Ziemniak Polski 2010 nr 2
Hodowla i genetyka
PROJEKT BIOEXPLOIT – SZANSA
PROJEKT BIOEXPLOIT – SZANSA
NA WYHODOWANIE ODMIANY
NA WYHODOWANIE ODMIANY
ZIE
ZIE
MNIAKA ODPORNEJ NA ZARAZĘ
NIAKA ODPORNEJ NA ZARAZĘ
mgr inż. Piotr Kamiński
Hodowla Ziemniaka Zamarte Sp. z o.o., Grupa IHAR, Zamarte 33 89-430 Kamień Krajeński, e-mail: piotr.hzz@wp.pl
krajach Unii Europejskiej corocz-nie do ochrony roślin zużywa się ponad 230 mln kg pestycydów. Około 70% z nich przeznacza się na zwal-czanie chorób ziemniaka i zbóż. Skutki od-działywania niektórych pestycydów na zdro-wie i środowisko mogą być na tyle szkodli-we, że część z nich powinna być zakazana już wiele lat temu, ale nie ma środków za-stępczych, o mniejszej szkodliwości.
W
Podniesienie poziomu odporności roślin uprawnych na patogeny jest ważnym celem programów hodowlanych, jednak wiele cho-rób jest ciągle trudnych do opanowania bez ochrony chemicznej. Szacuje się, że tylko 0,1% genetycznej bioróżnorodności roślin jest wykorzystana w odmianach uprawnych (dane: projekt Bioexploit). Wśród celów ho-dowli odpornościowej powinno znajdować się poszukiwanie, badanie i wprowadzanie do odmian uprawnych genów odporności po-chodzących z naturalnych źródeł, a w konse-kwencji dostarczenie rolnictwu alternatywnej metody ochrony zbiorów przed chorobami powodującymi największe straty.
W ramach 6. Ramowego Programu Unii Europejskiej w 2005 roku zaczął funkcjono-wać projekt zatytułowany „Wykorzystanie na-turalnej bioróżnorodności roślin do produkcji żywności bez pestycydów” (ang. „Exploita-tion of natural plant biodiversity for the pesti-cide – free production of food”, akronim: BIOEXPLOIT). Wsparcie finansowe ze stro-ny UE wynosi 15,8 mln euro. Główstro-nym koor-dynatorem projektu jest Jaap Baker z Uni-wersytetu w Wageningen (Holandia), a
uczestnikami i wykonawcami prac są 43 podmioty reprezentujące uniwersytety, insty-tuty naukowe, laboratoria i stacje hodowlane z 12 krajów Europy i Meksyku.
Prowadzone w ramach projektu badania zbóż koncentrują się na chorobach pszenicy i jęczmienia: Septoria tritici (septorioza), Puccinia tritica (rdza zbożowa), Puccinia stri-formis (rdza żółta), Blumeria graminis (mącz-niak prawdziwy) i Fusarium ssp. (fuzariozy). Natomiast badania nad ziemniakiem dotyczą jego odporności na zarazę (Phytophthora in-festans). W zakresie tematów związanych z odpornością zbóż na choroby Polskę repre-zentują: Zakład Fitopatologii oraz Zakład Ge-netyki i Hodowli Roślin z Instytutu Hodowli i Aklimatyzacji Roślin w Radzikowie, a także Hodowla Roślin Szelejewo Sp. z o.o., a te-maty „ziemniaczane” podejmują: Zakład Ge-netyki i Materiałów Wyjściowych Ziemniaka IHAR w Młochowie (ZGiMWZ Młochów) oraz Hodowla Ziemniaka Zamarte Sp. z o.o. (Gru-pa IHAR). Głównymi celami naukowymi pro-jektu są:
●
zrozumienie molekularnego pod-łoża trwałej odporności roślin na cho-roby;●
zbadanie i wykorzystanie natural-nego zróżnicowania roślin pod wzglę-dem odporności na choroby;●
przyśpieszenie wprowadzenia do hodowli w krajach UE technik hodow-lanych opartych na markerach mole-kularnych oraz inżynierii genetycznej;Ziemniak Polski 2010 nr 2
●
koordynacja i zintegrowanie ba-dań nad hodowlą odpornościową, szkolenie w zakresie nowych techno-logii, implementacja wiedzy w sekto-rze komercyjnym.Projekt kładzie nacisk na wykorzystanie naturalnie występujących źródeł odporności. W Europie komercyjne zastosowanie technik GMO (genetically modified organism) wciąż napotyka na krytykę ze strony społeczeń-stwa. Z jednej strony jesteśmy świadkami kolejnych prób wprowadzania na rynek roślin transgenicznych posiadających odporność na różne czynniki obniżające plon, a z dru-giej strony, podczas publicznej debaty na te-mat GMO większość przedstawicieli hodowli oraz firm deklaruje niechęć do inwestowania w tę dziedzinę biotechnologii.
Zadaniem projektu Bioexploit jest opraco-wanie racjonalnych strategii hodowlanych w celu wykorzystania naturalnych źródeł od-porności. Badania prowadzone są dwutoro-wo, z zastosowaniem zarówno technik inży-nierii genetycznej, jak i metod selekcji przy użyciu markerów molekularnych (MAS – marker assisted selection). Głównym założe-niem tej metody jest użycie jako narzędzia selekcyjnego łatwo rozpoznawalnych, sprzę-żonych z interesującą nas cechą użytkową „znaczników” (markerów), wykrywanych na poziomie DNA. „Mapowaniem”, czyli ustala-niem położenia genu na chromosomie, zaj-mują się wyspecjalizowane laboratoria, jak np. ZGiMWZ w Młochowie, w którym opraco-wano markery związane z genami warunku-jącymi odporność na wirusy Y, M, S, liścio-zwoju oraz zarazę ziemniaka.
W cieniu dyskusji o transgenezie MAS wydaje się realną opcją dla hodowli odporno-ściowej, spójną również z wymogami rolnic-twa ekologicznego. Wykorzystanie technik molekularnych do selekcji już na etapie sie-wek pomoże wydatnie skrócić czas hodowli odmiany, dla niektórych gatunków roślin na-wet o połowę.
Istnieje wiele rodzajów, jak i metod wykry-wania markerów DNA. W praktyce często stosuje się markery PCR (polimerase chain reaction), wykorzystujące łańcuchową reak-cję polimerazy do powielania łańcucha DNA. Do charakterystycznej dla danego markera sekwencji DNA przyłącza się starter, który
rozpoczyna reakcję powielania określonego fragmentu DNA. Po namnożeniu w kolejnych cyklach reakcji produkty poddawane są roz-działowi elektroforetycznemu na żelu agaro-zowym. Uzyskuje się obraz powielonych fragmentów w postaci prążków. Pojedynczy prążek jest powielonym fragmentem DNA o określonej długości łańcucha. Brak prążka świadczy o tym, że w DNA badanego osob-nika nie było charakterystycznej dla markera sekwencji DNA, do której mogłyby przyłą-czyć się startery.
Z reguły markery stosuje się do selekcji cech determinowanych pojedynczymi gena-mi. Pozwala to stwierdzić, czy dana roślina (w praktyce linia, klon lub ród hodowlany) posiada cechę warunkowaną takim genem, bez potrzeby prowadzenia kosztownych i długotrwałych ocen reakcji fenotypowej przy użyciu testów laboratoryjnych lub ocen polo-wych. Uzyskujemy informację, czy dana for-ma jest odporna, czy nie. W przypadku zara-zy ziemniaka sytuacja jest bardziej skompli-kowana. Odporność na nią może być warun-kowana przez liczne geny o małych efektach (poligeny) lub przez pojedyncze geny główne chroniące rośliny ziemniaka przed określony-mi rasaokreślony-mi Phytophthora infestans.
Geny główne są od dawna wykorzystywa-ne w hodowli odpornościowej, a dzięki tech-nikom molekularnym została określona ich lokalizacja na chromosomach ziemniaka. Wprowadzenie do odmiany pojedynczych genów R gwarantuje uzyskanie odporności, której trwałość ocenia się tylko na kilka lat. Charakterystyczną właściwością P. infestans jest bowiem duża zmienność. Patogen ten potrafi szybko wytworzyć nowe rasy, które są zdolne do przełamywania odporności wa-runkowanej przez pojedynczy gen główny. Szans na uzyskanie trwalszej odporności można upatrywać w budowaniu tzw. pirami-dy genowej, opartej na kilku różnych genach dominujących. W celu oceny odporności wy-konywane są testy laboratoryjne polegające na zakażaniu listków i bulw badanych geno-typów odpowiednimi rasami P. infestans. W czasie prac hodowlanych należy monitoro-wać działanie genu w polu, w warunkach sil-nej presji infekcyjsil-nej. Dopiero wtedy uzysku-je się informację o efektywności odporności i jej trwałości.
Ziemniak Polski 2010 nr 2
Kolejnym utrudnieniem w hodowli w tym kierunku jest to, że wysoki poziom odporno-ści na zarazę ziemniaka jest sprzężony z długim okresem wegetacji. Uzyskane do tej pory odmiany wysoko odporne na zarazę mają długi okres wegetacji.
W ZGiMWZ w Młochowie zmapowano gen Rpi-phu 1 warunkujący odporność na szerokie spektrum izolatów zarazy ziemnia-ka (Śliwziemnia-ka i in. 2006). Gen ten pochodzi od mieszańca Solanum stenotomum x Solanum phureja. W przeciwieństwie do innych genów warunkuje on odporność zarówno części nadziemnej, jak i bulw. Nie jest on sprzężony z długim okresem wegetacji, daje więc szan-sę na wyselekcjonowanie odmiany wczesnej o podwyższonej odporności na zarazę.
Hodowla Ziemniaka Zamarte w projekcie BIOEXPLOIT wykorzystuje materiały hodow-lane posiadające gen Rpi-phu1. Przed roz-poczęciem projektu zostały przekazane z Młochowa do stacji nasiona kilkunastu kom-binacji pochodzących z krzyżowań, których
celem było łączenie odporności na zarazę ziemniaka z krótkim okresem wegetacji, a niekiedy dodatkowo z odpornością na wirus Y ziemniaka. W Zamartem, przy 50-proce-n-towym udziale funduszy unijnych, sfinan-sowano wyposażenie pracowni badań mole-kularnych. Corocznie wykonuje się około 200 testów PCR. Badanie z zastosowaniem mar-kerów molekularnych można wykonać już na etapie siewek, lecz ze względu na ich dużą liczebność w HZ Zamarte termin testu prze-suwa się na 2. lub 3. rok hodowli. Genotypy ze zidentyfikowanym genem R są w następ-nym roku kierowane do doświadczeń agro-technicznych. Jednocześnie w ZGiMWZ w Młochowie wykonywane są laboratoryjne te-sty listkowe i bulwowe. Odporność najbar-dziej zaawansowanych rodów badana jest na polu doświadczalnym w Boguchwale (po-wiat rzeszowski), gdzie co roku występują warunki sprzyjające silnej infekcji zarazą ziemniaka.
Tabela 1
Wybrane cechy rodów hodowlanych ziemniaka posiadających gen Rpi-phu1, uzyskanych w ramach projektu BIOEXPLOIT – w porównaniu z wzorcami
Ród/ odmiana Plon pole doświad-czalne Zamarte (dt/ha) Plon gospodarstwo ekologiczne (dt/ha) Wskaźnik rAUDPC* Regular-ność kształtu Głębo-kość oczek Typ kuli--narny Smak Z-03.3730 376 245 0,032 7,2 7,1 B 7,3 Z-03.3736 456 352 0,065 7,1 6,5 B 7,0 Z-03.3817 288 328 0,046 6,9 6,8 B 6,8 Z-03.3829 343 361 0,063 6,9 6,5 BC-C 6,6 Denar 511 401 - 7,4 7,0 AB 7,2 Sarpo Mira 382 283 0 6,8 6,5 BC-C 6,0 Bintje 0,791 Robijn 0,273 Gloria 0,772 Escort 0,426
* wskaźnik rAUDPC – relatywna powierzchnia pod krzywą postępu choroby, współczynnik określający polową odporność na zarazę ziemniaka (wyniki z Boguchwały, J. Plich)
Źródło: doświadczenia własne, wskaźnik rAUDPC – ZGiMW Młochów (J. Plich)
Kolejnym etapem sprawdzania wartości rodów jest badanie cech agrotechnicznych w warunkach gospodarstwa ekologicznego. W roku 2009 przekazano sadzeniaki 4 zaawan-sowanych rodów do Gospodarstwa Ekolo-gicznego w Kiełpinie (powiat tucholski, woj.
kujawsko-pomorskie). Jego właściciel nie wykonuje żadnych zabiegów przeciwko zara-zie zara-ziemniaka. W roku 2009 w sąsiedztwie poletek (3 powtórzenia po 30 roślin) posadził na powierzchni 2 ha odmianę Denar. Obser-wacje przebiegu wegetacji i porażenia zara-3
Ziemniak Polski 2010 nr 2
zą wykonywano co tydzień, aż do zakończe-nia wegetacji. Warunki pogodowe roku 2009 sprzyjały rozwojowi zarazy, którą zaobser-wowano na odmianie Denar już na początku lipca. Około 20 lipca plantacja uległa znisz-czeniu. Badane rody nie poraziły się prawie do końca wegetacji. Zbiór poddano ocenie plonowania i jakości kulinarnej. Wybrane pa-rametry rodów przedstawiono w tabeli 1.
Identyfikacja obecności genów za pomo-cą markerów PCR jest dość kosztowna, jed-nakże zastosowanie jej na wczesnym etapie selekcji hodowlanej pozwala skrócić czas hodowli, skupić presję selekcyjną na innych ważnych cechach, a w efekcie obniżyć su-maryczne koszty hodowli. Ważnym elemen-tem strategii jest właściwy dobór form rodzi-cielskich, gwarantujący uzyskanie wartościo-wej odmiany, akceptowanej przez konsu-mentów. Gatunki ziemniaka S. stenotomum i S.phureja oprócz odporności przekazują po-tomstwu również cechy niekorzystne, takie jak niższy plon (szczególnie handlowy), głęb-sze oczka, krótki okresu spoczynku itp. Ko-rzystną cechą jest natomiast dobry smak bulw ocenianego potomstwa. Obecnie prace hodowlane koncentrują się na krzyżowa-niach wstecznych i wypierających, mających na celu poprawę cech użytkowych i wzmoc-nienie odporności przez dodanie
korzystne-go tła genetycznekorzystne-go. Takie kreacje są cenne dla rolnictwa ekologicznego.
Projekt BIOEXPLOIT zakończy się w 2010 roku. Niewątpliwym osiągnięciem jest posze-rzenie wiedzy na temat nowych źródeł od-porności na choroby. Biorąc jednak pod uwagę specyfikę patogenu, prace z pewno-ścią będą kontynuowane zarówno w pracow-niach naukowych, jak i na poziomie praktyki hodowlanej.
Literatura
1. BIOEXPLOIT – project. www.bioexploitnet.net; 2. Heselmans (Guus) A. F. M. 2009. Tracing
resist-ance genes in potato by MAS in professional breeding program. Workshop on The role of Marker Assisted Selection in breeding varieties for organic agriculture. Wageningen: 30; 3. Plich J. 2009. Możliwość wykorzy-stania markerów DNA w hodowli ziemniaka. – Ziemn. Pol. 2: 16-19; 4. Śliwka J., Jakuczun H., Lebecka R.,
Marczewski W., Gebhardt C., Zimnoch- -Gu-zowska E. 2006. The novel, major locus Rpi-phu1 for
late blight resistance maps to potato chromosome IX and is not correlated with long vegetation period. – Theor. Appl. Genet. 113: 685-695; 5. Visker M. H. P.
V., van Raaij H. M. G., Keizer L. C. P., Struik P. C., Colon L. T. 2004. Correlation between late blight
res-istance and foliage maturity type in potato. – Euphytica 137, 3: 311-323
