Bi8240 GENETIKA ROSTLIN doc. RNDr. Jana Řepková, CSc. repkova@sci.muni.cz Prezentace 09 Genetické modifikace pro zlepšení výživy člověka Nový trend – zlepšení výživy lidí Výživa a zdraví člověka Prevence závažných chorob Jak? Obohacení potravin rostlinného původu o důležité vitamíny a stopové prvky Vliv nedostatku vitamínů na lidské zdraví A – šeroslepost, xeroftalmie, slepota, oční zákaly, snížená odolnost vůči infekcím, zastavení růstu – působí jako antioxidant – prevence nádorů plic, prsu, konečníku, prostaty, kůže; srdečních chorob, poruchy tvorby pigmentu E – svalová slabost, kardiovaskulární choroby – antioxidant C – antioxidant B1 – poruchy nervů Vliv nedostatku vitamínů na lidské zdraví B2 – oční a nervové poruchy, kožní změny B6 – degenerativní změny CNS, kožní a krevní poruchy, kožní změny Nikotinamid – pelagra, dermatitis, demence Kyselina pantoténová – zpomalení růstu, kožní změny, nervové poruchy Kyselina listová (folová) – poruchy nervové soustavy, demence (Alzheimerova choroba), kardiovaskulární choroby Řešení problému 1. Obohatit rostliny o funkční složky, nebo je modifikovat 2. Eliminovat látky antinutriční a alergenní Přístupy Šlechtění jednotlivých kulturních druhů Genetické modifikace Důraz je kladen na β-karoten, zeaxantin, lutein, flavonoidy, vlákninu, ω-3 mastné kyseliny, železo a zinek, rezistentní škrob (zvýšení amylózy, snížení glykemického indexu), steroly (fytosteroly, složka rostlinných membrán, strukturou podobné cholesterolu – zabraňují vstřebávání cholesterolu v tenkém střevě, snižují LDL ch. v krvi) Teoretické předpoklady řešení problému Poznání biochemických drah syntézy dané látky Identifikace genů, které kódují enzymy účastnící se syntézy Klonování rostlinných genů, znalosti sekvencí rostlinných genů, určování funkcí genů Přínos genomiky Význam 1. Pigment důležitý pro vidění 2. Antioxidant Prekurzor β-karoten Vitamín A Biosyntetická dráha karotenoidů Vitamín A Zeaxantin a lutein jsou základní komponenty pigmentových skvrn v očích a chrání sítnici před poškozením světlem, degenerací sítnice. Lykopen ochrana před kardiovaskulárními chorobami a rakovinou prostaty. Výsledky genetických modifikací Rýže – odrůda Indica až 23x vyšší obsah provitaminu A, zlatá rýže 2 Rajče – gen crtB z Erwinia uredovora: plody 2x více karotenoidů – gen LCY-b z A. thaliana: 7x více β-karotenu v plodech Řepka olejná – gen crtB, 50x více karotenoidů v embryu (semeno, olej) Brambor Plán: proso, kasava Vitamín A Tokoferoly a tokotrienoly deriváty izoprenoidu Vitamín E Biosyntetická dráha Geny pro syntézu enzymů metyltransferáz Gen VTE3 z Arabidopsis - 2-metyl- 6phytylbenzoquinol methyltransferáza Různé stereoizomery Výsledky genetických modifikací Řepka olejná – geny VTE3, VTE4 z A. thaliana (enzymy metyl transferázy) Sója – VTE3, VTE4 z Perilla frutescens, – promotor specifický pro semena, – 95 % α-tokoferolů, 5x nárůst Kukuřice Vitamín E První geny byly získány z Arabidopsis pozičním klonováním Význam 1. Antioxidant, enzymový kofaktor 2. Enzymový kofaktor Vitamín C Biosyntetická dráha Sacharidový derivát Výsledky genetických modifikací Vitamín C GM druh Gen pro enzym Původ Zvýšení Tabák L-GalDH Arabidopsis 1,5–2x Salát L-GulLOx krysa 2x Tabák L-GulLOx krysa 7x Tabák DHAR pšenice 2,2–3,9x Rajče MDH Suprese genu rajče 5,7x V listech Kyselina pantoténová Biosyntetická dráha Kofaktor mnoha základních metabolických procesů Součást koenzymu A a acetyl koenzymu Rostliny a mikroorganismy vytvářejí de novo, živočichové získávají z potravy Výsledky genetických modifikací Identifikace rostlinných genů pro jednotlivé enzymy cyklu: – panB1, panB2 u Arabidopsis pomocí sekvence genů Escherichia coli panC, panD, panE Pokusy ve stadiu introdukce bakteriálních genů do rostlin Kyselina pantoténová Kyselina listová (folová) Biosyntetická dráha Zahrnuty do procesů Jako ja fotorespirace, biosyntéza ligninu a chlorofylu. Výsledky genetických manipulací Identifikace genů Obsah folátů u některých plodin: GM rýže 150x více kys. listové Kyselina listová (folová) Druh části obsah nmol/g konzumované části Rýže 0,13–0,18 Pšenice 0,84–0,95 Kukuřice 0,42 Rajčata 0,20–0,64 Hrách 1,45 Špenát 4,31 Fazole 10,28 Čočka 9,62 Stopové prvky a antinutriční látky v potravě Železo a zinek Železo ve formě: 1. hemové (maso, ryby) 2. nehemové (obiloviny, luštěniny, ovoce, zelenina) v semenech Antinutriční látky (kyselina fytová, fenolické látky) Zvýšení obsahu železa 1. farmaceutické přípravky 2. obohacení potravin 3. šlechtění • nové zdroje (rýže 4x více Fe) • mutace (cpa – low phytic acid, o 50 % lepší vstřebávání) Stopové prvky a antinutriční látky v potravě 4. genetické modifikace Tabák, Arabidopsis – gen FRE1 z kvasinek – gen FRO2 rýže – vyšší obsah Fe v zrnech – geny pro sójový feritin + promotor specifický pro glutelin = 13x více feritinu v endospermu, 3x více Fe zvýšení obsahu fytáz – gen z Aspergillus niger – řepka, tabák, sója Výukovou pomůcku zpracovalo Servisní středisko pro e-learning na MU http://is.muni.cz/stech/