1 Biologia molekularna roślin2016

2 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.

3 G-C

4 A-T

5 Cykl życia

6 Centralny dogmat biologii molekularnej- ideaDNA RNA BIAŁKO Transkrypcja Translacja Organizm

7 Centralny dogmat-realizacjaW organizmach informacja przepływa od DNA (kwasów nukleinowych) do białek, nigdy odwrotnie. Ale bez białek kwasy nukleinowe są martwe!

8 Rośliny i zwierzęta

9 Drzewo życia

10 Podobnie jak zwierzęta, rośliny są wielokomórkowymi eukariontamiBakterie Archeonty Zwierzęta Rośliny Grzyby Wspólny przodek Plants, animals and fungi share many cellular functions. Studying plants informs us about animals, and vice versa, because of their shared eukaryotic ancestry. Images – bacteria - Pseudomonas aeruginosa Archaea - Halobacterium sp. Fungi - Coprinus comatus Animal - Sciurus carolinensis Plant - Lathyrus odoratus Photo credits: Public Health Image Library; NASA; © Dave Powell, USDA Forest Service; tom donald 10

11 Rośliny są bardzo zróżnicowaneGlony zielone Wątrobowce Mchy Rośliny naczyniowe Widłaki Paprocie Rośliny nasienne Rośliny kwiatowe Szpilkowe Trawy Szerokolistne Rośliny lądowe Rośliny wykształciły umiejętność życia w różnych środowiskach Images courtesy tom donald

12 Ewolucja roślin

13 Powody studiowania roślin

14 Bo są ładne: Rośliny w ogrodzie

15 Bo są głównym źródłem żywności:Rośliny uprawne

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

17 Zakwity fitoplanktonu u wybrzeży Nowej ZelandiiView form NASA satellite

18 Rośliny uszczęśliwiają ludziLudzie pracujący wśród roślin są bardziej zadowoleni niż ci, którzy pracują i żadnych roślin nie widzą Dravigne, A, et al., (2008) HortScience 43: ; Photo credit: tom donald

19 Rośliny są zadziwiającymi organizmamiNajwiększy organizm (sekwoja nadbrzeżna > 100m) Rośliny są zadziwiającymi organizmami Największy kwiat (raflezja olbrzymia~ 1m) The largest tree, General Sherman, is much larger than the largest animal, the blue whale. For more botanical record breakers see Rafflesia arnoldii Photo by ma_suska Pinus longaeva – bristle cone pine Sequoiadendron giganteum - giant sequoia Najdłużej żyjący organizm ( sosna oścista ok.5000 lat) Photo credits: ma_suska; Bradluke22; Stan Shebs 19

20 Nie moglibyśmy żyć bez roślinWytwarzają 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

21 Nie możemy żyć bez tlenu!Brak tlenu J. Priestley wykazał, że oddychające zwierzę zużywa powietrze. Zwierzę trzymane w zamkniętym pojemniku umiera. X In a celebrated experiment from 1772, Joseph Priestley kept a mouse in a jar of air until it collapse because of a lack of oxygen. He found that a mouse kept with a plant would survive. 21

22 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 In a celebrated experiment from 1772, Joseph Priestley kept a mouse in a jar of air until it collapse because of a lack of oxygen. He found that a mouse kept with a plant would survive. 22

23 CO2 jest przetwarzany w cukry w procesie fotosyntezyRośliny wiążą dwutlenek węgla w wysokonergetycznych substancjach, które stanowią pożywienie dla zwierząt CO2 CO2 jest przetwarzany w cukry w procesie fotosyntezy

24 Rośliny wytwarzają ogromną różnorodność związków chemicznychCO2 witamina A witamina C wanilia kafeina morfina

25 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 Photo credit: tom donald

26 Badanie roślin pomaga odkrywać światKomórki zostały najpierw zaobserwowane u roślin. biology.clc.uc.edu/Fankhauser/Labs/Cell_Biology/Cells_Lab/CELLS.htm Zdjęcie komórek korka Rysunek korka wykonany przez Roberta Hooke’a, odkrywcy “komórek” Photo credit: ©David B. Fankhauser, Ph.D 26

27 Wirusy po raz pierwszy wyizolowano z roślinWirusy infekują ludzi, podobnie jak rośliny, powodując wiele różnych chorób, jak AIDS, żółtaczka, SARS, świńska grypa, rak szyjki macicy, ospa i polio. (Copyright) 1994 Rothamsted Research. Wirus mozaiki tytoniu (TMV) Image Copyright 1994 Rothamsted Research. 27

28 Badania Mendla prowadzone na grochu doprowadziły do odkrycia praw dziedziczenia28

29 Co umożliwiło poznanie przyczyn wielu ludzkich chorób, jak anemia sierpowata,29

30 ...hemofilia i niezliczone inne choroby, mające za przyczynę wady genetyczne.Rodowód rodziny przenoszącej allel hemofilii

31 Prace Mendla stworzyły podwaliny genetyki roślin i nowoczesnej hodowliWybitny hodowca Norman Borlaug , Laureat Nagrody Nobla 1970

32 Etyczne powody zajmowania się roślinami

33 Populacja światowa stale rośnieŚwiatowa populacja potroi się pomiędzy rokiem 1950 (2,5 miliarda) a 2020 (7,5 miliarda)

34 Głównym celem biologii molekularnej i biotechnologii roślin jest zwiększenie produkcji żywności; według obecnych szacunków potrzebny jest wzrost o 70% w ciągu najbliższych 40 lat

35 Niedożywienie i głód zabijają głównie dzieciW 2004 r. z głodu i niedożywienia umarło za świecie 60 milionów ludzi. (Source:  World Health Organization, 2008)

36 Wśród nich było dzieci poniżej 5-go roku życia; 99% żyło w krajach o b. niskim i niskim dochodzie (Source: The State of the World's Children, UNICEF, 2007)

37 Z powodu braku dostatecznej ilości witaminy A umiera rocznie 1 milion dzieci.(Source: Vitamin and Mineral Deficiency, A Global Progress Report, UNICEF)

38 Rocznie, na chroniczny głód cierpi 1 miliard ludzi (równoważnik populacji USA, Kanady i Europy)(Source: FAO news release, 19 June 2009)

39 (równoważnik populacji USA, Kanady, Europy i Chin)Na chroniczną anemię spowodowaną niedoborem żelaza cierpi pond 2 miliardy ludzi (równoważnik populacji USA, Kanady, Europy i Chin) (Source:  World Health Organization, WHO Global Database on Anaemia)

40 Czy nauka może temu zaradzić?

41 Badania nad roślinami mogą doprowadzić do rozwoju technologii, które pozwolą zmniejszyć niedożywienie Poprzez uzyskanie odmian roślin, które: Tolerują suszę i stresy Wymagają mniejszych ilości nawozów i wody Są odporne na patogeny Zawierają więcej substancji odżywczych

42 Susza poważnie ogranicza wzrost roślinImage source: IWMI

43 Negatywne skutki suszy są jeszcze groźniejsze w warunkach globalnego ociepleniaPrzewidywane zmiany temperatury w okresie w porównaniu z okresem W ciepłych rejonach świata wielkość plonów spada o 3-4% ze wzrostem temperatury o każdy 1oC © European Communities, Image Source: The PESETA Project 43

44 Nawet umiarkowana susza zmniejsza plonyUmiarkowana susza zmniejsza szybkość fotosyntezy i wzrostu, silna susza zabija rośliny.

45 Niezbędne są rośliny, które będą dobrze rosły w warunkach stresu środowiskowegoWysoka temperatura i susza zmniejszają plony Wyrąb lasów pod uprawy zwiększa emisję CO2 To wymusza powiększanie obszaru zasiewów

46 Zmiana w pojedynczym genie może zwiększyć odporność na suszęPowtórnie podlane Obficie podlewane 10 dni suszy 20 dni suszy Odporne na suszę Dzikie Yu, H., et al. Plant Cell 2008;20:

47 Większy system korzeniowy poprawia tolerancję na suszęSiewki Dorosłe rośliny Dziki Tolerujący suszę Selekcja na większy korzeń może poprawić tolerancję roślin na suszę Yu, H., et al. Plant Cell 2008;20:

48 Synteza nawozów azotowych jest bardzo kosztownaNawozy 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 Photo credits: Mining Top News; Library of Congress, Prints & Photographs Division, FSA-OWI Collection, LC-USW

49 Nawozy stosowane w rolnictwie są jednym z głównych powodów zanieczyszczenia środowiskaW przybrzeżnych strefach spływu nawozów glony zakwitają a następnie rozkładają się, co zmniejsza poziom tlenu i uniemożliwia życie. Photo courtesy of NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio) 49

50 Pobieranie nawozów przez rośliny można usprawnićBardziej wydajny system transportu w korzeniu może zmniejszyć zapotrzebowanie na nawozy. Yuan, L., et al. (2007) Plant Cell;19:

51 Rośliny wieloletnie pobierają wodę i substancje odżywcze lepiej niż rośliny uprawneUczeni krzyżują rośliny wieloletnie i uprawne w celu uzyskania odmian lepiej pobierąjących wodę i substancje mineralne The enormous root system of a perennial wheat relative Thinopyrum intermedium, is held by its developer Wes Jackson. Wes Jackson z Land Institute demonstruje wieloletniego krewniaka pszenicy,Thinopyrum intermedium Photo credit: Jodi Torpey, westerngardeners.com 51

52 Dwie choroby są aktualnie przyczyną największych światowych strat w zbiorachGrzyb 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. Photo credits:

53 Zaraza ziemniaczana niszczy ziemniakiZniszczenie plonów przez infekcję Phytophthora infestans w latach 40. XIX wieku spowodowało smierć ok. 1 miliona ludzi w Europie. Zakażona Traktowana . (Photo credits: USDA; Scott Bauer)

54 Identyfikacja genów opornościNie zakażone Zakażone grzybem Oporna Podatna Genetycy zidentyfikowali gen oporności i wprowadzili go do odmian jadalnych Roślina po lewej ma gen oporności i nie ulega zakażeniu Song, J. et al.,(2003) PNAS 100: ; Copyright (2003) National Academy of Sciences, U.S.A.

55 Rdza zbożowa stała się ogromnym zagrożeniemSilnie patogenny szczep Ug99 pojawił się w Ugandzie w 1999 r. Większość odmian pszenicy nie ma oporności przeciwko Ug99 Zainfekowane rośliny pszenicy Photo credit: ARS USDA

56 Ug99 zagraża pszenicy na całym świeciePhoto credit: ARS USDA

57 Grzyb jest przenoszony przez wiatrUg99 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 Photo credit:

58 Grzyb przenoszony jest przez wiatry. Drogi przenoszenia Ug99 Photo credit:

59 Poważne środki przeznaczono na badania nad wytworzeniem linii opornych na Ug99Nie wiadomo, czy oporne linie powstaną na czas i pozwolą uniknąć klęski głodu Photo credits: Bluemoose; FAO 59

60 Po zebraniu, owoce miękną, dojrzewają, a w końcu gniją.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 Photo credits: Cornell University ; ARC 60

61 Straty po zbiorach niszczą do 50% zebranego ziarnaBadania w biologii molekularnej roślin przyczyniają się do ograniczenia strat roślin uprawnych Straty po zbiorach niszczą do 50% zebranego ziarna Źle przechowywane ziemniaki zielenieją i gromadzą solaninę. Solanina jest szkodliwa, a w dużych ilościach toksyczna. Pleśń Aspergillus rosnąca na kolbach kukurydzy. Photo credits: Dr. C.M. Christensen, Univ. of Minnesota.; WSU; Pavalista, A.D. 2001

62 Poprawa wartości odżywczej roślin pomoże walczyć z niedożywieniemGłód Nasze organizmy potrzebują zarówno witamin i minerałów, jak i kalorii. Niedożywienie jest głównie wynikiem ubóstwa. Niedobór witaminy A Anemia u małych dzieci For permissions Image sources: Petaholmes based on WHO data; WHO 62

63 Wzbogacanie żywności w witaminy (jak foliany [witWzbogacanie 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. Photo credit: © UNICEF/NYHQ /Giacomo Pirozzi

64 Żywność wzbogacana genetycznieRyż wzbogacony w żelazo Pomidory: dzikie (u góry) i wzbogacone w antyoksydanty (u dołu) Złoty ryż wzbogacony w witaminę A () 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, copyright (2008). 64

65 Rośliny dostarczają nie tylko żywnościSa także: Źródłem nowych leków Źródłem lepszych włókiem na papier i tkaniny Źródłem produktów bioodnawialnycyh Dostarczycielem odnawialnych źródeł energii Photo credit: tom donald

66 Rośliny dostarczają setek związków stosowanych w medycynieKora 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 źródłami kafeiny (stymulant)

67 Malaria zabija miliony ludziCitation: Hay SI, Guerra CA, Gething PW, Patil AP, Tatem AJ, et al. (2009) A world malaria map: Plasmodium falciparum endemicity in PLoS Med 6(3): e doi: / journal.pmed Obszary z najwyższym ryzykiem malarii Hay, S.I., et al., (2009) PLoS Med 6(3): e doi: / journal.pmed 67

68 Malarię wywołuje pierwotniak PlasmodiumPlasmodium wewnątrz komórki myszy Image by Ute Frevert; false color by Margaret Shear. Frevert U, Engelmann S, Zougbédé S, Stange J, Ng B, et al. (2005) Intravital Observation of Plasmodium berghei Sporozoite Infection of the Liver. PLoS Biol 3(6): e192. Image by Ute Frevert; false color by Margaret Shear. 68

69 Plasmodium jest przenoszone na ludzi przez zakażone komaryPhoto credit: CDC

70 Kora drzewa chinowego zawiera związek – chininę, który zabija PlasmodiumPlasmodia are developing resistances to quinine, so other sources of antimalerial compounds must be found (Cinchona calisaya Wedd., quinine) from Köhler's Medizinal-Pflanzen in naturgetreuen Abbildungen mit kurz erläuterndem Texte : Atlas zur Pharmacopoea germanica Franz Eugen Köhler Plate from "Quinologie", Paris, 1854, showing bark of Quinquina calisaya (www.cdc.gov/malaria) Ale Plasmodium wykształca oporność na chininę, potrzeba więc innych źródeł związków antymalarycznych. Image credits: Köhler; CDC 70

71 Gin i chinina? 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). (Crown copyright; Photograph courtesy of the Imperial War Museum, London - Q 32160) 71

72 Nowy związek o aktywności antymalarycznej odkryto w Artemisia annuaArtemizyna Artemisia była od tysięcy lat stosowana w medycynie chińskiej. Jej aktywny składnik, artemizynę, oczyszczono w 1972 r. Photo credit:

73 Biolodzy roślin pracują nad wytworzeniem odmian Artemisia o zwiększonej produktywnościPhoto credit:

74 Ściany komórkowe roślin dostarczają trwałych materiałówDrewno zbudowane jest przede wszystkim ze ścian komórkowych Photo credit: tom donald

75 Ściany komórkowe Pierwotne ściany komórkowe zbudowane są głównie z węglowodanów i białek. Niektóre komórki wytwarzają sztywne ściany wtórne, które zawieraję lignine, niezrozpuszczalną substancję sieciującą . Photo credit: Zhong, R., et al., (2008) Plant Cell 20: 75

76 Drewno i włókna mają szerokie zastosowaniaTkaniny z włókien roślinnych (bawełna, płótno) Włókna roślinne służą do wytwarzania papieru (kiedyś papirusu) Płótna malarskie są wytwarzane z lnu lub bawełny Drewno budowlane i do produkcji mebli Rembrandt van Rijn (1631)

77 Rośliny są źródłem włókien na papier i tkaniny Kluczowe znaczenie miało uzyskanie bawełny o zwiększonej oporności na szkodniki Photo credits: Chen Lab; IFPC 77

78 Niedawno zakończono sekwencjonowanie genomu topoli, podstawowego surowca w przemyśle papierniczymDane o sekwencji genów topoli są już wykorzystywane do poprawy jakości surowca do produkcji papieru Photo credit: ChmlTech.com

79 Rośliny mogą częściowo zastąpić ropę naftowąPrzemiana martwych szczątków organicznych w ropę zajmuje dziesiątki milionów lat. Dostępne zasoby ropy kończą się. Ropa nie jest surowcem odnawialnym! creativecartoons.org. 79

80 Rośliny mogą być źródłem biopaliwFermentacja zamienia cukry, skrobię i celulozę w etanol Energia ze słońca Image source: Genome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory 80

81 Rośliny jako źródło paliwa do silników dieslaBiodiesele wytwarzane z rzepaku, soji i glonów zastępują paliwo dieslowskie otrzymywane z ropy naftowej. Image sources: Tilo Hauke, University of Minnesota, Iowa State University Extension.

82 Uprawy bioenergetyczne nie powinny wpływać na produkcję żywności i cenyMiscantus (Miscanthus giganteus) szybko rosnąca roślina wieloletnia uprawiana jest na ternach nie nadających się do produkcji żywności. Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006

83 Etanol wytwarzany z celulozy zawartej w ścianach komórkowych jest ważnym ekonomicznie paliwemŚciany komórkowe z łodyg kukurydzy i innych fragmentów roślin zostających po zbiorach Etanol Image source: Genome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory

84 Rośliny jako źródło bioodtwarzalnych i biodegradowalnych materiałówEnergia słońca Uczeni poszukują ekonomicznych technologii umożliwiających wytwarzanie tworzyw sztucznych w roślinach. Biodegradacja Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006 84

85 Warto zajmować się roślinami!