1 / 56

Molekulārie marķieri, genomika un augu selekcija

Genomika. Fenotips. Augu selekcija. Ģenētiskā karte. Fiziskā karte. Genoma secība. Alēļu daudzveidība. Molekulārie marķieri, genomika un augu selekcija . Gēnu funkcija . Nils Rostoks . Mācību plāns un lekciju saraksts . Atkrustošana ( Backcrossing ) .

yama
Download Presentation

Molekulārie marķieri, genomika un augu selekcija

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Genomika Fenotips Augu selekcija Ģenētiskā karte Fiziskā karte Genoma secība Alēļu daudzveidība Molekulārie marķieri, genomika un augu selekcija Gēnu funkcija Nils Rostoks Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  2. Mācību plāns un lekciju saraksts Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  3. Atkrustošana (Backcrossing) • Pēcnācēju atkārtota krustošana ar vienu un to pašu vecāku šķirni vai līniju (recurrentparent) • Vienkārši veicama dominantas pazīmes gadījumā, kad iespējama fenotipiskā atlase • Sarežģīta poligēnu kvantitatīvo pazīmju gadījumā • Molekulārie marķieri dod iespēju atlasīt pēcnācējus, ja fenotipiskie testi nav efektīvi Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  4. Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  5. Recesīvas alēles BC izmantojot fenotipisko atlasi Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  6. Recesīvas alēles BC ar molekulāro marķieru atlasi Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  7. Marķieru pielietojums augu selekcijā Marķieru (morfoloģisko, bioķīmisko, molekulāro) pielietojums var paātrināt augu selekciju dodot iespēju veikt izlasi nevis pēc noteiktās pazīmes (raža, slimību izturība), bet gan pēc marķiera īpašībām Fenotipiskā selekcija ir ilgstoša un dārga Ideālā gadījumā marķieris dod informāciju par interesējošās pazīmes klātbūtni un tās alēlisko stāvokli (homozigotiska vai heterozigotiska) Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  8. Marķieri • Marķieri, kas saistīti ar interesējošo pazīmi • Ģenētiskajā (saistības) kartē starp marķieri un interesējošo pazīmi nav novērojama rekombinācija. Šādā gadījumā marķieris tomēr var būt fiziski ļoti tālu no interesējošo pazīmi nosakošā gēna • Marķieri gēnā, kas nosaka interesējošo pazīmi • Ir noteikts gēns, kas kodē interesējošo pazīmi un šajā gēnā esošie polimorfismi tiek izmatoti, lai identificētu noteiktas funkcionālas gēna alēles krustojumu pēcnācējos Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  9. MAS – Marker-AssistedSelection • Molekulāro marķieru pielietojums noteiktu genotipu atlasē krustojumos • Dubcovsky (2004) Marker-Assisted Selection in Public Breeding Programs – thewheatexperience. CropSci, 44: 1895 Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  10. Molekulārie marķieri selekcijai • Marķieru kvalitāte (cik precīzi tie nosaka pazīmi) • Tehniskās prasības marķieru pielietošanai (kāda aparatūra nepieciešama, kāds personāls vajadzīgs) • Marķieru pielietošanas izmaksas (vai marķieru pielietojums atsver to izmaksas) Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  11. Ar pazīmi kodējošo gēnu saistīti marķieri Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  12. Ar pazīmi kodējošo gēnu saistīti marķieri • Ja starp marķieri un pazīmi kodējošo gēnu novērojama rekombinācija, marķieri iespējams izmantot, bet nāksies pārbaudīt arī izlasīto pēcnācēju fenotipu • Ja marķieris un pazīmi kodējošais gēns nerekombinē, arī tad nepieciešams pārbaudīt ar marķieri atlasīto pēcnācēju fenotipu Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  13. Miežu rūsas izturības gēna Rpg1 klonēšana Miežu stiebru rūsu izraisa sēne Pucciniagraminis f. sp. tritici Ļoti izturīga līnija Izturīga līnija Uzņēmīga līnija Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  14. Rpg1 darbojas gēns – pret gēnu veidā Miežu rūsas izturības gēna Rpg1 klonēšana Lai klonētu gēnu balstoties uz tā atrašanās vietu uz ģenētiskās kartes, nepieciešams: - detalizēta ģenētiskā karte; - viegli nosakāms fenotips Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  15. Rpg1rajona ģenētiskā un fiziskā karte Brueggeman et al., 2002, PNAS, 99:9328 Rostoks et al., 2002, TAG, 104:1298 Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  16. Identificē rekombinācijas limitēto Rpg1 rajonu Veic atbilstošā rajona DNS sekvenēšanu un sekvences analīzi, identificē kandidātgēnus Veic kandidātgēnu anotāciju balstoties uz to DNS un aminoskābju sekvences homoloģiju un identificē DNS polimorfismus, kas diferencē uzņēmīgās un izturīgās miežu šķirnes Rpg1 kandidātgēnu identifikācija Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  17. Rpg1ir receptorkināzei līdzīgs proteīns ar diviem kināzes domēniem Rpg1 gēna raksturojums Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  18. Molekulārais marķieris Rpg1 gēnam • Ecksteinetal. (2003) Allele-Specific Markers within the Barley Stem Rust Resistance Gene (Rpg1). BarleyGeneticsNewsletter, 33: 7 • SCAR (sequencecharacterizedamplifiedregion) marķieris, kas atšķir Rpg1 gēna alēles, kas nodrošina slimību izturību Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  19. Mlogēns – mlo-9 un mlo-11 alēles mlo-11 mlo-9 Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  20. Mlogēns – mlo-11 alēles Piffanellietal. (2004) A barley cultivation-associated polymorphism conveys resistance to powdery mildew. Nature, 430: 887 Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  21. Apkopojums par klonētajiem augu QTL TakedaandMatsuoka (2008) NatRevGenet 9:444 Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  22. QTL atkrustošana • QTL atkrustošana reāli iespējama tikai ar marķieru palīdzību, jo fenotipiskā atlase prasītu pārāk ilgu laiku Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  23. Molekulārie marķieri QTL pārnesei • Ziemeļamerikas audzēšanas apstākļiem piemērotas miežu šķirnes ar augstu iesala iznākumu parasti nav tik ražīgas kā lopbarības mieži • Pārnest ražības QTL no lopbarības šķirnes Baronesse uz alus miežu šķirni Harrington • Schmiereretal. (2004) Molecular marker-assisted selection for enhanced yield in malting barley. Mol Breeding, 14: 463 (http://www.springerlink.com/content/l126052674943021/fulltext.pdf) Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  24. Mol. marķieri QTL pārnesei Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  25. Augu un to patogēnu molekulārā ģenētika Nils Rostoks Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  26. Augu imūnā sistēma • Jones andDangl (2006) Theplantimmunesystem. Nature, 444: 323 • http://www.tsl.ac.uk/research/jonathan-jones/ • “Plants, unlike mammals, lack mobile defender cells and a somatic • adaptive immune system. Instead, they rely on the innate immunityof each cell and on systemic signals emanating from infection sites” Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  27. Augu imūnā sistēma II • Ausubel FM (2005) Are innate immune signaling pathways in plants and animals conserved?NatImmunol, 6: 973 • Although adaptive immunity is unique to vertebrates, the innate immune response seems to have ancient origins. Common features of innate immunity in vertebrates, invertebrate animals and plants include defined receptors for microbe-associated molecules, conserved mitogen-associated protein kinase signaling cascades and the production of antimicrobial peptides. It is commonly reported that these similarities in innate immunity represent a process of divergent evolution from an ancient unicellular eukaryote that pre-dated the divergence of the plant and animal kingdoms. However, at present, data suggest that the seemingly analogous regulatory modules used in plant and animal innate immunity are a consequence of convergent evolution and reflect inherent constraints on how an innate immune system can be constructed. Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  28. Augu patogēni • Vīrusi • Baktērijas • Mikroskopiskās sēnes • Kukaiņi • Nematodes Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  29. Patogēnu kontakts ar augu • Patogēni izplatās dažādā veidā – pa gaisu, ar ūdens pilienu palīdzību, caur augsni • Patogēni nonāk augā dažādā veidā – caur ievainojumu vietām, ar insektu palīdzību, caur atvārsnītēm, vai arī tieši caur augu epidermas šūnām • Patogēniem ir atšķirīgs dzīves cikls un barošanās veids, piemēram, biotrofie un nekrotrofie patogēni Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  30. Izturība pret patogēniem • Runājot par augu slimību izturību uzmanība parasti tiek pievērsta specifiskai izturībai, kad augs ar noteiktu slimības izturības gēna alēli uzrāda izturību pret noteiktu patogēna rasi • Bet... Lielākā daļa augu ir izturīga pret lielāko daļu ‘patogēnu’! • (http://www.pngg.org/pp590_790/1-27-10-slides/1-27-10.html) • To nodrošina non-host izturība un kvantitatīvā izturība, kas piemīt arī uzņēmīgām augu šķirnēm • Atsevišķi patogēni pielāgojas noteiktām augu sugām un šķirnēm, it īpaši kultūraugu gadījumā, kuri neaug savā dabiskajā vidē Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  31. Slimību izturības veidi • Non-hostslimību izturība – izturība pret patogēniem, kas nav dabiskie noteiktās augu sugas ienaidnieki • Horizontālā (kvantitatīvā) slimību izturība, jeb rases nespecifiskā slimību izturība (non-racespecific) • Vertikālā slimību izturība, jeb gēns – pret – gēnu slimību izturība, jeb rases specifiskā slimību izturība Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  32. PAMPs un MAMPs • Augi atpazīst dažādus patogēnu izdalītas molekulas, piemēram, baktēriju flagellīnu, vai mikroskopisko sēņu hitīnu • PAMP – Pathogen-associatedmolecularpattern • MAMP – Microbial-associatedmolecularpattern • Augi uztver PAMP/MAMP klātbūtni ar PRR (transmembrānupatternrecognition receptors)un aktivizē bazālo aizsargreakciju, kas darbojas arī virulentu patogēnu gadījumā • Patogēnu efektori, kurus augu šūnā nogādā III tipa sekrēcijas sistēma, palīdz pārvarēt PAMP izraisīto imunitāti • Ja auga NBS-LRR proteīni atpazīst efektora molekulas, iestājas efektoru izraisītā imunitāte, kurai raksturīga hipersensitīvā atbilde Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  33. Hipersensitīvā atbilde • Augu hipersensitīvā atbilde (HR) ir aizsargreakcija pret patogēna infekciju • HR parādās izturīgas auga šķirnes un avirulenta patogēna mijiedarbības gadījumā • Auga šūnas tiešā infekcijas vietas tuvumā iet bojā un tādējādi novērš infekcijas tālāku izplatību • Efektīva aizsardzības sistēma pret biotrofiem patogēniem • Stakman EC (1915) Relation between Pucciniagraminisand plantshighly resistant to its attack. J Agric Res 4: 193 Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  34. Augu imūnās sistēmas darbības pakāpes PAMP – Pathogen-associatedmolecularpatterns PTI – PAMP triggeredimmunity ETS – Effectortriggeredsusceptibility ETI – Effectortriggeredimmunity Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  35. Augu un augu patogēnu koevolūcija • Augu un augu patogēnu koevolūciju bieži apraksta kā “armsrace” • Patogēnam mutāciju ceļā izmainās avirulences gēns, kas tam ļauj inficēt augus, kas līdz šim bija izturīgi • Pēc tam augi sāk pielāgoties šim patogēnam un mutāciju un izlases ceļā atkal var izveidoties izturība • Augu patogēnu epidemioloģija • Tomēr... daži slimību izturības gēni nodrošina ilgstošu izturību pret vairākām patogēna rasēm gadu desmitu garumā Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  36. Augu un augu patogēnu koevolūcija Mutācija patogēnā Mutācija augā Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  37. Gēns – pret – gēnu teorija • Gene – for – geneteorija • HaroldHenryFlor– pētījumi par linu un linu rūsas sēnes mijiedarbībām, izmantojot gan augu patoloģijas, gan ģenētikas pieeju • Noteiktiem slimību izturības gēniem augos atbilst noteikti patogēna avirulences faktori. Noteikta R gēna un Avr gēna kombinācija noved pie slimības izturības. Visas citas kombinācijas noved pie slimības • Flor (1947) Inheritance of reaction to rust in flax. J AgrRes, 74: 241 • Flor (1956) The complementary genic systems in flax and flax rust. AdvGenet, 8: 29 Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  38. Rpg1 darbojas gēns – pret gēnu veidā Miežu rūsa – miežu rūsas izturības gēns Rpg1 Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  39. Nekrotiskie mutanti HR pētījumos Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  40. Avirulences proteīni • Avirulences gēni sākotnēji tika identificēti, kā patogēna faktori, kas nosaka to nespēju inficēt noteiktu saimniekorganismu • Avirulences gēni kodē efektorus, kurus izdala patogēni infekcijas laikā • Samērā labi izpētīti baktēriju avirulences faktori, kuri nonāk augu šūnā caur III tipa sekrēcijas sistēmu • Eikariotisko patogēnu (mikroskopisko sēņu) avirulences faktori arī bieži vien nonāk augu šūnā, taču transporta mehānisms ir nezināms Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  41. Augu slimības izturības gēni • Pirmais gēns Hm1 – toksīna reduktāze (JohalandBriggs (1992) Reductase activity encoded by the HM1 disease resistance gene in maize. Science, 258: 985). Klonēts izmantojot transpozonutagging • Arabidopsis Rps2 gēns, kodē NBS-LRR proteīnu (Kunkeletal. (1993) RPS2, anArabidopsisdiseaseresistancelocusspecifyingrecognitionofPseudomonassyringaestrainsexpressingtheavirulencegeneavrRpt2. PlantCell, 5: 865 • Tabakas N gēns, kodē NBS-LRR proteīnu (Dinesh-Kumaretal. (1995) Transposon tagging of tobacco mosaic virus resistance gene N: its possible role in the TMV-N-mediated signal transduction pathway. PNAS, 92: 4175) Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  42. Galvenās slimības izturības (R) gēnu klases Dangland Jones (2001) Plant pathogens and integrateddefence responses to infection. Nature, 411: 826 (http://www.tsl.ac.uk/research/jonathan-jones/pdf/NatureDanglJones2001.pdf) Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  43. NBS-LRR tipa slimību izturības gēni McHaleetal. (2006) Plant NBS-LRR proteins: adaptableguards. GenomeBiol, 7:212 Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  44. R gēnu dažādība – miežu Rpg1 gēns Brueggeman etal. (2002) The barley stem rust-resistance gene Rpg1 is a novel disease- resistance gene with homology to receptor kinases. PNAS, 99: 9328 Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  45. R gēnu dažādība – miežu Rpg5 gēns Brueggeman etal. (2008) The stem rust resistance gene Rpg5 encodes a protein with nucleotide-binding-site, leucine-rich, and protein kinase domains. PNAS, 105: 14970 Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  46. R gēnu dažādība – kviešu Lr34 gēns Krattingeretal. (2009) A putative ABC transporter confers durable resistance to multiple fungal pathogens in wheat. Science, 323, 1360-1363 Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  47. R gēnu dažādība – kviešu Yr36 (Wsk1)gēns Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra Fuetal. (2009) A kinase-START gene confers temperature-dependent resistance to wheat stripe rust. Science

  48. Dažu R proteīnu struktūra augos un dzīvniekos Dangland Jones (2001) Plant pathogens and integrateddefence responses to infection. Nature, 411: 826 (http://www.tsl.ac.uk/research/jonathan-jones/pdf/NatureDanglJones2001.pdf) Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  49. Kā darbojas augu slimības izturības gēni? • Hm1 – inaktivē augu patogēna toksīnu • Transmembrānu proteīni ar ārpusšūnas LRR domēnu var kalpot kā patogēnu un to izdalīto molekulu receptori • Proteīni ar iekššūnas LRR domēnu var kalpot kā patogēnu izdalīto elicitoru receptori. Ir pierādītas tiešas Avr un R proteīnu mijiedarbības • Ellisetal. (2007) Flax rust resistance gene specificity is based on direct resistance-avirulence protein interactions. Annu RevPhytopathol, 45: 289 • R proteīni ar kināzes domēnu visdrīzāk piedalās signālu pārneses ceļos Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

  50. Sarga (guard) teorija Dangland Jones (2001) Plant pathogens and integrateddefence responses to infection. Nature, 411: 826 (http://www.tsl.ac.uk/research/jonathan-jones/pdf/NatureDanglJones2001.pdf) Mikrobioloģijas un biotehnoloģijas katedra

More Related