VÝSLEDKY MEZINÁRODNÍHO SEMENÁŘSKÉHO PROJEKTU COST 828

Ladislav Bláha

Výzkumný ústav rostlinné výroby, Praha - Ruzyně

Abstract

It was concluded that ”seed provenance” - especially influence of different abiotic stresses has very important effect on root system, the first phases of plant development and the following yield formation. Drought, high temperature and other abiotic stresses have a large influence on the basic metabolic processes, yielding traits and traits of technological quality.

It was concluded that ”seed provenance” - especially influence of different abiotic stresses has very important effect on root system, the first phases of plant development and the following yield formation. Drought, high temperature and other abiotic stresses have a large influence on the basic metabolic processes, yielding traits and traits of technological quality.

biotic stresses, seed provenance, COST 828

Souhrn

Abiotické stresy-negativní fyzikální vlivy během růstu a vývoje semen ovlivňují základní metabolické pochody a většinu vlastností semen. Studium vlivů abiotických stresů na vlastnosti osiva je mimořádně důležité, neboť provenience osiva hraje vždy velmi významnou roli v dalším růstu a vývoji rostlin.

V mezinárodním semenářském projektu COST 828 se výzkum soustředil na otázky vlivu abiotických stresů na energetický obsah zrn, vliv stresů na všechny běžně využívané vlastnosti semen, na růst kořenů a příjem živin v následné generaci u rostlin vyrůstajících ze semen ovlivněných abiotickými stresy, dále pak na vliv závlahy, genotypu a velikosti sklizeného semene na schopnost klíčních rostlin přizpůsobit se nedostatku vody u semen různé provenience. Dalším cílem byla též morfologická stavba obilek a ukazatelé kvality zrna a výzkum vlivu veškerých manipulací se semeny po sklizni na jejich vlastnosti a na následnou generaci.

Stále více začíná v semenářském výzkumu převažovat nejen hodnocení všech vlastností semen, ale i všech fyziologických a biochemických funkcí rostliny, které ovlivnují vlastnosti semen, vliv abiotických stresů na tyto vlastnosti, možnosti jejich modifikací pomoci metod genetiky a molekulární genetiky tak, aby se vlastnosti semen zlepšovaly v požadovaném směru.

Mezinárodní projekt COST 828 je zaměřen na vliv abiotických stresů na osivo v průběhu formování a zrání semene, v průběhu sklizně, při posklizňovém ošetření a během skladování. Porozumění základním zákonům vlivu stresů v době vývoje zrna může vést k tvorbě nových šlechtitelských selekčních metod a metod testování kvality osiva.

Důvodů, proč se uvedený projekt řeší, je mnoho. Je to zejména to, že nekvalitní osivo může snížit výnos porostu až o 5 - 20% v závislosti na charakteru tvorby výnosu konkrétní plodiny a na průběhu počasí. Toto riziko je reálné i při dodržení konstantních vstupů do porostu v průběhu vegetace. U porostů založených méně kvalitním osivem lze očekávat menší efekt agrotechnických zásahů na regulaci tvorby výnosu. Značná rezerva spočívá ve šlechtění odrůd na znaky, které zvyšují vitalitu osiva a tím i v následné generaci i celou řadu morfologických a fyziologických vlastností (odrůdové diference). Další důvody pro řešení daného projektu lze shrnout do následujícího přehledu:

Nejvýznamnější fyziologická vlastnost osiva - jeho vitalita, může být ovlivněna během vegetace krátkodobě a dlouhodobě působícími abiotickými stresy. Dalšími významnými faktory ovlivňující vitalitu osiva jsou podmínky sklizně, ošetření a skladování. Velký význam vitality lze očekávat zejména u jařin, kde například i rychlost a vyrovnanost klíčení a počáteční poměr mezi kořeny a nadzemní biomasou ovlivňují další růstové a fyziologické procesy. Mnoho nejasných otázek zůstává v hodnocení anatomické a morfologické stavby embrya a endospermu. Zvlášť obtížné je vyjadřování vztahu vitality s produkční schopností porostu. Velký význam má určení dědičně fixovaných vlastností, které jsou modifikované abiotickými stresy a jejich význam pro růst, vývoj, produkci a kvalitu následné generace, tvorbu kořenů, příjem živin, stabilitu výnosů, a úroveň vstupů do výroby. Neméně důležitá je problematika stárnutí semen v souvislosti se skladováním a manipulací se semeny, jak pro šlechtitele (šlechtitelské materiály, genové zdroje v genobankách), tak pro producenty a uživatele osiv. Řešení projektu zahrnuje oblast biotických stresových podmínek, na základě výskytu patogenů přenosných osivem, ve vztahu k provenienci osiva, originálním řešením je stanovení prahu škodlivosti u vybraných patogenů v korelaci s vitalitou osiva.

Hlavní směry výzkumu jsou v projektu zvoleny tak, aby se jednalo vždy nejen o výzkum vlastností semen, ale i o výzkum všech vlastností rostlin, které jejich kvalitu a vlastnosti mohou ovlivnit. Jedná se zejména o témata uvedená v následujícím přehledu:

Dlouhodobé skladování

Vliv abiotických stresů na dynamiku stárnutí osiv, jejich skladovatelnost, biochemické procesy v průběhuskladování v rozličných podmínkách, vliv na energii klíčivosti a klíčivost semen z rozličných podmínek skladování. Hlavním cílem je tedy analýza vlivu abiotických stresů v průběhu tvorby a zrání semen těch vlastností, které ovlivňují změny vitality a stárnutí semen v průběhu skladování.

Vitalita

Vitalitě osiva je věnována mimořádná pozornost, neboť se jedná o velmi důležitý znak, který může ovlivnit i případné napadení patogeny v průběhu následné generace, příští výnos a stabilitu vlastností semen po dlouhodobém skladování. Pozornost je věnována též metodám genového inženýrství za účelem zvýšení vitality osiva (např. ovlivnění aktivity enzymů, hladiny fytohormonů, tvorbu a vlastnosti škrobu a bílkovin, atd.). Stanovuje se vliv vlastností semen souvisejících s vitalitou, které jsou dědičně fixované a modifikované vlivem stresů na následnou generaci, tj. na vývoj rostlin, příjem živin, tvorbu kořenů, odolnost ke zhoršeným vnějším podmínkám. Ve výzkumu uvedeného projektu je především hodnocen vliv vnějších podmínek na základní metabolické procesy v rostlině a na vlastnosti semen a jejich vitalitu. Obecně lze říci že biochemie, genové inženýrství a fyziologický výzkum při studiu vitality nabyly značně na významu.

Využívání obrazové analýzy

V projektu jsou zkoušeny různé metody využívání obrazové analýzy při hodnocení semen z různých proveniencí. Jedná se zejména o přesný, detailní popis tvaru a velikosti semene a morfologické znaky povrchu semen. S tímto způsobem hodnocení je spojena i predikce utváření vlastností následné generace na základě vybraných charakteristik osiva.

Komplexní semenárská hodnota

Probíhají různé pokusy na poli matematiky a statistiky o stanovení komplexní semenářské hodnoty, de facto jednoho čísla. Jedná se zatím o celkem málo frekventovanou snahu vzhledem k tomu, že statistický popis jedním číslem necharakterizuje dostatečně komplexně příslušné vlastnosti.

Analýza dedicnosti

Analýza dědičnosti probíhá u následujících vlastností a charkteristik metabolismu: rychlost růstu a zrání osiva, regulace vztahu embryo x endosperm při klíčení, aktivita enzymů v době nalévání zrna a v době klíčení. Problematika významu využití vody v průběhu tvorby zrna, klíčení osiva, biochemické změny v průběhu skladování. Vliv stresů na množství a kvalitu proteinů, obsah mastných kyselin (např. slunečnice - kys. olejová, linolenová, atd.), kvalita osiva potravinářská a krmivářská. Připravují se genetické mapy tolerance vůči stresům a mapy ostatních vlastností osiva, které jsou důležité pro pěstování výkonných porostů a mohou býti využity i ve šlechtitelském procesu, například kukuřice (Quantitative trait loci - QTR 153).

Klícní rostliny

Zde je možno uvést následující sledované problémy: Větší penetrace kořenů do hloubky na počátku klíčení (příkladem může být starší česká odrůda Jara). Rychlost příjmu vody po uložení semen do suššího půdního prostředí (pro sušší oblasti). Optimální propustnost osemení pro plyny. Optimální hladina giberelinů. Optimalizace vlivů mateřské rostliny na požadované vlastnosti osiva (například úroveň dusíkaté výživy). Možnost růstu při snížené zásobenosti půdy kyslíkem. Tolerance klíčních rostlin k abiotickým stresům. Zvýšená aktivita enzymů v průběhu klíčení, tolerance klíčních rostlin k chladu (například: Rare cold inducibler genes-RCI geny, Arabidopsis, modelový příklad tolerance k chladu).

Korenový systém

Pro každý typ stresu existuje v následné generaci rozdílná změna u jednotlivých znaků kořenového systému. Z dosud získaných výsledků je možno uvést, že změny u kořenového systému mají za následek nejen změny příjmu živin, změny tolerance k negativním fyzikálním stresům, ale mohou se promítnout i do konečné fáze, tj. do výnosu rostlin. Ze sledovaných znaků u obilek a klíčních rostlin v následné generaci se pod vlivem abiotických stresů nejvíce mění kořenový systém.

Vysoká teplota, sucho - vliv behem vegetace

Vysoká teplota a sucho jsou hlavní fyzikální vlivy, které jsou cílem semenářského výzkumu. Důvodem je zvyšující se variabilita průběhu tvorby počasí. Sleduje se vliv na základní metabolické procesy od počátku vegetace až po tvorbu výnosu, vliv na kvalitu semen, vitalitu a životnost osiva objevují se šlechtitelské programy s využitím genetických zdrojů tolerance vůči vysoké teplotě a suchu (soja, fazol, kukuřice, pšenice, slunečnice, řepka,…). Směry výzkumu jsou dva: vliv stresu v průběhu celé vegetace a vliv stresu v jednotlivých fázích růstu. Základem výzkumu však není semeno po vlivu vnějších podmínek, ale metabolické procesy v průběhu působení stresu, jejich vliv na kvalitu semene a možnosti geneticky ovlivnit sledované vlastnosti. Je však známo, že prakticky na všech chromozomech je kódována tolerance vůči suchu.

Stresové proteiny

Tyto rychle se tvořící bílkoviny po začátku vlivu vysoké teploty (heat-shock proteins) přispívají k utváření termostability rostlin. Uvedené látky jsou transportovány i do chloroplastů a mitochondrií a předcházejí aklimační změny chemického složení membrán. Uvedené proteiny jsou konstitutivní látky a jejich tvorba se mnohonásobně zvýší při vlivu stresu.

Jako příklad mohou sloužit transgenní rostliny kukuřice, které jsou odolnější vůči suchu, chladu a zasolení. Jako příklad může sloužit u kukuřice-skupina Rab proteinů a celá řada dalších rostlin. Odolnější rostlina pak produkuje kvalitnější osivo. Ale vlivem transgenoze se mění i celá řada ostatních vlastností a ne vždy je změna genotypu úspěšná.

Fyziologické vlastnosti rostlin

Rostliny s optimální pokryvností listů (voda, fotosyntéza, dýchání transport), optimální hustota porostu (světlo, dýchání), morfologie květenství (vliv polohy semene, na vlastnosti osiva a obsah a kvalitu bílkovin), interakce sucho a buněčné aktivity v průběhu nalévání zrna (jednotlivé enzymy, obsah fytohormonů, interakce embrya a endospermu v době nalévání zrna, atd.), pohyb živin v rostlině v jednotlivých podmínkách prostředí - např. kyselé prostředí omezuje částečně pohyb některých makroprvků do nadzemní části.

Mutacní šlechtení

Jako příklad může sloužit odrůda Guardian, kde pomocí ethyl metan sulfonátu byli získáni termotolerantní mutanti a mutanti s odolností vůči suchu (testování odolnosti vůči vysoké teplotě v laboratoři probíhá při 47° C po dobu 1,5 hod., či při 38° C - 6 hod., 4 hod. až 5 dní, polní experimenty). Pro uvedené cíle lze též použít i některé mexické pšenice. Dále je pozornost soustředěna na toleranci k zasolení a toleranci k houbovým chorobám (Erysiphe, Puccinia, Septoria, Stagonospora). Hlavním cílem se stává “cross” tolerance, tj. komplexní tolerance vůči více abiotickým stresům. Žádoucí je zejména kombinace z hlediska tolerance vůči suchu, vysoké teplotě a zasolení. Ukazuje se totiž, že z hlediska fyziologického a genetického je možno získat rostliny s takovouto komplexní tolerancí.

Molekulární genetika

Lze říci, že přenos genů tolerance vůči chorobám semen a parazitům je reálný, ale do procesu se musí zapojit i šlechtitelé, fyziologové (balance polygenů!!). Důvodem je vznik některých nežádoucích vlastností rostlin. Jako konkrétní příklady lze uvést přenos genů na rezistenci vůči chorobám u slunečnice, izolace a přenos genů pro tvorbu škrobu, bílkovin u tabáku (příklad B-32 protein, kukuřice, ochrana proti chorobám, tvorba cystatinů, atd).

Rustové regulátory

ABA, 4PU-30, giberelin, cytokinin, atd. Zde se jedná o jejich množství a vliv na metabolismus, vlastnosti osiva, odolnost vůči stresům. V tomto odvětví je poměrně málo prací. Výjimku tvoří studie zabývající se kyselinou abscisovou.

Problematika vodního režimu

Problematika využití vody. Jedná se o ztrátu vody při skladování, rychlost přijímání vody před klíčením, nutné množství vody pro započetí klíčení rostlin, z hlediska fytopatologického se jedná též o množství mikromycetů na semeni ve vlhkých a suchých podmínkách a v neposlední řadě jde o nedostatek kyslíku pro klíčení při zavodnění - přemokření pozemku. V této souvislosti je věnována mimořádná pozornost stavbě a aktivitě buněčné stěny a její propustnosti pro vodu.

Tolerance vuci biotickým stresum

Jedná se o chemické složení membrány a o produkci specifických látek, které zamezí většímu napadení rostlin houbami a o úlohu specifických bílkovin, které mohou zabránit napadení hmyzem. V této souvislosti je nutné jmenovat například cystatiny, t.j. specifické bílkoviny, které v aleuronové vrstvě působí jako ochrana proti hmyzu. Tato skupina proteinů inhibuje celou řadu enzymů v trávicím traktu hmyzu, ale i některé enzymatické reakce u rostlin, které mohou býti prakticky využitelné (aktivita cystein endoproteázy v rostlinách).

Tolerance k porustání

Tolerance k porůstání je u odrůd geneticky fixovaná. Jmenovaná vlastnost je významná jen pro určité oblasti a pro určité odrůdy.

Délka dormance

Dalším znakem důležitým pro semenářství a pro produkci rostlinnou je délka dormance. Uvedený kvantitativní znak je zejména významný v lesním hospodářství a u plodin, kde dormance přetrvává až do doby setí.