssum bertolonii as a potential agent for phytoremediation and phytomining of

nickel Journal of Geochemical Exploration59(2)75-86

zlatonosneacute rostliny

zlataacute jablka

zlateacute kapradiacute

hledaacuteniacute nalezišť

technologie budoucnosti

Směr rostlinnyacutech biotechnologiiacute bioplasty z biomasy (škroby tuky) nahrazujiacute fosilniacute zdroje vyacutehodou je biodegradace biopaliva rostlinnyacute materiaacutel a řasy bioethanol GMO rezistentniacute rostliny vůči postřikům hmyziacutem škůdcům transfer genů pro symbiotickou fixaci dusiacuteku z luštěnin do dalšiacutech plodin přenos genů z bdquoC4ldquo do bdquoC3ldquo rostlin pro dosaženiacute uacutečinnějšiacute fotosynteacutezy (ryacuteže)

Transgenoziacute se přenaacutešiacute přirozeneacute geny vznikleacute evoluciacute z jednoho organismu do druheacuteho kteryacute se s daacutercem genu obvykle

nemůže křiacutežit pouze dokaacuteže přenosy mezi vyacutevojově ještě vzdaacutelenějšiacutemi organismy

Geny použiacutevaneacute při transgenosi jsou braacuteny z přiacuterody např gen v soacuteji tolerujiacuteciacute glyfosaacutet - je z bakterie rodu Agrobacterium

Klasičtiacute šlechtiteleacute takto pracujiacute daacutevno např smiacutechali geny pšenice a žita

GMO

Transgenoze ndash vnaacutešeniacute znaacutemyacutech jednotlivyacutech genů do dědičneacuteho

zaacutekladu (poprveacute 1978)

Pro přenos - Agrobacterium tumefaciens A rhizogenes E coli

httpblogscassuffolkeduiglesias20140424gmos

GMO bez obalu httpwwwbezpecnostpotravinczUserFilespublikaceGMO_web_1pdf

GMO - transgenniacute rostliny CARTAGENSKYacute PROTOKOL o biologickeacute bezpečnosti 29 1 2000 Montreal (OSN ndash program pro životniacute prostřediacute UNEP) platnost 11 9 2003

ČR podepsala 24 52000 (gmovschtcz) nyniacute 160 staacutetů

opatřeniacute ve staacutetech ktereacute se připojiacute k projektu (dovoz vyacutevoz transport)

vzdělaacuteniacute odborniacuteků a informovaacuteniacute veřejnosti

vytvořeniacute noveacute legislativy GMO (wwwenvcz )

spolupraacutece při vyacuteměně zkušenostiacute

Svět 2010 - viacutece než 150 mil ha viacutece než 20 zemiacute

pro vegetačniacute čaacutesti

nebo plody

CIacuteL PROTOKOLU - zajistit ochranu a bezpečnost při zachaacutezeniacute využiacutevaacuteniacute a přenosu živyacutech modifikovanyacutech organismů ktereacute jsou vyacutesledkem moderniacutech biotechnologiiacute a ktereacute mohou miacutet nepřiacuteznivyacute vliv na zachovaacutevaacuteniacute biologickeacute rozmanitosti a zdraviacute člověka Protokol je zaměřen předevšiacutem na převoz GMO přes hranice staacutetů a maacute ochraňovat zejmeacutena staacutety kteryacutem dosud chybiacute vlastniacute vnitrostaacutetniacute praacutevniacute předpisy v oblasti GMO

GMO - transgenniacute rostliny historie

EVROPA

SRN - Max-Planck-Institut

Belgie - Universita Ghent

Švyacutecarsko- ETH Zurych

ČR - Biofyzikaacutelniacute uacutestav Brno (Agrobacterium jako vhodnyacute přenašeč genů)

ČR - UacuteEB ČSAV Českeacute Budějovice (metody modifikaciacute)

2010 1 transgenniacute hraacutech v Evropě (ČR Agritec Šumperk)

transgenniacute len - oleje

FYTOPATOLOGIE IN VITRO

Fytopatologie in vitro

in vitro selekce = kultivace buněk se selekčniacutem činitelem (fitraacutet inokulum toxin)

ndash přežiacutevajiacuteciacute buňky jsou regenerovaacuteny do rostlin resistentniacuteho fenotypu

Studium interakce rostlina x patogen v kontrolovanyacutech podmiacutenkaacutech

Druh Patogen Typ biologickeacuteho testu Ciacutel

Coffea arabica Colletotrichum kahawae růst houby na kalusech vyacuteběr rezistentniacutech genotypů

Vitis vinifera Elsinoe ampelina růst kalusu na meacutediu s patogenem testy rezistence

Lycopersicon aes Alternaria alternata testy na izollistech in vitro hodnoceniacute toxicity

Pinus taeda Cronartium quercuum embryokultury s houbami vyacuteběr rezistentniacutech embryiacute

Triticum aestivum Microdochium nivale listy semenaacutečky in vitro vyacuteběr rezistentniacutech kultivarů

ozdravovaacuteniacute rostlin

klonoveacute množeniacute rezistentniacutech taxonů

Page 28: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 29: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 30: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 31: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 32: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 33: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 34: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 35: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 36: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 37: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 38: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 39: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 40: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 41: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 42: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 43: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 44: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 45: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 46: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 47: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 48: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 49: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 50: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 51: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 52: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 53: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 54: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 55: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 56: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 57: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 58: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 59: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 60: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 61: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 62: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 63: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 64: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 65: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 66: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 67: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 68: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 69: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 70: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 71: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 72: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 73: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 74: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 75: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 76: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 77: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 78: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 79: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 80: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 81: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 82: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 83: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 84: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 85: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 86: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 87: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 88: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 89: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 90: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 91: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 92: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 93: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 94: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 95: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 96: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 97: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 98: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 99: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,
Page 100: Zvyšování konkurenceschopnosti studentů oboru botanika a …botany.upol.cz/pagedata_cz/vyukove-materialy/149... · 2014. 11. 27. · Využití rostlinných biotechnologií v zemědělství,