Grondbeginselen van plantenveredeling: het creëren van nieuwe variëteiten door middel van selectieve veredeling

Plantenveredeling is de kunst en wetenschap van het veranderen van de eigenschappen van planten om gewenste kenmerken te produceren. Het wordt al duizenden jaren beoefend, te beginnen met vroege boeren die de beste zaden van elke oogst selecteerden om de volgende generatie te planten. Tegenwoordig combineert plantenveredeling traditionele technieken met moderne technologieën om verbeterde variëteiten te creëren die productiever, ziekteresistent en aanpasbaar zijn aan verschillende omgevingsomstandigheden. Dit artikel geeft een uitgebreid overzicht van plantenveredeling, met de nadruk op selectieve veredeling, een van de oudste en meest gebruikte methoden.

Wat is selectieve veredeling?

Selectieve veredeling, ook bekend als kunstmatige selectie, is het proces waarbij planten met gewenste eigenschappen worden geselecteerd en als ouders worden gebruikt om de volgende generatie te produceren. Dit proces wordt vele generaties lang herhaald, waardoor de gewenste eigenschappen in de populatie geleidelijk worden verbeterd. In tegenstelling tot genetische manipulatie werkt selectieve veredeling binnen de natuurlijke genetische variatie die al aanwezig is binnen een plantensoort. Het introduceert geen vreemde genen van andere soorten. Het is een methode om het evolutionaire proces in een richting te sturen die de mens ten goede komt.

De principes van selectieve veredeling

Selectieve veredeling berust op verschillende kernprincipes:

• Variatie: Individuen binnen een populatie moeten variatie vertonen in de eigenschappen van interesse. Zonder variatie is er niets om te selecteren. Deze variatie ontstaat uit genetische verschillen tussen individuen.
• Erfelijkheid: De gewenste eigenschappen moeten erfelijk zijn, wat betekent dat ze van ouders op nakomelingen kunnen worden doorgegeven. Eigenschappen die sterk worden beïnvloed door de omgeving, kunnen moeilijk te verbeteren zijn door selectieve veredeling.
• Selectie: Verdelers moeten in staat zijn om individuen met de beste expressie van de gewenste eigenschappen te identificeren en te selecteren. Dit vereist zorgvuldige observatie, meting en evaluatie.
• Voortplanting: Geselecteerde individuen moeten zich kunnen voortplanten, hetzij door zelfbestuiving, kruisbestuiving of vegetatieve voortplanting.

Stappen in selectieve veredeling

Het proces van selectieve veredeling omvat doorgaans de volgende stappen:

1. Veredelingsdoelstellingen definiëren

De eerste stap is om de veredelingsdoelstellingen duidelijk te definiëren. Wat zijn de gewenste eigenschappen die u wilt verbeteren? Voorbeelden hiervan zijn:

• Verhoogde opbrengst (bijv. meer granen per plant, grotere vruchten)
• Verbeterde ziekteresistentie (bijv. resistentie tegen schimmel-, bacteriële of virale ziekten)
• Verbeterde voedingswaarde (bijv. hogere niveaus van vitamines, mineralen of eiwitten)
• Betere aanpassing aan specifieke omgevingen (bijv. droogtetolerantie, koudebestendigheid)
• Verbeterde kwaliteitseigenschappen (bijv. betere smaak, textuur of uiterlijk)

Veredelingsdoelstellingen moeten specifiek, meetbaar, haalbaar, relevant en tijdgebonden (SMART) zijn. Een veredelingsdoel kan bijvoorbeeld zijn om binnen vijf jaar een tarwevariëteit te ontwikkelen met een 20% hogere graanopbrengst in droge gebieden.

2. Ouderplanten selecteren

Zodra de veredelingsdoelstellingen zijn gedefinieerd, is de volgende stap het selecteren van ouderplanten die de gewenste eigenschappen bezitten. Dit omvat het evalueren van een groot aantal planten en het kiezen van de individuen die het best voldoen aan de veredelingsdoelstellingen. Verdelers houden vaak rekening met meerdere eigenschappen tegelijk, aangezien het verbeteren van de ene eigenschap soms een negatieve invloed kan hebben op de andere. Bronnen van ouderplanten kunnen zijn:

• Landrassen: Lokaal aangepaste variëteiten die door boeren over generaties zijn ontwikkeld. Landrassen bezitten vaak een breed scala aan genetische diversiteit en kunnen waardevolle bronnen zijn van genen voor ziekteresistentie, stresstolerantie en unieke kwaliteitseigenschappen.
• Erfgoedvariëteiten: Open bestoven variëteiten die vele jaren lang door families of gemeenschappen zijn doorgegeven. Net als landrassen kunnen erfgoedvariëteiten een bron zijn van unieke eigenschappen en genetische diversiteit.
• Veredelingslijnen: Planten die eerder zijn geselecteerd en verbeterd door middel van veredelingsprogramma's. Veredelingslijnen hebben vaak een combinatie van gewenste eigenschappen en kunnen worden gebruikt als ouders om nog betere variëteiten te creëren.
• Wilde verwanten: Wilde soorten die nauw verwant zijn aan gecultiveerde gewassen. Wilde verwanten kunnen een waardevolle bron zijn van genen voor ziekteresistentie, stresstolerantie en andere eigenschappen die mogelijk afwezig zijn in gecultiveerde variëteiten. Het kruisen van gecultiveerde gewassen met wilde verwanten kan echter een uitdaging zijn en kan speciale technieken vereisen.
• Genenbanken: Verzamelingen van zaden of ander plantmateriaal die worden onderhouden voor conservatie- en veredelingsdoeleinden. Genenbanken zijn een belangrijke bron voor verdelers die een breed scala aan genetische diversiteit willen benutten. Voorbeelden zijn de Svalbard Global Seed Vault in Noorwegen en nationale genenbanken over de hele wereld.

Het selectieproces kan gebaseerd zijn op visuele observatie, meting van eigenschappen (bijvoorbeeld plantenhoogte, vruchtgrootte, opbrengst) of laboratoriumanalyse (bijvoorbeeld testen op ziekteresistentie of voedingswaarde). In sommige gevallen gebruiken verdelers marker-ondersteunde selectie (MAS), een techniek die DNA-markers gebruikt om planten te identificeren die specifieke genen voor gewenste eigenschappen dragen. MAS kan het veredelingsproces versnellen en efficiënter maken.

3. Kruisingen maken

Na het selecteren van de ouderplanten is de volgende stap het maken van kruisingen tussen hen. Dit houdt in dat pollen van de mannelijke ouder wordt overgebracht naar de vrouwelijke ouder. De specifieke methode die voor kruisingen wordt gebruikt, hangt af van de plantensoort en zijn voortplantingsbiologie. Sommige planten zijn zelfbestuivend, wat betekent dat ze zichzelf kunnen bevruchten. Andere zijn kruisbestuivend, wat betekent dat ze pollen van een andere plant nodig hebben om bevrucht te worden.

Bij kruisbestuivende planten gebruiken verdelers vaak handbestuiving om de kruisingen te beheersen en ervoor te zorgen dat de gewenste ouders worden gebruikt. Dit houdt in dat de helmknop (pollenproducerende organen) van de vrouwelijke ouder zorgvuldig worden verwijderd om zelfbestuiving te voorkomen en vervolgens pollen van de mannelijke ouder naar de stempel (het ontvankelijke oppervlak van de vrouwelijke bloem) wordt overgebracht. De bloemen worden vervolgens bedekt om ongewenste bestuiving door andere planten of insecten te voorkomen.

De zaden die uit de kruisingen worden geproduceerd, worden F1 (eerste filiale generatie) genoemd. De F1-planten zijn hybriden, wat betekent dat ze een combinatie hebben van genen van beide ouders. De F1-generatie is vaak uniform en kan hybride kracht (heterosis) vertonen, wat betekent dat ze krachtiger en productiever zijn dan beide ouders.

4. Nakomelingen evalueren en selecteren

De volgende stap is om de F1-planten te laten groeien en hun prestaties te evalueren. Dit houdt in dat de zaden in een veld of kas worden geplant en hun groei, ontwikkeling en opbrengst worden geobserveerd. Verdelers meten en registreren zorgvuldig gegevens over de eigenschappen van belang, zoals plantenhoogte, bloeitijd, ziekteresistentie en opbrengst. In sommige gevallen kunnen ze ook laboratoriumtests uitvoeren om de voedingswaarde of kwaliteit van het gewas te beoordelen.

Op basis van de verzamelde gegevens selecteren verdelers de best presterende planten om als ouders te gebruiken voor de volgende generatie. Dit proces wordt gedurende verschillende generaties herhaald, waardoor de gewenste eigenschappen in de populatie geleidelijk worden verbeterd. In elke generatie selecteren verdelers de planten die het best voldoen aan de veredelingsdoelstellingen en verwerpen ze de rest.

Het selectieproces kan een uitdaging zijn, omdat de F1-generatie vaak segregeert voor verschillende eigenschappen. Dit betekent dat de nakomelingen van de F1-planten een breed scala aan variatie zullen vertonen, waardoor het moeilijk wordt om de beste individuen te identificeren. Verdelers kweken vaak grote populaties planten om de kans op het vinden van de gewenste combinatie van eigenschappen te vergroten.

5. De variëteit stabiliseren

Na verschillende selectiegeneraties zullen de resulterende planten uniformer en stabieler worden voor de gewenste eigenschappen. Dit betekent dat de nakomelingen meer op hun ouders zullen lijken. Om een variëteit te stabiliseren, gebruiken verdelers vaak inteelt, waarbij planten met zichzelf of met nauw verwante individuen worden gekruist. Inteelt verhoogt de homozygotie van de planten, wat betekent dat ze meer identieke kopieën van elk gen hebben. Dit vermindert de genetische variatie in de populatie en maakt de variëteit voorspelbaarder.

Inteelt kan ook negatieve effecten hebben, zoals verminderde kracht en vruchtbaarheid. Dit staat bekend als inteeltdepressie. Om inteeltdepressie te voorkomen, gebruiken verdelers vaak andere technieken, zoals single seed descent (SSD), waarbij één zaad van elke plant in elke generatie wordt geselecteerd. SSD stelt verdelers in staat om een grote hoeveelheid genetische diversiteit te behouden en tegelijkertijd geleidelijk de gewenste eigenschappen te verbeteren.

6. Testen en vrijgeven

Zodra een variëteit is gestabiliseerd, moet deze worden getest om ervoor te zorgen dat deze goed presteert in verschillende omgevingen en onder verschillende beheerspraktijken. Dit houdt in dat er veldproeven worden uitgevoerd op meerdere locaties en dat de prestaties van de nieuwe variëteit worden vergeleken met bestaande variëteiten. De proeven zijn bedoeld om de opbrengst, ziekteresistentie, kwaliteit en aanpasbaarheid van de nieuwe variëteit te beoordelen.

Als de nieuwe variëteit goed presteert in de proeven, kan deze aan boeren worden vrijgegeven. Het vrijgaveproces omvat doorgaans het verkrijgen van officiële registratie of certificering van een overheidsinstantie. Dit zorgt ervoor dat de variëteit voldoet aan bepaalde normen voor kwaliteit en prestaties. Verdelers moeten ook een strategie ontwikkelen voor zaadproductie en -distributie om ervoor te zorgen dat boeren toegang hebben tot de nieuwe variëteit.

Voorbeelden van succesverhalen van selectieve veredeling

Selectieve veredeling is van cruciaal belang geweest bij het verbeteren van gewassen en vee over de hele wereld. Hier zijn een paar voorbeelden:

• Tarwe: Selectieve veredeling heeft de tarweopbrengsten de afgelopen eeuw drastisch verhoogd. Moderne tarwevariëteiten zijn productiever, ziekteresistenter en aangepast aan een breder scala aan omgevingen dan hun voorgangers. De Groene Revolutie, onder leiding van Norman Borlaug, vertrouwde sterk op selectieve veredeling van hoogproductieve tarwevariëteiten om de honger in ontwikkelingslanden te bestrijden.
• Rijst: Net als tarwe heeft selectieve veredeling de rijstopbrengsten aanzienlijk verhoogd, met name in Azië. De ontwikkeling van semi-dwergrijstvariëteiten, zoals IR8, was een belangrijke doorbraak in de strijd tegen voedselonzekerheid.
• Maïs (maïs): Selectieve veredeling heeft maïs getransformeerd van een relatief onproductief gewas in een van de belangrijkste gewassen ter wereld. Moderne maïsvariëteiten zijn veel productiever, ziekteresistenter en toleranter voor stress dan hun voorouders. Hybride maïs, die wordt geproduceerd door twee verschillende ingeteelde lijnen te kruisen, vertoont een hoog niveau van hybride kracht.
• Tomaten: Selectieve veredeling heeft geresulteerd in een breed scala aan tomatenvariëteiten met diverse vormen, maten, kleuren en smaken. Verdelers hebben ook tomatenvariëteiten ontwikkeld die resistent zijn tegen veel voorkomende ziekten en plagen.
• Vee: Selectieve veredeling wordt al eeuwenlang gebruikt om de productiviteit en kwaliteit van vee te verbeteren. Verdelers hebben bijvoorbeeld geselecteerd voor koeien die meer melk produceren, kippen die meer eieren leggen en varkens die sneller en magerder groeien.

Dit zijn slechts enkele voorbeelden van de vele succesverhalen van selectieve veredeling. Selectieve veredeling heeft een cruciale rol gespeeld bij het verbeteren van voedselzekerheid, voeding en levensonderhoud over de hele wereld.

Voordelen en nadelen van selectieve veredeling

Selectieve veredeling biedt verschillende voordelen:

• Relatief eenvoudig en goedkoop: Selectieve veredeling is een relatief eenvoudige en goedkope techniek die kan worden gebruikt door verdelers met beperkte middelen.
• Werkt binnen natuurlijke variatie: Selectieve veredeling werkt binnen de natuurlijke genetische variatie die al binnen een soort aanwezig is. Dit voorkomt de noodzaak om vreemde genen van andere soorten te introduceren.
• Kan meerdere eigenschappen tegelijkertijd verbeteren: Selectieve veredeling kan worden gebruikt om meerdere eigenschappen tegelijkertijd te verbeteren.
• Leidt tot stabiele variëteiten: Selectieve veredeling kan leiden tot de ontwikkeling van stabiele variëteiten die hun gewenste eigenschappen gedurende vele generaties behouden.

Selectieve veredeling heeft echter ook enkele nadelen:

• Langzaam proces: Selectieve veredeling kan een langzaam proces zijn, waarvoor vele generaties nodig zijn om significante verbeteringen te bereiken.
• Beperkt door beschikbare variatie: Selectieve veredeling wordt beperkt door de hoeveelheid genetische variatie die binnen een soort beschikbaar is. Als een gewenste eigenschap niet aanwezig is in de populatie, kan deze niet alleen door selectieve veredeling worden geïntroduceerd.
• Kan leiden tot inteeltdepressie: Inteelt, die vaak wordt gebruikt om variëteiten te stabiliseren, kan leiden tot inteeltdepressie, wat de kracht en vruchtbaarheid kan verminderen.
• Kan onbedoeld selecteren op ongewenste eigenschappen: Selectieve veredeling kan onbedoeld selecteren op ongewenste eigenschappen die gekoppeld zijn aan de gewenste eigenschappen.

Moderne technieken die selectieve veredeling aanvullen

Hoewel traditionele selectieve veredeling fundamenteel blijft, verbeteren moderne technologieën de efficiëntie en precisie:

Marker-ondersteunde selectie (MAS)

MAS gebruikt DNA-markers gekoppeld aan gewenste genen om planten te identificeren die die genen al in een vroeg stadium van de ontwikkeling bezitten. Dit versnelt het selectieproces, vooral voor eigenschappen die moeilijk of duur zijn om direct te meten (bijv. ziekteresistentie).

Genomics en bio-informatica

Vooruitgang in de genomics stelt verdelers in staat om het hele genoom van planten te analyseren, waarbij genen worden geïdentificeerd die belangrijke eigenschappen controleren. Bio-informaticatools worden gebruikt om de enorme hoeveelheden gegevens die door genomische studies worden gegenereerd, te beheren en te analyseren.

High-throughput fenotypering

High-throughput fenotypering gebruikt geautomatiseerde systemen en sensoren om planteneigenschappen snel op grote schaal te meten. Dit stelt verdelers in staat om meer planten nauwkeuriger te evalueren, waardoor de selectie-efficiëntie wordt verbeterd.

Verdubbelde haploïden

Verdubbelde haploïde technologie versnelt het veredelingsproces door volledig homozygote planten in één generatie te creëren. Dit elimineert de behoefte aan meerdere generaties van zelfbestuiving om stabiliteit te bereiken.

Genoom bewerken

Technieken zoals CRISPR-Cas9 stellen verdelers in staat om genen in planten nauwkeurig te bewerken, waarbij gewenste eigenschappen worden geïntroduceerd of ongewenste worden verwijderd. Hoewel het geen selectieve veredeling op zich is, kan genoom bewerken selectieve veredeling aanvullen door nieuwe variatie te creëren of defecten te corrigeren.

De toekomst van plantenveredeling

Plantenveredeling staat in de 21e eeuw voor tal van uitdagingen, waaronder:

• Klimaatverandering: Het ontwikkelen van variëteiten die zijn aangepast aan veranderende klimaten, waaronder meer droogte, hitte en overstromingen.
• Opkomende ziekten en plagen: Het ontwikkelen van variëteiten die resistent zijn tegen nieuwe en evoluerende ziekten en plagen.
• Toenemende vraag naar voedsel: Het verhogen van de gewasopbrengsten om te voldoen aan de groeiende vraag naar voedsel van een groeiende wereldbevolking.
• Duurzame landbouw: Het ontwikkelen van variëteiten die duurzamer zijn en minder water, kunstmest en pesticiden vereisen.
• Voedselzekerheid: Het verbeteren van de voedingswaarde van gewassen om ondervoeding en micronutriënttekorten aan te pakken. Bioversterking, het proces waarbij de voedingswaarde van gewassen wordt verhoogd door middel van veredeling of genetische manipulatie, is een belangrijke strategie voor het verbeteren van de voedselzekerheid.

Om deze uitdagingen aan te pakken, zal plantenveredeling moeten blijven innoveren en nieuwe technologieën toepassen. Dit omvat het gebruik van geavanceerde technieken zoals genomics, genbewerking en high-throughput fenotypering. Het vereist ook het bevorderen van samenwerking tussen verdelers, onderzoekers en boeren om ervoor te zorgen dat nieuwe variëteiten goed zijn aangepast aan lokale omstandigheden en voldoen aan de behoeften van boeren.

Ethische overwegingen

Plantenveredeling roept ook verschillende ethische overwegingen op:

• Toegang tot zaden: Ervoor zorgen dat boeren toegang hebben tot betaalbare en hoogwaardige zaden. Zaadbedrijven patenteren vaak nieuwe variëteiten, wat de toegang kan beperken en de kosten van zaden kan verhogen.
• Genetische diversiteit: Het behoud van genetische diversiteit in gewassen. De wijdverbreide adoptie van een paar hoogproductieve variëteiten kan leiden tot verlies van genetische diversiteit, waardoor gewassen kwetsbaarder worden voor ziekten en plagen.
• Impact op kleine boeren: Ervoor zorgen dat nieuwe variëteiten kleine boeren in ontwikkelingslanden ten goede komen. Sommige nieuwe variëteiten vereisen mogelijk dure inputs of beheerspraktijken die niet toegankelijk zijn voor kleine boeren.
• Transparantie en publieke betrokkenheid: Het betrekken van het publiek bij discussies over plantenveredeling en ervoor zorgen dat het proces transparant en verantwoordelijk is.

Het aanpakken van deze ethische overwegingen is essentieel om ervoor te zorgen dat plantenveredeling bijdraagt aan een duurzamer en rechtvaardiger voedselsysteem.

Conclusie

Selectieve veredeling is een krachtig hulpmiddel voor het verbeteren van planten en heeft een cruciale rol gespeeld bij het verhogen van de voedselproductie en het verbeteren van het welzijn van de mens. Door de principes en technieken van selectieve veredeling te begrijpen, kunnen verdelers verbeterde variëteiten ontwikkelen die productiever, ziekteresistenter en aanpasbaarder zijn aan veranderende omgevingen. Nu we voor nieuwe uitdagingen staan, zoals klimaatverandering en een groeiende wereldbevolking, zal plantenveredeling essentieel blijven voor het waarborgen van voedselzekerheid en een duurzame toekomst. De integratie van moderne technologieën, in combinatie met een toewijding aan ethische en duurzame praktijken, zal cruciaal zijn om de voordelen van plantenveredeling voor iedereen te maximaliseren.