Úvod / Pôdohospodárstvo podľa tém / Rastlinná výroba / Rastlinná výroba všeobecne

Fenotypovanie plodín – trend pre zvyšovanie rastlinnej produkcie a potravinovej bezpečnosti v 21. storočí

23-09-2020
prof. Ing. Marián Brestič, CSc. | marian.brestic@uniag.sk
Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre, Katedra fyziológie rastlín, FAPZ

V dôsledku rastu ľudskej populácie na Zemi sa ukazuje nutnosť zdvojnásobenia globálnej produkcie strategických plodín do roku 2050 oproti dnešnej produkcii, aby sa zamedzilo katastrofálnemu nedostatku potravín, nekontrolovanému rastu cien a aby sa zvýšila potravinová bezpečnosť. Splnenie tohto cieľa bude veľkou výzvou pre šľachtiteľov i pestovateľov, nakoľko úrody plodín by mali rásť rýchlosťou 2,4% za rok, pričom v súčasnosti je rast len na úrovni 1,3%, často so stagnujúcimi úrodami.

Tradičné šľachtenie založené na hybridizácii a agronomická prax počas uplynulých 50-tich rokov dokázali úrody zdvoj- až strojnásobiť, teraz je však potrebné dosiahnutý úrodový strop prekonať novými technikami v genomike a v šľachtení, zefektívňovaním využitia vody rastlinami, zvyšovaním tolerancie na sucho, vysokú teplotu a fluktuačné žiarenie, a pod., ktoré zvýši efektívnosť produkcie nových geneticky zlepšených odrôd do podmienok klimatickej zmeny, pre výrobu funkčných, bezpečných a smart potravín.

V nedávnej minulosti to bola revolúcia v štúdiu genómu a génové technológie, ktoré priniesli do šľachtenia rastlín  úžasný pokrok napr. tým, že vieme sekvenovať rastlinný genóm, analyzovať ho a poznávať funkciu jednotlivých génov a ich interakcie, vieme tvoriť genetické mapy s oblasťami v  chromozómoch, kde sa predpokladá výskyt záujmových génov.

Zrýchlenie procesu šľachtenia plodín a zvýšenie ich produkčného potenciálu je preto rozhodujúcim krokom riešenia globálneho problému potravinovej bezpečnosti. Pravdepodobne sa nevyhneme tomu, že v budúcich desaťročiach bude nutné adaptovať poľnohospodárstvo na klimatické zmeny, predovšetkým časté suchá a extrémne teploty, ktoré každoročne sužujú naše polia a znižujú produkciu prakticky všetkých kľúčových plodín. Preto bude potrebné navrhovať odrody s vysokým úrodovým potenciálom, prispôsobené neoptimálnym podmienkam prostredia.

V spoločenskom kontexte, v ktorom geneticky modifikované rastliny nenájdu široké uznanie, je využívanie genetickej diverzity hlavnou stratégiou, ktorú väčšina európskych verejných výskumných ústavov a semenárskych spoločností presadzuje na zvýšenie stability úrod. Vyžaduje si to identifikáciu tých alelických variantov, ktoré vykazujú priaznivé vlastnosti medzi tisíckami odrôd, ktoré existujú v génových bankách.

Fenotypovanie ako cesta k úspechu pri zvyšovaní produkčných schopností rastlín

V poslednom desaťročí  sa začala vynárať nová veda o rastlinách – fenomika rastlín, ktorá spája genomiku s ekofyziológiou rastlín a agronómiou. Vychádza z toho, že celistvý funkčný rastlinný organizmus  (FENOTYP) sa vytvára počas rastu a vývoja rastlín na základe dynamických interakcií medzi genetickým pozadím (GENOTYP) a fyzickým svetom, v ktorom sa rastliny vyvíjajú (PROSTREDIE). Tieto interakcie určujú výkonnosť a produktivitu rastlín meranú ako akumulovaná biomasa a hospodárska úroda a tiež aj ako efektívnosť využívania faktorov prostredia.

Genomika ako veda priniesla množstvo informácií o genetickej výbave jednotlivých druhov rastlín. Na druhej strane fenomika skúma, ako fenotyp rastliny zapadá do toho, čo vieme o jej génoch. Genotypizácia rastlín bola industrializovaná a v súčasnosti sa môže už uskutočňovať za prijateľné náklady. Dnes je preto hlavnou výzvou analyzovať výkonnosť genotypov. Väčšina fenotypovej variability v reakcii na podmienky prostredia je spojená s kauzálnymi zmenami vo fyziológii rastlín.

Počas uplynulého desaťročia boli sekvenované genómy mnohých rastlinných druhov, čo prinieslo poznatky o prítomnosti génov a určení ich funkcie. Vyvinula sa však „prekážka“, pri ktorej vývoj založený na genomických informáciách nedokáže udržať krok s obrovským množstvom údajov, ktoré genomika denne vytvára.

Napriek dlhej histórii popisu fenotypu kultúrnych rastlín a očakávaní predovšetkým od molekulárneho a genetického výskumu sa v posledných rokoch nedarí stabilizovať úrody v meniacich sa podmienkach prostredia, pri čoraz frekventovanejšom účinkovaní extrémnych klimatických situácií, bez zvyšovania cien vstupov. Identifikácia použiteľných genetických zdrojov, ktoré nesú gény pre cielené znaky, je preto možná len vtedy, keď budeme poznať presný fenotypový profil rastliny. Kvantitatívny popis fenotypu je náročnejšou výzvou, ako popis genotypu, pretože fenotyp  je v rôznom prostredí odlišný. Charakterizujeme ho znakmi, štrukturálnymi a funkčnými zmenami, reakciami a správaním rastlín. Pri fenotypovaní je dôležité aj exaktné charakterizovanie prostredia. Tradičné metódy fenotypovania plodín sú pre rastliny náročné na pracovnú silu, časovo náročné, subjektívne a často deštruktívne. V posledných rokoch sa v rôznych odvetviach  v širokej miere používajú moderné technológie na báze snímačov, strojového videnia a automatizácie, ktoré rozširujú automatizáciu a zvyšuje sa účinnosť. Znamená to, že morfológiu a fyziológiu je možné využitím senzorov posudzovať nedeštruktívne a opakovane v rámci celej populácie a počas vývoja.

Kritickým krokom urýchlenia tvorby nových a odolnejších vysoko produktívnych odrôd je rýchle a presné hodnotenie fenotypu tisícov šľachtiteľských línií, klonov alebo populácií počas celého šľachtiteľského programu, realizovaného v rôznych podmienkach prostrediach. Ukazuje sa, že rozumným spôsobom na uspokojenie všetkých týchto požiadaviek je prístup získania viac-rozmerných fenotypových údajov o genetických zdrojoch, čo sa označuje pojmami fenotypovanie s vysokou priepustnosťou alebo "fenomika". Fenomika si z medicíny požičiava zobrazovacie techniky, ktoré umožňujú vedcom študovať vnútorné fungovanie listov, koreňov alebo celých rastlín.

Fenomika tak  môže previesť informácie o mechanizmoch rastlín do užitočných aplikácií a je možné nález génov dobre využiť pri rýchlejšom vývoji nových odrôd plodín s požadovanými vlastnosťami, ktoré sú ľahko detekovateľné prostredníctvom fyziologických prejavov.

Rastúci dopyt po fenotypovaní viedol k synergickým aktivitám pracovísk, ktoré robia výskum genetických zdrojov rastlín a vplyvu prostredia na rastliny, ako aj pracovísk ktoré vyvíjajú metódy a protokoly meraní.

Fenotypovanie ako výzva vo výskume rastlín v Európe

V nedávnej minulosti boli v Európe aktivizované výskumné iniciatívy spojené s vývojom a využitím infraštruktúry pre nedeštrukčnú kvantitatívnu charakterizáciu fenotypu. V roku 2016 bol do cestovnej mapy ESFRI  „European Strategy Forum on Research Infrastructures“ uvedený program EMPHASIS „European Infrastructure for Multi-scale Plant Phenomics and Simulation“, s cieľom integrovať európsku infraštruktúru pre fenotypovanie a spoločne analyzovať výkonnosť genotypov v rôznych environmentálnych podmienkach a kvantifikovať rozmanitosť znakov prispievajúcich k výkonnosti v rôznych environmentálnych scenároch. Tento program sa zameriava na riešenie technologických a organizačných obmedzení európskeho fenotypovania s cieľom plného využívania genetických a genomických zdrojov dostupných na zlepšenie úrody v meniacej sa klíme.

Ukázalo sa, že ekofyziologické prístupy budované na katedre fyziológie rastlín SPU v Nitre, sú užitočné pri charakterizovaní biologického materiálu a následne vybudovaním automatickej fenotypovacej linky v rámci centra Agrobiotech pracovisko vstúpilo do projektu EÚ EPPN2020 „European Plant Phenotyping Network 2020“. Využívajúc skúsenosti z fotosyntetického výskumu sa rozšírili možnosti študovať fenotypové prejavy rastlín.

Vďaka projektovým aktivitám EMPHASIS a EPPN2020 sa vytvorila nová vedecká komunita, ktorá  má za cieľ zintenzívniť výskum vo fenotypovaní rastlín a poskytnúť prístup k európskym inštaláciám aj pre výskumníkov, ktorí nedisponujú takouto infraštruktúrou, ale vypracujú zdôvodnený návrh na výskumné riešenie. Európa hrá vo fenotypovaní rastlín kľúčovú úlohu vo svete. V jednotlivých krajinách EÚ vznikajú národné zoskupenia (platformy) zaoberajúce sa rôznymi otázkami a možnosťami fenotypovania, aby posilnilo výskum plodín a drevín. Vďaka podpore projektu OPVaI „Optimalizácia metód fenotypovania: budovanie národnej fenotypovacej platformy“ na SPU od roku 2020 vytvárame priestor pre medziinštitucionálnu spoluprácu v oblasti fenotypovania, pre odborníkov z rôznych oblastí základného a aplikovaného výskumu, šľachtenia, semenárstva, lesníckeho, envirnmentálneho výskumu, poľnohodpodárskej pestovateľskej praxe, inžinierstva a pod..

Fenomika zahŕňa interdisciplinárny výskum a spoluprácu

Výskumní pracovníci v oblasti fenomiky nie sú len biológovia, ale aj chemici, fyzici, počítačoví vedci, inžinieri, matematici, fyziológovia, genetici a šľachtitelia rastlín, ktorí spoločne vyvíjajú nové fenotypovacie metódy. Vzhľadom na veľkú komplexnosť problematiky, je nutná široká spolupráca pre spoločné riešenie problémov. Aby sa vývoj fenotypovania urýchlil, vytvorila sa medzinárodná sieť pre fenotypovanie rastlín – IPPN „International Plant Phenotyping Network“, ktorá  spája inštitúcie zaoberajúce sa rastlinnou fenomikou s užívateľmi a vývojármi z celého sveta,  s cieľom zlepšiť spoluprácu a ponúknuť technologické inovácie a aplikácie pre výskum a prax.

Cieľom IPPN je zlepšiť viditeľnosť fenotypovania rastlín a umožniť spoluprácu podporovaním komunikácie v akademickej obci, priemysle, vláde a širokej verejnosti. Prostredníctvom workshopov a sympózií sa IPPN snaží vytvoriť rôzne pracovné skupiny a distribuovať všetky relevantné informácie o fenotypovaní rastlín.

Pohľad dovnútra - štúdium listov a koreňov pomocou špičkových zobrazovacích systémov

Pre neinvazívne merania rastových a fyziologických zmien sa najčastejšie využívajú neinvazívne techniky, ktoré zahŕňajú najčastejšie:

  • trojrozmerné zobrazenie na štúdium tvaru, architektúry a štruktúry rastlín
  • vzdialené infračervené zobrazenie na štúdium teploty listov
  • blízke infračervené zobrazovanie na skúmanie obsahu vody v listoch
  • fluorescenčné zobrazovanie na štúdium fotosyntézy a zdravia rastlín
  • zobrazovanie magnetickou rezonanciou na štúdium rastu koreňov v pôde
  • spektrálna reflektancia pri štúdiu chemického zloženia rastlín a stresového stavu rastlín.

Zobrazovacie techniky sa môžu použiť na skríning veľkého počtu rastlín z hľadiska požadovaných znakov alebo fenotypov, ako sú sucho alebo odolnosť voči soli. Keďže rastliny nie sú pri meraniach deštruované, je možné ich študovať aj viackrát v rôznych štádiách rastu.

Pri trojrozmernom (3D) zobrazovaní sa využíva séria fotoaparátov využívajúcich viditeľné svetlo, ktoré sníma digitálne fotografie vrchných a bočných častí rastlín. Obrázky sú počítačovým programom kombinované do 3D obrazu rastliny. Analýzy obrazu umožňujú identifikovať rastové charakteristiky nadzemných orgánov, farbu listov, zdravie listov.

Zobrazovanie v blízkej infračervenej oblasti sa používa aj na štúdium obsahu uhľohydrátov v listoch. Toto sa môže použiť ako miera účinnosti rastlín, ktoré prevádzajú oxid uhličitý na sacharidy počas fotosyntézy. Umožňuje monitorovanie viacerých vlastností rastlín súčasne, ako napríklad hladina vo vode rozpustných cukrov a dusíka v listoch, stonkách a zrnách.

Fluorescenčné zobrazovanie sa používa na štúdium zdravia rastlín a fotosyntézy. fluorescencia chlorofylu sa vo fenomike bežne používa na zistenie účinku rôznych génov alebo podmienok prostredia na účinnosť fotosyntézy. Je ovplyvnená zmenami vo fotosyntetickej výkonnosti skôr, ako je možné pozorovať akékoľvek ďalšie merateľné zmeny na rastlinách alebo zmenách v produkcii biomasy. Napomáha sledovať stres rastlín alebo ako rastliny fungujú už v prvých fázach rastu.

Fenotypovanie rastlín sa na SPU v Nitre zameriava na riešenie praktických problémov.

Automatická fenotypovacia linka je tvorená súborom optických zobrazovacích metód v kontrolovaných podmienkach prostredia, kamerového 3-D RGB zobrazovania,  hyperspektrálneho a fluorescenčného snímania signálu rastlín. Zaoberáme sa štúdiom interakcií genotyp – prostredie, selekciou genotypov na základe odolnosti k abiotickým stresom (sucho, vysoká teplota, zasolenie), efektívnosťou využitia vody, reakciami rastlín na fluktuačné a UVB žiarenie.

Boli testované viaceré modelové plodiny, ako pšenica, cirok, kukurica, sója, rajčiak, genotypy šalátu s rôznym obsahom antokyánov v listoch. Stredobodom pozornosti však zostáva fotosyntéza, pre meranie ktorej sa využívajú podporné zariadenia charakterizujúce fotosyntetické procesy na úrovni listu.

Obr. 1

Obr. 1: Fenotypovanie rôznych genotypov rajčiaka

Obr. 2

Obr. 2: Fenotypovanie farebných šalátov s rôznym obsahom chlorofylov a antokyánov

Obr. 3

Obr. 3: Fenotypovanie farebných šalátov s rôznym obsahom chlorofylov a antokyánov v listoch

Obr. 4

Obr. 4: Fenotypovanie - automatické meranie fotosyntetických parametrov na celistvej rastline.jpg

Príklady využitia fenotypovania

Využitie fenotypovania pre dosiahnutie superfotosyntézy

Fotosyntéza je jediný proces na Zemi, ktorý je schopný premieňať energiu fotónov slnečného žiarenia a CO2 zo vzduchu na organické látky, ktoré sú zdrojom potravy ďalších

Skupina vedcov, ktorí tvoria medzinárodné konzorcium výskumu ryže s C4 metabolizmom uhlíka sa snaží zdvojnásobiť produkciu ryže zvýšením fotosyntetickej kapacity.

U rastlín sú známe dva hlavné fotosyntetické mechanizmy, pomenované ako C3 a C4. C3 rastliny zahŕňajú ryžu, pšenicu a väčšinu ostatných kultúrnych rastlín. C4 rastliny zahŕňajú kukuricu, cirok a trstinu. Fotosyntéza C4 je efektívnejšia ako C3, najmä pri vyšších teplotách, podmienkach sucha a obmedzených dodávkach dusíka. Napríklad rastliny C4 kukurice produkujú dvojnásobok výťažku C3 ryže, keď sa pestujú s rovnakým množstvom vody a dusíka. Rastliny C4 majú odlišnú bunkovú štruktúru v porovnaní s rastlinami C3, čo im umožňuje koncentrovať oxid uhličitý vo vnútri listu. Ak vedci dokážu identifikovať gény, ktoré to kontrolujú, môžu byť schopní nahradiť cestu fotosyntézy ryže C3 mechanizmom C4. Medzinárodné konzorcium pre výskum C4 ryže plánuje využiť fenotypovanie na zrýchlený skríning odrôd ryže. Na vyhľadanie rastlín, ktoré už majú niektoré vlastnosti podobné C4, sa využijú techniky, ako napríklad 3D zobrazenie a fluorescenčné zobrazenie. K týmto odrodám sa následne pridajú ďalšie gény C4 a znovu sa otestujú, aby našli rastliny s vyššími úrodami, ako aj tie, ktoré najúčinnejšie využívajú dusík a vodu.

Vo výskume pšenice sa výskumníci snažia zdvojnásobiť produkciu hľadaním s vysokou mierou fotosyntézy. Jedným z hlavných obmedzujúcich faktorov fotosyntetického výkonu je neefektívnosť enzýmu nazývaného Rubisco, ktorý fixuje uhlík zo vzduchu a vďaka ktorému vznikajú v Calvinovom cykle sacharidy. Niektoré rastliny majú „lepšie“ Rubisco ako iné a efektívnejšie využívajú dusíkaté hnojivo. Takže sa využívajú možnosti fenotypovania na rýchle vyhľadávanie tisícov odrôd pšenice z celého sveta, pri hľadaní rastlín, ktoré majú Rubisco s lepšou výkonnosťou, vyššiu mieru fotosyntézy. Zároveň sa hľadajú genotypy, ktoré sa vedia najlepšie prispôsobiť environmentálnym stresom, nedostatku živín, suchu, vysokej teplote, zasoleniu, nepriaznivému svetelnému režimu.

Zvyšovanie tolerancie na sucho ako výzva pre udržateľnosť produkcie

Vodný režim rastlín a využívanie vody rôznymi plodinami pre optimálne formovanie úrody je zložitá vlastnosť. Táto sa mení v rôznych štádiách rastu a rôznymi podmienkami prostredia počas celej vegetačnej sezóny. Pri štúdiu efektívnosti využívania vody  v suchých podmienkach, reagujú rôzne odrody rôznym znížením úrodotvorných parametrov.

Rastliny rastúce v oblastiach zasiahnutých suchom sa snažia získať dostatok vody z pôdy. Zatvárajú prieduchy, aby sa znížila strata vody, ale to spomaľuje fotosyntézu a znižuje produkciu. Zahrievajú sa tiež listy, čo je dôvod, prečo infračervené kamery poskytujú rýchly spôsob, ako zistiť, ktoré rastliny udržiavajú svoju prieduchy otvorenejšie v podmienkach sucha. Vedci vyhľadávajú odrody, ktoré dokážu udržať chladnejšie listy v období sucha a študujú, ako to ovplyvňuje ich úrody.

Využitím fenotypovacích technológií teda už v prvých fázach pôsobenia sucha je možné zaznamenať zmeny teploty povrchu porastu, taktiež prispôsobovanie sa morfológie a geometrie rastlín, veľkosti listov, ich postavenie na rastline, ako aj zmeny v spektrálnej odrazivosti a fluorescenčné charakteristiky, ktoré odrážajú dynamiku primárnych procesov fotosyntézy. Takéto charakteristiky urýchľuje zisťovanie odrôd, ktoré najúčinnejšie využívajú vodu, a preto sú najvhodnejšie pre podmienky sucha.

Austrálski a nemeckí vedci spolupracujú na vývoji pšenice s intenzívnejším rastom výhonkov alebo koreňov, čo pomáha lepšie sa vyrovnať s podmienkami sucha. Suchovzdorné odrody transportujú do koreňov viac sacharidov. Informácie nielen o architektúre nadzemnej časti rastlín, ale aj o koreňovej sústave

Pre zvyšovanie tolerancie plodín je nevyhnutné zlepšovať osmotickú prispôsobivosť rastlín, a preto je dôležité charakterizovať aj prítomnosť látok zodpovedných  za tento proces, okrem sacharózy, napr. voľný prolín a glycínbetaín.

Nové rastlinné druhy ako biopalivá

Biopalivá sa často vyrábajú z plodín, ako je kukurica a sója. Vyvoláva to množstvo rozporuplných názorov a celý rad znepokojení po celom svete, pretože tieto plodiny môžu byť využité na potravinárske účely.

Výskumníci skúšajú alternatívne rastlinné druhy ako suroviny pre biopalivá; nepotravinárske rastliny, ktoré môžu rásť aj na menej produktívnej pôde. Aby však tieto plodiny mohli úspešne rásť v týchto oblastiach, budú musieť tolerovať širokú škálu environmentálnych záťaží, ako je nízka dostupnosť vody, zasolenie alebo nízka zásoba živín.

Cieľom výskumu rastlín potenciálne vhodných ako biopalivá, je lepšie porozumieť štruktúre rastlín a procesom, ako je delenie buniek, absorpcia živín a spotreba vody v plodinách na výrobu bioenergie. Pochopenie týchto základných bunkových procesov urýchli šľachtenie rastlín a ich pestovanie bude efektívnejšie a vyrobia biopalív bude nákladovo výhodnejsšia.

Nepotravinové biopalivové suroviny sú lignocelulózové materiály z biomasy, vláknité, drevité, nejedlé časti rastlín. Medzi takéto akéto rastliny zahŕňajú rýchlo rastúce dreviny, kríky a trávy. Veľa prísľubov ukazuje Proso prútnaté (Panicum virgatum), ktoré sa už používa na výrobu biopalív v Spojených štátoch. Môže rásť v oblastiach s nízkou dostupnosťou vody a živín a pritom má vysokú produkciu biomasy. Má však veľmi komplexný genóm a dlhý životný cyklus. Pochopenie základných bunkových procesov však môže urýchliť šľachtenie rastlín, z ktorých sa budú vyrábať vysoko efektívne biopalivá.

Vyhliadky do budúcnosti

V posledných rokoch dosiahlo fenotypovanie využívajúce neinvazívne technológie výrazný rozvoj, vďaka možnostiam spracovania množstva údajov, vysokej presnosti meraní, vysokej miere štandardizácie, zavedeniu zariadení na simuláciu prostredia, ako aj terénnych fenotypizačných systémov.

Proces šľachtenia rastlín je v praxi v súčasnosti jedným z hlavných užívateľov fenotypovania a vývoj fenotypovania rastlín sa často riadi cieľmi šľachtenia. Keďže fenotypovanie je dôležitým nástrojom na pochopenie interakcií rastliny -  prostredie, potom môže slúžiť k prenosu poznatkov do praxe a tvorbe aplikácií v pestovateľských postupoch plodín, sledovaní účinkov biostimulátorov, mikroorganizmov, atď. Fenotypovanie sa uskutočňuje vždy vo vzťahu ku konkrétnemu prostrediu. Genotypy, ktoré fungujú dobre v kontrolovanom prostredí, nemusia byť nevyhnutne najlepšie v poľných podmienkach. Preto je za kontrolovaných a poľných podmienok dôležitá komplexná správa o podmienkach prostredia počas experimentov.

Nové technológie musia poskytnúť výhody, pokiaľ ide o úroveň priepustnosti pri analýzach a použiteľnosť v poľných podmienkach. Ďalší pokrok vo fenotypovaní rastlín môže ťažiť z vývoja v disciplínach, ako sú diaľkové snímanie, robotika, rozvoj informačných systémov a umelá inteligencia. Rýchlosť spracovania narastajúceho množstva údajov a lepšia vizualizácia údajov môže ďalej zlepšiť kvalitu interpretácie  nameraných dát.

V súčasnosti hrajú národné a medzinárodné siete a iniciatívy čoraz väčšiu úlohu. Vďaka tomu sa za posledné desaťročie fenotypovanie rastlín stalo kľúčovou oblasťou výskumu v základných a aplikovaných prírodných vedách. Vo svete sa stalo stredobodom dialógu medzi vedcami, šľachtiteľmi, poľnohospodármi, financujúcimi agentúrami, tvorcami politík a verejnosťou. Zlepšilo sa naše chápanie interakcií rastlín v meniacom sa prostredí, ktoré je ústredným prvkom pri riešení budúcich veľkých výziev.

Práca vznikla vďaka podpore projektu: ITMS 313011T813