KTB111 KASVINTUOTANNON PERUSTEET SYKSY 2009 Prof. Teemu Teeri Peltokasvit ja kasvinjalostus 11.9. 2009 1
Kasvinjalostus 11.9. 2009 2
Nykyiset viljelykasvilajikkeet Satoisampia Kestävämpiä Turvallisempia 11.9. 2009 3
Pitkälle jalostetut viljelykasvit ovat ihmisestä riippuvaisia Teosintti (Zea mays var. parviglumis) Maissi (Zea mays) 11.9. 2009 4
Satoindeksi harvest index Kuvaa taloudellisesti arvokkaan kasvinosan osuutta koko kasvin biomassasta. 11.9. 2009 5
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 11.9. 2009 6
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 11.9. 2009 7
Ideotyyppi VIHREÄN VALLANKUMOUKSEN LAJIKKEET Maatiaislajike Jalostettu lajike Ideotyyppi 11.9. 2009 8
Typpilannoitukselle vasteen antavat lyhytkortiset viljelylajikkeet Perinteinen Jalostettu 11.9. 2009 9
Vihreä vallankumous Riisintuotannon kasvu1961-1996 11.9. 2009 10
Vihreä vallankumous Riisin viljelyalan kasvu 1961-1996 11.9. 2009 11
Stressinkestävyysjalostus Abioottiset stressitekijät Kylmän- ja talvenkestävyys Kuivuudenkestävyys Bioottiset stressitekijät Tuholaiset Taudit Rikkakasvit 11.9. 2009 12
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. 11.9. 2009 13
Brno 2005 11.9. 2009 14
Gregor Mendel 1822-1884 11.9. 2009 15
Mendelin säännöt Lokus Geenin paikka kromosomissa (tai kartalla) Alleeli Geenin vaihtoehtoinen muoto lokuksessa 11.9. 2009 16
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 11.9. 2009 17
Mendelin I sääntö 11.9. 2009 18
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) 11.9. 2009 19
Polygeenit 2,5 3,5 2 1,5 Aa 3 2,5 2 1 0,5 0 aa AA 1 2 3 ei dominanssia 1,5 1 0,5 0 1 2 dominanssi 1 geeni 7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 aabb Aabb AAbb AABb AABB aabb aabb AaBB AaBb 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 2 geeniä 11.9. 2009 20
Jatkuva muuntelu 6 geeniä 24 geeniä Dominanssi; Kunkin geenin frekvenssi 0,5 11.9. 2009 21
frekvenssi Jatkuva muuntelu Kvantitatiivinen genetiikka ominaisuus 11.9. 2009 22
Sir Ronald A. Fisher 1890-1962 Englantilainen tilastoja perinnöllisyystieteilijä Kehitti valintajalostuksen keskeiset tilastolliset menetelmät 11.9. 2009 23
frekvenssi frekvenssi Keinovalinta ominaisuus ominaisuus 11.9. 2009 24
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 11.9. 2009 25
Lisääntymismenetelmä ja jalostus Itsepölytys Ristipölytys 11.9. 2009 26
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 11.9. 2009 27
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 11.9. 2009 28
Kasvinjalostuksen neljä päätyyppiä Itsepölytteiset Menetelmät yksinkertaisimpia: risteytys, sisäsiitos IBL (inbred lines) 11.9. 2009 29
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 11.9. 2009 30
Kasvinjalostuksen neljä päätyyppiä Ristipölytteiset Hieman mutkikkaampaa, itsesiitosta vältettävä (ei aina mahdollista kokonaan) OPP (open pollinated populations) HYB (hybrids) CLO (clones) 11.9. 2009 31
Jalostuksen menetelmiä Risteytys ja valinta Mutaatiojalostus Lajien väliset risteytykset Biotekniikka Verigreippi Rio Red Ruisvehnä 11.9. 2009 32
Biotekniikka kasvintuotannossa Mikrolisäys Menetelmä ilmiasultaan hyvän kasviyksilön kloonaamiseksi Silmusta tai kasvupisteestä Kalluksen kautta 11.9. 2009 33
Biotekniikka kasvintuotannossa Mikrolisäys Lopputuloksena saadaan suuri joukko kloonitaimia 11.9. 2009 34
Biotekniikka kasvintuotannossa Diagnostiikka 11.9. 2009 35
Geenit ovat DNA:ta Geenit ohjaavat proteiinien valmistumista DNA Geeni A Beadle ja Tatum 1941 Avery ym. 1944 Watson ja Crick 1953 Crick ym. 1961 Lähetti-RNA Proteiini A 11.9. 2009 36
DNA:n rakenne James Watson Francis Crick 1953 11.9. 2009 37
Geenitekniikka kasveilla Molekyyligenetiikka Geenien eristäminen ja niiden toiminnan selvittäminen Geeninsiirtomenetelmät Solukkoviljelytekniikoiden soveltaminen 11.9. 2009 38
Geenit ohjaavat proteiinien valmistumista DNA Geeni A säätelyalue Lähetti-RNA Geneettinen koodi on universaali Säätelyalueet eivät Proteiini A 11.9. 2009 39
11.9. 2009 40
Agrobakteerivälitteinen geeninsiirto 11.9. 2009 41
Partikkelipommitus 11.9. 2009 42
Geeninsiirto laboratoriossa auksiini sytokiniini sytokiniini Transformaatiomarkkeri Yleensä antibioottiresistenssiä koodaava geeni 11.9. 2009 43
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. 11.9. 2009 44
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; 11.9. 2009 45
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 11.9. 2009 46
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 11.9. 2009 47
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 11.9. 2009 48
Geeninsiirrolla voidaan myös poistaa ominaisuuksia Phenylalanine PAL Cinnamate C4H 4-Coumarate 4CL 4-Coumaroyl-CoA CHS 11.9. 2009 49
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. 11.9. 2009 50
Antisense-vaimennuksen mekanismi Geeni A Geeni A mrna Antisense RNA Proteiini A 11.9. 2009 51
Antisense-vaimennuksen mekanismi Geeni A Geeni A mrna Antisense RNA 11.9. 2009 52
Hitaasti pehmenevä tomaatti FlavrSavr 11.9. 2009 53
Flavr Savr Ensimmäinen markkinoille hyväksytty GMelintarvike (1994) Pektiiniä hajottavan polygalakturonaasin määrää vähennetty antisense-tekniikalla 11.9. 2009 54
Herbisidiresistenssi Kestävyys rikkakasvihävitteitä vastaan Glyfosaattia (Roundup ) kestäviä soijakasveja. 11.9. 2009 55
Hyönteisresistenssi Tavallinen maissi BT-toksiinia tuottava maissi 11.9. 2009 56
Siirtogeenisen BT-maissin viljelyala USA:ssa 30 25 20 15 10 5 0 1995 1996 1997 1998 1999 % acreage 11.9. 2009 57
Gm-lajikkeiden osuus soijan viljelyalasta USA:ssa % 60 50 40 30 20 10 0 1996 1997 1998 1999 2000 11.9. 2009 58
11.9. 2009 60
Helsingin Sanomat 26.1. 2005 11.9. 2009 61
Geenitekniikan riskit Ihmisen terveydelle Allergia Toksiinit Ympäristölle Geenien karkaaminen (introgressio) Genettisen monimuotoisuuden ja biodiversiteetin väheneminen 11.9. 2009 62
Kasvinjalostuksen riskit Ihmisen terveydelle Allergia Toksiinit Ympäristölle Geenien karkaaminen (introgressio) Genettisen monimuotoisuuden ja biodiversiteetin väheneminen Maatalous on ekologisesti erittäin kuormittavaa! 11.9. 2009 63
www.bioteknologia.info 11.9. 2009 64
Pensasmustikka MTT puutarhatuotanto Piikkiö Aino Alvar Siro Sine 11.9. 2009 65
Pensasmustikka Jalostuksessa risteytetty Pohjois- Amerikkalaisia pensasmustikoita Suomalaisten Vaccinium suvun marjojen kanssa (mustikka, juolukka, puolukka) Suomen oloihin soveltuvat lajikkeet peräisin juolukan kanssa tehdyistä risteytyksistä Alvar 11.9. 2009 66
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 11.9. 2009 67
Geenitekniikan lainsäädäntö 11.9. 2009 68
http://www.geenitekniikanlautakunta.fi/ 11.9. 2009 69
Onko laki sama kaikille? 11.9. 2009 70
Onko laki sama kaikille? Sinisiä perunoita Ei erityismääräyksiä Keltaista riisiä Laaja riskianalyysi Blue Congo Golden Rice 11.9. 2009 71
Herbisidiresistenssi Glyfosaattia kestävä maissi Laaja riskianalyysi Atratsiiniä kestävä maissi Ei erityismääräyksiä 11.9. 2009 72
Tomaatin kypsyminen Antisense GM-lajikkeet Flavr Savr ja Endless Summer Laaja riskianalyysi Rin mutaatio Ei erityismääräyksiä 11.9. 2009 73
Kallis hyväksymismenettely GM-lajikkeen pelkkä hyväksymisprosessi maksaa 20 milj. $ Tavanomaisille lajikekkeille ei tarvita vastaavaa menettelyä 11.9. 2009 74
Onko sillä väliä? Terveysvaikutteiset ruokakasvit Kultainen riisi Geenitekniikan avulla voidaan jalostaa kasveja ekologisesti kestävällä tavalla Kyntämätön viljely Sadon lisäykset 11.9. 2009 75
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 11.9. 2009 76
Miten ruoan tuotanto voidaan kaksinkertaistaa? Tällä hetkellä n. 1.000.000.000 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 11.9. 2009 77
Helsingin Sanomat 30.3. 2005 11.9. 2009 78
'Knowledge based agriculture' 11.9. 2009 79