UUED SUUNAD SORDIARETUSES

Väljavõte

1 Reine Koppel MSc, talinisu aretaja UUED SUUNAD SORDIARETUSES Abiks olid: Mati Koppel PhD.,Fütopatoloog Sordiaretusest suure pildi nägija Kristiina Laanemets PhD, ETKI biotehnoloogia osakond

2 TÄNASED TEEMAD * KLASSIKALINE SORDIARTUSE SKEEM NISUARETUSE NÄITEL * TOPELTHAPLOIDID * KIIRARETUS (KANADA KONVERENTSI MATERJAL) * METSIKUTEST ESIVANEMATEST OMADUSTE SISSE TOOMINE MOONI (morfoloogiliselt sarnane, haiguskindlus parem kuidas eristada Moonist?) * MARKERARETUS * GMO * CRISPR CAS * SÜNTEETILINE NISU * HÜBRIIDNISU

3 UUED VÄLJAKUTSED KLIIMAMUUTUS Ülekuumenemine, liustike sulamine, ektsreemsete ilmastikunähtuste sagenemine SORDIARETAJA põuale vastupidavad sordid - stabiilne saak erinevatel aastatel TEISED LOODUSTEADLASED -.

4 UUED VÄLJAKUTSED KASVAV RAHVASTIK miljardit inimest toidu tarbimine suureneb 69% (2019 7,7 miljardit, ,8 miljardit ) Toitu rohkem vaja Põllumaad jääb vähemaks SORDIARETAJA -suuresaagilised sordid -toiduga vähem ballasti, rohkem kehale vajalikku kütust

5 PÕLLUMAA INIMESE KOHTA

6 UUED VÄLJAKUTSED KESKKONNA SÄÄSTMINE maailmas väetiste ja taimekaitsevahendtite tootmine suurenenud, kui üheksakümnendateni oli Euroopa suur tarbija, siis prageuseks Hiina ja Aasia kasutavad järjest enam väetist ja taimekaitset SORDIARETAJA - haiguskindlamad sordid - paremini mullast toitaineid omastavad sordid (juurekava tähtis) - paremini vett kasutavad taimed

7 PÕLLUMAA INIMESE KOHTA

8 I RAHVUSVAHELINE NISU KONGRESS 2019 ettekannete märksõnad * FOOD SECURITY * ABIOTIC STRESSES * MAPPING HIGHT-TEMPERATURE-REGULATED * DURUM WHEAT ROOT SYSTEM AND CANOPY MORPHOLOGICAL TRAITS * ROLE OF WILD RELATIVES ONTROGRESSION IN BOARDENING THE ADAPTATIVITY OF MODERN WHEAT * IMPROVE FIBRE AND OTHER BIOCTIVE COMPOUNDS * GLUTENIN SUBUNITS COMPOSITION * BREADMAKING QUALITY PREDICTIONS * MALE STRILITY AND MARKER TECHNOLOGY * YIELD CAPS IN YIELD *UNDERSTANDING WHEAT SPOKE DEVELOPMENST TO IMPROVE GRAIN YIELD POTENTSIAL GENETIC AND PHYSIOLOGICAL DETERMINANTS OF WHEAT NITROGEN RESPONSE * MODELLING YIELDS UNDER VARIABLE WATER AVAILABILITY

9 SORDIAERETUSE AJALUGU HAKATI KASUTAMA HILJEM HÜBRIIDIDE ARETUS MUTATSIOONARETUS KÄÄBUSNISU GEEN RAKUKULTUUR 2000 markeraretus (marker assisted breeding) 2010 täppisaretus NB! nisu ROAD MAP

10 August 2018 nisu genoomi sekveneeritud TheInternational Wheat Genome Sequencing Consortium(IWGSC) published today in the international journalsciencea detailed description of the genome of bread wheat, the world s most widely cultivated crop. This work will pave the way for the production of wheat varieties better adapted to climate challenges, with higher yields, enhanced nutritional quality and improved sustainability. The research article authored by more than 200 scientists from 73 research institutions in 20 countries presents the reference genome of the bread wheat varietychinese Spring.The DNA sequenceordered along the 21 wheat chromosomes is the highest quality genome sequence produced to date for wheat. It is the result of 13 years of collaborative international research.

11 PLANT BREEDING INNOVATION Tavapärased ja moodsaimad sordiaretuse meetodid on kõik väga vajalikud sordiaretaja toolbox. Taime bioloogia ja geneetika parema tundmisega saavad sordiarerajad täiustada oma tööriistu ja saavad kiirendada oma töö protsessi, et meie toidutaimed kohaneksid paremini põllumajanduse ette seatud ülesannetega. Uued meetodid aitavad saavutada suuremat täpsust ja teevad sordiaretaja töö efektiivsemaks.

12 KLASSIKALINE SORDIARETUS NISU ARETUS ETKIS

13 Aretuseesmärgi püstitamine Lähtematerjali uurimine SORDIARETUSE ETAPID Variatsiooni loomine (ristamine, transformeerimine) Sobivate genotüüpide valik (fenotüübid, genotüübid (markerid)) Majanduslike ja agronoomiliste omaduste hindamine Ühtlikkusaretus ja seemnekasvatus (haploidide kasutamine)

14 ARETUS- SKEEM ETKI JÕGEVA SA ESIMESED VALIKUD ÜHTLIKU ALGSEEMNE- KASVATUSEKS P A*B ristamine F 1 populatsioon F 2 *********** esimene üksikpea valik F 3 lllllllllllllllllll pearead F 4 seemne paljundus, 2m² F 5 esimene eelkatse, teine üksikpea valik F 6 lllllllllllllllllll pearead F 7 seemne paljundus, 2m² F 8 teine eelkatse, alustatakse homogeensusaretust F 9 eelvõrdlus, 10m² F 10 eelvõrdlus, 10m² F 11 põhivõrdlus, 10m² F 12 põhivõrdlus, 10m² F 13 F 14 Riiklikud majanduskatsed Riiklikud majanduskatsed koostaja Reine Koppel, Sort ETKI sordilehes individuaalvalik individuaalvalik individuaalvalik

15 Kõik F1 seemned koristatakse ja saadakse F2 põlvkonna seemned külvatakse populatsioonina F2 terad mulda ja põllul hakkab kasvama F3 põlvkond pearead F4 2m lapid F5 2 x 5m - võetakse II korda pearead F6 3 x 5m - pearead F7 3 x 5m - 2m lapid F8 3 x 10m EV1-3 x 10m võetakse III pearead - algseemneks F9-3 x 10m EV2 -III pearead F10-4 x 10m PV1 - III 2m F11-4 x 10m PV2 - III 3*10m riiklik katsetus ja sordi reg. katsed 2 aastat

16 I NISU ARETUSE EESMÄRGID : Hea ja stabiilne saak Hea kvaliteet Sobiv kasvuaeg Hea haiguskindlus Hea talvekindlus Hea seisukindlus

17 HEA KÜPSETUSKVALITEET PROTEIINI SISALDUS >12% GLUTEENI SISALDUS >25% GLUTEIINI INDEKS LANGEMISARV >250sec

18 TAIGNA SEGAMISOMADUSED

19 NISU EKSPORDIKVALITEET alveograaf W

20 Hea langemisarv 65 sek 250 sek 400 sek

21 KAHE SORDI RISTAMINE isetolmlevad

22 Vaatlused põllul Tärkamine Talvekindlus Loomine Pikkus Haiguskindlus Ühtlikkus Küpsuse aeg lamandumiskindlus Peale koristust Saak, peentera Proteiin Gluteen, indeks Langemisarv Tera suurus Mahumass Küpsetustestid Alveogramm Glu markerid

23 Mõned näited aretuses kasutatavatest kaasaegsetest meetoditest ETKI-s

24 ODRA JAHUKASTE KINDLUSE PARANDAMINE - MLO Mlo mildew resistance locus o jahukaste resistentsuse lookus o Toimib kui horisontaalset resistentsust (põldresistentsus) tekitav lookus. Mlo esmalt tekkis mutatsioonina etioopia odra maasordis see on edukalt sisse viidud Euroopa otradesse Praeguseks hetkeks mlo resistentsust, nii looduslikult tekkinud kui inimese loodud kasutakse nii ühe- kui kaheidulehelistel taimedel haiguskindluse parandamiseks ETKI-s tehakse selle alast tööd odraga (Kristiina Laanemets, Ülle Tamm, Agnes Kivistik) Mlo põhimõte mutatsioonid mlo lookuses takistavad jahukaste seene tungimist raku sisemusse. Mlo proteiinid asetsevad rakumembraanis.

25 PARANDATUD SUVINISU MOONI

26 Pre-breeding of spring wheat Kadri Järve, Irena Jakobson Introgression of non-race specific powdery mildew resistance from T. militinae into bread wheat. Using: DH lines, gene mapping, MAS (Tsõmbalova et al., 2016; Ivanicova et al., 2016) geen.ttu.ee

27 Generation of a spring wheat genotype with improved resistance to powdery mildew(1) Source of resistance: Triticum militinae, a tetraploid species immune to powdery mildew 1. CvTähti wascrossedwitht. militinae, and resistantline8.1 was selected in the F4BC1 population 2. QTL analysis of the cv Tähti*8.1 F2 population segregating for resistance was used to map the T. militinae introgressions responsibleforresistance(tag(2006) 112:760; TAG(2012) 125:609) About 50 % of resistance cosegregated with a T. militinae introgression on chromosome 4A

28 Generation of a spring wheat genotype with improved resistance to powdery mildew(2) doubled haploid genotypes were derived from the cv Tähti*8.1 F3- F4 population 4. Resistant to powdery mildew DH line carrying the 4A introgression was selected(dh 303) 5. DH 303 wascrossedwithspringwheatcv. Mooni Cv Mooni (FIN +EST) is popular in Estonia elite variety, however resistance to powdery mildew is low. 6. Controlling the presence of T. militinae introgression on chromosome 4A, DH303*Mooni progeny was 7-9 times backcrossed tocv. Mooni.

29 Nisu alamliigist Triticum militinae haiguskindlust tekitava lookuse ülekanne saianisu kromosoomi 4A on õnnestunud ja põldkatsed toimusid 2017, riiklikud katsed 2019

30 NISU KÕRGMOLEKULAARSETE VALKUDE MOLEKULAARMARKERITE KASUTAMINE

31 MOLEKULMASSID ALBUMIINID GLOBULIINID GLIADIINID GLUTENIINID milj

32 VALKUDE TÄHTSUSKÜPSETAMISEL ALBUMIIN JA GLOBULIIN mõjutavad sest sisaldavad ensüüme ( amülaase ja proteaase) GLUTEENI PROTEIINID (gluteniin, gliadiin) mõjutavad sest annavad taignale visko-elastilised omadused

33 TOPELTHAPLOIDID Geneetiliselt ühtliku materjali kiirem saamine: Esimese põlvkonna taimede viljastamata mikrospoore (tolmutera) indutseerides saadakse haploidnekallus, mille regenereerimisel saadavad haploidsedtaimed diploidiseeruvad- tulemuseks on homosügootne diploidnetaim. Saab kasutada ka nisu ristamist maisi õietolmuga. Viljastumist ei toimu, tekib haploidnegenotüüp. Kolhitsiiniga töödeldes see diploidiseerub.

34 TOPELTHAPLOIDID Normaalsed embrüod Haploidsed embrüod

35 Praegu veel ei kasuta, aga oleks potentsiaalis: SPEED BREEDING KIIRARETUS Ühe aastaga saab kasvatada teatud valgustingimuste ja temperatuuri juures kuni 6 põlvkonda! Embrüo eraldatakse kui see on võimeline uuesti idanema Kuid saab esialgu kasutada vaid suviviljadel

36 CRISPR-Cas9 GMO on organism, kelle pärilikkusainetehkdnadon muudetud viisil, mis enamasti looduses ei juhtu. "CRISPR-i meetodiga saab teha täpselt seda sama mutatsiooni, mis looduses tekib, kuid saab tekitada täpselt selles kohas, kus on vaja," kirjeldab Kollist.

37 MIS KASU ON SORDIAERTUSE ARENDAMISEST Anindependent studyconcluded that every 1 invested in plant breeding generates at least 40 in added value within the wider economy, from higher yields and input savings at the farm level through to import substitution, export earnings and enhanced processing efficiency within the food and drink manufacturing sector.

38 SÜNTEETILINE NISU AABBDD tänapäevane heksaploidne nisu üldiselt väike geneetiline mitmekesisus DD genoomis AegilopsTauchii (metsik DD genoom) hästi suur geneetiline mitmekesisus HEKSAPLOIDNE SÜNTEETILINE NISU: T. durum x Ae.tauchii AABB x DD = AABBDD Tulemus pika kõrrega, väga hiline, liiga robustsed libled KUID väga hästi normaalse saianisuga ristatav ja kerge saada metsikutest omadustest lahti juba F2, F3 põlvkonnas

39 Hea haiguskindlus SÜNTEETILINE NISU Hea vastupidavus abiootilisele stressile (põuakindlus, üleujutustele, kuumusele) Tera pehmus, proteiini sisaldus, peas kasvamamineku kindlus Häid agronoomilisi omadusi st saagikust on vaja tõsta Kasutusel CIMMYT, Austraalia, Hiina Olemas ka oktaploidses AABBDDDD liinid, sordid

40 HÜBRIID NISU Saab kasvatada F1 põlvkonda st seemet peab igal aastal uuesti tootma Isetolmlejatel (nisu) veidi keerulisem teostada kui risttolmlejatel (rukis, mais) Tsütoplasmaatiline isasteriilsus See meetod tugineb taimede tsütoplasmastoimivale looduslikule geneetilisele mehhanismile. Selle geneetilise mehhanismi saab taimedesse sisse viia ristamise teel.

41 HÜBRIID NISU FUTURE FARMING 18 Oct 2017 Hybrid wheat close to widespread commercialisation At least three companies are hoping to have the new hybrid wheat varieties for sale in strategic parts of the world by the early 2020s, following significant investment into better genetics and breeding methods. Bayer, Syngentaand Dow DuPont are all working hard on their respective hybrid breeding programmes. Farmers in Europe, North America and Australia are likely to be among the first to benefit when the varieties are launched. To date, hybrid wheat is grown across an estimated 405,000ha in Europe. Most of it is in France, with a lesser amount in Germany and a very small area in the UK.

42 GMO NISU The transgenic wheat that was furthest developed was Monsanto's MON 71800, which is glyphosate-resistant via a CP4/maize EPSPS gene. [30] Monsanto received approval from the FDA for its use in food, but withdrew its EPA application in 2004, so the product was never marketed. Probleemid ei tahetud kasvatada kuna kardeti kaotada turgu

43 GMO NISU As of 2013, 34 field trials of GM wheat have taken place in Europe and 419 have taken place in the US. Modifications tested include those to create resistance to herbicides, create resistance to insectsand to fungal pathogens (especiallyfusarium)and viruses,tolerance to drought and resistance to salinity and heat, increased and decreased content of glutenin, improved nutrition (higher protein content, increased heat stability of the enzyme phytase, increased content of water-soluble dietary fiber, increased lysine content), improved qualities for use as biofuelfeedstock, production of drugs viapharmingand yield increases. As of December 2017, no GM wheat had been approved for release anywhere in the world (wikipedia)

44 GMO NISU June 2018: GM Wheat Contamination Found in Canada Several GM wheat plants were found on a road in Alberta in an isolated contamination case and the government does not know how they got there. No GM wheat was ever approved for growing or eating in Canada, but the GM trait found growing in Alberta was field tested from (INFO: Canadian Biotechnology Action Network)

45 MILLELE PEAKS MÕTLEMA SORDIKAITSES CCP COMPOSITE CROSS POPULATION POPULATSIOON SORT, SARNANE LANDRACE-le Acomposite cross population(ccp) is created by crossing a number of plants from different lines, and subsequently bulkingseedsfrom the resulting offspring. This makes a CCP a population of plants with a lot of inherent genetic diversity, in contrast tomonocultureswhere all plants are clones and homozygous at all loci (fully inbred). In recent years CCPs have been proposed as a way to create modernlandracesof wheat, barley and oats. Research is done to explore whether they are better suited for organic farming than the modern cultivars. They are suited for participatory breeding of crops, which is in contrast to cultivars owned by big breeding companies.

46 TÄNAN TÄHELEPANU EEST!