Biuletyn agrotechniczny KWS Biuletyn agrotechniczny KWS nr 1/2004 (5) Metody hodowli odmian buraka cukrowego www.kws.pl Od nas wszystko się zaczyna.
Selekcja masowa - Selekcja indywidualna z selekcją potomstwa - Hodowla odmian poliploidalnych Burak cukrowy to najbardziej skomplikowana pod względem hodowli i reprodukcji nasion roślina uprawna strefy klimatu umiarkowanego. Jej forma uprawna daleko odbiega od spotykanych obecnie w przyrodzie dzikich gatunków buraka, charakteryzujących się wielką różnorodnością form, zarówno pod względem morfologicznym jak również pod względem rozmnażania się. Przeważają formy obcopylne, lecz zdarzają się również samopylne i apomiktyczne. Burak uprawny jest formą dwuletnią, lecz w przyrodzie występują też buraki jednoroczne i wieloletnie. Obecnie znane buraki uprawne wywodzą się z rejonów obecnego Iraku (Mezopotamia), gdzie ok. 1000 lat p.n.e. wyodrębniły się z lokalnych dzikich populacji jako formy o bogatym ulistnieniu wykorzystywane w medycynie ludowej i jako warzywo. Jednocześnie wyodrębniono w Persji formy korzeniowe, używane lokalnie w podobny sposób. Obie formy migrowały niezależnie od siebie przez Syrię, Egipt na półwysep Apeniński i Iberyjski. Rzymianie wraz podbojami rozprzestrzenili je po całej Europie. Obie formy - liściasta i korzeniowa - łatwo się ze sobą krzyżowały, a niektóre z mieszańców posiadały korzeń spichrzowy. W połowie XVIII w. berliński chemik Marggraf po raz pierwszy stwierdził obecność sacharozy (1,6%) w korzeniu buraka. Jego uczeń, F. Karol Achard przebadał liczne typy buraków z różnych stron Europy i za najcenniejszą do wyrobu cukru uznał rasę burgundzką. W 1802 roku w Konarach na Górnym Śląsku, z wyselekcjonowanej przez siebie rasy buraka (Weiße schlesische Rübe) wyprodukował 10 ton cukru, przerabiając 400 ton korzeni o zawartości cukru ok. 4%. 2 Biuletyn agrotechniczny KWS nr 1/2004 (5)
Selekcja masowa - Selekcja indywidualna z selekcją potomstwa - Hodowla odmian poliploidalnych Izolatory indywidualne gwarantują samozapylenie. Podstawą hodowli roślin jest selekcja, czyli wybór do reprodukcji tego, co najlepsze a odrzucenie tego co najgorsze. Korzenie buraków o większej zawartości cukru (dzięki większemu ciężarowi właściwemu) opadają na dno zbiornika wypełnionego roztworem soli. Tą właściwość fizyczną wykorzystywano do selekcji korzeni buraków. Selekcja masowa tego typu nie pozwala jednak na szybki postęp. Mimo kontynuowania prac selekcyjnych jeszcze w połowie XIX w. zawartość cukru w korzeniach wynosiła ok. 12% a wydatek cukru 7%. Dopiero zastosowanie selekcji indywidualnej z oceną potomstwa (selekcja rodowodowa) umożliwiło w połowie XIX w. szybki postęp zarówno w plonie korzeni jak i zawartości cukru. Późniejsze prace wybitnych hodowców, zwłaszcza J. L. de Vilmorina we Francji i M. Rabeethge w Niemczech, a również A. Janasza w Polsce doprowadziły z początkiem XX w. do powstania odmian zbliżonych do obecnie uprawianych, reprezentujących trzy typy użytkowe: plenny, normalny i cukrowy. Selekcja indywidualna z oceną potomstwa - jako powszechnie stosowana pozwoliła na uzyskanie przełomowego postępu w doskonaleniu odmian buraka cukrowego, stanowiąc obecnie podstawowy element różnych, bardziej złożonych metod hodowlanych. Jej skuteczność, czyli uzyskany na jej drodze postęp hodowlany uzależniony jest jednak od zmienności materiału wyjściowego. Stąd też do dnia dzisiejszego sukcesy firm hodowlanych zależą w dużej mierze od ilości hodowlanych materiałów wyjściowych a zwłaszcza ich dużej zmienności. Zwrotnym momentem w hodowli buraków cukrowych była hodowla odmian poliploidalnych. Buraki poliploidalne mają zwiększoną liczbę chromosomów o podstawową liczbę genomową tj. 9. Diploidalny burak cukrowy ma więc po 18 chromosomów w każdej komórce somatycznej. Poliploidem jest zatem roślina zawierająca 27 chromosomów (triploid), 36 chromosomów (tetraploid), 56 chromosomów (heksaploid) itd. Biuletyn agrotechniczny KWS nr 1/2004 (5) 3
Hodowla odmian heterozyjnych na bazie komponentów męskosterylnych Pierwszym, który otrzymał poliploidalne (tetraploidalne) buraki był Duńczyk Vigo Lund. Nie udało mu się jednak wyhodować odmiany poliploidalnej, gdyż w czasie II wojny światowej tetraploidalne rośliny przemarzły w szklarni z braku opału. Buraki tetraploidalne są z reguły mniej wartościowe niż diploidalne, natomiast krzyżując je z diploidami można uzyskać formy triploidalne, które najczęściej są bardziej wydajne niż każda z form rodzicielskich. Istotny postęp w hodowli poliploidów miało opracowanie łatwych i efektywnych metod zwielokrotniania liczby chromosomów metodami chemicznymi za pomocą roztworu kolchicyny. Wielonasienne poliploidalne odmiany buraków stanowiły mieszankę di-, tri- i tetraploidów. Były to więc odmiany anizoploidalne. W Polsce uprawę poliploidalnych wielokiełkowych odmian buraka cukrowego podjęto w latach 1955-65 i stanowiły one ok. 60% powierzchni uprawy. Pierwszą zarejestrowaną odmianą poliploidalną była odmiana IHAR Polly. Zastosowanie odmian poliploidalnych, zwłaszcza triploidalnych pozwoliło na skokowy wzrost plonu korzeni przy zachowaniu zawartości cukru na podobnym poziomie jak u buraków diploidalnych. Dopiero jednak wykorzystanie form męskosterylnych umożliwiło uzyskanie odmian prawie w 100% triploidalnych, w której efekt bujności mieszańcowej (heterozji) został w pełni wykorzystany. Hodowla odmian poliploidalnych przyjęła się zwłaszcza w Europie, mimo problemów z reprodukcją nasion odmian tego typu. Wielokiełkowe odmiany poliploidalne przeminęły jednak bardzo szybko wyparte przez odmiany genetycznie jednonasienne. Hodowla odmian heterozyjnych na bazie komponentów męskosterylnych Efekt heterozji (skokowy wzrost bujności plonu) uzyskiwany jest w wyniku krzyżowania dwóch form maksymalnie homozygotycznych, czyli jednorodnych genetycznie lecz nie spokrewnionych ze sobą. Genetyczne ujednolicenie komponentów prowadzi się na drodze chowu wsobnego czyli przymuso- Nawadnianie gwarantuje wysoki plon nasion o odpowiedniej jakości. Produkcyjna plantacja nasienna. 4 Biuletyn agrotechniczny KWS nr 1/2004 (5)
Hodowla odmian heterozyjnych na bazie komponentów męskosterylnych wego samozapylenia lub krzyżowania roślin blisko ze sobą spokrewnionych. Kontynuacja tego procesu przez kilka pokoleń prowadzi do uzyskania wysokiej jednorodności genetycznej (homozygotyczności) i uzyskania linii wsobnej. Po uzyskaniu odpowiedniej ilości linii wsobnych (przynajmniej kilkudziesięciu) następnym etapem hodowli heterozyjnej jest ocena ich przydatności jako komponentów przyszłej odmiany. Oceny dokonuje się najczęściej przez przekrzyżowanie wszystkich testowanych linii z jednym zapylaczem (testerem), który stanowi odmiana lub linia znana ze swej wysokiej ogólnej wartości kombinacyjnej. W tym celu wysadza się korzenie wszystkich testowanych linii na poletkach otoczonych przez korzenie testera (top-cross). Warunkiem skutecznej oceny i wiarygodności testu musi być pewność, że wszystkie testowane linie przekrzyżowały się z tym samym zapylaczem, a nie między sobą lub z innymi testowanymi liniami. Ponieważ w przypadku buraka cukrowego nie ma możliwości na dużą skalę skutecznego usunięcia pyłku z kwiatów, zastosować trzeba rośliny nie posiadające żywotnego pyłku czyli męskosterylne (MS). Rewolucyjne zmiany w metodyce i zasadach hodowli zapoczątkowało znalezienie w USA przez Owena (1933 r.) w populacji wielonasiennych buraków cukrowych form genetycznie męskosterylnych. Brak żywotnego pyłku warunkowany jest dwiema parami genów recesywnych i jednoczesną sterylnością cytoplazmatyczną. Wynika z tego, że o sterylności linii decyduje jednoczesna sterylność genetyczna i cytoplazmatyczna. Jest to ważne odkrycie, które umożliwiło znalezienie linii dopełniających (O). Linie te umożliwiają rozmnażanie linii męskosterylnych. Linie dopełniające charakteryzują się tylko Krzyżówki typu top-cross. Zapylacze na plantacji nasiennej (usuwane są po okresie kwitnienia). Biuletyn agrotechniczny KWS nr 1/2004 (5) 5
Hodowla odmian genetycznie jednonasiennych męskosterylnością genetyczną. Dzięki temu są to płodne rośliny, umożliwiające po kilkakrotnym przekrzyżowaniu z linią MS uzyskanie ekwiwalentnych linii MS o powtarzalnych własnościach gospodarczych. Udział roślin typu O jest w populacji buraka cukrowego bardzo nieliczny (1-5%), a wśród wyselekcjonowanych i utrwalonych dzięki nim linii męskosterylnych tylko bardzo nieliczne wykazują pożądane cechy użytkowe i wysoką wartość kombinacyjną niezbędną w hodowli heterozyjnej. Magazyn kultur tkankowych. Ręczne usuwanie pyłku. Centrum biotechnologii KWS SAAT AG (PLANTA). Hodowla odmian genetycznie jednonasiennych Jedno- i dwunasienne rośliny buraka cukrowego występują w sposób naturalny w populacji buraków wielonasiennych. Poszukiwano ich w USA już w 1904 roku. W latach 30-40. formy jednonasienne, wśród wielu milionów wielonasiennych, odnalazł W. F. Sawicki (Ukraina, USA) i stanowiły one początek wszystkich uprawianych odmian jednonasiennych. Linie genetycznie jednonasienne oraz sterylne (MS) i dopełniające (O) zostały udostępnione krajom europejskim przez Ministerstwo Rolnictwa USA w ramach powojennej pomocy gospodarczej. Ulepszono je w czołowych hodowlach europejskich przez wielokrotne krzyżowanie z najlepszymi roślinami wielonasiennymi i wybieranie w pokoleniach F 2 roślin jednonasiennych. Poprawione w ten sposób populacje krzyżowano z wielonasiennymi liniami MS, co doprowadziło do wyselekcjonowania jednonasiennych materiałów odtwarzających męską sterylność (typu O). Z chwilą uzyskania jednonasiennych linii MS i dopełniających typu O droga do hodowli odmian heterozyjnych jednonasiennych była otwarta. 6 Biuletyn agrotechniczny KWS nr 1/2004 (5)
Hodowla odmian genetycznie jednonasiennych Stosowanie odmian wielonasiennych u których nasiona były zrośnięte po kilka (kłębki) miało istotną wadę. Plantacja obsiana takimi nasionami wymagała przecinki i żmudnego pojedynkowania, co było istotnym czynnikiem ograniczającym obszar uprawy w gospodarstwie. W Polsce przejście z siewu gęstego do siewu punktowego (na gotowo w odstępach 15-18 cm) dokonało się w latach 1985 1992. Pośrednim ogniwem był siew kłębków wielonasiennych, potem mechanicznie podzielonych tzw. kłębków jednokiełkowych segmentowanych, oraz siew nasionami genetycznie jednokiełkowymi w odstępach 4 9 cm. Niedocenianie korzyści wynikających z hodowli odmian genetycznie jednonasiennych, ich znaczenia w praktyce oraz nieznajomość tendencji światowych spowodował, że Polska pozostała na wiele lat w tyle za światową hodowlą nowoczesnych odmian. Przełomowym momentem w hodowli odmian genetycznie jednokiełkowych w Polsce był 1968 rok. Podpisano wówczas umowę pomiędzy IHAR, HBC i Instytutem Buraka Cukrowego w Kleinwanzleben. Efektem było wyhodowanie w krótkim czasie wielu odmian jednonasiennych w oparciu o niemieckie MS i polskie zapylacze. Dwie z tych odmian, PN Mono 1 i PN Mono 4 uprawiano w latach osiemdziesiątych na 95% całej powierzchni zasiewów buraka cukrowego w Polsce. W 1987 r. powstały prawne możliwości rejestracji i wejścia na rynek odmian zagranicznych. Pierwsza z nich to Kawepura, odmiana KWS wpisana do rejestru w 1989 r. W tym samym roku już sześć innych odmian zagranicznych uczestniczyło w doświadczeniach rejestracyjnych buraka (4 z Niemiec i 2 ze Szwecji). Stosowanie klasycznych metod hodowli umożliwiło osiągnięcie najwyższych parametrów dla trzech podstawowych cech wartości gospodarczej odmian. Dotyczy to plonu korzeni, zawartości cukru oraz czystości soku (wysokiej jakości przerobowej). Dla współczesnych użytkowników odmian jest to jednak za mało. Oprócz oczywistej wartości użytkowej odmiany muszą charakteryzować się dodatkowymi cechami, a zwłaszcza odpornością na niektóre choroby i szkodniki. Biuletyn agrotechniczny KWS nr 1/2004 (5) 7
Hodowla odmian tolerancyjnych Hodowla odmian tolerancyjnych Odporność w stosunku do określonego szkodnika lub czynnika chorobotwórczego może być całkowita, co oznacza, że roślina odmiany odpornej w ogóle nie może zostać uszkodzona czy zainfekowana. Jednakże taka całkowita odporność jest bardzo rzadka wśród roślin uprawnych, częściej mamy do czynienia z odpornością częściową, wyrażoną w różnym stopniu. Taka częściowa odporność określana bywa jako tolerancja. Podstawową metodą hodowli odmian odpornych jest intensywna selekcja prowadzona w warunkach prowokacyjnych. Niekiedy celem wzmocnienia infekcji stosuje się dodatkowo sztuczne zakażanie. Wysoki stopień odporności na określoną chorobę bardzo trudno połączyć z wysoką wydajnością osiąganą przez najlepsze odmiany przy braku infekcji lub w warunkach intensywnej ochrony chemicznej. Odmiany odporne wykazują swoją wyższość dopiero w warunkach infekcji, zwłaszcza silnej, a także w przypadku, kiedy nieznane są skuteczne środki zwalczania danej choroby czy szkodnika. Taka sytuacja zaistniała w latach 20. w Kalifornii, kiedy na plantacjach buraka pojawiła się niezmiernie groźna choroba Kędzierzawka wierzchołkowa, nazywana także kalifornijską. Tamtejszy przemysł cukrowniczy został uratowany dzięki wyhodowaniu odpornej odmiany US 1. Podobnie było w latach siedemdziesiątych w południowej Europie na skutek epidemicznego rozprzestrzenienia się Rizomanii, choroby wirusowej przenoszonej za pośrednictwem zasiedlającego glebę grzyba Polymyxa betae. W wyniku intensywnych prac hodowlanych udało się uzyskać odmiany, które z powodzeniem można uprawiać na zainfekowanych polach, podczas gdy nieodporne ulegają w takich warunkach zupełnemu zniszczeniu przez chorobę. W wyniku intensywnych prac hodowlanych w roku 2000 uzyskano odmiany tolerancyjne, plonujące na tym samym poziomie jak odmiany standardowe. Umożliwia to profilaktyczne zastosowanie tych odmian bez ryzyka utraty plonu w warunkach braku infekcji. Zaawansowane prace dotyczą tolerancji na Rhizoctonia solani i Fusarium, gdzie uzyskano już sukcesy w wymiarze odmian komercyjnych. Problemem pozostaje Parch pasowy (Actinomyces sp.), Phoma betae i Rhizoctonia violacea, w przypadku których trudności dotyczą ustalenia i pozyskania źródła tolerancji. Oddzielny problem stanowi tolerancja na szkodniki, w tym zwłaszcza Mątwik burakowy. Odporność na nematody jest powszechna w obrębie dzikich gatunków buraków należących do sekcji Procumbentes, występujących na Wyspach Kanaryjskich. Niestety, gatunki te są morfologicznie i systematycznie bardzo odległe od buraków uprawnych, m.in. w ogóle nie tworzą korzenia spichrzowego. Udało się uzyskać formy trisomiczne z dodatkowym chromosomem dzikiego gatunku, a także addycyjne formy buraka cukrowego z wbudowanymi genami warunkującymi odporność na Mątwika. Powstawanie nowych kreacji odmianowych, znacznie przewyższających wartością użytkową odmiany dotychczas stosowane, możliwe było dzięki zastosowaniu nowych metod diagnostyki materiału hodowlanego oraz metod pozwalających na 8 Biuletyn agrotechniczny KWS nr 1/2004 (5)
Hodowla odmian tolerancyjnych przyspieszenie cyklu hodowlanego i tym samym szybkie namnożenie cennych genotypów. Jedną z tych metod, stosowaną już w latach siedemdziesiątych jest metoda mikrorozmnażania tkanek i komórek in vitro. Hodowla wegetatywna na sztucznej pożywce umożliwia rozmnożenie szczególnie cennych osobników, w praktycznie nieograniczonej ilości, z pominięciem dwuletniego cyklu reprodukcji. Daje możliwość utrwalenia ważnych cech, takich jak męskosterylność, jednonasienność, plon czy jakość nasion. Istnieje również możliwość regeneracji całego organizmu z zawiesiny protoplastów lub komórek (regeneracja poprzez kallus), co stwarza możliwość utrwalenia cennych, heterozyjnych genotypów, również poliploidalnych, co jest szczególnie ważne przy hodowli odpornościowej, której cechy są często niestabilne w tradycyjnej reprodukcji generatywnej. Hodowla in vitro umożliwia również szybką ocenę testowanych roślin i identyfikację ich specyficznych cech, co przyspiesza znacznie klasyczne metody hodowli. Szczególne znaczenie dla nowoczesnej heterozyjnej hodowli buraków ma szybkie uzyskiwanie homozygotycznych linii wsobnych na drodze podwojenia liczby chromosomów roślin haploidalnych (podwójne haploidy). Wsparcie i przyspieszenie hodowli to również zastosowanie markerów molekularnych, umożliwiających szybką i skuteczną selekcję, wsparcie dla oceny krzyżowań wstecznych i analizę wartości genetycznej posiadanego materiału. Szybki postęp biotechnologii, zwłaszcza diagnostyka DNA, pozwolił na skokowy postęp w hodowli. Stało się to dzięki znacznemu poznaniu budowy genomu buraka i ustaleniu, które odcinki poszczególnych chromosomów są odpowiedzialne za dziedziczenie poszczególnych cech. Poznanie tych mechanizmów umożliwia zastosowanie metod inżynierii genetycznej dla uzyskania form odpornych na herbicydy totalne, niektóre patogeny i rośliny o zmienionym cyklu fotosyntezy. Przykładem jest uzyskanie odmian odpornych na choroby wirusowe na drodze przeniesienia do genomu buraka genu warunkującego tworzenie białkowej otoczki wirusa, która uniemożliwia jego namnażanie się w komórkach gospodarza. Opracowano również metodę przeniesienia do genomu buraka genu odporności na Mątwika burakowego. Izolacja genu odporności i przeniesienie go za pomocą wektora bakteryjnego do komórki buraka cukrowego, a następnie regeneracja komórki do postaci rośliny buraka cukrowego pozwoliło na skuteczne utrwalenie form tolerancyjnych. Już kilka lat temu udało się uzyskać transgeniczne odmiany buraka odporne na herbicydy totalne, zawierające glufosynat amonowy i glifosat (Roundup). Umożliwia to zniszczenie wszystkich chwastów w dowolnej fazie rozwoju buraków. Doświadczenia polowe z takimi odmianami prowadzono również w Polsce, lecz obowiązujące prawo Unii Europejskiej nie dopuszcza sto- Biuletyn agrotechniczny KWS nr 1/2004 (5) 9
Hodowla odmian tolerancyjnych sowania odmian transgenicznych w praktyce rolniczej. Prowadzi się również prace nad uzyskaniem buraków o wydajniejszym cyklu fotosyntezy, zdolnych do absorpcji azotu atmosferycznego oraz o wzmożonym przyroście korzenia spichrzowego. Bada się również możliwości wykorzystania buraków do produkcji swoistych enzymów używanych do wytwarzania detergentów. Realizacja tych planów jest jednak niezwykle trudna. Dotychczas z powodzeniem realizuje się transformanty w odniesieniu do cech warunkowanych jednym genem. Większość jednak procesów fizjologicznych determinowana jest skomplikowanymi wielogenowymi mechanizmami. Oprócz możliwości uzyskiwania nowych odmian o właściwościach nieosiągalnych metodami konwencjonalnymi, biologia molekularna stwarza możliwości oceny odrębności genetycznej odmian i linii hodowlanych na podstawie genetycznego odciska palców (fingerprinting) lub analizy izozymatycznej czy restrykcyjnej (RFLA). Metody te mogą być bardzo przydatne zarówno dla hodowców jak i dla instytucji zajmujących się identyfikacją i oceną odmian. Zastosowanie najnowszej technologii związanej z biotechnologią molekularną i stosowaną na szeroką skalę techniki in vitro wiąże się z ogromnymi nakładami nie tylko w sensie finansowym lecz również intelektualnym. Tylko największe firmy hodowlano nasienne mogą sprostać tym wyzwaniom i one właśnie wyznaczają kierunki postępu w tej dziedzinie. Przykładem może być firma KWS SAAT AG, która przeznacza rocznie 15% swego obrotu (ponad 60 mln rocznie) na postęp naukowy i hodowlany. W 2000 r. oddano również do użytku nowoczesne centrum hodowli genetycznej i biotechnologii PLANTA wybudowane kosztem 150 mln. Centrum zajmuje 3000 m 2 powierzchni laboratoryjnej, zatrudnia 17 naukowców i 80 osób personelu technicznego. Prowadzone są również specjalistyczne programy hodowlane dla konkretnych rejonów świata. Dotyczą one dostosowania odmian do klimatu kontynentalnego, odmian tolerancyjnych na suszę czy dostosowania ich do wyższego zasolenia gleby. W sezonie prowadzi się doświadczenia hodowlane w 105 miejscach w 30 krajach świata. Do krzyżówek używa się 40.000 izolatorów pojedynczych, a testowanie prowadzi się na 180.000 poletek. Wszystkie te działania związane są z ogromnymi nakładami, które muszą skutkować również wzrostem cen nasion odmian tolerancyjnych. Przyszłość i to nieodległa wiąże się z zastosowaniem odmian o tolerancji podwójnej (np.: Rizomania i Cercospora; Rizomania i Mątwik burakowy), potrójnej i wielokrotnej. Już w 2002 roku KWS wprowadził do dystrybucji odmianę Fabiola wykazującą tolerancję na Rizomanię, Cercosporę i Rhizoctonię. Ocenia się, że do 2012 roku ponad 70% stosowanych w uprawie odmian stanowić będą odmiany tolerancyjne. LITERATURA I MATERIAŁY: 1. Jansen R. 2003. Materiały i prezentacje. KWS SAAT AG. 2. Hauer D. 2003. Materiały i prezentacje. KWS SAAT AG. 3. Eggenstein S. 2003. Materiały i prezentacje. KWS SAAT AG. 4. Jassem M. 1999. Genetyka. 5. Jassem M. 1999. Hodowla roślin. 6. Jassem M., Śliwińska E. 1992. Osiągnięcia i perspektywy biotechnologii w hodowli buraka cukrowego. 7. Gutmański I. 1991. (praca zbiorowa). Produkcja buraka cukrowego. 10 Biuletyn agrotechniczny KWS nr 1/2004 (5)
Biuletyn agrotechniczny KWS nr 1/2004 (5) 11
Skontaktuj się z nami KWS AGROSERVICE dr inż. Wacław Wiśniewski 0604 418 999 e-mail: w.wisniewski@kws.pl mgr inż. Marcin Łada 0602 376 902 e-mail: m.lada@kws.pl www.kws.pl KWS Polska Sp. z o.o. ul. Pszczelna 9, 61-658 Poznań tel. 0-61 826 24 70 fax 0-61 826 24 20 e-mail: info@kws.pl Od nas wszystko się zaczyna.