Pěstování pokusných rostlin

Přednáška 4.Výběr rostliny podle cíle (zaměření) pokusu

zimní semestr 2008/2009

Zaměření (cíl) pokusu podmiňuje výběr druhu rostliny

ověření obecně platných zákonů (např. genetika, biochemie, fotosyntéza) daný druh sám je předmětem studia (taxonomie, morfologie, anatomie, cytologie, karyologie atd.) – např. na Katedře botaniky PřF UP – Molinia, Taraxacum, Rubus, Allium, Lactucaspeciální typ studia – např. interakce hostitel – patogen (druh,nižší taxon – např. odrůda) – na řadě úrovní – interakce v přirozených “polních“ podmínkách, celá rostlina, segmenty rostliny, buňky a její struktury, biochemické změnydaný druh je např. součástí biotopu, který je předmětem studia

didaktické cíle (žáci, studenti, zájmové skupiny)

Modelové druhy pokusných rostlinModelové druhy pokusných rostlin

Modelové druhyumožňují pracovat se standardizovaným biologickým materiálemsnadná dostupnost semen (lze zakoupit)propracované postupy pěstování (výživa, fotoperiodismus, vernalizace ...) známá genetická konstituce

fotoperiodismus, vernalizace ?

Podmínky přechodu do reprodukční fáze:Podmínky přechodu do reprodukční fáze:

vývoj rostliny (individua):přechod z fáze vegetativní do reprodukční – podmínky pro

tento přechod jsou druhově a odrůdově specificképři práci s konkrétním druhem – vycházejme z informací o

ekologii v místě jeho přirozeného (původního) výskytu

faktory regulace individuálního vývoje: 1. jarovizace2. fotoperiodická indukce kvetení

1. jarovizace, syn. vernalizace =dlouhodobé působení nízkých teplot iniciující kvetení

vyskytuje se u mono i polykarpických bylin, jen naprosto vyjímečně u dřevin (oliva)fakultativní - nízké teploty nástup kvetení pouze urychlí – např. hrách setý, jarní obilovinyobligatorní – nízké teploty jsou pro kvetení nezbytné

konkrétní požadavky na nízké teploty: přirozeně na poli, lze navodit i v laboratoři – naklíčená nebo nabobtnalá semena jsou vystavena nízkým teplotám

např. indukce kvetení u Lactuca virosa (v přirozených podmínkách jejího výskytu je dvouletá; v našich podmínkách z jarních výsevů vytvoří přízemní růžici listů, v tomto stadiu přezimuje a v dalším roce vybíhá do květu):- klíční rostliny s vyvinutými děložními listy na Petriho miskách – po dobu min. dvou měsíců při teplotách 3-5 °C- po této terapii v následujícím roce skutečně některé genotypy vykvétaly, některé však setrvaly (i po další dva-tři roky) ve stadiu listové rozety

2. fotoperiodismusGarner a Allard (1920) – přizpůsobení rostliny rozdílné délce dne a

noci; vliv délky dne se projevuje v růstových, vývojových i metabolických reakcích, nejnápadnější je vliv na kvetení

rostliny:fotoperiodicky citlivé: - dlouhodenní (12-14 hodin) – špenát, kopr, salát, pšenice, ječmen- krátkodenní (nutné střídání světla a tmy, osvětlení nesmí být zpravidla delší než 12 hodin) – chryzantéma, konopí, rýže, sója- dlouhokrátkodenní – nejprve dlouhý, pak krátký den (Bryophyllum)- krátkodlouhodenní – nejprve krátký, pak dlouhý den (jetel plazivý)fotoperiodicky necitlivé (neutrální) – kvetení nezávisí na vnějších podmínkách – růže, rajče, okurky

Na volbě vhodného druhu pokusných rostlin často závisí konečný úspěch experimentátora a průkaznost získaných výsledků.

Příklad: Gregor Mendel a objev zákonůdědičnosti hrách (Pisum sativum) versus jestřábník (Hieracium)

Johann Gregor Mendel(22.7. 1822 v Hynčicích – 6. 1. 1884 v Brně)

rodinné zázemí, hospodářstvígymnázium v Opavě, filosofie v Olomouci, 1843 – Brno, Vídeň 1851-1853předběžné pokusy – uniformita, hybridů, štěpení v jejich potomstvechpoznání zákonitostí – nutnost matematického přístupu (Ettingshausen „Die combinatorische Analysis“, 1826)rostliny:nocenka Mirabilis jalapa – revidoval mylné představy o oplození jako splynutí vaječné buňky s jádry většího počtu pylových zrnknotovka Melandrium – až na práh poznání genetické determinace pohlavíprocesu přenosu znaků z rodičů na potomstvo lze porozumět, zjistí-li se počet různých forem, které se vyskytují v potomstvu hybridů a stanoví-li se numerické vztahy mezi nimi – promyšleně zvolil hrách setý:u 34 odrůd (1854-1855) – ověřování konstantnosti a čistoty, výběr 22 variet

k hybridizaci vybrány ty variety, které se lišily ve znacích, jež dovolovaly bezpečné a jasné odlišení:

1. tvar zralých semen: kulatý – svrasklý2. zbarvení děloh: žluté – zelené3. zbarvení testy: šedé až hnědé

(fialové zbarvení pavézy, purpurové zbarvení křídel a červenavý znak v listových úžlabích) – bílé (bílá barva květů)

4. tvar zralých lusků: jednoduše klenutý – zaškrcený5. zbarvení nezralého lusku: světle až tmavě zelené –

živě žluté6. postavení květů: úžlabní – vrcholové7. délka stonku: dlouhý (180 – 210 cm) – krátký (22,5 –

45 cm)znak dominantní – znak recesivní

Mendelovy zákony – v klasickém pojetí, bez ohledu na vazbu genůU každého diploidního potomka se alelární pár skládá z jedné alely otcovské a jedné alely mateřské. Přenos alel na

potomky podléhá základním pravidlům kombinatoriky. 1. Mendelův zákon - o uniformitě F1 generace. Při vzájemném křížení 2 homozygotů vznikají potomci genotypově i fenotypově jednotní. Pokud jde o 2 různé

homozygoty jsou potomci vždy heterozygotními hybridy.

2. Mendelův zákon –io štěpení vlastností v potomstvu hybridůZákon o náhodné segregaci genů do gamet. Při křížení 2 heterozygotů může být potomkovi předána každá ze dvou

alel (dominantní i recesivní) se stejnou pravděpodobností. Dochází tedy ke genotypovému a tím pádem i fenotypovému štěpení = segregaci. Pravděpodobnost pro po

tomka je tedy 25% (homozygotně dominantní jedinec) : 50% (heterozygot) : 25% (homozygotně recesivní jedinec). Tudíž genotypový štěpný poměr 1:2:1. Fenotypový štěpný poměr je 3:1, pokud je mezi alelami vztah kodominance, odpovídá fenotypový štěpný poměr štěpnému poměru genotypovému (tj. 1:2:1).

3. Mendelův zákon - o nezávislé kombinovatelnosti alel. Při zkoumání 2 alel současně dochází k téže pravidelné segregaci. Máme li 2 dihybridy AaBb může každý tvořit 4 různé gamety (AB, Ab, aB, ab). Při vzájemném křížení tedy z těchto 2

gamet vzniká 16 různých zygotických kombinací. Některé kombinace se ovšem opakují, takže nakonec vzniká pouze 9 různých genotypů (poměr 1:2:1:2:4:2:1:2:1).

Nabízí se nám pouze 4 možné fenotypové projevy (dominantní v obou znacích, v 1. dominantní a v 2. recesivní, v 1. recesivní a v 2. dominantní, v obou recesivní). Fenotypový štěpný poměr je 9:3:3:1. Tento zákon platí pouze v případě, že sledované geny se nachází na různých chromozomech, nebo je jejich genová vazba natolik slabá, že nebrání jejich volné kombinovatelnosti.

jestřábník – Hieracium pilosellakřížení různých druhů, u některých bylo potomstvo hybridů zdánlivě konstantníMendel správně vytušil odchylku od normálního procesu pohlavního rozmnožováníaž po třiceti letech - objevení apomixiedo dalších čtyřiceti letech – alely podmiňující apomixii jsou u jestřábníků dominantní

Vznik semen bez oplození Vznik semen bez oplození –– apomixisapomixispartenogeneze – embryo vzniká z diploidní vaječné buňky (např. kontryhel Alchemilla, jestřábník Hieracium, plesnivec alpský Leontopodium alpinum, pampeliška)apogamie – embryo vzniká z buňky zárodečného vaku - (např. Juglansregia – význam při poškození prašníkových jehněd mrazy)

poznámka: protěž - Gnaphalium

Mendel a Darwin

Darwinova koncepce přírodního výběru jako základu evoluceMendel – úloha dědičnosti a proměnlivosti:- příčinou proměnlivosti není změna přírodních

podmínek, nýbrž hybridní stav a složitá genetická struktura populací autogamních a zvláště alogamních organismů- přírodní výběr pak probíhá mezi rozmanitými hybridními formami

1. Klasické druhy 1. Klasické druhy (často používané, nižší úroveň standardizace)(často používané, nižší úroveň standardizace)

Pisum sativum hráchNicotiana tabacum tabákChenopodium sp. merlíkFaba vulgare bobPhaseolus vulgaris fazolPetunia hybrida petunieTriticum aestivum pšeniceHordeum vulgare ječmen (molecular basis for dehydratation

tolerance in plants, gene expressions)Allium cepa cibuleZea mays kukuřice

Pisum sativum - hrách setý (Fabaceae)zrna svraskalá – dřeňový, cukrový h. zrna kulatá – polní h.

samosprašnýrychlý růst (zvl. hrachy rané) dozrává do 100 dnů

odrůdy bezlisté (zmnožené úponky), nevhodné pro experimentální práci

• semenem přenosné choroby – virové, houbové (Fusarium)• Rhizobium – hlízkové bakterie

http://bibd.uni-giessen.de/gdoc/2000/uni/p000003/erbse.htm - Biologie

Mansfeld's Encyclopedia of Agricultural and Horticultural CropsEdited by P. Hanelt with contributions by numerous expertsSpringer Verlag 2001 Hardcover - 6 VolumesLXV + 3645 pp, 191 figs. ISBN 3540410171 £676.00: pp. 852 - 855Pisum sativum L. ssp. sativum – popsáno mnoho convar. a botanických variet, např:convar. speciosum (Dierb.) Alef. – polní hrách (peluška)- polní luskovinaconvar. axiphium Alef. – cukrový hrách, konzumace celých luskůconvar. sativum – konzumace suchých i „zelených“ nezralých semenconvar. medullare Alef. – zahradní hrách - konzumace „zelených“ nezralých semen

NicotianaNicotiana spsp. . -- tabák (tabák (SolanaceaeSolanaceae))

N. sylvestris x N. tomentosiformis(modelové odrůdy Samsun, Xanthi nc)Nicotiana rustica – tabák selský (2n=4x=48 )amfidiploid N. undulata x N. paniculataNicotiana glutinosa (exp. amfidiploid N. clevelandii x N. glutinosa)Nicotiana benthamiana

Objekty pro studium: fyziologie, interakce hostitel – patogen, transformace Google: Nicotiana model plants

Výhody: samosprašnost, snadné řízené opylování, vysoká produkce semenNevýhody: drobná semena, předpěstování sazenic, některé formy dosud krátkodenníNikotin – nornikotin – nikotyrin – anabasin (Nicotiana alkaloid)

ChenopodiumChenopodium spsp. . -- merlík (merlík (ChenopodiaceaeChenopodiaceae))

Chenopodium quinoa – merlík čilskýChenopodium amaranticolor – merlík nachový Chenopodium rubrum – merlík červený

Objekty pro studium: časté modely ve virologii a při výzkumu fotoperiodismu

Výhody: robustní rostliny, vysoká produkce semenNevýhody: závislost na délce dne (zvl. C.q. a C.a. )

INTERNET: Olomouc, Czech Republic: Laboratory of PlantMorphogenesisField of research, Workers Projects solved in the laboratory, List ofrecent publications

Field of researchThe traditional field of studies of this Laboratory has been for many years hormonal regulation of photoperiodic induction of flowering, using short-day plant Chenopodium rubrum and long-day plant Chenopodium murale as model plants. Also, an in vitro model of flowering of C. rubrum was elaborated. Long term experience has been recently utilised in the experiments leading to the the identification of the key genetic components of the flowering regulatory pathways. Several cDNA libraries were constructed from the seedlings induced to flowering by the short photoperiod. They are currently searched for the orthologues of CONSTANS, FT and other regulatory genes. The expression profiles of the flowering-connected genes in different photoperiodic conditions and after application of plant growth substancesare examined in detail by real-time RT PCR.The ultimate goal of our effort is the contribution to the understanding of fine interplay between plant growth substances and regulatory genes in the course of transition from vegetative to generative stage.In collaboration with the Potato Research Institute we are studying hormonal regulation of tuber formation and ofthe tuber vitality.In collaboration with colleagues from the Institute of Plant Physiology of the Polish Academy of Science in Krakowwe investigate the influence of phytohormones on electric properties of plant tissues and on membranepermeability.

POZNÁMKA: tento text jen ilustruje využití daného druhu jako modelové rostliny pro účely předmětu PRAP (není potřeba detailně danou problematiku studovat)

2. Nové systémy(současně využívané modelové rostliny)

Arabidopsis thaliana huseníček rolníTradescantia hybr. podeňkaCeratopteris C-Fernhttp://www.bio.utk.edu/cfernnově: http://www.c-fern.org/

Brassica campestrisWisconsin Fast Plantshttp://fastplants.cals.wisc.edu/main.html

ArabidopsisArabidopsis thalianathaliana –– huseníčekhuseníček rolní rolní ((BrassicacaeBrassicacae))

2n=2x=10Ideální rostlina pro molekulární genetikumalé rozměry (růžice 3-5 cm, výška do 30cm)malá semena (10000 semen do jediné Petriho misky)vegetační doba 35-50 dnů snadná produkce mutantů

Objekt pro: Výzkum fotosyntézy (mutace fotorespiračních enzymů), metabolismu nitrátů, aminokyselin, růstových hormonů, květní morfogeneze).

poznámka: reakci rostlin na jarovizaci provází vždy zvýšený prodlužovací růst a v mnoha případech lze požadavek na jarovizaci eliminovat aplikací giberelinů (giberelin ruší požadavek na jarovizaci Arabidopsis thaliana – Burn et al., 1993);

TradescantiaTradescantia spsp.. –– podeňkapodeňka ((CommelinaceaeCommelinaceae))asi 50 druhů, původ: Severní a Jižní Amerikaasi 50 druhů, původ: Severní a Jižní Amerika

T. fluminensis

T. zebrina

T. navicularis

T. sillamontana

T. virginiana

TradescantiaTradescantia stamenstamen hairhair test systemtest system

Brookhaven NL 4430 diploidní hybrid (2n=2x=12) T. subacaulis Bush x T. hirsutiflora Bush (Sparrow &Sparrow 1976) klon poskytl v r.1994 dr. Gichner(ÚEB Praha)heterozygotní pro barvu:modrofialová - dominantní, růžová - recesivní

Objekt pro hodnocení výsledkůmutačních pokusů

Brookhaven NL 4430

Mutat Res. 1992 Nov 1;270(1):3-22.Related Articles, Links

Tradescantia stamen-hair system as an excellent botanical tester of mutagenicity: itsresponses to ionizing radiations and chemical mutagens, and some synergistic effects found.

Ichikawa S.Department of Regulation Biology, Faculty of Science, Saitama University, Urawa, Japan.

The stamen-hair system of Tradescantia heterozygous for flower color(blue/pink, the pink color being recessive) is an excellent botanicaltester of mutagenicity.

It is especially useful for detection of the genetic effects of both ionizingradiations and chemical mutagens at the low levels of exposure to which the human population may actually be exposed.

This system exhibits a high accuracy in laboratory experiments, and isalso applicable for in situ monitoring in the environment.

The use of the Tradescantia stamen-hair system is inexpensive andrequires only a short training time.

Simplified scoring methods which endorse a high statistical accuracyhave newly been developed to score larger samples of pink somaticmutations.

In the present paper, the most widely used clones, methods for theircultivation, and use in a variety of experiments with radiations andchemical mutagens are also reviewed.

Mutat Res. 1994 Oct 16;310(2):211-20.Related Articles, Links

Tradescantia stamen hair mutation bioassay.

Ma TH, Cabrera GL, Cebulska-Wasilewska A, Chen R, Loarca F, Vandenberg AL, Salamone MF.

Department of Biological Sciences, Western Illinois University, Macomb 61455.

The Tradescantia stamen hair mutation (Trad-SH) assay (clone 4430) was evaluated for itsefficiency and reliability as a screen for mutagens in an IPCS collaborative study on plantsystems.

Four coded chemicals, i.e. azidoglycerol (AG, 3-azido-1,2-propanediol), N-methyl-N-nitrosourea(MNU), sodium azide (NaN3) and maleic hydrazide (MH) were distributed by the RadianCorporation to the five laboratories in five different countries for testing mutagenicity. Pink mutations were scored between the 7th and 14th day according to a standard protocol.

Test results from the five individual laboratories were analyzed and compared after decoding. One out of the two laboratories that conducted tests on AG demonstrated that AG is a mutagen with genetically effective doses ranging from 50 to 100 micrograms/ml. MH yielded positive responses in all laboratories but no linear dose-response pattern wasobserved.

The effective dose range for MH was between 1 and 45 micrograms/ml. The mutagenicity ofMNU was reported by five laboratories in the dose range between 10 and 80 micrograms/ml. NaN3, which exhibited a relatively high degree of toxicity, elicited a positive mutagenic response in three of the five laboratories in which it was tested. As withMNU the effective dose for NaN3 ranged between 3 and 80 micrograms/ml.

The results from the current study substantiate the Trad-SH assay as a reliable system for screening chemicals for their potential mutagenic effects.

Although the study was carried out exclusively under laboratory conditions, a survey of thecurrent literature would indicate that the Trad-SH assay could be an effective in situmonitor of gaseous, liquid, and radioactive pollutants as well.

POZNÁMKA: tento text jen ilustruje využití daného druhu jako modelové rostliny pro účely předmětu PRAP (není potřeba detailně danou problematiku studovat)

Ceratopteris C-Fern Pteridophytarohatec (obšírák)

kapradina ve většině tropických a subtropických oblastí světavodní i sub-akvatické druhy – rybníky, řeky, příkopy, rýžoviště apod. mnoho druhů lze úspěšně pěstovat jako hrnkovou kulturu ve sklenících (teplé, vlhké podmínky) Ceratopteris jsou konzumovány v JV Asiikomerčně využívány pro pěstování v akváriích 'water sprite' Ceratopteris mají krátký, přímý rhizom, jsou jednoleté Ceratopteris – vysoká reprodukční schopnost – vegetativní –pupeny v nodech – rychlý růst celých rostlin taxonomie (Robert M. Lloyd;1974, 1993):C. thalictroides (tetraploid n = 77,78 a 32-spor ve sporangiu),C. richardii (diploid n = 39 a 16-spor ve sporangiu), C. pteridoides (diploid n = 39 a 32-spor ve sporangiu) C. cornuta (diploid n = 39 a 32-spor ve sporangiu ) Kmeny pro experimentální studie: Hn-n diploid (n = 39) odvozen z kolekce C. richardii z Kuby kmeny 176D a phiN8 (Hickok, Warne and Fribourg, 1995)

New C-Fern Teaching Materials Contemporary Genetics Laboratory Manual2001Rodney J. Scott. p. 112 Morton Publishing Company (ISBN# 0-89582-571-6)

The Contemporary Genetics Laboratory Manual uses several model systems (Caenorhabditis elegans, Ceratopteris richardii [C-Fern],Drosophila melanogaster, Arabidopsis thaliana) and teachesgenetics concepts through the use of both “Classical” and“Molecular” approaches.

The organisms used in these activities are all fairly easy to obtain andgrow. Some of the activities can be completed in a single lab period, while others require two or more periods for completion.

The manual includes more activities than most classes will have time to complete during a normal college term, allowing instructors to selectthe labs that they find most useful.

Several of the activities can be extended beyond the genetics course to provide the bases for student-oriented research projects.

Wisconsin Fast PlantsFast Plants (scientific name: Brassica rapa) are rapid-cyclingbrassicasThey are members of the cruciferfamily of plants (Brassicaeae), closely related to cabbage, turnips, broccoli and other cruciferousvegetablesBred for over 30 years at theUniversity of Wisconsin – Madisonby Professor Paul H. WilliamsFast Plants today require little more attention than continuous fluorescentlight, water, and fertilizer. The seeds that you grow in yourclassroom can be immediatelyplanted or stored for up to 10 yearsin a refrigerator

Wisconsin fast plants - témata a manuály pro výukuActivities by Grade Level• Elementary• Middle School• High School• College

Activities by Subject• Life Cycle

• General• Seeds and Germination• Growth and Development• Reproduction

• Heredity and Genetics• Plant Physiology• Ecology• Environment• Brassica Butterfly

Manuals• Spiraling Through Life with Fast Plants - Middle and high school level* • Exploring with Wisconsin Fast Plants - Elementary -high school* • Bottle Biology - All grade levels* • Wisconsin Fast Plants Manual - Middle through college* • Using Fast Plants and Bottle Biology in the Classroom - Middle and high school* • STC (Science and Technology for Children) Curriculum Units - Elementary school (grades 2 and 5)

*The investigations and ideas from each of these manuals can be adapted to scale up or down to meet elementary - college classrooms. Thelevels indicted are only mentioned as a starting reference.