MOŽNOSTI VYUŽITÍ BIOTECHNOLOGICKÝCH METOD V LESNÍM HOSPODÁŘSTVÍ
RNDr. Jana Malá, CSc., RNDr. Petr Šíma, CSc. - Oddělení biotechnologie lesních dřevin, VÚLHM Jíloviště-Strnady
Oddělení biotechnologie lesních dřevin VÚLHM studuje problematiku množení vybraných lesních dřevin biotechnologickými postupy, zejména těch druhů a jejich regionálních a dílčích populací, které jsou ohroženy, nebo které se nedaří z jakýchkoliv příčin v dostatečné míře generativně reprodukovat. Výsadbový materiál získaný těmito postupy a dopěstovaný v dostatečném množství je k dispozici pro pracoviště, která se zabývají množením pro praktické účely lesního provozu, ve specifických případech může být poskytnut přímo vlastníkům lesa. Pro vlastníky lesa je rozhodující především jakost výsadbového materiálu vypěstovaného in vitro. Genetická kvalita tohoto materiálu je zaručena využitím materiálu pro mikropropagaci z výběrových nebo šlechtitelských stromů, které se vyznačují cennými fenotypovými znaky, a dodržením vhodného počtu klonů při přípravě syntetické populace. Zárukou morfologické kvality výpěstků je dodržení technologických postupů při dopěstování sazenic.
Lesy zaujímají 33,4 % plochy České republiky a tvoří tak významnou složku naší přírody. Udržení ekologické i vhodné druhové rovnováhy lesa závisí nejen na přírodních faktorech, ale i na způsobu obhospodařování. Ztráty způsobené ať již v důsledku přírodních kalamit (velkoplošné polomy, eroze), hmyzem a zvěří, nebo činností člověka (imise), postihují více než třetinu porostů do věku 50 let. V r. 1993 přijaly všechny evropské státy “Obecné zásady trvale udržitelného hospodaření v lesích Evropy”. V rezoluci H-1 je přímo zahrnuto: “...správa a využívání lesů a lesní půdy takovým způsobem a v takovém rozsahu, aby se zachovala jejich biodiverzita, produkční schopnost a regenerační kapacita, vitalita a schopnost plnit v současnosti i budoucnosti odpovídající ekologické, ekonomické a sociální funkce”. V r. 1994 odpovídá Ministerstvo zemědělství ČR na tuto výzvu vydáním “Základních principů státní lesnické politiky”, v nichž jsou mimo jiné uvedeny tyto strategické cíle: “obnovení a udržení stabilních lesních ekosystémů a zachování lesa jako trvale obnovitelného přírodního zdroje ve prospěch příštích generací”.
Obnovu lesa musí mít na paměti každý hospodář a vlastník lesa při jakémkoliv rozhodování o nakládání s lesem a při jeho využívání. Jedním z významných rozhodnutí při zabezpečování záměrů přijatých jak mezinárodně, tak stanovených vnitrostátní lesnickou politikou je “záchrana a reprodukce genofondu lesních dřevin a vytvoření optimální odpovídající druhové, věkové a prostorové struktury lesních porostů odpovídající stanovišti i cílům hospodaření”. K tomu jsou zapotřebí velká množství kvalitního reprodukčního materiálu, který je v současné době získáván převážně generativním množením. V případech, kdy jsou požadovány klony identické s donorovým jedincem (např. klonové archivy, semenné sady nebo klony vykazující speciální vlastnosti, které jsou výsledkem šlechtitelských postupů), je vhodné použít k získání sazenic explantáty vypěstované biotechnologickými postupy in vitro.
CO JSOU TO BIOTECHNOLOGIE
Na tomto místě je třeba blíže vysvětlit slovo “biotechnologie”. Obecně jsou pod tento pojem zahrnovány postupy, které využívají metabolismu (přeměny látek) živých organismů pro různé, především hospodářské účely. Z tohoto hlediska lze za jedny z nejstarších biotechnologií považovat kvasné procesy, které využívají vyšlechtěné mikroorganismy pro výrobu některých potravin a nápojů (sýry, víno, pivo). V užším slova smyslu se pod biotechnologiemi rozumí záměrný přenos genů významných z hlediska užitkových vlastností. Šlechtění kvasných mikroorganismů, hospodářských zvířat i užitkových plodin, včetně ovocných stromů metodami hybridizace a následného výběru nejproduktivnějších plemen, odrůd a sort, lze zařadit mezi biotechnologické postupy, i když doba přenosu vhodných genů pouhým sexuálním křížením trvala roky a někdy desítky let. Podstatou moderních biotechnologických postupů je rovněž záměrný přenos genů, tyto geny však nejsou přenášeny vertikálně z rodičů na potomstvo, ale horizontálně prostřednictvím vhodných molekulárních a mikrobiálních vektorů. Odrůdy nesoucí požadované vlastnosti, které jsou pak označovány jako transgenní, jsou selektovány genovým monitorováním.
Rozvoj moderních biotechnologií nastal až v době, kdy molekulární biologie a genetika nabídla postupy umožňující přenos genů kódujících požadované vlastnosti. Doposud největšího pokroku ve šlechtění nutričně významných plodin (rýže, sója, kukuřice, pšenice, brambory, cukrová třtina, řepka aj.) bylo dosaženo praktickým využitím biotechnologických postupů. V případě lesních dřevin jde především o užitkovost (růst, výtěžnost a kvalitu dřevní hmoty), schopnost odolávat abiotickým i biotickým faktorům (rezistence vůči imisím, suchu, přenosným chorobám a požeru hmyzem) a v neposlední řadě o využití pro obnovu lesa, detoxikaci půd, ekologickou a vodní rovnováhu a tvorbu krajiny.
Předpokládá se, že v blízké budoucnosti bude většina zemědělsky důležitých plodin pěstována jako transgenní. Hlavním důvodem pro to je minimalizace ztrát způsobených hlavně biologickými činiteli, ke kterým dochází jak při pěstování, tak při skladování, aby mohlo být zajištěno dostatečné množství potravin pro stále se zvyšující populaci zejména v zemích třetího světa. Transgenní rostliny je navíc možno obohatit geny kódujícími produkci nedostatkových vitamínů a jiných významných nutričních faktorů. Jako příklad úspěšně transformovaných hospodářsky významných plodin je možno zmínit již pěstované odrůdy rýže s vysokým obsahem vitamínu C nebo brambory obsahující lysozymy, které snižují jejich napadení houbovými chorobami na minimum. Některé odrůdy kukuřice a brambor nebo řepky se vyznačují novou kvalitou škrobu a olejnatých látek pro průmyslové využití. Jako další příklad využití genetické manipulace je možno zmínit biotechnologické farmy, které využívají rostlinné buňky a pletiva pro produkci farmakologických látek, které jsou jinak obtížně získatelné (sběry produkčních rostlin v přírodě) nebo je jejich průmyslová výroba drahá.
BIOTECHNOLOGIE V LESNÍM HOSPODÁŘSTVÍ
Na rozdíl od zemědělského výzkumu soustřeďujícího se stále intenzivněji na transgenní hospodářské plodiny, v lesnictví se tyto tendence doposud příliš neuplatňují. Přetrvávají koncepce zachovávat v co nejvyšší míře přirozenou biodiverzitu a v tomto smyslu provozovat tzv. přírodě blízké lesní hospodářství. V budoucnu však velké možnosti pro využití biotechnologií v lesnictví představuje získání transformovaných odrůd lesních stromů, které by měly např. zvýšenou schopnost vychytávat a neutralizovat škodliviny (těžké kovy, PCB, radioaktivní látky apod.) z půdy (bioremediace). Z tohoto hlediska bylo získáno nejvíce poznatků u rodů Malus, Pyrus, Prunus, Populus a Eucalyptus. Pro genetické transformace byly již připraveny a použity konstrukty nových významných genů, např. pro přenos rezistence na houbové onemocnění jabloní (Erwinia amylovora) způsobující vážné hospodářské ztráty.
Řeší se aktuální problematika šlechtění nových rezistentních plodin s cílem zmírnit následky nedostatečné výživy obyvatelstva přímo v aridních nebo salinizovaných oblastech, a v případě lesních stromů získat odrůdy, které by lépe odolávaly následkům devastujících tendencí, ať již geoklimatologického původu, nebo vzniklých činností člověka. Lze očekávat, že lesnické šlechtitelské programy budou v nejbližších letech využívat novinky molekulární biologie a genetiky pro objasnění úlohy genů specificky kódujících toleranci ke stresům obecně nebo řídících produkci vodu vázajících proteinů (Lea, dehydriny, COR, Osmotin, aj.) a dále proteinů uskutečňujících buněčný přenos signálu a regulujících tvorbu radikálů, stresových proteinů a transkripčních faktorů. Jako příklad je možné uvést již uskutečněnou experimentální modelovou identifikaci genu a izolaci jeho vysoce tepelně rezistentního proteinového produktu (BspA) u osiky.
V popředí celoevropských zájmů stojí v současné době problematika šlechtění odrůd lesních dřevin odolných k poškozujícím vlivům průmyslového i zemědělského znečištění a jejich sekundárním následkům - poškození hmyzem a infekčními chorobami. Realizaci těchto cílů pro středoevropský region sledují strategické koncepce, které jsou kooperativně vytvářeny s výzkumnými pracovišti zúčastněných států. Pro Českou republiku jsou z národohospodářského a celospolečenského hlediska rozhodující stabilizace ekologické rovnováhy (zachování původní druhové pestrosti lesa) v průmyslových oblastech a zlepšení narušeného životního prostředí zejména ve vysoce industrializovaných, urbanizovaných a dopravně zatížených aglomeracích. Rozsáhlost poškození původních lesních porostů je příčinou, že klasické šlechtitelské metody nestačí zabezpečit dostatečný sortiment sadebního materiálu ani pro jejich obnovu, ani pro záchranu nejvíce ohrožených druhů. To je důvod, aby se šlechtitelská pracoviště začala více orientovat na využívání biotechnologií. Výhledově jsou biotechnologie považovány za nejlevnější způsob, jak dosáhnout obnovy a zvýšení produkce lesních porostů s výjimkou oblastí, které jsou vhodné pro provozování přírodě blízkého lesního hospodářství. Návratnost vynaložených finančních prostředků přímo spočívá v urychlení obnovy lesních biocenóz a zvýšení produkce dřevní suroviny, a nepřímo ve snížení nákladů na vyrovnání negativních zdravotních a sociálních vlivů.
MNOŽENÍ LESNÍCH DŘEVIN IN VITRO
Výchozím zdrojovým materiálem pro biotechnologické postupy mikropropagace jsou původní populace lesních dřevin, jimiž se rozumí rostlinná společenství tvořící vyvážený biocenologický systém, v němž se druhy lesních dřevin obnovují přirozenou cestou. Množení lesních dřevin biotechnologickými postupy in vitro spočívá v indukci organogeneze nebo somatické embryogeneze z primárních explantátů a v následném dopěstování kompletních rostlin. Podstatou organogeneze jsou morfogenetické pochody probíhající při vytváření axilárních nebo adventivních pupenů. Při somatické embryogenezi se vlivem hormonálního působení na primární explantáty (nezralá nebo zralá embrya, anebo kotyledony) vytváří z jedné nebo více somatických buněk embryo, které se svými biochemickými a morfologickými vlastnostmi neliší od zygoticky vzniklého embrya. Předpokladem úspěšné organogeneze i somatické embryogeneze je zajištění vhodných kultivačních podmínek, chemického složení živného media, teploty, vlhkosti a světla. Neméně významně ovlivňují výsledný efekt této metody i nepřímé faktory, jako je doba sběru zdrojového materiálu, jeho stáří, fyziologický stav, skladování, povrchová sterilizace a preparace explantátů.
Problematika biotechnologií a jejich uplatnění v lesním šlechtitelství a při efektivním obhospodařování lesa se řeší ve VÚLHM v Jílovišti-Strnadech již od počátku 70. let. Pro praktické využití jsou metody explantátových kultur rozpracovány jak u listnatých dřevin, pro něž se osvědčila indukce organogeneze, tak u jehličnanů, pro které je vhodnou a velmi nadějnou metodou somatická embryogeneze. Zde je cílem somatické embryogeneze získat umělá semena, která by se dala používat jako generativní osivo.
Velkou výhodou těchto metod je možnost namnožení i dospělých stromů, případně celých populací, které jsou významné pro záchranu biodiverzity nebo představují cenné genotypy z hlediska šlechtitelského. Konkrétním příkladem využití biotechnologií je záchrana ohrožené populace jilmu habrolistého v přírodní lesní oblasti Polabí, kde se podařilo zachovat formou explantátových kultur přežívající jedince. Tato populace je nyní dostupná pro další šlechtitelské záměry, tj. zakládání klonových archivů, semenných sadů, ale i pro produkci sadebního materiálu. Stejným způsobem lze využít i syntetické populace dalších dřevin, které byly soustředěny v explantátové bance VÚLHM. Jedná se o dub letní, jilm horský, třešeň ptačí, lípu srdčitou, jabloň lesní, hrušeň polní, jeřáb břek, jeřáb oskeruše, jeřáb ptačí (z vyšších poloh Krkonoš a Šumavy), jeřáb sudetský, jeřáb krasový a jeřáb český.
Jak již bylo uvedeno, je jednou z výhod mikropropagace rychlé klonové namnožení žádaného genotypu. Příkladem tohoto využití je množení odolných jedinců osiky obecné z Krušných hor. Při dodržení zásady vysazovat dostatečný počet klonů (v případě náhradních a účelově použitých výsadeb nemusí být nijak vysoký) není důvod se obávat poklesu genetické variability.
Indukci organogeneze lze využít rovněž u jehličnanů (smrk ztepilý, douglaska tisolistá, modřín opadavý), ve srovnání s listnatými dřevinami však s nižším ekonomickým efektem. Úspěšně byl touto metodou namnožen tis obecný z přírodní lesní oblasti Křivoklátsko. Pomalejší růst a nižší schopnost multiplikace jehličnanů limitují počty výpěstků, což jsou příčiny, které zvyšují cenu sazenic.
Naše pracoviště se rovněž zabývá množením jehličnatých dřevin metodou somatické embryogeneze, pokud se organogeneze ukázala méně účinná. U smrku se tímto způsobem podařilo dopěstovat kompletní rostliny. Studují se zejména kultivační podmínky, které by umožnily zvýšit počet konvertujících rostlin.
Pro vlastníka lesa je nejdůležitější, jak zabezpečit další růst rostlin vypěstovaných z explantátů. Proto se zaměřujeme na studium růstu výpěstků vybraných druhů lesních dřevin ve venkovních podmínkách a přípravu sazenic pro zakládání trvalých srovnávacích ploch. Dosud byly hodnoceny tyto dřeviny vypěstované in vitro: smrk ztepilý, modřín evropský, douglaska tisolistá, lípa malolistá, dub letní, jilm vaz, jeřáb oskeruše, jeřáb břek, jeřáb ptačí, třešeň ptačí a hybridní osika. Zakládání pokusných ploch a systematické sledování explantátových výpěstků jsme začali v roce 1996. Výsledky analýz přírůstů, morfologie a vitality dokazují, že jejich vývoj a růst je shodný se semenáčky. Sazenice z obou porovnávaných skupin dosahovaly ve stejných věkových kategoriích stejných přírůstů. Mortalita sazenic explantátového původu nepřevýšila mortalitu sazenic generativního původu. Letokruhové analýzy potvrdily, že během růstu nedocházelo k výkyvům, které by byly zapříčiněny původem sazenice. Změny v přírůstech vyvolané klimatickými podmínkami byly opět shodné u obou skupin. Výpěstky z explantátů výše jmenovaných hodnocených druhů lesních stromů dosáhly po 18 měsících pěstování na venkovních záhonech kvalitativních parametrů sadebního materiálu I. a II. výškové třídy. Sazenice osiky a jilmů dosáhly v průměru dvojnásobných růstových parametrů. Jak nasvědčují provedené analýzy, bude možno s takto vypěstovanými sazenicemi zacházet jako s prostokořennými sazenicemi z generativního množení.
ZÁVĚR
Možnosti, které současné biotechnologické postupy nabízejí pro lesnickou praxi, k nimž je nutno počítat i genetické inženýrství (získání geneticky stabilních vysoce odolných a produktivních odrůd stromů), nejsou širší lesnické veřejnosti doposud zcela známy. Oddělení biotechnologií lesních dřevin VÚLHM v souladu s lesními hospodářskými plány a s ohledem na stanovištní průzkum se na základě žádostí vlastníků lesa zabývá výběrem vhodného sortimentu dřevin a klonů. Ve zvláštních případech, kdy nelze použít generativní postup, ověřuje možnosti efektivní reprodukce, nebo může vypěstovat sadební materiál ohrožených a vzácných druhů a regionálních populací pro účely speciální výsadby nebo reintrodukce na stanoviště, kde jde o zachování šíře druhové diverzity a genetické variability.