Nové poznatky z fyziologie rostlin využitelné ve šlechtěnÍ a semenářství

Nové poznatky z fyziologie rostlin využitelné ve šlechtěnÍ a semenářství

New physiological traits for plant breeding and seed production

Ladislav Bláha

Výzkumný ústav rostlinné výroby Praha - Ruzyně

Abstract

Stress abiotic factors affect the seed quality, seed morphological, physiological and biochemical traits, chemical composition of seeds and vigour of seedlings. For each type of stress, different type of change of measured trait exists. The improved response of cultivars to abiotic stress conditions is accessible via plant breeding. From the agronomic point of view, the influence of seed provenance has an impact on the seed traits of plant in next generation. There is probably significant influence of gibberelin and abscisic acid seed content on the development of sprouting plants.

Presented work focussed on the effects of the seeds used for propagation, on the plant production and plant breeding in new environmental (climatic) and economic conditions and utilisation of different new physiological traits is discussed.

seeds, plant breeding, plant physiology, plant production, abiotic stresses

Souhrn

V předloženém textu se diskutují v rámci současných a nových fyziologických a biochemických znalostí možnosti jejich využití ve šlechtění, v rostlinnéprodukci a v semenářství. Hlavní důraz je kladen na problematiku abiotických stresorů.

Úvod

Zemědělství je velmi stará aktivita lidí. Přibližně před 20 000 léty se lidé začali postupně zajímat o to, co my dnes nazýváme hospodaření. V prvopočátku zemědělství se pěstovalo velké množství plodin, kdežto v současnosti celý svět převážně živí pouze malý počet plodin. Ze zemědělské výroby se vytratila větší biodiverzita, ke které se snaží vrátit ekologické a trvale udržitelné zemědělství. V současné době je zemědělství hlavním ekologickým faktorem na 33% povrchu souše. Přibližně další třetina spadá do lesnické, vodohospodářské, rekreační a další činnosti člověka.

Intenzivní zemědělství

Intenzivní zemědělství představuje široký polyfaktoriální systém s velmi rozsáhlou problematikou. Jedná se nejen o klasické postupy, ale i o činnosti, které se objevily až ve dvacátém století. Podle všech dostupných pramenů je možno považovat za velmi důležité aktivity současného zemědělství, ty, které mohou působit, kromě zvýšení zemědělské produkce jednotlivých plodin, jako stresové faktory na přírodu. Patří sem i produkce dusíku do ovzduší, produkce oxidu uhličitého, u něhož zvyšování podílu v zemské atmosféře může též mít podíl na oteplování klimatu. Dále je to systém zavlažování a odvodňování, tedy způsob hospodaření s vodou, který znamená změnu přirozeného koloběhu vody, vliv zemědělské činnosti na kvalitu ovzduší, vody a půdy, typ využívaných pesticidů a celá řada dalších aktivit.

Trvale udržitelné a ekologické zemědělství

V současné době již maximální výnos není cílem zemědělské produkce (Evropa), ale především kvalita produkce. Mění se částečně i požadavky na vlastnosti rostlin a zemědělskou činnost, aby bylo možno snížit vstupy během vegetace a zejména, aby plodiny vykazovaly odolnost vůči biotickým (choroby, škůdci, herbivoři) a abiotickým (fyzikálním) stresorům. Existuje tedy postupný ústup od intenzivního zemědělství.

Z hlediska celosvětového vývoje populace, tj. z hlediska potřeb zachování kvalitního, co nejméně lidskou činností poškozovaného životního prostředí produkujícího zdravé produkty, se často mluví o "ekologickém zemědělství”. Z hlediska ekonomické únosnosti a udržitelnosti kvalitní produkce pro lidstvo, se nyní prosazuje pojem tzv. "setrvalého zemědělství", které by mělo zachovat přírodní ekosystémy v zemědělsko-lesní krajině.

Pro Českou republiku zavedení "ekologického zemědělství" v některých lokalitách znamená, že je třeba zamezit degradaci půdy a zachovat dlouhodobě její úrodnost, zamezit znečisťování povrchových a podzemních vod a udržet vodu v krajině. Zároveň omezit zemědělské aktivity tak, aby byly nezávislé na neobnovitelných zdrojích. Minimalizovat též aktivitu zemědělců tak, aby bylo co nejméně znečisťováno životní prostředí, maximálně využívat genetických zdrojů pro zlepšování produkce a hlavně zachovat přírodní ekosystémy v zemědělsko-lesní krajině. Dodržování všech výše jmenovaných zásad hospodaření by navíc mělo být ekonomicky výhodné i z dlouhodobého hlediska. Ekonomická výhodnost by měla platit i pro zvláště chráněné krajinné oblasti. Cíle ekologického zemědělství vyžadují u některých plodin i použití jiných typů odrůd; t.j. odrůd vyžadujících méně vstupů do porostu během vegetace. S problematikou tohoto typu zemědělské produkce souvisí též pojem bioosiva.Jedná se o osivo pěstované dle semenářských zásad, ale bez moření a chemických postřiků. Toto osivo by mělo být používáno v přísně ekologickém způsobu hospodaření.

Ekologické hledisko

Konečným produktem šlechtění má být odrůda s co nejnižšími nároky na prostor a živiny, odolná vůči abiotickým i biotickým stresorům. Zárověň by měla růst v homogenních porostech, aby mohla být sklizena ve stejnou dobu a stejnou zemědělskou technikou. Sklizeň by měla být homogenní i v kvalitě a množství látek, pro které je pěstována, s ohledem na další zpracování.

Aby byly splněny požadavky uniformity vlastností plodin, nesmí si rostliny navzájem konkurovat a musí mít co nejméně odlišné vlastnosti. A zde jsou při šlechtění porušeny hned dva zcela základní přírodní zákony snaha o co nejvyšší biodiverzitu a konkurenceschopnost organizmu. Snižováním biodiverzity a neschopností konkurovat přichází vyšlechtěné odrůdy o jedny z nejdůležitějších vlastností, které rostlinám v evoluci umožnily přežít a vyvíjet se až do současnosti.

Ale i vyšlechtěné odrůdy podléhají vlivu prostředí. Je to tedy biologický materiál, který podléhá vlivům prostředí a mechanickým biologickým zásahům, které charakter odrůdy postupně mění. Z těchto důvodů (ale i zdalších) se provádí tzv. "udržovací” šlechtění rostlin. To, že se vlastnosti odrůdy musí neustále udržovat pomocí šlechtitelských postupů, znamená, že člověk chce něco jiného, než-li "chce" příroda. A to i tehdy, když pro rostliny, které pěstuje se snaží vytvořit optimální podmínky.

Měnící se cíle rostlinné produkce dané ekologickými a ekonomickými tlaky mají za následek snížení vstupů do porostů pěstovaných plodin. To znamená v rostlinné produkci pravděpodobný návrat krelativně extenzivnějším odrůdám nebo se budou používat i stávající odrůdy, jež mají požadované vlastnosti. Hlavní důraz bude kladen na kvalitu produktů, větší přizpůsobivost kvnějším podmínkám, na potřebu menšího množství vstupů do porostů, což může mít i zanásledek zlepšení kvality osiv u některých parametrů.

Využitelné fyziologické poznatky

Z fyziologického či z biochemického hlediska je již možno popsat velké množství vlastností rostlin, které jsou ve sféře zájmu pěstitelů a šlechtitelů. Tato problematika by jen při stručném popisu zabrala velmi rozsáhlou kapitolu - semenářskou fyziologii.

Realizovány byly již i přenosy důležitých genů. Většinou se však jedná o modelové rostliny a praktické použití u zemědělsky využívaných plodin zatím není kdispozici. Výsledky jsou však přesto velmi povzbuzující.

Jaké jsou v současně době, vzhledem k měnícím se cílům, využitelné fyziologické poznatky pro produkci rostlin a v semenářství?

A. Soustředit se na širokou adaptabilitu proti stále se zvětšující variabilitě vnějších podmínek

Nastupující klimatické změny, zejména však větší výkyvy v průběhu počasí, s sebou přináší poměrně nerovnoměrně, nepravidelně a náhodně rozdělené srážky a častý nástup vysokých teplot v průběhu vegetace rostlin. Vyskytují se i opačné situace. Proto jako důležitý faktor se jevítolerance vůči výkyvům počasí, tedy nejen tolerance vůči jednotlivým negativním fyzikálním vlivům. Novým cílem se stává jak tolerance vůči významnému stresoru (stresorům), tak i schopnost tolerovat teplotní a srážkové výkyvy počasí. Takovýto typ rostlin většinou nevyniká vysokou výkonností, ale jeho předností je stabilita všech člověkem požadovaných vlastností. Tyto vlastnosti vyhovují i současným, možno říci i ekologičtějším cílům zemědělství.

B. Změnit následující vlastnosti rostlin

Cílem je kromě výkonného organismu, jak již bylo uvedeno, dosáhnout odolnost vůči proměnlivým vnějším podmínkám. V některých případech jsou i známy genetické zdroje s příslušnými odolnostmi. Jedná se zejména o následující vlivy:

Nízké pH a Al toxicita

Genové zdroje pro křížení a šlechtění takto odolných odrůd produkuje mexický CIMMYT. Zde je nutno uvést, že některé genotypy ztéto mexické kolekce odrůd vzhledem ke svému původu byly schopné v našich pokusech krátkodobě odolávat teplotám nad 50 C.

Minimální reakce na kontrastní hladiny živin

Zde se jedná o efektivní využití živin. V Itálii na některých pracovištích ”Instituto sperimentale per la cerealicoltura” mají vyšlechtěné linie pšenice s mimořádně silnými příjmovými schopnostmi živin z chudých půd. Tyto linie mají schopnost dosáhnout stejný výnos jako běžné odrůdy na chudé půdě, která navíc obsahuje až 90% písku. Vynikají též kvalitním, do hloubky pronikajícím kořenovým systémem a mají být využity ve šlechtění. (Nepublikováno, pouze ústní sdělení spojené s ukázkou porostu na pokusných stanicích)

Omezování růstu plevelů přímo plodinou využití alelopatických vztahů mezi rostlinami

Plevele působí na rostliny při větším množství v porostu jako stresový faktor. Z hlediska fyziologického jsou známy dva typy rezistence - chloroplastová a metabolická. Velmi problematická pro pěstitele je též křížová rezistence - cross rezistence (Mikulka,1999). Proto se hledají i jiné cesty získání rezistence vůči plevelům. Mezi vztahy organizmů, které mohou působit jako stresor patří alelopatie. Jde o konkurenční boj rostlin o místo v daném ekosystému. Rostliny si v průběhu fylogeneze vytvořily specifické metabolické látky, kterými se snaží "uhájit" své místo v daném prostředí. V tomto případě hovoříme o alelopatii. Alelopatické vztahy mezi rostlinami představují málo probádané odvětví fyziologie rostlin. Jedná se o vliv rostliny na jiné rostliny pomocí sekundárních metabolitů. Obecně řečeno jedna populace omezuje vylučovanými látkami, např. inhibitory, antibiotiky nebo fytoncidy, druhou populaci v růstu, rozmnožování a může vést až k jejímu zániku. Sama není nijak ovlivněna.

Předokládá se, že nově vyvinuté metody používané v biotechnologiích již dokáží přenést geny pro produkci látek, které, po uvolnění do prostředí, potlačí růst plevelů podobně jako žito. Otázkou je, která cesta je výhodnější. Využití transgenních rostlin s rezistencí vůči herbicidům nebo v případě biologického úspěchu, alelopatických vztahů.

Vysoká teplota během vegetace

Zde je možno jmenovat již v předchozích seminářích citované irské mutanty odrůdy pšenice Guardian jako výborné genetické zdroje. Uvedení mutanti vykazují zvýšenou aktivitu antioxidačních enzymů. Pro řadu pěstitelů se zdá být tento požadavek nadnesený. Ale pokud například průběh jarního počasí vykazuje nízké teploty a vysokou vlhkost a během vegetace se počasí změní na velmi suché a teplé s teplotami kolem 30 C a trvá delší dobu, může dojít u rostlin k výnosové depresi. K tomuto jevu dochází pochopitelně u většiny plodin, které nemají vyšší adaptabilitu k proměnlivým podmínkám. Současné počasí, které se vyznačuje většími extrémy přímo podporuje zavádění odrůd se širší adaptabilitou. Z hlediska fyziologického není vždy rozhodující výše teploty, ale rozdíly teplot během vegetace (náhlé změny).

Sucho

Současné možnosti zvýšení tolerance odrůd vůči dvěma nejvýznamnějším faktorům, tj. vůči suchu a vysoké teplotě za účelem zvýšení kvality sklizeného zrna, stability výnosu a stability chemického složení zrna jsou poměrně velmi dobře známy. Nemusí se vždy jednat o extrémní sucho a extrémní teploty, ale o velké, náhlé rozdíly v průběhu počasí během vegetace. Zde jsou propagovány, zejména v Řecku, pro využití ve šlechtění krajové odrůdy z extrémních lokalit, které vynikají odolností vůči suchu a vysoké teplotě.

U tolerance vůči vysoké teplotě, zasolení a ostatním abiotickým stresorům jsou již většinou známy chromozómy, na kterých je fixována příslušná odolnost a jsou i v některých případech prostudovány aktivity jednotlivých klíčových enzymů. Tolerance vůči suchu je fixována na všech chromozómech.

Pro zlepšení suchovzdornosti je vhodné z fyziologického hlediska se zaměřit ve šlechtění rostlin na následující vlastnosti (Stetudo, 2002 a jiní).

· Schopnost tolerovat výkyvy v teplotě a v zásobování životního prostředí rostlin vodou vzhledem k současnému průběhu počasí je tento jev pro zemědělskou výrobu důležitější než pouze nepříznivý vliv sucha či vysoké teploty. Tolerance k výkyvům je fyziologicky, ale i z praktického hlediska výhodnější než jednostranná odolnost vůči jednotlivým stresorům.

· Obsah proteinů chránících rostliny proti stresu.

· Rychlý růst a vývoj, zejména rychlý nárůst biomasy rostliny a zejména listové plochy na počátku vegetace před nástupem vyšších teplot a případného sucha, jedná se vlastně o únik větším výkyvům počasí.

· Selektivní reflektance listové plochy, tj. zvětšit odraz záření, které není fotosynteticky účinné. Zde se jedná o změnu stavby epidermis a složení kutikuly.

· Redukce dýchání rostlin za tmy- zde však existují fyziologické limity.

· Zlepšování zásob organické hmoty využitelných pro tvorbu semen - v případě působení stresorů není pak pokles výnosu tak značný. Je to obdobná situace jako u kořenového systému, který, je-li dostatečně mohutný, tak i po redukci vlivem stresoru (např. nízkým pH faktorem) si zachová dostatečnou fyziologickou výkonnost.

· Zlepšení sklizňového indexu, též znamená zlepšení produkce vody rostlinou. Zde nejsou stále vyčerpány všechny možnosti.

· Zvýšená vitalita semen - zejména maximálně rychlý "start” růstu klíčních rostlin tak, aby urostly případnému suchu. Znamená to i zkrátit počáteční fázi anaerobního dýchání, pokud je to možné. V případě vitality je nutno dodat, že například obilky pocházející ze stresových podmínek mají u některých odrůd značně změněnou stavbu perikarpu (Hnilička a kol., 2002). Tento efekt má sice za následek rychlejší příjem vody, ale s ním je spojena v případě sucha i rychlá ztráta vody. Toto může zejména u jařin, kdy se vlhkost v horních vrstvách půdy může během dne rychle měnit, být i příčinou nižší vzcházivosti! Klíčivost a polní vzcházivost se pak liší.

C. Jaké změny vlastností mají býti u kořenů

Kořenový systém má zásadní podíl na celkovém metabolizmu rostlin, a to včetně tvorby fytohormonů (např. cytokinin). Kvalitní kořenový systém je zárukou stabilnějšího příjmu živin a v další generaci se promítá i do kvality osiva. Prokazatelně zvyšuje odolnost vůči abiotickým půdním stresorům (jako jsou sucho, vysoká teplota, nízké pH, zasolení, toxické působení kovů, anaerobióza, utužení půdy atd.). Vývoj a kvalita kořenového systému jsou ovlivňovány genotypem, prostředím a vlastnostmi osiva. Obecně jsou jako atributy kvalitního kořenového systému považovány a zároveň vzemědělské praxi požadovány tyto vlastnosti - velká hloubka pronikání, větší stupeň větvení, dobré příjmové schopnosti živin kořeny.

Problematika šlechtění kořenů je v současnosti značně opomíjena. Pravdou ale je, že při šlechtění rostlin, na určité požadované vlastnosti jejich nadzemních částí, dochází souběžně i ke změnám vlastností kořenového systému. Tyto změny u kořenů jsou v běžných podmínkách, bez velkých výkyvů, pro rozvoj nadzemní biomasy dostačující. Ale dojde-li ke zhoršení vnějších podmínek, zvláště u odrůd vyšlechtěných v intenzivních podmínkách, projeví se kořeny u mnoha odrůd jako faktor omezující rozvoj nadzemních částí plodiny. Pak lze říci, že se zvýšenou stabilitou hrají kořeny velmi významnou roli. Je známo, že některé ve druhé polovině minulého století velmi výkonné odrůdy ječmenů, byly již též šlechtěny na mohutnost kořenového systému. Toto se projevilo ve stabilitě výnosů.

D. Jaké změny by měly být u vlastností semen

Hlavním cílem je vždy vitální, kvalitní osivo s požadovaným chemickým složením podle určení využití. Tohoto cíle se dosahuje přímo šlechtěním na vlastnosti semen a pomocí pěstitelských metod, včetně chemického ovlivňování. Důležitým úkolem semenářství je i omezit vliv stresorů na kvalitu semen.Vliv stresorů se v semenářství sleduje zejména během tvorby zrna, v době sklizně, při vysychání, při skladování osiva, během hodnocení, při obalování osiv a při transportu osiv.

Nový směr, který se vyskytuje v semenářské produkci je " seeds for industry”, tj. semeno pro průmyslové použití. Zde se jedná vyloženě o šlechtění a pěstování semen klasických plodin pro technické účely (výroba oleje, etanolu, lecitinu, alkaloidů, vlákniny, energetický zdroj atd ), jde tedy o problém oddělený od semenářské produkce, o velmi úzkou specializaci, kdy pěstované odrůdy, na které bude šlechtění zaměřeno budou spíše použity jen k průmyslovým účelům. U některých plodin se nejedná o nový problém, avšak zřejmě dojde ke značnému rozšíření vzhledem k zvyšování podílu technických (a netradičních ) plodin na rostlinné výrobě.

U vitality osiva, tedy u klíčového semenářského znaku (též i u stupně dormance) je po přijmutí vody semeny sledován důležitý znak - rychlost dýchání, který ještě před počátkem klíčení ukazuje na rychlost metabolických procesů. Je to ukazatel vitality. Rychlost metabolických procesů, jež zvláště u jařin hraje často významnou roli pro budoucí výnos, je hodnocena optickým testováním koncentrace kyslíku na počátku klíčení (optical oxygen determination). Princip spočívá v tom, že osivo, na vlhkém podkladě v uzavřených komůrkách, dýcháním spotřebovává kyslík. Klesající koncentrace kyslíku mění barvu čidla umístěného na stropní stěně komůrky. Optický snímač převádí údaje do počítače a ten vyhodnocuje u většího množství odrůd rychlost "startu metabolismu”. Rychlost lze pak i graficky vyhodnotit. Jedná se tedy o aerobní část dýchání, neboť semena počínají dýchat vždy převážně anaerobně a teprve později převažuje aerobní dýchání. Tento ukazatel je velmi přesný a spolehlivý.

Z našich výsledků při hodnocení chemického složení osiva různé provenience se u pšenice zjistilo, že osivo pocházející ze stresových podmínek poskytlo v dalším roce semeno, které mělo snížený obsah bílkovin a zvýšený obsah škrobu.Toto je zřejmě důsledek změněného poměru kořenů (N-metabolismus) a nadzemní části (C-metabolismus) rostlin. A to ve prospěch nadzemní části rostliny (tab. č.1). Uvedený jev podtrhuje význam obměny osiva. V zájmu objektivity výsledků je nutno uvést, že osivo pocházející z prostředí s mírným vlivem stresorů, které bylo vyseto v průměrných či v nadprůměrných pěstitelských podmínkách, poskytlo normální porost-v případě ozimů. V případě jařin byl vliv provenience vždy silnější.

Tab. 1: Vliv vnějších podmínek na chemické složení zrna pšenice (v g/100g suš.) vypěstovaného z osiva pocházejícího ze standardních podmínek a z osiva pocházejícího z podmínek stresových

V našich pokusech bylo zjištěno, že embrya ze semen pocházejících ze stresového prostředí a ze standardního prostředí mají shodnou vitalitu. Testování probíhalo v klimaboxu s použitím M. agaru. Ucelých semen však stresové prostředí způsobilo retardaci při klíčení. Zjistili jsme, že za uvedený jev odpovídá zřejmě kyselina abscisová, která brzdila růst prostřednictvím vlivu endospermu. (Gibereliny se naopak při klíčení uvolňují z embrya a přes štítek pronikají do endospermu a aleuronové vrstvy, kde indukují tvorbu - amylázy a podporují klíčení). Jedná se o známý jev při klíčení. Zajímavé je to zjištění, že negativní vliv stresorů samotné embryo nijak zvláště neovlivnil. Otázkou tedy je to, zda by nemělo být šlechtění na vlastnosti semen zaměřeno na větší obsah giberelinů, nižší koncentraci kyseliny abscisové či se naopak věnovat klasickému šlechtění na zvýšenou vitalitu.

V tabulce č. 2, jsou délky rostlinných orgánů a obsah sušiny u tři dny starých klíčních rostlin vypěstovaných z osiva, které pocházelo ze standardního a ze stresového prostředí (sucho+vysoká teplota+nízké pH). Význam vlivu uvedených fytohormonů pro vitalitu osiva vidíme u variant ošetřených ABA a GA. Testování probíhalo v pískové kultuře a na M. agaru v klimaboxu.

Tab. 2: Znaky klíčních rostlin vypěstovaných z osiva pocházejícího ze standardního prostředí a z prostředí s vlivem stresorů po ošetření GA3 a ABA.

Naše pokusy ve spolupráci s Ústavem organické chemie a biochemie prokázaly opakovaně pozitivní vliv brassinosteroidů na výnosové vlastnosti pšenice a vitalitu osiva při použití velmi nízkých koncentrací (10-9M). Uvedená látka se aplikovala jako postřik či při detailnější analýze pomocí injekční stříkačky do oblasti nodu nebo internodu (Bláha, Kohout, 2002).

V současné době se zkouší velmi efektivní vliv uvedených látek na růst a vývoj semen ve stresových podmínkách. Zde se naskýtá pravděpodobně i možnost využití tohoto jevu při produkci osiva některých plodin a květin s malým endospermem, která mají sníženou klíčivost.

Na podporu tvorby vitálního pylu, květních orgánů nebo tvorby endospermu semen se v současné době zkouší celá řada látek. Předmětem výzkumu jsou i metody ovlivnění měně klíčivého či méně vitálního osiva (Grezsik,2001).

Vliv stresového prostředí se projevil i ve větším množství spor hub na osivu (v tisku) a ve větší citlivosti k uvedeným chorobám (Fusarium sp, Alternaria sp.,Rhizopus, Septoria nodorum).

Literatura:

Bláha,L., Kohout,L.:Vliv brassinosteroidů na produktivitu klasu pšenice ozimé. Agro 11-12, 2002, s.12-14.

Hnilicka, F.,Bláha,L., Novák,V.: The Content of Net Energy and Anatomical Structure of Grains as Characteristics of the Seed Stock Quality. In: VII Congress of ESA, Córdoba, Spain, 15-18 july 2002, pp. 603-604.

Grzesik,M., Górnik,K., Karsznicka,A.: ”Improving Storability of Callistephus Chinensis Seeds by Matriconditioning in the Presence of Chemiclas..In:International Congress -”Stress tolerance in Seeds Genetic, Molecular and physiological mechanisms, Wageningen,4-7 april,2001, p.34

Mikulka,J.: Plevelné rostliny polí luk a zahrad.Farmář-Zemědělské listy, Praha,1999, 160 s.

Stetudo,P.: Water Productivity of Plants and Molecular Biology:An eco physiological point of view. In: VII Congress of ESA, Córdoba, Spain, 15-18 july 2002, p. 51-56.

Kontaktní adresa autora:

Ing.Ladislav Bláha CSc

Výzkumný ústav rostlinné výroby, 161 06, Praha 6, Ruzyně Drnovská 507,

e-mail: blaha@vurv.cz