Etablering af krydsningspopulationer i hvede
Landbruget er især i de sidste årtier biologisk set blevet meget homogent. Planter forsynes med optimale mængder af næringsstoffer og vand. Ukrudt, sygdomme og skadedyr bekæmpes, når det er økonomisk rentabelt. På den måde er forskellene mellem egnene og mellem markerne blevet små. Forædling af plantesorter foregår hos forædlingsfirmaer, der naturligt nok forædler under de samme dyrkningsforhold, som hovedparten af afgrøderne vil blive udsat for i praksis.
Økologisk landbrug adskiller sig fra konventionelt landbrug blandt andet ved, at der er langt større forskelle i dyrkningsvilkårene mellem bedrifter og mellem marker. Også et stigende antal af naturbeskyttelsesområder i agerlandet, hvor der af miljømæssige årsager lægges begrænsninger på gødnings- og pesticidanvendelsen gør, at der er et stigende landbrugsareal, der adskiller sig fra de generelle dyrkningsvilkår. Især gødningsniveauet, men også ukrudtstrykket svinger meget mellem de økologiske bedrifter og i miljøvenligt jordbrug, og det er derfor ikke den samme sort, der er mest velegnet til alle vilkår. Imidlertid er disse bedriftstyper arealmæssigt små set med en planteforædlers øjne, og der bliver derfor stort set ikke forædlet sorter specielt til økologisk eller miljøvenligt jordbrug, og selv om der gjorde, ville der ikke blot skulle forædles én sort, men mange forskellige sorter af hver art, fordi der er så stor forskel mellem eksempelvis de økologisk bedrifter.
I gamle dage anvendte bønderne landsorter. Landsorter er uforædlede plantepopulationer, som er karakterisseret ved at være meget genetisk variable. Ikke to planter er ens, og ved naturlig udvælgelse vil de bedst tilpassede planter formere sig mere end de mindre tilpassede. På den måde vil landsorterne med tiden tilpasse sig dyrkningsvilkårene på den enkelte bedrift eller egn. I løbet af industrialiseringen af landbruget blev dyrkningsvilkårerne mere ensartede, og det banede vejen for de renliniede sorter, hvor alle planter inden for en sort af selvbestøvende planter er homozygoter og genetisk fuldstændig ens. I en sådan sort vil der ikke være nogen tilpasning af betydning til dyrkningsvilkårene på den enkelte bedrift, og landmanden fratages dermed muligheden for at tilpasse og forædle sorten efter egne mål og vilkår. Hele 80% af landbruget dyrkes med bare 5 nært beslægtede sorter, som har et udbredelsesområde fra Sydsverige til Sydtyskland. Korn dyrkes på over halvdelen af landbrugsarealet, og dækker dermed over en tredjedel af Danmarks overfladeareal. Der er altså tale om en helt ekstrem genetisk indskrænkning med vidtstrakte konsekvenser for den samlede biodiversitet.
Verden står overfor udsigten til et klima, der forandrer sig hurtigere end tidligere. I en sådan situation må det forventes, at nye sygdomme og andre problemer vil blive relevante for jordbruget, og at ændringerne risikerer at ske i en hast, hvor planteforædlingen og implementeringen af nye sorter vil have vanskeligt ved at følge med udviklingen. Jordbruget risikerer derfor at opleve et forøget behov for anvendelse af plantebeskyttelsesmidler, en udvikling, som miljøpolitisk er uønsket.
Strategien med at forædle rene sorter har derfor økonomiske set været god til et homogent konventionelt landbrug i et stabilt klima, så én sort passede til de fleste forhold, men strategien er ikke optimal til et landbrug under klimatiske forandringer og til økologiske dyrkningssystemer, der adskiller sig fra de dyrkningsforhold, hvorunder sorterne er forædlet eksempelvis med hensyn til tilgængeligheden af næringsstoffer eller særlige sygdomme. Også det konventionelle landbrug står dermed muligvis overfor en situation, hvor det ikke længere er sikkert, at anvendelsen af renliniede sorter på længere sigt vil være optimal.
Forsøg i England, Tyskland og Ungarn har vist, at man kan opnå mere stabile udbytter og samtidig bevare en god bageevne i vinterhvede ved anvendelse af CCP. CCP betyder Composite Cross Population. Der er desværre endnu ikke enighed om en god dansk betegnelse for begrebet, men i denne ansøgning vil vi bruge betegnelsen krydsningspopulation. En krydsningspopulation er en population, som er dannet ved krydsninger mellem en række forskellige sorter med henblik på at opnå den størst mulige genetiske variation. Man får altså som udgangspunkt en samling planter, der alle er genetisk forskellige, men som nedstammer fra generelt højtydende kvalitetssorter. Ved at udså en krydsningspopulation på et areal, og anvende egen udsæd, opstår der en selektion af de planter i populationen, der er bedst tilpasset de vilkår, der tilbydes på arealet. Samtidigt vil der i de første år være en krydsningsfrodighed, som i sig selv giver en udbyttefremgang. I England har man på Elm Farm Research Center lavet to forskellige krydsningspopulationer af afkom efter hver 12 forskellige engelske vinterhveder, som blev dyrket i sammenligning med forældrene på 4 forskellige lokaliteter. I alle tilfælde gav krydsningspopulationen et højere udbytte og en bedre bageevne end gennemsnittet af forældre-sorterne. En af de engelske krydsningspopulationer blev dyrket i Ungarn, der har et helt anderledes klima, og derfor ikke egner sig til de engelske sorter, som indgik i krydsningspopulationen. I det første år frøs hovedparten af planterne bort i den strenge østeuropæiske vinter, og kun de vinterfaste planter overlevede og og gav afkom til næste års udsæd. Allerede året efter gav krydsningspopulationen et højere udbytte end et udvalg af de lokale ungarske sorter. Alle planter af de rene engelske sorter, der var med i sammenligningen, frøs bort, og da der ikke er nogen genetisk variation i de renliniede sorter var resultatet det samme næste år. Dette viser, at man med krydsningspopulationer har en mulighed for at skaffe sig såsæd, der kan tilpasses til dyrkningsvilkår under forandring, hvilket ikke kan lade sig gøre med rene sorter.
Forsøg på Kassel Universitet i Tyskland har vist, at anvendelsen af krydsningspopulationer i flere år i træk på 4 forskellige lokaliteter med generelt højt smittetryk har kunnet reducere forkomsten af rustsygdomme i hvede til et ubetydeligt niveau. Dette skyldes ifølge forskerne en kombination af krydsningspopulationernes tilpasningsevne kombineret med populationens genetiske diversitet. I en ren sort vil patogenet blive selekteret for virulente stammer, og de fleste resistensgener vil derfor med tiden blive ”nedbrudt” eller have moderat effekt. I en krydsningspopulation vil forekomsten af mange forskelige resistensgener, som hver for sig giver utilstrækkelig beskyttelse i en ren sort, men som i kombination kunne give populationen tilstrækkelig beskyttelse, fordi patogenet ikke vil blive selekteret for virulens mod et enkelt resistensgen.
Dyrkningsegenskaber
I en population af planter med genetisk diversitet, vil høje planter have en konkurrencemæssig fordel, og vil derfor blive forøget mere i populationen en lavere planter. Af denne grund er gamle landsorter af korn altid relativt høje, og en rugsort vil uden systematisk vedligeholdelse også blive højere og højere år for år indtil den bliver så høj, at den vælter, fordi rug i modsætning til hvede er fremmedbestøver og derfor har genetisk variation mellem planterne. Det samme forventes at ske i en krydsningspopulation. Høje planter er en fordel af hensyn til ukrudtskonkurrence, men ved højt gødningsniveau vil det medføre forøget risiko for lejesæd. I projektet vil denne dynamik blive undersøgt, at det vil blive undersøgt, hvordan man i en populationsforædling kan styre plantehøjden i en population for at undgå lejesæd.
Produktkvalitet
Der er en sammenhæng mellem protein-indhold i hvede og bagekvalitet. Proteinindholdet i en enkelt kerne kan svinge fra toppen af akset til bunden af det samme aks, og fra plante til plante afhængig af gødningsniveauet i jorden og adgangen til lys, vand m.v., men samtidig vil en del af proteinindholdet skyldes genetiske forskelle mellem planterne.
I en population med genetisk variation vil planter, der giver mange små frø have en konkurrencemæssig fordel frem for planter, der giver få store frø. Alt andet lige vil en population derfor udvikle sig på en måde, så kernerne bliver mindre og mindre år for år, indtil kernerne bliver så små, at de spirer langsommere end de andre frø i populationen. I hvede er det generelt sådan, at små kerner har et højere protein-indhold og dermed en bedre bageevne end store kerner. Til gengæld vil klidandelen i melet være højere jo mindre kernerne er, og dermed vil meludbyttet af sigtet mel falde.
I projektet vil denne dynamik med henblik på kernestørrelse og bagekvalitet blive undersøgt, og der vil blive undersøgt metoder til, hvordan man med ny teknologi i planteforædlingen kan styre udviklingen af kernestørrelse, hektolitervægt og proteinindhold i en population afhængig af de individuelle mål han har med hensyn til anvendelse og markedskrav.
Sygdomsresistens
Hvedens stinkbrand (Tilleria tritici syn. T. caries) er den værste sygdom, der angriber hveden. En angreben plante vil som hovedregel ikke give noget kerneudbytte, men vil i stedet udvikle teliosporer i frugtknuden. Sporerne udskiller trimethylamin, og under tærskningen spredes sporerne til de raske kerner, og trimethylamin giver dermed også de raske kerner en karakteristisk stank af rådne fisk. I konventionelt jordbrug bekæmpes stinkbrand med bejdsemidler, og over 90% af al såsæd af hvede bejdses i Danmark primært af hensyn til denne sygdom. I økologisk jordbrug bejdses kornet ikke, og her er stinkbrand den hyppigste årsag til kassation af økologisk såsæd. Stinkbrand er hovedårsagen til, næsten ingen økologiske landmænd anvender egen såsæd i hvede i mere end et enkelt år, hvilket er en forudsætning for at kunne lave økologisk planteforædling.
På denne baggrund vil jeg anstille et forsøg med krydsningspopulationer. Da et sådant system ikke vil kunne lade sig praktisere i hvede uden kontrol af hvedens stinkbrand vil denne sygdom blive brugt som modelsygdom, så krydsningen tager sigte på at udvikle en krydsningspopulation, der sikrer hveden mod angreb af hvedens stinkbrand. Hvedens stinkbrand vil også blive brugt som modelsygdom for krydsningspopulationers evne til at tilpasse sig et konkret patogen. Endvidere vil der blive arbejdet med metoder til at vedligeholde og forbedre populationens dyrkningsegenskaber og produktkvalitet.
Projektets indhold
Projektet kan beskrives ved opdeling i arbejdspakker:
Arbejdspakke 1) Etablering af F1. Krydsning af hvedesorter.
Formålet med Arbejdspakke 1) er at gennemføre de krydsninger, der er en nødvendig forudsætning for at kunne gennemføre projektet. Hvedesorter, der i andre forsøg har udvist modstandskraft mod hvedens stinkbrand vil blive krydset med hinanden, og afkommet vil danne basis for etableringen af en krydsningspopulation.
Der er i tidligere forsøg fundet sorter, der har lav modtagelighed for hvedens stinkbrand. 30 af disse sorter vil blive udvalgt som forældresorter til krydsningsprogrammet. Der vil blive etableret 30 parceller i marken, hvor alle sorter er repræsenteret med mindst én plante i hver parcel. I hver parcel vil én sort blive emaskuleret (få fjernet pollenkornen, og på den måde tvinge den ellers selvbestøvende plante til krydsbestøvning). Planten vil på den måde blive bestøvet med pollen fra andre sorter. Alle sorterne vil blive emaskuleret i hver én parcel, så der opnås sikkerhed for, at alle sorter optræder som moderplanter. Samtidig vil det gøres sandsynligt, at hovedparten af sorterne vil være pollendoner til flere af de andre sorter i parcellerne. Der opnås altså ikke sikkerhed for, at alle sorter vil blive krydset med alle sorter. Dette ville kræve emaskulering og paarvis krydsning af 30*29=870 planter, hvilket arbejdsmæssigt ville være helt uoverkommeligt. Med den valgte metode kan man med blot 30 emaskuleringer opnå næsten samme grad af genetisk diversitet i afkomstpopulationen.
Parcellerne vil blive etableret i efteråret 2007, og den færdige F1-generation forventes således at være færdig til høst i efteråret 2008.
Der er i denne arbejdspakke budgetteret med 4 timers arbejde for hver krydsning inklusive såning, høst rensning m.v. Endvidere vil der være en del arbejde med at identificere og fremskaffe de relevante forældresorter med de rette resistensgener. Disse skaffes fra genbanker eller fra forædlere og forskere, som i visse tilfælde har sorter på lager.
Arbejdspakke 2) Sammensætning af F2. Opformering.
Frø fra moderplanterne af de 30 sorter vil blive opformeret i et år og dyrket adskilt inden de sammensættes til den endelige krydsningspopulation. Der skal således dyrkes 30 adskilte småparceller, som skal sås, høstes, tærskes og renses med hånd.
Formålet med Arbejdspakke 3) er at påbegynde den del af projektet, hvor der udvikles og anvises metoder, der kan vedligeholde og forædle populationen med henblik på sygdomsresistens, bageegenskaber og plantehøjde.
Hvert år fra F3 og frem vil såsæden til et areal på 25 m2 blive kunstigt inokuleret med vitale svampesporer af stinkbrand. Svampesporerne vil blive påført såsæden i et forhold svarende til 2g sporer per kg (~1,7 mill sporer per gram), hvilket erfaringsmæssigt sikrer at 20-50% af de modtagelige planter inficeres. Modtagelige planter vil således ikke opformeres så meget som planter med specifik eller uspecifik resistens, og med tiden vil populationen som helhed opnå en større grad af modstandsdygtighed.
Forekomsten af stinkbrand vil blive registreret ved optælling af frekvensen af inficerede aks. Forekomsten af stinkbrand vil være forskellig fra år til år, både på grund af den forventede stigende resistens i populationen, men også på grund af de klimatiske variationer fra år til år. Hvert år vil der derfor blive taget en prøve af såsæden fra, som gemmes. I projektets sidste vækstsæson 2011-12 vil der blive gennemført en sammenlignende dyrkning, hvor alle generationerne af krydsningspopulationen vil blive dyrket i et sammenlignende forsøg under samme vilkår.
En referencepopulation vil blive dyrket hvert år uden infektion af stinkbrand, og dermed uden selektionspres. En prøve af referencepopulationen vil hvert år blive taget fra og dyrket med kunstig inokulation. Denne vil tjene til at analysere resistensdynamikken i populationen ved sammenligning af stinkbrandforekomsten i de to populationer.
Hvor det er muligt, vil forældresorterne blive udvalgt efter bageegenskaberne. Udviklingen af bageegenskaberne vil sammen med udbyttet blive fulgt hvert år.
Fra F3 generationen vil såsæden blive sorteret efter størrelse, vægtfylde og protein-indhold. Størrelsessortering og vægtfylde-sortering vil blive foretaget på standard renserimaskiner. Proteinsortering vil blive foretaget på et BoMill TriQ apparat, som er et specialudstyr, der nyudviklet i et EU-projekt. Udstyret har mulighed for at sortere enkeltkerne på baggrund af deres proteinindhold målt med NIR (Near Infrared Reflection). Sorteringerne vil blive foretaget som løn-rensning, og der indkøbes således ikke udstyr i projektet.
Da populationen har en meget stor genetisk diversitet, vil en gentagen sortering efter protein-indhold fra år til år øge proteinindholdet i populationen, og i projektet vil det blive vurderet, hvor meget det er muligt med denne nye avancerede teknik at forøge protein-indholdet i en plantepopulation. I projektet vil der blive dyrket både høj-proteinholdige populationer, som hvert år forsøges forbedret med hensyn til bageegenskaber, og lav-proteinholdige populationer, som hvert år efter planen skulle have faldende proteinindhold, og dermed have de bedste maltningsegenskaber. Et sådan forsøg er aldrig før gennemført.
Det vil blive foretaget selektiv høst på baggrund af plantehøjde, således at der etableres høje populationer, som hvert år forøges i plantehøjde, og lave populationer, som hvert år gøres lavere med selektion. Det vil blive undersøgt, om der er samspil mellem populationer med forskellig plantehøjde, og deres bagekvalitet og sygdomsresistens.
Bageegenskaberne vil blive vurderet ud fra standard NIT-analyser og ved prøvebagninger fra år 4, hvor populationerne er store nok til, at der kan tages prøver fra den.
Denne arbejdspakke starter først i efteråret 2009 og løber til 2012.
Arbejdspakke 4) Projektstyring og teoretisk arbejde
Formålet med Arbejdspakke 4) er at gennemføre de nødvendige dele af projektet, som ikke falder ind under de øvrige beskrevne arbejdspakker.
Forsøgene vil blive fremvist for besøgene på markvandringer, og der vil blive publiceret artikler om projektet både i danske og internationale faglige medier.
For at sikre, at arbejdet gennemføres på kvalificeret grundlag, vil projektet holde kontakt med forskergrupper i andre lande, som arbejder med krydsningspopulationer. I England (Martin Wolfe, Elm Farm Research Center), Ungarn (Géza Kocacs, Agricultural Research Inst.), Tyskland (Maria Finck, Universität Kassel), Letland (Linda Legzdina) og Frankrig (Isabelle Goldringer, INRA) arbejdes der på forskelligt niveau med krydsninsgpopulationer i forhold til andre sygdomme og problemstillinger, og projektet til holde kontakt med disse projekter med henblik på at udveksle erfaringer og udsæd. Litteratur om emnet vil blive gennemgået.
Side