KTB111. Peltokasvit ja kasvinjalostus

Transkriptio

1 KTB111 KASVINTUOTANNON PERUSTEET SYKSY 2009 Prof. Teemu Teeri Peltokasvit ja kasvinjalostus

2 Kasvinjalostus

3 Nykyiset viljelykasvilajikkeet Satoisampia Kestävämpiä Turvallisempia

4 Pitkälle jalostetut viljelykasvit ovat ihmisestä riippuvaisia Teosintti (Zea mays var. parviglumis) Maissi (Zea mays)

5 Satoindeksi harvest index Kuvaa taloudellisesti arvokkaan kasvinosan osuutta koko kasvin biomassasta

6 Satoindeksi Biomassan lisäys siemeniin sadonlisäys Biomassan vähennys juurissa, lehdissä, varsissa heikentää kilpailua rikkaruohoja vastaan, heikentää toipumista tautien ja tuholaisten aiheuttamista vaurioista ja heikentää kykyä kestää ympäristön aiheuttamaa abioottista stressiä Vaatii tehokkaampaa viljelyä, siis ympäristön kontrollia

7 Satoindeksi Muutokset kasvissa rakenteellisia Ideotyyppi (ihannetyyppi) viljakasveilla Yksi varsi, yksi suuri tähkä Matala Pystyt lehdet Lippulehti suuri (ja lähellä tähkää) Vihneet (yhteyttävää solukkoa) Syvälle juurtuvat Vaste typpilannoitukseen hyvä (ei lakoonnu) VIHREÄN VALLANKUMOUKSEN LAJIKKEET

8 Ideotyyppi VIHREÄN VALLANKUMOUKSEN LAJIKKEET Maatiaislajike Jalostettu lajike Ideotyyppi

9 Typpilannoitukselle vasteen antavat lyhytkortiset viljelylajikkeet Perinteinen Jalostettu

10 Vihreä vallankumous Riisintuotannon kasvu

11 Vihreä vallankumous Riisin viljelyalan kasvu

12 Stressinkestävyysjalostus Abioottiset stressitekijät Kylmän- ja talvenkestävyys Kuivuudenkestävyys Bioottiset stressitekijät Tuholaiset Taudit Rikkakasvit

13 Suomen olosuhteet maatalouden kannalta Kasvinjalostuksen tavoitteita Suomessa: Aikaisuus, sato, laatu, kestävyys (taudin-, talven-,...) Viljelyvarmuus 80% Ruotsin maataloustuotannosta on etelämpänä kuin Suomi. Suomi on maailman pohjoisin maatalousmaa! Suomalainen päivänpituus on äärimmäinen ilmiö, johon useimmat kasvit eivät ole sopeutuneet

14 Brno

15 Gregor Mendel

16 Mendelin säännöt Lokus Geenin paikka kromosomissa (tai kartalla) Alleeli Geenin vaihtoehtoinen muoto lokuksessa

17 Mendelin I sääntö Lohkeamis- eli segregaatiosääntö: sukusolujen muodostuessa alleeliset geenit lohkeavat puhtaina toisistaan, niin että kuhunkin sukusoluun tulee yksi kappale kutakin geeniä. A a A AA Aa a Aa aa

18 Mendelin I sääntö

19 Mendelin geenit 1. Siemenen muoto (R/r) 2. Sirkkalehden väri (I/i) 3. Siemenen ja kukan väri (A/a) 4. Palon muoto (V/v) 5. Palon väri (Gp/gp) 6. Kukan sijainti (Fa/fa) 7. Varren pituus (Le/le)

20 Polygeenit 2,5 3,5 2 1,5 Aa 3 2, ,5 0 aa AA ei dominanssia 1,5 1 0, dominanssi 1 geeni aabb Aabb AAbb AABb AABB aabb aabb AaBB AaBb geeniä

21 Jatkuva muuntelu 6 geeniä 24 geeniä Dominanssi; Kunkin geenin frekvenssi 0,

22 frekvenssi Jatkuva muuntelu Kvantitatiivinen genetiikka ominaisuus

23 Sir Ronald A. Fisher Englantilainen tilastoja perinnöllisyystieteilijä Kehitti valintajalostuksen keskeiset tilastolliset menetelmät

24 frekvenssi frekvenssi Keinovalinta ominaisuus ominaisuus

25 frekvenssi frekvenssi Geneettisen hyödyn arviointi S 0 = vanhemmaispolvi Valintaero = µ v - µ 0 µ 0 µ v ominaisuus S 1 = ensimmäinen valintapolvi h 2 ns = µ 1 - µ 0 µ v - µ 0 Valintahyöty = µ 1 - µ 0 µ 0 µ 1 ominaisuus

26 Lisääntymismenetelmä ja jalostus Itsepölytys Ristipölytys

27 Ristipölytteisiä viljelykasveja Omena Malus domestica itseinkompatiibeli Mustikka Vaccinium cv. Viiniköynnös Vitis vinifera yksikotinen tai kaksikotinen Kiivi Actinidia chinensis kaksikotinen Meloni Cucumis melo yksikotinen Luumu Prunus domestica itseinkompatiibeli mansikka Fragaria cv. yksikotinen tai kaksikotinen Parsa Asparagus officinalis kaksikotinen Kaali Brassica oleracea itseinkompatiibeli Porkkana Daucus carota Kurkku Cucumis sativa yksikotinen Sipuli Allium cepa Persilja Petroselinum crispum Raparperi Rheun sativum Pinatti Spinacia oleraeea kaksikotinen Auringonkukka Helianthus annuus Lanttu Brassica napus itseinkompatiibeli Maissi Zea mays yksikotinen Ruis Secale cereale

28 Itsepölytteisiä viljelykasveja Puuvilla Gossypium cv. Lehtisalatti Laetuca sativa Herne Pisum sativum Peruna Solanum tuberosum osa ristipölytteisiä Soijapapu Glycine max Tomaatti Lyeopersicum esculentum alkuperäiset muodot ristipölytteisiä Vehnä Ohra Kaura Riisi Durra Triticum aestivum Hordeum vulgare Avena sativa Oryza sativa Sorghum vulgare

29 Kasvinjalostuksen neljä päätyyppiä Itsepölytteiset Menetelmät yksinkertaisimpia: risteytys, sisäsiitos IBL (inbred lines)

30 Pedigree selection (IBL) Sukupolvenseuranta Puhdas linja 1 Puhdas linja 2 F1 F2 Jatketaan sisäsiitosta ja valintaa Puhdas linja 3, 4, 5,... Mendel: F1 homogeeninen Vaihtelu avataan

31 Kasvinjalostuksen neljä päätyyppiä Ristipölytteiset Hieman mutkikkaampaa, itsesiitosta vältettävä (ei aina mahdollista kokonaan) OPP (open pollinated populations) HYB (hybrids) CLO (clones)

32 Jalostuksen menetelmiä Risteytys ja valinta Mutaatiojalostus Lajien väliset risteytykset Biotekniikka Verigreippi Rio Red Ruisvehnä

33 Biotekniikka kasvintuotannossa Mikrolisäys Menetelmä ilmiasultaan hyvän kasviyksilön kloonaamiseksi Silmusta tai kasvupisteestä Kalluksen kautta

34 Biotekniikka kasvintuotannossa Mikrolisäys Lopputuloksena saadaan suuri joukko kloonitaimia

35 Biotekniikka kasvintuotannossa Diagnostiikka

36 Geenit ovat DNA:ta Geenit ohjaavat proteiinien valmistumista DNA Geeni A Beadle ja Tatum 1941 Avery ym Watson ja Crick 1953 Crick ym Lähetti-RNA Proteiini A

37 DNA:n rakenne James Watson Francis Crick

38 Geenitekniikka kasveilla Molekyyligenetiikka Geenien eristäminen ja niiden toiminnan selvittäminen Geeninsiirtomenetelmät Solukkoviljelytekniikoiden soveltaminen

39 Geenit ohjaavat proteiinien valmistumista DNA Geeni A säätelyalue Lähetti-RNA Geneettinen koodi on universaali Säätelyalueet eivät Proteiini A

40

41 Agrobakteerivälitteinen geeninsiirto

42 Partikkelipommitus

43 Geeninsiirto laboratoriossa auksiini sytokiniini sytokiniini Transformaatiomarkkeri Yleensä antibioottiresistenssiä koodaava geeni

44 Geeninsiirrolla avulla voidaan kasveihin lisätä uusia ominaisuuksia Geneettinen koodi on universaali DNA Geeni A Lähetti-RNA Proteiini A Kultaiseen riisiin muodostuu - karoteenia. Riisiin on siirretty geenejä narsissista ja bakteerista

45 CO CO CO CO SCoA NH 2 PAL C4H 4CL CHS HO Antosyaanien Phenylalanin Cinnamate 4-Coumarate 4-Coumaroyl-CoA CHI O Chalcone biosynteesi HO O Naringenin O F3H HO O F3 H HO O F3 5 H O Dihydroquercetin O Dihydrokaempferol DFR DFR HO O HO O Leucocyanidin Leucopelargonidin ANS ANS HO O HO O Cyanidin Pelargonidin 3GT 3GT HO O HO O O Glc O Glc Cyanidin-3-O-glucoside Pelargonidin-3-O-glucoside HO O O Dihydromyricetin DFR HO O Leucodelphinidin ANS HO O Delphinidin 3GT HO O O Glc Delphinidin-3-O-glucoside PAL, phenylalanine ammonialyase; C4H, cinnamate-4-hydroxylase; 4CL, 4-coumaryl-CoA ligase; CHS, chalcone synthase; CHI, chalcone-flavanone isomerase; F3H, flavanone 3-hydroxylase; F3'H, flavonoid 3'-hydroxylase; F3'5'H, flavonoid 3',5'-hydroxylase; DFR, dihydroflavonol-4-reductase; ANS, anthocyanidin synthase; 3GT, UDPG-flavonoid-3-0- glucosyltransferase;

46 Phenylalanine PAL Cinnamate C4H 4-Coumarate 4CL 4-Coumaroyl-CoA CHS Antosyaanien biosynteesi Chalcone CHI Naringenin F3H F3'H F3'5'H Dihydroquercetin Dihydrokaempherol Dihydromyricetin DFR DFR DFR Leucocyanidin Leucopelargonidin Leucodelphinidin ANS ANS ANS Cyanidin Pelargonidin Delphinidin 3GT 3GT 3GT Cyanidin-O-glucoside Pelargonidin-3-O-glucoside Delphinidin-O-glucoside RT RT RT Cyanidin-O-rutinoside Pelargonidin-3-O-rutinoside Delphinidin-O-rutinoside

47 Phenylalanine PAL Cinnamate C4H 4-Coumarate 4CL 4-Coumaroyl-CoA CHS Antosyaanien biosynteesi gerberassa, ruusussa, neilikassa... Dihydroquercetin DFR Leucocyanidin ANS Cyanidin 3GT F3'H Chalcone CHI Naringenin F3H Dihydrokaempherol DFR Leucopelargonidin ANS Pelargonidin 3GT Cyanidin-O-glucoside RT Cyanidin-O-rutinoside Pelargonidin-3-O-glucoside RT Pelargonidin-3-O-rutinoside

48 Phenylalanine Moonshadow GM neilikat (Florigene, Australia) PAL Cinnamate C4H 4-Coumarate 4CL 4-Coumaroyl-CoA CHS Chalcone CHI Dihydroquercetin F3'H Naringenin F3H Dihydrokaempherol Petunia F3'5'H F3'5'H Dihydromyricetin DFR DFR DFR Leucocyanidin Leucodelphinidin ANS ANS Cyanidin Delphinidin 3GT 3GT Cyanidin-O-glucoside Delphinidin-O-glucoside RT RT Cyanidin-O-rutinoside Delphinidin-O-rutinoside

49 Geeninsiirrolla voidaan myös poistaa ominaisuuksia Phenylalanine PAL Cinnamate C4H 4-Coumarate 4CL 4-Coumaroyl-CoA CHS

50 Geenitoiminnan vaimentaminen Antisense RNA pysäyttää geenitoiminnan DNA Gene A Antisense RNA Valkoiset gerberat on johdettu punaisesta siirtämällä kasviin yksi gerberan omista väriainesynteesiin osallistuvista geeneistä antisense asennossa

51 Antisense-vaimennuksen mekanismi Geeni A Geeni A mrna Antisense RNA Proteiini A

52 Antisense-vaimennuksen mekanismi Geeni A Geeni A mrna Antisense RNA

53 Hitaasti pehmenevä tomaatti FlavrSavr

54 Flavr Savr Ensimmäinen markkinoille hyväksytty GMelintarvike (1994) Pektiiniä hajottavan polygalakturonaasin määrää vähennetty antisense-tekniikalla

55 Herbisidiresistenssi Kestävyys rikkakasvihävitteitä vastaan Glyfosaattia (Roundup ) kestäviä soijakasveja

56 Hyönteisresistenssi Tavallinen maissi BT-toksiinia tuottava maissi

57 Siirtogeenisen BT-maissin viljelyala USA:ssa % acreage

58 Gm-lajikkeiden osuus soijan viljelyalasta USA:ssa %

59

60

61 Helsingin Sanomat

62 Geenitekniikan riskit Ihmisen terveydelle Allergia Toksiinit Ympäristölle Geenien karkaaminen (introgressio) Genettisen monimuotoisuuden ja biodiversiteetin väheneminen

63 Kasvinjalostuksen riskit Ihmisen terveydelle Allergia Toksiinit Ympäristölle Geenien karkaaminen (introgressio) Genettisen monimuotoisuuden ja biodiversiteetin väheneminen Maatalous on ekologisesti erittäin kuormittavaa!

64

65 Pensasmustikka MTT puutarhatuotanto Piikkiö Aino Alvar Siro Sine

66 Pensasmustikka Jalostuksessa risteytetty Pohjois- Amerikkalaisia pensasmustikoita Suomalaisten Vaccinium suvun marjojen kanssa (mustikka, juolukka, puolukka) Suomen oloihin soveltuvat lajikkeet peräisin juolukan kanssa tehdyistä risteytyksistä Alvar

67 Pensasmustikan riskianalyysi? Pensasmustikan jalostuksessa on risteytetty lajeja, jotka eivät luonnossa ole normaalisti tekemisissä keskenään Kasvin (ja marjojen) metaboliiteissa on odotettavissa uusia, ehkä ennestään tuntemattomia muotoja, mutta niitä ei ole tutkittu Kasvi on lähisukuinen metsiemme tärkeille varpukasveille ja on mahdollista, että vieraat geenit siirtyvät luonnonkasveihin Lajike voidaan nähdä tulokaslajina, mutta sen vaikutuksia luonnonvaraisiin kasveihin ei ole tutkittu

68 Geenitekniikan lainsäädäntö

69

70 Onko laki sama kaikille?

71 Onko laki sama kaikille? Sinisiä perunoita Ei erityismääräyksiä Keltaista riisiä Laaja riskianalyysi Blue Congo Golden Rice

72 Herbisidiresistenssi Glyfosaattia kestävä maissi Laaja riskianalyysi Atratsiiniä kestävä maissi Ei erityismääräyksiä

73 Tomaatin kypsyminen Antisense GM-lajikkeet Flavr Savr ja Endless Summer Laaja riskianalyysi Rin mutaatio Ei erityismääräyksiä

74 Kallis hyväksymismenettely GM-lajikkeen pelkkä hyväksymisprosessi maksaa 20 milj. $ Tavanomaisille lajikekkeille ei tarvita vastaavaa menettelyä

75 Onko sillä väliä? Terveysvaikutteiset ruokakasvit Kultainen riisi Geenitekniikan avulla voidaan jalostaa kasveja ekologisesti kestävällä tavalla Kyntämätön viljely Sadon lisäykset

76 Riittääkö ruoka? Tällä hetkellä maapallolla tuotettava ruoka riittäisi kaikille, jos se jaettaisiin tasan 1990 ruokaa tuotettiin 2700 kcal/henk (ja syötiin 2000 kcal/henk) 50 vuoden kuluttua meitä on kaksi kertaa enemmän

77 Miten ruoan tuotanto voidaan kaksinkertaistaa? Tällä hetkellä n ha maapintaalasta viljelyssä Tuottavimmat alueet on jo valjastettu maataloudelle Lisäalan raivaaminen (metsiltä) ei ole mahdollinen vaihtoehto Kaikki käytössä olevat keinot hyödynnettävä mukaan lukien GM-jalostus

78 Helsingin Sanomat

79 'Knowledge based agriculture'