Základy šlechtění rostlin: Vytváření nových odrůd selektivním šlechtěním

Šlechtění rostlin je umění a věda měnící vlastnosti rostlin s cílem dosáhnout požadovaných charakteristik. Praktikuje se tisíce let, počínaje ranými farmáři, kteří vybírali nejlepší semena z každé sklizně k výsadbě další generace. Dnes šlechtění rostlin kombinuje tradiční techniky s moderními technologiemi k vytváření vylepšených odrůd, které jsou produktivnější, odolnější vůči chorobám a přizpůsobivější různým environmentálním podmínkám. Tento článek poskytuje komplexní přehled šlechtění rostlin, se zaměřením na selektivní šlechtění, jednu z nejstarších a nejrozšířenějších metod.

Co je selektivní šlechtění?

Selektivní šlechtění, známé též jako umělý výběr, je proces výběru rostlin s žádoucími vlastnostmi a jejich použití jako rodičů k produkci další generace. Tento proces se opakuje po mnoho generací, čímž se postupně zlepšují požadované vlastnosti v populaci. Na rozdíl od genetického inženýrství selektivní šlechtění pracuje s přirozenou genetickou variabilitou, která je již přítomna v rámci rostlinného druhu. Nezavádí cizí geny z jiných druhů. Je to metoda řízení evolučního procesu směrem, který je prospěšný pro lidi.

Principy selektivního šlechtění

Selektivní šlechtění se opírá o několik klíčových principů:

• Variace: Jedinci v populaci musí vykazovat variaci v zájmových vlastnostech. Bez variace není co vybírat. Tato variace pramení z genetických rozdílů mezi jedinci.
• Dědičnost: Požadované vlastnosti musí být dědičné, což znamená, že mohou být předány z rodičů na potomstvo. Vlastnosti, které jsou silně ovlivněny prostředím, mohou být selektivním šlechtěním obtížně zlepšitelné.
• Výběr: Šlechtitelé musí být schopni identifikovat a vybrat jedince s nejlepším projevem požadovaných vlastností. To vyžaduje pečlivé pozorování, měření a hodnocení.
• Rozmnožování: Vybraní jedinci se musí být schopni rozmnožovat, ať už samoopylením, křížovým opylením nebo vegetativním rozmnožováním.

Kroky v selektivním šlechtění

Proces selektivního šlechtění obvykle zahrnuje následující kroky:

1. Definování šlechtitelských cílů

Prvním krokem je jasné definování šlechtitelských cílů. Jaké jsou požadované vlastnosti, které chcete zlepšit? Příklady zahrnují:

• Zvýšený výnos (např. více zrn na rostlinu, větší plody)
• Zlepšená odolnost vůči chorobám (např. odolnost vůči plísňovým, bakteriálním nebo virovým chorobám)
• Zvýšený nutriční obsah (např. vyšší úrovně vitamínů, minerálů nebo bílkovin)
• Lepší adaptace na specifická prostředí (např. tolerance sucha, mrazuvzdornost)
• Zlepšené kvalitativní vlastnosti (např. lepší chuť, textura nebo vzhled)

Šlechtitelské cíle by měly být specifické, měřitelné, dosažitelné, relevantní a časově ohraničené (SMART). Například šlechtitelským cílem může být vyvinout odrůdu pšenice s o 20% vyšším výnosem zrna v oblastech náchylných k suchu do pěti let.

2. Výběr rodičovských rostlin

Jakmile jsou definovány šlechtitelské cíle, dalším krokem je výběr rodičovských rostlin, které mají požadované vlastnosti. To zahrnuje hodnocení velkého počtu rostlin a výběr jedinců, kteří nejlépe splňují šlechtitelské cíle. Šlechtitelé často zvažují více vlastností současně, protože zlepšení jedné vlastnosti může někdy negativně ovlivnit jinou. Zdroje rodičovských rostlin mohou zahrnovat:

• Lokální odrůdy (Landraces): Místně adaptované odrůdy, které byly vyvinuty zemědělci po generace. Lokální odrůdy často disponují širokou škálou genetické diverzity a mohou být cennými zdroji genů pro odolnost vůči chorobám, toleranci stresu a jedinečné kvalitativní vlastnosti.
• Děděné odrůdy (Heirloom Varieties): Volně opylované odrůdy, které byly předávány v rodinách nebo komunitách po mnoho let. Stejně jako lokální odrůdy, děděné odrůdy mohou být zdrojem jedinečných vlastností a genetické diverzity.
• Šlechtitelské linie (Breeding Lines): Rostliny, které byly dříve vybrány a vylepšeny prostřednictvím šlechtitelských programů. Šlechtitelské linie často mají kombinaci žádoucích vlastností a mohou být použity jako rodiče k vytvoření ještě lepších odrůd.
• Divocí příbuzní (Wild Relatives): Divoké druhy, které jsou úzce příbuzné pěstovaným plodinám. Divocí příbuzní mohou být cenným zdrojem genů pro odolnost vůči chorobám, toleranci stresu a dalším vlastnostem, které se v pěstovaných odrůdách nemusí vyskytovat. Křížení pěstovaných plodin s divokými příbuznými však může být náročné a může vyžadovat speciální techniky.
• Genové banky (Gene Banks): Sbírky semen nebo jiného rostlinného materiálu, které jsou udržovány pro účely konzervace a šlechtění. Genové banky jsou důležitým zdrojem pro šlechtitele, kteří chtějí získat přístup k široké škále genetické diverzity. Příklady zahrnují Světovou banku semen Svalbard v Norsku a národní genové banky po celém světě.

Proces výběru může být založen na vizuálním pozorování, měření vlastností (např. výška rostliny, velikost plodu, výnos) nebo laboratorní analýze (např. testování odolnosti vůči chorobám nebo nutričního obsahu). V některých případech šlechtitelé používají selekci asistovanou markery (MAS), techniku, která využívá DNA markery k identifikaci rostlin, které nesou specifické geny pro požadované vlastnosti. MAS může urychlit proces šlechtění a zefektivnit jej.

3. Křížení

Po výběru rodičovských rostlin je dalším krokem jejich křížení. To zahrnuje přenos pylu z samčí rodičovské rostliny na samičí rodičovskou rostlinu. Konkrétní metoda křížení závisí na druhu rostliny a její reprodukční biologii. Některé rostliny jsou samoopylné, což znamená, že se mohou oplodnit samy. Jiné jsou cizosprašné, což znamená, že k oplodnění vyžadují pyl z jiné rostliny.

U cizosprašných rostlin šlechtitelé často používají ruční opylení k řízení křížení a zajištění použití požadovaných rodičů. To zahrnuje pečlivé odstranění prašníků (orgánů produkujících pyl) ze samičí rodičovské rostliny, aby se zabránilo samoopylení, a následný přenos pylu ze samčí rodičovské rostliny na bliznu (receptivní povrch samičího květu). Květy jsou poté zakryty, aby se zabránilo nežádoucímu opylení jinými rostlinami nebo hmyzem.

Semena vzniklá z křížení se nazývají F1 (první filiální generace). Rostliny F1 jsou hybridy, což znamená, že mají kombinaci genů od obou rodičů. Generace F1 je často uniformní a může vykazovat hybridní vitalitu (heterózu), což znamená, že jsou životaschopnější a produktivnější než kterýkoli z jejich rodičů.

4. Hodnocení a výběr potomstva

Dalším krokem je pěstování rostlin F1 a hodnocení jejich výkonu. To zahrnuje výsadbu semen na pole nebo do skleníku a pozorování jejich růstu, vývoje a výnosu. Šlechtitelé pečlivě měří a zaznamenávají údaje o zájmových vlastnostech, jako je výška rostliny, doba květu, odolnost vůči chorobám a výnos. V některých případech mohou provádět i laboratorní testy k posouzení nutričního obsahu nebo kvality plodiny.

Na základě shromážděných údajů šlechtitelé vybírají nejlépe prosperující rostliny k použití jako rodiče pro další generaci. Tento proces se opakuje po několik generací, čímž se postupně zlepšují požadované vlastnosti v populaci. V každé generaci šlechtitelé vybírají rostliny, které nejlépe splňují šlechtitelské cíle, a zbytek odstraňují.

Proces výběru může být náročný, protože generace F1 se často štěpí pro různé vlastnosti. To znamená, že potomstvo rostlin F1 bude vykazovat širokou škálu variací, což ztěžuje identifikaci nejlepších jedinců. Šlechtitelé často pěstují velké populace rostlin, aby zvýšili šance na nalezení požadované kombinace vlastností.

5. Stabilizace odrůdy

Po několika generacích selekce se výsledné rostliny stanou uniformnějšími a stabilnějšími pro požadované vlastnosti. To znamená, že potomstvo se bude více podobat svým rodičům. K stabilizaci odrůdy šlechtitelé často používají inbreeding, který zahrnuje křížení rostlin se sebou samými nebo s úzce příbuznými jedinci. Inbreeding zvyšuje homozygotnost rostlin, což znamená, že mají více identických kopií každého genu. To snižuje genetickou variaci v populaci a činí odrůdu předvídatelnější.

Inbreeding může mít také negativní dopady, jako je snížená vitalita a plodnost. To je známo jako inbreedingová deprese. Aby se inbreedingové depresi předešlo, šlechtitelé často používají jiné techniky, jako je selekce z jednoho semene (SSD), která zahrnuje výběr jednoho semene z každé rostliny v každé generaci. SSD umožňuje šlechtitelům udržovat velké množství genetické diverzity a přitom postupně zlepšovat požadované vlastnosti.

6. Testování a uvolnění

Jakmile je odrůda stabilizována, je třeba ji otestovat, aby se zajistilo, že dobře funguje v různých prostředích a za různých pěstebních postupů. To zahrnuje provádění polních pokusů na více místech a srovnávání výkonu nové odrůdy s existujícími odrůdami. Pokusy jsou navrženy tak, aby posoudily výnos, odolnost vůči chorobám, kvalitu a adaptabilitu nové odrůdy.

Pokud nová odrůda v pokusech dobře obstojí, může být uvolněna pro farmáře. Proces uvolnění obvykle zahrnuje získání oficiální registrace nebo certifikace od vládní agentury. To zajišťuje, že odrůda splňuje určité standardy kvality a výkonu. Šlechtitelé také musí vyvinout strategii pro produkci a distribuci semen, aby zajistili, že farmáři budou mít k nové odrůdě přístup.

Příklady úspěšných příběhů selektivního šlechtění

Selektivní šlechtění bylo klíčové pro zlepšení plodin a hospodářských zvířat po celém světě. Zde je několik příkladů:

• Pšenice: Selektivní šlechtění dramaticky zvýšilo výnosy pšenice za poslední století. Moderní odrůdy pšenice jsou produktivnější, odolnější vůči chorobám a adaptované na širší škálu prostředí než jejich předchůdci. Zelená revoluce, vedená Normanem Borlaugem, se silně opírala o selektivní šlechtění vysoce výnosných odrůd pšenice v boji proti hladu v rozvojových zemích.
• Rýže: Podobně jako u pšenice, selektivní šlechtění významně zvýšilo výnosy rýže, zejména v Asii. Vývoj polotrpazličích odrůd rýže, jako je IR8, byl velkým průlomem v boji proti potravinové nejistotě.
• Kukuřice (Maize/Corn): Selektivní šlechtění transformovalo kukuřici z relativně neproduktivní plodiny na jednu z nejdůležitějších plodin na světě. Moderní odrůdy kukuřice jsou mnohem produktivnější, odolnější vůči chorobám a tolerantnější vůči stresu než jejich předkové. Hybridní kukuřice, která se produkuje křížením dvou různých inbredních linií, vykazuje vysokou úroveň hybridní vitality.
• Rajčata: Selektivní šlechtění vedlo k široké škále odrůd rajčat s rozmanitými tvary, velikostmi, barvami a chutěmi. Šlechtitelé také vyvinuli odrůdy rajčat, které jsou odolné vůči běžným chorobám a škůdcům.
• Hospodářská zvířata: Selektivní šlechtění se po staletí používá ke zlepšení produktivity a kvality hospodářských zvířat. Například šlechtitelé vybírali krávy, které produkují více mléka, slepice, které snášejí více vajec, a prasata, která rostou rychleji a s menším obsahem tuku.

To je jen několik příkladů z mnoha úspěšných příběhů selektivního šlechtění. Selektivní šlechtění hrálo klíčovou roli při zlepšování potravinové bezpečnosti, výživy a živobytí po celém světě.

Výhody a nevýhody selektivního šlechtění

Selektivní šlechtění nabízí několik výhod:

• Relativně jednoduché a levné: Selektivní šlechtění je relativně jednoduchá a levná technika, kterou mohou používat šlechtitelé s omezenými zdroji.
• Pracuje s přirozenou variabilitou: Selektivní šlechtění pracuje s přirozenou genetickou variabilitou, která je již přítomna v rámci druhu. To eliminuje potřebu zavádět cizí geny z jiných druhů.
• Může zlepšit více vlastností současně: Selektivní šlechtění lze použít ke zlepšení více vlastností současně.
• Vede ke stabilním odrůdám: Selektivní šlechtění může vést k vývoji stabilních odrůd, které si po mnoho generací udržují své požadované vlastnosti.

Selektivní šlechtění má však i některé nevýhody:

• Pomalý proces: Selektivní šlechtění může být pomalý proces, vyžadující mnoho generací k dosažení významných zlepšení.
• Omezeno dostupnou variabilitou: Selektivní šlechtění je omezeno množstvím genetické variability dostupné v rámci druhu. Pokud požadovaná vlastnost není v populaci přítomna, nelze ji zavést samotným selektivním šlechtěním.
• Může vést k inbreedingové depresi: Inbreeding, který se často používá k stabilizaci odrůd, může vést k inbreedingové depresi, která může snížit vitalitu a plodnost.
• Může neúmyslně vybrat nežádoucí vlastnosti: Selektivní šlechtění může neúmyslně vybrat nežádoucí vlastnosti, které jsou spojeny s požadovanými vlastnostmi.

Moderní techniky doplňující selektivní šlechtění

Zatímco tradiční selektivní šlechtění zůstává zásadní, moderní technologie zvyšují jeho efektivitu a přesnost:

Selekce asistovaná markery (MAS)

MAS využívá DNA markery spojené s požadovanými geny k identifikaci rostlin, které tyto geny nesou, již v rané fázi vývoje. To urychluje proces výběru, zejména u vlastností obtížně nebo draze měřitelných přímo (např. odolnost vůči chorobám).

Genomika a bioinformatika

Pokroky v genomice umožňují šlechtitelům analyzovat celý genom rostlin a identifikovat geny řídící důležité vlastnosti. Bioinformatické nástroje se používají ke správě a analýze obrovského množství dat generovaných genomickými studiemi.

Vysokoprůchodové fenotypování

Vysokoprůchodové fenotypování využívá automatizované systémy a senzory k rychlému měření rostlinných vlastností ve velkém měřítku. To umožňuje šlechtitelům přesněji vyhodnocovat více rostlin, čímž se zvyšuje efektivita výběru.

Dvojití haploidi

Technologie dvojitých haploidů urychluje proces šlechtění vytvářením zcela homozygotních rostlin v jedné generaci. To eliminuje potřebu více generací samoopylení k dosažení stability.

Úprava genomu

Techniky jako CRISPR-Cas9 umožňují šlechtitelům přesně upravovat geny v rostlinách, zavádět požadované vlastnosti nebo odstraňovat nežádoucí. Ačkoli se nejedná o samotné selektivní šlechtění, úprava genomu může doplňovat selektivní šlechtění vytvářením nových variací nebo opravou defektů.

Budoucnost šlechtění rostlin

Šlechtění rostlin čelí v 21. století četným výzvám, včetně:

• Změna klimatu: Vývoj odrůd adaptovaných na měnící se klima, včetně zvýšeného sucha, horka a záplav.
• Nové nemoci a škůdci: Vývoj odrůd, které jsou odolné vůči novým a vyvíjejícím se nemocem a škůdcům.
• Rostoucí poptávka po potravinách: Zvyšování výnosů plodin k uspokojení rostoucí poptávky po potravinách od rostoucí globální populace.
• Udržitelné zemědělství: Vývoj odrůd, které jsou udržitelnější, vyžadující méně vody, hnojiv a pesticidů.
• Výživová bezpečnost: Zlepšování nutričního obsahu plodin k řešení podvýživy a nedostatku mikroživin. Biofortifikace, proces zvyšování obsahu živin v plodinách šlechtěním nebo genetickým inženýrstvím, je důležitou strategií pro zlepšení výživové bezpečnosti.

K řešení těchto výzev bude muset šlechtění rostlin nadále inovovat a přijímat nové technologie. To zahrnuje používání pokročilých technik, jako je genomika, úprava genů a vysokoprůchodové fenotypování. Vyžaduje to také podporu spolupráce mezi šlechtiteli, výzkumníky a farmáři, aby se zajistilo, že nové odrůdy budou dobře přizpůsobeny místním podmínkám a splňují potřeby farmářů.

Etické aspekty

Šlechtění rostlin také vyvolává několik etických aspektů:

• Přístup k semenům: Zajištění, aby zemědělci měli přístup k cenově dostupným a vysoce kvalitním semenům. Semenářské společnosti často patentují nové odrůdy, což může omezit přístup a zvýšit náklady na semena.
• Genetická diverzita: Zachování genetické diverzity u plodin. Rozšířené přijetí několika vysoce výnosných odrůd může vést ke ztrátě genetické diverzity, čímž se plodiny stávají zranitelnějšími vůči chorobám a škůdcům.
• Dopad na drobné zemědělce: Zajištění, aby nové odrůdy prospěly drobným zemědělcům v rozvojových zemích. Některé nové odrůdy mohou vyžadovat drahé vstupy nebo pěstební postupy, které nejsou pro drobné zemědělce dostupné.
• Transparentnost a zapojení veřejnosti: Zapojení veřejnosti do diskusí o šlechtění rostlin a zajištění transparentnosti a odpovědnosti procesu.

Řešení těchto etických aspektů je zásadní pro zajištění, aby šlechtění rostlin přispívalo k udržitelnějšímu a spravedlivějšímu potravinovému systému.

Závěr

Selektivní šlechtění je mocný nástroj pro zlepšování rostlin a hrálo zásadní roli při zvyšování produkce potravin a zlepšování lidského blahobytu. Pochopením principů a technik selektivního šlechtění mohou šlechtitelé vyvinout vylepšené odrůdy, které jsou produktivnější, odolnější vůči chorobám a přizpůsobivější měnícím se prostředím. Jelikož čelíme novým výzvám, jako je změna klimatu a rostoucí globální populace, šlechtění rostlin bude i nadále zásadní pro zajištění potravinové bezpečnosti a udržitelné budoucnosti. Integrace moderních technologií v kombinaci se závazkem k etickým a udržitelným praktikám bude klíčová pro maximalizaci přínosů šlechtění rostlin pro všechny.