biotechnologia


 
 

Transfer genów z gatunków dzikich jako sposób na poszerzanie zmienności genetycznej pszenżyta

Autor: Karolina Różaniecka

1.1 Pszenżyto - jego znaczenie i skład genetyczny

Pszenżyto jest pierwszym, świadomie wytworzonym przez człowieka nowym gatunkiem, który został wprowadzony do uprawy (Malepszy, 2000). Pszenżyto powstało poprzez krzyżowanie oddalone pszenicy zwyczajnej i żyta uprawnego. Dzięki temu możliwe było wytworzenie nowych form, łączących cechy korzystnych dla obu gatunków wyjściowych. Formą mateczną jest pszenica zwyczajna, dzięki której pszenżyto odziedziczyło dobrej jakości białko o korzystnym składzie aminokwasów. Formą ojcowską jest żyto uprawne, dzięki któremu pszenżyto posiada niewielkie wymagania glebowe (Borowy, 2015). Przez wiele lat był to gatunek odporny na różnego rodzaju choroby. Niestety na skutek zwiększania się areału uprawy nastąpiło drastyczne załamanie odporności tego zboża i stało się ono podatne przede wszystkim na rdzę brunatną, rdzę żółtą a także mączniaka prawdziwego. Głównymi kryteriami do uzyskania jak najlepszych form pod względem hodowlanym jest uzyskanie odmian plennych, odpornych na warunki klimatyczne, choroby i porastanie (Tarkowski, 1989).

Aby powstał najlepszy model odmiany pszenżyta niezbędne jest połączenie korzystnych cech rolniczo-użytkowych w jednym genotypie. Strategiczne jest uzyskanie odmian o stałych i wysokich plonach nawet w słabszym środowisku glebowo-klimatycznym. Istotne jest również uzyskiwanie ziarna o bardzo dobrych właściwościach technologicznych i wysokiej strawności (Maćkowiak, 2003; Gil, 2001). Pszenżyto głównie wykorzystywane jest jako pasza dla zwierząt i w celach konsumpcyjnych (Haber, 1989). Poprawa wartości wypiekowej pszenżyta możliwa jest dzięki translokacja alleli wielkocząsteczkowych form glutenu do genomu pszenżyta (R) z genomu pszenicy (D) (Rozbicki, 1998).

Wyróżniamy trzy formy pszenżyta (X Triticosecale Wittmack) różniące się ilością chromosomów w genomie. Forma oktoploidalna, będąca najstarszym typem, posiada skład genomowy AABBDDRR i 56 chromosomów w komórkach somatycznych, forma heksaploidalna AABBRR 42 chromosomy oraz forma tetraploidalna AARR 28 chromosomów (Tarkowski i Stefanowska, 1989). Największe znaczenie praktyczne ma forma heksaploidalna AABBRR (Gruszecka, 2005).


1.2 Bariery krzyżowalności

Krzyżowanie jest podstawowym narzędziem stosowanym w hodowli roślin (Malepszy, 2000). Pszenica oraz żyto są zbożami znacznie oddalonymi od siebie genetycznie. Konsekwencją tego zjawiska jest bardzo rzadkie występowanie między nimi spontanicznych przekrzyżowań. Jedną z barier krzyżowalności dla tych gatunków jest termin, a także sposób kwitnienia. Kolejną przeszkodą jest bariera genetyczna, zdeterminowana występowaniem dwóch par genów Kr. Geny Kr1 i Kr2 znajdują się u pszenicy heksaploidalnej na długich ramionach chromosomów 5B i 5A. Geny te występujące jednocześnie jako homozygota dominująca zapobiegają kiełkowaniu łagiewki pyłkowej żyta uprawnego na znamieniu słupka pszenicy zwyczajnej. Kolejną barierą jest występowanie genów Kr3 i Kr4, które zlokalizowane są na chromosomach 5D i 1A. Podczas szeregu badań stwierdzono jednakże, że geny te mają słabe działanie. Stwierdzono, że efekt krzyżowania pszenicy i żyta zdeterminowany jest najprawdopodobniej jedną parą genów występującą w pszenicy, a co za tym idzie genom żyta ma znikomy wpływ na liczbę zachodzących przekrzyżowań. Kolejną barierą jest brak homologii pomiędzy chromosomami genomów obu gatunków, a u mieszańców występuje dysharmonia genetyczna. Mimo tych barier u pszenicy i żyta występuje pokrewieństwo genetyczne chromosomów zaliczających się do różnych genomów. Dzięki temu możliwa jest koniugacja homeologiczna i rekombinacja chromosomów formy matecznej i ojcowskiej, a także wymiana informacji genetycznych między zbożami. Krzyżowanie się pszenicy, szczególnie jej odmian europejskich, z żytem nie jest najlepsze a stopień zawiązywania ziarniaków mieszańcowych jest różny i waha się w granicach od 0 do 27%.


1.3 Zmienność genetyczna

Doskonalenie genotypów zbóż wymaga wprowadzania nowych alleli i genów. Nowoczesne techniki pozwalają na szybkie uzyskiwanie nowych odmian i linii czystych, w ten sposób zawęża się jednak zmienność genetyczna (Wiśniewska, 2010). Takie działania wpływają niekorzystnie na szereg istotnych cech, np. obniżając odporność roślin.

Pszenżyto, będąc rodzajem całkowicie syntetycznym posiada znacznie ograniczoną zmienność genetyczną, jednakże, aby zapewnić trwały postęp w hodowli ważne jest jej utrzymanie oraz poszerzanie, gdyż genetyczna różnorodność materiału wyjściowego to podstawowy warunek w doskonaleniu roślin użytkowych (Kociuba, 2007).

U pszenżyta zmienność genetyczna jest efektem rekombinacji kompletnych genomów zarówno pszenicy jak i żyta (Kociuba i Kramek, 2009). Jednym ze sposobów powiększenia tej zmienności jest wprowadzanie nowej i efektywnej puli genetycznej. Nowe genotypy posiadające korzystniejsze cechy niż formy wyjściowe można uzyskać poprzez krzyżowania międzygatunkowe, międzyrodzajowe, międzyodmianowe i dzięki wsparciu kultur in vitro. Dzięki krzyżowaniom międzygatunkowym i międzyrodzajowym przenosimy korzystne cechy i zwiększamy bioróżnorodność.

Dzikie gatunki spokrewnione z gatunkami uprawnymi posiadają wiele korzystnych cech, które można wykorzystać w rolnictwie. Charakteryzują się m.in. dużą odpornością na stresy biotyczne i abiotyczne. Wykorzystując krzyżowanie i inżynierię chromosomową możemy przenieść korzystne i interesujące nas geny zarówno z form uprawnych jak i dzikich. Zmienność genetyczna zbóż uzyskana poprzez krzyżowania oddalone prowadzi do powstania wielu form o podwyższonej odporności na stresy. W przypadku tego typu prac bardzo ważna jest w badaniach form wyjściowych genetyka molekularna, a przede wszystkim markery molekularne, które identyfikują geny odporności i pozwalają monitorować ich transfer, a także proteomika, która identyfikuje izoenzymy i metabolomika charakteryzująca m in. toksyny fuzaryjne w ziarnie (Wiśniewska, 2010).


1.4 Dzikie gatunki z rodzaju kozieńców (Aegilops) jako źródło nowej zmienności pszenżyta

Podczas hodowli i selekcji uprawne odmiany pszenicy heksaploidalnej straciły liczne cechy jakościowe i odpornościowe, stąd trudno znaleźć wśród nich wartościowe źródła zmienności dla pszenżyta. Dlatego też hodowcy wykorzystują gatunki dzikie między innymi z rodzaju Aegilops do udoskonalania odmian.

Pierwszym etapem wprowadzania pożądanych genów z gatunków dzikich do odmian uprawnych jest wykonanie krzyżowań i uzyskanie mieszańców pierwszego pokolenia. Kolejnym etapem prac w celu transferu jest wykonanie krzyżowań wstecznych, mieszańców z pszenicą. Mieszańce identyfikujemy cytologicznie, morfologicznie lub molekularnie. Podczas porównania form rodzicielskich i otrzymanych mieszańców wyraźnie widać, że występujące cechy morfologiczne są pośrednie (Prażak, 2012, Plich, 2011).

Jedną z metod wprowadzenia materiału genetycznego z Aegilops do pszenicy jest przeniesienie genomu kozieńców do genomu pszenicy czego konsekwencją jest otrzymanie amfiploidów. Otrzymanie takiego amfiploidu ułatwia transfer genów. Kolejnym sposobem jest tworzenie linii addycyjnych powstałych w wyniku krzyżowań wstecznych pszenicy i amfiploidu. Na podstawie linii addycyjnych tworzone są linie substytucyjne charakteryzujące się większą stabilnością i zróżnicowaniem genotypowym. Trzecim sposobem jest homeologia lub homologia genów. W ten sposób przeniesienie genów odbywa się na zasadzie crossing-over. Inną możliwością jest translokacja wykorzystywana, gdy chromosom kozieńca nie jest homeologiczny z chromosomem pszenicy (Prażak, 2007).

Wykorzystanie gatunków z rodzaju Aegilops pozwoliło na transfer wielu istotnych genów (szczególnie genów odporności na choroby) do odmian pszenicy i pszenżyta. Przykładem skutecznego wykorzystania tego rodzaju podejścia jest m.in. transfer z rodzaju Aegilops genu zapewniającego zwiększoną odporność na łamliwość źdźbła, która powodowana jest przez grzyb Pseudocercosporella herpotrichoides. Skutkiem tej choroby jest próchnienie, a co za tym idzie zwiększone wyleganie zbóż. Gen odporności na tego patogena zidentyfikowano w genomie Aegilops ventricosa, skąd dokonano jego transferu do linii pszenicy i pszenżyta (Wiśniewska, 2010).


Bibliografia:
1. Borowy T. 2015. Wartość technologiczna i żywieniowa ziarna pszenżyta. Przegląd Zbożowo-Młynarski, R.58[59] (3): 15-16
2. Gil Z. 2001 Charakterystyka cech fizycznych, chemicznych i przemiałowych ziarna pszenżyta jarego i ozimego. Biul. IHAR, 220: 139-146
3. Gruszecka D. 2005. Genetyka pszenżyta. Zarys genetyki zbóż. 2: Pszenżyto, kukurydza i owies. Wyd. IGR PAN, Poznań: 15-27, 33-34, 46-49
4. Haber T. 1989. Pszenżyto – nowa roślina zbożowa, charakterystyka technologiczna i możliwości wykorzystania. Przegląd Zbożowo-Młynarski 8: 13-16
5. Kociuba W. 2007. Charakterystyka zasobów genowych pszenżyta (X Triticosecale Wittmack) zgromadzonych w latach 1998-2005. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych 515: 369-377
6. Kociuba W., Kramek A. 2009. Wartość mieszańców pszenżyta ozimego z pszenicą pod względem cech plonotwórczych oraz zawartości białka w ziarnie. Biul. IHAR 253: 157-163
7. Maćkowiak W. 2003 Ocena postępu i strategiczne kierunki hodowli pszenżyta w Polsce. Biul. IHAR, 230: 127-141
8. Malepszy S. 2000. Wpływ osiągnięć biologii na hodowlę roślin. KOSMOS Problemy nauk biologicznych, 49, 3(248): 421-427
9. Plich J. 2011. Introgresje genów z gatunków spokrewnionych taksonomicznie w ulepszeniach pszenicy Triticum aestivum L. i innych roślin uprawnych. Biuletyn IHAR 260/261: 21-42
10. Prażak R. 2007. Studia nad mieszańcami Aegilops z Triticum. Rozprawy naukowe Akademii Rolniczej w Lublinie, Wydział Rolniczy, 316
11. Prażak R. 2012. Cechy morfologiczne i płodność mieszańców niektórych gatunków rodzaju Aegilops sp z pszenicą heksaploidalną Triticum aestivum L. Biuletyn IHAR 263: 3-17.
12. Rozbicki J. 1998. Znaczenie gospodarcze i możliwości uprawy pszenżyta ozimego w Polsce. Postępy Nauk Rolniczych 5/98: 17-27
13. Tarkowski C. 1989. Biologia pszenżyta. PWN Warszawa: 15-16
14. Tarkowski Cz., Stefanowska G. 1989. Biologia pszenżyta. Synteza nowych form. PWN Warszawa: 19
15. Wiśniewska H. 2010. Poszerzenie bioróżnorodności uprawnych form pszenicy i pszenżyta poprzez transfer genów z dzikich i uprawnych form plemienia Triticeae. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych 555: 465-477


Podręcznik biotechnologii

Kto jest online

192 anonymous users oraz 1 registered user online.

Jesteś niezarejestrowanym lub niezalogowanym użytkownikiem.


 
 
 
Partnerzy:

laboratoria.net Nauka w Polsce Academio Fundacja NanoNet BioCen - BioCentrum Edukacji Naukowej Notatek.pl cebioforum.com materialyinzynierskie.pl Wspieram.to - POLSKI KICKSTARTER - Polska platforma finansowania społecznoœciowego.Tu zrealizujš się Twoje pomysły. Portal popularnonaukowy

Portal: Redakcja . Współpraca . Kontakt . Polecamy



Wszystkie prawa zastrzeżone 2006-2016 e-biotechnologia.pl
stat4u