Acest site foloseste cookies.
Prin navigarea pe acest site, va exprimati acordul asupra folosirii cookie-urilor.
Vezi mai multe detalii
close
Publicatia companiilor din agricultura si zootehnie

Implementarea noilor tehnologii de selectie în cultivarea grâului

12 Septembrie 2018  Autor: maria demetriad

De la începuturile lor, programele de producție a semințelor de grâu din întreaga lume au utilizat cele mai avansate tehnologii, pentru a îmbunătăți ratele de câștig genetic. Recent, domeniul biologiei moleculare a oferit cercetătorilor instrumentele necesare pentru a selecta indivizii de elită pe baza genotipului lor, mai degrabă, decât, fenotipul lor. Dar este destul de a le integra în mod efectiv într-un program de reproducere aplicat. Punând accent pe selecția asistată de markeri,  Kuchel H., Fox R., Hollamby G., Reinheimer JL. și Jefferies SP., de la Intitutul de Studii Agricole din Edinburg, au analizat provocările pe care fermierii le au de depășit în implementarea noilor tehnologii, în studiul cu titlul ”The challenges of integrating new technologies into a wheat breeding programme”, din care vă prezentăm cele mai importante idei.  


Primul pas: mecanizarea


Creșterea grâului a suferit una dintre cele mai mari transformări în urma apariției mecanizării. Capacitatea sporită a graficului de randament a permis o mai mare concentrare asupra selecției semințelor și a soiurilor, în etapele anterioare ale programului de reproducere. De asemenea, munca mai eficientă a dus la dezvoltarea selecției randamentului de tip ”off site”. Până atunci, selecția era lăsată în totalitate la aprecierea fermierilor care aveau limitată capacitatea de a gestiona impactul interacțiunii genotipului cu mediul.


Cu timpul, tehnologia a condus la creșterea eficienței, permițând, de asemenea, extinderea programului de reproducere. Rezistența la boli, cum ar fi, printre altele, Septoria tritici și nematodul chistului de cereale, precum și o calitate îmbunătățită a utilizării finale, pot fi acum gestionate fără teama reducerii câștigului genetic și a randamentului cerealelor. Acesta este un exemplu al efectului frecvent observat de integrare a noilor tehnologii. Mai mult, atât timp cât tehnologia utilizată a putut aborda o anumită problemă, ea a condus adesea la creșterea capacității și a eficienței altor aspecte ale programelor de reproducere.


Efectele computerizării asupra logisticii de reproducere


De la apariția lor, calculatoarele au fost utilizate pentru proiectarea studiilor, gestionarea hărților de teren și a etichetelor de recoltare, precum și analiza datelor. Codurile de bare sunt utilizate acum pe tot parcursul programului de reproducere, pentru colectarea datelor (randamentul cerealelor, proiecțiile, greutatea testului și predicția calității NIR), procesarea probelor și încărcarea procesului.


Toate măsurătorile și observațiile făcute pe teren sunt colectate electronic cu ajutorul soft-urilor personalizate, fiind încărcate într-o bază de date de creștere a plantelor. Integrarea codurilor de bare și captarea de date electronice a salvat programele de reproducere prin economisirea de resurse substanțiale și, în mod semnificativ, a redus frecvența erorilor umane. Această economisire a resurselor a fost investită direct într-un număr mai mare de terenuri de producție, cu mai multe trăsături evaluate, în stadiile anterioare ale programului de reproducere.


Avansuri în analiza statistică


Cu ajutorul computerelor, îmbunătățirea metodologiei statistice a avut un impact major asupra eficacității selecției, în special pentru randamentul cerealelor. Progresia, de la analiza varianței, la analiza medie, inclusiv în 3D, a sporit treptat stabilirea definitivă a procesului. Practic, acest lucru a condus la un sistem mai eficient de selecție a randamentelor. Cresterile de producție utilizează acum un număr mai mic de replici, și, prin urmare, se pot testa un număr mai mare de linii generice, în mai multe medii, pentru aceleași resurse.


Recent, au fost propuse metode de încorporare a relațiilor ”pedigree” în cadrul acestor analize și se speră că acest lucru va duce la un alt salt în precizia experimentală și va permite o mai bună prezicere a valorilor de reproducere a liniei, pentru scopuri de predicție încrucișată și o selecție îmbunătățită.


În viitor, va fi util să se extindă acest principiu la datele markerului molecular. Mai degrabă decât să estimăm conexiunea folosind pedigree-urile, se pot utiliza markeri pentru a măsura relația, oferind îmbunătățiri suplimentare în precizia selecției. În mod similar, includerea markerilor specifici în analizele de date, poate îmbunătăți heritabilitatea selecției, permițând fermierului să controleze înălțimea plantei, fenologia sau rezistența la boli, atunci când caută potențiali părinți.


Impactul pepinierelor în afara sezonului


Pepinierele utilizate în afara sezonului au fost folosite de câțiva ani în programe de reproducere, pentru a accelera progresul populației de semințe spre monozigozitate. Cu toate acestea, costul irigațiilor și al controlului păsărilor, precum și temperaturile, au descurajat majoritatea fermierilor să încerce această soluție, mai ales pe timpul verii. Posibilitățile de selecție pe timpul verii se limitează la înălțimea și uniformitatea plantelor, deoarece ritumurile de creștere în acest anotimp sunt destul de diferite de cele de pe timpul iernii.


Dar generațiile de vară au permis programului de reproducere să răspundă rapid la cererile în schimbare ale fermierilor prin comercializarea rapidă a semințelor cu linii avansate. De exemplu; o linie avansată a fost identificată la sfârșitul sezonului 2014, pentru o posibilă lansare comercială. Aproximativ 100 de selecții de plante unice au fost cultivate în timpul verii, pentru a verifica uniformitatea și a începe creșterea semințelor. În 2015, aceste selecții individuale au fost cultivate pe timp de iarnă și verificate din nou pentru uniformitate.


Cerealele au fost recoltate, selecțiile uniforme au fost înmulțite și trimise pentru o multiplicare ulterioară pe parcursul verii, gata pentru lansare în sezonul 2016. Rezultatul final a fost producerea a 250 de tone de semințe de vânzare din aproximativ 200 de grame de semințe.


Integrarea selecției asistată de markeri genetici


Majoritatea fermierilor sunt conștienți de beneficiile potențiale pe care le poate oferi selecția efectuată cu ajutorul tehnologiei moleculare (MAS). Spre deosebire de selecția fenotipică, selecția cu markeri genetici nu este influențată de mediul înconjurător și poate fi efectuată în orice stadiu de creștere. În funcție de trăsăturile care sunt manipulate, această selecție poate fi mai ieftină decât alternativele fenotipice. Dar, cea mai mare provocare este adesea integrarea acestor beneficii,  fără a diminua eficacitatea sistemelor de selecție anterioare. Selecția asistată de marker a devenit o parte integrantă a agriculturii de mare performanță și este folosită în principal pentru creșterea frecvenței alelelor dorite în populațiile complexe F1 (de exemplu, BC1F1 sau TC1F1). Markerii au fost, de asemenea, utilizați pentru a selecta părinții de elită, recoacerea asistată de marker, selecția în timpul producției DH și identificarea liniilor fixe de elită, pentru producția de semințe rapide.


Deoarece markerii au fost folosiți pentru prima dată în programul de creștere a grâului de tip Roseworthy, s-au înregistrat schimbări dramatice în metodele de laborator utilizate. Majoritatea markerilor utilizați la început au fost polimorfismele de lungime a fragmentelor de restricție, care necesită cantități mari de ADN de grad înalt. În consecință, au putut fi efectuate într-o zi mai puțin de 100 de extracții. Acum, odată cu trecerea la sisteme marker pe bază de PCR, cum ar fi repetarea succesiunii simple, cantitatea și cerințele de calitate ale ADN-ului s-au redus, permițând unei singure persoane să extragă până la 1000 de probe pe zi. Cu evoluțiile ulterioare, cum ar fi separarea și detectarea fragmentelor fluorescente și multiplexate și manipularea fluidelor robotice, numărul de teste care pot fi efectuate a crescut substanțial. În 2012, au fost efectuate peste 100.000 de teste marker care răspundeau cerințelor celor patru programe AGT de creștere a grâului.


Impactul pe teren


Această creștere a capacității a forțat fermierii să ia în considerare modul în care activitățile programului de reproducere ar putea fi adaptat, pentru a facilita o mai mare capacitate de marcare în cadrul laboratorului. Un exemplu simplu al impactului programului pe teren asupra eficienței MAS este creșterea plantelor gata pentru recoltarea țesuturilor. În mod ideal, dacă o populație BC1F1 ar urma să fie testată cu markeri, semințele ar fi plantate într-o parcelă relevantă a câmpului, astfel încât plantele de elită din cadrul populației să poată fi identificate, atât prin selecție genetică, cât și vizuală.


Cu toate acestea, experiența a dovedit că recolta de țesut în câmp este prohibitivă,  lentă și dificilă. Semințele trebuie să fie plantate în rânduri perfect regulate (de obicei manual), iar fiecare plantă trebuie marcată cu o etichetă, pentru a urmări în câmp identitatea ADN-ului. În plus, prelevarea probelor trebuie efectuată la începutul creșterii plantelor, ceea ce presupune ca aceste eșantioane să funcționeze în condiții nefavorabile sau pentru recoltarea țesuturilor, atunci când planta este la a doua sau la a treia etapă de creștere. În consecință, atunci când sunt prelevate câmpuri, se recoltează țesut din aproximativ 100 de plante per persoană pe oră.


Aceasta contrastează cu recoltarea dintr-o seră, unde o singură persoană poate recolta țesut de la aproximativ 400 de plante pe oră. Pentru a economisi spațiul din sere, plantele sunt cultivate în tuburi mici (10 cm x 7 cm), dispuse în tăvi-suport (216 plante / m2). Dacă se efectuează traversări ulterioare cu aceste plante, ele sunt transplantate în vase mai mari, pentru a permite o mai mare înclinare.


Pentru majoritatea procedeelor MAS, în cazul în care îmbunătățirea frecvenței alelelor dorite în cadrul populației este concentrarea primară, cel mai important factor de limitare a ratei este urmărirea eficientă a identității probelor, pentru a permite recoltarea rapidă a țesuturilor și a semințelor. Pe măsură ce crește capacitatea markerului, iar tehnologia poate fi aplicată la un număr mai mare de etape, în programul de reproducere, pot fi întâlnite provocări logistice similare. Pentru a vedea creșterea continuă, atât în activitățile de teren, cât și în activitățile de laborator, trebuie analize ale eventualelor modificări, astfel încât să crească eficiența sistemului global.


Concluzii


Pe măsură ce se extinde utilizarea roboticii și a echipamentului marker specializat, este probabil să vedem în viitor o schimbare direcționată spre centralizarea resurselor de marcare, datorită costului ridicat al capitalului din infrastructură. În prezent, relația strânsă dintre ameliorator și marker este o componentă critică a succesului MAS. Furnizorii de servicii terțe pot fi capabili să asigure unele creșteri ale capacității de producție și a eficienței, dar sunt puțin probabil să conducă inovația la interfața dintre activitățile de teren și cele de laborator. Pentru a realiza această schimbare de cadre, în resursele de transfer din cadrul echipei de teren, ar trebui să fie redirecționate, cel puțin parțial, multe dintre activitățile normale (proiectarea, pregătirea și gestionarea producției de boabe și a dezvoltării bolilor, populații complexe F1), organizarea de sisteme mai mari și mai eficiente pentru creșterea plantelor și recoltarea mai rapidă a țesuturilor. În mod ideal, fluxul de eșantioane și date dintre echipele de câmp și de laborator, ar fi fără întrerupere.