Bi8670 Principy rostlinných biotechnologií Úvod a historie Hana Cempírková, Ph.D. cempirkova@sci.muni.cz Jarní semestr 2022 Rostlinné biotechnologie ´Definition of Plant Biotechnology: http://www.agriinfo.in/default.aspx?page=topic&superid=3&topicid=1876 ´1. Biotechnology is the application of biological organisms, system or processes to manufacturing and service industries. ´2. Biotechnology is the integrated use of biochemistry, microbiology and engineering science in order to achieve technological application of the capabilities of micro-organism, cultured tissue cells and part thereof. ´3. Biotechnology is “a technology using biological phenomenon for copying and manufacturing various kinds of useful substances.” ´4. Biotechnology is “the controlled use of biological agents such as micro-organisms or cellular components for beneficial use. (U.S National Science Foundation) ´ Biotechnologie v širším pojetí ´Nové biotechnologie mohou být klasifikovány do 4 širších kategorií: ´ ´ 1. Techniky pro buněčné a tkáňové kultury významné pro zemědělství. ´ 2. Technologický vývoj spojený s fermentačními procesy, obzvláště v chemickém sektoru včetně tzv. technik imobilizace enzymů. Význam pro různá odvětví, např. produkce enzymů a aminokyselin. ´ 3. Techniky, které aplikují mikrobiologii pro sledování, výběr a kultivaci buněk a mikroorganismů. ´ 4. Techniky pro manipulaci a přenos genetického materiálu. Vztah k dalším vědním disciplínám ´Tkáňové kultury ´Genetika a molekulární biologie (extrakce DNA, PCR, sekvenace…) ´Hybridizace a monoklonální protilátky (ELISA) ´Medicína (vakcíny) ´Proteinové inženýrství ´Zemědělství (nové odrůdy s různou odolností, vyšším výnosem…) ´Životní prostředí (remediace, konzervace diverzity druhů…) Moderní rostlinné biotechnologie a lidé ´Nyní na Zemi asi 7,5 miliardy lidí, v roce 2050 bude více než 9 miliard ´Bude třeba zvýšit produkci potravin o více než 60% a diagram showing the growth in the number of people farmers feed per year. a farmer fed 9 people in 1930 and a 155 people today http://www.glassbarn.org/indiana-farming/technology Moderní rostlinné biotechnologie ´Zemědělství, potravinářský a farmaceutický průmysl ´Geneticky modifikované organismy (GMO) ´Molekulární „farming“ ´Trvale udržitelné zemědělské strategie ´Produkce plodin pro zelenou energii ´Vývoj biologicky kontrolovaných strategií pro náhradu nebo omezení použití toxických pesticidů ´Vývoj systémů podporujících život ve vesmíru ´ Vývoj rostlinných produktů pro využití v medicíně ´ (Kirakosyan et al., 2009) Biotechnology Tree http://www.biologydiscussion.com/biotechnology/things-to-know/biotechnology-10-things-to-know-about -biotechnology/9625 ´ https://croplife-r9qnrxt3qxgjra4.netdna-ssl.com/wp-content/uploads/2014/04/Infographic_JPEG.jpg https://croplife.org/plant-biotechnology/benefits-2/ Troška historie… ´ Biotechnologie a zemědělství – vývoj I. ´8000 př. n. l. – výběr semen nejlepších rostlin, domestikace druhů ´Cca. od 18. st. – křížení rostlin (např. brukev řepka tuřín – kříženec hlávkového zelí a vodnice) ´1865 – Mendel a jeho pokusy s dědičností, základ oboru genetika ´Od 40. let 20 st. – šlechtění semen pomocí radiace nebo chemikálií (náhodné mutace) ´1953 – Watson a Crick objevili dvojitou šroubovici DNA ´1973 – Cohen a Boyer zdokonalili techniku rekombinantní DNA, ´základ genového inženýrství ´ ´ ´ Výsledek obrázku pro seeds Výsledek obrázku pro wild species avena alternativní popis obrázku chybí Výsledek obrázku pro dna Výsledek obrázku pro cohen rec ombinant Výsledek obrázku pro mendel Biotechnologie a zemědělství – vývoj II. ´80. l. 20 st. – inzulín jako první produkt moderní biotechnologie. Rostlinní šlechtitelé aplikují nové metody do biotechnologie rostlin. ´1996 – první biotech plodiny komercializovány (rajče s opožděným dozráváním) ´Od roku 1996 pěstování dalších biotech plodin: kukuřice, sójové boby, bavlna, řepka olejka, papája a další… po celém světě (v r. 2007 bylo geneticky transformováno cca. 140 druhů krytosemenných rostlin) ´Současnost – vývoj nových technik (např. editace genomu, umlčování genů, transformace plastidů, …) ´ ´ ´ ´ ´ ´ Vědecké kořeny moderních rostlinných biotechnologií ´1. tkáňové kultury (in vitro) ´2. regenerace rostlin z jednotlivých somatických buněk ´3. studium nemoci „crown gall“ ´4. vývoj technik cílené genové manipulace Tkáňové kultury - vývoj ´Haberlandt 1902 - otec rostlinných tkáňových kultur ´ ´White 1934 – růst izolovaných kořenových špiček ´White 1939 – kalusová kultura Nicotiana ´Skoog a spol. (1957) – vliv auxinu a kinetinu na tvorbu prýtů a kořenů z kalusových shluků ´Steward a spol. (1958) – regenerace plně funkčních rostlin z jednotlivých buněk kalusu Regenerace celých rostlin z jednotlivých somatických buněk ´Haberlandt (1902) jako první pěstoval izolované somatické buňky vyšších rostlin in vitro, ale krátká životnost, žádné dělení ´Muir et al. (1958) – pěstování jednotlivých buněk v tekutém médiu, po přenesení na agar. médium se buňky dělily a vytvořily shluky, některé vytvářely kořeny nebo prýty ´Backs-Hüsemann and Reinert, 1970 – první pozorování vzniku embryí ze somatických buněk Crown gall I. ´Smith, 1907 – popis nemoci crown gall (=bakteriální boulovitost, nádorovitost) způsobené bakterií pojmenovanou Bacterium tumefaciens, která později přejmenována na Agrobacterium tumefaciens ´Smith srovnával crown gall nemoc s rakovinovým bujením u lidí ´Objev tvorby sekundárních nádorů, které byly indukovány bakterií, ale bakterii neobsahovaly (White and Braun 1941) ´Objev oktopinů a nopalinů v rostlinách, které nakaženy Agrobacteriem ´1969 – přenos virulence z virulentního na nevirulentní (saprofytický) kmen Agrobacterium, návrh možného přenosu DNA ´1974 – objev plasmidu, který je odpovědný za virulenci Agrobacterium Crown gall II. ´1978 – zjistilo se, že do rostlin je přenesena pouze část plasmidu, definování termínů Ti plasmid a T-DNA ´1980 – T-DNA pouze v jaderném genomu ´1984 – geny na plazmidu, které kódují syntézu auxinu a cytokininu ´Vytvoření „odzbrojeného“ plasmidu (bez indukce nádorů, kořenů nebo prýtů) – předpoklad pro využití Ti plasmidu jako vektoru pro zavedení vybraných genů do genomu rostlin (1981) ´Některé rostliny rezistentní vůči Agrobacterium, proto vývoj dalších metod pro zavedení DNA do rostlinných buněk (elektroporace, mikroinjekce, biolistika/bombardování částicemi…) Genomové editace ´1996 – technika Zinc finger nukleázy (ZFNs) ´2010 -využití TALENs (Transcription activator-like effector nucleases) ´2013 - technika CRISPR/Cas system Výsledek obrázku pro gmo fun