Veda v CENTRE Centrum vedecko-technických informácií SR
30. apríl 2015
doc. RNDr. Ján Kraic, PhD.
Rastliny už nestačia nášmu tempu ...
Štruktúra prezentácie 1. Zem – Rastliny – Človek
2. Domestikácia rastlín
3. Revolúcie za účasti rastlín
4. Geneticky modifikované rastliny – súčasnosť
5. Geneticky modifikované rastliny – budúcnosť
6. Geneticky modifikované rastliny vytvorené a testované u nás
7. Závery
• Vek planéty Zem ≈ 4 500 000 000 rokov
• Život na zemi ≈ 3 800 000 000 rokov
• Prvý človek (Homo habilis) ≈ 2 000 000 rokov
• Homo sapiens ≈ 200 000 rokov
• Domestikácia rastlín ≈ 12 000 rokov
• Šľachtenie rastlín 18. st.
• Prvá GM rastlina 1983
• Komerčné pestovanie GMR 1996
Zem – Rastliny – Človek
Rastliny (poľnohospodárstvo) & vývoj cililizácie
Oddelenie miesta
produkcie od miesta spotreby
Transport tovaru
Rozvoj mechanizácie
Nárast počtu
obyvateľstva
Zvýšená spotreba potravín
Zlepšovanie rastlín
(šľachtenie)
Priemyselný rozvoj
Domestikácia a zvýšená produkcia
rastlín
Domestikácia rastlín – kde sa to stalo ?
• Miesta domestikácie rastlinných druhov v súčasnosti živiacich človeka:
• Oblasť „Úrodného polmesiaca“:
Domestikácia rastlín – čo sa stalo s rastlinami ?
• Človek zámerne niektoré gény vyberal, iné gény eliminoval:
• Človek mnohé gény takmer úplne eliminoval a iné kumuloval –najmä gény znižujúce životaschopnosť rastliny v prírode
Domestikácia rastlín – čo sa stalo s génmi ?
Yam
asa
ki et
al.:
Annals
of
Bota
ny 1
00:
967–973, 2007
Umelý výber
Šľachtenie
Domestikácia
Neselektové, neutrálne gény
Domestikovanégény
Gény zlepšujúce fenotyp
Teosinte
Krajové odrody
Vyšľachtené línie
Prečo treba stále zlepšovať (šľachtiť) rastliny
???
Vývoj počtu obyvateľov na Zemi
31.10.2011
2024
Očakávaný globálny problém
Thomas R. Malthus predpovedal problémy súvisiace s rastom populácie človeka na Zemi už koncom 18. st. (An Essay on the Principle of
Population, 1798):
• Počet obyvateľov rastie geometricky, ale produkcia potravín sa zvyšuje aritmeticky
• Nárast počtu obyvateľstva je silnejší ako sú možnosti planéty ho uživiť
• Skôr či neskôr nastane konfrontácia „obyvateľstvo vs. potraviny“
Geometrický nárast obyvateľstva v 19. a 20. storočí ale neviedol k „maltuziánskej katastrofe“ – Prečo ???
Revolúcie prinášajúce potraviny
Priemyselná (vedecká) revolúcia (1750-1850)
• Metalurgia: oceľ
• Strojárstvo: parný stroj železnice, poľnohospodárske stroje – traktory, pluhy, sejačky, žacie stroje, spracovanie surovín ...
• Chemický priemysel: kyseliny, zásady, soli hnojivá
• Demografia: 2x
Revolúcie prinášajúce potraviny
Zelená revolúcia (1962-1982) – CYMMIT
Zlepšenie vlastností rastlín (ryža, pšenica):
• Redukcia výšky • Zvýšenie zberového indexu • Nepoliehanie aj pri intenzívnej výžive • Skrátenie vegetačnej doby • Zvýšenie odolnosti proti patogénom, škodcom, stresom • Zdvojnásobenie úrodnosti hlavných plodín
Zvýšenie vstupov a náročnosti pestovania rastlín (výživa, pesticídy, závlahy, mechanizácia, semenárstvo, pestovateľské systémy)
Negatívne dopady na životné prostredie
Zintenzívnenie znižovania genetickej aj biologickej diverzity
Norman Borlaug (1914-2009)
Zelená revolúcia pšenica
Príbeh pšeníc s redukovanou výškou:
• V roku 1935 vytvorili v prefektúre Iwate japonci pre severné oblasti Japonska pšenicu Norin 10 – krížením z 2 amerických pšeníc – Fultz a Turkey red a japonskej nízkej pšenice Daruma :
Turkey red x (Fultz x Daruma) Norin 10
• Norin 10 obsahovala gény pre redukovanú výšku rastliny (krátkosteblovosti) Rht1 a Rht2
• Biológ Cecil Salmon pracoval po 2. sv. vojne v Japonsku v tíme gen. MacAtrhura, kde pozberal 16 miestnych odrôd pšenice vrátane veľmi nízkej Norin 10
• Cecil Salmon poslal semená Norin 10 šľachtiteľovi Orvillovi Vogelovi do Washingtonu (1949), ktorý ju použil do kríženia s ďalšími pšenicami a vytvoril odrody s úrodnosťou vyššou o 25% (medzi nimi aj prvú komerčne využívanú nízku odrodu Gaines, 1961):
Zelená revolúcia pšenica
vysoko úrodná a nízka pšenica (v USA pestovaná po r. 1945)
Norin 10 × Brevor 14
• Vogel poskytol semená pšeníc Normanovi Borlaugovi, ktorý v Mexiku tieto pšenice krížil s lokálnymi odrodami adaptovanými pre tropické a subtropické podmienky a ich pšenice mali:
vysoké úrody, zmenu z ozimnej formy na jarnú,
vhodnosť pre tropické a subtropické oblasti
Zelená revolúcia ryža
Dee-geo-woo-gen Taiwan Taichung Native 1
(semi-dwarf) Filipíny IR-8
IR-8 × TN-1
nízke vysoké úrody
vhodné pre tropické, subtropické a mierne oblasti
Výsledky Zelenej revolúcie
Vývoj pomeru „obyvateľstvo vs. potraviny“ v období 1960-2000:
obyvateľstvo – cca 2,25x viac
produkcia zrnín – cca 3x viac
produkcia potravín – cca 2,25x viac
Nárast rastlinnej produkcie v období 1960-2000:
Súboj populácia vs. potraviny pokračuje
Globálna produkcia zrnín per capita 1971-2015:
Zberová plocha zrnín per capita 1950-2011:
Svetové zásoby zrnín:
Aký veľký problém máme ?
2,5 x
Ľudská populácia
Kapacita planéty
Kapacita planéty
Priemyselná revolúcia
Zelená revolúcia
Čas
Technologický pokrok
Súboje populácia vs. potraviny ?
???
Javy
Zastaviť rast a znižovať stav populácie človeka na zemi ?
Znížiť spotrebu potravín per capita ?
Zmeniť stravovacie návyky (smerom k vegetariánstvu) ?
Lepšie globálne prerozdeľovať potraviny (sever→juh, západ →
východ) ?
Obrábať viac pôdy ?
Spotrebovať pritom viac vody ?
Použiť viac chemických hnojív a pesticídov ?
Viac organického či iného (akého) poľnohospodárstva ?
Inak šľachtiť rastliny (a živočíchy) ?
Zelená revolúcia II = Génová revolúcia ?
Iné riešenie (maltuziánske predpovede - revolúcie, vojny) ?
Riešenia globálneho problému ?
Uživiť 9-10 miliárd ľudí !
Zvýšiť pestrosť a kvalitu potravín !
Zachovať úrodnosť pôdy !
Efektívnejšie využívať vodu !
Používať menej chemických hnojív a pesticídov - viac organického (biologického) poľnohospodárstva !
Na menšej ploche dopestovať viac produkcie !
Iné systémy pestovania rastlín !
Iné (nové) typy rastlín (nové formy šľachtenia) !
Imperatívy súvisiace s globálnym problémom
Ako človek zlepšuje rastliny ?
Šľachtenie výberom
Selektívne šľachtenie (hybridizácia + selekcia):
Ako človek zlepšuje rastliny ?
Bunkové „in vitro“ šľachtenie (DH, „embryo rescue“, somaklony):
Ako človek zlepšuje rastliny ?
Mutačné šľachtenia (chemické a fyzikálne mutagény, napr. NMM, DMSO, X-žiarenie, γ-žiarenie ...):
Ako človek zlepšuje rastliny ?
Molekulárne šľachtenie (MAS)
Klasické šľachtenie vs. transgenóza a cisgenóza
Genetické modifikácie – transgenóza, cisgenóza:
Ako človek zlepšuje rastliny ?
Genetické modifikácie (transgenóza) a klasické šľachtenie:
Geneticky modifikované rastliny – história a súčasnosť
• 1944 – Avery a kol. – DNA je nositeľom genetickej informácie
• 1953 – Watson a Crick - štruktúra DNA
• 1973 – Cohen a Boyer – štiepenie a spojenie DNA
• 1977-1979 – expresia ľudského génu v baktérii, vyrobený rekombinovaný inzulín a rastový hormón
• 1981 – 1. transgénny živočích (myš)
• 1982 – 1. transgénna rastlinná bunka (petúnia)
• 1983 – 1. transgénna rastlina (petúnia)
• 1986 – 1. GMR (tabak) uvoľnená do prostredia
• 1996 – začiatok komerčného pestovania GMR
Základy pre „Génovú revolúciu“
Nástroje pre „Génovú revolúciu“
Pôdna baktéria Agrobacterium tumefaciens
Priame, fyzikálne spôsoby:
Priekopník – rajčiak Flavr SavrTM
• Získal antisense gén interferujúci s produkciou enzýmu polygalakturonáza
• Nadobudol zvýšenú odolnosť proti rozkladu bunkových stien (pektínu) a následne hubovým infekciám
• Bez umelého dozrievania, lepšia chuť a vôňa, trvácnejšie, pretlak bol viskóznejší
• 1996-1998 bolo v obchodných reťazcoch vo V. Británii predaných 1,8 mil. konzerv, ich cena bola o 20% nižšia
Vývoj pestovania GM rastlín 1996-2014
181,5 mil. ha
4 „mega“ GM plodiny 2014
GM varianty dosiahli významný, resp. rozhodujúci podiel
GM plodiny v praxi – aktuálny stav
• Bavlník • Canola (B. napus + B. rapa) • Kukurica • Sója • Cukrová trstina • Fazuľa • Ľan • Lucerna • Psinček • Pšenica • Repa cukrová • Ryža • Tabak • Zemiak
• Baklažán • Cukina • Čakanka • Melón • Paprika • Rajčiak
• Papája • Slivka
• Hrebíček • Petúnia • Ruža
• Topoľ
Vlastnosti GM plodín 1996-2014
Vlastnosti GM rastlín – súčasný stav
Rezistencia voči hmyzím škodcom
Tolerancia voči herbicídom
Tolerancia voči abiotickým stresom (sucho)
Rezistencia voči chorobám (patogénom)
Zmenený rast a úrodnosť (denné a nočné fyziologické procesy)
Zmenená kvalita produktu (obsah MK, AK, lignínu, zloženie škrobu, fytáza, termostabilná α-AMY, oddialenie dozretia, nižšia alergenicita, zníženie obsahu nikotínu, zmena farby kvetu)
Kontrola opeľovania (samčia sterilita + obnovenie fertility)
Súčasný stav pestovania GM plodín – EÚ a SR
• 5 štátov EÚ pestovalo Bt-kukuricu na ploche 143 016 ha
• Medziročný pokles v EÚ (2014/2013) bol -3 %
• Líder – Španielsko – 131 538 ha
• Ďalší pestovatelia: Portugalsko, Rumunsko, ČR, Slovensko
• Vývoj plôch s GMR na Slovensku 2006-2014:
Geneticky modifikované rastliny – budúcnosť ?
Budúcnosť GMR ? – príbeh kukurice
Domestikácia: pred 7 000 - 10 000 rokmi
Dlhodobé šľachtenie (selekcie, mutácie)
1. GM kukurica (sterilná) – 1988
1. GM kukurica (fertilná) – 1990
Genetické modifikácie s 1 génom (HT, IR)
Genetické modifikácie viacerými génmi (HT + IR + ...)
Kombinácia agronomických vlastností (2 x HT + 2 x IR + tolerancia na sucho ...)
Kombinácia vlastností pre konzumenta (zmenený obsah látok, zmenené imunologické vlastnosti, obsah alergénov ...)
Kukurica – producent látok (surovín)
Budúcnosť GMR – GM kukurica – producent ?
• Priemyselných enzýmov – lakkáza (gén z trúdnikovca pestrého - spracovanie lignínu, čírenie nápojov, čistenie odpadpov), endo-1,4-β-D-glukanáza (gén z Acidothermus cellulolyticus - konverzia celulózy na cukry) ...
• Veterinárnych farmaceutík - protilátky proti hnačke, besnote, gastroenteritíde, pseudomoru hydiny ...
• Humánnych farmaceutík - v štádiu testovania - protilátky proti rakovine konečníka, respiračnému syncytiálnemu vírusu, Clostridium difficile, HIV, herpesu ...
• Ďalších farmaceutík - cystická fibrózy, pankreatitída (gastrická lipáza), cukrovka (proinzulín), gastroinfekcie (laktoferín), proteázový inhibítor (aprotinín) ...
• Vakcín (hnačky) ...
Prečo GM kukurica ako producent ?
Farmaceutiká produkované v GMR
Vakcíny: žltačka typu B – šalát, besnota – špenát, Non-Hodgkinov lymfóm – tabak, cholera – zemiak, H5N1 chrípka – tabak
Protilátky: zubný kaz – tabak, prechladnutie – tabak
Terapeutické bielkoviny: cystická fibróza – kukurica, Fabryho choroba – tabak, Gaucherova choroba – mrkva, cukrovka – požlť
Hormonálne liečivá: ľudský rastový faktor – jačmeň
Nutraceutiká: antiinfekčné a protizápalové - ryža
Farmaceutiká z GM rastlín
Mrkva produkuje taliglucerázu alfa (Elelyso) proti Gaucherovej chorobe (USA) Monoklonálna protilátka P2G12
proti prenosu HIV (Nemecko)
Švédsko - osika – zmeny v biológii osiky
Francúzsko, Belgicko, Fínsko- topoľ – zmeny v biosyntéze lignínu, zmenený rast a zloženie dreva
Španielsko - kukurica – zvýšený obsah vitamínov (β-karotén, askorbát, folát) v endosperme, pšenica – znížený obsah gliadínov (celiakia) v zrne, ryža - gén Dof 5 z borovice –produkcia ľudského enzýmu β-glukozidázy pre enzýmovú terapiu Gaucherovej choroby
Holandsko - jabloň - gén HcrVf2 z jablone – rezistencia proti spále
Česká republika - jačmeň - gén phytA z A. niger – uvolňovanie P z kys. fytoovej
Francúzsko - vinič – gén pre CP vírusu GFLV – rezistencia proti roncetu viniča
Budúcnosť GMR v EÚ – poľné testy 2012-2013
Budúcnosť GMR ?
Faktory, ktoré ovplyvnia využívanie GMR:
• Dopyt po potravinách, krmovinách, surovinách, energii
• Akceptácia potravín z GMR spotrebiteľmi
• Zmenené ciele genetických modifikácií
• Nutné obmedzenie chemizácie poľnohospodárstva
• Klimatické zmeny
• Potvrdenie ich príspevku k udržateľnosti poľnohospodárstva
• Rozhodnutia kľúčových svetových producentov (F, RU, UKR)
• Transatlantická dohoda o voľnom obchode medzi EÚ a USA
• Angažovanie sa verejného sektora vo vývoji a využívaní GMR
• ...
Geneticky modifikované rastliny vytvorené a/alebo testované u nás
Vlastný vývoj GMR – Δ6D
Vlastný vývoj GMR – Δ6D
00,050,1
0,150,2
0,250,3
0,350,4
0,45
kontrolanT
3-D6D 4-D6D 9-D6D 12-D6D
SDA (18:4-6c, 9c, 12c,15c)
GLA (18:3-6c, 9c, 12c)
Vlastný vývoj GMR – termostabilná AMY
DNA analýza: PCRM – DNA Ladder Mix-100 bp; NC – negatívna kontrola; PC – pozitívna kontrola; 1 – GP NT; 2 – GP GM; 3 – Pribina NT; 4 – Pribina GM; 5 – Nitran NT; 6 – Nitran GM; veľkosť PCR fragmentu – 594 bp
RNA analýza: M – DNA Ladder Mix-100 bp; 1 – Pribina NT; 2 – Pribina T1 GM; 3 – GP T1 GM; 4 – Nitran NT; 5 – Nitran T1 GM; 6-11 – T2 GM rastliny Nitran; veľkosť PCR fragmentu – 594 bp
Zymografia – enzymatická aktivita α-amylázy:
M – Proteínový ladder, 1 – GP GM, 2 – Pribina GM, 3 – Nitran GM, 4 – GP NT, 5 – Pribina NT, 6 – Nitran NT; transgénna α-amyláza = 50,049 kDa
Kukurica MON 89034 × 1507 × MON 88017 × 59122
Cieľ pokusu:
biologická účinnosť, charakterizovanie znakov, insekticídna stratégia, ekologické interakcie, šľachtenie, testovanie účinnosti herbicídu
Donory génov:
Bacillus thuringiensis, B. thuringiensis subsp. aizawai, B. thuringiensis subsp. kumamotoensis, Streptomyces viridochromogenes, Agrobacterium sp.
Vložené gény:
Cry1A.105 +Cry2Ab2 + Cry1F + Cry3Bb1 + PAT + EPSPS
Škodca: vijačka kukuričná + kukuričiar koreňový
Herbicíd: glyfosát + glufosinát
Testovanie GMR v prostredí
Testovanie GMR v prostredí
Testovanie GMR v prostredí
Testovanie GMR v prostredí
Konvenčné opakovania
prípravok dávka l/ha kg/ha % cena za l, kg, ks (€) cena na ha (€)
T1 Goltix Top (l) 1.3 42.00 54.60
Kontakttwin (l) 1.8 22.63 40.73
T2 Mix double FL 2 (l) 1.0 32.08 32.08
Safari 50 WG (kg) 0.03 1386.32 41.59
0,05% Trend 90 (l) 0.1 9.60 0.96
Agil 100 EC (l) 0.5 44.16 22.08
T3 Betanal Expert (l) 1.0 51.50 51.50
Goltix Top (l) 0.5 42.00 21.00
Garland Forte (l) 0.8 44.19 35.35
SUMA 299,90 €
Glyfosát rezistentné
Prípravok dávka l/ha kg/ha, % cena za l, kg, ks v € cena na ha v €
Roundup Rapid (l) 2.4 11.58 27.79
Roundup Rapid (l) 2.4 11.58 27.79
Roundup Rapid (l) 2.4 11.58 27.79
SUMA 83,37 €
Rozdiel (€/ha) 216.52 €
Testovanie GMR
Sumár
GMR - realita súčasnosti a budúcnosti
Sú už reálnou súčasťou (už desaťročia) života, životného prostredia a výroby (potraviny, krmivá, lieky, suroviny, výrobky, služby)
Sú efektívnym inovačným faktorom v poľnohospodárstve
Menia manažment pestovania rastlín v rastlinnej výrobe
Je regulované a kontrolované ich pestovanie aj výroba
Sú stanovené zásady koexistencie v poľnohospodárstve
Menia hospodársky význam rastlín a pôdohospodárstva
Sú predmetom a nástrojom politickým a ekonomickým, viac ako témou vedeckej diskusie
Je tu zvláštny postoj najmä EÚ ku GMR
Vplyv na zdravie konzumentov ?
Vplyv na zložky životného prostredia ?
Vzťah ku klimatickým zmenám ?
Faktor udržateľnosti poľnohospodárstva
Globálny vplyv na biodiverzitu ?
Horizontálny prenos (trans)génov ?
Ekonomická efektívnosť ich pestovania
Označovanie produktov vyrobených z GMR – možnosť výberu
Etická stránka (stanoviská svetových náboženstiev)
Monopolizácia vývoja GMR a patentovanie
...
Témy spojené s GMR
„The research projects are continuing, and improvements are being made. Genetically modified organisms are a big step in that direction, but there’s a lot of confusion in that.
Some people fear genetic modification, which is not very sound, because we’ve been genetically modifying plants and animals for a long time.
Long before we called it science, people were selecting the best breeds.“
Výskum pokračuje, pokrok bol urobený. Geneticky modifikované organizmy sú veľkým krokom dopredu, nejasnosti okolo však pretrvávajú.
Niektorí ľudia sa obávajú genetických modifikácií, čo nie je na mieste, pretože genetické modifikácie rastlín a živočíchov už vykonávame veľmi dlho.
Predtým, než sme túto činnosť nazývali vedou, ľudia vyberali najlepšie potomstvá z krížení.
Norman E. Borlaug (rozhovor pre Houston Chronicle, 13. júl
2008): Genetic modification can feed the world
Ďakujem za pozornosť
Ako chutia gény?
Cudzie gény okolo nás
- 1 g pôdy obsahuje: ≈ 10 000 000 000 vírusov ≈ 1 000 000 - 10 000 000 000 baktérií ≈ 100 000 000 aktinomycét ≈ 1 000 000 húb ≈ 1 000 000 rias ≈ 100 000 prvokov ≈ 100 nematód
≈ 4,7 – 6,3 Mb nukleovej kyseliny - Ak má baktéria ø 4000 génov v 1 g pôdy je až ≈ 40 000 000 000 000 génov - Ak je v pôde ø veľkosť DNA baktérií 4,7 Mb v 1 g pôdy je až ≈ 15 980 km DNA
Cudzie gény v našej potrave - ???
- Denne skonzumujeme potravou 0,1-1,0 g cudzej DNA
- Ak 50 % tvorí GM, v ktorej transgén tvorí 0,0005 % prijmeme 0,00005-0,005 g cudzej DNA
- Všetka prijatá cudzia DNA a bielkoviny sú vo svojej podstate identické
- Počas trávenia sú všetky cudzie DNA a bielkoviny degradované
Testovanie bezpečnosti potravín z GMO
- Princíp substančnej ekvivalencie (zhoda v podstate)
- Substančná ekvivalencia – analýza zložiek oproti existujúcim potravinám - Testovanie – v prípade vedecky zdôvodnenej potreby testovania bezpečnosti novej potraviny/jej zložky - Výsledok:
- úplná zhoda, - zhoda s výnimkou novej zložky, - nezhodná
Sú rozdiely medzi potravinami s GM a bez GM ?
- Zloženie potravín sa mení:
- použitá surovina (jablko – odroda – polyfenoly, zemiak – odroda - škrob) - spôsob získania suroviny (konvenčne, organicky, GM) - spôsob spracovania a výroby (teplota, konzervácia ...)
- Žiadne nežiadúce významné rozdiely medzi GM a konvenčnými neboli zistené (zloženie, stráviteľnosť, zdravie, kondícia) zhoda v podstate medzi potravinami konvenčnými a vyrobenými z GMO
Sú zložky potravín z GMR bezpečné ?
Bt-bielkovina - škodca
Sú zložky potravín z GMR bezpečné ?
Bt-bielkovina – človek
- Bt-bielkoviny – použité ako insekticíd v 20. rokoch 20. storočia
- 40 rokov používaná ako bežný a bezpečný insekticíd
- používaná v organickom poľnohospodárstve
GMO v potravinách a priamom konzume
Rennín, chymosín – syridlo – výroba syrov GM kvasinky a GM E. coli (1985) (60 % výroby v USA)
Vitamín B2, -amyláza, laktáza
80 % potravín „Made in USA“ obsahuje súčasť GMO
Rajčiak (60 % v roku 1999)
Papája > 50 % GMO
Tekvica a cuketa
Cukrová kukurica
GMO v potravinách a krmivách ?
EÚ – ročný import ≈ 40 mil. ton
Import - z USA, Brazília, Argentína
2009 – USA – podiel GM sóje – 91 %
– Brazília – podiel GM sóje – 71 %
– Argentína – podiel GM sóje – 99 %
– svet – podiel GM sóje – 77 %
Au
tori
za
čn
ý p
roce
s n
a G
M
rastl
iny a
pro
du
kty
z n
ich
v E
Ú