Βελτίωση Φυτών Γενετική Παραλλακτικότητα

Transcript

1 Καθοριστικοί παράγοντες επιτυχίας της Βελτίωσης των Φυτών Ύπαρξη ή / και δυνατότητα δημιουργίας γενετικής παραλλακτικότητας Ικανότητα επιλογής των επιθυμητών γονοτύπων

2 Δημιουργία χρήσιμης γενετικής παραλλακτικότητας εξημέρωση συλλογή & εισαγωγή γενετικού υλικού διασταυρώσεις (διαποικιλιακές, μακρινές, σωματικές) μεταλλάξεις πολυπλοειδία σωματοκλωνική παραλλακτικότητα γενετική μηχανική

3 Η επίδραση της εξημέρωσης στο γονότυπο Μείωσε την γενετική παραλλακτικότητα για γνωρίσματα υπο επιλογή αλλά την διατήρησε για γνωρίσματα που δεν επιλέγονταν Ακούσια, εξαφάνισε γονίδια που έλεγχαν γνωρίσματα για τα οποία δεν υπήρχε ενσυνείδητη επιλογή Σταθεροποίησε γονίδια που έλεγχαν γνωρίσματα υπό ισχυρή επιλογή (πχ. μη-τίναγμα στάχυ, λεπτό κέλυφος σπόρου) Λίγα σχετικά γονίδια επιλέχθηκαν αλλά, έμμεσα, επηρεάσθηκαν περισσότερα γονίδια λογω γενετικής σύνδεσης Δημιούργησε ετερογενείς σειρές πληθυσμών προσαρμοσμένων σε τοπικά περιβάλλοντα (τοπικοί πληθυσμοί)

4 Περίληψη της εξημέρωσης Οφέλη: επέτρεψε την δημιουργία του πολιτισμού, παράχθηκαν μεγαλύτερες σοδειές, αύξησε τη χρήσιμη βιομάζα, σταθεροποίησε επιθυμητά γνωρίσματα, εξαφάνισε ανεπιθύμητα γνωρίσματα, αύξησε την ομοιομορφία Απώλειες: περιόρισε την προσαρμοστικότητα σε μεταβαλλόμενα περιβάλλοντα, αύξησε την ευαισθησία στις καταπονήσεις, μείωσε την ανταγωνιστική ικανότητα, μείωσε την ολική γενετική παραλλακτικότητα, αύξησε την ομοιομορφία

5 Οφέλη της σύγχρονης βελτίωσης των φυτών Αύξηση της ολικής παραγωγικότητας Επέκταση των καλλιεργούμενων εκτάσεων Δημιουργία ποικιλιών υβριδίων Ανθεκτικότητα σε βιοτικούς και αβιοτικούς παράγοντες Βελτίωση της ποιότητας των τροφίμων Προσαρμογή σε μηχανική συγκομιδή

6 Απώλειες από τη σύγχρονη βελτίωση των φυτών Απώλεια γενετικής παραλλακτικότητας στα καλλιεργούμενα είδη Απώλεια οικολογικής παραλλακτικότητας Αντικατάσταση τοπικά προσαρμοσμένων ποικιλιών Επιβάρυνση του περιβάλλοντος Διαφοροποίηση της κατανομής της βιομάζας Μείωση ανταγωνιστικής ικανότητας Απώλεια χρήσιμων γονιδιακών συνδυασμών

7 Περίληψη των προσπαθειών της σύγχρονης βελτίωσης των φυτών Άλλαξε την γενετική δομή των καλλιεργούμενων φυτών από αυτή που ευνοούσε την ευρεία (οριζόντια) επιλογή γνωρισμάτων για διάφορα επίπεδα συστημάτων λειτουργικότητας σε μία που επιλέγει αυστηρά για μία στενή (κάθετη) ομάδα γνωρισμάτων χωρίς να λαμβάνει υπόψη τα συστήματα λειτουργικότητας Τυπικά, οι σύγχρονες ποικιλίες παράγονται ως μεγάλοι ομοιογενείς πληθυσμοί οι οποίοι υποστηρίζονται από τεχνητά συστήματα

8 Επίπτωση της βελτιωτικής διαδικασίας Άγριο είδος Πρώιμα εξημερωμένο είδος Τοπική Ποικιλία Σύγχρονη ποικιλία Γενετική διάβρωση!

9 Πρόοδος Βελτίωσης Ελίτ ποικιλίες Τοπικές ποικιλίες Άγριοι πρόγονοι Συγγενικά είδη

10 Αειφορία Αειφορικά συστήματα παραγωγής Αναφέρεται στην ικανότητα ικανοποίησης των αναγκών μιας γενεάς, χωρίς να αφαιρείται από τις επόμενες γενεές η ικανότητα να ικανοποιήσουν τις δικές τους ανάγκες Περιλαμβάνει περιβαλλοντικές, κοινωνικές και οικονομικές παραμέτρους Οι βελτιωτές των φυτών είναι κρίσιμοι παίκτες στην δημιουργία αειφόρων συστημάτων παραγωγής που θα βασίζονται ταυτόχρονα σε ποικιλίες υψηλού παραγωγικού δυναμικού

11 Γνωρίσματα φυτών σχετιζόμενα με την αειφορία Αποτελεσματικότητα χρήσης νερού και ανθεκτικότητα στη ξηρασία Αποτελεσματικότητα απορρόφησης θρεπτικών στοιχείων του εδάφους Σταθερή ανθεκτικότητα έναντι εχθρών και ασθενειών Ικανοποιητική ανταγωνιστικότητα Ικανότητα να εκμεταλλεύεται συνεργισμούς στα διάφορα επίπεδα συστημάτων Βελτιωτική του εδάφους ικανότητα Προσαρμοστικότητα σε καταπονήσεις και περιβάλλοντα

12 Γενετική δομή νέων ποικιλιών για αειφορία Ποικιλίες Γονίδια Αειφορίας Σειρές Elite Τοπικές ποικιλίες Άγριοι πρόγονοι και συγγενικά είδη Genetic Diversity

13 Συστήματα αναπαραγωγής των φυτών Αγενής αναπαραγωγή - βλαστική - απομικτική Εγγενής αναπαραγωγή - αυτογονιμοποίηση (αυτογαμία) - σταυρογονιμοποίηση (αλλογαμία) - μικτή

14 Ποικιλία: ομάδα παρόμοιων φυτών που μπορεί να διακριθούν με βάση τα δομικά τους χαρακτηριστικά και την συμπεριφορά της στον αγρό από άλλες ποικιλίες του είδους Βασικά χαρακτηριστικά: ταυτότητα πιστότητα αναπαραγωγής των διακριτών χαρακτηριστικών στους απογόνους

15 Είδη ποικιλιών ελεύθερης επικονίασης (OP) συνθετικές ποικιλίες καθαρές σειρές υβρίδια ανάμικτες ποικιλίες

16 σε ποικιλιακό επίπεδο Ομοζύγωτο - Ετετοζύγωτο AAbbccDDee AaBBCcDdEeff Ομοιογενές - Ετερογενές AaBbccDDee AaBbCcDdEeff AaBbccDDee aabbccddeeff AaBbccDDee AAbbCCddeeff AaBbccDDee AaBbccDdEeff

17 Σχέση μεταξύ τρόπου αναπαραγωγής, ζυγωτίας και ομοιογένειας Είδος Αναπαραγωγικό σύστημα Είδος/Ποικιλία Ομοιογένεια Ζυγωτία Κριθάρι Αυτογο/μενο Τοπικές ποικιλίες Σύγχρονες ποικιλίες Αραβόσιτος Σταυρογο/μενο Τοπικές ποικιλίες ή ΟΡ Υβρίδια Καθαρές σειρές Πατάτα Αγενώς πολ/μενο Εγγενώς πολ/μενο Ποικιλίες Πιστοποιημένος σπόρος Τομάτα Αυτογο/μενο Καθαρές σειρές Υβρίδια Ετερογενείς Ομοιογενείς Ετερογενείς Ομοιογενή Ομοιογενείς Ομοιογενείς Ετερογενής Ομοιογενείς Ομοιογενή Ομοζύγωτες Ομοζυγώτες Ετεροζύγωτες Ετεροζύγωτα Ομοζυγώτες Ετεροζύγωτες Ετεροζύγωτος Ομοζύγωτα Ετεροζύγωτα

18 σε επίπεδο είδους Σταυρογονιμοποιούμενα είδη - ΥΨΗΛΗ γονιδιακή ροή: είδος ζιζάνιο άγριο χαμηλή αποτελεσματικότητα επιλογής Αυτογονιμοποιούμενα είδη - ΧΑΜΗΛΗ γενετική στενωπός από αυστηρή επιλογή Αγενώς αναπαραγόμενα φυτά - ΧΑΜΗΛΗ γενετική στενωπός (εγγενούς αναπαραγωγής;)

19 Ποικιλότητα φυτικών ειδών στη Γεωργία ~ είδη ~ 5,000 είδη χρησιμοποιούνται ~ 2,300 είδη έχουν καλλιεργηθεί ~ 250 καλλιεργούνται για τροφή ~ 150 είδη σε εμπορική καλλιέργεια 90 % των θερμίδων από 15 καλλιέργειες 60 % των θερμίδων από σιτάρι, ρύζι, καλαμπόκι

20 Που μπορεί να αναζητηθεί η γενετική παραλλακτικότητα;

21 Πηγές γενετικού υλικού (παραλλακτικότητας) Άγρια είδη και αρχέγονες μορφές φυτών που αναπτύχθηκαν στα πρωτογενή κέντρα παραλλακτικότητας, όπου τα είδη ευρίσκονται σε ανταγωνισμό με άλλα φυσικά στοιχεία του περιβάλλοντος Φυτά μετανάστες που αναπτύχθηκαν στα δευτερογενή κέντρα καλλιέργειας και των οποίων η γενετική παραλλακτικότητα μπορεί να αυξήθηκε λόγω νέων βιολογικών και φυσικών καταπονήσεων που δρούσαν ως παράγοντες επιλογής Προιόντα βελτιωτικών προγραμμάτων (που παράχθηκαν από οποιαδήποτε κλασσική ή μοριακή-βιοτεχνολογική προσέγγιση)

22 Κέντρα καταγωγής/ποικιλομορφίας Γεωγραφικές περιοχές όπου τα αρχέγονα είδη είναι αυτοφυή Γεωγραφικές περιοχές με την μεγαλύτερη ποικιλομορφία του είδους Περιοχές όπου έγινε η εξημέρωση Περιοχές με εποχές (διαιώνιση με σπόρους και αποθηκευτικά όργανα) N.I.Vavilov

23 Τα κέντρα του Vavilov

24 Διατήρηση της Αγρο-βιοποικιλότητας In situ Διατήρηση εντός αρχικού περιβάλλοντος -προστατευμένες περιοχές, -παραδοσιακές καλλιέργειες, -βοτανικοί κήποι, δενδρώνες Ex situ Διατήρηση εκτός αρχικού περιβάλλοντος -βοτανικοί κήποι -Τράπεζες Γενετικού Υλικού

25 Διατήρηση in situ Πλεονεκτήματα λιγότερο δαπανηρή συνεχιζόμενη εξέλιξη και προσαρμογή σε μεταβαλλόμενο περιβάλλον Μειονεκτήματα ανεπαρκής έλεγχος απουσία αξιολόγησης Διατήρηση ex situ Πλεονεκτήματα καλή οργάνωση διαθεσιμότητα σε έρευνα καλή τεκμηρίωση και αξιολόγηση Μειονεκτήματα δαπανηρές εγκαταστάσεις απουσία εξέλιξης γενετική παρέκκλιση σε μικρούς πληθυσμούς

26 Τράπεζες Γενετικού Υλικού (ή γονιδίων) Καταφύγιο παραλλακτικότητας για τη σύγχρονη βελτίωση απόκτηση γενετικού υλικού διατήρηση γενετικού υλικού αξιολόγηση γενετικού υλικού τεκμηρίωση γενετικού υλικού διανομή γενετικού υλικού

27 Η έννοια του γονιδιακού αποθέματος (Harlan and de Wet, 1971) Κατηγοριοποίηση των γενετικών πόρων σε διάφορα γονιδιακά αποθέματα ειδών με βάση την ευχέρεια διασταύρωσης, δηλαδή της ευκολίας μεταφοράς γονιδίων μεταξύ τους. Η μεταφορά αυτή ονομάζεται γονιδιακή ροή Προσδιορίστηκαν κλασσικά τρεις κατηγορίες: πρωτοταγές γονιδιακό απόθεμα δευτεροταγές γονιδιακό απόθεμα τριτοταγές γονιδιακό απόθεμα

28 Η έννοια του γονιδιακού αποθέματος Πρωτοταγές (GP1): αναφέρεται στο επίπεδο βοτανικού είδους και περιλαμβάνει καλλιεργούμενους πληθυσμούς, τοπικές ποικιλίες, οικότυπους, καθώς και ζιζάνια και πιθανώς υποείδη-άγρια συγγενικά ευχερής διασταύρωση, απουσία προβλημάτων στειρότητας, κανονικός διαχωρισμός γονιδίων εκτεταμένη χρήση από προγράμματα διεύρυνσης της γενετικής βάσης οι περισσότεροι βελτιωτές χρησιμοποιούν αποκλειστικά αυτό το γονιδιακό απόθεμα

29 Η έννοια του γονιδιακού αποθέματος Δευτεροταγές (GP2): αναφέρεται σε υλικό από το οποίο η μεταφορά γονιδίων είναι πιθανή αλλά δύσκολη Περιλαμβάνει τα συγγενικά είδη (όχι όμως όλα) του ιδίου γένους καθώς και είδη εκτός του γένους Γενικά οι διασταυρώσεις δύνανται να πραγματοποιηθούν αλλά τα F1 υβρίδια είναι συνήθως στείρα και μειωμένης ευρωστίας

30 Η έννοια του γονιδιακού αποθέματος Τριτοταγές (GP3): περιλαμβάνει μακρινά συγγενικά είδη σε άλλα γένη ή ελάχιστα σχετιζόμενα είδη του ιδίου γένους Οι διασταυρώσεις γενικά εάν πραγματοποιούνται γίνονται με ιδιαίτερη δυσκολία και απαιτούν ειδικές τεχνικές όπως πχ. εμβρυїκή διάσωση, καλλιέργεια ωαρίων, γέφυρα με άλλο είδος. Συνηθέστατα είναι και στείρα και απαιτείται χρωμοσωμικός διπλασιασμός για απόκτηση γονιμότητας Η γονιδιακή ροή είναι ευχερέστερη μεταξύ GP3 και GP2

31 Η έννοια του γονιδιακού αποθέματος Τεταρτοταγές (GP4): περιλαμβάνει κάθε οργανισμό ανεξάρτητα σε ποιο Βασίλειο ανήκει Εδώ αναφερόμαστε στη δημιουργία παραλλακτικότητας με αξιοποίηση της γενετικής μηχανικής που επιτρέπει τη μεταφορά και ενσωμάτωση γονιδίων από κάθε οργανισμό σε οποιονδήποτε άλλο. Περιοριστικός παράγων μόνο (?? ) η ανάπτυξη της τεχνολογίας

32 Μέθοδοι αξιοποίησης γενετικού υλικού στα βελτιωτικά προγράμματα Άμεση διάθεση (νέες καλλιέργειες-ποικιλίες) Ενσωμάτωση μονογονιδιακών γνωρισμάτων (συνηθέστερη περίπτωση αναδιασταυρώσεις) Ποσοτικά γνωρίσματα -απευθείας προϊόντων υβριδισμού (πατάτα, μηδική) -ενσωμάτωση με κλασική μεθοδολογία -ενσωμάτωση με μοριακούς δείκτες -ενσωμάτωση με προβελτιωτικούς πληθυσμούς ευρείας γενετικής βάσης