ΓΟΝΙΔΙΩΜΑΤΙΚΗ ΦΥΤΩΝ. ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΦΥΤΙΚΟΥ ΓΟΝΙΔΙΩΜΑΤΟΣ Η πληροφορία για όλα τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα όλων των οργανισμών βρίσκεται αποθηκευμένη στο DNA.

Παρουσίαση με θέμα: "ΓΟΝΙΔΙΩΜΑΤΙΚΗ ΦΥΤΩΝ. ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΦΥΤΙΚΟΥ ΓΟΝΙΔΙΩΜΑΤΟΣ Η πληροφορία για όλα τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα όλων των οργανισμών βρίσκεται αποθηκευμένη στο DNA."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ΓΟΝΙΔΙΩΜΑΤΙΚΗ ΦΥΤΩΝ

2 ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΦΥΤΙΚΟΥ ΓΟΝΙΔΙΩΜΑΤΟΣ Η πληροφορία για όλα τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα όλων των οργανισμών βρίσκεται αποθηκευμένη στο DNA τους: ΤΟ ΓΟΝΙΔΙΩΜΑ Όλη αυτή η πληροφορία, που κωδικοποιείται από χιλιάδες γονίδια, χρειάζεται κάποιου είδους ΟΡΓΑΝΩΣΗ Το πρώτο επίπεδο οργάνωσης είναι το ΧΡΩΜΟΣΩΜΑ ΠΟΛΛΑ ΓΟΝΙΔΙΑ – ΛΙΓΑ ΧΡΩΜΟΣΩΜΑΤΑ ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΓΟΝΙΔΙΩΝ πάνω στα χρωμοσώματα Ξεκινώντας με προσεγγίσεις κλασικής γενετικής … η ικανότητά μας να χαρακτηρίσουμε το χρωμόσωμα και τα γονίδια με όλο και μεγαλύτερη ανάλυση έχει αναπτυχθεί πάρα πολύ από τον καιρό του Mendel

3 ΤΟ ΜΕΓΕΘΟΣ ΤΟΥ ΦΥΤΙΚΟΥ ΓΟΝΙΔΙΩΜΑΤΟΣ Το γονιδίωμα του A. thaliana -125 Mb -είναι πράγματι από τα μικρότερα Το γονιδίωμα του ρυζιού έχει τετραπλάσιο μέγεθος από εκείνο του A. thaliana Το γονιδίωμα του καλαμποκιού (Zea mays) είναι 100 φορές μεγαλύτερο από εκείνο του A. thaliana Genlisea aurea, at 63 Mb / Paris japonica, at 148,000 Mb Υπάρχει διακύμανση στα μεγέθη των γονιδιωμάτων των φυτών, όχι μόνο στα διαφορετικά γένη αλλά και στα είδη ενός γένους

4 a five-chromosome, c. 120 Mbp haploid genome plant (Meinke et al., 1998). was the first plant genome to be sequenced (Initiative, 2000), even predating the completed human genome.

5 Genlisea hispidula with 63 Mbp[about 50X smaller the size of the human genome].

6 Genlisea hispidula with 1510 Mbp [about one-half the size of the human genome].

7 ΣΥΣΧΕΤΙΣΗ ΜΕΤΑΞΥ ΤΟΥ ΜΕΓΕΘΟΥΣ ΤΟΥ ΓΟΝΙΔΙΩΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΤΗΣ ΠΟΛΥΠΛΟΚΟΤΗΤΑΣ ΕΝΟΣ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΥ ΟργανισμόςΜέγεθος γενώματος Ιοί10 4 -10 5 bp Βακτήρια~10 6 bp Arabidopsis thaliana125Χ10 6 bp Άνθρωπος2.8 Χ 10 9 bp Άλγη10 8 -10 11 bp (Χ100 του γενώματος του Ανθρώπου) Καλαμπόκι5,5 Χ10 9 bp Κρεμμύδι16,5 Χ10 9 bp Είναι αξιοσημείωτο ότι το φυτό Vicia faba χρειάζεται 100 φορές περισσότερο DNA από το συγγενικό του είδος Lotus tenuis και 4 φορές περισσότερο από τον άνθρωπο Mέσος όρος για τα γονιδιώματα στα αγγειόσπερμα είναι > 6000 Mbp ανά απλότυπο (δηλαδή 2Χ το ανθρωπινο γονιδίωμα

8 . Norway spruce at 19,600 Mb -  done Wheat, is c. 15 Gbp per haploid genome pine has at least a 26 Gbp genome  done (almost)

9

10

11 Wheat is probably the most important crop in the world, yet it has one of the most challenging genomes. Bread wheat is a hexaploid, with three complete genomes termed A, B and D in the nucleus of each cell, each of which is 80% repetitive. Each of these genomes is almost twice of the human genome and consists of around 5,500 million letters A chromosome-based draft sequence of the hexaploid bread wheat (Triticum aestivum) genome 1.The International Wheat Genome Sequencing Consortium (IWGSC) Science 18 Jul 2014: DOI: 10.1126/science.1251788

12 Phytozome is the Plant Comparative Genomics portal of the Department of Energy's Joint Genome Institute. Families of related genes representing the modern descendants of ancestral genes are constructed at key phylogenetic nodes. These families allow easy access to clade-specific orthology/paralogy relationships as well as insights into clade- specific novelties and expansions. As of release v10.3.1, Phytozome provides access to sixty-one sequenced and annotated green plant genomes, forty-seven of which have been clustered into gene families at 12 evolutionarily significant nodes. http://phytozome.jgi.doe.gov/pz/portal.html

13

14 Διαγραμμα αλληλουχισης whole genome shot gun (WGS)

15 NGS εφαρμογές στη βελτίωση φυτών

16

17 Αυτό σημαίνει ότι περιέχει 100 φορές περισσότερα γονίδια; Μέχρι στιγμής αναφέρεται ένας παρόμοιος αριθμός γονιδίων με μέσο όρο 32.000 γονίδια ακόμη και σε πολύ μικρά γονιδιώματα π.χ. Utricularia gibba (77 Kb) έχει 28500 γονίδια (3% non-coding vs 98.5% in human genome)

18 ΤΙΜΗ C το χαρακτηριστικό μέγεθος του πυρηνικού του DNA εκφράζεται ως η ποσότητα εκείνη που περιέχεται στον πυρήνα ενός γαμέτη (1C) Ορισμός μεγέθους πυρηνικού DNA: Α) μάζα του DNA (σε pg) για κάθε 1C Β) αριθμός των ζευγών βάσεων (σε Mb) για κάθε 1C (1pg ~ 980Mb) Το γεγονός ότι η διακύμανση στην «ποσότητα» του DNA δεν σχετίζεται με τη διακύμανση στο βασικό αριθμό των γονιδίων που απαιτούνται για την αύξηση και την ανάπτυξη, έχει γίνει γνωστό ως «παράδοξο της τιμής C»

19 ΠΑΡΑΔΟΞΕΣ ΔΙΑΠΙΣΤΩΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΟΝ ΑΡΙΘΜΟ ΤΩΝ ΦΥΤΙΚΩΝ ΓΟΝΙΔΙΩΝ ΣΕ ΣΧΕΣΗ ΜΕ ΤΟ ΜΕΓΕΘΟΣ ΤΟΥ ΦΥΤΙΚΟΥ ΓΟΝΙΔΙΩΜΑΤΟΣ Στο γονιδίωμα του Arabidopsis thaliana εμπεριέχονται 7Χ10 7 bp  ο αριθμός των προβλεπόμενων γονιδίων είναι 17.500 γονίδια  o πραγματικός αριθμός είναι ~27000  Διαφορικό μάτισμα (αλληλοεπικάλυψη γονιδίων)  5000 ψευδογονίδια ή τρανσποζόνια  1300 μη κωδικοποιητικά RNA (ncRNA)

20 ΕΡΩΤΗΜΑΤΑ ΠΟΥ ΠΡΟΚΥΠΤΟΥΝ ΑΠΟ ΤΗΝ ΠΑΡΑΔΟΞΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΑΡΙΘΜΟΥ ΤΩΝ ΓΟΝΙΔΙΩΝ Ερώτημα 1 ο Γιατί υπάρχει μεγάλη αναντιστοιχία μεταξύ του μεγέθους του φυτικού γονιδιώματος και του αριθμού των «συμβατικών» γονιδίων; (Ένα σημαντικό μέρος του συνόλου του φυτικού γονιδιώματος δεν κωδικοποιεί για γονίδια) Ερώτημα 2 ο Γιατί το καλαμπόκι περιέχει το διπλάσιο αριθμό «συμβατικών» (λειτουργικών) γονιδίων σε σχέση με το Arabidopsis thaliana; (Τα φυτά διαφέρουν σημαντικά σε σχέση με τον αριθμό των γονιδίων που περιέχουν στα γονιδιώματα τους, κυρίως γιατί υπάρχει διαφορετικός βαθμός αφθονίας σε πολλά σημαντικά βιοσυνθετικά μονοπάτια-ΠΟΛΥΟΙΚΟΓΕΝΕΙΕΣ)

21 Από την ανάλυση των πλήρως προσδιορισμένων γονιδιωμάτων του Arabidopsis και του ρυζιού, έχει γίνει φανερό ότι το επιπλέον DNA στο ρύζι δεν αντιπροσωπεύει γονίδια. ΑΠΟΤΕΛΕΙΤΑΙ ΑΠΟ ΕΠΑΝΑΛΑΜΒΑΝΟΜΕΝΕΣ ΑΛΛΗΛΟΥΧΙΕΣ παρόμοιων αλλά όχι απαραίτητα πανομοιότυπων Το επαναλαμβανόμενο DNA αποτελείται από ομάδες ή οικογένειες παρόμοιων αλλά όχι απαραίτητα πανομοιότυπων επαναλαμβανόμενων αλληλουχιών ΤΑ ΑΙΤΙΑ ΤΗΣ ΕΜΦΑΝΙΣΗΣ ΤΟΥ ΠΑΡΑΔΟΞΟΥ ΤΗΣ ΤΙΜΗΣ C ΣΤΑ ΦΥΤΑ A. Πολυπλοειδία Β. Επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες DNA

22

23

24

25

26

27 Αυτο και Αλλοπολυπλοειδή φυτά ΑΥΤΟΠΟΛΥΠΛΟΕΙΔΙΑ πατάτα (Solanum tuberosum) 1248 καφές (Coffea arabica) 1122, 44, 66, 88 μπανάνα (Musa sapientum) 1122, 33 μηδική (Medicago sativa) 832 Αραχίδα (Arachis hypogaea) 1040 γλυκοπατάτα (Ipomoea batata) 1590 ΑΛΛΟΠΟΛΥΠΛΟΕΙΔΙΑ καπνός (Nicotiana tabacum) 1248 βαμβάκι (Gossypium hirsutum) 1352 σιτάρι (Triticum aestivum) 742 βρώμη (Avena sativa) 742 ζαχαροκάλαμο (Saccharum officinarum) 1080 δαμασκηνιά (Prunus domesticus) 816, 24, 32, 48 φράουλα (Fragaria grandiflora) 756 μηλιά (Malus sylvestris) 1734, 51 αχλαδιά (Pyrus communis) 1734, 51

28 Το «επιπλέον» DNA αποτελείται από επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες δύο ειδών: 1.Διεσπαρμένες επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες (Dispersed Repetitive Sequences) που εντοπίζονται σε όλο το γονιδίωμα. Μεταθετά - ρετρομεταθετά στοιχεία 2.Σειριακές συστοιχίες αλληλουχιών (Tandemly Repeated Sequences) που εντοπίζονται σε απόσταση μερικών βάσεων η μία από την άλλη, πολλές φορές διαχωρίζονται με μικρούς συνδέσμους. Το μη-κωδικό εν σειρά επαναλαμβανόμενο DNA αναφέρεται και ως Δορυφορικό DNA Το μη-κωδικό εν σειρά επαναλαμβανόμενο DNA αναφέρεται και ως Δορυφορικό DNA Κεντρομερή-τελομερή ΕΠΑΝΑΛΑΜΒΑΝΟΜΕΝΕΣ ΑΛΛΗΛΟΥΧΙΕΣ DNA

29 ΜΕΓΑΛΕΣ ΠΟΛΥ-ΓΟΝΙΔΙΑΚΕΣ ΟΙΚΟΓΕΝΕΙΕΣ Το επαναλαμβανόμενο DNA δεν αποτελείται μόνο από μη-κωδικές αλληλουχίες Κάποιες οικογένειες γονιδίων αποτελούνται από γονίδια που επαναλαμβάνονται πολλές φορές σε ομάδες γονιδίων (gene clusters) ή σε εν σειρά επαναλήψεις 1.Κωδικοποιούν για προϊόντα γονιδίων που απαιτούνται σε μεγάλες ποσότητες (π.χ. αποθηκευτικές πρωτεΐνες σπόρων, Rubisco) 2.Τα ριβοσωμικά γονίδια επαναλαμβάνονται χιλιάδες φορές στην περιοχή του οργανωτή πυρηνίσκου (Nucleolar Organizer Region, NOR) 3.Ιστόνες: Τα πέντε γονίδια των ιστονών οργανώνονται σε ομάδα (cluster) και ολόκληρη η ομάδα επαναλαμβάνεται 10-600 φορές

30 Η πολυπλοκότητα του γενώματος των ευκαρυωτικών οργανισμών είναι δυνατόν να διερευνηθεί μελετώντας την επαναδιάταξη της διπλής έλικας του DNA μετά από την αποδιάταξή της σε υψηλές θερμοκρασίες. Η επαναδιάταξη του DNA εξαρτάται από: 1.Τη συγκέντρωση του DNA 2.Το χρόνο της αντίδρασης C o t= η συγκέντρωση του DNA (moles νουκλεοτιδίων/λίτρο) x χρόνο (sec) Υψηλή τιμή C o t σημαίνει μεγάλη συγκέντρωση «μοναδικών» τμημάτων DNA Τα γονίδια βρίσκονται κυρίως στο κλάσμα χαμηλών αντιγράφων Η μεθοδολογία έχει εφαρμοστεί επιτυχώς στο καλαμπόκι και στο σόργο ΕΠΑΝΑΛΑΜΒΑΝΟΜΕΝΕΣ ΑΛΛΗΛΟΥΧΙΕΣ DNA

31 ΜΕΤΑΘΕΤΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ Είναι αλληλουχίες οι οποίες μπορούν να μετακινηθούν και να αλλάζουν θέση στο γονιδίωμα Συνήθως υπάρχουν σε αρκετά αντίγραφα (ως και αρκετές εκατοντάδες) που βρίσκονται κατανεμημένα σε όλο το γονιδίωμα Στη μετάθεσή τους συμμετέχει ένα εξειδικευμένο ένζυμο, η μεταθετάση ή τρανσποζάση, η οποία σε πολλές περιπτώσεις κωδικοποιείται από το ίδιο το μεταθετό στοιχείο Τα μεταθετά στοιχεία τα οποία μπορούν να κωδικοποιούν για τη μεταθετάση μπορούν να ξεκινούν μόνα τη διαδικασία μετάθεσής τους και ονομάζονται αυτόνομα Μεγάλο μέρος του επαναλαμβανόμενου DNA που συναντάται στο φυτικό γονιδίωμα αποτελείται από ενεργά ή μη-ενεργά μεταθετά στοιχεία

32 ΜΕΤΑΘΕΤΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ (Η ΔΟΜΗ ΤΟΥΣ) Τα μεταθετά στοιχεία φέρουν στα άκρα τους δύο πανομοιότυπες αλλά ανεστραμμένες επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες περίπου 10-15bp, οι οποίες μπορούν να αναγνωρίζονται από τη μεταθετάση 5' GGCCAGTCACAATGG........CCATTGTGACTGGCC 3' 3' CCGGTCAGTGTTACC.........GGTAACACTGACCGG 5'

33 ΜΕΤΑΘΕΤΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ «CUT AND PASTE»

34 Δύο βασικές οικογένειες ρετρο-μεταθετών στοιχείων: φέρουν μεγάλες επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες (Long Terminal Repeats) στα άκρα τους Στο 3’ άκρο τους φέρουν μια πολυαδενυλιωμένη αλληλουχία ΡΕΤΡΟΜΕΤΑΘΕΤΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ 1.Σχεδόν πάντα είναι ιικής προέλευσης 2.Η μετάθεσή τους γίνεται μέσω της παρεμβολής ενός RNA μορίου 3.Μία από τις πρωτεΐνες που κωδικοποιούν είναι η ανάστροφη μεταγραφάση

35 ΡΕΤΡΟΜΕΤΑΘΕΤΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ (ΒΑΣΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΜΕΤΑΘΕΣΗΣ)

36 Τα μεταθετά στοιχεία υπάρχουν σε όλους τους οργανισμούς, ωστόσο, ανακαλύφθηκαν αρχικά στο καλαμπόκι από τη Β. McClintock, η οποία τιμήθηκε με το Nobel το 1983 Οι πιο μελετημένες οικογένειες είναι η Ac-Ds (Activator-Dissociation) και η Spm (Suppressor-Mutator) Ac (Activator): Είναι αυτόνομο, καθώς κωδικοποιεί για όλα τα προϊόντα που χρειάζονται για τη μεταφορά του. Ds (Dissociation): Οικογένεια συγγενών στοιχείων που αναγνωρίζονται από την μεταθετάση του στοιχείου Ac Ρετρομεταθετό στοιχείο: Mu: μετακινείται τόσο συχνά ώστε ένα γονιδίωμα που το περιέχει παράγει 50-φορές περισσότερους μεταλλαγμένους απογόνους από ότι εάν δεν το είχε! Έχει χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία μεταλλάξεων στο καλαμπόκι ΜΕΤΑΘΕΤΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ (ΣΤO ΚΑΛΑΜΠΟΚΙ)

37 ΡΟΛΟΣ ΜΕΤΑΘΕΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ  Κάποια δεδομένα δείχνουν ότι τα μεταθετά στοιχεία επηρεάζονται από αναπτυξιακά και περιβαλλοντικά σήματα και ότι ίσως παίζουν κάποιο ρόλο στην έκφραση των γονιδίων  Ίσως ενισχύουν την ποικιλομορφία και την προσαρμοστικότητα των φυτών. Γονιδιώματα με ενεργά μεταθετά στοιχεία μπορεί να ανταποκρίνονται καλύτερα στην εξελικτική πίεση οπότε να έχουν πλεονέκτημα προσαρμογής

38 ΣΥΝΤΑΙΝΙΚΟΤΗΤΑ Προγράμματα χαρτογράφησης γονιδιωμάτων αποκάλυψαν την ύπαρξη μεγάλων τμημάτων χρωμοσωμάτων που είναι συντηρημένα ανάμεσα σε συγγενικά είδη. π.χ. το καλαμπόκι και το σόργο περιλαμβάνουν πολλά όμοια γονίδια και ομάδες σύνδεσης τοποθετημένες στον ίδιο γονιδιακό τόπο Αυτή η συνευθυγράμμιση των γονιδιακών τόπων ονομάζεται ΣΥΝΤΑΙΝΙΚΟΤΗΤΑ και περιγράφει τη σχετική φυσική διάταξη γονιδιακών τόπων στο ίδιο χρωμόσωμα σε ένα άτομο ή είδος  Η συνταινικότητα αποτελεί ένα μέτρο των χρωμοσωμικών αναδιατάξεων ανάμεσα σε δύο είδη από τη στιγμή της εξελικτικής τους απόκλισης από τον κοινό τους πρόγονο  Μεγάλα τμήματα χρωμοσωμάτων έχουν την ίδια διάταξη γονιδίων αλλά οι αποστάσεις μεταξύ των γονιδίων δεν είναι αναλογικές

39

40 Με την ανάπτυξη/δημιουργία φυτών που  είναι ανθεκτικά στην ξηρασία ή σε άλλες καταπονήσεις  απαιτούν λιγότερες εισροές και νερό  είναι ανθεκτικά σε παθογόνα / εχθρούς  είναι πιο θρεπτικά Πώς αναμένεται να επιτευχθεί αύξηση της φυτικής παραγωγής / βιομάζας;

41 Πρώτες καλλιέργειες Τεχνητή Επιλογή από το ~9.000 π.Χ.

42 Τεχνητή επιλογή στην οικογένεια Brassicaceae

43 …στην ντομάτα …στην πιπεριά

44 Οι έρευνες του Mendel αποτελούν την επαρχή της επιστήμης της γενετικής και της βελτίωσης των φυτών Norman Borlaug 1914-2009, Nobel Laureate 1970 ΠΡΑΣΙΝΗ ΕΠΑΝΑΣΤΑΣΗ (1940-1960) ΠΡΑΣΙΝΗ ΕΠΑΝΑΣΤΑΣΗ (1940-1960)

45 Yπάρχουν πολλές τεχνικές κλασικής βελτίωσης πχ: Mass selection

46 Περιορισμοί της τεχνητής επιλογής Περιορίζεται στα γενετικά χαρακτηριστικά που υπάρχουν ήδη στα καλλιεργούμενα είδη Μείωση της ευρωστίας των ομόζυγων και inbreeding

47 Bελτίωση φυτών Κλασική Βελτίωση – Επιλογή επιθυμητών χαρακτηριστικών (πληθυσμιακή γενετική) – Εισαγωγή νέων γονιδιακών χαρακτήρων Τεχνολογίες υβριδισμού – Διασταυρούμενη επικονίαση – Ιστοκαλλιέργεια (σύντηξη πρωτοπλαστών) Στρατηγικές τροποποίησης γονιδιωμάτων Τεχνολογίες μεταφοράς DNA Μοριακή Βελτίωση

48 Εισαγωγή νέων χαρακτήρων: Υβριδισμός Κατευθυνόμενες διασταυρώσεις (σταυροεπικονίαση) – Καλλιεργούμενη ποικιλία με ένα γονέα – Συγγενικές ποικιλίες ή είδη με επιθυμητά χαρακτηριστικά

49

50 Διασταυρώσεις με τον ένα γονέα για τη μεταφορά του επιθυμητού χαρακτήρα

51 Περιορίζεται σε φυτά που μπορούν αν υβριδιστούν στη φύση – Διασταυρώσεις σε στενά συγγενικά είδη – Διασταυρώσεις σε απομακρυσμένα γενετικώς είδη Μικρή παραγωγή σπερμάτων Τα υβρίδια είναι συχνά στείρα Μεταφορά και μη επιθυμητών χαρακτήρων (λόγω σύνδεσης) Περιορισμοί του υβριδισμού

52 Εισαγωγή νέων χαρακτήρων: Υπέρβαση των αναπαραγωγικών φραγμών Καλλιέργειες φυτικών κυττάρων – Διάσωση εμβρύου – Σύντηξη πρωτοπλαστών – Μικροπολλαπλασιασμός Σωματικά έμβρυα, Sitka spruce

53 Σύντηξη πρωτοπλαστών

54

55

56 «Wide crosses» ανάμεσα σε είδη εντελώς απομακρυσμένα γενετικά: μέσω σύντηξης πρωτοπλαστών και αναγέννηση ιστών Brassica juncea (Pb t ) x Thlaspi caerulescens (Zn t & Ni t )

57 Επιλογή επιθυμητών γενετικών χαρακτήρων

58 Mοριακή Γενετική – Μοριακοί Δείκτες (marker-assisted selection) χρησιμοποιεί τους μοριακούς δείκτες: συνηθέστερα είναι ένα τμήμα DΝΑ ή και μια χημική «ετικέτα» (tag) που συσχετίζεται με ένα επιθυμητό χαρακτήρα επιλογή χαρακτηριστικών-στόχων με μικρή κληρονομησιμότητα ή υπολλειπόμενα γονίδια σύγχρονη μεταφορά πολλών γονιδίων που είναι υπεύθυνα για το ίδιο ή παρόμοια χαρακτηριστικά σε μία («πυραμίδα γονιδίων»- gene pyramiding).

59 Αρχικές ποικιλίες- πατρικά φυτά woo-gen (δεξιά) dee-geo-woo-gen, το οποίο είχε την sd1 μετάλλαξη Ανάπτυξη ποικιλιών ρυζιού κατά την Πράσινη επανάσταση

60 Σύγχρονα συστήματα μοριακής βελτίωσης Carbera-Bosquet et al, 2012 αναλύονται τα φαινοτυπικά χαρακτηριστικά και οι μοριακοί δείκτες σε ολόκληρο το γονιδίωμα μεμονωμένων φυτικών σειρών και κατόπιν γίνεται πρόβλεψη για τους απογόνους ενός πληθυσμού βελτίωσης Γονιδιωματική Eπιλογή (Genomic / Genome-wide Selection GWS)

61 Julia Bailey-Serres et al, 2010, Rice Submergence Tolerant Rice: SUB1’s Journey from Landrace to Modern Cultivar Δημιουργία ποικιλιών ρυζιού ανθεκτικών σε κατάκλιση

62

63 Α) Δημιουργία ενός ετεροζυγώτη όπου η ικανότητα μειωτικών ανασυνδυασμών έιναι κατασταλμένη (β) Γενοτυπος δι- απλοειδών με παρουσία μη ανασυνδυασμένων χρωμοσωμάτων (Γ) Γενότυπος 21 διαφορετικών γενοτύπων με πλήρη απουσία ανασυνδυασμών Winjker et al, 2012,Nature Genetics Aνάστροφη βελτίωση

64 High-throughput Phenotyping (Phenomics) www.lemnatec.com www.phenofab.com αυτοματοποιημένες τεχνολογίες καταγραφής των φαινοτύπων σε μεγάλη κλίμακα

65 Butelli et al, 2012 The Plant Cell, Retrotransposons Control Fruit-Specific, Cold- Dependent Accumulation of Anthocyanins in Blood Oranges Διερεύνηση της γενετικής βάσης των φαινοτύπων σε φυσικούς πληθυσμούς

66 Εισαγωγή νέων χαρακτήρων: Υπέρβαση των αναπαραγωγικών φραγμών Τεχνολογία Ανασυνδυασμένου DNA και γενετική μηχανική

67 Conventional Breeding Wild RelativeCrop Plant Genetic Engineering Wild Relative Crop Plant

68  Υποκυτταρικά οργανίδια υπάρχουν κατά κανόνα σε όλους τους ευκαρυωτικούς οργανισμούς (π.χ. μιτοχόνδρια). Ωστόσο, πλαστίδια υπάρχουν μόνο στα φυτά και τα άλγη  Τα μιτοχόνδρια και τα πλαστίδια κατέχουν δικό τους γενετικό σύστημα και μηχανισμό πρωτεϊνοσύνθεσης  Το γένωμά τους περιέχει μικρό αριθμό γονιδίων που κωδικοποιούν για πρωτεΐνες που λειτουργούν στα οργανίδια αυτά αλλά και στοιχεία για τη διατήρηση του γενετικού τους συστήματος  Η έκφραση του γονιδιώματος των οργανιδίων είναι συνήθως υπό τον αυστηρό έλεγχο του πυρηνικού γονιδιώματος  Η αντιγραφή του DNA στα οργανίδια συνήθως είναι ανεξάρτητη της αντιγραφής στον πυρήνα ΥΠΟΚΥΤΤΑΡΙΚΑ ΟΡΓΑΝΙΔΙΑ Αλληλουχίες μιτοχονδριακού και χλωροπλαστικού DNA έχουν βρεθεί στο γονιδίωμα του πυρήνα! ΜΕΤΑΦΟΡΑ DNA ΜΕΤΑΞΥ ΟΡΓΑΝΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΠΥΡΗΝΑ

69 Οι χλωροπλάστες και τα μιτοχόνδρια υπήρξαν κάποτε ανεξάρτητοι οργανισμοί, ωστόσο, πριν από περίπου 1,5Χ10 9 χρόνια ανέπτυξαν συμβιωτική σχέση με ευκαρυωτικούς οργανισμούς. Τα μιτοχόνδρια με αυτό τον τρόπο ίσως να προέρχονται από αερόβια βακτήρια ενώ οι χλωροπλάστες από φωτοσυνθετικά Η ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΤΩΝ ΠΛΑΣΤΙΔΙΩΝ ΤΩΝ ΦΥΤΩΝ (ΘΕΩΡΙΑ ΤΗΣ ΕΝΔΟΣΥΜΒΙΩΣΗΣ)

70

71

72

73 Στοιχεία που συνηγορούν στη θεωρία της ενδοσυμβίωσης Τα μιτοχόνδρια και οι χλωροπλάστες είναι παρόμοια σε δομή και μέγεθος με τα βακτήρια Και τα δύο οργανίδια φέρουν διπλή μεμβράνη (φάκελο) (πιθανά η εξωτερική να είναι ευκαρυωτικής προέλευσης, ενώ η εσωτερική προκαρυωτικής) Η οργάνωση του γονιδιώματός τους είναι παρόμοια με εκείνη των βακτηρίων Οι χλωροπλάστες εκτελούν τη φωτοσύνθεση με τον ίδιο τρόπο που παρατηρείται και στα κυανοβακτήρια Ο «εξοπλισμός» των οργανιδίων για την μεταγραφή και τη μετάφραση είναι προκαρυωτικής φύσης Κάποιες αλληλουχίες DNA των οργανιδίων αυτών δείχνουν παρόμοιες με τα οπερόνια των προκαρυωτών

74 ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΓΟΝΙΔΙΩΜΑΤΟΣ ΤΩΝ ΠΛΑΣΤΙΔΙΩΝ LSC SSC IR 1. Δύο περιοχές, όπου τα γονίδια εμφανίζονται μία φορά στο γονιδίωμα LSC (large single copy) SSC (small single copy) 2. Δύο αντίγραφα από αντεστραμμένες επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες (IR) Γονιδίωμα πλαστιδίων: ένα κυκλικό χρωμόσωμα δίκλωνου DNA Όλα τα πλαστίδια σε ένα φυτό έχουν πανομοιότυπο γενετικό υλικό Η ποικιλομορφία που παρουσιάζεται στα γονιδιώματα των πλαστιδίων οφείλεται σε αλλαγές στο μήκος των IR περιοχών

75 ΤΟ ΓΟΝΙΔΙΩΜΑ ΤΩΝ ΠΛΑΣΤΙΔΙΩΝ  120-160 Κb  Περιέχει όλα τα γονίδια που κωδικοποιούν για τα rRNAs και τα tRNAs  100 περίπου μοναδικά γονίδια, όπου τα περισσότερα κωδικοποιούν για πρωτεϊνες που χρειάζονται στη φωτοσυνθετική λειτουργία  Λίγα μόνο ORFs έχουν άγνωστη λειτουργία  Τα μη-φωτοσυνθετικά πλαστίδια έχουν μικρό γονιδίωμα και έχουν χάσει τα γονίδια που απαιτούνται στη φωτοσύνθεση  Τα περισσότερα γονίδια που απαιτούνται για τη φωτοσύνθεση βρίσκονται στο γονιδίωμα του πυρήνα

76  Σε αντίθεση με άλλα βασίλεια, όπου το μέγεθος του μιτοχονδριακού γονιδιώματος έχει μικρές διακυμάνσεις (15-50 Kb σε ζώα και μύκητες), στα φυτά αυτό διαφέρει αρκετά ακόμη σε μέλη της ίδιας οικογένειας (180 Kb- 3000 Kb) Αυτή η διακύμανση οφείλεται σε μια ασυνήθιστη συσσώρευση μη-κωδικών αλληλουχιών στις περιοχές μεταξύ των γονιδίων ΤΟ ΓΟΝΙΔΙΩΜΑ ΤΟΥ ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΟΥ ΤΩΝ ΦΥΤΩΝ Συχνά, στα μιτοχόνδρια ενός φυτού, εμπεριέχονται μιτοχονδριακά DNA διαφορετικών μεγεθών. Στο καλαμπόκι υπάρχει ένα μεγάλου μεγέθους κυκλικό DNA 570Kb και αρκετά μικρότερα μόρια. Τα μικρά μόρια προέρχονται από το μεγάλο μέσω ομόλογου ανασυνδυασμού. Τα προϊόντα που κωδικοποιούνται από γονίδια του μιτοχονδρίου συμμετέχουν κυρίως σε οξειδωτική αναπνοή, σύνθεση ATP και μετάφραση στο μιτοχόνδριο

77

78 -Δεν υπαρχει Μεντελική γενετική: μονογονική κληρονομικότητα - βλαστητικός διαχωρισμός (διαλογή- vegetative segregation)  ποικιλοχρωμία