Išsamus vadovas apie augalų selekciją, daugiausia dėmesio skiriant atrankinės selekcijos metodams, naudojamiems kuriant patobulintas ir naujas augalų veisles žemės ūkiui, sodininkystei ir apsaugai visame pasaulyje.
Augalų selekcijos pagrindai: naujų veislių kūrimas atrankiniu būdu
Augalų selekcija yra menas ir mokslas, skirtas keisti augalų savybes, siekiant išgauti norimas charakteristikas. Tai buvo praktikuojama tūkstančius metų, pradedant ankstyvaisiais ūkininkais, kurie atrinkdavo geriausias sėklas iš kiekvieno derliaus, kad pasėtų kitą kartą. Šiandien augalų selekcija sujungia tradicinius metodus su šiuolaikinėmis technologijomis, kad sukurtų patobulintas veisles, kurios yra produktyvesnės, atsparesnės ligoms ir prisitaikančios prie įvairių aplinkos sąlygų. Šiame straipsnyje pateikiama išsami augalų selekcijos apžvalga, daugiausia dėmesio skiriant atrankinei selekcijai, vienam iš seniausių ir plačiausiai naudojamų metodų.
Kas yra atrankinė selekcija?
Atrankinė selekcija, dar žinoma kaip dirbtinė atranka, yra procesas, kai atrenkami augalai su pageidaujamomis savybėmis ir naudojami kaip tėvai kitai kartai išauginti. Šis procesas kartojamas daugelį kartų, palaipsniui gerinant pageidaujamas savybes populiacijoje. Skirtingai nuo genų inžinerijos, atrankinė selekcija veikia su natūralia genetine įvairove, jau esančia augalų rūšyje. Ji neįveda svetimų genų iš kitų rūšių. Tai yra evoliucinio proceso valdymo būdas kryptimi, naudinga žmonėms.
Atrankinės selekcijos principai
Atrankinė selekcija remiasi keliais pagrindiniais principais:
- Įvairovė: individai populiacijoje turi turėti įvairovę dominančiose savybėse. Be įvairovės nėra ko atrinkti. Ši įvairovė atsiranda dėl genetinių skirtumų tarp individų.
- Paveldimumas: pageidaujamos savybės turi būti paveldimos, o tai reiškia, kad jas galima perduoti iš tėvų palikuonims. Savybes, kurioms stipriai įtakos turi aplinka, gali būti sunku pagerinti atrankiniu būdu.
- Atranka: selekcininkai turi sugebėti identifikuoti ir atrinkti individus su geriausia pageidaujamų savybių išraiška. Tam reikia atidaus stebėjimo, matavimo ir įvertinimo.
- Dauginimasis: atrinkti individai turi sugebėti daugintis savaiminiu apdulkinimu, kryžminiu apdulkinimu arba vegetatyviniu dauginimu.
Atrankinės selekcijos etapai
Atrankinės selekcijos procesas paprastai apima šiuos etapus:
1. Selekcijos tikslų apibrėžimas
Pirmas žingsnis yra aiškiai apibrėžti selekcijos tikslus. Kokias pageidaujamas savybes norite pagerinti? Pavyzdžiai:
- Padidintas derlius (pvz., daugiau grūdų vienam augalui, didesni vaisiai)
- Pagerintas atsparumas ligoms (pvz., atsparumas grybelinėms, bakterinėms ar virusinėms ligoms)
- Padidintas maistinis turinys (pvz., didesnis vitaminų, mineralų ar baltymų kiekis)
- Geresnis prisitaikymas prie specifinės aplinkos (pvz., atsparumas sausrai, atsparumas šalčiui)
- Pagerintos kokybės savybės (pvz., geresnis skonis, tekstūra ar išvaizda)
Selekcijos tikslai turėtų būti konkretūs, išmatuojami, pasiekiami, aktualūs ir apibrėžti laiko atžvilgiu (SMART). Pavyzdžiui, selekcijos tikslas galėtų būti sukurti kviečių veislę, kurios grūdų derlius sausrai jautriose vietovėse būtų 20 % didesnis per penkerius metus.
2. Tėvinių augalų atranka
Apibrėžus selekcijos tikslus, kitas žingsnis yra atrinkti tėvinius augalus, turinčius pageidaujamas savybes. Tai apima didelio augalų skaičiaus įvertinimą ir tų individų pasirinkimą, kurie geriausiai atitinka selekcijos tikslus. Selekcininkai dažnai atsižvelgia į kelias savybes vienu metu, nes pagerinus vieną savybę, kartais gali neigiamai paveikti kitą. Tėvinių augalų šaltiniai gali būti:
- Vietinės veislės: vietoje prisitaikiusios veislės, kurias ūkininkai sukūrė per kartas. Vietinės veislės dažnai turi didelę genetinę įvairovę ir gali būti vertingas genų šaltinis atsparumui ligoms, atsparumui stresui ir unikalioms kokybės savybėms.
- Paveldo veislės: atviro apdulkinimo veislės, kurios buvo perduodamos per šeimas ar bendruomenes daugelį metų. Kaip ir vietinės veislės, paveldo veislės gali būti unikalių savybių ir genetinės įvairovės šaltinis.
- Selekcinės linijos: augalai, kurie anksčiau buvo atrinkti ir patobulinti per selekcijos programas. Selekcinės linijos dažnai turi pageidaujamų savybių derinį ir gali būti naudojamos kaip tėvai kuriant dar geresnes veisles.
- Laukiniai giminaičiai: laukinės rūšys, kurios yra glaudžiai susijusios su kultūriniais augalais. Laukiniai giminaičiai gali būti vertingas genų šaltinis atsparumui ligoms, atsparumui stresui ir kitoms savybėms, kurių gali nebūti kultūrinėse veislėse. Tačiau kryžminimas kultūrinius augalus su laukiniais giminaičiais gali būti sudėtingas ir gali prireikti specialių metodų.
- Genų bankai: sėklų ar kitos augalinės medžiagos kolekcijos, kurios saugomos konservavimo ir selekcijos tikslais. Genų bankai yra svarbus šaltinis selekcininkams, siekiantiems pasinaudoti didele genetine įvairove. Pavyzdžiai yra Svalbardo pasaulinis sėklų saugykla Norvegijoje ir nacionaliniai genų bankai visame pasaulyje.
Atrankos procesas gali būti pagrįstas vizualiu stebėjimu, savybių matavimu (pvz., augalo aukštis, vaisiaus dydis, derlius) arba laboratorine analize (pvz., atsparumo ligoms ar maistinio turinio tyrimas). Kai kuriais atvejais selekcininkai naudoja žymekliais paremtą selekciją (MAS), metodą, kuris naudoja DNR žymenis, kad identifikuotų augalus, turinčius specifinius genus pageidaujamoms savybėms. MAS gali pagreitinti selekcijos procesą ir padaryti jį efektyvesnį.
3. Kryžminimų atlikimas
Atrinkus tėvinius augalus, kitas žingsnis yra atlikti kryžminimus tarp jų. Tai apima žiedadulkių perkėlimą iš vyriškojo tėvo į moteriškąjį tėvą. Konkretus kryžminimo metodas priklauso nuo augalų rūšies ir jos dauginimosi biologijos. Kai kurie augalai yra savaime apsidulkinantys, o tai reiškia, kad jie gali patys save apvaisinti. Kiti yra kryžmiškai apsidulkinantys, o tai reiškia, kad jiems reikia žiedadulkių iš kito augalo, kad būtų apvaisinti.
Kryžmiškai apsidulkinančiuose augaluose selekcininkai dažnai naudoja rankinį apdulkinimą, kad kontroliuotų kryžminimus ir užtikrintų, kad būtų naudojami norimi tėvai. Tai apima atsargų anterų (žiedadulkes gaminančių organų) pašalinimą iš moteriškojo tėvo, kad būtų išvengta savaiminio apdulkinimo, ir žiedadulkių perkėlimą iš vyriškojo tėvo į purką (imli moteriškojo žiedo paviršių). Tada žiedai uždengiami, kad būtų išvengta nepageidaujamo apdulkinimo kitais augalais ar vabzdžiais.
Sėklos, gautos iš kryžminimų, vadinamos F1 (pirmos kartos palikuonys). F1 augalai yra hibridai, o tai reiškia, kad jie turi genų derinį iš abiejų tėvų. F1 karta dažnai yra vienoda ir gali pasižymėti hibridine jėga (heterozė), o tai reiškia, kad jie yra energingesni ir produktyvesni nei bet kuris iš jų tėvų.
4. Palikuonių įvertinimas ir atranka
Kitas žingsnis yra išauginti F1 augalus ir įvertinti jų veikimą. Tai apima sėklų pasėjimą lauke ar šiltnamyje ir jų augimo, vystymosi ir derliaus stebėjimą. Selekcininkai atidžiai matuoja ir registruoja duomenis apie dominančias savybes, tokias kaip augalo aukštis, žydėjimo laikas, atsparumas ligoms ir derlius. Kai kuriais atvejais jie taip pat gali atlikti laboratorinius tyrimus, kad įvertintų pasėlių maistinį turinį ar kokybę.
Remdamiesi surinktais duomenimis, selekcininkai atrenka geriausiai veikiančius augalus, kad panaudotų juos kaip tėvus kitai kartai. Šis procesas kartojamas kelias kartas, palaipsniui gerinant pageidaujamas savybes populiacijoje. Kiekvienoje kartoje selekcininkai atrenka augalus, kurie geriausiai atitinka selekcijos tikslus, ir pašalina likusius.
Atrankos procesas gali būti sudėtingas, nes F1 karta dažnai segreguoja įvairias savybes. Tai reiškia, kad F1 augalų palikuonys turės didelę įvairovę, todėl bus sunku nustatyti geriausius individus. Selekcininkai dažnai augina dideles augalų populiacijas, kad padidintų tikimybę rasti norimą savybių derinį.
5. Veislės stabilizavimas
Po kelių atrankos kartų gauti augalai taps vienodesni ir stabilesni pageidaujamoms savybėms. Tai reiškia, kad palikuonys labiau primins savo tėvus. Norėdami stabilizuoti veislę, selekcininkai dažnai naudoja kraujomaišą, kuri apima augalų kryžminimą su savimi arba su glaudžiai susijusiais individais. Kraujomaiša padidina augalų homozigotiškumą, o tai reiškia, kad jie turi daugiau identiškų kiekvieno geno kopijų. Tai sumažina genetinę įvairovę populiacijoje ir daro veislę nuspėjamesnę.
Kraujomaiša taip pat gali turėti neigiamų padarinių, tokių kaip sumažėjęs energingumas ir vaisingumas. Tai žinoma kaip kraujomaišos depresija. Norėdami išvengti kraujomaišos depresijos, selekcininkai dažnai naudoja kitus metodus, tokius kaip vienos sėklos kilmė (SSD), kuri apima vienos sėklos atrinkimą iš kiekvieno augalo kiekvienoje kartoje. SSD leidžia selekcininkams išlaikyti didelę genetinę įvairovę, tuo pačiu palaipsniui gerinant pageidaujamas savybes.
6. Testavimas ir išleidimas
Stabilizavus veislę, ją reikia išbandyti, siekiant užtikrinti, kad ji gerai veiktų skirtingose aplinkose ir pagal skirtingą valdymo praktiką. Tai apima lauko bandymų atlikimą keliose vietose ir naujos veislės veikimo palyginimą su esamomis veislėmis. Bandymai skirti įvertinti naujos veislės derlių, atsparumą ligoms, kokybę ir prisitaikymą.
Jei nauja veislė gerai pasirodo bandymuose, ji gali būti išleista ūkininkams. Išleidimo procesas paprastai apima oficialios registracijos ar sertifikavimo gavimą iš vyriausybinės agentūros. Tai užtikrina, kad veislė atitinka tam tikrus kokybės ir veikimo standartus. Selekcininkai taip pat turi parengti sėklų gamybos ir platinimo strategiją, siekdami užtikrinti, kad ūkininkai turėtų prieigą prie naujos veislės.
Atrankinės selekcijos sėkmės istorijų pavyzdžiai
Atrankinė selekcija padėjo pagerinti pasėlius ir gyvulius visame pasaulyje. Štai keletas pavyzdžių:- Kviečiai: Atrankinė selekcija per pastarąjį šimtmetį dramatiškai padidino kviečių derlių. Šiuolaikinės kviečių veislės yra produktyvesnės, atsparesnės ligoms ir prisitaikiusios prie įvairesnių aplinkos sąlygų nei jų pirmtakai. Žalioji revoliucija, kuriai vadovavo Normanas Borlaugas, labai rėmėsi didelio derlingumo kviečių veislių atrankine selekcija, siekiant kovoti su badu besivystančiose šalyse.
- Ryžiai: Panašiai kaip ir kviečiai, atrankinė selekcija žymiai padidino ryžių derlių, ypač Azijoje. Pusiau žemaūgių ryžių veislių, tokių kaip IR8, sukūrimas buvo didelis proveržis kovoje su maisto nepritekliumi.
- Kukurūzai: Atrankinė selekcija pavertė kukurūzus iš palyginti neproduktyvaus pasėlio į vieną svarbiausių pasėlių pasaulyje. Šiuolaikinės kukurūzų veislės yra daug produktyvesnės, atsparesnės ligoms ir atsparesnės stresui nei jų protėviai. Hibridiniai kukurūzai, kurie gaminami kryžminant dvi skirtingas įgimtas linijas, pasižymi dideliu hibridinės jėgos lygiu.
- Pomidorai: Atrankinė selekcija sukūrė platų pomidorų veislių asortimentą su įvairiomis formomis, dydžiais, spalvomis ir skoniais. Selekcininkai taip pat sukūrė pomidorų veisles, kurios yra atsparios dažnoms ligoms ir kenkėjams.
- Gyvuliai: Atrankinė selekcija buvo naudojama siekiant pagerinti gyvulių produktyvumą ir kokybę šimtmečius. Pavyzdžiui, selekcininkai atrinko karves, kurios duoda daugiau pieno, vištas, kurios deda daugiau kiaušinių, ir kiaules, kurios auga greičiau ir liesiau.
Tai tik keli atrankinės selekcijos sėkmės istorijų pavyzdžiai. Atrankinė selekcija atliko svarbų vaidmenį gerinant maisto saugumą, mitybą ir pragyvenimo šaltinius visame pasaulyje.
Atrankinės selekcijos privalumai ir trūkumai
Atrankinė selekcija siūlo keletą privalumų:- Relatyviai paprasta ir nebrangi: Atrankinė selekcija yra gana paprastas ir nebrangus metodas, kurį gali naudoti selekcininkai, turintys ribotus išteklius.
- Veikia su natūralia įvairove: Atrankinė selekcija veikia su natūralia genetine įvairove, jau esančia rūšyje. Tai leidžia išvengti svetimų genų įvedimo iš kitų rūšių.
- Gali pagerinti kelias savybes vienu metu: Atrankinė selekcija gali būti naudojama kelioms savybėms pagerinti vienu metu.
- Lemiamas stabilių veislių kūrimas: Atrankinė selekcija gali lemti stabilių veislių kūrimą, kurios išlaiko pageidaujamas savybes daugelį kartų.
Tačiau atrankinė selekcija taip pat turi keletą trūkumų:
- Lėtas procesas: Atrankinė selekcija gali būti lėtas procesas, kuriam reikia daugelio kartų, kad būtų pasiektas reikšmingas pagerėjimas.
- Ribojamas turimos įvairovės: Atrankinė selekcija yra ribojama genetinės įvairovės, esančios rūšyje. Jei pageidaujamos savybės nėra populiacijoje, jos negalima įvesti vien tik atrankiniu būdu.
- Gali sukelti kraujomaišos depresiją: Kraujomaiša, kuri dažnai naudojama veislėms stabilizuoti, gali sukelti kraujomaišos depresiją, kuri gali sumažinti energingumą ir vaisingumą.
- Gali netyčia atrinkti nepageidaujamas savybes: Atrankinė selekcija gali netyčia atrinkti nepageidaujamas savybes, kurios yra susijusios su pageidaujamomis savybėmis.
Šiuolaikinės technologijos, papildančios atrankinę selekciją
Nors tradicinė atrankinė selekcija išlieka pagrindine, šiuolaikinės technologijos padidina jos efektyvumą ir tikslumą:
Žymekliais paremta selekcija (MAS)
MAS naudoja DNR žymenis, susijusius su norimais genais, kad identifikuotų augalus, turinčius tuos genus, ankstyvoje vystymosi stadijoje. Tai pagreitina atrankos procesą, ypač savybėms, kurias sunku ar brangu tiesiogiai išmatuoti (pvz., atsparumas ligoms).
Genomika ir bioinformatika
Genomikos pažanga leidžia selekcininkams analizuoti visą augalų genomą, identifikuojant genus, kontroliuojančius svarbias savybes. Bioinformatikos įrankiai naudojami valdyti ir analizuoti didelius kiekius duomenų, gautų atliekant genominius tyrimus.
Didelio našumo fenotipavimas
Didelio našumo fenotipavimas naudoja automatizuotas sistemas ir jutiklius, kad greitai išmatuotų augalų savybes dideliu mastu. Tai leidžia selekcininkams įvertinti daugiau augalų tiksliau, pagerinant atrankos efektyvumą.
Dvigubi haploidai
Dvigubo haploidinio technologijos pagreitina selekcijos procesą, sukuriant visiškai homozigotinius augalus per vieną kartą. Tai pašalina poreikį daugkartinėms savaiminio apdulkinimo kartoms siekiant stabilumo.
Genomo redagavimas
Tokie metodai kaip CRISPR-Cas9 leidžia selekcininkams tiksliai redaguoti genus augaluose, įvedant norimas savybes arba pašalinant nepageidaujamas. Nors tai nėra atrankinė selekcija, genomo redagavimas gali papildyti atrankinę selekciją, sukuriant naują įvairovę arba ištaisydamas defektus.
Augalų selekcijos ateitis
Augalų selekcija susiduria su daugybe iššūkių XXI amžiuje, įskaitant:
- Klimato kaita: Kurti veisles, kurios yra prisitaikiusios prie kintančio klimato, įskaitant padidėjusią sausrą, karštį ir potvynius.
- Naujos ligos ir kenkėjai: Kurti veisles, kurios yra atsparios naujoms ir besivystančioms ligoms ir kenkėjams.
- Didėjanti maisto paklausa: Didinti pasėlių derlių, kad būtų patenkinta auganti maisto paklausa iš augančios pasaulio populiacijos.
- Tvarus žemės ūkis: Kurti veisles, kurios yra tvaresnės, reikalaujančios mažiau vandens, trąšų ir pesticidų.
- Maistinis saugumas: Gerinti pasėlių maistinį turinį, siekiant pašalinti mitybos nepakankamumą ir mikroelementų trūkumą. Biofortifikacija, procesas, kurio metu didinamas pasėlių maistinių medžiagų kiekis selekcijos ar genų inžinerijos būdu, yra svarbi strategija gerinant maistinį saugumą.
Norėdama įveikti šiuos iššūkius, augalų selekcija turės toliau diegti naujoves ir diegti naujas technologijas. Tai apima pažangių metodų, tokių kaip genomika, genų redagavimas ir didelio našumo fenotipavimas, naudojimą. Tai taip pat reikalauja bendradarbiavimo tarp selekcininkų, mokslininkų ir ūkininkų, siekiant užtikrinti, kad naujos veislės būtų gerai pritaikytos prie vietos sąlygų ir atitiktų ūkininkų poreikius.
Etiniai aspektai
Augalų selekcija taip pat kelia keletą etinių klausimų:
- Prieiga prie sėklų: Užtikrinti, kad ūkininkai turėtų prieigą prie įperkamų ir aukštos kokybės sėklų. Sėklų kompanijos dažnai patentuoja naujas veisles, o tai gali apriboti prieigą ir padidinti sėklų kainą.
- Genetinė įvairovė: Išlaikyti genetinę pasėlių įvairovę. Plačiai paplitęs kelių didelio derlingumo veislių priėmimas gali lemti genetinės įvairovės praradimą, todėl pasėliai tampa labiau pažeidžiami ligų ir kenkėjų.
- Poveikis smulkiesiems ūkininkams: Užtikrinti, kad naujos veislės būtų naudingos smulkiesiems ūkininkams besivystančiose šalyse. Kai kurioms naujoms veislėms gali prireikti brangių sąnaudų ar valdymo praktikos, kuri nėra prieinama smulkiesiems ūkininkams.
- Skaidrumas ir visuomenės įtraukimas: Įtraukti visuomenę į diskusijas apie augalų selekciją ir užtikrinti, kad procesas būtų skaidrus ir atskaitingas.
Šių etinių aspektų sprendimas yra būtinas siekiant užtikrinti, kad augalų selekcija prisidėtų prie tvaresnės ir teisingesnės maisto sistemos.