SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA V NITRE FAKULTA AGROBIOLÓGIE A POTRAVINOVÝCH ZDROJOV KATEDRA GENETIKY A ŠĽACHTENIA RASTLÍN

Transcript

1 SLOVENSKÁ POĽNOHOSPODÁRSKA UNIVERZITA V NITRE FAKULTA AGROBIOLÓGIE A POTRAVINOVÝCH ZDROJOV KATEDRA GENETIKY A ŠĽACHTENIA RASTLÍN Prednáška zo Základov biologickej bezpečnosti Biotech/GMO v agropotravinárstve. Etapy tvorby biotech/gmo rastlín. Agronomické využitie biotech/gmo rastlín. prof. RNDr. Milan BEŽO, CSc.

2 Svetová populácia ľudí miliarda, miliárd, až 10 miliárd. Pestovanie rastlín rokov Rok 1970, úspešne uplatnenie poznatkov genetiky v šľachtení rastlín. Revolúcia v šľachtení rastlín. N. BORLAUG Rok 1994, prvá potravina z GM rastlín v obchodnej sieti, rajčiak FlavrSavr. Revolúcia v manipulácii s génmi. Biotechnologické zásahy do genómu organizmov 2

3 Voľne rastúce druhy a intenzívne odrody rastlín Voľne rastúce druhy rastlín Alfa-amylázy, inhibítory trypsínu, lektíny a ďalšie (ochranné látky rastlín). Fenoly a polyfenoly (fytoalexíny), ochrana pred baktériami a hubami). Alkaloidy, glykoalkaloidy ochrana pred živočíchmi. Glykozidy. Väčšinou toxické látky, karcinogény, alergény Vyšľachtené odrody rastlín Bez zdraviu škodlivých látok. Dlhoročné úsilie šľachtenia. Nízky obsah, alebo úplné odstránenie z rastlín obranných látok pred patogénmi, živočíchmi a faktormi vonkajšieho prostredia. Začleniť gény podmieňujúce tvorbu ochranných látok rastliny z voľne rastúcich druhov do vyšľachtených odrôd so želaním, aby boli účinné len na patogénov rastlín a nie škodlivé pre človeka. 3

4 Význam biotechnologicky upravených organizmov (geneticky modifikovaných organizmov GMO) Zasahovanie do genetickej výbavy organizmov je historicky spojené s potrebou zabezpečenia potravy pre ľudí. Biotechnologicky upravené rastliny sú skutočnosťou, realitou, ktorá je daná rozvojom vedy a techniky. Biotechnologicky upravené rastliny spĺňajú želania tvorby nových genotypov s kontrolovanými vlastnosťami. Na biotechnologicky upravené rastliny a ich produkty sú rozdielne názory najmä vo vzťahu k zdraviu ľudí a životnému prostrediu. 4

5 Etapy tvorby biotechnologicky upravených rastlín (GM rastlín) I. Odolnosť rastlín voči chorobám, škodcom a herbicídom (sója, kukurica, kapusta repková pravá a ďalšie). II. Nová kvalita produktov (sója, kapusta repková pravá, bavlník a ďalšie). III. Farmaceutické a špeciálne produkty tvorené rastlinami ( biofarmárčenie ). 5

6 Zelené biotechnológie biotech rastliny 1. Agronomické vlastnosti Zvýšenie úrody, odolnosť alebo tolerancia voči chorobám, škodcom, pesticídom, suchu, vyššej koncentrácii soli a ťažkých kovov v pôde. 2. Očakávané nové vlastnosti rastlín Zlepšenie kvality rastlín pre potraviny funkčné potraviny. Zloženie mastných kyselín, menej alergénov. Zlepšenie kvality rastlín na kŕmenie. Ľahšia stráviteľnosť, vyšší obsah esenciálnych aminokyselín. Produkcia surovín pre priemysel (oleje, polyméry). Rastliny pre priemysel PMI (Plant Made Industrials). Produkcia farmaceutických zložiek (protilátky, vakcíny). Rastliny pre farmáciu PMP (Plant Made Pharmaceuticals). Rastliny pre fytoremediáciu (úprava kontaminovaných pôd rastlinami). Zlepšenie úžitkových vlastností (skladovateľnosť, farba kvetov). 6

7 Odolnosť kukurice siatej voči živočíchom (1) Odolnosť rastlín voči živočíchom Bt toxín Gén z baktérie Bacillus thuringiensis pre delta endotoxín (Bt toxín) je biotech úpravou včlenený do genómu kukurice siatej. Gén z baktérie v bunkách kukurice siatej podmieňuje tvorbu netoxickej bielkoviny delta endotoxín (δ-endotoxín). 7

8 Odolnosť kukurice siatej voči živočíchom (2) Enzymaticky naštiepené peptidy z bielkovín delta endotoxínu naviazané na membránu bunky čreva larvy formujú iónové kanály v lipidovej dvojvrstve čo spôsobuje vytváranie lytických pórov v membráne bunky. Bunky čreva larvy vakuolizujú, črevo napúcha, praská a trhá sa. Výsledkom prísunu potravy s bielkovinami delta endotoxínu pre larvy prvého a druhého instaru vijačky kukuričnej je spomalenie ich rastu a úhyn. Bielkovina delta endotoxín prítomná v geneticky modifikovaných rastlinách kukurice nemá dokázaný škodlivý účinok na iné organizmy, je prítomna v nízkej koncentrácii, v prírode je rozšírená v mikroorganizmoch, nie je homologická k toxickým bielkovinám alebo alergénom ľudí. 8

9 1 Gén pre δ-endotoxín 2 Upravený gén pre δ-endotoxín + GC, vhodné pre kukuricu Časť s toxickou aktivitou Bielkovina, δ-endotoxín, aminokyselín Bielkovina, δ-endotoxín, aminokyselín Promótor 3 Polyadenylačný koniec Tvorba Bt kukurice upraveným génom pre δ-endotoxín baktérie Bacillus thuringiensis 9

10 Porast kukurice Larva vijačky kukuričnej Porast Bt kukurice Rastliny Bt kukurice nie sú poškodené Ochrana rastlín kukurice siatej pred vijačkou kukuričnou (Ostrinia nubilalis) biotech úpravou 10

11 Rozsah pôsobenia δ-endotoxínu (kryštálom podobné štruktúry bielkovín Cry) z rôznych kmeňov Bacillus thuringiensis na živočíchy δ-endotoxín CryI CryII CryIII CryIV CryV CryVI Účinok na organizmus Larvy motýľov Larvy motýľov a dvolkrídlovcov Larvy motýľov Larvy dvojkrídlovcov Háďatká Háďatká 11

12 Príklady biotechnologicky upravených rastlín s δ-endotoxínom Bacillus thuringiensis Druh rastlín Bt kukurica Bt bavlník Bt zemiak Účiniok na organizmus Vijačka kukuričná Kvetovka bavlníková Pásavka zemiaková 12

13 Zlatá ryža golden rice Ryža pôvodne neobsahuje -karotén, ale v endosperme biotech/gm (zlatá ryža) zrna sa tvorí prekurzor vitamínu A. Rastliny netvoria vitamín A, len niektoré tvoria -karotén, prekurzor vitamínu A (mrkva, endosperm kukurice, endosperm prosa a iné). Vitamín A retinol, je v pečeni, mlieku, slepačích vajíčkach. Nedostatok vitamínu A v organizme človeka vyvoláva xeroftalmiu (rohovatenie rohovky oka), šerosleposť a iné zdravotné problémy. 13

14 Ochrana pred slepotou detí Zlatá ryža Transgénna ryža siata, s génom psy pre enzým fytoén syntázu kukurice siatej a génom prt pre karotén syntetázu z baktérie Erwinia uredovora, syntetizuje provitamín A (beta karotén), ktorý sa ukladá v zrne. 14

15 Odolnosť voči herbicídom Glyfosát (účinná látka herbicídov) blokuje aktivitu enzýmu EPSPS rastlín, ktorý katalyzuje syntézu aminokyselín. Gén pre EPSPS zo Salmonella typhimurium nie je citlivý na glyfosát. (5-enolpyruvyl-shikimate 3-phosphate synthase EPSPS) 15

16 Glyfosát inhibítor EPSP syntázy Glyfosát Glyfosát Rastlina bez GM EPSPS Rastlina s GM EPSPS RoundUpReady STOP Tryptofán, tyrozín, fenylalanín Odolnosť rastlín voči herbicídom RoundUpReady rastliny majú cudzorodý gén pre EPSPS z baktérie Salmonella typhimurium, ktorý nie je citlivý na glyfosát. Rastliny s cudzorodým génom nezničí postrek glyfosátom. 16

17 Transgénny ľuľok zemiakový Odrody ľuľka zemiakového s génom pre Bt toxín na odolnosť voči pásavke zemiakovej (Leptinotarsa decemlineata) a odolnosťou voči Y vírusu zemiaka (PVY) a vírusu zvinutky zemiakovej (PLRV). Pestovanie zatiaľ neprinieslo očakávaný prínos. Účinná je ochrana voči pásavke zemiakovej, ale neznižujú sa náklady na potrebné iné pesticídy vrátane ochrany pred voškami. 17

18 Cisgenóza ľuľka zemiakového odrody Prevalent Do genómu jadra bunky včlenený gén gbss (Granule Bound Starch Synthase) z ľuľka zemiakového v protizmyslovej (antisens) orientácii znižuje alebo úplne tlmí aktivitu génu gbss v genóme jadra bunky. Škrob v hľuzach ľuľka zemiakového EH obsahuje menej ako 2 % amylózy a viac ako 98 % amylopektínu (vetvený polymér glukózy). Hľuzy sú určené na priemyselné spracovanie, výrobu papiera a plastov. Amylogene HB (Švédsko) teraz súčasť BASF, 1996,

19 Kapusta repková pravá/kanola Olej, potraviny a rastliny kanoly sú často neopodstatnene považované za biotech alebo geneticky modifikované. Kanola bola vyšľachtená klasickými metódami a až neskôr sa pomocou moderných biotechnologických metód geneticky transformovala. Biotech/GM kapusta repková pravá/kanola má cudzorodé gény zabezpečujúce jej lepšie agronomické (znášanlivosť pesticídov), úžitkové (lepšia kvalita oleja) a šľachtiteľské (nový hybridizačný systém) vlastnosti. 19

20 Kapusta repková pravá/kanola Odrody a línie biotech/gm kapusty repkovej pravej/kanoly sa vyznačujú: znášanlivosťou herbicídov (účinné látky glufosinát, glyfosát, bromoxynil), Upraveným obsahom mastných kyselín v oleji, kontrolovanou tvorbou enzýmu fytázy, kontrolovaným systémom opelenia (peľová sterilita, obnovenie peľovej fertility). 20

21 Enzým Bay TE katalyzuje syntézu kyselín laurovej a myristovej. Obsah kyseliny laurovej je 36 až 40 %. Gén pre enzým Bay TE Magnólia kalifornská Umbellularia californica (Hook. & Arn.) Nutt. Biotech/GM kapusta repková pravá/kanola Biotech/GM kapusta repková pravá/kanola so zvýšeným obsahom kyseliny laurovej Nasýtená mastná kyselina v semenách viacerých druhov rastlín, najmä z trópov (kokosovník obyčajný). Kyselina laurová má vynikajúce vlastnosti pre priemyselné (výroba mydiel, prídavky v šampónoch, kozmetike) a potravinárske (prídavky do obalov z čokolády, nahrádzaní mliečnych produktov) využitie a vyznačuje sa antibakteriálnymi a antivírusovými účinkami. 21

22 Huba Aspergillus niger var. Tieghem Gén pre enzým 3 fytázu Katalýza štiepenia fytátov Biotech/GM kapusta repková pravá/kanola Biotech/GM kapusta repková pravá/kanola s aktivitou fytázy Soli kyseliny fytínovej (fytáty) sú hlavnú zásobnú formu fosforu. Monogastrické zvieratá (ošípané, hydina) nie sú schopné enzymaticky štiepiť tieto molekuly (zaťaž pre životné prostredie fosforom). Enzým fytáza štiepi fytáty na fosfor prijateľný pre monogastrické zvieratá. Biotech/GM kapusta repková pravá/kanola má gén pre 3 fytázu z huby Aspergillus niger var. Tieghem. 22

23 Topoľ (Populus sp. L.) Biotech/GM zásahy Regulácia reprodukcie riešenie neschopnosti tvorby semien. Biotech/GM topole s génom odolnosti voči hmyzu zalesňovanie veľkých plôch v budúcnosti. Biotech/GM topoľ čierny (Populus nigra L.) plantáž Beijing, Čína ( ) 23

24 Biotech/GM brest odolnosť voči patogénom Brest (Ulmus L.) Biotech/GM odrody jablone Greensleeves a Jonagold s odolnosťou voči pesticídom a voči patogénnym hubám 24

25 SR Celková plocha (milióny hektárov) pestovania biotech/gm plodín. 28 krajín.

26 Milióny hektárov Sója Bavlník Kukurica Kapusta repková pravá Celková plocha (milióny hektárov) a podiel (%) biotech/gm plodín.

27 Milióny hektárov Sója Kukurica Bavlník Kapusta repková pravá Celková plocha (milióny hektárov) pestovania biotech/gm plodín. Roky

28 Milióny hektárov Odolnosť voči herbicídom Kumulované znaky Bt plodiny Celková plocha (milióny hektárov) pestovania biotech/gm plodín. Znaky.

29 Ďakujem za pozornosť