Hybridní odrůdy - současný trend ve šlechtění rostlin

06.02.2003 | Odborné konference

Hybridní odrůdy - současný trend ve šlechtění rostlin

Hybrid cultivars - progressive trend in plant breeding

Sylva Skupinová, Pavel Vejl, Petr Sedlák

Česká zemědělská univerzita v Praze

Abstract

Hybrid varieties are the most important varieties type of some agricultural crops and they have majority in varieties of the vegetables crop. The main cause of this breeding process is higher yield in F1 generation over against their parents heterosis. Another priority of the hybrids varieties is uniformity of F1 generation. The impact of the heterosis and uniformity these varieties surpass original varieties type populations or lines. The problem of the F1 hybrid type varieties breeding is related to lines breeding in individual botanic genus. In some kinds of crop we have problems with inbreeding lines breeding and this one is main problem for F1 hybrids breeding or for enough seeds of this varieties acquiring. Genes manipulations could resolve problems with incompatibility overcoming, obtaining of male sterility plants and sterile analogues obtaining and other problems, which are related to hybrid breeding. Over these positives, which are discussed; we can say that the main negative of F1 hybrids is their higher seed price from grower point of view.

heterosis, F1 hybrid, variety

Souhrn

Hybridní odrůdy jsou v současné době nejvýznamnějším typem odrůd některých zemědělských plodin a většiny zelenin. Důvodem šlechtění hybridních odrůd je především zvýšení produkční schopnosti a vitalita F1 hybridů ve srovnání s rodiči - heterozní efekt. Další předností hybridních odrůd je vyrovnanost rostlin F1 generace. Z těchto důvodů hybridní odrůdy překonávají původní odrůdy typu populace nebo linie. Problematika šlechtění hybridních odrůd souvisí zejména smožností tvorby inbreedních linií u jednotlivých botanických druhů. U některých plodin je právě bezproblémové získání inbreedních linií zásadní překážkou tvorby F1 hybridů a následně žádaného množství hybridního osiva. Překonání inkompatibility, získávání pylově sterilních analogů a další problematiky související stvorbou hybridů typu F1 mohou v některých případech vyřešit genové manipulace. Přes výše citovaná pozitiva je nutné brát v úvahu, že z hlediska pěstitele jsou finanční náklady na pořízení osiva hybridních odrůd výrazně vyšší.

Hybridní šlechtění

Hybridní odrůdy vznikají vzájemným řízeným křížením obvykle 2 4 nebo i více rodičovských komponent s dobrou kombinační schopností s cílem dosažení heteroze.

Jev heteroze byl objeven již v roce 1763 německým botanikem J. G. Kölreuter (1733-1806), který jej označil jako "luxuriace". Objev heterozního efektu tudíž předcházel objevu základních pravidel genetiky J. G. Mendelem (1822 1884), bez kterých si v dnešní době již nelze šlechtění rostlin představit.

Termín heteroze byl zaveden až americkým genetikem G. Shullem v roce 1914, který se společně s E. Eastem zabývali šlechtitelskými technikami u kukuřice (Berlan, 2003). Uvedené pokusy odstartovaly tvorbu F1 hybridů u kukuřice. Později následovala tvorba odrůd typu F1 hybrid u dalších zemědělských plodin.

Heterozi hetrozní efekt lze chápat jako biologický jev projevující se zvýšenou zdatností, vitalitou a zvýšenou produkční schopností F1 hybridů po křížení geneticky vzdálených rodičovských komponent s dobrou kombinační schopností. Rodičovskými komponenty mohou být odrůdy, linie, inbrední linie. Heteroze se může dostavit i při vzdálené hybridizaci. Schématicky je projev heteroze demonstrován na příkladu kvantitativního polygenně řízeného znaku - výška rostliny, který je uveden na obrázku 1.

Obrázek 1: Heterozní efekt výšky rostliny

Heteroze vykazuje následující specifické rysy:

Ř Projevuje se zejména u kvantitativních znaků (vzrůst, mohutnost, výnos), omezeně u kvalitativních znaků (rezistence, ranost).

Ř Vyskytuje se u cizosprašných i samosprašných druhů bez ohledu na stupeň jejich ploidity.

Ř Nejvyšší intenzita projevu heteroze je pouze v F1 generaci.

Ř Nejvyšší heteroze vzniká po křížení rodičů s nejlepší kombinační schopností.

Ř Převažuje kladná heteroze, záporná heteroze se vyskytuje omezeně (Graman a Čurn, 1997).

Tento biologický jev se vysvětluje několika hypotézami, kde za nejdůležitější lze pokládat:

Ř Hypotézu dominance, kdy heterozní efekt je výsledkem maximálního počtu dominantních sestav genů polygenu řídícího určitý kvantitativní znak.

Ř Hypotézu superdominance, kdy heterozní efekt je výsledkem maximálního počtu heterozygotních sestav genů polygenu řídícího určitý kvantitativní znak, kde dominantní a recesivní alela se vzájemně podporují.

Ř Hypotézu genové interakce (komplementarita, epistáze, mnohotný alelismus ).

Ř Hypotézu genové rovnováhy, kdy kombinací donorových rodičovských genů dojde u F1 hybridů k balanci polygenního systému řídícího určitý kvantitativní znak. Touto hypotézou lze vysvětlit heterozi u většiny botanických druhů (Bednář, 1997).

Hybridní odrůdy současného sortimentu lze rozdělit na:

a) Meziodrůdové

Tyto hybridy vznikají vznikají křížením odrůd, ale heteroze dosahuje pouze 10-15%. Vyšší heteroze se dostavuje pouze po volbě odrůd s dobrou kombinační schopností.

b) Meziliniové

Meziliniové hybridy jsou nejčastějším typem hybridů. Vznikají po křížení linií s ověřenou kombinační schopností a heterozní efekt dosahuje 25-40% v závislosti na kvantitativním znaku. Vyznačují se dobrou reprodukovatelností a stálostí.

Předpokladem pro tvorbu těchto hybridů je tvorba linií, zejména inbredních linií u cizosprašných druhů a jejich udržování a množení.

Podle počtu rodičovských komponent - linií rozlišujeme hybridy dvouliniové (single cross), tříliniové (triple cross) a čtyřliniové (double cross). Křížením s geneticky příbuznými liniemi (sesterské linie) vyznikají modifikované typy F1 hybridů.

c) Odrůdoliniové, linioodrůdové

Hybridy vznikají křížením odrůd a linií.

d) Směsi F1 hybridů

Využití těchto typů odrůd je zejména u okrasných rostlin například z důvodů rozšíření barevného spektra u Primula vulgaris uvedené na obrázku 2.

Obrázek 2: Rozšíření barevného spektra smícháním F1 hybridních odrůd u Primula vulgaris

U některých okrasných rostlin lze využít rovněž směsi F2 generace pro rozšíření barevného spektra ovšem na úkor heteroze zejména ve velikosti květu a v ranosti vlivem genotypového a fenotypového štěpení F2 generace.

Vyšlechtění hybridních odrůd mnoha botanických druhů s využitím heteroze a vyrovnanosti F1 generace je v současné době jedním z největších úspěchů šlechtění rostlin. Je nutné ovšem připomenout, že u některých botanických druhů ještě nebyly překlenuty různé problémy při tvorbě rodičovských komponent nebo hybridů samotných. Hledají se proto nové cesty, jak tyto hybridy získat. Jednou z takových cest je i využití genetické modifikace pro navození pylové sterility mateřské komponenty hybrida. Jedná se o v nesení genu pro barnázu (bakteriální RNAázu), který se exprimuje pouze v tapetu prašníku během procesu mikrosporogeneze. Uvedená modifikace umožňuje získání pylově sterilních rostlin. Pro obnovení fertility linií je využíváno genů pro inhibitory barnázy pocházející ze stejného druhu bakterie (Vejl et al., 2002).

Na obrázku 3 je znázorněn příklad tvorby geneticky modifikovaných rostlin s pomocí příručního biolistického děla. Obrázek 4 demonstruje expresi vneseného genu způsobující pylovou sterilitu rýže.

V České republice se dnes intenzivně využívají odrůdy typu F1 u řady hospodářsky významných plodin. Například u kukuřice a slunečnice se využívají dokonce pouze hybridní odrůdy. Rovněž u většiny zelenin se využívají hybridní odrůdy, a to i přes výrazně vyšší ceny osiv. Uvedené skutečnosti odpovídá i nabídka odrůd, které jsou zapsané ve Státní odrůdové knize. Na následujícím obrázku 5 je znázorněno procentické zastoupení hybridů vodrůdovém sortimentu vybraných zelenin v České republice.

Obrázek 5: Odrůdová skladba zelenin vČeské republice

Zdroj: Seznam odrůd zapsaných ve Státní odrůdové knize České republiky k 15.7. 2002

Heteroze u F1 hybridů je zásadním důvodem jejich pěstování. Rovněž uniformita heterozygotní F1 generace je významným přínosem zejména u cizosprašných druhů. Pěstitel však nemůže počítat, že uniformita F1 generace je učebnicovým příkladem z Mendelova pokusného pozemku. 100% uniformitu u odrůd typu F1 hybrid, zejména cizosprašných botanických druhů, je v podmínkách klasického šlechtění nemožné získat. Zejména celá řada zelenin je citlivá na inbreední depresi, která se u mnohých znich dostavuje již v I3 generaci (Riggs, 1988). Tato genetická variabilita, kterou pěstitel pozoruje jakou určitou nevyrovnanost odrůdy, se dostavuje právě u hybridů vzniklých křížením nedostatečně homozygotizovaných linií. Je však nezbytné podotknout, že uvedená variabilita se projevuje ve vyšší míře pouze u znaků, na které nebylo šlechtěno, a to jsou v současné době zejména znaky z oblasti kvality produktů. Znaky, jako například obsahy vitamínů, kumulace těžkých kovů a jiné, jsou polygenního charakteru a ve šlechtěním byly odsunuty daleko za význam hlavních výnosotvorných prvků, popřípadě vhodnosti ke sklizňové a zpracovatelské technologii. Uvedenou variabilitu lze deklarovat například na hybridních odrůdách mrkve, která patří právě mezi druhy s vysokou citlivostí kinbreední depresi. Navíc se u těchto druhů využívají hybridy zejména typu triple cross, které samy o sobě dávají záruku snížené uniformity ve prospěch plasticity. Genetickou variabilitu lze v současné době velmi dobře odhalit pomocí molekulárněgenetických analýz. Tyto metody jsou však velice nákladné, ale přesto mají stále vyšší využití. Pro šlechtitelskou práci jsou významné hlavně tak zvané "markery napomáhají selekci" MAS (Marker Assisted Selectoin) (Vejl et al., 2000). Uniformitou hybridů a jednotlivých rodičovských komponent inbreedních linií pomocí molekulárněgenetických markerů se zabývala celá řada autorů. Při těchto analýzách jsou využívané různé metody a jejich modifikace založené na principu polymérázové řetězové reakce (PCR - Polymerase Chain Reaction). Mezi tyto analýzy patří i běžně využívaná metoda RAPD(Random Amplified Polymorphic DNA - náhodná amplifikace polymorfní DNA). Rom et al. (1995) použil RAPD markery pro kontrolu genotypové čistoty tří F1 hybridů rajčat a jejich rodičovských linií. RAPD metodu použili pro "fingerprinting" rajčat rovněž Klein-Lankhorst et al. (1991). RAPD markery pro genotypovou identifikaci devíti linií a tří F1 hybridů mrkve použil Grzebelus et al. (1997). Pro identifikaci uniformity linií a hybridů rajčat použila tuto metodu Skupinová et al. (2000).

Pro demonstraci genotypové variability byla provedena analýza genomu 25 jedinců F1 hybridní odrůdy mrkve Jaguar, která je v České republice registrována. Byla použita metoda RAPD dle Grzebelus et al.(1997), kdy teplotní a časový profil byl modifikován autory. Pro náhodnou amplifikaci byl na základě testování 70 náhodných primerů vybrán primer se sekvencí 5`-CCCACTGACG-3`. Získaný syntetický elektroforeogram je uveden na obrázku 6. Pomocí počítačové analýzy obrazu byl rovněž sestaven dendrogram uvedený na obrázku 7. Zobrázku 6 a 7 jednoznačně vyplývá genetická variabilita v náhodně vybraném markeru. Výsledky této analýzy mohou například objasňovat variabilitu těchto typů odrůdy ve znacích, které nejsou hlavními šlechtitelskými cíli. U mrkve to může být například obsah vitamínu C.

Obrázek 6: Syntetický elektroforeogram odrůdy mrkve Jaguar F1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

Obrázek 7: Dendrogram souboru analyzovaných rostlin odrůdy mrkve Jaguar F1 sestavený na základě Diceho podobnostních koeficientů

Diceho podobnostní koeficient S [%]

40 50 60 70 80 90 100

Uvedený dendrogram rovněž jednoznačně potvrzuje genetypovou variabilitu testovaných rostlin. Je možné detekovat velké množství shluků. U této testované odrůdy byla průměrná hodnota Diceho podobnostního koeficientu pouze 65,7% (maximální podobnosti odpovídá hodnota 100%) s rozpětím 15100% a se směrodatnou odchylkou 12,6.

Tuto skutečnost lze diskutovat z pohledu šlechtitelského procesu tvorby F1 hybridních odrůd mrkve. Riggs (1988) upozorňuje na vysokou inbreední depresi, která se u cizosprašného druhu mrkev obecná (Daucus carota L.) dostavuje již v I3 generaci. Genotypy inbreedních linií, použité pro hybridizaci s cílem získání F1 hybrida, nemohou mít tudíž vysoký stupeň homozygotnosti, jaký je známý například u kukuřice, která bezproblémově snáší opakované samosprášení do většího počtu generací. Vlivem nízkého stupně homozygotnosti linií mrkve použitých ke křížení, dochází v F1 generaci ke genotypovému a fenotypovému štěpení.

Závěr

Závěrem je nutno zdůraznit, že využití hybridních odrůd bude mít zejména vlivem heteroze stále větší uplatnění a do budoucna se tyto typy odrůd budou vyskytovat i u těch botanických druhů, kde v současné době teprve hledáme vhodnou šlechtitelskou metodu k jejich tvorbě. V zemích, kde jsou povoleny geneticky modifikované odrůdy, budou tyto typy odrůd konkurovat hybridům získaným pouze tradičním způsobem šlechtění.