Genetika plodin: Vývoj odolnosti vůči chorobám pro globální potravinovou bezpečnost

Choroby rostlin představují významnou hrozbu pro globální potravinovou bezpečnost. Patogeny, jako jsou houby, bakterie, viry a hlístice, mohou zdevastovat úrodu, což vede k podstatným ztrátám na výnosech a ekonomickým potížím pro zemědělce po celém světě. Vývoj odrůd plodin odolných vůči chorobám je proto klíčovou strategií pro zajištění stabilních a udržitelných dodávek potravin. Genetika plodin hraje v tomto úsilí ústřední roli, neboť poskytuje nástroje a znalosti pro pochopení a manipulaci s interakcemi mezi rostlinami a patogeny.

Význam odolnosti plodin vůči chorobám

Dopad chorob rostlin na globální zemědělství je hluboký. Zvažte následující:

• Ztráty na výnosech: Choroby rostlin mohou snížit výnosy plodin až o 40 % v některých regionech, zejména v rozvojových zemích.
• Ekonomický dopad: Ztráty na úrodě se každoročně promítají do ekonomických ztrát v řádu miliard dolarů, což ovlivňuje zemědělce, spotřebitele i globální ekonomiku.
• Potravinová bezpečnost: Vypuknutí chorob může vést k nedostatku potravin, podvýživě a dokonce hladomoru, zejména u zranitelných populací. Velký irský hladomor v polovině 19. století, způsobený oomycetou *Phytophthora infestans*, zůstává drsnou připomínkou zničujících následků chorob rostlin.
• Dopad na životní prostředí: Používání chemických pesticidů k potírání chorob rostlin může mít škodlivé účinky na životní prostředí, včetně kontaminace půdy a vody, poškození užitečného hmyzu a vývoje patogenů odolných vůči pesticidům.

Vývoj odrůd plodin odolných vůči chorobám nabízí udržitelnou a ekologicky šetrnou alternativu k spoléhání se pouze na chemickou kontrolu. Začleněním genetické odolnosti do plodin můžeme snížit potřebu pesticidů, minimalizovat ztráty na výnosech a posílit potravinovou bezpečnost.

Genetický základ odolnosti rostlin vůči chorobám

Rostliny mají sofistikovaný imunitní systém, který jim umožňuje rozpoznávat a bránit se proti patogenům. Tato imunita je geneticky determinovaná a zahrnuje komplexní souhru genů a signálních drah. Existují dva hlavní typy rezistence:

1. Kvalitativní rezistence (rezistence založená na R-genech)

Kvalitativní rezistence, známá také jako rezistence založená na R-genech, je zprostředkována jednotlivými dominantními geny (R-geny), které rozpoznávají specifické efektory patogenů (faktory avirulence). Tato interakce spouští rychlou a robustní obrannou reakci, která často zahrnuje programovanou buněčnou smrt v místě infekce (hypersenzitivní reakce, HR). Rezistence založená na R-genech je obvykle vysoce účinná, ale může být překonána patogeny, které si vyvinou nové varianty efektorů. Například mnoho odrůd pšenice bylo vyvinuto s R-geny poskytujícími odolnost vůči specifickým rasám rzi travní *Puccinia graminis f. sp. tritici*. Vznik nových, virulentních ras, jako je Ug99, však zdůraznil omezení spoléhání se pouze na jednotlivé R-geny.

2. Kvantitativní rezistence (částečná rezistence)

Kvantitativní rezistence, známá také jako částečná nebo polní rezistence, je řízena více geny (QTL – lokusy kvantitativních znaků), které aditivně přispívají k nižší úrovni rezistence. Na rozdíl od rezistence založené na R-genech je kvantitativní rezistence obvykle účinná proti širšímu spektru patogenů a je trvalejší, což znamená, že je méně pravděpodobné, že bude překonána evolucí patogenů. Kvantitativní rezistenci je však často obtížnější identifikovat a začlenit do plodin kvůli její složité genetické architektuře. Příkladem je trvalá odolnost rýže vůči chorobě zvané sněť rýžová (blast disease), která je řízena více QTL a poskytuje širokospektrální a dlouhodobou ochranu.

Strategie pro vývoj plodin odolných vůči chorobám

K vývoji odrůd plodin odolných vůči chorobám se používá několik strategií, z nichž každá má své výhody a omezení:

1. Konvenční šlechtění rostlin

Konvenční šlechtění rostlin zahrnuje výběr a křížení rostlin s žádoucími vlastnostmi, včetně odolnosti vůči chorobám. Tento proces může být časově a pracovně náročný, ale byl velmi úspěšný při vývoji mnoha odrůd plodin odolných vůči chorobám. Proces obvykle zahrnuje:

• Identifikace zdrojů rezistence: Prohledávání stávajícího genofondu (sbírek rostlinných genetických zdrojů) za účelem identifikace rostlin s odolností vůči specifickým chorobám. Planí příbuzní plodin jsou často cenným zdrojem genů rezistence.
• Křížení odolných rostlin s elitními odrůdami: Křížení odolných rostlin s vysoce výnosnými nebo jinak žádoucími odrůdami za účelem kombinace odolnosti s dalšími důležitými vlastnostmi.
• Selekce na rezistenci: Hodnocení potomstva na odolnost vůči cílové chorobě a výběr nejodolnějších rostlin pro další šlechtění.
• Zpětné křížení: Opakované křížení odolného potomstva s elitní odrůdou za účelem obnovení žádoucích vlastností elitní odrůdy při zachování rezistence.

Příkladem je vývoj odrůd brambor odolných proti plísni bramborové prostřednictvím tradičního šlechtění, s využitím genů z planých druhů brambor, které vykazují přirozenou odolnost vůči *Phytophthora infestans*.

2. Selekce s využitím markerů (MAS)

Selekce s využitím markerů (MAS) používá DNA markery, které jsou spojeny s geny řídícími odolnost vůči chorobám, k výběru odolných rostlin během šlechtění. To může urychlit proces šlechtění a zlepšit efektivitu selekce, zejména u vlastností, které je obtížné nebo nákladné přímo hodnotit. Postup zahrnuje:

• Identifikace DNA markerů spojených s geny rezistence: Identifikace DNA markerů (např. SNP, SSR), které jsou úzce spojeny s cílovým genem rezistence nebo QTL.
• Genotypování rostlin: Analýza DNA jednotlivých rostlin za účelem zjištění, které alely (varianty) markeru vlastní.
• Výběr rostlin s příznivými alelami markeru: Výběr rostlin, které nesou alely markeru spojené s rezistencí, pro další šlechtění.

MAS byla úspěšně použita při šlechtění rýže k přenosu genů rezistence vůči bakteriální spále a sněti rýžové, což výrazně zrychlilo vývoj odolných odrůd. Například gen Xa21 pro rezistenci rýže vůči bakteriální spále lze efektivně selektovat pomocí spojených DNA markerů.

3. Genetické inženýrství (transgenní přístupy)

Genetické inženýrství zahrnuje přímý přenos genů z jednoho organismu do druhého, včetně genů, které poskytují odolnost vůči chorobám. Tento přístup lze použít k zavedení genů rezistence z nepříbuzných druhů nebo k modifikaci stávajících rostlinných genů za účelem posílení rezistence. Kroky jsou:

• Identifikace a izolace genů rezistence: Identifikace a izolace genů, které poskytují rezistenci, z jiných rostlin, bakterií nebo dokonce zvířat.
• Vnesení genu do plodiny: Vnesení genu do plodiny pomocí vektoru (např. *Agrobacterium*) nebo genové pistole.
• Selekce a ověření transgenních rostlin: Výběr rostlin, které úspěšně integrovaly gen do svého genomu, a ověření, že gen je funkční a poskytuje rezistenci.

Bt bavlna, která exprimuje gen z bakterie *Bacillus thuringiensis*, jenž poskytuje odolnost vůči určitým hmyzím škůdcům, je významným příkladem geneticky modifikované plodiny. Podobně geneticky modifikovaná papája odolná vůči viru kroužkovitosti papáji (PRSV) zachránila havajský papájový průmysl.

4. Editace genů (CRISPR-Cas9)

Technologie editace genů, jako je CRISPR-Cas9, umožňují přesné a cílené modifikace rostlinných genů. To lze použít k vyřazení genů, které činí rostliny náchylnými k chorobám, k zavedení genů rezistence nebo k posílení stávajících mechanismů rezistence. Metoda zahrnuje:

• Návrh vodicích RNA: Návrh vodicích RNA (guide RNA), které navádějí enzym Cas9 na specifická místa v genomu rostliny.
• Vnesení systému CRISPR-Cas9 do rostliny: Vnesení systému CRISPR-Cas9 do rostliny pomocí vektoru nebo jiné metody doručení.
• Selekce a ověření editovaných rostlin: Výběr rostlin, které prošly požadovanou událostí editace genu, a ověření, že editace poskytuje rezistenci.

CRISPR-Cas9 byl použit k vývoji odrůd rýže odolných vůči bakteriální spále editací genu *OsSWEET14*, který patogen využívá k přístupu k živinám. Podobně byl použit k posílení odolnosti pšenice vůči padlí.

Výzvy při vývoji trvalé odolnosti vůči chorobám

I když byl dosažen významný pokrok ve vývoji plodin odolných vůči chorobám, několik výzev přetrvává:

• Evoluce patogenů: Patogeny se mohou rychle vyvíjet, aby překonaly geny rezistence, zejména jednotlivé, hlavní geny. Jedná se o neustálý závod ve zbrojení mezi šlechtiteli a patogeny.
• Složitost rezistence: Kvantitativní rezistence je často řízena více geny, což ztěžuje její identifikaci a začlenění do plodin.
• Kompromisy s jinými vlastnostmi: Začlenění odolnosti vůči chorobám může být někdy na úkor jiných žádoucích vlastností, jako je výnos nebo kvalita.
• Regulační překážky a vnímání veřejností: Geneticky modifikované plodiny čelí v některých regionech regulačním překážkám a obavám veřejnosti, což omezuje jejich přijetí.
• Změna klimatu: Změna klimatu mění distribuci a virulenci rostlinných patogenů, což představuje nové výzvy pro management chorob.

Strategie pro překonání výzev a dosažení trvalé odolnosti

K překonání těchto výzev a k vývoji trvalé odolnosti vůči chorobám používají výzkumníci a šlechtitelé různé strategie:

1. Pyramidování genů

Pyramidování genů zahrnuje kombinaci více genů rezistence do jedné odrůdy. To ztěžuje patogenům překonání rezistence, protože by musely současně překonat více genů. Pyramidování genů lze dosáhnout konvenčním šlechtěním, selekcí s využitím markerů nebo genetickým inženýrstvím.

2. Diverzifikace genů rezistence

Nasazení rozmanité škály genů rezistence napříč různými odrůdami a regiony může snížit selekční tlak na patogeny a zpomalit evoluci virulence. Toho lze dosáhnout střídáním plodin, směsmi odrůd a regionálními strategiemi nasazení.

3. Porozumění biologii patogenů

Hlubší porozumění biologii patogenů, včetně jejich mechanismů infekce, faktorů virulence a evolučních strategií, je klíčové pro vývoj účinných a trvalých strategií rezistence. Tyto znalosti lze využít k identifikaci nových genů rezistence a k navrhování nových strategií kontroly.

4. Integrace rezistence s dalšími kontrolními opatřeními

Integrace genetické rezistence s dalšími kontrolními opatřeními, jako jsou kulturní postupy, biologická kontrola a uvážlivé používání pesticidů, může poskytnout robustnější a udržitelnější přístup k managementu chorob. Tento přístup integrované ochrany rostlin (IPM) může snížit závislost na jediném kontrolním opatření a minimalizovat riziko vzniku rezistence.

5. Využívání nových technologií

Nové technologie, jako je sekvenování genomu, transkriptomika, proteomika a metabolomika, poskytují nové poznatky o interakcích mezi rostlinami a patogeny a zrychlují objevování genů rezistence. Tyto technologie lze také použít k monitorování populací patogenů a k předpovídání vzniku nových virulentních kmenů.

Globální příklady úspěšného vývoje odolnosti vůči chorobám

Několik úspěšných příkladů demonstruje sílu genetiky plodin při vývoji plodin odolných vůči chorobám:

• Odolnost rýže vůči sněti rýžové v Asii: Rozsáhlé výzkumné a šlechtitelské úsilí vedlo k vývoji odrůd rýže s trvalou odolností vůči sněti rýžové, hlavní hrozbě pro produkci rýže v Asii.
• Odolnost pšenice vůči rzím v Austrálii: Australští šlechtitelé pšenice byli velmi úspěšní ve vývoji odrůd pšenice s odolností vůči rzi travní, rzi pšeničné a rzi plevové, čímž zajistili stabilní produkci pšenice v regionu.
• Odolnost manioku vůči mozaice manioku v Africe: Šlechtitelské programy vyvinuly odrůdy manioku s odolností vůči mozaice manioku (CMD), virové chorobě, která vážně ovlivňuje produkci manioku v Africe, základní potraviny pro miliony lidí.
• Odolnost vinné révy vůči révokazu v Evropě: Roubování evropských odrůd vinné révy na podnože amerických druhů révy, které jsou odolné vůči kořenové mšici révokazu, zachránilo evropský vinařský průmysl na konci 19. století.
• Odolnost banánů vůči panamské nemoci (TR4): Probíhá výzkum s cílem vyvinout odrůdy banánů odolné vůči tropické rase 4 (TR4) panamské nemoci, půdní houbové chorobě, která ohrožuje produkci banánů po celém světě. Úsilí zahrnuje konvenční šlechtění, genetické inženýrství a editaci genů.

Budoucnost odolnosti plodin vůči chorobám

Budoucnost odolnosti plodin vůči chorobám spočívá v mnohostranném přístupu, který kombinuje to nejlepší z tradičního šlechtění, moderní biotechnologie a hlubokého porozumění interakcím mezi rostlinami a patogeny. Klíčové oblasti zaměření zahrnují:

• Využití síly genomiky: Použití genomiky k identifikaci a charakterizaci nových genů rezistence a k pochopení genetického základu trvalé odolnosti.
• Vývoj inovativních šlechtitelských strategií: Uplatňování pokročilých šlechtitelských technik, jako je genomická selekce a zrychlené šlechtění (speed breeding), k urychlení vývoje odrůd odolných vůči chorobám.
• Využití technologií editace genů: Využití technologií editace genů k přesné modifikaci rostlinných genů a posílení odolnosti vůči širšímu spektru patogenů.
• Podpora udržitelných zemědělských postupů: Integrace odolnosti vůči chorobám s udržitelnými zemědělskými postupy, jako je střídání plodin, meziplodiny a konzervační zpracování půdy, s cílem snížit riziko vypuknutí chorob a podpořit dlouhodobou potravinovou bezpečnost.
• Posilování mezinárodní spolupráce: Podpora mezinárodní spolupráce mezi výzkumníky, šlechtiteli a tvůrci politik za účelem sdílení znalostí, zdrojů a genofondu a řešení globální výzvy chorob rostlin.

Závěr

Vývoj odrůd plodin odolných vůči chorobám je nezbytný pro zajištění globální potravinové bezpečnosti a zmírnění dopadů rostlinných patogenů. Genetika plodin hraje v tomto úsilí klíčovou roli, neboť poskytuje nástroje a znalosti pro pochopení a manipulaci s interakcemi mezi rostlinami a patogeny. Uplatňováním rozmanité škály strategií, od konvenčního šlechtění po editaci genů, a podporou mezinárodní spolupráce můžeme vyvinout trvalou odolnost vůči chorobám a zajistit naše dodávky potravin pro budoucí generace.

Investice do výzkumu a vývoje v oblasti genetiky plodin je zásadním krokem k vybudování odolnějšího a udržitelnějšího globálního potravinového systému. Tím, že poskytneme zemědělcům odrůdy plodin odolné vůči chorobám, můžeme snížit ztráty na výnosech, minimalizovat používání pesticidů a zajistit stabilní a výživné dodávky potravin pro všechny.