Grunnleggende om planteforedling: Skape nye varianter gjennom selektiv foredling

Planteforedling er kunsten og vitenskapen om å endre egenskapene til planter for å produsere ønskede egenskaper. Det har blitt praktisert i tusenvis av år, og startet med tidlige bønder som valgte de beste frøene fra hver høst for å plante neste generasjon. I dag kombinerer planteforedling tradisjonelle teknikker med moderne teknologier for å skape forbedrede varianter som er mer produktive, sykdomsresistente og tilpasningsdyktige til ulike miljøforhold. Denne artikkelen gir en omfattende oversikt over planteforedling, med fokus på selektiv foredling, en av de eldste og mest brukte metodene.

Hva er selektiv foredling?

Selektiv foredling, også kjent som kunstig seleksjon, er prosessen med å velge planter med ønskelige egenskaper og bruke dem som foreldre for å produsere neste generasjon. Denne prosessen gjentas over mange generasjoner, og forbedrer gradvis de ønskede egenskapene i populasjonen. I motsetning til genteknologi, fungerer selektiv foredling innenfor den naturlige genetiske variasjonen som allerede finnes i en plantearter. Det introduserer ikke fremmede gener fra andre arter. Det er en metode for å veilede den evolusjonære prosessen i en retning som gagner mennesker.

Prinsippene for selektiv foredling

Selektiv foredling er avhengig av flere nøkkelprinsipper:

• Variasjon: Individer innenfor en populasjon må vise variasjon i egenskapene av interesse. Uten variasjon er det ingenting å velge etter. Denne variasjonen oppstår fra genetiske forskjeller mellom individer.
• Arvelighet: De ønskede egenskapene må være arvelige, noe som betyr at de kan overføres fra foreldre til avkom. Egenskaper som er sterkt påvirket av miljøet kan være vanskelige å forbedre gjennom selektiv foredling.
• Seleksjon: Foreldere må være i stand til å identifisere og velge individer med det beste uttrykket for de ønskede egenskapene. Dette krever nøye observasjon, måling og evaluering.
• Reproduksjon: Utvalgte individer må være i stand til å reprodusere seg, enten gjennom selvpollinering, krysspollinering eller vegetativ formering.

Trinn i selektiv foredling

Prosessen med selektiv foredling innebærer vanligvis følgende trinn:

1. Definere foredlingsmål

Det første trinnet er å tydelig definere foredlingsmålene. Hva er de ønskede egenskapene du vil forbedre? Eksempler inkluderer:

• Økt avling (f.eks. flere korn per plante, større frukter)
• Forbedret sykdomsresistens (f.eks. resistens mot sopp-, bakterie- eller virussykdommer)
• Forbedret næringsinnhold (f.eks. høyere nivåer av vitaminer, mineraler eller proteiner)
• Bedre tilpasning til spesifikke miljøer (f.eks. tørketoleranse, kuldeherdighet)
• Forbedrede kvalitetsegenskaper (f.eks. bedre smak, tekstur eller utseende)

Foredlingsmål bør være spesifikke, målbare, oppnåelige, relevante og tidsbundne (SMART). For eksempel kan et foredlingsmål være å utvikle en hvetevariant med 20 % høyere kornavling i tørkeutsatte områder innen fem år.

2. Velge foreldreplanter

Når foredlingsmålene er definert, er neste trinn å velge foreldreplanter som besitter de ønskede egenskapene. Dette innebærer å evaluere et stort antall planter og velge de individene som best oppfyller foredlingsmålene. Foreldere vurderer ofte flere egenskaper samtidig, da forbedring av en egenskap noen ganger kan påvirke en annen negativt. Kilder til foreldreplanter kan inkludere:

• Landraser: Lokalt tilpassede varianter som har blitt utviklet av bønder over generasjoner. Landraser har ofte et bredt spekter av genetisk mangfold og kan være verdifulle kilder til gener for sykdomsresistens, stresstoleranse og unike kvalitetsegenskaper.
• Arvevarianter: Åpenpollinerte varianter som har blitt overlevert gjennom familier eller lokalsamfunn i mange år. I likhet med landraser kan arvevarianter være en kilde til unike egenskaper og genetisk mangfold.
• Foredlingslinjer: Planter som tidligere er valgt og forbedret gjennom foredlingsprogrammer. Foredlingslinjer har ofte en kombinasjon av ønskelige egenskaper og kan brukes som foreldre for å skape enda bedre varianter.
• Ville slektninger: Ville arter som er nært beslektet med dyrkede avlinger. Ville slektninger kan være en verdifull kilde til gener for sykdomsresistens, stresstoleranse og andre egenskaper som kan mangle i dyrkede varianter. Kryssing av dyrkede avlinger med ville slektninger kan imidlertid være utfordrende og kan kreve spesielle teknikker.
• Genbanker: Samlinger av frø eller annet plantemateriale som oppbevares for bevaring og foredlingsformål. Genbanker er en viktig ressurs for foredlere som ønsker å få tilgang til et bredt spekter av genetisk mangfold. Eksempler inkluderer Svalbard globale frøhvelv i Norge og nasjonale genbanker rundt om i verden.

Utvelgelsesprosessen kan være basert på visuell observasjon, måling av egenskaper (f.eks. plantehøyde, fruktstørrelse, avling) eller laboratorieanalyse (f.eks. testing for sykdomsresistens eller næringsinnhold). I noen tilfeller bruker foreldere markørassistert seleksjon (MAS), en teknikk som bruker DNA-markører for å identifisere planter som bærer spesifikke gener for ønskede egenskaper. MAS kan fremskynde foredlingsprosessen og gjøre den mer effektiv.

3. Gjøre kryssinger

Etter å ha valgt foreldreplantene, er neste trinn å krysse dem. Dette innebærer å overføre pollen fra hannforelderen til hunnforelderen. Den spesifikke metoden som brukes for kryssing, avhenger av plantearter og dens reproduktive biologi. Noen planter er selvpollinerende, noe som betyr at de kan befrukte seg selv. Andre er kryss-pollinerende, noe som betyr at de trenger pollen fra en annen plante for å bli befruktet.

I krysspollinerende planter bruker foreldere ofte håndpollinering for å kontrollere kryssingene og sikre at de ønskede foreldrene brukes. Dette innebærer å fjerne støvbærerne (pollenproduserende organer) fra hunnforelderen for å forhindre selvpollinering og deretter overføre pollen fra hannforelderen til stigmaet (den mottakelige overflaten av hunnblomsten). Blomstene dekkes deretter for å forhindre uønsket pollinering av andre planter eller insekter.

Frøene som produseres fra kryssingene kalles F1 (første filialgenerasjon). F1-plantene er hybrider, noe som betyr at de har en kombinasjon av gener fra begge foreldrene. F1-generasjonen er ofte ensartet og kan utvise hybrid vigor (heterose), noe som betyr at de er mer kraftfulle og produktive enn noen av foreldrene.

4. Evaluere og velge avkom

Neste trinn er å dyrke F1-plantene og evaluere ytelsen deres. Dette innebærer å plante frøene i et felt eller drivhus og observere vekst, utvikling og avling. Foreldere måler og registrerer nøye data om egenskapene av interesse, som plantehøyde, blomstringstid, sykdomsresistens og avling. I noen tilfeller kan de også utføre laboratorietester for å vurdere næringsinnholdet eller kvaliteten på avlingen.

Basert på de innsamlede dataene velger foreldere de best presterende plantene til å bruke som foreldre for neste generasjon. Denne prosessen gjentas i flere generasjoner, og forbedrer gradvis de ønskede egenskapene i populasjonen. I hver generasjon velger foreldere plantene som best oppfyller foredlingsmålene og kaster resten.

Utvelgelsesprosessen kan være utfordrende, da F1-generasjonen ofte deler seg for ulike egenskaper. Dette betyr at avkommet til F1-plantene vil utvise et bredt spekter av variasjon, noe som gjør det vanskelig å identifisere de beste individene. Foreldere dyrker ofte store populasjoner av planter for å øke sjansene for å finne den ønskede kombinasjonen av egenskaper.

5. Stabilisere varianten

Etter flere generasjoner med seleksjon vil de resulterende plantene bli mer ensartede og stabile for de ønskede egenskapene. Dette betyr at avkommet vil ligne foreldrene mer. For å stabilisere en variant bruker foreldere ofte innavl, som innebærer å krysse planter med seg selv eller med nært beslektede individer. Innavl øker homozygositeten til plantene, noe som betyr at de har flere identiske kopier av hvert gen. Dette reduserer den genetiske variasjonen i populasjonen og gjør varianten mer forutsigbar.

Innavl kan også ha negative effekter, som redusert kraft og fruktbarhet. Dette er kjent som innavlsdepresjon. For å unngå innavlsdepresjon bruker foreldere ofte andre teknikker, som single seed descent (SSD), som innebærer å velge ett frø fra hver plante i hver generasjon. SSD lar foreldere opprettholde en stor mengde genetisk mangfold samtidig som de gradvis forbedrer de ønskede egenskapene.

6. Testing og utgivelse

Når en variant er stabilisert, må den testes for å sikre at den yter godt i forskjellige miljøer og under forskjellige forvaltningspraksiser. Dette innebærer å gjennomføre feltforsøk på flere steder og sammenligne ytelsen til den nye varianten med eksisterende varianter. Forsøkene er utformet for å vurdere avlingen, sykdomsresistensen, kvaliteten og tilpasningsevnen til den nye varianten.

Hvis den nye varianten presterer godt i forsøkene, kan den slippes ut til bøndene. Utgivelsesprosessen innebærer vanligvis å oppnå offisiell registrering eller sertifisering fra et offentlig organ. Dette sikrer at varianten oppfyller visse standarder for kvalitet og ytelse. Foreldere må også utvikle en strategi for frøproduksjon og distribusjon for å sikre at bøndene har tilgang til den nye varianten.

Eksempler på suksesshistorier med selektiv foredling

Selektiv foredling har vært avgjørende for å forbedre avlinger og husdyr rundt om i verden. Her er noen eksempler:

• Hvete: Selektiv foredling har økt hveteavlingene dramatisk det siste århundret. Moderne hvetevarianter er mer produktive, sykdomsresistente og tilpasset et bredere spekter av miljøer enn sine forgjengere. Den grønne revolusjonen, ledet av Norman Borlaug, var sterkt avhengig av selektiv foredling av høyavkastende hvetevarianter for å bekjempe sult i utviklingsland.
• Ris: I likhet med hvete har selektiv foredling økt risavlingene betydelig, spesielt i Asia. Utviklingen av semi-dverg risvarianter, som IR8, var et stort gjennombrudd i kampen mot matusikkerhet.
• Mais (korn): Selektiv foredling har forvandlet mais fra en relativt uproduktiv avling til en av de viktigste avlingene i verden. Moderne maisvarianter er mye mer produktive, sykdomsresistente og tolerante for stress enn sine forfedre. Hybridmais, som produseres ved å krysse to forskjellige innavlede linjer, viser høye nivåer av hybrid vigor.
• Tomater: Selektiv foredling har resultert i et bredt spekter av tomatvarianter med forskjellige former, størrelser, farger og smaker. Foreldere har også utviklet tomatvarianter som er resistente mot vanlige sykdommer og skadedyr.
• Husdyr: Selektiv foredling har blitt brukt til å forbedre produktiviteten og kvaliteten på husdyr i århundrer. For eksempel har foreldere valgt kyr som produserer mer melk, kyllinger som legger flere egg, og griser som vokser raskere og magrere.

Dette er bare noen få eksempler på de mange suksesshistoriene med selektiv foredling. Selektiv foredling har spilt en avgjørende rolle i å forbedre matsikkerhet, ernæring og levebrød rundt om i verden.

Fordeler og ulemper med selektiv foredling

Selektiv foredling gir flere fordeler:

• Relativt enkelt og billig: Selektiv foredling er en relativt enkel og billig teknikk som kan brukes av foreldere med begrensede ressurser.
• Fungerer innenfor naturlig variasjon: Selektiv foredling fungerer innenfor den naturlige genetiske variasjonen som allerede finnes i en art. Dette unngår behovet for å introdusere fremmede gener fra andre arter.
• Kan forbedre flere egenskaper samtidig: Selektiv foredling kan brukes til å forbedre flere egenskaper samtidig.
• Leder til stabile varianter: Selektiv foredling kan føre til utvikling av stabile varianter som opprettholder sine ønskede egenskaper over mange generasjoner.

Selektiv foredling har imidlertid også noen ulemper:

• Langsom prosess: Selektiv foredling kan være en langsom prosess som krever mange generasjoner for å oppnå betydelige forbedringer.
• Begrenset av tilgjengelig variasjon: Selektiv foredling er begrenset av mengden genetisk variasjon som er tilgjengelig i en art. Hvis en ønsket egenskap ikke er tilstede i populasjonen, kan den ikke introduseres gjennom selektiv foredling alene.
• Kan føre til innavlsdepresjon: Innavl, som ofte brukes til å stabilisere varianter, kan føre til innavlsdepresjon, som kan redusere kraft og fruktbarhet.
• Kan utilsiktet velge uønskede egenskaper: Selektiv foredling kan utilsiktet velge uønskede egenskaper som er knyttet til de ønskede egenskapene.

Moderne teknikker som utfyller selektiv foredling

Mens tradisjonell selektiv foredling fortsatt er grunnleggende, forbedrer moderne teknologier effektiviteten og presisjonen:

Markørassistert seleksjon (MAS)

MAS bruker DNA-markører knyttet til ønskede gener for å identifisere planter som besitter disse genene tidlig i utviklingen. Dette fremskynder utvelgelsesprosessen, spesielt for egenskaper som er vanskelige eller dyre å måle direkte (f.eks. sykdomsresistens).

Genomikk og bioinformatikk

Fremskritt innen genomikk lar foreldere analysere hele genomet til planter, og identifisere gener som kontrollerer viktige egenskaper. Bioinformatikkverktøy brukes til å administrere og analysere de store mengdene data som genereres av genomiske studier.

Høy gjennomstrømningsfenotyping

Høy gjennomstrømningsfenotyping bruker automatiserte systemer og sensorer for raskt å måle planteegenskaper i stor skala. Dette gjør det mulig for foreldere å evaluere flere planter mer nøyaktig, og forbedre seleksjonseffektiviteten.

Dobbel haploider

Dobbel haploid teknologi fremskynder foredlingsprosessen ved å lage fullstendig homozygote planter i en enkelt generasjon. Dette eliminerer behovet for flere generasjoner med selvpollinering for å oppnå stabilitet.

Genredigering

Teknikker som CRISPR-Cas9 lar foreldere redigere gener i planter nøyaktig, introdusere ønskede egenskaper eller fjerne uønskede egenskaper. Selv om det ikke er selektiv foredling i seg selv, kan genredigering utfylle selektiv foredling ved å skape ny variasjon eller korrigere defekter.

Fremtiden for planteforedling

Planteforedling står overfor en rekke utfordringer i det 21. århundre, inkludert:

• Klimaendringer: Utvikle varianter som er tilpasset klimaendringer, inkludert økt tørke, varme og flom.
• Nye sykdommer og skadedyr: Utvikle varianter som er resistente mot nye og utviklende sykdommer og skadedyr.
• Økende etterspørsel etter mat: Øke avlingene for å møte den økende etterspørselen etter mat fra en voksende global befolkning.
• Bærekraftig landbruk: Utvikle varianter som er mer bærekraftige, og krever mindre vann, gjødsel og plantevernmidler.
• Ernæringsmessig sikkerhet: Forbedre næringsinnholdet i avlinger for å bekjempe underernæring og mangel på mikronæringsstoffer. Biofortifisering, prosessen med å øke næringsinnholdet i avlinger gjennom foredling eller genteknologi, er en viktig strategi for å forbedre ernæringsmessig sikkerhet.

For å møte disse utfordringene, må planteforedling fortsette å innovere og ta i bruk nye teknologier. Dette inkluderer bruk av avanserte teknikker som genomikk, genredigering og høy gjennomstrømningsfenotyping. Det krever også å fremme samarbeid mellom foreldere, forskere og bønder for å sikre at nye varianter er godt tilpasset lokale forhold og møter bøndenes behov.

Etiske vurderinger

Planteforedling reiser også flere etiske vurderinger:

• Tilgang til frø: Sikre at bønder har tilgang til rimelige frø av høy kvalitet. Frøselskaper patenterer ofte nye varianter, noe som kan begrense tilgangen og øke kostnadene for frø.
• Genetisk mangfold: Bevare genetisk mangfold i avlinger. Den utbredte bruken av noen få høyavkastende varianter kan føre til tap av genetisk mangfold, noe som gjør avlingene mer sårbare for sykdommer og skadedyr.
• Innvirkning på småbønder: Sikre at nye varianter gagner småbønder i utviklingsland. Noen nye varianter kan kreve dyre innsatsfaktorer eller forvaltningspraksiser som ikke er tilgjengelige for småbønder.
• Åpenhet og offentlig engasjement: Engasjere publikum i diskusjoner om planteforedling og sikre at prosessen er åpen og ansvarlig.

Å adressere disse etiske vurderingene er avgjørende for å sikre at planteforedling bidrar til et mer bærekraftig og rettferdig matsystem.

Konklusjon

Selektiv foredling er et kraftig verktøy for å forbedre planter og har spilt en viktig rolle i å øke matproduksjonen og forbedre menneskers velvære. Ved å forstå prinsippene og teknikkene for selektiv foredling, kan foreldere utvikle forbedrede varianter som er mer produktive, sykdomsresistente og tilpasningsdyktige til endrede miljøer. Etter hvert som vi står overfor nye utfordringer som klimaendringer og en voksende global befolkning, vil planteforedling fortsette å være avgjørende for å sikre matsikkerhet og en bærekraftig fremtid. Integreringen av moderne teknologier, kombinert med en forpliktelse til etisk og bærekraftig praksis, vil være avgjørende for å maksimere fordelene med planteforedling for alle.