Taimekasvatuse põhitõed: Uute sortide loomine selektiivse aretuse kaudu

Taimekasvatus on taimede tunnuste muutmine soovitud omaduste saavutamiseks. Seda on praktiseeritud tuhandeid aastaid, alates varajastest põllumajandustootjatest, kes valisid igast saagist parimad seemned järgmise põlvkonna istutamiseks. Tänapäeval ühendab taimekasvatus traditsioonilisi tehnikaid kaasaegsete tehnoloogiatega, et luua parendatud sorte, mis on produktiivsemad, haiguskindlamad ja kohanevad erinevate keskkonnatingimustega. Käesolev artikkel annab põhjaliku ülevaate taimekasvatusest, keskendudes selektiivsele aretusele, mis on üks vanimaid ja laialdasemalt kasutatavaid meetodeid.

Mis on selektiivne aretus?

Selektiivne aretus, tuntud ka kui kunstlik valik, on protsess, mille käigus valitakse taimi soovitud tunnustega ja kasutatakse neid järgmise põlvkonna saamiseks vanematena. Seda protsessi korratakse mitme põlvkonna jooksul, parandades järk-järgult soovitud tunnuseid populatsioonis. Erinevalt geneetilisest manipuleerimisest töötab selektiivne aretus taime liigi loomuliku geneetilise varieeruvuse piires. See ei vii sisse väliseid geene teistest liikidest. See on meetod evolutsioonilise protsessi suunamiseks inimestele kasulikuks.

Selektiivse aretuse põhimõtted

Selektiivne aretus tugineb mitmele peamisele põhimõttele:

• Variatsioon: Populatsiooni üksikisikud peavad näitama varieeruvust huvipakkuvates tunnustes. Ilma variatsioonita pole midagi valida. See variatsioon tuleneb üksikisikute geneetilistest erinevustest.
• Päritavus: Soovitud tunnused peavad olema päritavad, mis tähendab, et neid saab edasi anda vanematelt järglastele. Keskkonnast tugevalt mõjutatud tunnuseid võib selektiivse aretusega olla raske parandada.
• Valik: Aretajad peavad suutma tuvastada ja valida isendeid, kellel on soovitud tunnused kõige paremini väljendunud. See nõuab hoolikat vaatlemist, mõõtmist ja hindamist.
• Paljunemine: Valitud isikud peavad suutma paljuneda, olgu siis isetolmlemise, risttolmlemise või vegetatiivse paljundamise teel.

Selektiivse aretuse etapid

Selektiivse aretuse protsess hõlmab tavaliselt järgmisi etappe:

1. Aretuseesmärkide määratlemine

Esimene samm on aretuseesmärkide selge määratlemine. Milliseid soovitud tunnuseid soovite parandada? Näited hõlmavad:

• Suurenenud saagikus (nt rohkem tera taime kohta, suuremad viljad)
• Parem haiguskindlus (nt vastupidavus seen-, bakter- või viirushaigustele)
• Parandatud toitainesisaldus (nt kõrgem vitamiinide, mineraalide või valkude tase)
• Parem kohanemine konkreetsete keskkondadega (nt põuakindlus, külmakindlus)
• Parandatud kvaliteeditunnused (nt parem maitse, tekstuur või välimus)

Aretuseesmärgid peaksid olema konkreetsed, mõõdetavad, saavutatavad, asjakohased ja ajaliselt piiritletud (SMART). Näiteks võib aretuseesmärk olla nisu sordi arendamine, mille teraviljasaak on põuakartlikes piirkondades viie aasta jooksul 20% kõrgem.

2. Vanemtaimede valimine

Pärast aretuseesmärkide määratlemist on järgmine samm soovitud tunnustega vanemtaimede valimine. See hõlmab suure hulga taimede hindamist ja nende isendite valimist, mis vastavad kõige paremini aretuseesmärkidele. Aretajad võtavad sageli arvesse mitut tunnust samaaegselt, kuna ühe tunnuse parandamine võib mõnikord negatiivselt mõjutada teist. Vanemtaimede allikad võivad olla:

• Kohalikud sordid: Kohalikult kohanenud sordid, mida põllumajandustootjad on põlvkondade jooksul aretanud. Kohalikel sortidel on sageli lai geneetiline mitmekesisus ja need võivad olla väärtuslikud geeniallikad haiguskindluse, stressitaluvuse ja ainulaadsete kvaliteeditunnuste saamiseks.
• Vanad sordid: Avapulllatsiooniga sordid, mida on aastaid perede või kogukondade kaudu edasi antud. Nagu kohalikud sordid, võivad vanad sordid olla ainulaadsete tunnuste ja geneetilise mitmekesisuse allikaks.
• Aretusliinid: Taimed, mida on eelnevalt aretusprogrammide kaudu valitud ja parendatud. Aretusliinidel on sageli soovitud tunnuste kombinatsioon ja neid saab kasutada vanematena veelgi paremate sortide loomiseks.
• Metsikud sugulased: Kultuurtaimedega lähedalt seotud metsikud liigid. Metsikud sugulased võivad olla väärtuslikud geeniallikad haiguskindluse, stressitaluvuse ja muude tunnuste saamiseks, mis võivad kultiveeritud sortides puududa. Kuid kultiveeritud taimede ristamine metsikute sugulastega võib olla keeruline ja nõuda eritehnikaid.
• Geenipangad: Konserveerimiseks ja aretuseks säilitatavad seemnete või muu taimematerjali kogud. Geenipangad on oluline ressurss aretajatele, kes soovivad saada ligipääsu laiale geneetilisele mitmekesisusele. Näited hõlmavad Svalbardi globaalset seemnehoidlat Norras ja riiklikke geenipanku üle maailma.

Valik võib põhineda visuaalsel vaatlusel, tunnuste mõõtmisel (nt taime kõrgus, vilja suurus, saagikus) või laborianalüüsil (nt haiguskindluse või toitainesisalduse testimine). Mõnel juhul kasutavad aretajad markerpõhine valikut (MAS), mis kasutab DNA markereid soovitud tunnuste jaoks spetsiifilisi geene sisaldavate taimede tuvastamiseks. MAS võib kiirendada aretusprotsessi ja muuta selle tõhusamaks.

3. Ristamiste tegemine

Pärast vanemtaimede valimist on järgmine samm nende ristamine. See hõlmab õietolmu ülekandmist isasvanemalt emasvanemale. Kasutatav konkreetne ristamismeetod sõltub taime liigist ja selle reproduktiivbioloogiast. Mõned taimed on isetolmlevad, mis tähendab, et nad suudavad end ise viljastada. Teised on risttolmlevad, mis tähendab, et nende viljastamiseks on vaja õietolmu teiselt taimelt.

Risttolmuvatel taimedel kasutavad aretajad sageli käsitsi tolmeldamist, et kontrollida ristamisi ja tagada soovitud vanemate kasutamine. See hõlmab tolmukate (õietolmu tootvad organid) hoolikat eemaldamist emasvanemalt, et vältida isetolmlemist, ja seejärel õietolmu ülekandmist isasvanemalt emakasuudmele (emapoolse õie vastuvõtlik pind). Seejärel kaetakse õied, et vältida soovimatut tolmlemist teiste taimede või putukate poolt.

Ristamistest saadud seemneid nimetatakse F1 (esimese põlvkonna järglased). F1 taimed on hübriidid, mis tähendab, et neil on mõlema vanema geenide kombinatsioon. F1 põlvkond on sageli ühtlane ja võib näidata hübriidset jõudu (heteroos), mis tähendab, et nad on elujõulisemad ja produktiivsemad kui ükski nende vanematest.

4. Järglaste hindamine ja valik

Järgmine samm on F1 taimede kasvatamine ja nende jõudluse hindamine. See hõlmab seemnete istutamist põllule või kasvuhoonesse ning nende kasvu, arengu ja saagikuse jälgimist. Aretajad mõõdavad ja salvestavad hoolikalt andmeid huvipakkuvate tunnuste kohta, nagu taime kõrgus, õitsemisaeg, haiguskindlus ja saagikus. Mõnel juhul võivad nad läbi viia ka laboriteste, et hinnata saagi toitainesisaldust või kvaliteeti.

Kogutud andmete põhjal valivad aretajad järgmiseks põlvkonnaks parima jõudlusega taimed. Seda protsessi korratakse mitme põlvkonna jooksul, parandades järk-järgult populatsiooni soovitud tunnuseid. Igas põlvkonnas valivad aretajad taimed, mis vastavad kõige paremini aretuseesmärkidele, ja ülejäänud kõrvaldavad.

Valikuprotsess võib olla keeruline, kuna F1 põlvkond sageli segregeerub erinevate tunnuste osas. See tähendab, et F1 taimede järglased näitavad laia varieeruvust, muutes soovitud tunnuste kombinatsiooniga isendite tuvastamise keeruliseks. Aretajad kasvatavad sageli suuri taimepopulatsioone, et suurendada soovitud tunnuste kombinatsiooni leidmise tõenäosust.

5. Sordi stabiliseerimine

Pärast mitme põlvkonna valikut muutuvad saadud taimed soovitud tunnuste osas ühtlasemaks ja stabiilsemaks. See tähendab, et järglased sarnanevad rohkem oma vanematega. Sordi stabiliseerimiseks kasutavad aretajad sageli sisesaadust, mis hõlmab taimede ristamist iseendaga või lähedalt seotud isenditega. Sisesaadus suurendab taimede homosügootsust, mis tähendab, et neil on rohkem identsete geenikoopiate komplekte. See vähendab populatsiooni geneetilist varieeruvust ja muudab sordi ennustatavamaks.

Sisesaadus võib avaldada ka negatiivseid mõjusid, nagu elujõulisuse ja viljakuse vähenemine. Seda nimetatakse sisesaaduse depressiooniks. Sisesaaduse depressiooni vältimiseks kasutavad aretajad sageli teisi meetodeid, näiteks ühese seemne järglust (SSD), mis hõlmab ühe seemne valimist igalt taimelt igas põlvkonnas. SSD võimaldab aretajatel säilitada suurt geneetilist mitmekesisust, parandades samal ajal järk-järgult soovitud tunnuseid.

6. Testimine ja vabastamine

Pärast sordi stabiliseerimist tuleb seda testida, et tagada selle hea toimimine erinevates keskkondades ja erinevate majandamisvõtete all. See hõlmab põllukatsete läbiviimist mitmes kohas ja uue sordi jõudluse võrdlemist olemasolevate sortidega. Katsete eesmärk on hinnata uue sordi saagikust, haiguskindlust, kvaliteeti ja kohanemisvõimet.

Kui uus sort katsetes hästi toimib, võib selle põllumajandustootjatele kasutusele võtta. Vabastamisprotsess hõlmab tavaliselt ametliku registreerimise või sertifikaadi saamist valitsusasutuselt. See tagab, et sort vastab teatud kvaliteedi- ja jõudlusstandarditele. Aretajad peavad samuti välja töötama seemnetootmise ja levitamise strateegia, et tagada põllumajandustootjate juurdepääs uuele sordile.

Selektiivse aretuse edulugude näited

Selektiivne aretus on olnud oluline kultuuride ja kariloomade parandamisel kogu maailmas. Siin on mõned näited:

• Nisu: Selektiivne aretus on viimase sajandi jooksul nisu saagikust dramaatiliselt suurendanud. Kaasaegsed nisusordid on produktiivsemad, haiguskindlamad ja kohanevad laiemalt keskkondadega kui nende eelkäijad. Roheline revolutsioon, mida juhtis Norman Borlaug, tugines suuresti kõrgesaagiliste nisusortide selektiivsele aretusele, et võidelda nälja vastu arengumaades.
• Riis: Sarnaselt nisuga on selektiivne aretus oluliselt suurendanud riisi saagikust, eriti Aasias. Poolkääbjas riisisortide, nagu IR8, arendamine oli suur läbimurre toiduga kindlustatuse tagamisel.
• Mais: Selektiivne aretus on muutnud maisi suhteliselt ebaproduktiivsest kultuurist üheks maailma tähtsamaks kultuuriks. Kaasaegsed maisisordid on palju produktiivsemad, haiguskindlamad ja stressitaluvamad kui nende esivanemad. Hübriidmaisi, mis saadakse kahe erineva inbriidliini ristamisel, iseloomustab kõrge hübriidne jõud.
• Tomatid: Selektiivne aretus on toonud kaasa laia valiku tomatisorte, millel on erinevad kujud, suurused, värvid ja maitsed. Aretajad on samuti aretanud tomatisorte, mis on vastupidavad tavalistele haigustele ja kahjuritele.
• Kariloomad: Selektiivset aretust on sajandeid kasutatud kariloomade produktiivsuse ja kvaliteedi parandamiseks. Näiteks on aretajad valinud lehmi, kes annavad rohkem piima, kanu, kes muneb rohkem mune, ja sigu, kes kasvavad kiiremini ja on lahjemad.

Need on vaid mõned näited paljudest selektiivse aretuse edulugudest. Selektiivne aretus on mänginud otsustavat rolli toiduga kindlustatuse, toitumise ja elatise parandamisel kogu maailmas.

Selektiivse aretuse eelised ja puudused

Selektiivne aretus pakub mitmeid eeliseid:

• Suhteliselt lihtne ja odav: Selektiivne aretus on suhteliselt lihtne ja odav tehnika, mida võivad kasutada piiratud ressurssidega aretajad.
• Töötab loomuliku varieeruvuse piires: Selektiivne aretus töötab liigi sees juba olemasoleva geneetilise varieeruvuse piires. See väldib vajadust tuua sisse väliseid geene teistest liikidest.
• Võib parandada mitut tunnust samaaegselt: Selektiivset aretust saab kasutada mitme tunnuse samaaegseks parandamiseks.
• Viib stabiilsete sortideni: Selektiivne aretus võib viia stabiilsete sortide arendamiseni, mis säilitavad oma soovitud tunnused paljude põlvkondade jooksul.

Selektiivsel aretusel on aga ka mõningaid puudusi:

• Aeglane protsess: Selektiivne aretus võib olla aeglane protsess, mis nõuab märkimisväärsete paranduste saavutamiseks mitut põlvkonda.
• Piiratud olemasoleva varieeruvusega: Selektiivne aretus on piiratud liigi piires olemasoleva geneetilise varieeruvuse hulgaga. Kui soovitud tunnust liigis ei esine, ei saa seda ainult selektiivse aretusega sisse tuua.
• Võib viia sisesaaduse depressioonini: Sisesaadus, mida sageli kasutatakse sortide stabiliseerimiseks, võib viia sisesaaduse depressioonini, mis võib vähendada elujõudu ja viljakust.
• Võib tahtmatult valida soovimatuid tunnuseid: Selektiivne aretus võib tahtmatult valida soovimatuid tunnuseid, mis on seotud soovitud tunnustega.

Kaasaegsed tehnoloogiad, mis täiendavad selektiivset aretust

Kuigi traditsiooniline selektiivne aretus jääb fundamentaalseks, parandavad kaasaegsed tehnoloogiad selle tõhusust ja täpsust:

Markerpõhine valik (MAS)

MAS kasutab soovitud geenidega seotud DNA markereid, et tuvastada taimi, mis sisaldavad neid geene varajases arengujärgus. See kiirendab valikuprotsessi, eriti tunnuste puhul, mida on raske või kulukas otseselt mõõta (nt haiguskindlus).

Genoomika ja bioinformaatika

Genoomika edusammud võimaldavad aretajatel analüüsida taimede kogu genoomi, tuvastades olulisi tunnuseid kontrollivad geenid. Bioinformaatika tööriistu kasutatakse genoomsete uuringute käigus genereeritava tohutu andmehulgaga haldamiseks ja analüüsimiseks.

Kõrgetasemelise fenotüüpimise

Kõrgetasemelise fenotüüpimise kasutab automatiseeritud süsteeme ja sensoreid taimede tunnuste kiireks mõõtmiseks suures mahus. See võimaldab aretajatel hinnata rohkem taimi täpsemalt, parandades valiku efektiivsust.

Topeltaploidsed

Topeltaploidide tehnoloogia kiirendab aretusprotsessi, luues üheainsa põlvkonnaga täiesti homosügootsed taimed. See välistab vajaduse mitme põlvkonna isetolmlemiseks stabiilsuse saavutamiseks.

Genoomi redigeerimine

Sellised tehnikad nagu CRISPR-Cas9 võimaldavad aretajatel taimede geene täpselt redigeerida, tuues sisse soovitud tunnuseid või eemaldades soovimatuid. Kuigi see pole ise selektiivne aretus, võib genoomi redigeerimine täiendada selektiivset aretust, luues uut varieeruvust või parandades defekte.

Taimekasvatuse tulevik

Taimekasvatus seisab 21. sajandil silmitsi paljude väljakutsetega, sealhulgas:

• Kliimamuutused: Sortide arendamine, mis on kohanenud muutuva kliimaga, sealhulgas suurenenud põuaga, kuumuse ja üleujutustega.
• Uued haigused ja kahjurid: Sortide arendamine, mis on vastupidavad uutele ja arenevatele haigustele ja kahjuritele.
• Suurenev toidunõudlus: Kultuurisaagikuse suurendamine, et rahuldada kasvava maailma rahvastiku kasvavat toidunõudlust.
• Säästev põllumajandus: Sortide arendamine, mis on säästlikumad, vajavad vähem vett, väetist ja pestitsiide.
• Toitumise turvalisus: Kultuuride toitainesisalduse parandamine alatoitumuse ja mikroelementide puuduse vastu võitlemiseks. Biofortifikatsioon, kultuuride toitainesisalduse suurendamine aretuse või geneetilise manipuleerimise teel, on oluline strateegia toitumise turvalisuse parandamiseks.

Nende väljakutsetega toimetulemiseks peab taimekasvatus jätkuvalt uuendama ja võtma kasutusele uusi tehnoloogiaid. See hõlmab selliste täiustatud tehnikate kasutamist nagu genoomika, geenide redigeerimine ja kõrgetasemelise fenotüüpimine. Samuti nõuab see koostöö edendamist aretajate, teadlaste ja põllumajandustootjate vahel, et tagada uute sortide hea kohanemine kohalike tingimustega ja vastata põllumajandustootjate vajadustele.

Eetilised kaalutlused

Taimekasvatus tõstatab ka mitmeid eetilisi kaalutlusi:

• Juurdepääs seemnetele: Tagada põllumajandustootjate juurdepääs taskukohastele ja kvaliteetsetele seemnetele. Seemnefirmad patenteerivad sageli uusi sorte, mis võib piirata juurdepääsu ja suurendada seemnete hinda.
• Geneetiline mitmekesisus: Kultuuride geneetilise mitmekesisuse säilitamine. Mõne kõrgesaagilise sordi laialdane kasutuselevõtt võib põhjustada geneetilise mitmekesisuse kadu, muutes kultuurid haigustele ja kahjuritele vastuvõtlikumaks.
• Mõju väiketalunikele: Tagada, et uued sordid tooksid kasu arengumaade väiketalunikele. Mõned uued sordid võivad nõuda kalleid sisendeid või majandamisvõtteid, mis ei ole väiketalunikele kättesaadavad.
• Läbipaistvus ja avalik osalus: Kaasata avalikkust taimekasvatuse aruteludesse ning tagada, et protsess oleks läbipaistev ja vastutustundlik.

Nende eetiliste kaalutluste käsitlemine on oluline, et tagada taimekasvatuse panus säästlikuma ja õiglasema toidusüsteemi loomisesse.

Järeldus

Selektiivne aretus on võimas tööriist taimede parandamiseks ning on mänginud elutähtsat rolli toidutootmise suurendamisel ja inimeste heaolu parandamisel. Selektiivse aretuse põhimõtete ja tehnikate mõistmise kaudu saavad aretajad arendada parendatud sorte, mis on produktiivsemad, haiguskindlamad ja kohanevad muutuva keskkonnaga. Seistes silmitsi uute väljakutsetega, nagu kliimamuutused ja kasvav maailma rahvastik, jääb taimekasvatus toiduga kindlustatuse ja säästva tuleviku tagamiseks hädavajalikuks. Kaasaegsete tehnoloogiate integreerimine koos pühendumusega eetilistele ja säästvatele tavadele on võtmetähtsusega taimekasvatuse eeliste maksimeerimiseks kõigi jaoks.