Fenotypowanie w tworzeniu lepszych roślin uprawnych w przyszłości

ZDJĘCIE GRUPOWE UCZESTNIKÓW - EU COST Action FA1306 –
The quest for tolerant varieties: phenotyping at plant and cellular level.
The 3rd general meeting, Oeiras, Portugalia Marzec 27-28, 2017

Wstęp 

Zapewne wszyscy słyszeliśmy o mrozach w Hiszpanii (brak brokułów w brytyjskich sklepach) lub o rosnących cenach kawy i kakao - a to tylko niektóre z bezpośrednich skutków zmian klimatycznych w produkcji żywności na całym świecie. Jak możemy rozwiązywać tego typu problemy? Szacuje się, że pomiędzy 2010 a 2050 rokiem trzeba będzie wyprodukować biomasę równą tej, którą ludzkość wytworzyła od początku istnienia rolnictwa, by zaspokoić zapotrzebowanie na żywność i produkty rolne nieżywnościowe. Jest to wyzwanie, które wymaga bardziej skutecznych i nowatorskich rozwiązań w hodowli i zarządzaniu.

Tak silna presja, w połączeniu z gwałtownym rozwojem technologicznym, wymusza szybszy rozwój fenotypowania roślin, w którym należy się skupić na czynnikach stresu abiotycznego i biotycznego, w powiązaniu ze skutkami globalnej zmiany klimatu. Fenotypowanie bada wydajność i produktywność roślin (= genetyka x środowisko x zarządzanie). W przyszłości fenotypowanie umożliwi nam ścisłe powiązanie hodowli roślin, fizjologii i produkcji roślinnej.

Europejska Sieć COST, która skupia naukowców zajmujących się fenotypowaniem oraz hodowców z 28 krajów europejskich, została utworzona po to, by skutecznie stawić czoła powyższym wyzwaniom oraz umożliwić przebadanie cennych kolekcji materiału genetycznego roślin uprawnych pod kątem opracowania efektywnych rozwiązań.

Hodowla tradycyjna - ukierunkowana na cel 

Hodowcy od zawsze wykorzystywali fenotypowanie do oceny, analizy oraz wyboru najlepszych linii wśród hodowlanych populacji. Tradycyjne fenotypowanie wykorzystywane do hodowli i selekcji nowych odmian roślin ograniczało się w znacznej mierze do określania ‘prostych’ cech użytkowych, takich jak wysokość roślin, odporność na choroby, wielkość i jakość plonów. W praktyce hodowla roślin zależy od wiarygodnych, szybkich i niedrogich narzędzi oceny, a jej zadaniem do chwili obecnej był i pozostaje wybór roślin, które mogą służyć jako nowe odmiany. Cel ten był realizowany przede wszystkim przez wizualną ocenę pożądanych cech lub analizę markerów genetycznych, np. warunkujących odporność na choroby w warunkach polowych lub w uprawie chronionej. Jednak w miarę rosnącego zapotrzebowania na nowoczesne odmiany o złożonych cechach, np. warunkujących wysoką wydajność produkcyjną zasobów, lub posiadających wieloraki zestaw cech, rośnie też zapotrzebowanie na dodatkowe narzędzia wykorzystywane w hodowli roślin.

Podczas, gdy my oczekujemy coraz szybszego postępu hodowlanego, przegląd osiągnięć z ostatnich lat wskazuje, że coroczny wzrost plonów głównych roślin uprawnych się zmniejsza. To zaś oznacza coraz większy rozziew między popytem na produkcję rolną a postępem, a zatem potrzebujemy takich osiągnięć technicznych lub biologicznych, które pozwolą przyspieszyć postęp hodowlany. Potrzeba ta jest tym silniejsza, im bardziej dostrzegamy fakt, że nowoczesne odmiany będą musiały być dostosowane do klimatu panującego w przyszłości oraz do wymogów zrównoważonego rolnictwa, a jednocześnie będą one musiały zaspokoić stale rosnący popyt na produkcję żywności i pozostałych produktów rolnych.

Wybór materiału hodowlanego wymaga wielu lat prowadzenia selekcji polowej. W trakcie tego procesu rośliny są najczęściej uprawiane w różnorodnych warunkach środowiskowych, pod względem klimatycznym i glebowym, zróżnicowanych na tyle, na ile pozwalają dostępne sposoby uprawy. Procedury testowania roślin mogą zawierać takie komponenty jak susza lub nadmierne opady, mroźne zimy i upalne lata, a także odporność na choroby.

Zmiany klimatyczne wymuszą hodowlę odmian klimatycznie inteligentnych 

By sprostać obecnym wyzwaniom, zarówno odmiany jak i techniki uprawy, a nawet gatunki roślin, będą musiały być dobierane w odmienny sposób dla każdego regionu lub obszaru agroekologicznego, tak by zapobiegać stratom plonów powodowanym w przyszłości przez stresy abiotyczne. Strategie ukierunkowane na łagodzenie skutków stresu do tej pory koncentrowały się na doskonaleniu technik uprawy, łącznie z nawadnianiem roślin, wykorzystywaniem pestycydów lub stosowaniem nawozów. W obliczu coraz częściej występujących ekstremalnych zjawisk pogodowych, w przyszłości celem hodowców roślin, nawet w przypadku obszarów z uprawami roślin wysokoplennych, powinno stać się tworzenie odmian bardziej odpornych na rozmaite stresy abiotyczne. To zaś może nas zmusić do zaakceptowania nieco niższych, lecz średnio bardziej stabilnych plonów rocznych.

Wykorzystywanie zasobów genetycznych dzikich roślin (dzicy krewni roślin uprawnych) do poszukiwania nowych cech (warunkujących większą odporność na zmiany klimatyczne) oraz poprawy odporności roślin uprawnych na szkodniki i choroby może wnieść wkład do rozwoju hodowli roślin. Jednak ten kierunek rozwoju wykorzystuje ledwie ułamek bogactwa ukrytego w światowych bankach nasion.

By uporać się z wpływem zmian klimatycznych w skali całego globu, zarówno państwowe, jak i komercyjne działania hodowlane powinny obejmować programy przesiewowe zasobów genetycznych, tak by zagwarantować nie tylko wysokie, ale i stabilne plony, a tym samym zaoferować rolnikom szeroki wachlarz potencjalnych roślin uprawnych. Jednym z długofalowych rozwiązań jest zbadanie zasobów genetycznych należących do lokalnych odmian oraz dzikich gatunków, które zostały zgromadzone w bankach genów na całym świecie, celem zaś jest wyszukanie cech, które umożliwią skuteczne zmierzenie się z negatywnymi skutkami oddziaływania zmian klimatycznych na plony roślin i bezpieczeństwo żywnościowe. Takie są zamierzenia programu unijnego COST Phenomen-ALL – w poszukiwaniu odpornych odmian. W ramach programu organizowane są spotkania, które gromadzą osoby pochodzące z różnych środowisk zainteresowane tym zagadnieniem http://www.cost.eu/COST_Actions/fa/FA1306.

Fenotypowanie w praktyce 

Liczne instytuty badawcze i uniwersytety w Europie zainwestowały w rozbudowę infrastruktury badawczej do zautomatyzowanego fenotypowania roślin. W ramach wspólnych wysiłków, w celu stworzenia europejskiej struktury społeczności fenotypującej, za pośrednictwem Europejskiej Sieci Fenotypowania Roślin EPPN oraz jej niedawno powstałego następcy, EPPN2020 (https://eppn2020.plant-phenotyping.eu/), umożliwiono dostęp do unikalnej infrastruktury fenotypowania. Również krajowe sieci i organizacje zbudowały znaczną infrastrukturę i połączyły się w sieć umożliwiającą skuteczną wymianę wiedzy. Kolejny poziom integracji i świadczenia usług dla społeczności hodowców i naukowców to cele projektu UE EMPHASIS (https://emphasis.plant-phenotyping.eu/).

Rysunek 1. Fenotypowanie w praktyce może wyglądać odmiennie,
zależnie od zaangażowanych badaczy i hodowców roślin

Jednym z wyzwań jest dopasowanie różnorodnych zagadnień badawczych do dostępnych platform fenotypowania. Większość platform skupia się na pojedynczych źródłach stresu, np. ograniczony dostęp wody lub składników odżywczych, podczas gdy z punktu widzenia naukowców lepsze zrozumienie problemów można osiągnąć prowadząc pogłębione badania obejmujące różne kombinacje czynników stresu. Istnieje niewiele przykładów infrastruktury, które pozwalają łączyć doświadczenia nad różnymi stresorami, np. stres temperatury lub łagodzenie skutków zwiększonego poziomu CO2. Oprócz tego fenotypowanie wielu dużych populacji roślin skupia się do tej pory na prostych cechach, które są łatwe i tanie w ocenie, podczas gdy właśnie badanie złożonych cech, ze złożonymi mechanizmami dziedziczenia (warunkowanych przez liczne geny), pozwoliłoby hodowcom i naukowcom osiągnąć duży postęp w uzyskaniu korzyści genetycznych w hodowli oraz w poznaniu ekofizjologicznego oblicza roślin.

Potrzebujemy współdziałania – owoce sukcesu są słodkie

W niezwykle różnorodnej i złożonej społeczności fenotypujcej potrzebne jest współdziałanie między różnymi zainteresowanymi stronami. Sieć COST to wspaniała inicjatywa. Skuteczny przepływ informacji oraz – co nawet bardziej istotne – otwarte dyskusje i identyfikacja konkretnych potrzeb każdej z zaangażowanych stron są możliwe do osiągnięcia jedynie przez wspólne działania. Współdziałanie będzie miało pozytywny wpływ na ‘zrównanie hodowców’, zwiększy korzyści hodowlane, oraz skróci czas potrzebny na wyprodukowanie kolejnej generacji roślin dzięki zwiększeniu intensywności i dokładności selekcji. Procesy te powinny być wspierane przez rozwój wysoko wydajnych metod fenotypowania, co oznacza, że stosowane technologie powinny być bardziej wydajne czasowo i/lub dokładniejsze niż ocenianie ręczne; ujmując inaczej, stosowane techniki powinny umożliwiać wychwytywanie nowych informacji, które mogą mieć korzystny wpływ na proces hodowlany.

Pracownicy Katedry Biochemii Wydziału Biologii i Biotechnologii Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie od wielu lat uczestniczą w Europejskich Programach Współpracy w Dziedzinie Badań Naukowo-Technicznych (COST). Tematykę ostatnich programów COST oraz najważniejsze osiągnięcia naukowe pracowników Katedry przedstawiono w czasopiśmie Wiadomości Uniwersyteckie (nr 10 (206) październik 2016, s. 21; nr 3 (211) marzec 2017, s. 22; nr 5 (213) maj 2017, s. 26; nr 10 (218) październik 2017, s. 28; nr 12 (220) grudzień 2017, s. 26) oraz na stronach wydziałowych:
http://www.uwm.edu.pl/biolbioch/weidner.html http://biologiaolsztyn.blogspot.com/2016/10/zachowac-roznorodnosc-genetyczna.html http://biologiaolsztyn.blogspot.com/2017/05/wykorzystanie-roznorodnosci-gatunkowej.html http://biologiaolsztyn.blogspot.com/2017/10/badania-proteomiczne-roslin-w-europie.html http://biologiaolsztyn.blogspot.com/2017/12/oczekiwany-przeom-w-hodowli-winorosli.html http://www.uwm.edu.pl/edu/stanislawweidner/

Wspólny wysiłek na rzecz zapewnienia bezpieczeństwa żywnościowego w przyszłości

Ogólny postęp i rozwój w ostatnich latach ułatwiły analizę roślin. Fenotypowanie jest przydatne w przypadku dużych i małych upraw, wysoko wydajne fenotypowanie zaś wymaga technicznego opracowania narzędzi na różnych poziomach - od drogich i skomplikowanych zautomatyzowanych systemów po tanie i proste podręczne urządzenia do doświadczeń polowych.

Nadal jednak największym wyzwaniem na drodze do rozwiązania nadchodzących problemów w przyszłej produkcji żywności, w obliczu globalnej zmiany klimatu i rosnącej liczby ludności, pozostaje konieczność przesunięcia punktu ciężkości w projektach badawczych na multidyscyplinarną współpracę wielu interesariuszy. Skoro już teraz jesteśmy świadkami coraz częstszych ekstremalnych zjawisk pogodowych, takich jak fale upałów i/lub susze w obszarach uznawanych za optymalne dla różnych upraw, lepiej podjąć taką współpracę jak najwcześniej.

Konieczne jest zbudowanie zaplecza badawczego dostosowanego do prowadzenia doświadczeń zarówno szklarniowych, jak i polowych nad stresami właściwymi dla określonych regionów. Współpraca będzie wymagała od zaangażowanych stron określenia wspólnej płaszczyzny. Naukowcy będą musieli uwzględnić pewne praktyczne aspekty w swoich badaniach. Hodowcy będą musieli uchylić rąbka tajemnicy i otworzyć się na współpracę, w której wykorzystywane będą odmiany wiodące. Producenci sprzętu będą musieli zaprojektować tanie narzędzia do fenotypowania oraz stworzyć otwarte oprogramowanie, aby umożliwić pełny dostęp do surowych danych i integrację sprzętu.

Na zakończenie, nie mniej ważne jest, by główne strony zaangażowane w fenotypowaniu opracowały wspólną nomenklaturę dla całej wspólnoty fenotypowej, co ułatwi współpracę i jak najlepsze wykorzystywanie danych do meta-analiz. Jest to wyzwanie przekraczające możliwości jednostek, zatem jedynie przez wspólne wysiłki podejmowane przez fenotypową społeczność naukową oraz podmioty przemysłowe, można osiągnąć cel.

Zachęcamy do przyłączenia się do nas w tych poszukiwaniach i do udziału w końcowym spotkaniu w ramach programu COST Phenomen-ALL, które odbędzie się w Leuven, w dniach 20 do 21 marca 2018. Informacje na stronie www.phenomen-all.eu.

Sebastien Carpentier, Ulrich Shurr, Carla Pinheiro, Estelle Goulas, Carl-Otto Ottosen, Asrid Junker, Rick Van de Zedde i Stanisław Weidner (COST Action FA1306)