Biotechnologie Rostlinné biotechnologie – ochrana rostlin Marek Petřivalský Katedra biochemie PřF UP

Rostlinné biotechnologie

Ztráty rostlinné produkce 40% podíl plevel - škůdci - pathogeny

Herbicidy - cílové metabolické dráhy Glyphosate - aromatické AA Fosfinotricin - asimilace dusíku Chlorsupfuron - větvené AA Imazatapir - větvené AA Atrazine - fotosyntéza

Resistence - herbicidy Glyphosate (RoundupTM) - kompetitivní inhibice EPSPS (5-enoylpyruvylšikimát-3-fosfátsyntasa) Šikimát-3-fosfát Fosfoenolpyruvát Glyfosát Anorganický fosfát 5-enolpyruvylšikimát-3-fosfát inhibice EPSPS

Resistence - herbicidy Šikimát-3-fosfát Šikimát DAHP Erytrosa-4-fosfát Fosfoenolpyruvát EPSP Chorismát Antranilát Prefenát Agrogenát Tryptofan Tyrosin Fenylalanin Glyfosát EPSP synthasa Glyphosate inhibice biosyntetické dráhy aromatických AK přeměna šikimát-3-fosfátu na 5-enoylpyruvát-3-šikimátfosfát (EPSP)

Resistence - herbicidy 1 gen/chromozom Strategie resistence na glyfosát 1. možnost AMPLIFIKACE GENU zvýšená exprese genu pro EPSPS nestabilní linie: změny v počtu kopií v dceřiných buňkách extrachromozomální ? stabilní linie: genotyp je konstantní v dceřiných buňkách ? amplifikovaný region

Resistence - herbicidy Strategie resistence na glyfosát 2. možnost MUTACE GENU PRO EPSPS izolován z bakterií resistentních na herbicid 3´nos CaMV 35S Pet CTP Petunia EPSP syntasa cDNA CaMV E35S CTP 4 A. tumefaciens CP4 mutant EPSPS E. coli mutant EPSPS Pet N

Resistence - herbicidy Strategie resistence na glyfosát 3. možnost Detoxifikace herbicidu heterolognímy geny enzym glyfosátoxidasa (GOX) z půdní baktérie Ochrobactrum anthropi použity u sóji, řepky, kukuřice, bavlny (Montsanto) „Roundup Ready“ Výhoda odstranění akumulace herbicidu v rostlině příp. jeho přeměna na neškodný konjugát

Resistence - herbicidy Bialafos Fosfinotricin (glufosinát) N-acetylfosfinotricin L-glutamát L-glutamin peptidasa PAT GS Kompetitivní inhibice Detoxifikace Exprese genu pro PAT ze Streptomyces Fosfinotricin (glufosinát) Bialophos - „Herbiace“ Fosfotricin - „Basta“

Resistence - herbicidy Atrazin Glutathion (GSH) Glutathion-konjugovaný atrazin Detoxifikační systém rostlin cyt P450, GST GST

Odolnost proti škůdcům „Škůdci“ rostlinné produkce ztráta obranných mechanismů u kulturních rostlin nevhodné zemědělské postupy

Odolnost proti škůdcům Hlavní „škůdci“ - hmyz dospělí jedinci na plodech larvy na rostlinách Lepidoptera (motýli, můry) Diptera (mouchy, komáři) Orthoptera (kobylky) Homoptera (mšice) Coleoptera (brouci)

Odolnost proti škůdcům Bacillus thuringiensis Gram-positivní sporulující baktérie objeven 1901 ve střevech housenky bource morušového ICP = insekticidní proteiny (-endotoxiny) „cry“ geny (crystal protein genes) liší se podle poddruhů a kmenů bacila specifická interakce se střevním epitelem larev vysoce afinitní receptory

Odolnost proti škůdcům „Cry“ proteiny - aktivace ve střevě hmyzu Zkrácená forma toxinu v transgenních rostlinách Aminokyselinové zbytky Aktivovaný toxin

Odolnost proti škůdcům Doména I Doména II Doména III Model Cry1A - aktivovaný toxin

Odolnost proti škůdcům Bt- toxin v akci HOUSENKA Krystal + spora B) Rozpouštění krystalů a aktivace toxin C) Toxiny se vážou k receptorům v žaludku, perforace žaludeční membrány D) Klíčení spor a množení bakterií aktivovaný toxin pro-toxin

Odolnost proti škůdcům Bt-toxin jako biopesticid (od 50. let 20. století) izolované krystaly životnost cca několik dní spory bakterií efektivní 40 dní na listech / až 2 roky v půdě nesystémová resistence

Odolnost proti škůdcům Bt-genetické modifikace rostlin exprese cry genů s promotorem CaMV 35S dostatečné exprese cca 100 ng/mg proteinu až po modifikaci prokaryontní sekvence Montsanto Cry3A brambory x mandelinka Cry1Ac bavlník x tabákové housenky Cry1Ab kukuřice x zavíječ

Odolnost proti škůdcům Běžná odrůda Bt- kukuřice