A búza termőterülete és termésátlaga között a Világon

Átírás

1

2 A búza termőterülete és termésátlaga között a Világon 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Év Termő terület ( 1000 ha) Termésátlag ( t/ha) Termőterület (1000 ha) Termésátlag (t/ha)

3 Hagyományos növénynemesítés: klasszikus genetikai törvények alapján növényi genotípus szelekciója. Populáció, egyed, kromoszóma szinten a fenotípusból kiindulva hozza létre az új genotípust: - keresztezéses nemesítés, - heterózis nemesítés, - mutációs nemesítés, - interspecifikus és intergenerikus hibridizáció Nőtt a növények genetikailag meghatározott produktivitása a zöld forradalom hatására, nagyarányú kemizálás, gépesítés, öntözéses gazdálkodás Fenotípus: egy szervezet megjelenési formája a genotípus és a környezet kölcsönhatásaként Genotípus: a szervezet genetikai felépítése, öröklődő tulajdonságainak összessége

4 A harvest index változása Van Dobben (1962) 34% régi 40% új fajták Vogeletal.(1963) 32% régi 38% új fajták Szunics et al. (1985) 22.9% régi 47% új fajták Litvinenko (2001) 21.2% régi 43.5% új fajták Lukjanenko (1966) optimális arány 50%

5 A biomassza produkció változása (Austin et al ) Biomass (g/m2) Straw (g/m2) Grain (g/m2) Very old Old Intermediate Modern

6 Genetikai haladás England kg/ha/year (Austin 1989) France kg/ha/year (Bonjean 2001) France kg/ha/year (Bonjean 2001) Hungary kg/ha/year (Balla et al. 1986) Mexico kg/ha/year (Hernandez Sierra 1988) Kansas USA kg/ha/year (Cox et al. 1988)

7 Búza x rozs kromoszóma szubsztituciók és transzlokációk Riebesel (1920-as évek és 1931) Salzmünder Bartweizen 1BL/1RS Katterman (1937) Zorba és Markus 1BL/1RS Pm 8, Lr 26, Sr 31 és Yr 9 Sebesta (1976) Amigo 1AL/1RS Gb2, Pm 17, Lr 24, Sr 24

8 Yield (t/ha)

9 A búzatermelés évenkénti növekedésének változása a XX. század 2. felében (%) (L.R. Braun 1998) 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,

10 ,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 Evolution des rendements blé tendre année FR BE DK IT NL Rdt q/ha

11 Termőképesség és termésbiztonság Termőképesség és beltartalmi minőség kapcsolata Termőképesség és kémiai anyagok felhasználása Termőképesség és agroökológiai egyensúly fenntartása

12 t/ha 5 4,5 4 3,5 3 A búza termésátlaga és a felhasznált műtrágya mennyisége Magyarországon (KSH, FM, STAGEK, AKII) , , ,6 4, ,24 3,81 NPK kg/ha/év ,5 2, ,5 1 0,5 0 0, , ,6 50 0

13 Termésbiztonság növelése, nagy szezonális szélsőségek csökkentése Biotikus és abiotikus stresszrezisztencia növelése Funkcionális élelmiszer alapanyag előállítására alkalmas növényfajta Bioenergetikai célra alkalmas növények nemesítése WUE és NUE javítása Technológiai rendszerekre adaptált és/vagy nemesített fajták

14 Biotechnológiai eljárások a növénynemesítésben Szomaklonális variabilitás: kallusz, sejtszuszpenzió, protoplaszt (zigóta eredetű) kultúrákból szelektált növények genetikai determinált variabilitása Gametoklonális variabilitás: a meiozis során bekövetkező variabilitás a gaméta eredetű dihaploid növények között Mutánsok izolálása in vitro sejt- és szövettenyésztészetekben In vitro haploid indukció, felhasználása a dihaploid nemesítésben

15 A dihaploid nemesítés új genotípusok gyorsított előállítására Új genetikai források gyorsított létrehozása A nemesítés idejének, a homozigóta genotípus létrehozásának és szelekciós szakasz idejének 3-4 évvel történő lerövidítése

16 - Új referencia populációk előállítása molekuláris genetikai vizsgálatokhoz - A transzformációs technológia hatékony eszköze homozigóta traszgénikus növény előállítására - Az in vitro dihaploid nemesítés hasznos kiegészítője a klasszikus nemesítésnek amennyiben igen szelektív kritériumok alapján kívánunk létrehozni/tanulmányozni a nemesítésben igen fontos populációkat - Az in vitro haploid sejt szelekció nem versenyképes a tudatosan bevitt gén(ek) felhasználásával végzett transzformációs technológiával

17 A genetikai variabilitás szélesítése molekuláris technikák alkalmazásával Molekuláris növénynemesítés: új növényi genotípusok szelekciója modern DNS technikák felhasználásával. A genotípusból kiindulva, annak célirányos megváltoztatásával hozza létre a növény fenotípusát. - Molekuláris markerek segítségével történő szelekció - Növényi géntechnológia genetikailag módosított növényfajták előállítására DNS: a növényi sejtmagban és egyes sejtorganellumokban (kloroplasztisz, mitokondrium) megtalálható örökítő anyag, amelynek az információt a nukleotidok sorrendje határozza meg.

18 Európai növénynemesítők és a géntechnológia módszereinek alkalmazása (Arundel et al. Nature Biotechnology,, 2000) Genetikai transzformáció & hagyományos nemesítés % % Molekuláris marker szelekcióval kiegészített hagyományos nemesítés % % Hagyományos nemesítés % %

19 A kultúrnövények DNS szintű jellemzése Teljes genom szekvenálási programok a mezőgazdaságilag fontos növényfajoknál Gén: a DNS azon szakasza, amely egy vagy több fehérje kódját és annak megnyilvánulásához szükséges regulációs szekvenciákat tartalmazza Genom: a sejtmagban található DNS szekvenciákat jelenti Növényi genom szekvenálás: a genomiális DNS nukleotid sorrendjének megállapítása Arabidopsis thaliana 800 millió nukleotid Kukorica 3,9 milliárd nukleotid Búza 17,0 milliárd nukleotid Funkcionális genomanalízis: a gének helyének meghatározása térképezési eljárásokkal

20 A molekuláris marker által segített szelekció előnyei Fenotípus, biokémiai és molekuláris markerek Egy tulajdonság megváltoztatására hatékony szelekció Környezeti befolyástól mentes (pl. beltartalmi tulajdonság esetén) Gén piramidálás BC felgyorsítása a rekurrens szülői tulajdonság szelektálására Patogén ritka előfordulása esetén

21 Géntechnológia a molekuláris növénynemesítésben Géntechnológia: a növényi sejtmagban és sejtorganellumokban (mitokondrium, plasztiszok) meglévő genetikai program megváltoztatása molekuláris genetikai módszerekkel Genetikai transzformáció: idegen származású DNS bevitele a növényi genomba hagyományos szexuális út kikerülésével, modern génátviteli módszerek alkalmazásával Transzgénikus vagy genetikailag módosított (gm) növény: a genomjába idegen származású gén bejuttatása géntechnológiai módszerrel, amely a genomba integrálódik, működik és öröklődik. Ezáltal a gm növények idegen származású fehérjét termelnek. Ciszgénikus növény: saját vagy rokon fajból származó gén bejuttatása géntechnológiai módszerrel, amely a genomba integrálódik, működik és öröklődik.

22 A hagyományos nemesítéssel nehezen, vagy nem megoldható változások létrehozása idegen gén bevitelével A stresszrezisztencia növelése, a termésstabilitás javítása, környezetkímélő technológiák fejlesztése Új feldolgozóipari tulajdonságok kutatása, bioaktív komponenseket tartalmazó növények előállítása Bioenergetikai célra alkalmas genotípusok nemesítése

23 Nemesítésben használható transzformációs protokoll Agronómiailag hasznos gén transzformáció céljára Transzformációhoz felhasználható célgenom: hagyományos nemesítéssel előállított homozigóta növény Megfelelő hatékonyságú és biztonságú promóter (a transzformált gén expressziójának mértékéért és programozottságáért felelős regulátor génszakasz) Szelekciós rendszer a transzgént tartalmazó genotípus kiválasztására Hatékony növényregenerációs szövettenyésztési rendszer a transzformált növény regenerálására

24 A bevitt gén stabil expresszióját szabályozza a megfelelő szövetben, növényi szervben és az egyedfejlődés megfelelő időpontjában A promóter típusa konstitutív (pl. CaMV35S), szelektív vagy induktív (hormon által, v. vegyszeres kezeléssel, környezet által szabályozott) - függ az expresszió helyétől és idejétől Enhancer elemek: a gének kifejeződését fokozzák, növelik a promóter aktivitását

25 Transzgénikus növényekkel végzett kutatások Tulajdonság Gén BÚZA KUKORICA ÁRPA Lisztharmat rezisztencia Pm3 genetikai módosítás, GM növények értékelése Fagytűrés CBF4, 15, 12, 16 genetikai módosítás, GM növények értékelése gen. módosítás, GM növ. értékelése Sütőipari minőség 1Dx5, 1Ax1 GM növények értékelése Tápérték Ama1 GM növények értékelése Gomba rezisztencia Vírus rezisztencia Rovar rezisztencia Gyomirtószer rezisztencia Chi MDMV-CP-i-PC Cry Bar, Epsps genetikai módosítás, GM növények értékelése genetikai módosítás, GM növények értékelése genetikai módosítás, GM növények értékelése genetikai módosítás, GM növények értékelése

26 Agrobacterium tumefaciens közvetítésével létrehozott transzformáció tumort indukáló plazmid (Ti) T-DNS-e átkerül a növényi sejtekbe, integrálódik a növényi sejtmag DNS-ébe - Ti plazmidok felhasználása a génátvitelben transzformációs vektorként Direkt génbeviteli technikák - DNS bejuttatása protoplasztba kémiai vagy fizikai kezelésekkel (hősokk, PEG) - elektroporáció: elektromos impulzus révén DNS bejuttatása a protoplasztba - biolisztikus eljárással gén bejuttatása éretlen embrióba

27 Biolisztikus géntranszformáció Helium gas nyomás arany részecskék vector embryos on plate Regeneration and selection

28 A génbevitel után 3 hét kallusz indukció sötét körülmények között 3 hét növény regeneráció 2 3 hét a szelekciós táptalajon szelektált túlélő növények

29 Antibiotikum szelekció (kanamycin, geneticin, hydromycin, etc.) Herbicid szelekció (bar vagy phosphinitricin acetyl transferase) A szelekcióra használt marker eltávolítása Vizuális markerek használata (pl. GFP)

30 Szelekciós markerek bar (PAT) as selection marker gene uida, GUS activity in various wheat tissues GFP (green fluorescent protein) in callus

31 Felnevelés a szövettenyésztésben isolation kallusz Érett vagy éretlen embriók A regenerációs képesség több növényfajnál erősen genotípus függő Mv Emese Mv Toborzo Cadenza Bobwhite

32 Szelekció bar rezisztens genotípusokra a T 1 növényeknél

33 A genetikailag módosított fajta nemesítése: a transzgénikus növénytől a transzgénikus fajtáig Transzformációs technológiával létrehozott transzgénikus növény regenerálása szövettenyésztéssel: diploid és haploid regeneráns, rediploidizáció Nemesítési értékkel rendelkező transzgénikus törzsek tesztelése, szelekciója Agronómiai és feldolgozóipari célra alkalmas, biztonságosan termeszthető transzgénikus fajta A molekuláris és hagyományos nemesítési módszerek együttes alkalmazása: integrált növénynemesítés

34 Év Növényfaj 1983 Dohány 1986 Arabidopsis 1989 Rizs 1990 Kukorica 1992 Cukornád, tavaszi búza, zab 1993 Cirok, Őszi búza 1994 Rozs, Tavaszi árpa 1995 Köles 1996 Őszi árpa, durumbúza

35 Több generációban stabilan expresszálódó, homozigóta transzgénikus növények szelekciója Az UPOV követelményeinek megfelelő fajta, amely stabil genommal rendelkezik, és az változatlan módon öröklődik: az idegen gén stabil expressziója Esetleges negatív fejlődési rendellenességek vagy agronómiai tulajdonságok eliminálása visszakeresztezéssel az eredeti recipiens fajtával A bevitt gén a többi tulajdonságot nem befolyásolja hátrányosan Virágzásbiológiai tulajdonságai stabilak, a vetőmag biztonságosan és gazdaságosan előállítható Termesztése nem okoz környezeti és egészségügyi kockázatot, élelmiszer- és takarmány alapanyagként felhasználható

36 Forrás: Clive James, Millió ha

37 Millió ha GM % Herbicid toleráns szója 54,4 60 Bt kukorica 11,3 13 Bt és herbicid toleráns kukorica 6,5 7 Bt gyapot 4,9 5 Herbicid toleráns repce 4,6 5 Bt és herbicid toleráns gyapot 3,6 4 Herbicid toleráns kukorica 3,4 4 Herbicid toleráns gyapot 1,3 2 Összesen 90,0 100,0

38 GM növények Termés előny Környezeti előny (USA ) Bt kukorica + 10% Bt gyapot + 4.4% 72% csökkenés az inszekticid használatban 46% csökkenés az inszekticid használatban Roundup Ready szója + 5% 22% csökkenés a herbicid használatban 90% csökkenés a talajerózióban

39

40

41 A törvény célja, hogy szabályozza az együttermesztést a gm-, a nem gm növényeknél, és az ökogazdálkodásban, valamint megakadályozza a gm növények keveredését a nem gm növényekkel Meghatározza a gm növények termesztésének, szállításának és raktározásának feltételeit Előírja a termesztésbe történő bocsátás követelményeinek dokumentációját Monitoring rendszert állít fel az ellenőrzésre

42 Szakképzési kurzus elvégzése Jóváhagyás megszerzése a szomszédos földtulajdonosoktól A környezetvédelmi hatóság engedélyének megszerzése a termesztéshez Izolációs távolság betartása Természetvédelmi területeken, Natura 2000 területen tilos a gm növény termesztése

43 Konklúzió (FAO: The state of food and agriculture, ) Biotech increasing overall ag productivity It offers opportunities to increase the availability and variety of food Biotech could lower the risk of crop failure It could help reduce environmental damage caused by toxic ag chemicals New generation of gm crops targets the bioavailability of nutrients and the nutritional quality FAO will continue to provide member countries with objective, science-based information and analyses regarding biotech and its applications in crops, livestock, fisheries and forestry Jacques Diouf (FAO Director General)

44 Alkalmazott biokémia, transzgénikus organizmusok - Molekuláris genetikai módszerek alkalmazása a növénynemesítésben, molekuláris nemesítés (szept. 14 Bedő Zoltán) -Géntérképezés, génizolálás (szept. 21 Karsai Ildikó) -Géntranszformációs módszerek (szept. 28 Rakszegi Mariann) Transzgénikus növények regenerálása (szept. 28 Mészáros Klára) -Génexpressziós vizsgálatok (okt. 5 Kocsi Gábor) Géncsendesítés, transzgén kimutatása (okt. 5 Rakszegi Mariann) - Transzgénikus állatok előállítása (okt Gócza Elen)

45 - Transzgénikus növényi alapanyag élelmiszerbiztonsági szabályozása (okt. 12 Gelencsér Éva) - Transzgénikus növények környezetbiztonsági szabályozása (okt. 19 Balázs Ervin) - Transzgénikus növények nemzetközi szabályozása, etikai kérdések Virusellenálló transzgénikus növények előállítása (okt. 26 Balázs Ervin) - Genomikai módszerek felhasználása az abiotikus stresszellenállóság javítására (nov. 2 - Galiba Gábor) - Molekuláris markerek fejlesztése és alkalmazása (nov. 2 Vida Gyula) - Beltartalmi tulajdonságok módosítása (nov. 9 Bedő Zoltán, Rakszegi Mariann) -Genetikailag módosított növények kockázati kérdései (nov. 16 Roszik Péter) - Transzgénikus növények szántóföldi kísérleti módszerei, GM növények elterjedése (nov. 16 Bedő Zoltán)