Wiesz, co jesz? Hodowla roślin – od selekcji po edycję genomu. Cykl: “Nauki Rolnicze XXI Wieku”

Dowody archeologiczne wskazują, że hodowla roślin prowadzona jest przez człowieka od ponad 10 tysięcy lat. Początkowo proces ten był bardzo powolny i tysiące lat zajęło przekształcenie gatunków dzikich w formy uprawne rosnące współcześnie na polach. Celem hodowli od zarania dziejów było selekcjonowanie, a więc wybieranie roślin o pożądanym fenotypie, czyli charakteryzujących się pożądanymi cechami. Selekcja często wymagała kompromisu pomiędzy tym co korzystne, a tym co niepożądane, gdyż pewne cechy dziedziczyły się wspólnie. Do separacji takich cech mogło dojść w wyniku krzyżowania ze sobą osobników o odmiennych wartościach cech, dzięki czemu wśród uzyskanych mieszańców możliwa była identyfikacja potomstwa o korzystnym układzie fenotypów.

Pierwsze krzyżowania przeprowadzono w 1760 roku, a teoretyczne podstawy selekcji opisano już w 1856 r. Najbardziej znanym przykładem wykorzystania techniki krzyżowania roślin były prace prowadzone przez Mendla na grochu, które umożliwiły mu sformułowanie podstawowych praw genetyki dotyczących dziedziczenia cech. W hodowli zaczęto masowo stosować krzyżowanie pod koniec XIX w. i jest to podstawowa metoda hodowlana wykorzystywana po dzień dzisiejszy. Wadą hodowli opartej na krzyżowaniu i selekcji jest powolne uzyskiwanie postępu hodowlanego, będącego często dziełem przypadku lub intuicji hodowcy. Stosując konwencjonalne metody, czas potrzeby na wytworzenie nowej odmiany uprawnej wynosi od 10 do 15 lat.

W latach 20. XX w. zaczęto wykorzystywać fizyczne i chemiczne mutageny w celu wywoływania zmian w materiale genetycznym. Zastosowanie niskiej dawki tych czynników umożliwiało wprowadzenie ograniczonej liczby mutacji w pojedynczej roślinie. Niestety działania te były kompletnie przypadkowe, a zmiany miały przeróżny charakter i wyselekcjonowanie roślin o pożądanym fenotypie było pracą żmudną, wymagającą oceny i testowania tysięcy osobników w obrębie zmutowanych materiałów. Zastosowanie czynnika mutagennego naśladuje zmiany zachodzące w procesie ewolucji gatunków na przestrzeni tysięcy lat i skraca czas wprowadzania tych zmian do kilku godzin eksperymentu.

Poszukując bardziej skutecznych rozwiązań w latach 80. zaczęto w hodowli stosować transformację genetyczną uzyskując w ten sposób organizmy modyfikowane genetycznie GMO (Genetically Modified Organism). Dzięki tej technice możliwe stało się wprowadzanie do organizmów biorców genów pochodzących od niespokrewnionych dawców. Wadą tej metody jest wstawianie obcego materiału w losowym miejscu genomu gospodarza. Pierwsze transformacje roślin przeprowadzono już w roku 1983, a wprowadzane geny warunkowały odporność na choroby, szkodniki bądź herbicydy, poprawiały wartość odżywczą, trwałość, czy umożliwiały wytwarzanie nietypowych metabolitów np. „złoty ryż” syntetyzujący wysokie ilości witaminy A, dedykowany uprawie w krajach rozwijających się i mający zapobiegać niedoborom tej witaminy u niedożywionych dzieci.

Brak powszechnej akceptacji społecznej dla żywności modyfikowanej genetycznie stymulował opracowanie budzących mniej kontrowersji rozwiązań mających na celu zapewnienie w przyszłości bezpieczeństwa żywnościowego rosnącej populacji ludzkiej. Na przełomie XX i XXI wieku rozpoczęto prace nad edytowaniem genomu. Wprowadzane tą metodą zmiany są bardzo precyzyjne i szybkie, polegają na modyfikowaniu w ściśle określony sposób dokładnie zdefiniowanych miejsc w genomie rośliny. Rośliny pozyskiwane tą metodą określamy jako NGT (New Genomic Techniques), czyli uzyskane z wykorzystaniem nowoczesnych technik genomicznych. Roślinę NGT uznaje się za równoważną z roślinami konwencjonalnymi jeśli różni się od rośliny wyjściowej nie więcej niż 20 modyfikacjami genetycznymi, czyli np. 20 nukleotydami. Biorąc pod uwagę, że genomy roślin zawierają biliony nukleotydów, zmiany te wydają się być niewielkie. Na dzień dzisiejszy jednym z ograniczeń w powszechnym wykorzystaniu tej metody jest niedostateczna wiedza na temat genetycznych podstaw wielu procesów metabolicznych, których ulepszenie wywarłoby korzystny wpływ na roślinę i jej plonowanie. Prowadzone równolegle prace nad poznaniem genomów roślinnych i rozwijanie technologii edytowania, a także trwające  prace legislacyjne nad możliwością uprawy roślin NGT na terenie Unii Europejskiej wskazują, że rośliny NGT są najprawdopodobniej naszą przyszłością.

Jeśli chcesz wiedzieć więcej zajrzyj tutaj i tutaj.

Fot. 1. Metody konwencjonalne vs. nowoczesne technologie.

dr hab. Edyta Paczos-Grzęda, profesor uczelni
Instytut Genetyki, Hodowli i Biotechnologii Roślin
Wydział Agrobioinżynierii

Literatura:

Hickey, L.T., N. Hafeez, A., Robinson, H. i in. Breeding crops to feed 10 billion. Nat Biotechnol 37, 744–754 (2019). https://doi.org/10.1038/s41587-019-0152-9

Pixley, K.V., Falck-Zepeda, J.B., Paarlberg, R.L. i in. Genome-edited crops for improved food security of smallholder farmers. Nat Genet 54, 364–367 (2022). https://doi.org/10.1038/s41588-022-01046-7