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