UCHOVÁNÍ A VYUŽÍVÁNÍ GENETICKÝCH ZDROJŮ ROSTLIN A AGRO-BIODIVERSITY V KONTEXTU KLIMATICKÝCH ZMĚN Conservation and utilization of plant genetic resources in the kontext of changing climate Dotlačil L., Hermuth J., Stehno Z. Abstrakt Genetické zdroje rostlin jsou nenahraditelným zdrojem nové diverzity pro šlechtění odrůd s požadovanými vlastnostmi a podporu agrobiodiverzity v zemědělské praxi. Jejich významu odpovídá úsilí věnované jejich uchování a využívání. Šlechtěním se podařilo zásadně zvýšit produktivitu plodin, často však došlo k zúžení jejich genetického základu; rozšíření genetické diverzity odrůd a plodin je proto aktuálním úkolem. V důsledku klimatických změn je důležité vyhledání vhodných genetických zdrojů pro šlechtění na adaptaci k těmto změnám, odolných ke stresům a extrémům počasí. Jsou uvedeny příklady vyhledávání takových zdrojů u pšenice. Pro stabilitu pěstitelských systémů bude nutné rozšíření agrobiodiverzity na úrovni odrůd a plodin. Klíčová slova: genetické zdroje rostlin, klimatické změny, šlechtitelské cíle, agrobiodiversita Abstract Plant genetic resources are the irreplaceable source of new genetic diversity for breeding cultivars with demanded characters and increase of agrobiodiversity in agriculture. The considerable international efforts for conservation and utilization of plant genetic resources respond to this fact. Breeding has significantly increased yields, but the genetic base of cultivars has often decreased; therefore, broader genetic base of crops and new cultivars is desirable. Due to the climate change we need to find genetic resources for crop adaptation and tolerance to stresses. Also an increased agrobiodiverzity through diversity of crops and cultivars is needed for better stability of agricultural systems. Key words: plant genetic resources, change of climate, breeding goals, agro-biodiversity Úvod Biologická rozmanitost zemědělských plodin představuje co do počtu druhů jen nepatrnou část biodiversity. Jako jedlé rostliny lze označit pouze asi 4% rostlinných druhů (FAO, 1998, 2010) a jen 7 tisíc druhů bylo uvedeno do kultury a nebo sbíráno pro potravu. Pouze asi 100 druhů je označováno jako významné plodiny a dalších 811 druhů bývá označováno jako minoritní plodiny. Domestikací, výběrem a v moderní době zejména záměrným šlechtěním se podařilo podstatně změnit biologické a zejména hospodářské vlastnosti a znaky těchto druhů, zvláště pak výrazně zvýšit jejich produktivitu a zpravidla i kvalitu produkce. Tyto aktivity daly vzniknout obrovské vnitrodruhové genetické diverzitě zemědělských plodin, reprezentované šlechtěnými a krajovými odrůdami, genetickými liniemi a planými příbuznými druhy. Tyto materiály jsou souhrnně označovány jako genetické zdroje rostlin (GZR). Genetické zdroje mají pro lidstvo mimořádnou hodnotu, ať již jsou využívány v tradičním zemědělství, tradičním či moderním šlechtění nebo v genovém inženýrství a v biotechnologiích obecně. 40
GZ jsou jedinečným a nenahraditelným zdrojem genů pro další zlepšování biologického a hospodářského potenciálu odrůd zemědělských plodin a zachování agrobiodiverzity. V ČR a v celé EU se dnes, alespoň u významných plodin, pěstují téměř výhradně moderní šlechtěné odrůdy. U mnoha plodin dochází k zužování genetického základu odrůd, ale i ke snižování diversity pěstovaných plodin. To může mít za následek zvýšená rizika poškození stresy a výkyvy ve stabilitě a kvalitě produkce. Řešením je vyhledávání nové genetické diversity plodin v rámci studia a hodnocení genofondů a využití nově genetické diversity ve šlechtění - a prostřednictvím nových odrůd v pěstitelské praxi. Diversita zemědělských plodin a diversita odrůd ovlivňují celou řadu biologických, ekonomických a sociálních výstupů ze zemědělských systémů. Vysoká úroveň této diversity umožňuje snížení úrovně vstupů, přispívá ke stabilitě výnosů a kvalitě produkce; je jedním ze základních předpokladů setrvalého vývoje v zemědělství. Uchování a efektivní využití genetické diversity zemědělských plodin je rovněž základním předpokladem jejich adaptace ke klimatickým změnám. V kontextu klimatických změn je nezbytné modifikovat i práci s genofondy rostlin a zajistit prostřednictvím šlechtění v relativně krátkém časovém intervalu adaptaci nové generace odrůd k těmto změnám. Materiál a metody Práce přináší stručný přehled o konzervaci a využívání genetických zdrojů rostlin (GZR) ve světě a v ČR; vychází z analýzy dostupných dat a relevantních informací k následujícím aktivitám: -shromažďování GZR a rozšiřování kolekcí - dokumentace GZR, informační systém EVIGEZ - charakterizace a hodnocení GZR - konzervace GZR -dostupnost GZR a služby uživatelům -mezinárodní spolupráce Data pro analýzy poskytla řešitelská pracoviště Národního programu konzervace a využití genetických zdrojů rostlin a agro-biodiversity. Data byla zpracována do výročních zpráv a využita pro tento přehled. Data o GRZ ve světě lze nalézt zejména ve II. Zprávě FAO o stavu světových genetických zdrojů rostlin (FAO, 2010) a v dalších citovaných pracích. V opakovaných víceletých pokusech ve VÚRV Praha byly v létech 1998 až 2009 hodnoceny dva soubory krajových a starých odrůd pšenice (121 odrůd v souboru I. a 101 odrůd v souboru II.) spolu s moderními odrůdami jako kontrolami. Během vegetace byly zjišťována agronomické znaky, v době zralosti bylo odebráno 30 stébel pro analýzy produktivity klasu a zjištění sklizňového indexu. Byly rovněž zjišťovány základní znaky kvality zrna. Produktivita 31 vybraných krajových a starých odrůd byla následně hodnocena v polních pokusech na šesti stanovištích; čtyři moderní odrůdy byly použity jako kontroly. Byl hodnocen výnos zrna, jeho stabilita a odezva na podmínky pěstování. Pokusy byly zakládány v Praze-Ruzyni a ve VÚRV Piešťany. Zimovzdornost odrůd ozimé pšenice v polních podmínkách (hodnocení podle klasifikátoru pšenice) byla posuzována při studiu core kolekce ozimé pšenice. Pomocí bodové stupnice (1-9) byl hodnocen ve 4 ročnících a na dvou stanovištích soubor 437 genotypů. Pro studium genetických zdrojů pšenice a screening potenciálních donorů suchovzdornosti byla ověřována laboratorní metoda založená na odhadu změn diskriminace přijímání 13 C rostlinami. 41
Výsledky a diskuse Genetické zdroje rostlin ve světě Péče o genofondy je jednou z globálních priorit, je předmětem mezinárodních dohod a národních legislativ většiny zemí a úsilí o zachování a využívání genetických zdrojů je celosvětově koordinováno (CBD 1998 a 1999; FAO 1996). Cílem tohoto úsilí je zachovat genetické zdroje pro budoucí generace a co nejefektivněji je využít pro potřeby šlechtění a výzkumu. Prvním předpokladem je proto bezpečná konzervace GZR. Metody lze rozlišit do dvou odlišných postupů- in situ a ex situ konzervaci. In situ konzervace GZR je dynamickým způsobem konzervace, kdy genové zdroje jsou uchovávány v přírodním prostředí, v původních ekosystémech (zpravidla plané příbuzné druhy v chráněných oblastech). V roce 2007 dosáhly plochy chráněných území ve světě 17,5 mil. km 2. Dosud je však tento typ konzervace málo využíván a globální data nejsou k dispozici. Specifickou formou je on farm konzervace, kdy původní krajové odrůdy jsou pěstovány a tím uchovávány v tradičních systémech hospodaření. Místní farmáři, zejména v rozvojových zemích, mají proto zásluhu o zachování biodiverzity mnoha původních odrůd. S rychle pokračujícím ústupem tradičního zemědělství a jeho náhradou intenzivními způsoby hospodaření dochází však u řady plodinových genofondů ke genetické erozi a ztrátám. Ex situ konzervace je nejvýznamnější a nejrozšířenější metodou konzervace GZR ve světě- a dostupné globální statistiky o GZR se týkají materiálů uchovávaných v různých typech genových bank. Jde o konzervaci v semenných genových bankách (GB), polních GB, in vitro kulturách, popř. v kryobankách. Odhaduje se, že celosvětově je takto uchováváno 7,4 mil. GZR. Provedené analýzy ukazují, že pouze asi 25-30% z tohoto množství jsou geneticky odlišné položky a zbytek tvoří duplicity v různých kolekcích. Národní genové banky uchovávají 6,6 mil položek (z toho 45% udržuje pouze 7 zemí). To dokládá zásadní význam zabezpečení dostupnosti GZR pro potřebu všech zemích, v rámci International Treaty on Plant Genetic Resources (FAO, 2001). Celkově je nyní ve světě evidováno 1750 genových bank. Dále je evidováno asi 2500 ex situ kolekcí v botanických zahradách po celém světě. Jak lze očekávat, světové kolekce jednotlivých plodin do značné míry korespondují s významem plodiny (Obr. 1). Kolekce obilnin a pseudoobilnin proto představují 45% všech ex situ kolekcí a z toho kolekce pšenice, rýže, ječmene a kukuřice reprezentují 77% všech položek. Další velké světové kolekce existují např. u čiroku (235 tis. položek), brambor (98 tis.), Prunus s. (69 tis.) a bavlníku (105 tis.). Nejvíce (44%) jsou ve světových kolekcích zastoupeny krajové odrůdy, které jsou nositelem široké genetické diversity; následují genetické linie (21%), reprezentované zejména šlechtitelskými materiály a liniemi vzniklými např. ve výzkumu (Obr. 2). Při srovnání se stavem v roce 1996 dochází k výrazným změnám ve struktuře kolekcí- o 10% se snížil podíl šlechtěných odrůd, přičemž podíl všech ostatních kategorií se zvýšil o 3-4 % (FAO, 2010). 42
Obr. 1. Podíl (%) jednotlivých skupin plodin ve světových kolekcích (zdroj: FAO, 2010) Os tatní Produkující cukr Přa dné Olejniny Hlíznaté a kořenové Ovocné ros tliny Zeleniny Pícniny Jedlé lus koviny Obilniny 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Obr. 2. Zastoupení genetických zdrojů podle typu materiálu ve světových ex situ kolekcích v roce 2009 (FAO, 2010) Šlechtěné odrůdy Genetické linie Krajové odrůdy Plané druhy Údaje genových bank o distribuci GZR uživatelům dokumentují vzrůstající zájem o genetické zdroje. Největšími distributory vzorků uživatelům byly veřejnoprávní instituce- a to jak v rozvojových tak i vyspělých zemích (28%, resp. 25%). Dalšími významnými poskytovateli GZ jsou soukromý sektor (16%) a genové banky v mezinárodních centrech CGIAR (11%). Genetické zdroje rostlin v ČR Uchování a využívání GZR má v ČR dlouhou tradici, sahající do počátku minulého století a úzce související s počátky moderního šlechtění (Bareš, Dotlačil, 1998). Tuto tradici se přes řadu problémů podařilo zachovat a dále rozvíjet. Rozšíření práce s GZ následovalo po založení řady výzkumných zemědělských ústavů v prvé polovině padesátých let (VÚRV Praha, plodinové ústavy); dalším významným krokem bylo zahájení činnosti české genové banky ve VÚRV Praha v roce 1988. Novou etapu péče o genofondy rostlin, odpovídající mezinárodním standardům, zahájilo Ministerstvo zemědělství ČR ustavením a postupným rozvojem Národního programu pro genetické zdroje rostlin (NP). Lze říci, že dnes patří ČR v péči o genetické zdroje rostlin mezi přední evropské státy. Současnou podobu, plně srovnatelnou se zahraničím, získal NP přijetím zákona č. 148/2003 Sb., o konzervaci a využívání genetických zdrojů rostlin a mikroorganismů významných pro výživu a zemědělství a příslušné vyhlášky č. 458/2003 Sb. Na řešení NP se podílí 14 institucí, v jejich kolekcích bylo ke konci roku 2010 shromážděno přes 51 tis. položek GZR, s převládajícím podílem obilnin, zelenin, pícnin, luskovin a ovocných rostlin. Semeny množené kolekce představují 81,4% a vegetativně množené druhy 18,6% GZR. VÚRV v.v.i. Praha zajišťuje koordinaci NP, dále služby genové banky a informačního systému EVIGEZ; garantuje rovněž rozsáhlé kolekce GZR (celkem 26,3 tis. položek). 43
Obr. 3. Plodinová struktura českých kolekcí genetických zdrojů rostlin České kolekce se každoročně rozšiřují o cca 1-2 tis. nových položek, z toho asi polovina je z domácích zdrojů; podíl sběrových položek na tomto nárůstu činí zhruba čtvrtinu. V IS EVIGEZ jsou u všech GZ evidována pasportní data (celkem 51 127 záznamů), z toho podíl volně dostupných GZ je 75% a dostupných po dohodě s řešitelem kolekce dalších 6%. Pro potřeby domácích i zahraničních uživatelů je informační sytém EVIGEZ zpřístupněn na internetu na URL http://www.genbank.vurv.cz/genetic/resources/. Hlavním důvodem dočasné nedostupnosti GZ zůstává potřeba regenerace. V popisné části EVIGEZu jsou vloženy informace o cca 35 tis. položek (68% všech shromážděných kolekcí). Značná pozornost je věnována hodnocení GZR (polní pokusy, laboratorní testy) s cílem zvýšit hodnotu kolekcí pro uživatele. Počet hodnocených znaků je druhově rozdílný, v průměru do třiceti znaků. Pozornost je stále více věnována charakterizaci GZR s využitím genetických markérů. V roce 2010 bylo v rámci NP regenerováno 5,3 tis. položek. V GB je uloženo 40 tis. semeny množených GZ (tj. 93% všech generativně množených položek). Mimo tyto standardní kolekce je v GB uloženo dalších 10,5 tis. GZR pro potřeby účastníků NP a spolupracujících institucí. Genová banka zajišťuje šetrné vysoušení semen a jejich dlouhodobé uložení při jednotné teplotě -18 o C. Vegetativně množené druhy jsou uchovávány v polních kolekcích (genofondové sady, vinice, chmelnice), v in vitro kulturách (brambory, některé okrasné rostliny); u vybraných druhů se začíná uplatňovat metoda kryokonzervace. Uživatelům je každoročně poskytováno 3-5 tis. vzorků GZR; z toho čeští uživatelé jsou příjemci cca 2/3 vzorků, zbytek je zaslán do zahraničí. Vzorky GZR jsou poskytovány pro nekomerční využití bezplatně (šlechtění, výzkum, vzdělávání). Aktivity na podporu agrobiodiverzity se orientují na vyhledávání vhodných GZ pro rozšíření druhové pestrosti agroekosystémů, rozšíření genetického základu nových odrůd, výběr druhů a odrůd pro alternativní využívání produkce, zlepšování půdní úrodnosti a tvorbu krajiny. Genetické zdroje rostlin a genetická diverzita Pouze produkčně pojaté zemědělství má zpravidla negativní dopad na životní prostředí a biodiverzitu. Podle údajů FAO (2010) i sekretariátu CBD (2010) stále dochází k rychlým ztrátám genetické diverzity, jak u zemědělských plodin tak i hospodářských zvířat. Široká genetická diverzita místně adaptovaných krajových odrůd a plemen byla postupně nahrazena relativně úzkým odrůdovým spektrem šlechtěných odrůd, často geneticky příbuzných. Také diverzita plodin v zemědělských systémech se snížila - postupně bylo omezeno či téměř zaniklo pěstování méně produktivních druhů, nevhodných pro vysokou úroveň výživy a 44
agrotechniky či mechanizovanou sklizeň. Při tomto procesu došlo ke ztrátě řady cenných genetických zdrojů. Důsledkem orientace zemědělství na vysoce produktivní plodiny a náhrady místních odrůd malým počtem geneticky podobných výnosných odrůd, na kterých bylo z větší části založeno i další šlechtění, je skutečnost, že dnes 75% potravin ve světě produkuje pouze 12 zemědělských plodin a 5 druhů hospodářských zvířat (FAO, 2010). Zúžení genetické diverzity nesouvisí s počet odrůd nabízený pěstitelům (ten je naopak stále vyšší a zrychluje se i obměna odrůd), ale se zužováními genetického základu moderních odrůd -tedy zmenšování genetických rozdílů mezi nimi. Šlechtění přineslo zásadní pokrok při zvyšování výnosů zemědělských plodin a v současné době je rozhodujícím faktorem růstu produkce a kvality zemědělských komodit. Např. u pšenice uvádí Mac Key (1993) zvýšení výnosů inovací odrůd od počátku minulého století do devadesátých let o 49%. V našich pokusech se starými odrůdami jsme dospěli k podobným výsledkům, kdy moderní odrůdy ozimé pšenice překonávaly místní odrůdy z počátku minulého století v průměru o 51% (Dotlačil et al., 2000). Nicméně mezi nimi bylo možné nalézt i odrůdy s relativně dobrou produktivitou (Bílá od Dukovan, Vouska z Třemošnice a Židlochovická jubilejní osinatka poskytly průměrný výnos nad 4,3 t/ha). Šlechtění na výnos vedlo u pšenice rovněž k větší variabilitě výnosů moderních odrůd v závislosti na prostředí (Obr. 4). Tato variabilita ovšem souvisí i s lepší odezvou na výši vstupů. Obr. 4. Výnosová reakce krajových a moderních odrůd na podmínky prostředí Rozdílná reakce krajových a moderních odrůd na agrofón 8 7 Moderní odr. (4) Výnos t/ha 6 5 4 Krajové odr. (31) 3 2 1 0 Prostředí (2 roky x 3 stanoviště) 1 2 3 4 5 6 Řešením je vyhledávání nové genetické diverzity plodin v rámci studia a hodnocení genofondů rostlin, využití cenných genů a jejich rekombinací ve šlechtění a prostřednictvím nových odrůd v pěstitelské praxi. Lze říci, že vnitrodruhová genetická diverzita je základním a efektivním zdrojem nejen pro zvyšování produkce a její kvality, ale také pro zajištění stability produkce jednotlivých plodin a adaptace pěstitelských systémů ke klimatickým změnám. Genetická diverzita jako základ agrobiodiverzity Pojem agrobiodiverzita zahrnuje existující rozmanitost zvířat, rostlin a mikroorganismů nezbytných pro zachování základních funkcí agroekosystému, včetně jeho struktury a procesů zabezpečujících či podporujících produkci a bezpečnost potravin (Thrupp 1998). Pro zobecnění je potřebné pojem agrobiodiverzity rozšířit rovněž na produkci pro nepotravinářské využití a na nevýrobní funkce zemědělství (zejména tvorbu krajiny a ochranu životního prostředí). Základem agrobiodiverzity je genetická diverzita produkčních organismů v zemědělství (odrůd a druhů zemědělských plodin). Zahrnuje rovněž diverzitu druhů, které nejsou zdrojem zemědělské produkce, avšak tuto produkci podmiňují či podporují (půdní mikroorganismy, predátoři, opylovači) a biodiverzitu v širším prostředí, která ovlivňuje a podporuje agroekosystémy (FAO 1995). Agrobiodiverzitu polních ekosystémů můžeme 45
analyzovat a vytvářet na úrovni genetické diverzity (vnitrodruhová a mezidruhová diversita) či na úrovni agroekosystému, kde k faktorům genetické diverzity přistupuje diverzita daná interakcemi odrůd, plodin, prostředí (půda, voda, agrotechnika) a způsoby hospodaření ( management agroekosystému v prostoru a čase). Vnitrodruhovou genetickou diverzitu zemědělských plodin reprezentují jejich genofondy, součástí agrobiodiverzity se však reálně stává pouze ta jejich část, která se uplatní v pěstitelských systémech, tedy linie a populace, reprezentované produktivními šlechtěnými odrůdami, popř. krajovými odrůdami (u méně prošlechtěných druhů nebo v podmínkách tradičních zemědělských komunit). Značný význam pro pěstitele má tzv. genetický základ odrůdy, tedy přítomnost co nejvíce funkčních genů a jejich alel, které pozitivně ovlivňují hospodářsky významné znaky a vlastnosti. Příkladem může být kumulace různých genů rezistence k chorobám či škůdcům v jedné odrůdě, což přináší výhodu a větší stabilitu při napadení spektrem ras patogena. Podobný efekt na úrovni agroekosystému přináší volba více odrůd dané plodiny s různými geny (alelami), což vytváří předpoklad pro větší stabilitu výnosů i kvality produkce, zejména při výskytu stresů. U většiny významných plodin mají nejširší genetický základ krajové odrůdy. V intenzivních a specializovaných systémech hospodaření je spektrum pěstovaných plodin zpravidla úzké a intenzita výroby velmi vysoká. Takové systémy mohou být snáze poškozeny stresy, jsou náročné na vstupy, nelze je využívat dlouhodobě a mají negativní dopady na životní prostředí. Opakem jsou tradiční zemědělské systémy se značnou diverzitou, které jsou většinou založeny na pěstování většího počtu plodin a krajových odrůd (populací) s širokým genetickým základem. Tyto systémy, dosud využívané v mnoha zemích Afriky, Asie a Jižní Ameriky, nejsou náročné na vstupy a při nižší výnosové úrovni umožňují udržitelné hospodaření. Takové systémy jsou i vhodným biotopem pro četné druhy živočichů a navazují na biodiverzitu přírodního prostředí. Tradiční systémy vycházejí z místní (regionální) kultury a znalostí které jsou jejich nedílnou součástí. Genetická diverzita pěstovaných zemědělských plodin a odrůd tedy ovlivňuje celou řadu biologických, ekonomických a sociálních výstupů ze zemědělských systémů; stručná charakteristika je shrnuta v Tab. 1. Umožňuje snížení úrovně vstupů, přispívá ke stabilitě výnosů i kvalitě produkce a je jedním z významných faktorů adaptace ke změnám klimatu, jak dokládá Lin (2011). Optimální plodinová a odrůdová struktura bude ovšem ovlivňována půdně klimatickými faktory a poptávkou po produktech. Význam agrobiodiverzity pro zemědělství a společnost lze stručně charakterizovat následujícími přínosy: - podpora produktivity agroekosystému a jeho stability, vyšší bezpečnosti a kvality produktů a stability produkce - omezení negativních vlivů zemědělství na přírodní ekosystémy, území a ohrožené druhy, podpora biodiverzity v přírodě - vytvoření systémů hospodaření, které lze označit jako dlouhodobě stabilní, robustní a udržitelné - příspěvek k efektivní kontrole chorob a škůdců a omezení spotřeby pesticidů - ochrana půdy, uchování a zvyšování její úrodnosti - zajištění široké nabídky zemědělských produktů a vytváření nových ekonomických příležitostí, redukce sociálních rizik 46
Tab. 1. Odrůdy a plodiny jako základní komponenty agrobiodiverzity Úrovně (zdroje) agrobiodiverzity Charakteristika a přednosti Rizika Krajové odrůdy Odrůdy Moderní šlechtěné odrůdy Adaptace k místním podmínkám, zpravidla malé nároky na vstupy a široký genetický základ; popř. specifická kvalita produktů Efektivní zhodnocení vstupů; vysoké výnosy a požadovaná kvalita produkce, vhodnost pro současné technologie pěstování a zpracování GM odrůdy Možnost využít geny z různých druhů organismů, lze očekávat významný ekonomický efekt Hlavní plodiny Ekonomicky nejvýznamnější plodiny; důležité je jejich optimální střídání (osevní postupy) a respektování půdně klimatických podmínek Nižší produktivita, často nevhodnost pro současné pěstební technologie či požadavky trhu Často užší genetický základ (riziko výskytu stresů), většinou náročné na vstupy Rizika nejsou zcela vyloučena; akceptování veřejností, nutná kontrola; vyžadují zvláštní nakládání Zpravidla prošlechtěné, s vysokou produktivitou. U některých plodin došlo k zúžení genetického základu odrůd Plodiny Minoritní plodiny Opomíjené plodiny Nové plodiny Běžně pěstované, avšak v malém rozsahu; u některých druhů dosud nevyužitý potenciál. Mohou rozšířit agrobiodiverzitu a efektivně přispět k tržní produkci farem Známé kulturní druhy, zpravidla dříve pěstované, nyní nevyužívané či marginální; mohou být využity pro některé specifické vlastnosti Druhy nově zaváděné do kultury (zpravidla splňují specifické požadavky) Různý stupeň prošlechtění, zpravidla nižší výnosový potenciál, problémem může být vhodnost pro současné pěstební technologie Často málo prošlechtěné (nízká produktivita), mohou chybět vhodné pěstitelské technologie Často dlouhodobý proces (šlechtění, technologie pěstování). Možná ekologická rizika Nové požadavky na genetické zdroje rostlin a rizika jejich konzervace v souvislosti se změnami klimatu Zemědělství se realizuje v rámci probíhajících klimatických změn, které ovlivňují a mění prostředí a podmínky pro zemědělskou výrobu (Alan et al., 2010). Základním projevem těchto změn je v současnosti zejména globální oteplování, úzce spojené s evaporací a srážkami a intenzifikací celého hydrologického cyklu. Jak uvádějí např. Olmstead a Rhode (2011) v hlavních pěstitelských oblastech pšenice v USA se předpokládá oteplení o 3-4 o C v roce 2100, což ovlivní zóny pěstování. Je také velmi pravděpodobné, že v průběhu 47
globálního oteplování se bude dále zvyšovat i variabilita klimatu. Klimatické změny mají řadu nepřímých vlivů na zemědělství; jedním z rizik jsou ztráty biodiverzity a jejich zrychlování. Je zřejmé, že zemědělské plodiny se budou muset změnám klimatu přizpůsobit - a tato adaptace je a bude významným úkolem výzkumu a šlechtění. V prvé řadě je potřebné vyhledat a popsat vhodné genetické zdroje pro dosažení nových šlechtitelských cílů, což vytváří nové požadavky na práci s genofondy. Stále aktuálnější bude zejména vyhledávání nových zdrojů rezistence (tolerance) k abiotickým (vysoké a nízké teploty, sucho) a biotickým (choroby a škůdci) stresům. Zdroje rezistence k abiotickým stresům lze zpravidla nalézt u planých příbuzných druhů a zejména u krajových odrůd, adaptovaných k podmínkám dlouhodobého výskytu stresů. V případě mrazuvzdornosti mohou být takovým příkladem některé české i zahraniční krajové odrůdy ozimé pšenice (Tab. 2). Tab. 2. Odrůdy s nejvyšší zimovzdorností v české core kolekci ozimé pšenice Odrůda Země původu Zimovzdornost (1-9) Rokycanská sametka CSK 9 Česká přesívka CSK 9 Červená perla CSK 9 Dobrovická přesívka P2 CSK 9 Dregerova původní 126 CSK 9 Selecty červená vouska CSK 9 Selecty ZVb CSK 9 Slapská vouska CSK 9 Sparta CSK 9 Hadmerslebener Qualitas DEU 9 Diplomat DEU 9 Olympia FIN 9 Shireffs square head GBR 9 Scandia 3B 9 Mironovskaja 808 (standard) UKR 8 V souvislosti s klimatickými změnami se stává závažným úkolem šlechtění na suchovzdornost odrůd. Vzhledem k dosud nedostatečným poznatkům o genetickém založení je obtížné nalézt expeditivní metodu hodnocení genetických zdrojů a výběr potenciálních donorů. Jak ukazují zkušenosti australských šlechtitelů pšenice, lze pří screeningu donorů využít poznatku o nižší diskriminaci (δ 13 C) izotopu 13 C rostlinami pšenice u suchovzdorných genotypů. Frekvenci výskytu kultivarů s různými hodnotami δ 13 C v našich pokusech s moderních i starých odrůd pšenice různého původu ukazuje Obr. 5. Tendenci k výraznější diskriminaci 13 C projevilo cca 16% položek a nižší diskriminaci 13 C (a tedy lepší suchovzdornost) pouze cca 7% položek. Jak bylo možné očekávat, do skupiny suchovzdorných genotypů se řadí 5 linií získaných z mezinárodního centra CIMMYT (Syrie) a starší slovenská odrůda Košůtka, která byla svou odolností k suchu známa. V této skupině však lze nalézt i produktivní evropské odrůdy (např. Clarus, Ilias) což ukazuje na možnost získat vhodné donory i v této skupině odrůd. České odrůdy vykazovaly buď průměrné (Raduza, BR 05-010) nebo vysoké (Samanta) hodnoty δ 13 C. 48
Obr. 5. Distribuce hodnot diskriminace 13 C (δ 13 C) u souboru 243 genotypů ozimé pšenice různého původu Obr. 6. Rozdíly mezi odrůdami ozimé pšenice v diskriminaci 13 C Nezbytná ovšem bude verifikace vybraných potenciálních donorů v navazujících polních testech. V souvislosti s klimatickými změnami můžeme rovněž očekávat zvýšený výskyt a rozšíření nových druhů a ras chorob a škůdců. I v případě biotických stresů bude tedy nutné vyhledat a využívat nové zdroje rezistence k těmto patogenům. Šlechtění na rezistenci k chorobám a škůdcům je již dnes jedním z nejvýznamnějších a trvalých šlechtitelských cílů (v důsledku koevoluce patogenů) a lze očekávat, že jeho význam se bude dále zvyšovat. Rezistence je obecně komplexem znaků, který kombinuje genetické mechanizmy resistence (tolerance) a vyhnutí se výskytu stresu (avoidance) - např. raností. Tyto různé mechanizmy odolnosti ke stresu se mohou dále lišit svým efektem na produktivitu plodin. Pří výběru zdrojů rezistence ke stresům je proto potřebné využít jejich genetickou diverzitu a dále ji kombinovat (např. kumulovat účinné geny) pro dosažení co nejlepšího výsledku. Získané genetické polotovary lze křížit s vysoce výnosnými odrůdami (Jarvis et al, 2006). Globální klimatické změny ohrožují i genetické zdroje- zejména uchovávané in situ a ohroženy mohou být i genetické zdroje vytrvalých a víceletých druhů, uchovávané ex situ v polních kolekcích. Ceccarelli et al, (2010) upozorňují na rizika těchto ztrát zejména v rozvojových zemích a doporučují spolupráci šlechtitelů s místními farmáři (participatory breeding). Vedle úplné ztráty jsou GZR ohroženy genetickou erozí v důsledku změn prostředí a zužování populací. Pro bezpečné uchování a setrvalé využívání genetických zdrojů bude potřebné zabezpečit zejména: 49
a) Systematickou ochranu a monitoring GZR uchovávaných in situ. b) Více než dosud se projeví závislost států na vzájemné výměně genetických zdrojů (získávání nových genetických zdrojů z jiných geografických podmínek). c) Větší výkyvy klimatu zvýší poptávku po zdrojích s vysokou stabilitou znaků (výnosů, kvality) které bude často obtížné nalézt mezi moderními šlechtěnými odrůdami, ale spíše mezi krajovými odrůdami a planými příbuznými druhy. d) Spolu s novými šlechtitelskými cíly lze očekávat zájem uživatelů o genetické zdroje se zcela novými znaky (např. reakcí na zvýšenou koncentraci CO 2 ). e) V genofondech zemědělských plodin bude nutné vyhledávat takové genetické zdroje, které umožní dané plodině rozšířit (popř. posunout) geografický areál jejího pěstování (např. širokou adaptabilitou ke světelným, teplotním a vláhovým poměrům). f) Bude rovněž nutné vyhledávat nové a studovat dosud opomíjené zemědělské plodiny, jejich vnitrodruhovou genetickou diverzitu, získat perspektivní genotypy a ověřit možnosti jejich využití. Závěr Genetické zdroje rostlin jsou nenahraditelným zdrojem nové genetické diverzity pro šlechtitelské zlepšování plodin; jejich uchování a využívání je ve světě i v ČR věnována vzrůstající pozornost. Probíhající klimatické změny vyžadují i využití nové genetické diverzity ve šlechtění, která zajistí adaptaci nových odrůd a jejich toleranci k vyskytujícím se stresům. Donory takových znaků lze často nalézt (např. u pšenice) mezi krajovými a starými odrůdami, popř. planými druhy. Klimatické změny znamenají riziko i pro uchování genetických zdrojů- zvláště v podmínkách in situ. Dedikace V této práci jsou využity výsledky výzkumu získané v průběhu řešení projektu NAZV MZe ČR QH72251 Použitá literatura Alan L. Olmste and Paul W. Rhode, 2010: Adapting North American wheat production to climatic challenges, 1839 2009. Proc Natl Acad Sci U S A. 2011 January 11; 108(2): 480 485. Bareš I., Dotlačil L. 1998: History of Genetic Resources Studies in the Czech Republic. IN: Dotlačil, L. Štolc, K.J. (Eds) National Programme on Plant Genet. Res. Conservation and Utilization in the Czech Republic. Praha, 1998, p. 4 8 Ceccarelli, S. Grando, S. Maatougui, M. Michael, M. Slash, M. Haghparast, R. Rahmanian, M. Taheri, A. Al-Yassin, A. Benbelkacem, A. Labdi, M. Mimoun, H. Nachit, M., 2010: Plant breeding and climate changes. Journal of Agricultural Science. 2010. 148: 6, 627-637. CBD (1998): Convention on Biological Diversity Text and Annexes. Montreal, Secretariat of the Convention on Biological Diversity, 34 pp. CBD (1999): A Programme for Change Decisions from the Fourth Meeting of the Conference of the Parties to the Convention on Biological Diversity. Bratislava, Slovakia, 4-15 May 1998: Montreal, Secretariat of the Convention on Biological Diversity, 179 pp. Dotlačil, L., Hermuth, J., Tisová, V., Brindza, J., Debre, F., 2000: Yield Potential and Stability in Selected Winter Wheat Landraces and Obsolete Cultivars of European Origin. Výnosový potenciál a jeho stabilita u vybraných evropských krajových a starých odrůd ozimé pšenice. Rostlinná výroba, 46, (4), p. 153-158 50
FAO, 1998: The state of the world s plant genetic resources for food and agriculture. FAO, Rome, 510 pp. FAO, 2001: International Treaty on Plant Genetic Resources for Food and Agriculture (ITPGRFA). FAO, Rome, 25 pp. FAO 2010: The Second Report on the State of the World s Plant Genetic Resources for Food and Agriculture. Rome. 370 pp, ISBN 978-92-5-106534-1 FAO, 1996a: Global Plant of Action for the Conservation and Sustainable Utilization of Plant Genetic Resources for Food and Agriculture. FAO, Rome, 1996, 63 pp. Jarvis D, Mar I and Sears L, 2006: Enhancing the use of crop genetic diversity to manage abiotic stress in agricultural production systems. Proceedings of a workshop, 23 27 May 2005, Budapest, Hungary. International Plant Genetic Resources Institute, Rome, Italy, 2006. ISBN 10: 92-9043-722-7 Lin, B. B., 2010: Resilience in agriculture through crop diversification: adaptive management for environmental change. BioScience. 2011. 61: 3, 183-193. Mac Key, J., 1993: Demonstration of genetic gain from Swedish cereal breeding. Sveriges Utsadesforenings Tidskrift, 103, 1, p. 33-43. Olmstead, A. L. Rhode, P. W., 2011: Adapting North American wheat production to climatic challenges, 1839-2009. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108: 2, 480-485. Thrupp, L. A., 1998: The central role of agricultural biodiversity: Trends and challenges. In Conservation and sustainable use of agricultural biodiversity. Manila, CIP-UPWARD in partnership with GTZ, IDRC, IPGRI and SEARICE, 1998: 35 pp. Kontaktní adresa na 1. autora: Ing. Ladislav Dotlačil, CSc., Výzkumný ústav rostlinné výroby v.v.i., 161 06 Praha 6- Ruzyně, Drnovská 507; dotlacil@vurv.cz 51