Dlaczego badamy rośliny? www.plantcell.org/cgi/doi/10.1105/tpc.109.tt1009.

Prezentacja na temat: "Dlaczego badamy rośliny? www.plantcell.org/cgi/doi/10.1105/tpc.109.tt1009."— Zapis prezentacji:

1 Dlaczego badamy rośliny? www.plantcell.org/cgi/doi/10.1105/tpc.109.tt1009

2 Rośliny, podobnie jak zwierzęta, są wielokomórkowymi eukariontami Bakterie Archeony Zwierzęta Rośliny Grzyby Wspólny przodek Photo credits: Public Health Image Library; NASA; © Dave Powell, USDA Forest Service; tom donald

3 Rośliny są różnorodne Zielenice Wątrobowce Mchy Rośliny naczyniowe Widłaki Paprotniki Rośliny nasienne Rośliny kwiatowe Szpilkowe Trawy Dwuliścienne Rośliny lądowe W toku ewolucji rośliny przystosowały się do życia w różnych środowiskach. Images courtesy tom donaldtom donald

4 Rośliny poprawiają nastrój Dravigne, A., Waliczek, T.M., Lineberger, R.D., Zajicek, J.M. (2008) The effect of live plants and window views of green spaces on employee perceptions of job satisfaction. HortScience 43: 183–187. Photo credit: tom donald183–187tom donald Widok roślin w miejscu pracy pozytywnie wpływa na zadowolenie pracowników.

5 Rośliny to zadziwiające organizmy Największe kwiaty (~ 1m) Najdłuższy czas życia (~ 5000 lat) Największe organizmy (> 100m) Photo credits: ma_suska; Bradluke22; Stan Shebsma_suskaBradluke22Stan Shebs

6 Nie możemy żyć bez roślin Rośliny są głównymi producentami tlenu, którym oddychamy. Rośliny stanowią nasze główne źródło energii w postaci pożywienia i paliw. Rośliny wytwarzają wiele użytecznych substancji chemicznych.

7 Nie możemy żyć bez tlenu! X X BRAK tlenu Joseph Priestley zauważył, że oddychając zwierzęta „psują” powietrze. Zwierzę zamknięte w szczelnym pojemniku po pewnym czasie traci przytomność.

8 Nie możemy żyć bez tlenu! Produkcja tlenu Priestley zauważył również, że rośliny mają zdolność „naprawiania” powietrza. Obecnie wiemy, że wytwarzają one tlen jako produkt uboczny fotosyntezy.

9 Rośliny wiążą dwutlenek węgla i przekształcają go w związki bogate w energię, które służą zwierzętom jako pożywienie CO 2 Rośliny przekształcają CO 2 w cukry w procesie fotosyntezy.

10 Rośliny wytwarzają niezwykłe bogactwo związków chemicznych witamina A witamina C wanilina kofeina morfina CO 2

11 Dlaczego badamy rośliny? Aby lepiej chronić zagrożone gatunki roślin i ekosystemy. Aby lepiej zrozumieć świat organizmów żywych. Aby lepiej wykorzystać rośliny do produkcji żywności, leków i energii. Photo credit: tom donaldtom donald

12 Badania nad roślinami dostarczają informacji o otaczającym nas świecie Rysunek korka wykonany przez Roberta Hooke’a, odkrywcy „komórek” Komórki po raz pierwszy zaobserwowano w roślinach Fotografia komórek korka Photo credit: ©David B. Fankhauser, Ph.D©David B. Fankhauser, Ph.D

13 Wirusy po raz pierwszy wyizolowano z roślin Wirus mozaiki tytoniu Wirusy atakuja nie tylko rośliny, lecz również ludzi wywołując wiele chorób m.in. AIDS, żóltaczkę, SARS, świńską grypę, raka szyjki macicy, ospę wietrzną i polio. Image Copyright 1994 Rothamsted Research.

14 Badania Mendla nad grochem ujawniły istnienie praw dziedziczenia

15 ...które pomagają nam zrozumieć ludzkie choroby takie jak anemia sierpowata... Badania Mendla nad grochem ujawniły istnienie praw dziedziczenia

16 ...i hemofilia oraz niezliczone inne ludzkie choroby o podłożu genetycznym. Drzewo genealogiczne rodziny, w której występuje hemofilia Badania Mendla nad grochem ujawniły istnienie praw dziedziczenia

17 Prace Mendla stanowią fundament genetyki i hodowli roślin. Wybitny hodowca roślin Norman Borlaug Norman Borlaug 1914-2009, laureat Nagrody Nobla z roku 1970 Badania Mendla nad grochem ujawniły istnienie praw dziedziczenia

18 DLACZEGO BADAMY ROŚLINY?

19 Liczba ludności na świecie wciąż się zwiększa... Przewiduje się trzykrotny wzrost światowej populacji pomiędzy 1950 (2,5 billiona) i 2020 (7,5 billiona)

20 Liczba ludności na świecie wciąż się zwiększa... Głównym celem badań nad roślinami jest zwiększenie produkcji żywności; obecnie szacuje się, że konieczne jest zwiększenie produkcji o 70% w ciągu najbliższych 40 lat.

21 Niedożywienie i głód zabijają głównie dzieci W 2004 r. na świecie zmarło 60 milionów ludzi. (Source: World Health Organization, 2008)World Health Organization

22 10 millionów stanowiły dzieci poniżej 5 roku życia. 99% z nich żyło w krajach rozwijających się. (Source: The State of the World's Children, UNICEF, 2007)The State of the World's Children Niedożywienie i głód zabijają głównie dzieci

23 Co roku 5 millionów dzieci poniżej 5 roku życia umiera z powodu niedożywienia. Oznacza to, że co 6 sekund umiera dziecko w wieku przedszkolnym, czemu można by łatwo zapobiec. Niedożywienie i głód zabijają głównie dzieci

24 Niedobór witaminy A zabija milion dzieci rocznie. (Source: Vitamin and Mineral Deficiency, A Global Progress Report, UNICEF) Niedożywienie i głód zabijają głównie dzieci

25 Jak zareagowałby świat na chorobę, która dotknęłaby całą populację USA, Kanady i Unii Europejskiej?

26 Rocznie ponad bilion ludzi na świecie cierpi z powodu chronicznego głodu To WIĘCEJ niż cała populacja USA, Kanady i Unii Europejskiej (Source: FAO news release, 19 June 2009)FAO news release,

27 To TYLE co łączna populacja USA, Kanady, Unii Europejskiej i Chin (Source: World Health Organization, WHO Global Database on Anaemia)World Health Organization Ponad dwa biliony ludzi rocznie cierpi na chroniczną anemię z powodu niedoboru żelaza

28 CO NAUKOWCY MOGĄ NA TO PORADZIĆ?

29 Poprzez tworzenie roślin, które:  są odporne na suszę i stres  wymagają mniej nawozów lub wody  są odporne na patogeny  mają większą wartość odżywczą. Naukowcy badający rośliny mogą się przyczynić do zmniejszenia problemu głodu

30 Wzrost roślin jest często limitowany przez stres suszy Image source: IWMIIWMI

31 Stres suszy jest potęgowany przez globalne ocieplenie Gornall, J., Betts, R., Burke, E., Clark, R., Camp, J., Willett, K., and Wiltshire, A. Implications of climate change for agricultural productivity in the early twenty-first century. Phil. Trans. Royal Soc. B: 365: 2973-2989.m2973-2989 W ciepłych rejonach, plony mogą spadać o 3-5% wraz ze wzrostem temperatury o 1°C Model średniego wzrostu temperatur w rejonach rolniczych do 2050 r.

32 Nawet niewielki susza zmniejsza plony Niewielka susza hamuje wzrost i wydajność fotosyntezy, natomiast ekstremalna susza jest letalna.

33 Potrzebujemy roślin, które będą dobrze rosły w warunkach stresowych Wysoka temperatura i susza zmniejszają plony

34 Potrzebujemy roślin, które będą dobrze rosły w warunkach stresowych Wysoka temperatura i susza zmniejszają plony Coraz większe obszary muszą być przeznaczone na uprawy

35 Potrzebujemy roślin, które będą dobrze rosły w warunkach stresowych Wysoka temperatura i susza zmniejszają plony Coraz większe obszary muszą być przeznaczone na uprawy Wycinanie lasów powoduje wzrost ilości CO 2 w atmosferze

36 Zmiana w pojedynczym genie może zwiększyć odporność roślin na suszę Yu, H., Chen, X., Hong, Y.-Y., Wang, Y., Xu, P., Ke, S.-D., Liu, H.-Y., Zhu, J.-K., Oliver, D.J., Xiang, C.-B. (2008) Activated expression of an Arabidopsis HD-START protein confers drought tolerance with improved root system and reduced stomatal density. Plant Cell 20:1134-1151.1134-1151 po ponownym podlaniu podlewane 10 dni suszy20 dni suszy Odporne na suszę Dziki typ

37 Większy system korzeniowy zwiększa odporność na suszę SiewkiDojrzałe rośliny Dziki typ Odporne na suszę Selekcja roślin o większym systemie korzeniowym umożliwia lepszy wzrost w rejonach narażonych na suszę Yu, H., Chen, X., Hong, Y.-Y., Wang, Y., Xu, P., Ke, S.-D., Liu, H.-Y., Zhu, J.-K., Oliver, D.J., Xiang, C.-B. (2008) Activated expression of an Arabidopsis HD-START protein confers drought tolerance with improved root system and reduced stomatal density. Plant Cell 20:1134-1151.1134-1151 Odporne na suszę

38 Nawozy są limitującym czynnikiem dla wzrostu roślin, a ich produkcja jest bardzo energochłonna Uprawy wymagają nawozów jako źródła potasu, azotu, fosforu i innych składników mineralnych Nawozy potasowe i fosforanowe to nieodnawialne zasoby kopalne Synteza nawozów azotanowych wymaga ogromnych nakładów energii Photo credits: Mining Top News; Library of Congress, Prints & Photographs Division, FSA-OWI Collection, LC-USW361-374LC-USW361-374

39 Nawozy używane w rolnictwie są znaczącym źródłem zanieczyszczeń Photo Photo courtesy of NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio Nawozy spłukiwane z pól powodują powstawanie martwych stref u wybrzeży zbiorników wodnych. Wywołują zakwity glonów, których rozkład powoduje deficyt tlenowy i uniemożliwia życie w wodzie.

40 Yuan, L., Loque, D., Kojima, S., Rauch, S., Ishiyama, K., Inoue, E., Takahashi, H., and von Wiren, N. (2007). The organization of high-affinity ammonium uptake in Arabidopsis roots depends on the spatial arrangement and biochemical properties of AMT1-type transporters. Plant Cell 19: 2636-2652.2636-2652 Bardziej wydajne systemy transportu w korzeniach mogą zmniejszyć zużycie nawozów. Można zwiększyć wydajność pobierania składników odżywczych przez rośliny

41 Naukowcy krzyżują rośliny uprawne z wieloletnimi, aby zmniejszyć zapotrzebowanie tych pierwszych na wodę i nawozy Wes Jackson z Land Institute prezentuje wieloletnią roślinę Thinopyrum intermedium, która jest spokrewniona z pszenicą Rośliny wieloletnie wydajniej pobierają wodę i składniki odżywcze niż większość roślin uprawnych Photo credit: Jodi Torpey, westerngardeners.comwesterngardeners.com

42 Obecnie dwie poważne choroby zagrażają światowym zasobom żywności Phytophthora infestans powoduje zarazę ziemniaczaną, która znowu stanowi zagrożenie Puccinia graminis tritici, grzyb wywołujący rdzę źdźbłową pszenicy, stał się wyjątkowo agresywny. Photo credits: www.news.cornell.edu; www.fao.orgwww.news.cornell.edu

43 Fitoftoroza niszczy uprawy ziemniaka Zaraza ziemnieczana (fitoftoroza) wywoływana jest przez Phytophthora infestans. W latach 40. XIX w. epidemie doszczętnie niszczyły plony i spowodowały śmierć ponad miliona ludzi w Europie. Photo credits: USDA; Scott BauerScott Bauer Roślina porażona Roślina opryskiwana

44 Identyfikacja genów odporności na Phytophthora infestans odporne inokulacja grzybem nieinokulowane wrażliwe Roślina po lewej posiada gen odporności i nie wykazuje objawów zakażenia. Song, J., Bradeen, J.M., Naess, S.K., Raasch, J.A., Wielgus, S.M., Haberlach, G.T., Liu, J., Kuang, H., Austin-Phillips, S., Buell, C.R., Helgeson, J.P., Jiang, J. (2003) Gene RB cloned from Solanum bulbocastanum confers broad spectrum resistance to potato late blight. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 100:9128–9133.9128–9133 Genetycy zidentyfikowali gen odporności na zarazę ziemniaczaną i wprowadzają go do odmian jadalnych

45 Rdza źdźbłowa pszenicy stanowi coraz większe zagrożenie Nowy, wyjątkowo patogenny szczep – Ug99 – pojawił się w Ugandzie w 1999 r. Większość odmian pszenicy nie jest na niego odporna. Porażona roślina pszenicy Photo credit: ARS USDAARS USDA

46 Ug99 zagraża uprawom pszenicy na całym świecie Jest to globalny problem wymagający globalnej uwagi. Zarodniki Ug99 nie zatrzymują się na granicach... – Organizacja Narodów Zjednoczonych do spraw Wyżywienia i Rolnictwa (FAO) Photo credit: ARS USDAARS USDA

47 Zarodniki grzyba roznoszone są przez wiatr Ug99 wystepuje w Ugandzie, Kenii, Etiopii, Sudanie, Jemenie i Iranie. Zagraża rejonom Bliskiego Wschodu, wschodniej Afryki oraz centralnej i południowej Azji. Na czerwono pokazano wiatry przenoszące zarodniki. Photo credit: www.wheatrust.cornell.eduwww.wheatrust.cornell.edu

48 Zarodniki grzyba roznoszone są przez wiatr Pszenica jest ważną rośliną uprawną w zagrożonych rejonach, zwłaszcza dla najuboższych mieszkańców. Prawdopodobne drogi rozprzestrzeniania Ug99 Photo credit: www.wheatrust.cornell.eduwww.wheatrust.cornell.edu

49 Międzynarodowe zespoły naukowców wspólnie monitorują rozprzestrzenianie Ug99 i pracują nad wytworzeniem odpornych odmian pszenicy. Nie wiadomo, czy odporne odmiany powstaną dostatecznie szybko by zapobiec klęsce głodu… Photo credits: Bluemoose; FAOBluemooseFAO

50 Naukowcy badają jak przechowywać rośliny, aby zachowały świeżość Po zbiorze owoce miękną, dojrzewają i ostatecznie gniją. Zmiany te niekorzystnie wpływają na wygląd owoców i ich wartość odżywczą. Photo credits: Cornell University ; ARCCornellARC

51 Nieprawidłowo przechowywane ziemniaki zielenieją wskutek produkcji solaniny, która w większych ilościach jest toksyczna. Photo credits: Dr. C.M. Christensen, Univ. of Minnesota.; WSU; Pavalista, A.D. 2001Dr. C.M. Christensen, Univ. of Minnesota.WSUPavalista, A.D. 2001 Pleśń Aspergillus na kolbach kukurydzy Straty w trakcie przechowywania zboża mogą sięgać 50%. Naukowcy badają jak przechowywać rośliny, aby zachowały świeżość

52 Niedobór witaminy A Głód Dieta najuboższych zawiera zawyczaj niedostateczną ilość składników odżywczych. Nasze ciało potrzebuje nie tylko kalorii, lecz również witamin i minerałów. Anemia (małe dzieci) Zwiększona zawartość składników odżywczych w roślinach pomaga zwalczać niedożywienie Image sources: Petaholmes based on WHO data; WHO PetaholmesWHO dataWHO

53 Wzbogacanie żywności w witaminy (takie jak kwas foliowy, wiatamina A) i mikroelementy (takie jak żelazo, cynk, jod) znacząco zmniejszyło niedożywienie w wielu rejonach świata. Photo credit: © UNICEF/NYHQ1998-0891/Giacomo Pirozzi© UNICEF/NYHQ1998-0891/Giacomo Pirozzi

54 Maniok, ważna roślina uprawna w Afryce, jest ubogi w składniki odżywcze Naukowcy odkryli niedawno odmianę, która zawiera dużo więcej witaminy A, niż ta powszechnie uprawiana Welsch, R., Arango, J., Bar, C., Salazar, B., Al-Babili, S., Beltran, J., Chavarriaga, P., Ceballos, H., Tohme, J., and Beyer, P. Provitamin A accumulation in cassava (Manihot esculenta) roots driven by a single nucleotide polymorphism in a phytoene synthase gene. Plant Cell: tpc.110.077560.: tpc.110.077560 Standardowa biała odmiana Nowa żółta odmiana

55 Żywność wzbogacona genetycznie Ryż wzbogacony w żelazo Pomidory dzikiego typu (góra) i wzbogacone w antyoksydanty (dół) Photo credits: Golden Rice Humanitarian Board © 2007; Credit: ETH Zurich / Christof Sautter; Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: Butelli, E., et al., Nature Biotechnology 26, 1301 - 1308 copyright (2008).Golden Rice Humanitarian Board © 2007;ETH Zurich / Christof Sautter1301 - 1308 Ryż wzbogacony w witaminę A

56 Rośliny zapewniają nam nie tylko pożywnienie Rośliny są źródłem: nowych leków włókien do produkcji papieru i tkanin bioodnawialnych produktów odnawialnej energii. Photo credit: tom donaldtom donald

57 Rośliny produkują setki substancji stosowanych jako leki lub używki Kora wierzby (Salix) jest źródłem aspiryny (kwasu acetylosalicylowego) Naparstnica (Digitalis purpurea) jest źródłem glikozydów nasercowych Cis krótkolistny (Taxus brevifolia) jest źródłem taksolu (lek przeciwnowotworowy) Kawa (Coffea arabica) i herbata (Camellia sinensis) są źródłem kofeiny (stymulant)

58 Malaria zabija miliony ludzi Rejony zagrożone malarią Hay, S.I., et al., Hay, S.I., et al., (2009) PLoS Med 6(3): e1000048. doi:10.1371/ journal.pmed.1000048

59 Pierwotniak Plasmodium wywołuje malarię Plasmodium wewnątrz komórki mysiej Image by Ute Frevert; false color by Margaret Shear.

60 Plasmodium jest przenoszony na ludzi przez zarażone komary Photo credit: CDCCDC

61 Plasmodium może jednak wykształcić odpornośc na chininę, więc konieczne jest znalezienie nowych leków antymalarycznych Image credits: Köhler; CDCKöhlerCDC Kora drzewa chinowego zawiera chininę, która zabija Plasmodium

62 Gin i chinina? (Crown copyright; Photograph courtesy of the Imperial War Museum, London - Q 32160) Brytyjscy żołnierze służący w rejonach tropikalnych dostawali chininę, aby zapobiegać malarii. Aby zamaskować gorzki smak, chininę rozpuszczano w słodzonej, gazowanej wodzie (tonik), często dodawano też gin – stąd „gin z tonikiem”.

63 Artemisia annua zawiera nową substancję antymalaryczną Photo credit: www.anamed.net artemizyna Bylica była używana przez chińskich zielarzy od tysięcy lat. W 1972 wyizolowano z niej aktywny składnik – artemizynę.

64 Naukowcy opracowują odmianę bylicy o zwiększonej zawartości artemizyny Photo credit: www.york.ac.uk/org/cnap/artemisiaproject/

65 Rośliny mogą stanowić źródło bezpiecznych i tanich jadalnych szczepionek i przeciwciał czy?

66 Ściany komórkowe roślin są ważnym źródłem trwałych materiałów Drewno składa się głównie ze ścian komórkowych Photo credit: tom donaldtom donald

67 Ściana komórkowa Photo credit: www.wpclipart.com/plants; Zhong, R., et al., (2008) Plant Cell 20:2763-2782.www.wpclipart.com/plantsZhong, R., et al., Pierwotna ściana komórkowa składa się głównie z cukrów i białek. Niektóre komórki wytwarzają sztywną ścianę wtórną, która zawiera nierozpuszczalny, usieciowany polimer – ligninę.

68 Drewno i włókna roślinne są wszędzie Rembrandt van Rijn (1631) Odzież wykonana z włókien roślinnych (bawełna, len) Włókna roślinne służą do produkcji papieru, a dawniej papirusu. Budynki i meble wykonane z drewna Płótno malarskie z włókien lnu lub konopi.

69 Rośliny dostarczają włókien do produkcji papieru i tkanin Hodowla bawełny ukierunkowana jest na zwiększenie odporności na szkodniki oraz produkcji włókien. Photo credits: Chen Lab; IFPCChen LabIFPC

70 Niedawno poznano sekwencję genomu topoli, ważnego surowca do produkcji papieru Uzyskane informacje pozwolą zwiększyć efektywność produkcji papieru. Photo credit: ChmlTech.comChmlTech.com

71 W wielu wypadkach rośliny mogą zastąpić ropę naftową creativecartoons.org creativecartoons.org. Niestety potrzeba milionów lat, aby martwe organizmy przekształciły się w ropę naftową... która się kończy. Ropa naftowa NIE JEST zasobem odnawialnym

72 W wielu wypadkach rośliny mogą zastąpić ropę naftową Jak dorosnę chcę zostać paliwem kopalnym! creativecartoons.org creativecartoons.org. Niestety potrzeba milionów lat, aby martwe organizmy przekształciły się w ropę naftową... która się kończy. Ropa naftowa NIE JEST zasobem odnawialnym

73 Rośliny są źródłem biopaliw Energia ze słońca Image source: Genome Management Information System, Oak Ridge National LaboratoryGenome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory Cukry, skrobia i celuloza są przetwarzane na etanol na drodze fermentacji

74 Rośliny są źródłem biodiesla Image sources: Tilo Hauke, University of Minnesota, Iowa State University Extension.Tilo Hauke Biodiesel produkowany z rzepaku, glonów i soi zastępuje konwencjonalne paliwa otrzymywane z ropy naftowej.

75 Uprawa roślin energetycznych nie powinna wpływać na produkcję i ceny żywności Miscanthus giganteus jest szybkorosnącą wieloletnią rośliną energetyczną, która może rosnąć na terenach niezdatnych do uprawy roślin jadalnych. Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006

76 Etanol otrzymywany z celulozy jest ważnym źródłem energii Ściany komórkowe z łodyg kukurydzy i innych odpadów rolniczych Etanol Image source: Genome Management Information System, Oak Ridge National LaboratoryGenome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory

77 Rośliny są źródłem bioodnawialnych i biodegradowalnych materiałów Energia ze słońca Plastiki z odnawialnych materiałów roślinnych Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006

78 biodegradacja Rośliny są źródłem bioodnawialnych i biodegradowalnych materiałów Naukowcy opracowują opłacalne metody wytwarzania plastiku z roślin. Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006 Energia ze słońca

79 Dlaczego badamy rośliny? Badanie roślin poszerza naszą wiedzę na temat otaczającego świata. Wiedza ta pozwala lepiej wykorzystywać rośliny, aby zaspokoić nasze potrzeby – dzięki nim mamy jedzenie, schronienie, ubranie, jesteśmy zdrowi i zadowoleni.

80 “Why Study Plants?” Created by the American Society for Plant Biology and published in the series “Teaching Tools in Plant Biology” on the website of The Plant Cell (http://www.plantcell.org) Translated by Aleksandra Eckstain, Faculty of Biochemistry, Biophysics and Biotechnology, Jagiellonian University in Kraków www.wbbib.uj.edu.pl