Wykł.1_Podstaw. koncepcje_2014

Biologia molekularna roślin

Program

• Dlaczego warto się zajmować roślinami>

• Podstawowe koncepcje i metodologia biologii molekularnej roślin. • Rośliny modelowe.

• Genetyka klasyczna (forward genetics) i odwrotna genetyka (reverse

genetics) w analizie funkcji genów u roślin – analiza na przykładach.

• Genomika roślin: kompletne sekwencja, struktura i ewolucja genomów roślinnych.

• Współczesne metody po-genomiczne: transkryptomika (mikromacierze DNA), proteomika (analiza białek za pomocą spektrometrii mas), inne – omiki.

• Transkrypcja genów jądrowych u roślin i jej regulacja: zjawisko RNAi (interferencja RNA), chromatyna i dziedziczenie epigenetyczne.

• Organizacja i regulacja ekspresji genów organellarnych. • Stres, fitohormony i transdukcja sygnałów u roślin.

• Genetyczna regulacja rozwoju wegetatywnego i procesu kwitnienia. • Współczesna biotechnologia roślin a etyka.

Centralny dogmat biologii molekularnej- idea

• DNA RNA BIAŁKO

Transkrypcja Translacja

Orga nizm

Centralny dogmat-realizacja • W organizmach informacja przepływa od DNA (kwasów nukleinowych) do białek, nigdy odwrotnie.

• Ale bez białek kwasy nukleinowe są martwe!

Podobnie jak zwierzęta, rośliny są

wielokomórkowymi eukariontami

Bakterie Archeonty Zwierzęta

Rośliny Grzyby

Wspólny przodek Photo credits: Public Health Image Library; NASA; ©

Rośliny są bardzo zróżnicowane

Glony zielone Wątrobowce Mchy Rośliny naczyniowe Widłaki Paprocie Rośliny nasienne Rośliny kwiatowe Szpilkowe Trawy Szerokoli stne Rośliny lądowe Rośliny wykształciły umiejętność życia w różnych środowiskach

Powody studiowania roślin

Bo są ładne: Rośliny w ogrodzie

Bo są głównym źródłem żywności: Rośliny uprawne

Bo są głównym elementem globalnej równowagi w ekosystemie ziemskim: Dżungla w Amazonii

Zakwity fitoplanktonu u wybrzeży Nowej Zelandii

Rośliny uszczęśliwiają ludzi

Dravigne, A, et al., (2008) HortScience 43: 183-187 ; Photo credit: tom donald

Ludzie pracujący wśród roślin są bardziej

zadowoleni niż ci, którzy pracują i żadnych roślin nie widzą

Rośliny są zadziwiającymi organizmami

Największy kwiat (raflezja olbrzymia~ 1m)

Najdłużej żyjący organizm ( sosna oścista ok.5000 lat)

Największy organizm (sekwoja nadbrzeżna > 100m)

Nie moglibyśmy żyć bez roślin

•

Wytwarzają większość tlenu, którym oddychamy

•Wytwarzają większość

zmagazynowanej w związkach chemicznych energii, którą

przyswajamy w postaci jedzenia i spalamy w postaci paliw

•Wytwarzają ogromną różnorodność przydatnych związków chemicznych

Nie możemy żyć bez tlenu!

X X

Brak tlenu

J. Priestley wykazał, że oddychające zwierzę zużywa powietrze. Zwierzę trzymane w zamkniętym pojemniku umiera.

Nie możemy żyć bez tlenu!

Wytwarzanie tlenu

Priestley wykazał także, że rośliny potrafią przywracać użyteczne powietrze. Wiemy dziś, że produkują tlen, jako produkt uboczny fotosyntezy

Rośliny wiążą dwutlenek węgla w wysokonergetycznych substancjach, które stanowią pożywienie dla zwierząt

CO2 CO

2 jest przetwarzany w

cukry w procesie fotosyntezy

Rośliny wytwarzają ogromną różnorodność

związków chemicznych

witamina A witamina C wanilia kafeina morfina CO2

Po co badać rośliny?

Aby zachować

różnorodność gatunków i chronić gatunki ginące

Aby się dowiedzieć więcej o świecie organizmów

Aby lepiej wykorzystać rośliny, jako źródło

pokarmu, leków i energii

Badanie roślin pomaga odkrywać świat

Rysunek korka wykonany przez Roberta Hooke’a, odkrywcy “komórek”

Komórki zostały najpierw zaobserwowane u roślin

.

Zdjęcie komórek korka

Wirusy po raz pierwszy wyizolowano z roślin

Wirus mozaiki tytoniu (TMV)

Wirusy infekują ludzi, podobnie jak rośliny,

powodując wiele różnych chorób, jak AIDS, żółtaczka, SARS, świńska grypa, rak szyjki macicy, ospa i polio.

Badania Mendla prowadzone na grochu doprowadziły do odkrycia praw dziedziczenia

Co umożliwiło poznanie

przyczyn wielu ludzkich chorób, jak anemia sierpowata,

...hemofilia i niezliczone inne choroby, mające za przyczynę wady

genetyczne.

Prace Mendla stworzyły podwaliny genetyki roślin i nowoczesnej

hodowli Wybitny hodowca Norman Borlaug 1914-2009, Laureat Nagrody Nobla 1970

Etyczne powody zajmowania się

roślinami

Populacja światowa stale rośnie

Światowa populacja potroi się pomiędzy rokiem 1950 (2,5 miliarda) a 2020 (7,5 miliarda)

Głównym celem biologii

molekularnej i biotechnologii roślin jest zwiększenie produkcji żywności; według obecnych

szacunków potrzebny jest wzrost o 70% w ciągu najbliższych 40 lat

Niedożywienie i głód zabijają głównie dzieci

W 2004 r. z głodu i niedożywienia umarło za świecie 60 milionów ludzi.

Wśród nich było 10 000 000 dzieci poniżej 5-go roku życia; 99% żyło w krajach o b. niskim i niskim dochodzie

Z powodu braku dostatecznej ilości witaminy A umiera rocznie 1 milion dzieci.

Rocznie, na chroniczny głód cierpi 1 miliard ludzi (równoważnik populacji USA, Kanady i Europy)

Na chroniczną anemię spowodowaną niedoborem żelaza cierpi pond 2 miliardy ludzi

(równoważnik populacji USA, Kanady, Europy i Chin)

Czy nauka może temu

zaradzić?

Poprzez uzyskanie odmian roślin, które:

 Tolerują suszę i stresy

 Wymagają mniejszych ilości nawozów i wody  Są odporne na patogeny

 Zawierają więcej substancji odżywczych

Badania nad roślinami mogą doprowadzić do rozwoju technologii, które pozwolą zmniejszyć

Susza poważnie ogranicza wzrost roślin

Negatywne skutki suszy są jeszcze groźniejsze w

warunkach globalnego ocieplenia

W ciepłych rejonach świata wielkość plonów spada o 3-4% ze

wzrostem temperatury o każdy 1oC

© European Communities, 1995-2009. Image Source: The PESETA Project

Przewidywane zmiany temperatury w okresie 2071-2100 w porównaniu z okresem 1961-1990.

Nawet umiarkowana susza zmniejsza plony

Umiarkowana susza zmniejsza

szybkość fotosyntezy i wzrostu, silna susza zabija rośliny.

Niezbędne są rośliny, które będą dobrze rosły w warunkach stresu środowiskowego

Wysoka temperatura i susza zmniejszają plony

To wymusza powiększanie obszaru zasiewów

Wyrąb lasów pod uprawy zwiększa emisję CO₂

Zmiana w pojedynczym genie może zwiększyć

odporność na suszę

Yu, H., et al. Plant Cell 2008;20:1134-1151

Powtórnie podlane

Obficie podlewane 10 dni suszy 20 dni suszy

Odporne na suszę

Większy system korzeniowy poprawia tolerancję

na suszę

Siewki Dorosłe rośliny Dziki Dziki Tolerujący suszę Tolerujący suszę Selekcja na większy korzeń może poprawić tolerancję roślin na suszę

Yu, H., et al. Plant Cell 2008;20:1134-1151

Nawozy są czynnikiem ograniczającym wydajność plonów bo ich produkcja wymaga wielkich nakładów energii

•Rośliny uprawne wymagają

nawozów – potasu, fosforanów, azotu i innych substancji

•Potas i fosforany są

nieodnawialne, wymagają pozyskiwania stale na nowo

•Synteza nawozów azotowych jest bardzo kosztowna

Nawozy stosowane w rolnictwie są jednym z głównych powodów zanieczyszczenia środowiska

Photo courtesy of NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio)

W przybrzeżnych strefach spływu nawozów glony zakwitają a następnie rozkładają się, co zmniejsza poziom tlenu i uniemożliwia życie.

Yuan, L., et al. (2007) Plant Cell;19:2636-2652

Bardziej wydajny system transportu w korzeniu może zmniejszyć

zapotrzebowanie na nawozy.

Uczeni krzyżują rośliny wieloletnie i uprawne w celu uzyskania odmian lepiej pobierąjących wodę i substancje mineralne

Wes Jackson z Land Institute

demonstruje wieloletniego krewniaka pszenicy,Thinopyrum intermedium

Rośliny wieloletnie pobierają wodę i substancje odżywcze lepiej niż rośliny uprawne

Dwie choroby są aktualnie przyczyną największych światowych strat w zbiorach

• Grzyb Phytophthora infestans,

przyczyna zarazy ziemniaczanej, pojawił się powtórnie, jako poważne

zagrożenie.

•Puccinia graminis tritici, choroba grzybowa źdźbła pszenicy (rdza

zbożowa) występuje obecnie w bardzo ostrej postaci.

Zaraza ziemniaczana niszczy ziemniaki

•Zniszczenie plonów przez infekcję

Phytophthora infestans w latach 40. XIX wieku spowodowało smierć ok. 1 miliona ludzi w Europie.

. (Photo credits: USDA; Scott Bauer)

Identyfikacja genów oporności

Oporna

Zakażone grzybem Nie

zakażone Podatna

Roślina po lewej ma gen oporności i nie ulega zakażeniu

Song, J. et al.,(2003) PNAS 100: 9128-9133; Copyright (2003) National Academy of Sciences, U.S.A.

Genetycy zidentyfikowali gen oporności i

wprowadzili go do odmian jadalnych

Rdza zbożowa stała się ogromnym zagrożeniem

•Silnie patogenny szczep Ug99 pojawił się w

Ugandzie w 1999 r. •Większość odmian

pszenicy nie ma oporności przeciwko Ug99

Zainfekowane rośliny pszenicy

Ug99 zagraża pszenicy na całym świecie

•

•

Grzyb jest przenoszony przez wiatr

•Ug99 występuje w Ugandzie, Kenii, Etiopii, Sudanie, Jemenie i Iranie i bezpośrednio zagraża terenom rolniczym na Bliskim

Wschodzie, we Wschodniej Afryce i Centralnej i Południowej Azji

.

•Na czerwono zaznaczono prądy powietrze przenoszące Ug99

Grzyb przenoszony jest przez wiatry

•.

Drogi przenoszenia Ug99

Poważne środki przeznaczono na badania nad wytworzeniem linii opornych na Ug99

Nie wiadomo, czy oporne linie powstaną na czas i pozwolą uniknąć klęski głodu

Efekty badań biologii molekularnej roślin pomagają wydłużyć okres świeżości produktów po zbiorach

Po zebraniu, owoce miękną, dojrzewają, a w końcu gniją.

W wyniku tych procesów owoce stają się mniej atrakcyjne i wartościowe

Źle przechowywane ziemniaki zielenieją i gromadzą

solaninę. Solanina jest szkodliwa, a w dużych ilościach toksyczna.

Photo credits: Dr. C.M. Christensen, Univ. of Minnesota.; WSU; Pavalista, A.D. 2001

Pleśń Aspergillus rosnąca na kolbach kukurydzy.

Straty po zbiorach niszczą do 50% zebranego ziarna

Badania w biologii molekularnej roślin przyczyniają się do ograniczenia strat roślin uprawnych

Niedobór witaminy A Głód

Nasze organizmy potrzebują

zarówno witamin i minerałów, jak i kalorii. Niedożywienie jest głównie wynikiem ubóstwa.

Anemia u małych dzieci

Poprawa wartości odżywczej roślin pomoże walczyć z niedożywieniem

Wzbogacanie żywności w witaminy (jak foliany [wit. B9] i witaminę A) i mikroskładniki mineralne (jak

żelazo, cynk i jod) zasadniczo zmniejszyło ujemne efekty niedożywienia na całym świecie.

Żywność wzbogacana genetycznie

()

Ryż wzbogacony w żelazo

Pomidory: dzikie (u góry) i wzbogacone w

antyoksydanty (u dołu)

Photo credits: Golden Rice Humanitarian Board © 2007; Credit: ETH Zurich / Christof Sautter; Reprinted by permission

from Macmillan Publishers, Ltd: Butelli, E., et al., Nature Biotechnology 26, 1301 - 1308 copyright (2008).

Rośliny dostarczają nie tylko żywności

Sa także:

• Źródłem nowych leków

• Źródłem lepszych włókiem na papier i tkaniny • Źródłem produktów bioodnawialnycyh

• Dostarczycielem odnawialnych źródeł energii

Rośliny dostarczają setek związków stosowanych w

medycynie

•Kora wierzby (Salix) jest źródłem aspiryny (kwasu

acetylosalicylowego)

•Naparstnica purpurowa (Digitalis purpurea) jest źródłem

digitoniny, stosowanej w leczeniu chorób serca

•Cis (Taxus brevifolia) jest źródłem taxolu (lek

przeciwnowotworowy)

•Kawa (Coffea arabica) i herbata (Camellia sinensis) są

Malaria zabija miliony ludzi

Obszary z najwyższym ryzykiem malarii

Hay, S.I., et al., (2009) PLoS Med 6(3): e1000048. doi:10.1371/ journal.pmed.1000048

Malarię wywołuje pierwotniak Plasmodium

Plasmodium

wewnątrz komórki myszy

Plasmodium jest przenoszone na ludzi przez

zakażone komary

Kora drzewa chinowego zawiera związek – chininę,

który zabija Plasmodium

Ale Plasmodium wykształca oporność na chininę, potrzeba więc innych źródeł

związków antymalarycznych.

Gin i chinina?

(Crown copyright; Photograph courtesy of the Imperial War Museum, London - Q 32160)

Aby zapobiegać malarii, żołnierzom

brytyjskim w tropikach podawano pastylki

chininy. Gorzki smak leku neutralizowano podając go ze słodką gazowaną wodą (tonik), często mieszaną z ginem (stąd pochodzi ‘gin and tonic).

Nowy związek o aktywności antymalarycznej

odkryto w Artemisia annua

Photo credit: www.anamed.net

Artemizyna

Artemisia była od tysięcy lat stosowana w medycynie

chińskiej. Jej aktywny składnik, artemizynę, oczyszczono w 1972 r.

Biolodzy roślin pracują nad wytworzeniem odmian

Artemisia o zwiększonej produktywności

Ściany komórkowe roślin dostarczają trwałych

materiałów

Drewno zbudowane jest przede wszystkim ze ścian komórkowych

Ściany komórkowe

•Photo credit: www.wpclipart.com/plants; Zhong, R., et al., (2008) Plant Cell 20:2763-2782 .

Pierwotne ściany komórkowe zbudowane są głównie z węglowodanów i białek.

Niektóre komórki wytwarzają sztywne ściany wtórne, które

zawieraję lignine, niezrozpuszczalną substancję sieciującą .

Drewno i włókna mają szerokie zastosowania

Rembrandt van Rijn (1631) Tkaniny z włókien

roślinnych (bawełna, płótno)

Włókna roślinne służą do wytwarzania papieru (kiedyś papirusu) Drewno budowlane i do produkcji mebli Płótna malarskie są wytwarzane z lnu lub bawełny

Rośliny są źródłem włókien na papier i tkaniny

Kluczowe znaczenie miało uzyskanie bawełny o zwiększonej oporności na

Niedawno zakończono sekwencjonowanie genomu

topoli, podstawowego surowca w przemyśle

papierniczym

Dane o sekwencji genów topoli są już wykorzystywane do poprawy jakości surowca do produkcji papieru

Rośliny mogą częściowo zastąpić ropę

naftową

creativecartoons.org.

Przemiana martwych

szczątków organicznych

w ropę zajmuje dziesiątki

milionów lat. Dostępne

zasoby ropy kończą się.

Ropa nie jest surowcem odnawialnym!

Rośliny mogą być źródłem biopaliw

Energia ze słońca

Image source: Genome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory

Fermentacja zamienia cukry, skrobię i celulozę w etanol

Rośliny jako źródło paliwa do silników diesla

Image sources: Tilo Hauke, University of Minnesota, Iowa State University Extension.

Biodiesele wytwarzane z rzepaku, soji i glonów zastępują paliwo dieslowskie otrzymywane z ropy naftowej.

Uprawy bioenergetyczne nie powinny wpływać na

produkcję żywności i ceny

Miscantus (Miscanthus

giganteus) szybko

rosnąca roślina

wieloletnia uprawiana jest na ternach nie nadających się do produkcji żywności.

Etanol wytwarzany z celulozy zawartej w ścianach komórkowych jest ważnym ekonomicznie paliwem

Ściany komórkowe z łodyg kukurydzy i innych fragmentów roślin zostających po zbiorach Etanol

Energia słońca

Biode

grada

cja

Rośliny jako źródło bioodtwarzalnych i biodegradowalnych materiałów

Uczeni poszukują ekonomicznych technologii umożliwiających

wytwarzanie tworzyw sztucznych w roślinach.