A növényi biotechnológia alapjai 2. előadás

A termesztett növényekkel kapcsolatos biotechnológiai tevékenység jelentősége Növekvő népesség Éhínség (...) Környezetbarát termesztési technológiák kialakítása Betegségekkel szembeni ellenállóság  vegyszerhasználat csökkenése Termésmennyiség fokozása  kisseb területen többet Génmegőrzés $$$$...

Szaporodás biotechnológia Ivaros Ivartalan Sejtszintű, citogenetikai eljárások Génsebészet

A növényi sejt és szövettenyésztés története 1800-as évek közepe: Schwann (zoológus) és Schleiden (botanikus) az élő organizmusok egyes részeiek (akár egyetlen sejtnek is) életképessége bizonyos körülméyek közt Gottlieb Haberland (1902) – a növényi szövettenyésztés atyja A fejlettebb növények izolált sejtjei, elemi orgaizmusnak foghatóak fel, és ha megfelelő körülményeket biztosítunk számukra, akár egész egyeddé fejlődhetnek (növényi sejtek totipotenciája) Elméletét (bár helyes volt) nem tudta kísérletei során bizonyítani, mivel nem megfelelő növényi sejteket használt szövettenyészeteiben 1922 Kotte: kukorica és borsó gyökércsúcs tenyészetekben vizsgálta a nitrogén anyagcserét Robbins: borsó, kukorica, csillagfürt, gyapot gyökércsúcsok növekedését tanulmányozta I. Szakasz a szövettenyésztés előzményei, kezdetei

Gautheret, White: a harmincas években megoldották a növényi szövetek korlátlan ideig való tenyésztését. Az általuk használt tátközegeket kisebb nagyobb módosításokkal, ma is hasznáják. Gautheret által 1939 ben elindított sárgarépakultúra azóta is tenyészetben van White 1931-ben elindított paradicsomgyökér tenyészete 1868-ban már 1726 szubkulturáláson ment át Loo (1945), Ball (1946) ...: minden szerv tenyészthető, csak a megfelelő közeget kell biztosítani számára Virág és virágrések steril tenyésztése Ötvenes évek végétől a hetvenes évek végéig: diploid vegetatív sejtek teljes növény regenerációra képesek. Kalluszkultúráknál és egyébb szövetkultúráknál megfigyelték, hogy egyes sejtek járulékos embrióvá fejlődnek – totipotencia teljes igazolása irányított organo és embriogenézis kiváltása Portokkultúrából, pollenkultúrából haploid növények : Cocking (1960 az első portokból felnevelt növényke) – totipotencia igazolása haploid sejteknél is! 1962 Muraschige and Skoog táptalaj (mai napig leginkább használatos táptalaj) 1965: Morel – Cymbidium orchideafaj merisztématenyészetében csírázóorchideamagvakra emlékeztető képletek (protokormok), amelyeket feldarabolva hasonló protokomokhoz majd teljes növényhez jutott II. Szakasz 1930 – 1960: a növényi szerv, szövet és sejtenyésztés sikerei III. Szakasz 1960 – 1980: organo és embrigenezis kiváltása mikroszaporítás

IV. Szakasz: 1970 – napjainkig: Sejtszitű manipulációk 1969 Mathes: Első sikeres protoplaszt izolálás 1970 Power és mts.: első sikeres protoplasztfúzió 1971 Takebe és mts.: Az első protoplasztból regenerált növényt 1983 Zimmermann: elektromos áram segítségével megvalósított protoplasztfúzió Génmanipuláció

I. A szaporodás biotechnológiája

Széleskörű felhasználás Mesterséges táptalajon, steril tenyésztési feltételek közt különböző növényi sejtekből, szövetekből egész növényt lehet előállítani Széleskörű felhasználás Mikroszaporítás – nagyszámú, vírusmentes növény Haploid növények előállítása – beltenyésztett vonalak gyors(abb) előállítása Minden egyes „fejlettebb” biotechnológiai eljárás feltételezi, hogy a növény szövettenyészetben való szaporítása már megoldott!!  az összes növény-biotechnológiai módszer alapja

Totipotens sejtek = olyan sejtek, amelyből potenciálisan a szervezet bármilyen sejtje felnevelhető Haberland 1902: a növény egyetlen sejtjéből egy egész növény felnevelhető

Differenciálódás

Dedifferenciálódás 2,4 Diklórfenoxi ecetsav (2,4D)

Dedifferenciálódás kallusz: differenciálatlan osztódó sejtek tömege

Redifferenciálódás In vitro szomatikus embriogenézis Növényi hormon In vitro szomatikus embriogenézis In vitro organogenézis merisztémakialakulás szervképződés

Az ivaros szaporodás biotechnológiája

2. Generatív szervtenyészetek 1. Embriókultúra 2. Generatív szervtenyészetek Virágtenyészetek Portoktenyésztés Ováriumtenyésztés Ovulumtenyésztés 3. Generatív sejtenyészetek izolált mikrospóratenyésztés ivarsejtek izolálása és in vitro fúziója 4. Megporzás és megtermékenyítés kémcsőben 5. Generatív szövettenyészetek endospermiumtenyésztés nucellusz tenyésztés haploidizálás

Ivartalan szaporodás biotechnológiája

A növény különböző vegetatív (testi, szomatikus) sejtjeinek, szerveinek, szöveteinek illetve sejtjeinek a tenyésztése steril, kontrollált feltételek mellett Ivartalan szaporítás (klónozás): az utódok genetikailag egymással és a kiinduló növénnyel is azonosak

A szövet és sejttenyésztési eljárások alkalmazási lehetőségei a növénynemesítésben Merisztématenyésztés Kórokozómentesítés Üzemi méretű vegetatív mikroszaporítás Génbankok Embriótenyésztés Csíranyugalom mesterséges megszüntetése Nemzedékváltás gyorsítása Hibridek előállítása a keresztezési inkompatibilitások kiküszöbölésével Androgenézis és ginogenézis Teljes homozigóta vonalak előállítása Recesszív tulajdonságok kiválogatása és felhasználása a nemesítésben

II. Szomatikus sejtgenetika = sejtszintű genetikai eljárások, az egész genomot, de legalábbis egy nagyobb részét érinti = egyidejűleg nagyszámú gén, illetve nem kódoló szekvencia bevitele – a véletlenszerűen kialakult sok sejt vagy növény közül, utólagosan kell kiválasztani a kívánt genotípust

Szomaklónok előállítása

Mutánsizolálás

Szomatikus hibridizáció protoplasztfúzióval

Izolált kromoszóma-átvitel

Felhasználási lehetőségek Kalluszkultúra és sejttenyészet Sejtszintű mutánsizolálás Szomaklonális variabilitás Mesterséges magvak Génbankok mélyfagyasztott sejtekkel Másodlagos anyagcseretermékek bioszintézise Protoplasztok izolációja és szomatikus sejthibridizációs fúziója Paraszexuális faj és nemzetséghibridek előállítása Gének, kromoszómák átvitele a fajok és fajták közt Poliploidok gyors, irányított előállítása Cibridizáció Új sejtmag – mitokondrium – kloroplasztisz összetételű sejtek Hímsterilitás átvitele a különböző fajokba

III. Géntechnológia = az örökítő anyag közvetlen molekuláris módosítása

Darabolás (restrikciós endonukleázok) Vektrormolekulák DNS Preparálás Komplementer DNS (cDNS) készítés Darabolás (restrikciós endonukleázok) Vektrormolekulák λ fágok (baktérium vírusok) Plazmidok „Cosmid” vektorok Felszaporítás és fenntartás baktériumsejtekben (pl. E. coli) Átjuttatás a növényekbe Agrobacterium sp. Ti (tumor indukciós) plazmidja Génbelövés

Első generációs transzgénikus növények Cél: a növénytermesztési technológiák fejlesztése stresszrezisztencia Biotikus stressz ellen Abiotikus stressz ellen vírus, baktérium, gomba, rovar herbicid hő, fagy szárazság, só nehézfém ...

Második generációs transzgénikus növények Cél: a termékek minőségének javítása Élettani folyamatok módosítása Fejlődés módosítása Anyagcsere módosítása Fehérje, zsírsav, szénhidrát Pigment Alkaloida ... Virágzás Érés Szaporodás

Harmadik generációs transzgénikus növények Cél: ipari anyagok előállítása Bioreaktor GM növények Gyógyszeripar Műanyagipar Élelmiszeripar

Növényi biotechnológia Szaporodás biotechnológiája Ivaros szaporodás biotechnológiája Ivartalan szaporodás biotechnoloógiája Növényi biotechnológia Szomaklonális variabilitás módszere mutánsizolálás Szomatikus sejtgenetika protoplasztfúzió Izolált sejtmagok és kromszómák bevitele Géntechnológia GM növények előállítása