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
Anna.Westerbergh@slu.se
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