mezioborov integrace vuky zamen na rostlinnou biochemii a

mezioborová integrace výuky zaměřená na rostlinnou biochemii a fytopatologii CZ. 1. 07/2. 2. 00/28. 0171 Biotechnologie Rostlinné biotechnologie – ochrana rostlin Marek Petřivalský Katedra biochemie PřF UP

Rostlinné biotechnologie

Ztráty rostlinné produkce nemoci 18% škůdci 12% lidé 60% plevely 10% 40% podíl plevel - škůdci - pathogeny

Herbicidy - cílové metabolické dráhy Glyphosate - aromatické AA Fosfinotricin - asimilace dusíku Chlorsupfuron - větvené AA Imazatapir - větvené AA Atrazine - fotosyntéza

Resistence - herbicidy Glyphosate (Roundup. TM) - kompetitivní inhibice EPSPS (5 -enoylpyruvylšikimát-3 -fosfátsyntasa) Šikimát-3 -fosfát EPSPS Fosfoenolpyruvát inhibice Glyfosát Anorganický fosfát 5 -enolpyruvylšikimát-3 -fosfát

Resistence herbicidy Erytrosa-4 -fosfát Fosfoenolpyruvát DAHP Glyphosate Šikimát • inhibice biosyntetické dráhy aromatických AK Šikimát-3 -fosfát • přeměna šikimát-3 fosfátu na 5 enoylpyruvát-3šikimátfosfát (EPSP) EPSP synthasa Glyfosát EPSP Chorismát Antranilát Prefenát Agrogenát Tryptofan Tyrosin Fenylalanin

Resistence - herbicidy 1 gen/chromozom nestabilní linie: změny v počtu kopií v dceřiných buňkách extrachromozomální Strategie resistence na glyfosát 1. možnost ? ? stabilní linie: genotyp je konstantní v dceřiných buňkách amplifikovaný region AMPLIFIKACE GENU zvýšená exprese genu pro EPSPS

Resistence - herbicidy Strategie resistence na glyfosát 2. možnost MUTACE GENU PRO EPSPS izolován z bakterií resistentních na herbicid Ca. MV 35 S Pet CTP Ca. MV E 35 S CTP 4 Petunia EPSP syntasa c. DNA Pet N E. coli mutant EPSPS A. tumefaciens CP 4 mutant EPSPS 3´nos

Resistence - herbicidy Strategie resistence na glyfosát 3. možnost Detoxifikace herbicidu heterolognímy geny • enzym glyfosátoxidasa (GOX) z půdní baktérie Ochrobactrum anthropi • použity u sóji, řepky, kukuřice, bavlny (Montsanto) „Roundup Ready“ Výhoda • odstranění akumulace herbicidu v rostlině • příp. jeho přeměna na neškodný konjugát

Resistence - herbicidy Detoxifikace peptidasa PAT Fosfinotricin (glufosinát) Bialafos N-acetylfosfinotricin Kompetitivní inhibice GS L-glutamát L-glutamin Fosfinotricin (glufosinát) Bialophos - „Herbiace“ Fosfotricin - „Basta“ Exprese genu pro PAT ze Streptomyces

Resistence - herbicidy Detoxifikační systém rostlin cyt P 450, GST Atrazin GST Glutathion (GSH) Glutathion-konjugovaný atrazin

Odolnost proti škůdcům lidé 60% nemoci 18% škůdci 12% „Škůdci“ rostlinné produkce plevely 10% • ztráta obranných mechanismů u kulturních rostlin • nevhodné zemědělské postupy

Odolnost proti škůdcům Hlavní „škůdci“ - hmyz • dospělí jedinci na plodech • larvy na rostlinách Lepidoptera (motýli, můry) Diptera (mouchy, komáři) Orthoptera (kobylky) Homoptera (mšice) Coleoptera (brouci)

Odolnost proti škůdcům Bacillus thuringiensis • Gram-positivní sporulující baktérie • objeven 1901 ve střevech housenky bource morušového • ICP = insekticidní proteiny ( -endotoxiny) • „cry“ geny (crystal protein genes) • liší se podle poddruhů a kmenů bacila • specifická interakce se střevním epitelem larev • vysoce afinitní receptory

Odolnost proti škůdcům „Cry“ proteiny - aktivace ve střevě hmyzu Aktivovaný toxin Zkrácená forma toxinu v transgenních rostlinách Aminokyselinové zbytky

Odolnost proti škůdcům Doména III Doména II Model Cry 1 A - aktivovaný toxin

Odolnost proti škůdcům A) Krystal + spora B) Rozpouštění krystalů a aktivace toxin pro-toxin aktivovaný toxin HOUSENKA Bt- toxin v akci C) Toxiny se vážou k receptorům v žaludku, perforace žaludeční membrány D) Klíčení spor a množení bakterií

Odolnost proti škůdcům Bt-toxin jako biopesticid (od 50. let 20. století) • izolované krystaly • životnost cca několik dní spory bakterií • efektivní 40 dní na listech / až 2 roky v půdě • nesystémová resistence

Odolnost proti škůdcům Bt-genetické modifikace rostlin • exprese cry genů s promotorem Ca. MV 35 S • dostatečné exprese cca 100 ng/mg proteinu • až po modifikaci prokaryontní sekvence Montsanto Cry 3 A brambory x mandelinka Cry 1 Ac bavlník x tabákové housenky Cry 1 Ab kukuřice x zavíječ

Odolnost proti škůdcům Běžná odrůda Bt- kukuřice