Pogłębiający się problem niedobóru wody w glebie wymusza na hodowcach roślin poszukiwanie form łączących w sobie plenność na co najmniej dotychczasowym poziomie i wykazujących wyższą tolerancję na okresowe niedobory wody w glebie. Etapem wstępnym jest precyzyjne określenie celu hodowli. Modelowanie ideotypów zbóż dla przyszłych dziesięcioleci z uwzględnieniem zmian klimatycznych jest formą wyznaczania priorytetów. Jednakże dopiero połączenie wyników badań teoretycznych z praktyką wyznacza perspektywy dla hodowli roślin.
polskie priorytety

Nowoczesna odmiana powinna charakteryzować się: późniejszym kłoszeniem, gdyż rośliny mają więcej czasu na wytworzenie większej ilości zawiązków kłosa; szybkim wypełnianiem ziarna, co jest szczególnie ważne w okresie suszy; szybkim przemieszczaniem asymilatów z liści do ziarna; krótkim i sztywnym źdźbłem – można wtedy zwiększyć obsadę roślin ma m2 bez obawy wylegania; większą masą 1000 ziaren, wysoką ich gęstością w stanie zsypnym, odpornością na porastanie i tolerancją na choroby.

W Polsce ideotypy zbóż definiowane są w oparciu o:
cechy morfologiczne: wysokość roślin, długość kłosa, położenie i powierzchnia liści flagowych,
cechy fenologiczne: termin rozpoczęcia wegetacji po okresie spoczynku zimowego, terminy kłoszenia i dojrzewania,
odporność na choroby.

Przedstawione powyżej priorytety bezpośrednio nie uwzględniają aspektów związanych z efektywnością wykorzystania wody przez rośliny uprawne. W warunkach polskiego rolnictwa i sposobu finansowania nauki należy mieć nadzieję na rozwój i wdrożenie masowych polowych metod selekcyjnych opartych na analizie obrazu.

KONCEPCJE HODOWLANE FIRM ZAGRANICZNYCH

Światowi liderzy w branży hodowlano-nasiennej, dysponujący wielokrotnie większym kapitałem finansowym, laboratoryjnym i ludzkim, przyjęli bardziej progresywne zasady postępowania uwzględniające głównie cechy fizjologiczne. Przyjęcie ich zostało oparte na tezie (ogłoszonej pod koniec XX w.) głoszącej, że kryteria selekcyjne w kierunku poprawy odporności roślin na suszę przyczyniają się do mimowolnej promocji fenotypów charakteryzujących się większą transpiracją i jednocześnie mniejszą efektywnością wykorzystania wody.

Dla rolnictwa ważne są formy dobrze plonujące w warunkach ograniczonego dostępu wody, a nie jedynie przeżywające w warunkach suszy. Dlatego też wiele nowoczesnych odmian o czasowo podwyższonej odporności na suszę charakteryzuje się wzmożoną transpiracją pozwalającą na utrzymanie pełnego turgoru, co przeciwdziała zahamowaniu wzrostu i spadkowi plonu w krótkotrwałych okresach suszy. Transpiracji towarzyszy lepsze pobieranie oraz przewodzenie wody przez rozwinięty system korzeniowy i naczynia przewodzące o szerszym przekroju. Usprawnienie pobierania i przewodzenia wody przez rośliny prowadzi co prawda do wydłużenia czasu życia roślin w warunkach suszy, jednakże przyczynia się również do wzrostu całkowitej ilości wody transpirowanej przez roślinę i wpływa na pogłębienie suszy glebowej.

Wyniki eksperymentalne potwierdzają, że współczesne genotypy charakteryzują się mniejszą efektywnością wykorzystania wody. Przykładowo dzikie diploidalne i tetraploidalne formy owsa charakteryzują się transpiracją o połowę mniejszą w porównaniu z komercyjnymi odmianami heksaploidalnymi oraz ok. dwukrotnie niższą niż poliploidalne linie hodowlane. Poprawa pobierania wody pod koniec cyklu wegetacyjnego i minimalizacja transpiracji pozaszparkowej są elementami wdrażanym już do programów hodowlanych na terenach półpustynnych. Istnieją ku temu możliwości, gdyż w materiałach hodowlanych występuje wysoka zmienność tej cechy związana z faktem, że transpiracja nie była dotychczas wykorzystywana jako kryterium selekcyjne.

Przyjęte przez potentatów zasady działania polegają na podziale hodowli na dwa etapy – teoretyczny i praktyczny bazujący na jego wynikach.

Etap I sprowadza się do teoretycznego opracowania fenotypów pszenicy o najbardziej pożądanych cechach. Wykorzystywane są do tego specjalistyczne modele symulacyjne. Jednym z nich jest Sirius używany przez europejskie ośrodki hodowlane. Dzięki temu, że zawiera algorytm genetyczno-ewolucyjny, umożliwia opracowanie ideotypów pszenicy dla różnych środowisk docelowych w dłuższej perspektywie czasowej. Jego prawidłowość prognozowania została zweryfikowana eksperymentalnie w szerokim zakresie warunków środowiskowych nie tylko Europy, lecz także Nowej Zelandii, Australii i Stanów Zjednoczonych.

W statystycznym prognozowaniu ideotypów pszenicy do roku 2050 z wykorzystaniem modelu Sirius modelowanych jest 5 grup parametrów obejmujących 9 cech fizjologicznych. Zakresy wartości każdego z parametrów zostały wyliczone i skalibrowane na podstawie szeroko prowadzonych doświadczeń.

Parametr charakteryzujący fotosyntezę bazuje na 1 cesze – wydajności zamiany promieniowania słonecznego na energię chemiczną. Modelowanie wskazało na możliwość wzrostu wydajności asymilacji CO2 o 10 proc. przy zachowaniu aktywności enzymu RuBisCO na obecnym poziomie przy wzroście stężenia CO2 w atmosferze w przyszłości;

Parametr charakteryzujący fenologię rośliny poprzez 3 cechy: phyllochrony, tj. długości okresów między pojawieniem się kolejnych liści, reakcją fotoperiodyczną oraz czasem wypełniania ziarna. Modyfikacje długości trwania oraz terminów zachodzenia poszczególnych faz rozwojowych w zależności od sezonowych zmian długości i natężenia promieniowania słonecznego, a także sezonowej dostępności wody mają kluczowe znaczenie dla wielkości plonu. Wcześniejsze kwitnienie i dłuższy czas wypełniania ziarna wywołują wzrost plonu;

Parametr charakteryzujący łan z wykorzystaniem 2 cech: wskaźnika LAI określającego pokrycie gleby przez listowie i cechy stay green. Zmiana wartości wskaźnika LAI wpływa na efektywność wykorzystania światła, wielkość transpiracji, a tym samym pośrednio na dynamikę wzrostu. Cecha stay green zapewnia opóźnienie starzenia liści, co wydłuża okres asymilacji, a w konsekwencji zapewnia wyższy plon;

Parametr charakteryzujący tolerancję na suszę z uwzględnieniem 2 cech: zmiana intensywności fotosyntezy w warunkach niedoboru wody oraz tempo starzenia się liści. Zarówno wytwarzanie biomasy związane z wydajnością fotosyntezy, jak i tempo starzenia liści są proporcjonalne do tolerancji rośliny na suszę;

Parametr charakteryzujący pobór wody przez korzenie, 1 cecha – tempo poboru wody. Stwierdzono, że w warunkach suszy wolniejsze pobieranie wody przez korzenie finalnie przekłada się na dłuższy okres jej dostępności z gleby i wyższe plony.

Celem konstruowania ideotypów pszenicy było wyznaczenie takich wartości względnych dla rozpatrywanych parametrów fizjologicznych, które zapewniłyby maksymalizację plonu w perspektywie do 2050 r. w każdej z 10 wybranych lokalizacji w Europie różniących się warunkami klimatycznymi. Stworzone symulacyjnie ideotypy są jak matryce mogące zostać wykorzystane do oceny wartości hodowlanej posiadanych materiałów, ułatwienia ich doboru do krzyżowań w celu uzyskania form o podwyższonej tolerancji na niedobór wody i inne środowiskowe czynniki stresowe jak temperatura, nasłonecznienie.

Wykorzystanie tego typu badań podstawowych pozwala na zdefiniowanie newralgicznych problemów oraz na opracowanie hodowlanych metod ich rozwiązania. Zapewnienie wzrostu plonów wymaga nie tylko stałego postępu w hodowli, lecz także dalszego rozwoju agrotechniki.

Współpraca międzynarodowa

Skutkami zmian klimatu, takimi jak susza, fale upałów lub nawalne opady, są szczególnie dotknięte obecnie uprawiane odmiany żyta. Jako gatunek obcopylny ma ono jednak duży potencjał adaptacji do zmian klimatycznych ze względu na bogatą różnorodność genetyczną. Do tej pory hodowla mieszańcowa żyta koncentrowała się na poprawie wysokości plonu ziarna oraz odporności na rdzę i sporysz. Hodowla Roślin Danko jest częścią międzynarodowego konsorcjum badawczego o nazwie RYE-SUS, którego celem jest m.in. dostosowanie żyta do zachodzących zmian środowiskowych. Chodzi przede wszystkim o korektę morfologii roślin skutkującą wzrostem ich odporności na wyleganie, jak również przemodelowanie przebiegu procesów fizjologicznych umożliwiających podwyższenie tolerancji na niedobór wody w glebie. Projekt RYE-SUS otrzymał finansowanie z Unii Europejskiej w ramach programu Horyzont2020 Badania i Rozwój. W projekt RYE SUS zaangażowane są następujące ośrodki badawcze:
Austria: Universität für Bodenkultur Wien, Saatzucht LFS Edelhof,
Estonia: Estonian Crop Research Institute, Jõgeva Plant Breeding;
Finlandia: Natural Resources Institute Finland, Production Systems, Boreal Plant Breeding Ltd;
Kanada: University of Saskatchewan, Department of Plant Science, Agriculture and Agri-Food Canada, Lethbridge Research and Development Centre;
Niemcy: Julius Kühn Institute, Hybro Saatzucht GmbH & Co.;
Norwegia: Norwegian Institute of Bioeconomy, Research Department of Grain and Forage Seed;
Polska: Hodowla Roślin Danko, Zakład Hodowli Roślin Choryń.
Naukowcy zastosowali nowoczesną technologię sekwencjonowania genów dla kompleksowego scharakteryzowania półkarłowych i wysokich genotypów żyta. Udało się uzyskać wgląd w to, jak hormon wzrostu giberelina reguluje wysokość rośliny na poziomie molekularnym. Aktywność genu z biosyntezy gibereliny jest znacznie zwiększona u żyta niosącego gen karłowatości Ddw1. Dane molekularne pokazują, że Ddw1 może być kluczem do zwiększenia tolerancji żyta na suszę. Naukowcom udało się wprowadzić gen Ddw1 do form półkarłowych, a w minionym 2019 r. uzyskać homozygotyczne pod względem tego genu płodne linie rodzicielskie.
Zgodnie z planem naukowców hodowla wysokowydajnych odmian mieszańcowych żyta o zmniejszonych wymaganiach wodnych i obniżonej wysokości pozwoli w przyszłości zrezygnować z używania regulatorów wzrostu oraz zmniejszyć koszty suszenia ziarna. Aby móc przewidzieć wydajność żyta w różnych warunkach klimatycznych, eksperci projektu RYE-SUS opracują pierwszy model wzrostu i rozwoju żyta. Prócz wyżej wymienionych aspektów zbadane zostaną także: system korzeniowy oraz genetyczne i molekularne podstawy zimotrwałości żyta.▪