Vilda gräs ger perenna sädesslag – en utveckling mot hållbara
Transcription
Vilda gräs ger perenna sädesslag – en utveckling mot hållbara
Vilda gräs ger perenna sädesslag – en utveckling mot hållbara odlingssystem? Anna Westerbergh Institutionen för växtbiologi, Uppsala BioCentrum, Sveriges lantbruksuniversitet, Linnécentrum för växtbiologi i Uppsala [email protected] Hur kan vilda växter nyttjas för utveckling av nya grödor? Perennialism - vild majs (teosinte) Biotisk stress - vete 2012 Abiotisk stress - korn Perenialism - korn Perennialism - vete Förändringar i klimat och väder Temperaturökning Ökad nederbörd vinter Årsmedeltemperatur (ºC) Förlängd växtsäsong sommar 2025 2085 Ökad/minskad nederbörd Vilda gräs ger perenna sädesslag – en utveckling mot hållbara och klimatsmarta odlingssystem? - Anpassade till förändringar i klimat och väder Ökad kolinlagring Mindre näringsläckage och utsläpp av växthusgaser Minskad störning på de ”goda” mirkroorganismerna (bakterier och mikrosvampar) i jorden - Minskade energikostnader och användning av fossila bränslen Perenn vild kornsläkting Hordeum bulbosum Perenna vetehybrider (Thinopyrum spp. x wheat) Kernza (”wheatgrass”) Thinopyrum intermedium Stragegi I. - Hybridisering mellan vild perenn och domesticerad annuell X H. bulbosum höstkorn/vårkorn Hybrid korsas med korn Perenn vild kornsläkting barley - Hordeum bulbosum (”knylkorn”) Introgressions-linjer (ILs) med Hordeum bulbosum segment Houben and Pickering, 2009 Utvärdering av ILs mellan Hordeum bulbosum och korn Egenskaper: - Perenna: återtillväxt 2:a året - Agronomiska: avkastning - Icke-domesticerade: drösning - Fysiologiska: vernalisering/köldvila - Näringsinnehåll: protein Lovande ILs korsas för ”sammanslagning” av olika bulbosum segment för ökad perennialitet hos avkommeplantor Strategi II. - Domesticering av perenna vilda släktingar Hordeum bulbosum H. euclaston H. capense 4x 2x Modifierad från von Bothmer (1995) Strategi II. - Domesticering av perenna vilda släktingar Vilda egenskaper H. euclaston H. capense btr1, btr2 (”brittle”) - kromosom 3 - korsbefruktare - osynkroniserad blomning - anpassad till annan dagslängd perenna: - stark vegetativ tillväxt - färre frön Stragegi I. - Hybridisering mellan vild perenn och domesticerad annuell Shuwen Wang - Brödvete (6x, 42 krom.) x Thinopyrum elongatum (2x, 14) (Triticum aestivum) Perenna vetehybrider (Thinopyrum spp. x wheat) - Brödvete (6x) x Th. intermedium (6x, 42) - Brödvete (6x) x Th. ponticum (10x, 70) - Durumvete (4X, 28) x (T. turgidum ssp. durum) Th. intermedium (6x) Utvärdering av hybrider mellan vete och Thinopyrum Genotyp och miljö samspel: - fältförsök i olika jordar i Sverige - ..och olika platser i världen (Australien, Italien, Kanada, Kina, USA, Sverige) Egenskaper: - Perenna: återtillväxt 2:a året - Agronomiska: avkastning - Icke-domesticerade: drösning - Fysiologiska: vernalisering/köldvila - Näringsinnehåll - Resistens: svampsjukdomar fortsatta korsningar, selektion Shuwen Wang - Brödvete (6x, 42 krom.) x Thinopyrum elongatum (2x, 14) (Triticum aestivum) - Brödvete (6x) x Th. intermedium (6x, 42) - Brödvete (6x) x Th. ponticum (10x, 70) - Durumvete (4X, 28) x (T. turgidum ssp. durum) AABBXX (6x) eller AABBDDXX (8x) Th. intermedium (6x) Strategi II. - Domesticering av perenna vilda släktingar Genotyp och miljö samspel: - fältförsök i olika jordar Lee DeHaan hybrid hybrid Kernza (”wheatgrass”) Thinopyrum intermedium Kernza Andra potentiella perenna sädesslag 3 regioner i genomet för perennialitet homologa med vilda perenna ris- och sorghum-släktingar Westerbergh & Doebley - TAG 2004 Stan Cox Vilda gräs ger perenna sädesslag – en utveckling mot hållbara och klimatsmarta odlingssystem? - Anpassade till förändringar i klimat och väder Ökad kolinlagring Mindre näringsläckage och utsläpp av växthusgaser Minskad störning på de ”goda” mirkroorganismerna (bakterier och mikrosvampar) i jorden - Minskade energikostnader och användning av fossila bränslen Perenn vild kornsläkting Hordeum bulbosum Perenna vetehybrider (Thinopyrum spp. x wheat) Kernza (”wheatgrass”) Thinopyrum intermedium Vilda gräs ger perenna sädesslag – en utveckling mot hållbara och klimatsmarta odlingssystem? Ylva & Kjell Sjelin - Anpassade till förändringar i klimat och väder? Tack till - Ökad kolinlagring AgResource, SLU - Mindre näringsläckage och utsläpp av växthusgaser Kollegor inom och utanför SLU, Land Institute, KS, USA -Formas Minskad störning på de ”goda” mirkroorganismerna – Lantmännen: ”Effektiva och hållbara produktionssystem”, (bakterier och mikrosvampar) i jorden Formas: Ekologisk produktion och konsumtion - Minskade energikostnader och användning av SLU fossila bränslen ...och Alla Er här idag Perenn vild kornsläkting Hordeum bulbosum Perenna vetehybrider (Thinopyrum spp. x wheat) Kernza (”wheatgrass”) Thinopyrum intermedium ”Så blev och blir vilda växter till odlade grödor” Lokal förädling (småbönder) Samlare tid Domesticering <12 000 år sedan Deltagande förädling För-förädling & Systematisk förädling <200 år sedan Identifiering och nyttjande av vilda egenskaper och gener Wheat För-förädling Egenskaper som gått förlorade under evolutionen av våra grödor: - Tolerans mot abiotisk stress (värme, kyla, torka, vattenmättnad) - Resistens/tolerans mot biotisk stress (patogener, skadedjur) - Kvalitetsegenskaper (näringsinnehåll, smak) - Perenn livsform Domesticering av våra grödor Bördiga halvmånen i Mellanöstern 10 000 -12 000 5000 8 000 – 10 000 6 000 – 9 000 Domesticering av våra grödor 10 000 -12 000 5000 8 000 – 10 000 6 000 – 9 000 Ursprung – ”enkelt eller multipelt” havre majs, kakao, bomull (4x), bönor, chilepeppar, squash solros, blåbär potatis, sötpotatis, kassava, Phaseolus bönor quinoa, jordnöt, bomull (4x), chilepeppar, squash vete, korn, ris (japonica), råg, ärtor, sallad, kål hampa, linser, lin sojböna, te bomull (2x) ris (indica) sorghum, hirs, taro, banan, afrikanskt ris, mango, melon, kaffe kokosnöt Tidig spridning havre majs, kakao, bomull (4x), bönor, chilepeppar, squash solros, blåbär potatis, sötpotatis, kassava, Phaseolus bönor quinoa, jordnöt, bomull (4x), chilepeppar, squash vete, korn, ris, hampa, råg, ärtor, sallad, kål sojböna, te linser, lin bomull (2x) ris (indica) sorghum, hirs, afrikanskt ris, taro, banan, melon, kaffe mango, kokosnöt Gemensamma morfologiska förändringar - domesticeringssyndromet Wheat Barley Ingen fröspridning Större frukter, sädeskorn och rotknölar Förändring av blomställning Gemensamma morfologiska förändringar Barley Apical dominans Gemensamma morfologiska förändringar Barley Från perenn till annuell livsform majs korn Gemensamma fysiologiska förändringar - ingen frövila - självpollinering - synkroniserad blomning - blomning och fröproduktion anpassad till dagslängden kortdagsväxter i tropikerna, långdagsväxter i tempererade områden Minskning av genetisk diversitet - flaskhalseffekten Sällsynta alleler Vilda släktingar domesticering spridning förädling gröda Enstaka genetiska förändringar som ett resultat av domesticeringen Förändring av blomställning till kompakt kålhuvud Större frukter fw2.2 boCal Ingen fröspridning Btr1, Btr2 Apical dominans tb1 Review: Doebey et al. (2006) in Cell 127: 1309-1321 Medan andra morfologiska förändringar orsakas av förändringar Barley i ett flertal gener…. Från perenn till annuell livsform Westerbergh and Doebley - TAG 2004 Genetiska skillnader mellan annuella och perenna släktingar till majs (teosinte) Westerbergh & Doebley - Evolution 2002 Westerbergh & Doebley - TAG 2004 Lauter, Gustus, Westerbergh & Doebley - Genetics 2004 Genetiska skillnader mellan annuella och perenna släktingar till majs Chr 1 — BNL5.62 Chr 2 Chr 4 Chr 5 NPI239 — BNL8.45 — UMC53 — UMC32 —UMC123a — — BNL8.33 BNL6.25 —BNL7.49c — UMC121 — PHI20-0725 — UMC90 — UMC6 — PHI20-0042a — BNL5.46 — UMC157 — UMC11 Chr 3 — NPI386 — UMC27a — UMC92 — UMC134 NPI18 — — UMC42a — UMC156 — UMC83b Quantitative trait loci (QTL) som kontrollerar perenn livsform hos teosinte — UMC42b — NPI114b — UMC29 — UMC18a — BNL7.71 — BNL5.59 — UMC2b UMC19 — —UMC104a — UMC127 — UMC5a — UMC23a — PHI20-0005 — UMC60 — UMC15 — NPI412 — UMC83a — UMC27b — TB1 — UMC122 — UMC111 — UMC36 — UMC54 — UMC16 — UMC108 — NPI581a — NPI425a — BNL6.32 —UMC104b — UMC2a Chr 6 — BNL6.29 Chr 7 — PHI20-0581a Chr 8 — NPI114a — UMC59 Chr 9 PHI10-0005 — — UMC113a UMC81 Chr 10 — BNL3.04 —BNL15.40 — BNL9.11 — UMC65 —UMC113b — UMC21 — UMC46 — UMC95 —BNL7.49b — UMC5b — UMC130 — UMC18b — UMC49b — UMC64 —PHI20-0042b — UMC110 — BNL9.44 — UMC38 — BNL5.09 —BNL14.28 = Ortologa regioner hos ris och sorghum — UMC94b —BNL14.07 — UMC132 — UMC62 UMC91 — — UMC35 Maximum-likelihood position for QTL 1-LOD likelihood interval for traits: LO-TL RHIZ TH-RO EL-ST NO-SB NO-TL WT-ST SL-TL 2-LOD likelihood interval —BNL10.13 — UMC12a — NPI425b — UMC16b — UMC117 — UMC7a —BNL7.49a Scale 10 cM Westerbergh and Doebley - TAG 2004 Vilda växter för anpassning till klimatförändringar Resistens mot vetedvärgvirus hos vilda vetesläktingar Nygren, Shad, Kvarnheden, Westerbergh - PLOS ONE 2014 Jim Nygren Tolerans mott torkstress Vildkorn - kornets anfader - Hordeum spontaneum Bedada, Westerbergh et al. - Heredity 2014 Girma Bedada Bedada, Westerbergh et al.- BMC Genomics 2014 Vattenmättnadstolerans Kjell & Ylva Sjelins gård, Vattholma, Uppsala Vattenmättnad Icke-vattenmättnad Variation i respons Kornsorter Vildkorn enstaka icke-vattenmättnad vattenmättnad många flesta icke-vattenmättnad vattenmättnad Norrländsk kornsort Sameri, Lerceteau-Köhler, Gyllenstrand, Westerbergh (2014) Sökandet efter QTLs för vattenmättnadstolerans Kornsort Vildkorn X 1:a avkommegenerationen (F1) 2:a avkommegenerationen (dubbla haploider) Sökandet efter QTLs för vattenmättnadstolerans 1H 2H 0.0 0.5 2.7 15.2 favorable genes from wild barley fr-TN_R3a fr-LN_R2c fr-%GL_R3d fr-%GL_R2b 22.9 25.7 26.2 28.4 28.9 29.4 29.9 30.4 30.9 31.4 32.5 33.6 35.8 37.5 38.0 39.1 39.6 40.1 40.6 41.1 43.9 44.4 47.2 48.3 50.5 51.0 52.1 52.6 54.8 56.5 57.6 59.8 62.0 63.1 66.6 67.7 f-%GL_R3a 2 2 2 2 17.7 18.8 g-SDW_R3b 2 2 2 fr-%GL_R3c 2 fr-LN_R2b 2 2 19.3 19.8 20.3 20.8 21.3 21.8 22.3 24.0 25.7 26.2 26.7 27.2 28.3 28.8 31.0 31.5 32.0 32.5 33.0 33.5 37.0 40.5 41.6 45.1 46.8 47.3 49.0 50.1 51.8 52.3 53.4 53.9 54.4 56.6 57.1 59.3 60.4 60.9 61.4 62.5 65.3 69.4 69.9 74.0 g-LN_R2a 2 2 2 2 2 13.5 14.6 fr-%GL_R3a 73.1 74.2 74.7 fr-GRN_R15a 66.4 66.9 67.4 68.5 69.0 2 9.8 10.9 11.4 11.9 13.0 11.3 fr-%GL_R2a 40.1 41.8 43.5 45.7 48.5 49.0 49.5 50.6 51.7 53.4 55.6 56.1 56.6 57.1 2 g-%GL_R1b 23.7 24.2 27.0 27.5 29.7 31.9 32.4 34.1 34.6 35.7 36.8 37.3 2 5.2 6.3 6.1 7.8 g-LN_R1b 20.2 2 2 0.0 1.7 fr-%GL_R3b 18.0 2 2 2 g-%GL_R2a 11.7 61.8 62.3 0.0 0.5 2.2 3.3 0.0 0.5 4.0 6.8 8.5 9.0 12.5 16.6 17.1 17.6 19.3 19.8 23.9 24.4 24.9 27.1 28.2 29.3 30.4 30.9 31.4 31.9 33.0 33.5 34.0 34.5 36.7 37.2 37.7 38.2 38.7 41.5 43.7 46.5 47.0 47.5 48.0 49.1 50.8 51.9 53.6 55.3 57.0 57.5 58.0 60.2 60.7 62.9 63.4 65.1 65.6 66.1 67.2 67.7 69.4 71.1 72.2 73.3 73.8 75.5 77.2 78.3 78.8 82.9 Chrom 4H 3H 76.8 77.3 2 2 79.5 81.7 2 Sameri, Lerceteau-Köhler, Gyllenstrand, Westerbergh (2014) Greenhouse - % green leaves Greenhouse - leaf number Greenhouse – shoot dry weight Field recovery - grain number Field recovery - % green leaves Field recovery - leaf number Field recovery- tiller number Field seedling - % green leaves Utveckling av robusta perenna sädesslag för anpassning till klimatförändringar X H. bulbosum höstkorn Introgressions-linjer med Hordeum bulbosum segment Perennial wild barley Hordeum bulbosum Johnston et al. 2009 Houben and Pickering, 2009 Swedish University of Agricultural Sciences perennial barley and perennial wheat Modifierad från http://www.csu.edu.au/research/grahamcentre/conferences_workshops/perennial_grains/pdfs/13%20Fengyi%20Hu.pdf Ökad kunskap om böndernas kassavaodling genom att kombinera molekylära genetiska markörer och intervjuer med bönderna Böndernas önskemål? Odling av lokalasorter? Adoption of nya förädlade sorter? Westerbergh, Hoang, Tran, Ngo, Le, Vu, Lundquist, - Proceeding of the Agricultural Research for Development Conference: Innovations and Incentives, Uppsala, Sweden 2012 Kizito, Rönnberg-Wästljung, Egwang, Gullberg, Fregene,Westerbergh - Hereditas 2007 Kizito, Chiwona-Karltun, Egwang, Fregene,Westerbergh - Genetica 2006 Kizito, Bua, Fregene, Egwang, Gullberg, Westerbergh - Euphytica 2005 Interdiciplinär forskning Intervjuer Fältobservationer • namn på odlade sorter • urprung • morfologisk beskrivning • ändamål – föda, foder, stärkelse, biobränsle • önskade egenskaper • odlingsmetoder Molekylära markörer – genetisk ”bar code” – genetisk diver För-förädling växtförädling Utveckling av nya sorter med förbättrade egenskaper som högre avkastning, högre näringsinnehåll, resistens mot sjukdomar och insekter, bättre anpassade till klimatförändringar etc. Modern växtförädling – använder sig av molekylära genetiska metoder (markör-baserad Korsning av utvalda genotyper selektion), eller transformering (insättning av enstaka gener) eller modifiering av gener Selektion av avkommeplantor med önskvärda egenskaper baserat på både fenotypisk utvärdering (fältförsök) och genetiska markörer ”On-farm testing” Ny sort på marknaden Traditionell förädling Kassava-mosaik-virus X Korsning av utvalda genotyper friska sjuka/infekterade Selektion av avkommeplantor med önskvärda egenskaper baserat på fenotypisk utvärdering (fältförsök) Markör-baserad selektion Hypotetisk genetisk markör: CTGACCTAA X Korsning av utvalda genotyper Genetisk markör: CTGACCTAA - Även multipla markörer ATTGACCTAA Selektion av avkommeplantor med önskvärda egenskaper baserat på både fenotypisk utvärdering (fältförsök) och genetiska markörer Genetisk modifiering En gen - CTGACCTAA ATTGACCTAA - -Modifiering av gener - -Transformering/insättning av enstaka gener, t.ex -Bt-grödor (Bacillus thurengiensis) – insektsresistens -Roundup-ready-grödor(bakterie) resistens mot ogräsbekämpningsmedel -”Golden rice” (påsklilja+bakterie), betakaroten -Bladmögeltolerans hos potatis (vild släkting) CTGACCTAA Korsning av modifierade genotyper/fenotyper