Főbb trendek a növénynemesítésben R. W. Allard (1996) Termesztett növények Tájfajta Régi fajtapopulációk populáció heterogenitás igen nagy nagy Genetikai elszegényedés és a hasznos gének akkumulációja Modern fajták homogén Nemesítési haladás Genetikai variáció feltárása és új genetikai variáció létrehozása növénynemesítési módszerekkel Transzgresszív szegregáció új tulajdonságokat hordozó genotípusok nemesítésére Szelekciós módszerek kidolgozása új növényfajták előállítására
A hagyományos növénynemesítés alapjai Szaporodásbiológia Tulajdonságok öröklődése Tulajdonság öröklődését meghatározó gének száma Hagyományos nemesítés Nemesítési cél Genetikai variáció felmérése, genetikai források felkutatása Vegetativ módszerrel szaporítás Öntermékenyülő és magterméssel szaporított növények Idegentermékenyülő növények heterózis nemesítés Keresztezés- értékelés szelekció Tesztelés, adatfeldolgozás Új fajta regisztrálása Fajtafenntartás tulajdonságok genetikai stabilitása (UPOV szabályok)
Million hectar 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 1950 1960 1970 1980 1990 1999 area in 1999 area on the yield level in 1949 Szelekció fenotípusos tulajdonságok alapján, klasszikus genetikai vizsgálatokkal 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
1901-1905 1906-1910 1911-1915 1916-1920 1921-1925 1926-1930 1931-1935 1936-1940 1941-1945 1946-1950 1951-1955 1956-1960 1961-1965 1966-1970 1971-1975 1976-1980 1981-1985 1986-1990 1991-1995 1996-2000 Termőterület (1000 ha) Termésátlag (t/ha) 250000 A búza termőterülete és termésátlaga 1901-2000 között a Világon 3 200000 150000 100000 50000 0 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Év Termőterület (1000 ha) Termésátlag (t/ha)
A harvest index változása Van Dobben (1962) 34% régi 40% új fajták Vogel et al. (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%
A biomassza produkció változása (Austin et al. 1989) Biomass (g/m2) Straw (g/m2) Grain (g/m2) 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Very old Old Intermediate Modern
Genetikai haladás England 1908-1985 38 kg/ha/year (Austin 1989) France 1800-1950 10 kg/ha/year (Bonjean 2001) France 1950-1999 50 kg/ha/year (Bonjean 2001) Hungary 1960-1985 59 kg/ha/year (Balla et al. 1986) Mexico 1950-1982 60 kg/ha/year (Hernandez Sierra 1988) Kansas USA 1919-1987 16 kg/ha/year (Cox et al. 1988)
Genetikai források a genetikai variáció növelésére Genetikai források Helyi növényfajták Egzotikus források Tájfajták Vad és termesztett rokon fajok mutánsok Genetikai variáció X XX XXX XXXX XXXX Vad és termesztett rokon fajok - Új rezisztencia forrás Szárazságtűrő forrás Táplálkozási minőség forrás, stb. Hátrányok Nehéz keresztezhetőség Genetikai kapcsoltság hátrányos tulajdonsággal Öröklődően kis produktivitás Több évtizedig tartó nemesítés
Yield (t/ha) 1901-2005 7 6 5 4 3 2 1 0 1901-1905 1911-1915 1921-1925 1931-1935 1941-1945 1951-1955 1961-1965 1971-1975 1981-1985 1991-1995 2001-2005
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
A búza x rozs keresztezése hagyományos nemesítéssel Az első sikeres keresztezés ( Riebesel 1924) Criewener 104/Petkus hibrid kombination a Riebesel 47-51 Az első regisztrált fajta Németországban 1957 (Halle 14-44, ST 14-44 and Neuzucht 14-44) : Pm 8, Lr 26, Sr 31, Yr 9, ). Elterjedése 1980-90-ben: évente több tízmillió hektáron termesztik világszerte Az idegen gén bevitele ellenére semmilyen élelmiszerbiztonsági vagy környezetbiztonsági probléma eddig nem merült fel A hagyományos nemesítési módszer hátránya Hosszú nemesítési idő (33 év) Szoros kapcsoltság hátrányos génnel ragacsos kenyértészta Új módszerek keresése Szövettenyésztés Doubled haploid nemesítés Szomaklonális variáció kihasználása
Új kihívások a növénynemesítésben Évi termésnövekedés a 20. század második felében (L. R. Brown 1998) 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 1950-60 1960-70 1970-80 1980-90 1990-95 A termésnövekedés lassulásának okai: instabil produktivitás a beltartalmi minőség jelentősége nő kevesebb kémiai anyag felhasználás klímaváltozás hatásai élelmiszerbiztonság jelentősége nő A biztonságos élelmiszertermelés rizikója nő Szél és a szállítás miatt új agresszív rasszok terjednek el igen gyorsan világszerte Rekombinágió új agresszív patogén genotípusok létrejöttéhez járul hozzá Pathogének gyorsabban alkalmazkodnak a klímaváltozáshoz mint a növények rezisztenciája
t/ha 5 4,5 4 3,5 3 A búza termésátlaga és a felhasznált műtrágya mennyisége Magyarországon (KSH, FM, STAGEK, AKII) 1951-2004 218 3,32 250 4,04 282 4,6 4,9 230 4,24 3,81 NPK kg/ha/év 300 250 200 2,5 2,42 150 2 1,5 1 0,5 0 0,78 15 1951-60 1,86 57 1961-65 1966-70 109 1971-75 1976-80 1981-85 1986-90 44 1991-95 60 1996-99 2000-04 100 70,6 50 0
Termésbiztonság növelése, nagy szezonális szélsőségek csökkentése Biotikus és abiotikus stresszrezisztencia növelése Funkcionális élelmiszer alapanyag előállítására alkalmas növényfajta Bioenergetikai célra alkalmas növények nemesítése Vízhasznosítás (WUE) és nitrogén hasznosítás (NUE) javítása Technológiai rendszerekre adaptált és/vagy nemesített fajták
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
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
- 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
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.
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 géntérképezési eljárásokkal
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 Visszakeresztezés (BC) felgyorsítása a rekurrens szülői tulajdonság szelektálására Patogén ritka előfordulása esetén
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.
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
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
Biolisztikus géntranszformáció Helium gas nyomás arany részecskék vector embryos on plate Regeneration and selection
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
A génbevitel után 3 hét kallusz indukció sötét körülmények között 3 hét növény regeneráció 2 3 hét a szelekciós táptalajon szelektált túlélő növények
Antibiotikum szelekció (kanamycin, geneticin, hydromycin, etc.) Herbicid szelekció (bar vagy phosphinitricin acetyl transferase) A szelekcióra használt marker eltávolítása Vizuális markerek használata (pl. GFP)
Szelekciós markerek bar (PAT) as selection marker gene uida, GUS activity in various wheat tissues GFP (green fluorescent protein) in callus
Felnevelés a szövettenyésztésben isolation kallusz Érett vagy éretlen embriók A regenerációs képesség több növényfajnál erősen genotípus függő Mv Emese Mv Toborzo Cadenza Bobwhite
Szelekció bar rezisztens genotípusokra a T 1 növényeknél
- Transzformációs technológiával létrehozott transzgénikus növény regenerálása szövettenyésztéssel: diploid és haploid regeneráns, rediploidizáció Több generációban stabilan expresszálódó, homozigóta transzgénikus növények szelekciója, stabil genommal rendelkezik, és az változatlan módon öröklődik 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
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
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
Transzgénikus növényekkel végzett kutatások Martonvásáron 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
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 Forrás: Clive James, 2005. Millió ha
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
GM növények Termés előny Környezeti előny (USA 1997-98) 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
Európai növénynemesítők és a géntechnológia módszereinek alkalmazása (Arundel et al. Nature Biotechnology, 2000) Genetikai transzformáció & hagyományos nemesítés 1999 33% 2002 49% Molekuláris marker szelekcióval kiegészített hagyományos nemesítés 1999 23% 2002 31% Hagyományos nemesítés 1999 44% 2002 20%
BME Transzgénikus Organizmusok 2011. Program Molekuláris nemesítés szept. 8. - Bedő Zoltán Géntérképezés, génizolálás szept. 22. Mészáros Klára Asszociációs vizsgálatok szept 29. Karsai Ildikó Génexpressziós vizsgálatok szept. 29. Kocsi Gábor Géntranszformáció, transzgénikus növények előállítása okt. 6. Mészáros Klára Transzgénikus állatok előállítása és alkalmazása okt. 13. Gócza Elen és Hiripi László Virusellenálló transzgénikus növények a vírusellenállóság genetikai alapjai, géncsendesítés - okt. 20. Silhavy Dániel Molekuláris markerek a betegségellenállóságra történő nemesítésben okt. 27. Vida Gyula Beltartalmi tulajdonságok módosítása molekuláris nemesítéssel - okt. 27. Rakszegi Mariann
Rovarrezisztens genetikailag módosított kukorica nemesítése nov. 3. Marton Csaba Transzgénikus növényi alapanyag élelmiszerbiztonsági szabályozása nov. 3. Gelencsér Éva Transzgénikus növények alkalmazása a funkcionális genomikai kutatásokban - nov. 10. Dóczi Róbert GM növények környezetbiztonsági szabályozása, etikai kérdések nov. 10. Palkovics László Genetikailag módosított növények kockázati kérdései nov. 17. Roszik Péter Transzgénikus növények szántóföldi kibocsájtása, elterjedése, nemzetközi szabályozása nov. 17. Bedő Zoltán Gyakorlatok az MTA Mezőgazdasági Kutatóintézetben, Martonvásáron nov. 22. 23. 24. Előadások anyaga: www.mgki.hu/oktatás