Augu selekcijas pamati: jaunu šķirņu radīšana, izmantojot selektīvo audzēšanu

Augu selekcija ir māksla un zinātne, kas maina augu īpašības, lai radītu vēlamās pazīmes. Tā tiek praktizēta tūkstošiem gadu, sākot ar agrīnajiem zemniekiem, kuri no katras ražas izvēlējās labākās sēklas nākamās paaudzes stādīšanai. Mūsdienās augu selekcija apvieno tradicionālās metodes ar mūsdienu tehnoloģijām, lai radītu uzlabotas šķirnes, kas ir produktīvākas, izturīgākas pret slimībām un spējīgākas pielāgoties dažādiem vides apstākļiem. Šis raksts sniedz visaptverošu ieskatu augu selekcijā, īpaši pievēršoties selektīvajai audzēšanai – vienai no vecākajām un plašāk lietotajām metodēm.

Kas ir selektīvā audzēšana?

Selekcija, pazīstama arī kā mākslīgā atlase, ir process, kurā tiek atlasīti augi ar vēlamām īpašībām un izmantoti kā vecāki nākamās paaudzes ražošanai. Šis process tiek atkārtots daudzās paaudzēs, pakāpeniski uzlabojot vēlamās īpašības populācijā. Atšķirībā no gēnu inženierijas, selekcija darbojas dabiskā ģenētiskajā variācijā, kas jau ir augu sugā. Tā neievieš svešus gēnus no citām sugām. Tā ir metode, kā vadīt evolūcijas procesu virzienā, kas nāk par labu cilvēkiem.

Selekcijas principi

Selekcija balstās uz vairākiem galvenajiem principiem:

• Variācija: Populācijas indivīdiem jāuzrāda interesējošo īpašību variācija. Bez variācijas nav ko atlasīt. Šī variācija rodas no ģenētiskajām atšķirībām starp indivīdiem.
• Iedzimtība: Vēlamajām īpašībām jābūt iedzimstīgām, tas nozīmē, ka tās var tikt nodotas no vecākiem pēcnācējiem. Īpašības, ko stipri ietekmē vide, var būt grūti uzlabot ar selekciju.
• Atlase: Selekcionāriem jāspēj identificēt un atlasīt indivīdus ar vislabāko vēlamo īpašību izpausmi. Tam nepieciešama rūpīga novērošana, mērīšana un novērtēšana.
• Reprodukcija: Atlasītajiem indivīdiem jāspēj vairoties, vai nu ar pašapputi, krustenisko apputi vai veģetatīvo pavairošanu.

Selekcijas posmi

Selekcijas process parasti ietver šādus posmus:

1. Selekcijas mērķu definēšana

Pirmais solis ir skaidri definēt selekcijas mērķus. Kādas ir vēlamās īpašības, kuras vēlaties uzlabot? Piemēram:

• Palielināta raža (piemēram, vairāk graudu uz auga, lielāki augļi)
• Uzlabota izturība pret slimībām (piemēram, izturība pret sēnīšu, baktēriju vai vīrusu slimībām)
• Uzlabots uzturvērtības saturs (piemēram, augstāks vitamīnu, minerālvielu vai olbaltumvielu līmenis)
• Labāka pielāgošanās konkrētām vidēm (piemēram, sausuma tolerance, izturība pret aukstumu)
• Uzlabotas kvalitātes īpašības (piemēram, labāka garša, tekstūra vai izskats)

Selekcijas mērķiem jābūt specifiskiem, izmērāmiem, sasniedzamiem, atbilstošiem un laikā ierobežotiem (SMART). Piemēram, selekcijas mērķis varētu būt kviešu šķirnes izstrāde ar par 20% augstāku graudu ražu sausuma skartās vietās piecu gadu laikā.

2. Vecāku augu atlase

Kad selekcijas mērķi ir definēti, nākamais solis ir izvēlēties vecāku augus, kuriem piemīt vēlamās īpašības. Tas ietver liela skaita augu novērtēšanu un to indivīdu izvēli, kuri vislabāk atbilst selekcijas mērķiem. Selekcionāri bieži vien vienlaicīgi ņem vērā vairākas īpašības, jo vienas īpašības uzlabošana reizēm var negatīvi ietekmēt citu. Vecāku augu avoti var būt:

• Vietējās šķirnes (landraces): Lokāli pielāgotas šķirnes, kuras zemnieki izstrādājuši daudzu paaudžu laikā. Vietējām šķirnēm bieži piemīt plaša ģenētiskā daudzveidība, un tās var būt vērtīgi gēnu avoti slimību rezistencei, stresa tolerancei un unikālām kvalitātes īpašībām.
• Mantojuma šķirnes: Atvērti apputeksnētas šķirnes, kas daudzus gadus nodotas no paaudzes paaudzē ģimenēs vai kopienās. Līdzīgi kā vietējās šķirnes, mantojuma šķirnes var būt unikālu īpašību un ģenētiskās daudzveidības avots.
• Selekcijas līnijas: Augi, kas iepriekš atlasīti un uzlaboti selekcijas programmās. Selekcijas līnijām bieži ir vēlamo īpašību kombinācija, un tās var izmantot kā vecākus, lai radītu vēl labākas šķirnes.
• Savvaļas radinieki: Savvaļas sugas, kas ir cieši saistītas ar kultivētajiem kultūraugiem. Savvaļas radinieki var būt vērtīgs gēnu avots slimību rezistencei, stresa tolerancei un citām īpašībām, kas var trūkt kultivētajās šķirnēs. Tomēr kultivēto kultūraugu krustošana ar savvaļas radiniekiem var būt sarežģīta un var prasīt īpašas metodes.
• Gēnu bankas: Sēklu vai cita augu materiāla kolekcijas, kas tiek uzturētas saglabāšanas un selekcijas nolūkos. Gēnu bankas ir svarīgs resurss selekcionāriem, kuri vēlas piekļūt plašam ģenētiskās daudzveidības klāstam. Piemēri ir Svalbāras globālā sēklu krātuve Norvēģijā un nacionālās gēnu bankas visā pasaulē.

Atlases process var balstīties uz vizuālu novērošanu, īpašību mērīšanu (piemēram, auga augstums, augļu izmērs, raža) vai laboratorijas analīzi (piemēram, slimību rezistences vai uzturvērtības pārbaude). Dažos gadījumos selekcionāri izmanto ar marķieriem atbalstītu selekciju (MAS) – metodi, kas izmanto DNS marķierus, lai identificētu augus, kuriem ir specifiski gēni vēlamajām īpašībām. MAS var paātrināt selekcijas procesu un padarīt to efektīvāku.

3. Krustošana

Pēc vecāku augu atlases nākamais solis ir to krustošana. Tas ietver ziedputekšņu pārnešanu no tēviņa vecāka uz mātītes vecāku. Konkrētā krustošanas metode ir atkarīga no augu sugas un tās reproduktīvās bioloģijas. Daži augi ir pašapputes, kas nozīmē, ka tie var apaugļoties paši. Citi ir krusteniskās apputes, kas nozīmē, ka to apaugļošanai nepieciešami ziedputekšņi no cita auga.

Krusteniskās apputes augiem selekcionāri bieži izmanto manuālu apputi, lai kontrolētu krustojumus un nodrošinātu, ka tiek izmantoti vēlamie vecāki. Tas ietver rūpīgu putekšņlapu (ziedputekšņus ražojošo orgānu) noņemšanu no mātītes vecāka, lai novērstu pašapputi, un pēc tam ziedputekšņu pārnešanu no tēviņa vecāka uz drīksnu (mātītes zieda uztverošo virsmu). Pēc tam ziedi tiek apsegti, lai novērstu nevēlamu apputi no citiem augiem vai kukaiņiem.

No krustojumiem iegūtās sēklas sauc par F1 (pirmā filiālā paaudze). F1 augi ir hibrīdi, kas nozīmē, ka tiem ir gēnu kombinācija no abiem vecākiem. F1 paaudze bieži ir viendabīga un var uzrādīt hibrīdo sparu (heterozi), kas nozīmē, ka tie ir enerģiskāki un produktīvāki nekā jebkurš no to vecākiem.

4. Pēcnācēju novērtēšana un atlase

Nākamais solis ir F1 augu audzēšana un to veiktspējas novērtēšana. Tas ietver sēklu stādīšanu laukā vai siltumnīcā un to augšanas, attīstības un ražas novērošanu. Selekcionāri rūpīgi mēra un reģistrē datus par interesējošajām īpašībām, piemēram, augu augstumu, ziedēšanas laiku, slimību rezistenci un ražu. Dažos gadījumos viņi var veikt arī laboratorijas testus, lai novērtētu kultūrauga uzturvērtību vai kvalitāti.

Pamatojoties uz savāktajiem datiem, selekcionāri atlasa vislabāk veiktspējīgos augus, ko izmantot kā vecākus nākamajai paaudzei. Šis process tiek atkārtots vairākās paaudzēs, pakāpeniski uzlabojot vēlamās īpašības populācijā. Katrā paaudzē selekcionāri atlasa tos augus, kas vislabāk atbilst selekcijas mērķiem, un atmet pārējos.

Atlases process var būt sarežģīts, jo F1 paaudze bieži segregējas dažādās īpašībās. Tas nozīmē, ka F1 augu pēcnācēji uzrādīs plašu variāciju diapazonu, apgrūtinot labāko indivīdu identificēšanu. Selekcionāri bieži audzē lielas augu populācijas, lai palielinātu iespējas atrast vēlamo īpašību kombināciju.

5. Šķirnes stabilizēšana

Pēc vairākām atlases paaudzēm iegūtie augi kļūs viendabīgāki un stabilāki attiecībā uz vēlamajām īpašībām. Tas nozīmē, ka pēcnācēji vairāk līdzināsies saviem vecākiem. Lai stabilizētu šķirni, selekcionāri bieži izmanto inbrīdingu, kas ietver augu krustošanu ar sevi vai ar cieši radniecīgiem indivīdiem. Inbrīdēšana palielina augu homozigotiskumu, kas nozīmē, ka tiem ir vairāk identisku katra gēna kopiju. Tas samazina ģenētisko variāciju populācijā un padara šķirni prognozējamāku.

Inbrīdēšanai var būt arī negatīvas sekas, piemēram, samazināts spēks un auglība. To sauc par inbrīdingu depresiju. Lai izvairītos no inbrīdingu depresijas, selekcionāri bieži izmanto citas metodes, piemēram, viena sēklu atvasināšanu (SSD), kas ietver vienas sēklas atlasi no katra auga katrā paaudzē. SSD ļauj selekcionāriem saglabāt lielu ģenētiskās daudzveidības apjomu, vienlaikus pakāpeniski uzlabojot vēlamās īpašības.

6. Pārbaude un izlaišana

Kad šķirne ir stabilizēta, tā ir jāpārbauda, lai nodrošinātu tās labu veiktspēju dažādās vidēs un dažādās apsaimniekošanas praksēs. Tas ietver lauka izmēģinājumu veikšanu vairākās vietās un jaunās šķirnes veiktspējas salīdzināšanu ar esošajām šķirnēm. Izmēģinājumi ir paredzēti, lai novērtētu jaunās šķirnes ražu, izturību pret slimībām, kvalitāti un pielāgojamību.

Ja jaunā šķirne izmēģinājumos uzrāda labu veiktspēju, to var izlaist zemniekiem. Izlaišanas process parasti ietver oficiālu reģistrāciju vai sertifikāciju no valsts aģentūras. Tas nodrošina, ka šķirne atbilst noteiktiem kvalitātes un veiktspējas standartiem. Selekcionāriem ir jāizstrādā arī sēklu ražošanas un izplatīšanas stratēģija, lai nodrošinātu zemniekiem piekļuvi jaunajai šķirnei.

Selekcijas veiksmes stāstu piemēri

Selekcija ir bijusi ļoti svarīga, uzlabojot kultūraugus un mājlopus visā pasaulē. Šeit ir daži piemēri:

• Kvieši: Selekcija ir dramatiski palielinājusi kviešu ražu pēdējā gadsimta laikā. Mūsdienu kviešu šķirnes ir produktīvākas, izturīgākas pret slimībām un pielāgotākas plašākam vides apstākļu diapazonam nekā to priekšgājējas. Zaļā revolūcija, ko vadīja Normans Borlaugs, lielā mērā balstījās uz augstražīgu kviešu šķirņu selekciju, lai cīnītos pret badu jaunattīstības valstīs.
• Rīsi: Līdzīgi kā kviešiem, selekcija ir ievērojami palielinājusi rīsu ražu, īpaši Āzijā. Pussīko rīsu šķirņu, piemēram, IR8, izstrāde bija liels sasniegums cīņā pret pārtikas neskaidrību.
• Kukurūza: Selekcija ir pārveidojusi kukurūzu no salīdzinoši neproduktīvas kultūras par vienu no svarīgākajām kultūrām pasaulē. Mūsdienu kukurūzas šķirnes ir daudz produktīvākas, izturīgākas pret slimībām un izturīgākas pret stresu nekā to priekšteči. Hibrīdā kukurūza, ko iegūst, krustojot divas dažādas inbrīdas līnijas, uzrāda augstu hibrīdā spara līmeni.
• Tomāti: Selekcija ir radījusi plašu tomātu šķirņu klāstu ar dažādām formām, izmēriem, krāsām un garšām. Selekcionāri ir izstrādājuši arī tomātu šķirnes, kas ir izturīgas pret biežām slimībām un kaitēkļiem.
• Mājlopi: Selekcija ir izmantota, lai uzlabotu mājlopu produktivitāti un kvalitāti gadsimtiem ilgi. Piemēram, selekcionāri ir atlasījuši govis, kas ražo vairāk piena, vistas, kas dēj vairāk olu, un cūkas, kas aug ātrāk un ir liesākas.

Šie ir tikai daži no daudzajiem selekcijas veiksmes stāstiem. Selekcija ir spēlējusi izšķirošu lomu pārtikas nodrošināšanas, uztura un iztikas uzlabošanā visā pasaulē.

Selekcijas priekšrocības un trūkumi

Selekcija piedāvā vairākas priekšrocības:

• Salīdzinoši vienkārša un lēta: Selekcija ir salīdzinoši vienkārša un lēta metode, ko var izmantot selekcionāri ar ierobežotiem resursiem.
• Darbojas dabiskā variācijā: Selekcija darbojas dabiskā ģenētiskajā variācijā, kas jau ir sugā. Tas novērš nepieciešamību ieviest svešus gēnus no citām sugām.
• Var uzlabot vairākas īpašības vienlaicīgi: Selekciju var izmantot, lai vienlaicīgi uzlabotu vairākas īpašības.
• Veido stabilas šķirnes: Selekcija var novest pie stabilu šķirņu izstrādes, kas saglabā savas vēlamās īpašības daudzu paaudžu laikā.

Tomēr selekcijai ir arī daži trūkumi:

• Lēns process: Selekcija var būt lēns process, kam nepieciešamas daudzas paaudzes, lai sasniegtu ievērojamus uzlabojumus.
• Ierobežota ar pieejamo variāciju: Selekcija ir ierobežota ar pieejamās ģenētiskās variācijas apjomu sugā. Ja vēlamā īpašība nav sastopama populācijā, to nevar ieviest tikai ar selekciju.
• Var izraisīt inbrīdingu depresiju: Inbrīdēšana, ko bieži izmanto šķirņu stabilizēšanai, var izraisīt inbrīdingu depresiju, kas var samazināt sparu un auglību.
• Var netīši atlasīt nevēlamas īpašības: Selekcija var netīši atlasīt nevēlamas īpašības, kas ir saistītas ar vēlamajām īpašībām.

Mūsdienu metodes, kas papildina selekciju

Lai gan tradicionālā selekcija joprojām ir būtiska, mūsdienu tehnoloģijas uzlabo tās efektivitāti un precizitāti:

Ar marķieriem atbalstīta selekcija (MAS)

MAS izmanto DNS marķierus, kas saistīti ar vēlamajiem gēniem, lai identificētu augus, kuriem piemīt šie gēni agrīnā attīstības stadijā. Tas paātrina atlases procesu, īpaši attiecībā uz īpašībām, kuras ir grūti vai dārgi tieši izmērīt (piemēram, izturību pret slimībām).

Genomika un bioinformātika

Genomikas attīstība ļauj selekcionāriem analizēt visu augu genomu, identificējot gēnus, kas kontrolē svarīgas īpašības. Bioinformātikas rīki tiek izmantoti, lai pārvaldītu un analizētu milzīgo datu apjomu, ko ģenerē genomikas pētījumi.

Augstas caurlaidības fenotipēšana

Augstas caurlaidības fenotipēšana izmanto automatizētas sistēmas un sensorus, lai ātri mērītu augu īpašības lielā mērogā. Tas ļauj selekcionāriem precīzāk novērtēt vairāk augu, uzlabojot atlases efektivitāti.

Divkāršie haploīdi

Divkāršo haploīdu tehnoloģija paātrina selekcijas procesu, radot pilnīgi homozigotiskus augus vienā paaudzē. Tas novērš nepieciešamību pēc vairākām pašapputes paaudzēm, lai sasniegtu stabilitāti.

Genomu rediģēšana

Metodes, piemēram, CRISPR-Cas9, ļauj selekcionāriem precīzi rediģēt gēnus augos, ieviešot vēlamās īpašības vai noņemot nevēlamās. Lai gan pati par sevi nav selekcija, genomu rediģēšana var papildināt selekciju, radot jaunu variāciju vai labojot defektus.

Augu selekcijas nākotne

Augu selekcija 21. gadsimtā saskaras ar daudziem izaicinājumiem, tostarp:

• Klimata pārmaiņas: Šķirņu izstrāde, kas pielāgotas mainīgajam klimatam, tostarp palielinātam sausumam, karstumam un plūdiem.
• Jaunas slimības un kaitēkļi: Šķirņu izstrāde, kas ir izturīgas pret jaunām un attīstošām slimībām un kaitēkļiem.
• Pieaugošais pieprasījums pēc pārtikas: Palielināt ražu, lai apmierinātu pieaugošo pasaules iedzīvotāju skaita pieaugošo pieprasījumu pēc pārtikas.
• Ilgtspējīga lauksaimniecība: Šķirņu izstrāde, kas ir ilgtspējīgākas, prasa mazāk ūdens, mēslojuma un pesticīdu.
• Uztura drošība: Uzlabot kultūraugu uzturvērtību, lai risinātu nepietiekamu uzturu un mikroelementu trūkumu. Biofortifikācija, process, kurā ar selekcijas vai gēnu inženierijas palīdzību palielina kultūraugu uzturvielu saturu, ir svarīga stratēģija uztura drošības uzlabošanai.

Lai risinātu šos izaicinājumus, augu selekcijai būs jāturpina ieviest jauninājumus un pieņemt jaunas tehnoloģijas. Tas ietver progresīvu metožu, piemēram, genomikas, gēnu rediģēšanas un augstas caurlaidības fenotipēšanas izmantošanu. Tam nepieciešama arī sadarbības veicināšana starp selekcionāriem, pētniekiem un zemniekiem, lai nodrošinātu, ka jaunās šķirnes ir labi pielāgotas vietējiem apstākļiem un atbilst zemnieku vajadzībām.

Ētiskie apsvērumi

Augu selekcija rada arī vairākus ētiskus apsvērumus:

• Piekļuve sēklām: Nodrošināt zemniekiem piekļuvi pieejamām un augstas kvalitātes sēklām. Sēklu uzņēmumi bieži patentē jaunas šķirnes, kas var ierobežot piekļuvi un palielināt sēklu izmaksas.
• Ģenētiskā daudzveidība: Saglabāt ģenētisko daudzveidību kultūraugos. Dažu augstražīgu šķirņu plaša pieņemšana var izraisīt ģenētiskās daudzveidības zudumu, padarot kultūraugus neaizsargātākus pret slimībām un kaitēkļiem.
• Ietekme uz mazajām saimniecībām: Nodrošināt, ka jaunās šķirnes nāk par labu mazajām saimniecībām jaunattīstības valstīs. Dažām jaunām šķirnēm var būt nepieciešami dārgi ieguldījumi vai apsaimniekošanas prakse, kas nav pieejama mazajām saimniecībām.
• Caurspīdīgums un sabiedrības iesaiste: Iesaistīt sabiedrību diskusijās par augu selekciju un nodrošināt, ka process ir caurspīdīgs un atbildīgs.

Šo ētisko apsvērumu risināšana ir būtiska, lai nodrošinātu, ka augu selekcija veicina ilgtspējīgāku un taisnīgāku pārtikas sistēmu.

Secinājums

Selekcija ir spēcīgs rīks augu uzlabošanai, un tai ir bijusi būtiska loma pārtikas ražošanas palielināšanā un cilvēku labklājības uzlabošanā. Izprotot selekcijas principus un metodes, selekcionāri var izstrādāt uzlabotas šķirnes, kas ir produktīvākas, izturīgākas pret slimībām un spējīgākas pielāgoties mainīgajai videi. Tā kā mēs saskaramies ar jauniem izaicinājumiem, piemēram, klimata pārmaiņām un pieaugošu pasaules iedzīvotāju skaitu, augu selekcija joprojām būs būtiska, lai nodrošinātu pārtikas drošību un ilgtspējīgu nākotni. Mūsdienu tehnoloģiju integrācija apvienojumā ar apņemšanos ievērot ētikas un ilgtspējīgas prakses būs izšķiroša, lai maksimāli palielinātu augu selekcijas ieguvumus visiem.