Moderní šlechtitelské metody v lesnictví

Nezbytným předpokladem pro aplikaci moderních šlechtitelských postupů je znalost genetické informace (genotypu) stromů, které jsou součástí šlechtitelského programu. Tento údaj, který je pro každého pohlavně vzniklého jedince unikátní, je dán pořadím nukleotidů v řetězci DNA. Genotyp nepodléhá změnám v prostoru a čase a je tedy nezávislý na podmínkách vnějšího prostředí.

I přes značný pokrok a neustálý vývoj v oblasti metod molekulární biologie a gene-tiky není současný stav poznání takový, aby bylo možné v rámci „běžných“ studií číst ce-lou genetickou informaci jedince. Celkový genotyp je reprezentován pouze jeho vybranou částí, znakem, tzv. genetickým markerem.

Genetické markery

Typy používaných markerů je možné rozdělit do několika skupin. Nejprve se používaly morfologické markery, kde se využívalo toho, že se některé vnější charakteristiky stromu mění se změnou jeho genetické informace, byť nepatrnou. Naprostá většina kvantitativních vlastností lesních dřevin je však ovlivňována vzájemným působením několika genů a tyto markery tak nejsou použitelné.

Od 60. let se uplatňovaly biochemické markery, mezi kterými jsou nejznámější isoenzymy. Tyto markery jsou založeny na analýze metabolických produktů (enzymů), jelikož druh produkovaného enzymu je v úzké korelaci s variabilitou struktury DNA. Obecně je však nevýhodou této skupiny markerů v porovnání s novějšími molekulárními genetickými markery jejich nižší rozlišovací schopnost, tj. nižší míra detekovatelné variability, takzvaného polymorfismu. Důvodem je skutečnost, že ne všechny změny struktury DNA mají za následek změnu produkovaného enzymu.

Molekulární markery, ve větší míře používané od 80. let, jsou založeny na přímém zjišťování struktury (pořadí nukleotidů) v řetězci DNA. V závislosti na typu zvoleného molekulárního markeru jsou využívány různé způsoby detekce variability v nukleových kyselinách. Buď jde o využití štěpících enzymů k vytvoření fragmentů DNA, kdy pouze některé z těchto fragmentů jsou podrobeny analýze (metoda RFLP), nebo se pomocí polymerázové řetězové reakce (PCR) namnoží specifický úsek DNA (metoda analýzy mikrosatelitů), či se oba přístupy vzájemně kombinují (metoda RAPD a AFLP).

V minulém desetiletí nacházela největší uplatnění v analýzách populační struktury metoda mikrosatelitů neboli SSR markerů. Jako mikrosatelity se označují úseky řetězce DNA s opakujícím se výskytem stejných kombinací nukleotidů. Mikrosatelitové sekvence se nacházejí na mnoha místech genomu a počet těchto opakujících se sekvencí vykazuje značnou individuální variabilitu, díky které je při analýze několika různých mikrosatelitových úseků současně možno jednoznačně rozlišit i značně příbuzné jedince a definovat mezi nimi základní příbuzenské vztahy (sourozenecké či rodičovské) a určit vzájemnou míru příbuznosti jedinců ve studované skupině.

Další pokroky v metodách analýzy genetické informace, spočívající ve zjednodušení, zautomatizování a v neposlední řadě také snížení nákladů, umožnily rozšíření nového přístupu analýzy genomu metodou „snipů“ (SNP, polymorfismus jednotlivých nukleotidů). Tato metoda umožňuje analýzu mnohem většího podílu celkové genomické informace, přičemž rozdíly mezi jedinci jsou dány odlišnými nukleotidy na stejných pozicích v řetězci DNA. Takto odlišných nukleotidů, snipů, může být nalezeno několik (set) tisíc až milionů v závislosti na délce analyzovaného genomu a intenzitě sekvenování. Míra vylišení vzájemné variability je tedy mnohem vyšší než v případě uplatnění předešlých metod a samozřejmě také veškeré analýzy mohou být na základě těchto dat prováděny s mnohem větší přesností a statistickou průkazností. Hustá „markerová mapa“ umožňuje mnohem přesnější odhady koeficientů příbuznosti a tím efektivnější management genetické diverzity.

Dlouhověké organismy aneb specifika lesních dřevin

Šlechtění lesních dřevin má na rozdíl od šlechtění zemědělských plodin nebo hospodářských zvířat svá specifika jako je například mnohem delší generační cyklus, projev zájmového znaku až v určitém věku jedince či změnu projevu genetické informace v závis-losti na věku stromu. Šlechtitelský program je uspořádán do šlechtitelských cyklů složených ze selekce, křížení a testování. Z hlediska investic představuje fáze testování nejnákladnější šlechtitelskou aktivitu a již v minulosti byly snahy tuto fázi překlenout selekcí asistovanou genetickými markery (MAS). Při tomto způsobu selekce se kombinují přístupy kvantitativní genetiky a molekulární biologie, kdy se hledají geny zodpovědné za projev konkrétního znaku dřeviny (přímost kmene, větvení, hustota dřeva, obsah ligninu apod.). Většina snah však doposud ztroskotala na nedostatečném pokrytí genomu genetickými markery tak, aby bylo možné efektivně zachytit efekty jednotlivých genů přispívajících k projevu sledovaného znaku. V posledních letech se technologie mapování genomu intenzivně zefektivňují a umožňují mnohem hustější pokrytí genomu genetickými markery a tím snadnější detekování efektu jednotlivých genů. S rozma-chem těchto technologií sílí snahy šlechtitelské praxe vyvinout efektivní statistické modely pro implementaci genetické informace ve šlechtitelských aktivitách.

Genomická selekce

Moderní metoda, která v posledních letech našla své uplatnění také ve šlechtění dřevin, se nazývá genomická selekce. Ta umožňuje časnou selekci v potomstvech pouze na základě genetické informace, aniž by musela být založena testovací výsadba potomstev. Není totiž již nutné posuzovat vzhled stromů (fenotyp) v testu potomstev. Princip je postaven na vývoji predikčního modelu, kde je efekt každého genetického markeru odhadnut na základě dostupných fenotypových informací ze stávajících testovacích výsadeb a okamžitého využití selektovaného materiálu. V současné době je genomická selekce dobře uplatnitelná u rychle rostoucích dřevin, jako jsou eukalypty. Zde je genetický zisk generovaný časnou selekcí realizován velice rychle (doba obmýtí se pohybuje kolem 16 let). Z tohoto hlediska mohou být v podmínkách České republiky pro genomickou selekci velice atraktivní topoly a vrby určené pro intenzivní výmladkové plantáže. Aplikace této metody u dřevin s dlouhou dobou obmýtí není v současné době z výše uvedených důvodů příliš rozšířena a je otázkou, zda právě tento nástroj může být efektivnější a levnější než stávající šlechtitelské postupy.

Nicméně masové využívání technologií pro genotypování celkově snižuje náklady na genetické analýzy a tím se genomická selekce může stát běžnou součástí šlechtitelské praxe i v lesnictví. Již nyní má tato metoda jistou perspektivu uplatnění v klonových programech při tvorbě nových generací matečnic, kde je možné genetický zisk generovaný šlechtitelskými aktivitami realizovat bezprostředně po založení produkčních populací, zatímco u semenných sadů je třeba počítat s časovou prodlevou k získání vyšlechtěného reprodukčního materiálu z důvodů biologických omezení (dosažení reprodukční dospělosti). U semenných sadů může být určitým řešením využití fytohormonů indukujících kvetení a tím rychlejší vytvoření nové generace pro následnou selekci jedinců do populací produkčních. Kontrolované křížení by se mělo koncentrovat mezi nejlepší jedince a cílem genomické selekce je pak získání nejlepších jedinců v potomstvech kumulujících preferované formy genu, což je možné ověřit analýzou jejich genetické informace.

Šlechtění lesních dřevin v širších souvislostech

Markerové mapy genomu nemusí sloužit pouze ke šlechtitelským účelům, ale mohou také pomoci definovat úsek DNA zodpovědný za adaptaci na lokální podmínky prostředí. Toho je možné dosáhnout díky analýze korelací jednotlivých genetických markerů s gradienty podmínek prostředí, jako jsou např. průměrná roční teplota, roční úhrn srážek atd. Tyto poznatky mohou být využity v souvislosti s úvahami o klimatických změnách (vycházejících z predikčních klimatických modelů) a jejich dopadech na změny podmínek prostředí. Je tak možné určit vhodný reprodukční materiál (osivo adaptovaných populací) pro předpokládané změny klimatických podmínek. Přístup využívající tyto poznatky se označuje jako tzv. asistovaná migrace.

Autoři:

Ing. Jaroslav Klápště, Ph.D.

Ing. Jiří Korecký

doc. Ing. Milan Lstibůrek, MSc., Ph.D.

prof. Ing. Jaroslav Kobliha, CSc.

Katedra dendrologie a šlechtění lesních dřevin, Fakulta lesnická a dřevařská

Česká zemědělská univerzita v Praze

E-mail: Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript. , Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript. , Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript. , Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.

Foto: Jaroslav Kobliha