Så funkar växtförädling

Denna metod skiljer sig från pedigreemetoden främst vad det gäller sättet som hybridavkomman hanteras på. I bulkmetoden sås F2-generationen ut i en försöksruta och fröna skördas tillsammans. Dessa sås sedan ut på nytt utan noggrannare registrering av respektive plantas bakgrund. Plantor med låg överlevnadsgrad gallras bort genom naturlig selektion och andra med oönskade egenskaper rensas också bort. Ibland skördar man tidigt för att selektera för plantor med tidig mognad. Dessa steg följs av urval av enskilda plantor och utvärdering på samma sätt som i pedigreemetoden. Fördelen med bulkmetoden är att man kan sålla fram ett stort antal individer till en låg kostnad.

Även om man kan ändra eller introducera en ny egenskap med hjälp av de traditionella förädlingsmetoder kan det ibland vara svårt och i vissa fall omöjligt att få önskat resultat. Det är i dessa fall genetisk transformering kan komma till användning. Denna teknik är speciellt fördelaktig när det handlar om att förbättra befintliga sorter som bara har några få brister eller oönskade egenskaper. Transformation innebär introduktion av en bit DNA eller en hel gen in i en organism för att uttrycka en ny gen eller för att ändra uttrycket av en eller flera befintliga gener. Grödor som modifierats på detta sätt kallas genetiskt modifierade grödor (GM-grödor). Eftersom funktionen hos generna som förs in eller förändras oftast är mycket väl karaktäriserade är dessa metoder mer precisa och direkta jämfört med konventionell förädling som görs med korsningar eller mutationer. Man kringgår också problemet med att flera oönskade gener följer med den önskade sekvensen, vilket är svårt att undvika i traditionell korsningsförädling.

Genetisk transformation i växter görs vanligen med hjälp av jordbakterien Agrobacterium tumefaciens. I naturen kan bakterien infektera skadade växter och orsaka gallbildningar (en form av tumörer). I bakterier finns majoriteten av DNA:t i kromosomer, men också i cirkulära plasmider. A. tumefaciens har en tumörinducerande plasmid (Ti-plasmid) som innehåller så kallat T-DNA (transfer-DNA). Den del av plasmiden som gör att T-DNA inkorporeras i genomet består av endast 25 baspar i början och slutet av sekvensen av T-DNA. Sekvensen däremellan kan bytas ut till vilken annan DNA-sekvens som helst utan att överföringen påverkas. Restriktionsenzym, som fungerar som saxar, kan klippa itu DNA, medan ligaser, som fungerar som lim, gör att bitarna kan sättas samman igen. Dessa enzymer används för att ta bort gener som orsakar tumörer från T-DNA:t i den isolerade plasmiden och ersätta dem med den DNA-sekvens man vill föra in. Den modifierade Ti-plasmiden förs tillbaka in i bakterien. Efter att bakterien förökats infekteras växten. Denna metod kan delas in i antingen vävnadsodlings-baserad transformation eller in planta-transformation. I den förstnämnda odlas en bit vävnad eller ett organ i ett odlingsmedium och den nya genen förs över till växtvävnaden av bakterien. En GM-planta som bär den nya genen utvecklas sedan från vävnaden. I in planta-transformation infekteras blommorna på en levande växt med A. tumefaciens. Den infekterade plantan kommer då att producera frön som bär på den nya genen. Transformation med A. tumefaciens har använts i många växter, speciellt dikotyledoner, för att förbättra olika odlingsegenskaper som till exempel insektresistens. Jämfört med dikotyledoner är monokotyledoner oftast mindre motagliga för A. tumefaciens. För att lösa detta problem har alternativa kemiska och fysikaliska transformationsmetoder utvecklats. Bland dessa är den mest använda en metod där en genkanon används för att skjuta in mikropartiklar av guld eller tungsten klädda med det DNA man vill överföra. Dessa mikro-partiklar skjuts in i växtcellerna eller vävnaden med komprimerad gas (helium) eller elektrostatisk urladdning.

Genomisk selektion är ett viktigt verktyg inom djuraveln, men även växtförädlarna visar ett växande intresse för denna urvalsmetod. Genomisk information finns redan tillgänglig för vissa växtarter vilket gör det möjligt att hitta flera markörer i deras genom, men i de flesta växter har det gått långsamt med att få fram information om hela arvsmassan. Det främsta skälet till det är att många växter är polyploider, de har alltså fler än två uppsättningar kromosomer och därmed fler än två alleler för varje locus. Dessutom har många växter komplexa genom med repetitiva sekvenser och pseudogener (gener utan funktion). Men tack vare minskade kostnader för sekvensering finns nu genomisk information om flera grödor, som exempelvis ris, majs, potatis och brödvete, och tekniker utvecklas för genomisk selektion i växter. Att kunna förutsäga en individs egenskaper på ett tidigt stadium, exempelvis mängden eller kvaliteten på frukt är mycket fördelaktigt, speciellt i växter och djur med lång generatonstid.

Denna förädlingsmetod börjar normalt sett med att man korsar två homozygota linjer med önskvärda egenskaper för att producera en avkomma som överträffar föräldrarna. I första generationen har alla individerna samma genetiska uppsättning bestående av halva moderns och halva faderns kromosomuppsättning. Beroende på hur olika föräldrarnas genetiska uppsättningar är kan det blir miljarder olika genotyper i andra generationen. Utifrån bland annat artens förökningssätt följer därefter olika urvalsmetoder.

Hybridsorter är inte detsamma som sorter producerade genom hybridisering. När hybridsorter produceras startar man med att inavla utvalda plantor i flera generationer för att skapa rena linjer, vilka sedan korsas. En korsning mellan två specifika homozygoter resulterar alltid i samma genotyp vilket innebär att när man väl lyckats identifiera de rena linjer som ger den bästa hybriden kan den nya sorten produceras löpande. En annan fördel med hybrider är heterosiseffekten vilken ofta ger ökad tillväxt, tidigare blomning och ökad avkastning. Däremot uppstår problem om man sår frön från F1-generationen eftersom nästa generation kommer att bestå av plantor av väldigt varierande kvaliet med en genomsnittlig avkastning långt under den i F1-generationen.

Många växter har fler än två uppsättningar kromosomer – de är polyploider. Polyploider har ofta mer biomassa och/eller större frukter och frön jämfört med diploider, vilket ofta är önskvärt. Potatis och bananer är exempel på autopolyploider (alla deras kromosomer kommer från samma art). I allopolyploider kommer kromosomerna från olika arter. Raps är ett exempel på en allopolyploid från korsningen mellan kålrot och rybs. Om en diploid korsas med en tetraploid blir avkomman en triploid (en uppsättning från ena föräldern plus två uppsättningar från den andra). Triploider måste förökas vegetativt eftersom de är sterila. Flera banansorter och kärnfria vattenmeloner är triploider. Polyploider uppstår naturligt men kan också skapas genom behandling med kolchisin som hindrar kromosomerna från att separeras från varandra under celldelningen. Kolchisin har använts för att ta fram autopolyploider och kärnfria triploider, men också för att återskapa fertilitet i triploider (exempelvis rågvete) genom att göra dem hexaploida (sex uppsättningar kromosomer).

Majoriteten av de urvalsmarkörer som används inom växtförädlingen idag baseras på DNA, men urvalsmarkörer kan även vara morfologiska eller biokemiska. Teorin bakom denna metod är att man kan använda markörer för att selektera för, eller emot, en gen som är associerad med en viss egenskap. På så sätt kan de bästa individerna väljas ut utan att man behöver vänta tills plantan eller djuret är fullt utvecklat. Detta sparar både tid och resurser. För att hitta DNA-markörer måste man jämföra individer med stor variation i den egenskap man är intresserad av. En bra markör är tätt länkad till genen man är intresserad av eftersom sannolikheten för att de två ska separeras under meiosen då är väldigt liten. Markörbaserat urval är en mycket viktigt metod inom växtförädlingen.

Massurval är den äldsta formen av växtförädling och har använts av människan i årtusenden, allt sedan vi började samla in frön för sådd. Metoden är fortfarande användbar för vissa arter, speciellt korspollinerare. Urvalet sker genom att man samlar in frön från utvalda plantor i en population och sedan sår ut fröblandningen för att ta fram nästa generation.

MicroRNA (miRNA) är korta RNAmolekyler som inte översätts till proteiner utan reglerar geners uttryck genom att störa specifika mRNA innan de hinner översättas till protein i ribosomerna. Om ett miRNA är komplementär till en del av mRNA-sekvensen kommer den att para ihop sig med det mRNA:t, vilket resulterar i ett dubbelsträngat RNA som förstörs av cellens försvar mot virus. Denna princip används för att minska uttrycket av specifika gener och kallas RNA-interferens (RNAi). För att föra in miRNA använder man vanliga transformationstekniker som A. tumefaciens eller genkanon.

Mutationer är förändringar i en organisms nukleotidsekvens. Även om mutationer sker i en väldigt låg frekvens i naturen skapar de en genetisk variation som är nödvändig för evolutionen. Egenskaper förändras, försvinner eller tillkommer. Ett sätt att öka den genetiska variationen är att öka mutationsfrekvensen. Kemisk mutagenes innebär att man behandlar fröna med någon mutagen kemikalie. Strålning kan leda till kromosombrott och en mängd förändringar i nukleotidsekvensen. Den vanligaste strålning en som används inom mutationsförädlingen är röntgen- och gammastrålar. Raps, korn, bomull och ris är några exempel på grödor där mutationsförädling har använts. Problemet med denna metod är att mutationerna är slumpmässiga och att majoriteten är oönskade. Detta gör urvalet av önskade fenotyper svårt, tidskrävande och kostsamt. Tusentals plantor kan behövas för att hitta en livsduglig individ som bär på den önskade genetiska förändringen. Ett annat problem är att andra viktiga gener också kan muteras. Det kräver ytterligare förädling, till exempel genom återkorsning, för att återställa sorten till dess ursprungliga kvalitet.

Pedigreemetoden involverar korsning av två genotyper där båda bär på en eller flera önskvärda egenskaper, som saknas i den andra genotypen. Om de två föräldrarna inte bär på alla önskade egenskaper kan en tredje förälder inkluderas genom att den korsas med en av avkommorna i första generationen (kallad F1). Överlägsna individer väljs sedan ut i flera generationer. Det första urvalet görs vanligtvis i den andra generationen (F2) vilken har hög variation på grund av den stora graden heterozygoti. I detta steg fokuserar man på att rensa bort plantor med oönskade alleler som har tydlig påverkan på egenskaper som till exempel resistens mot en viss sjukdom. I självpollinerande arter kan man göra urval för rena linjer tills nästan total homozygoti har uppnåtts, vilket oftast sker i den femte generationen (F5). Vid detta stadium skördas fröna från alla plantor tillsammans, för att sedan testas i fältförsök. Ungefär vid generation 7 eller 8 fokuserar man på en mer precis utvärdering.

Quantitative trait loci (QTL) är regioner av DNA som har signifikant effekt på kvantitativa egenskaper, till exempel höjd. En egenskap påverkas ofta av flera QTL som kan finnas utspridda på flera kromosomer. I växter har användingen av QTL-analyser bidragit till urvalet av gener som styr exempelvis spannmålsproduktion och planthöjd.

Teknikerna gör det möjligt att förändra specifika sekvenser på ett precist sätt. Riktad mutagenes kan åstakommas med olika tekniker som Oligonucleotide Directed Mutagenesis (ODM), Zinc finger Nucleases (ZFN), Transcription Activator-Like Effector Nucleases (TALEN), Homing Endonucleases (HE), och den kanske mest kända, Clustered Regulatory Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR) och CRISPRAssociated (Cas)-system. Samlingsnamnet för ZFN, TALEN, HE, och CRISPR/Cas är Site-Directed Nucleases (SDN). SDNs är syntetiska restriktionsendonukleaser (enzymer som klyver DNA) som består av en skräddarsydd del, som binder till en specifik DNA-sekvens, och en del som är en ospecifk nukleasdel. Tekniken gör det möjligt att klippa båda DNA-strängarna på ett specifikt ställe. Cellen reagerar med att reparera brottet vilket ofta leder till en slumpmässig mutation. En annan variant inkluderar en mall som gör att cellens reparationssystem reparerar DNA-sekvensen på ett specifikt sätt. En tredje variant introducerar en DNA-sekvens på en specifik plats. Det som skiljer denna metod från att introducera DNA med A. tumefaciens eller en genkanon är att man kan styra platsen där DNA-sekvensen hamnar. Sammanfattningsvis är riktad mutagenes en teknik som möjliggör precisa modifieringar av DNA-sekvenser. I de fall där gener modifieras utan att något DNA förs in klassificeras avkomman troligen inte som en GMO.

Rena linjer är något som främst används i självpollinerande grödor, men kan ibland tillämpas efter korsningar av korspollinerare. I denna metod väljer man ut ett antal överlägsna individer och studerar deras avkommor (var för sig), ofta i flera generationer. Lovande linjer utvärderas sedan ytterligare och de absolut bästa säljs som nya sorter. För att selektion av rena linjer ska vara effektivt krävs en population med stor genetisk variation.

En syntetisk sort tas fram på samma sätt som vid massurval (man samlar in frön från utvalda plantor i en population och sedan sår ut fröblandningen för att ta fram nästa generation), skillnaden är att alla korsningar görs mellan linjer som man vet ger högpresterande avkommor, oavsett hur de kombineras. Det leder till heterosiseffekt och användbara frön för nästa säsong. Många syntetiska sorter är vallväxter där produktion av hybridsorter skulle bli för dyr.

Teorin bakom växtvävnadsodling är att varje intakt cell har potential att utvecklas till en fullvuxen planta under optimala förhållanden, man säger att cellerna är totipotenta. Växtvävnadsodling är ett samlingsnamn för olika laboratorietekniker som används för att odla växtdelar under kontrollerade sterila förhållanden. Det kan vara celler, vävnad (delar av blad, blommor eller rötter), ståndare, mikrosporereller meristem (tillväxtpunkt i växten). Metoden används för vegetativ förökning och för massproduktion av plantor i många arter, speciellt vedartade trädgårdsväxter som är svåra att föröka genom ympning. Inom växtförädlingen används metoden till exempel till att skapa komplett homozygota linjer genom att förhindra separation mellan kromosomerna i den första celldelningen i outvecklat pollen (som i diploida arter bara bär på en kromosomuppsättning). Resultatet blir plantor som istället för diploider benämns dubbel-haploider. Vävnadsodling används vanligtvis även vid genetisk modifiering.

Förädling av växter startar vanligtvis med en sort som är bra, men saknar en specifik egenskap, som till exempel resistens mot en viss sjukdom. Ett sätt att föra över denna egenskap är att använda återkorsning. Sannolikheten för att återkorsningen ska fungera är större om det endast är en eller ett fåtal gener som styr egenskapen. Till att börja med måste man hitta en planta som bär på den önskade egenskapen och som kan korsas med sorten man vill förbättra. Efter den första korsningen väljs de individer ut som bär på egenskapen (i F1-generationen) och dessa korsas återigen med den ursprungliga sorten man vill förbättra. Detta återupprepas fem eller sex gånger för att få fram en hybrid som bär på ursprungssortens alla egenskaper inklusive den nya egenskapen. Fördelen med denna metod är att det inte behövs så många plantor i varje generation och att den är snabb och relativt förutsägbar. Nackdelen är att om den önskade egenskapens gener är tätt länkade till generna för oönskade egenskaper minskar sannolikheten för att man ska kunna separera dem, oavsett hur många återkorsningar man gör.