Vilda gräs ger perenna sädesslag en utveckling mot hållbara odlingssystem?

Vilda gräs ger perenna sädesslag en utveckling mot hållbara odlingssystem? Anna Westerbergh Institutionen för växtbiologi, Uppsala BioCentrum, Sveriges lantbruksuniversitet, Linnécentrum för växtbiologi i Uppsala Anna.Westerbergh@slu.se

Hur kan vilda växter nyttjas för utveckling av nya grödor? Perennialism - vild majs (teosinte) Biotisk stress - vete 01 Abiotisk stress - korn Perenialism - korn Perennialism - vete

Förändringar i klimat och väder Temperaturökning Ökad nederbörd vinter Årsmedeltemperatur (ºC) Förlängd växtsäsong sommar 05 085 Ökad/minskad nederbörd

Vilda gräs ger perenna sädesslag en utveckling mot hållbara och klimatsmarta odlingssystem? - Anpassade till förändringar i klimat och väder - Ökad kolinlagring - Mindre näringsläckage och utsläpp av växthusgaser - Minskad störning på de goda mirkroorganismerna (bakterier och mikrosvampar) i jorden - Minskade energikostnader och användning av fossila bränslen Perenn vild kornsläkting Hordeum bulbosum Perenna vetehybrider (Thinopyrum spp. x wheat) Kernza ( wheatgrass ) Thinopyrum intermedium

Stragegi I. - Hybridisering mellan vild perenn och domesticerad annuell X H. bulbosum Hybrid korsas med korn höstkorn/vårkorn Perenn vild kornsläkting barley - Hordeum bulbosum ( knylkorn ) Introgressions-linjer (ILs) med Hordeum bulbosum segment Houben and Pickering, 009

Utvärdering av ILs mellan Hordeum bulbosum och korn Egenskaper: - Perenna: återtillväxt :a året - Agronomiska: avkastning - Icke-domesticerade: drösning - Fysiologiska: vernalisering/köldvila - Näringsinnehåll: protein Lovande ILs korsas för sammanslagning av olika bulbosum segment för ökad perennialitet hos avkommeplantor

Strategi II. - Domesticering av perenna vilda släktingar Hordeum bulbosum H. euclaston H. capense 4x x Modifierad från von Bothmer (1995)

Strategi II. - Domesticering av perenna vilda släktingar Vilda egenskaper H. euclaston H. capense btr1, btr ( brittle ) - kromosom 3 - korsbefruktare - osynkroniserad blomning - anpassad till annan dagslängd perenna: - stark vegetativ tillväxt - färre frön

Stragegi I. - Hybridisering mellan vild perenn och domesticerad annuell Shuwen Wang - Brödvete (6x, 4 krom.) x Thinopyrum elongatum (x, 14) (Triticum aestivum) - Brödvete (6x) x Th. intermedium (6x, 4) - Brödvete (6x) x Th. ponticum (10x, 70) Perenna vetehybrider (Thinopyrum spp. x wheat) - Durumvete (4X, 8) x Th. intermedium (6x) (T. turgidum ssp. durum)

Utvärdering av hybrider mellan vete och Thinopyrum Genotyp och miljö samspel: - fältförsök i olika jordar i Sverige -..och olika platser i världen (Australien, Italien, Kanada, Kina, USA, Sverige) Egenskaper: - Perenna: återtillväxt :a året - Agronomiska: avkastning - Icke-domesticerade: drösning - Fysiologiska: vernalisering/köldvila - Näringsinnehåll - Resistens: svampsjukdomar fortsatta korsningar, selektion Shuwen Wang - Brödvete (6x, 4 krom.) x Thinopyrum elongatum (x, 14) (Triticum aestivum) - Brödvete (6x) x Th. intermedium (6x, 4) - Brödvete (6x) x Th. ponticum (10x, 70) - Durumvete (4X, 8) x (T. turgidum ssp. durum) AABBXX (6x) eller AABBDDXX (8x) Th. intermedium (6x)

Strategi II. - Domesticering av perenna vilda släktingar Genotyp och miljö samspel: - fältförsök i olika jordar Lee DeHaan hybrid hybrid Kernza ( wheatgrass ) Thinopyrum intermedium Kernza

Andra potentiella perenna sädesslag 3 regioner i genomet för perennialitet homologa med vilda perenna ris- och sorghum-släktingar Westerbergh & Doebley - TAG 004 Stan Cox

Vilda gräs ger perenna sädesslag en utveckling mot hållbara och klimatsmarta odlingssystem? - Anpassade till förändringar i klimat och väder - Ökad kolinlagring - Mindre näringsläckage och utsläpp av växthusgaser - Minskad störning på de goda mirkroorganismerna (bakterier och mikrosvampar) i jorden - Minskade energikostnader och användning av fossila bränslen Perenn vild kornsläkting Hordeum bulbosum Perenna vetehybrider (Thinopyrum spp. x wheat) Kernza ( wheatgrass ) Thinopyrum intermedium

Vilda gräs ger perenna sädesslag en utveckling mot hållbara och klimatsmarta odlingssystem? Ylva & Kjell Sjelin Perenn vild kornsläkting Hordeum bulbosum - Anpassade till förändringar i klimat och väder? - Ökad kolinlagring Tack till - Mindre näringsläckage och utsläpp av växthusgaser Kollegor inom och utanför SLU, Land Institute, KS, USA - Minskad störning på de goda mirkroorganismerna (bakterier Formas: och Ekologisk mikrosvampar) produktion i jorden och konsumtion - Minskade energikostnader SLU och användning av fossila bränslen Formas Lantmännen: Effektiva och hållbara produktionssystem,...och Alla Er här idag Perenna vetehybrider (Thinopyrum spp. x wheat) AgResource, SLU Kernza ( wheatgrass ) Thinopyrum intermedium

Så blev och blir vilda växter till odlade grödor Lokal förädling (småbönder) Samlare tid Domesticering <1 000 år sedan Deltagande förädling För-förädling & Systematisk förädling <00 år sedan

Identifiering och nyttjande av vilda egenskaper och gener Wheat För-förädling Egenskaper som gått förlorade under evolutionen av våra grödor: - Tolerans mot abiotisk stress (värme, kyla, torka, vattenmättnad) - Resistens/tolerans mot biotisk stress (patogener, skadedjur) - Kvalitetsegenskaper (näringsinnehåll, smak) - Perenn livsform

Domesticering av våra grödor 6 000 9 000 5000 Bördiga halvmånen i Mellanöstern 10 000-1 000 8 000 10 000

Domesticering av våra grödor 6 000 9 000 5000 10 000-1 000 8 000 10 000

Ursprung enkelt eller multipelt majs, kakao, bomull (4x), bönor, chilepeppar, squash solros, blåbär potatis, sötpotatis, kassava, Phaseolus bönor quinoa, jordnöt, bomull (4x), chilepeppar, squash sallad, kål havre sorghum, hirs, afrikanskt ris, melon, kaffe vete, korn, råg, ärtor, linser, lin bomull (x) ris (indica) ris (japonica), hampa, sojböna, te taro, banan, mango, kokosnöt

Tidig spridning majs, kakao, bomull (4x), bönor, chilepeppar, squash solros, blåbär potatis, sötpotatis, kassava, Phaseolus bönor quinoa, jordnöt, bomull (4x), chilepeppar, squash sallad, kål havre sorghum, hirs, afrikanskt ris, melon, kaffe vete, korn, råg, ärtor, linser, lin bomull (x) ris (indica) taro, banan, mango, kokosnöt ris, hampa, sojböna, te

Gemensamma morfologiska förändringar - domesticeringssyndromet Wheat Barley Ingen fröspridning Större frukter, sädeskorn och rotknölar Förändring av blomställning

Apical dominans Gemensamma morfologiska förändringar Barley

Gemensamma morfologiska förändringar Barley Från perenn till annuell livsform majs korn

Gemensamma fysiologiska förändringar - ingen frövila - självpollinering - synkroniserad blomning - blomning och fröproduktion anpassad till dagslängden kortdagsväxter i tropikerna, långdagsväxter i tempererade områden

Minskning av genetisk diversitet - flaskhalseffekten Sällsynta alleler Vilda släktingar domesticering spridning förädling gröda

Enstaka genetiska förändringar som ett resultat av domesticeringen Större frukter fw. bocal Förändring av blomställning till kompakt kålhuvud Ingen fröspridning Btr1, Btr Apical dominans tb1 Review: Doebey et al. (006) in Cell 17: 1309-131

Medan andra morfologiska förändringar orsakas av förändringar Barley i ett flertal gener. Från perenn till annuell livsform Westerbergh and Doebley - TAG 004

Genetiska skillnader mellan annuella och perenna släktingar till majs (teosinte) Westerbergh & Doebley - Evolution 00 Westerbergh & Doebley - TAG 004 Lauter, Gustus, Westerbergh & Doebley - Genetics 004

Genetiska skillnader mellan annuella och perenna släktingar till majs Chr 1 Chr Chr 3 Chr 4 Chr 5 BNL5.6 UMC157 UMC11 UMC9 BNL5.59 NPI39 BNL8.45 UMC53 BNL7.49c UMC6 UMC134 UMCb UMC3 UMC11 PHI0-004a UMC9 UMC4b NPI114b UMC18a UMC13a PHI0-075 BNL5.46 NPI386 NPI18 UMC4a UMC156 UMC19 UMC104a BNL8.33 BNL6.5 UMC90 UMC7a UMC83b BNL7.71 Quantitative trait loci (QTL) som kontrollerar perenn livsform hos teosinte UMC5a UMC17 UMC3a UMC83a UMC7b TB1 PHI0-0005 UMC1 UMC60 UMC15 NPI41 UMC36 UMC16 UMC111 UMC54 UMC108 NPI581a BNL6.3 NPI45a UMCa UMC104b Chr 6 Chr 7 Chr 8 Chr 9 Chr 10 BNL6.9 UMC59 PHI0-0581a NPI114a PHI10-0005 UMC113a UMC81 BNL3.04 UMC65 UMC113b UMC1 UMC46 UMC38 BNL15.40 UMC5b UMC110 BNL14.07 BNL9.11 PHI0-004b BNL9.44 UMC95 BNL5.09 BNL14.8 UMC94b BNL7.49b UMC130 UMC18b UMC49b UMC64 = Ortologa regioner hos ris och sorghum UMC13 UMC6 Maximum-likelihood position for QTL UMC91 UMC35 1-LOD likelihood interval for traits: RHIZ LO-TL EL-ST TH-RO NO-TL NO-SB SL-TL WT-ST -LOD likelihood interval UMC1a NPI45b UMC16b UMC117 UMC7a Scale 10 cm BNL10.13 BNL7.49a Westerbergh and Doebley - TAG 004

Vilda växter för anpassning till klimatförändringar Resistens mot vetedvärgvirus hos vilda vetesläktingar Nygren, Shad, Kvarnheden, Westerbergh - PLOS ONE 014 Jim Nygren Tolerans mott torkstress Vildkorn - kornets anfader - Hordeum spontaneum Bedada, Westerbergh et al. - Heredity 014 Girma Bedada Bedada, Westerbergh et al.- BMC Genomics 014

Vattenmättnadstolerans Kjell & Ylva Sjelins gård, Vattholma, Uppsala Vattenmättnad Icke-vattenmättnad

Variation i respons Vildkorn Kornsorter enstaka flesta icke-vattenmättnad vattenmättnad icke-vattenmättnad vattenmättnad många Norrländsk kornsort Sameri, Lerceteau-Köhler, Gyllenstrand, Westerbergh (014)

Sökandet efter QTLs för vattenmättnadstolerans Vildkorn Kornsort X 1:a avkommegenerationen (F 1 ) :a avkommegenerationen (dubbla haploider)

Sökandet efter QTLs för vattenmättnadstolerans 1H H 3H Chrom 4H 0.0 0.5.7 11.7 15. 18.0 0. 3.7 4. 7.0 7.5 9.7 31.9 3.4 34.1 34.6 35.7 36.8 37.3 40.1 41.8 43.5 45.7 48.5 49.0 49.5 50.6 51.7 53.4 55.6 56.1 56.6 57.1 61.8 6.3 66.4 66.9 67.4 68.5 69.0 73.1 74. 74.7 fr-grn_r15a 0.0 0.5 4.0 6.8 8.5 9.0 1.5 16.6 17.1 17.6 19.3 19.8 3.9 4.4 4.9 7.1 8. 9.3 30.4 30.9 31.4 31.9 33.0 33.5 34.0 34.5 36.7 37. 37.7 38. 38.7 41.5 43.7 46.5 47.0 47.5 48.0 49.1 50.8 51.9 53.6 55.3 57.0 57.5 58.0 60. 60.7 6.9 63.4 65.1 65.6 66.1 67. 67.7 69.4 71.1 7. 73.3 73.8 75.5 77. 78.3 g-%gl_ra g-%gl_r1b fr-%gl_ra fr-%gl_r3a fr-ln_rb 0.0 0.5. 3.3 6.1 7.8 11.3 13.5 14.6 19.3 19.8 0.3 0.8 1.3 1.8.3 4.0 5.7 6. 6.7 7. 8.3 8.8 31.0 31.5 3.0 3.5 33.0 33.5 37.0 40.5 41.6 45.1 46.8 47.3 49.0 50.1 51.8 5.3 53.4 53.9 54.4 56.6 57.1 59.3 60.4 60.9 61.4 6.5 65.3 69.4 69.9 74.0 76.8 77.3 79.5 81.7 78.8 8.9 Sameri, Lerceteau-Köhler, Gyllenstrand, Westerbergh (014) Greenhouse - % green leaves Field recovery - grain number Field seedling - % green leaves Greenhouse - leaf number Field recovery - % green leaves Greenhouse shoot dry weight Field recovery - leaf number Field recovery- tiller number fr-%gl_r3b fr-%gl_r3c g-ln_r1b g-ln_ra 0.0 1.7 5. 6.3 9.8 10.9 11.4 11.9 13.0 17.7 18.8.9 5.7 6. 8.4 8.9 9.4 9.9 30.4 30.9 31.4 3.5 33.6 35.8 37.5 38.0 39.1 39.6 40.1 40.6 41.1 43.9 44.4 47. 48.3 50.5 51.0 5.1 5.6 54.8 56.5 57.6 59.8 6.0 63.1 66.6 67.7 g-sdw_r3b favorable genes from wild barley f-%gl_r3a fr-%gl_rb fr-%gl_r3d fr-ln_rc fr-tn_r3a

Utveckling av robusta perenna sädesslag för anpassning till klimatförändringar X H. bulbosum höstkorn Introgressions-linjer med Hordeum bulbosum segment Perennial wild barley - Hordeum bulbosum Johnston et al. 009 Houben and Pickering, 009

Swedish University of Agricultural Sciences perennial barley and perennial wheat Modifierad från http://www.csu.edu.au/research/grahamcentre/conferences_workshops/perennial_grains/pdfs/13%0fengyi%0hu.pdf

Ökad kunskap om böndernas kassavaodling genom att kombinera molekylära genetiska markörer och intervjuer med bönderna Böndernas önskemål? Odling av lokalasorter? Adoption of nya förädlade sorter? Westerbergh, Hoang, Tran, Ngo, Le, Vu, Lundquist, - Proceeding of the Agricultural Research for Development Conference: Innovations and Incentives, Uppsala, Sweden 01 Kizito, Rönnberg-Wästljung, Egwang, Gullberg, Fregene,Westerbergh - Hereditas 007 Kizito, Chiwona-Karltun, Egwang, Fregene,Westerbergh - Genetica 006 Kizito, Bua, Fregene, Egwang, Gullberg, Westerbergh - Euphytica 005

Interdiciplinär forskning Intervjuer namn på odlade sorter urprung morfologisk beskrivning ändamål föda, foder, stärkelse, biobränsle önskade egenskaper odlingsmetoder Fältobservationer Molekylära markörer genetisk bar code genetisk diver

För-förädling växtförädling Utveckling av nya sorter med förbättrade egenskaper som högre avkastning, högre näringsinnehåll, resistens mot sjukdomar och insekter, bättre anpassade till klimatförändringar etc. Modern växtförädling använder sig av molekylära genetiska metoder (markör-baserad selektion), eller transformering (insättning av enstaka gener) eller modifiering av gener Korsning av utvalda genotyper Selektion av avkommeplantor med önskvärda egenskaper baserat på både fenotypisk utvärdering (fältförsök) och genetiska markörer On-farm testing Ny sort på marknaden

Traditionell förädling Kassava-mosaik-virus X Korsning av utvalda genotyper friska sjuka/infekterade Selektion av avkommeplantor med önskvärda egenskaper baserat på fenotypisk utvärdering (fältförsök)

Markör-baserad selektion Hypotetisk genetisk markör: CTGACCTAA X Korsning av utvalda genotyper Genetisk markör: CTGACCTAA - Även multipla markörer ATTGACCTAA Selektion av avkommeplantor med önskvärda egenskaper baserat på både fenotypisk utvärdering (fältförsök) och genetiska markörer

Genetisk modifiering En gen - CTGACCTAA - -Modifiering av gener - -Transformering/insättning av enstaka gener, t.ex -Bt-grödor (Bacillus thurengiensis) insektsresistens -Roundup-ready-grödor- (bakterie) resistens mot ogräsbekämpningsmedel - Golden rice (påsklilja+bakterie), betakaroten -Bladmögeltolerans hos potatis (vild släkting) ATTGACCTAA CTGACCTAA Korsning av modifierade genotyper/fenotyper