El kultūraugu ģenētiskā uzlabošana Tā ir pavadījusi lauksaimniecību kopš brīža, kad cilvēce nolēma sēt un saglabāt labāko augu sēklas. Mūsdienās mēs vairs nerunājam tikai par lielāko kukurūzas vālīšu vai gardāko augļu izvēli: mums ir ģenētika, biotehnoloģija, ģenētiskā materiāla bankas un gēnu rediģēšanas rīki, kas ļauj izstrādāt klimatam, augsnei un tirgum pielāgotas šķirnes.
Šī disciplīna apvieno Zināšanas ģenētikā, agronomijā, fizioloģijā un biotehnoloģijā lai radītu produktīvākus, izturīgākus un augstākas kvalitātes augus, kā arī saglabātu ģenētisko daudzveidību, kas novērsīs turpmākas katastrofas. Zemāk jūs atradīsiet organizētā un visaptverošā veidā informāciju par to, kas ir kultūraugu selekcija, kādi ir tās mērķi, kādas metodes tiek izmantotas mūsdienās, kā tā ir attīstījusies vēsturiski un ar kādiem izaicinājumiem tā saskaras.
Kas ir kultūraugu ģenētiskā uzlabošana?
Runājot par augu ģenētisko uzlabošanu, mēs domājam metožu kopums, kas modificē un optimizē kultivēto augu genotipulai pēcnācēji saglabātu un pastiprinātu mūs interesējošās agronomiskās īpašības: ražu, kvalitāti, izturību, pielāgošanās spēju vai uzturvērtību.
Praktiski augu selekcija sastāv no radīt jaunas šķirnes vai hibrīdus Sākot ar daudzveidīgu ģenētisko materiālu (šķirnēm, vietējām šķirnēm, savvaļas sugām vai mutantiem) un, izmantojot kontrolētu atlasi, izveidojot gēnu kombinācijas, kas sniedz skaidras priekšrocības laukā un barības ķēdē.
Šī ģenētiskā uzlabošana ir paredzēta attīstīt augus, kas spēj ražot vairāk un labāk arvien prasīgākā vidēvai tas būtu sausuma, sāļuma, augstas temperatūras, jaunu slimību vai mēslošanas līdzekļu un pesticīdu ierobežojumu dēļ.
Lielais lēciens pēdējās desmitgadēs ir tas, ka klasiskajam krustošanas un atlases procesam ir pievienojies molekulārā bioloģija, genomika un gēnu rediģēšanas rīki kas ļauj noteikt galveno gēnu atrašanās vietu, izsekot tos ar marķieriem un ļoti precīzi modificēt noteiktus augu DNS reģionus.
Kultūraugu ģenētiskās uzlabošanas mērķi
Augu selekcijas virzītājspēks ir nepieciešamība palielināt ražošanu un kvalitāti uz platības vienībuvienlaikus samazinot izmaksas un ietekmi uz vidi. Tas nozīmē virkni konkrētu mērķu, kas tiek atkārtoti gandrīz visās uzlabošanas programmās.
Viena no galvenajām asīm ir palielināta lauksaimniecības ražaTas ir, vairāk kilogramu graudu, augļu, sakņu vai lopbarības uz hektāru, ne vienmēr paļaujoties uz kultivētās platības paplašināšanu vai mēslošanas līdzekļu devas palielināšanu.
Paralēli tiek veikti centieni atrast uzlabot produkta iekšējo kvalitātigarša, tekstūra, krāsa, cukura, eļļas vai olbaltumvielu saturs, uzglabāšanas laiks pēc ražas novākšanas, piemērotība transportēšanai un uzglabāšanai, un dārzkopības produktu gadījumā pielāgošanās dažādiem apstākļiem. formāti un tirgi (svaigs, rūpniecisks, ceturtais vai piektais klāsts).
Vēl viens galvenais bloks ir izturība vai tolerance pret kaitēkļiem, slimībām un abiotisko stresu piemēram, sausums, aukstums, ārkārtējs karstums, sāļums vai degradēta augsne, tādējādi samazinot nepieciešamību pēc pesticīdiem un ražas zudumus. Šajā ziņā profilakse un pārvaldība sērgas un slimības Tā ir uzlabošanas programmu kopīga prioritāte.
Visbeidzot, mērķis optimizēt resursu izmantošanu un samazināt ražošanas izmaksas: šķirnes, kas labāk izmanto ūdeni un slāpekli, kas iztur lielu stādīšanas blīvumu vai kas atvieglo mehanizāciju un efektīvu ražas novākšanu.
Kultūraugu uzlabošanas veidi un galvenās metodes
Atkarībā no izmantotajiem rīkiem mēs parasti izšķiram konvencionālā selekcija, molekulārā ģenētiskā uzlabošana un precīzā selekcijalai gan praksē mūsdienu programmas apvieno visas šīs pieejas.
Tradicionālā uzlabošana balstās uz mākslīgā atlase un virzītie krustojumi starp augiem ar interesantām īpašībām. Dabiskā rekombinācija starp hromosomām tiek izmantota, lai radītu mainīgumu un pēc vairākām atlases paaudzēm fiksētu pārākus genotipus.
Molekulārajā stadijā ir iekļauts DNS marķieri, genomika un biotehnoloģija lai identificētu genoma reģionus, kas saistīti ar specifiskām īpašībām, paātrinātu atlasi un dažos gadījumos ieviestu specifiskus gēnus, izmantojot gēnu inženieriju.
Precīza augu selekcija, ko veicina tādas metodes kā CRISPR-Cas un citi gēnu rediģēšanas rīkiTas ļauj veikt ļoti specifiskas izmaiņas DNS secībā, neieviešot gēnus no citām sugām, pielāgojot savu gēnu ekspresiju vai labojot mutācijas.
Kopumā uzlabošanas programmās pašlaik izmantotās metodes ietver visu, sākot no klasiskie krustojumi, starpšķirņu un starpsugu hibridizācija, līdz pat sarežģītākām metodēm, piemēram, inducētai mutaģenēzei, audu kultūrai in vitro, somaklonālajai variācijai, dubulto haploīdu iegūšanai, protoplastu saplūšanai vai pašai ģenētiskajai inženierijai.
Vispārējs kultūraugu uzlabošanas process
Lai gan katrai sugai ir savas īpatnības, lielākā daļa programmu ievēro relatīvi līdzīga posmu secība no brīža, kad tiek savākts dīgļplazmas materiāls, līdz brīdim, kad tirgū nonāk jauna šķirne.
Sākumpunkts ir dīgļplazmas atlase, vācot materiālu no gēnu bankām, vietējām kolekcijām, komerciālām šķirnēm, kreolu šķirnēm un radniecīgām savvaļas sugām, lai iegūtu pēc iespējas lielāku ģenētisko daudzveidību.
Tad krustojumi, apvienojot vecākus, kas veicina papildinošas īpašības: augstu ražu, īpatnējo izturību, augļu kvalitāti, stresa toleranci utt., kā rezultātā veidojas ļoti mainīgas segregējošas populācijas.
Uz šo pēcnācēju, a pēcnācēju atlasekur tiek identificēti augi, kas vislabāk izsaka vēlamo īpašību kopumu; atkarībā no tā, vai tās ir pašapputes, alogāmas vai jauktas apputeksnēšanas sugas, tiek izmantotas dažādas atlases un fiksācijas stratēģijas.
Pēc tam kandidātlīnijas vai hibrīdi turpina darbu pie vairāku vietu un vairāku gadu lauka izmēģinājumikur tiek pārbaudīta tā veiktspējas stabilitāte, veselības uzvedība un pielāgošanās dažādām vidēm, audzēšanas sistēmām un pārvaldības līmeņiem.
Ja šķirnei ir skaidras un pastāvīgas priekšrocības, process reģistrācija, izlaišana un mārketings, parasti kopā ar lietošanas ieteikumiem un tehnoloģiju pakotni, kas maksimāli palielina tā potenciālu saimniecībās.
Dīgļplazmas bankas un izcelsmes centri: mainīguma pamats
Katra uzlabošanas programma ir atkarīga no tā, vai ir plaša ģenētiskā mainībaun liela daļa šīs mainības ir koncentrēta tā sauktajos kultivēto augu izcelsmes un daudzveidības centros. Šīs saglabāšana ģenētiskā daudzveidība Tas ir galvenais turpmākajiem uzlabojumiem.
Pētnieki, piemēram, Alfonss de Kandola un Nikolajs Vavilovs Viņi identificēja lielus planētas reģionus (Ķīnu, Dienvidaustrumāziju, Centrālāziju, Vidusjūru, Meksiku un Centrālameriku, Andu kalnus, Abesīniju, Brazīliju-Paragvaju…), kur uzkrājas milzīga vietējo rasu un kultūraugu savvaļas radinieku daudzveidība.
Bez šīs ģenētiskās rezerves selekcijai trūktu izejvielu, taču mūsdienu šķirņu paplašināšanās un lauksaimniecības sistēmu pārveidošana ir paātrinājusi ģenētiskā erozijaTas ir, daudzveidības zudums šajā jomā.
Lai novērstu šo neatgriezenisko zaudējumu, ir izveidoti šādi pasākumi: ģenētiskā materiāla bankas vai gēnu bankaskur sēklas, audi, ziedputekšņi vai dzīvi augi tiek uzglabāti kontrolētos temperatūras un mitruma apstākļos, periodiski atjaunojot kolekcijas, lai saglabātu dzīvotspēju.
Šīs bankas nav tikai noliktavas; tās darbojas kā augu selekcionāru pakalpojumu centrinodrošinot labi raksturotu materiālu paraugus, izcelsmes datus, attiecīgās agronomiskās īpašības un atbalstu jaunas mainības iekļaušanai programmās.
Augu pieradināšana un uzlabojumu vēsturiskā evolūcija
Augu ģenētiskās uzlabošanas vēsture sākas laikā, kad cilvēku grupas sāka pieradināt savvaļas sugasTas ir, lai tos sistemātiski un neapzināti kultivētu, jāizvēlas genotipi, kas vislabāk atbilst viņu vajadzībām.
Laika gaitā šī selekcija atstāja savu zīmi: mūsdienu šķirnes ļoti atšķiras no saviem savvaļas senčiem, tām ir zaudēja būtiskas īpašības izdzīvošanai dabā (sēklu izplatīšanās, spēcīga miera fāze) un ir ieguvušas audzēšanā noderīgas īpašības (lielāki graudi, gaļīgi augļi, piemērots izmērs ražas novākšanai).
Gadsimtu gaitā tika pievienoti pagrieziena punkti: mākslīgā apputeksnēšana dateļu palmāsDabisko hibridizāciju novērošana kukurūzā, agrīni virzīti krustojumi dārzeņos, pēcnācēju testu izmantošana un tīrlīniju atlase.
Lielās konceptuālās pārmaiņas nāca līdz ar darbu Mendels, Darvins un viņu pēcteči, kurš lika zinātniskus pamatus iedzimtībai, dabiskajai atlasei un pašapaugļošanās un hibridizācijas lietderībai jaunu šķirņu veidošanā.
Vēlāk pievienojās sekojošais: heteroze (hibrīda spars), citoplazmatiskā vīrišķā sterilitāte, izraisīja mutaģenēzi un pēc Otrā pasaules kara veselu virkni audu kultivēšanas un hibridizācijas metožu starp attāli radniecīgām sugām.
Reproduktīvās sistēmas un to ietekme uz uzlabošanos
Lai izstrādātu efektīvu uzlabošanas stratēģiju, ir svarīgi saprast, sugas vairošanās veids: ja tā ir autogāma, alogāma, jauktas apputeksnēšanas vai veģetatīvi pavairota.
Pašapputes sugas, kas gandrīz tikai apaugļojas pašas, mēdz veidoties ļoti homozigotas līnijasKatrā pašapaugļošanās paaudzē heterozigotiskums samazinās uz pusi, līdz tiek sasniegtas tīras līnijas, kas precīzi atveido savas īpašības no sēklām.
Allogāmās sugās, kur dominē savstarpēja apputeksnēšana, a augsts heterozigotiskuma līmenis un iekšējā daudzveidībaTas apgrūtina pilnīgi homozigotu indivīdu fiksēšanu, bet ļauj labāk izmantot heterozi komerciālos hibrīdos.
Ir arī sugas, jaukta apputeksnēšana, piemēram, kokvilna vai sorgo, kuros pastāv dažādas paškrustošanās un krustošanās pakāpes, kas prasa smalki pielāgot atlases metodes un lauka izolācijas.
Visbeidzot, augi, kas Viņi vairojas aseksuāli (ar spraudeņiem, bumbuļiem, sakneņiem, potzariem vai apomiksu) ļauj uzturēt ģenētiski identiski kloni pat ja tie ir ļoti heterozigoti, kam ir priekšrocības labvēlīgu mutāciju saglabāšanā, bet arī riski slimību uzkrāšanās dēļ.
Apputeksnēšanas kontrole, sterilitāte un hibrīdu veidošanās
Liela daļa augu selekcionāra darba sastāv no manipulēt ar apputeksnēšanu lai vadītu viņu interesējošos krustojumus un izvairītos no nevēlamiem maisījumiem, kas sabojā gadiem ilgu atlasi.
Daudzos gadījumos cilvēki ķeras pie telpiskās un laika izolācijas (minimālie attālumi starp parauglaukumiem, stādījumi zigzaga secībā, lai kompensētu ziedēšanu) un fiziskas barjeras, piemēram, papīra maisiņi, sprosti vai kultūraugu savākšanas ierīces, kas aizsargā sēklu ražošanas partijas.
Ja nepieciešama kontrolēta krustošana, to parasti praktizē manuāla emaskulācijanoņemot putekšnīcas, pirms tās atbrīvo ziedputekšņus, un pēc tam uzklājot atlasītos ziedputekšņus laikā, kad drīksna ir visvairāk uztverama.
Dažās sugās pašsterilitāte vai ģenētiska pašsaderībakas novērš pašapaugļošanos un veicina hibrīdu veidošanos bez nepieciešamības pēc emaskulācijas, ja vien ziedputekšņu avots ir labi kontrolēts.
Milzīga vērtība mūsdienu lauksaimniecībā ir resurss androsterilitāte (vīriešu sterilitāte), ģenētiskas, citoplazmas vai kombinētas izcelsmes, kas ļauj ražot liela mēroga hibrīdus bez manuālas tauriņu noņemšanas, kā tas tiek darīts kukurūzas vai sorgo audzēšanā ar vīrišķi sterilām līnijām.
Modernās tehnoloģijas: marķieri, mutaģenēze un gēnu rediģēšana
Papildus klasiskajām metodēm pašreizējie uzlabojumi balstās uz virkni molekulārie un biotehnoloģiskie rīki kas ir mainījuši ātrumu un precizitāti, ar kādu var ieviest jaunas funkcijas.
L molekulārie marķieri un genoma analīze Tie ļauj lokalizēt gēnus vai reģionus, kas saistīti ar sarežģītām īpašībām (raža, kvalitāte, rezistence), palīdzēt selekcijā ļoti agrīnās stadijās un pārvaldīt lielas populācijas, negaidot, kamēr visas pazīmes izpaudīsies laukā.
La inducēta mutaģenēzeAr ķīmisku vielu, starojuma vai transpozonu ievietošanas palīdzību tiek ģenerēti jauni varianti, kurus pēc tam var krustot ar interesējošām šķirnēm, savukārt audu kultūrās iegūtā somaklonālā variācija pievieno vēl vienu noderīgas daudzveidības avotu.
Ražošana haploīdi un dubultie haploīdi Tas ievērojami saīsina laiku, kas nepieciešams pilnīgi homozigotu līniju iegūšanai, samazinot līdz dažām paaudzēm, kas citādi prasītu daudzus gadus ilgu secīgu pašapaugļošanos.
Tiešās ģenētiskās modifikācijas jomā transgēnie un cisgēnie augi ļauj pievienot vai apklusināt specifiskus gēnusPiemēram, Bt gēni kukaiņu rezistencei vai fermentu versijas, kas nav jutīgas pret noteiktiem herbicīdiem, radot kultūraugus ar skaidrām ražošanas priekšrocībām.
La gēnu rediģēšana Tas ir spēris soli tālāk, ļaujot veikt specifiskas izmaiņas DNS bez nepieciešamības ieviest svešus gēnus, pielāgojot sugai raksturīgo gēnu ekspresiju, lai uzlabotu toleranci, uzturvērtību vai reakciju uz vides stresu.
Dārzkopības uzlabojumu kvantitatīvā ietekme, ilgtspējība un loma
Ekonomiskās un agronomiskās analīzes ir vienisprātis, ka ļoti svarīga daļa no lauksaimniecības produktivitātes pieaugums pēdējā gadsimta laikā Tas ir tieši saistīts ar sēklu un augu ģenētisko uzlabošanu.
Jaunākie pētījumi lēš, ka gandrīz puse no ražas pieauguma Tas ir reģistrēts kopš divdesmitā gadsimta vidus, un tas ir saistīts ar jaunu šķirņu attīstību, kas ļāvusi saražot vairāk pārtikas ar līdzīgām vai pat mazākām platībām.
Dārzkopības kultūrās augu uzlabošanai ir bijusi izšķiroša nozīme piedāvāt milzīgu šķirņu daudzveidībuNo mūsdienu Almerijas tipa gurķa, kas pielāgots dažādiem tirgiem, līdz augstas uzglabāšanas kvalitātes tomātiem, bezsēklu arbūziem, tūkstoš formu un krāsu salātiem vai krustziežu dzimtas dārzeņiem ar atšķirīgu pielietojumu lapās, stublājos un ziedos.
Šī pastāvīgā inovācija ir veicinājusi samazināt mēslošanas līdzekļu un pesticīdu lietošanu, uzlabot kultūraugu veselību, samazināt augļu atliekas, ietaupīt ūdeni un enerģiju, kā arī piedāvāt patērētājam produktus ar labākām uzturvērtības un funkcionālajām īpašībām.
Augu selekcija ietekmē ne tikai ražu, bet arī centrālais ilgtspējības instrumentsatļaujot efektīvākas šķirnes, kas labāk iederas integrētās, bioloģiskās vai mazietekmīgās lauksaimniecības sistēmās un palīdz sasniegt tādus mērķus kā Eiropas zaļā kursa mērķi.
Kultūraugu ģenētiskās uzlabošanas priekšrocības, izaicinājumi un nākotne
Ģenētiskā uzlabošana sniedz priekšrocības, kas tiek uztvertas visa lauksaimniecības un pārtikas ķēdeLauksaimniekam ir pieejamas ražīgākas un uzticamākas sēklas, nozare iegūst izejvielu regularitāti un kvalitāti, un patērētājam ir pieejami drošāki, daudzveidīgāki pārtikas produkti, kas pielāgoti viņa vēlmēm.
Starp acīmredzamākajām priekšrocībām ir palielināta raža no hektāra, slimību un kaitēkļu radīto zaudējumu samazināšana, ūdens, barības vielu un pesticīdu izmantošanas efektivitātes uzlabošana, kā arī tādu produktu ražošana, kas ir izturīgāki pret transportēšanu un saglabāšanu.
Tomēr disciplīna saskaras ar svarīgi izaicinājumi, piemēram, ģenētiskās daudzveidības saglabāšana materiālu homogenizācijas apstākļos, kultūraugu ātra pielāgošana klimata pārmaiņām, reaģēšana uz jaunu regulatīvo spiedienu biotehnoloģijas un gēnu rediģēšanas jomā un kvalificētu talantu piesaistīšana nozarei, kas joprojām nav īpaši redzama sabiedrībā.
Turklāt uzlabojumiem ir jāturpina līdzsvarot augstās tehnoloģijas ar vietējām zināšanāmlauksaimnieku pieredzes un tirgus informācijas integrēšana ar genomikas datiem, prognozēšanas modeļiem un mākslīgā intelekta rīkiem, ko jau izmanto, lai izstrādātu efektīvākas atlases stratēģijas.
Viss norāda uz uzlabojumu nākotni, kas ietver sadarbības programmas starp uzņēmumiem, sabiedriskajiem centriem un lauksaimniekiem, apvienojot labi pārvaldītas ģenētiskā materiāla bankas, progresīvas fenotipēšanas platformas un uz datiem balstītas lēmumu pieņemšanas sistēmas, kas ļauj mums maksimāli izmantot katru genotipu katrā vidē.
Aplūkojot vēsturisko trajektoriju, gēnu banku lomu, metožu attīstību no masveida atlases līdz gēnu rediģēšanai un kvantitatīvi izteikto ietekmi uz ražu, ilgtspējību un pārtikas kvalitāti, ir skaidrs, ka kultūraugu ģenētiskā uzlabošana Tas arī turpmāk būs neaizstājams elements, lai garantētu pārtikas nodrošinājumu, lauksaimniecības rentabilitāti un pielāgošanos klimata pārmaiņām turpmākajās desmitgadēs.
