21 Jun Upotreba znanja iz genomike u poljoprivrednim istraživanjima
Debora Santo
Saradnik na projektu, Institut BioSens
Tokom prve poljoprivredne odnosno neolitske revolucije (pre oko 10.000-30.000 godina), ljudi su razvili blizak odnos sa biljkama koje su počeli uzgajati kao hranu. Uspostavljanje trajnijih naselja koja su se sve više oslanjala na stabilnu ishranu zasnovanu na biljnim izvorima hrane se pokazalo kao uspešniji životni stil od pređašnjeg lovačko-sakupljačkog. Rani poljoprivrednici (slika 1) bi odabirali semena divljih biljaka oko sebe i uzgajali ih na svojim njivama radi proizvodnje hrane ili drugih biljnih proizvoda. Posmatrajući kako su biljke rasle i izgledale, ili kakvog su ukusa i prinosa, oni bi čuvali semena za njih najboljih biljaka, te ta semena sadili sledeće sezone. Ovaj vid odabira semena je bio zasnovan samo na osobinama vidljivim golim okom, dok sve osobine biljke zajedno čine fenotip te biljke. Ljudska (antropogena) selekcija je zajedno sa prirodnom selekcijom usmerila evoluciju uzgajanih (pripitomljenih/domestikovanih) biljaka u smeru koji se razlikovao od selekcije među njihovim divljim srodnicima. Uzgajanje biljaka od strane ljudi je takođe dovelo i do geografskog proširenja površine na kojima su rasle te biljke, kao i lokalnog prilagođavanja na klimu i zemljište, usled čega su se razvile različite lokalno adaptirane sorte. U ovom procesu, neke nove osobine su se pojavile među usevnim biljkama usled novih mutacija ili zbog selekcije usmerene ljudskim izborom – 1971. godine je Harlan te osobine nazvao sindromom domestikacije.
Slika 1. Prvi poljoprivrednici
(izvor: http://the-origins-of-agriculture.blogspot.com/2014/04/facts-about-agricultural-revolution.html)
Dugo nismo znali mnogo o tome kako se fenotipske osobine nasleđuju, dok Gregor Mendel (1822-1844.) nije započeo svoje oglede na grašku u manastiru gde je bio kaluđer. Zbog tih istraživanja, Mendel se smatra ocem genetike, naročito genetike biljaka. Posmatrajući verovatnoću pojave osobina biljaka koje su bile potomci ukrštanja roditeljskih biljaka sa različitim osobinama (slika 2), izveo je zaključke na osnovu kojih su nastali prvi zakoni nasleđivanja. Ovi zakoni čine osnovu genetike i dan danas za osobine sa jednostavnijim modelima nasleđivanja. Tek kasnije je niz otkrića doveo do saznanja da DNK molekul smeštan unutar ćelija nosi kôd koji određuje razvoj fenotipa. Sva DNK unutar ćelije sačinjava genom, odnosno genotip organizma i obuhvata celokupnu genetičku konstituciju datog organizma.
Slika 2. Osobine graška koje je istraživao Mendel (izvor: https://slideplayer.com/slide/5962714/, izmenjeno)
Kasnih 1900-ih, zelena revolucija je dovela do prelaska sa tradicionalne na modernu poljoprivredu. Tada je nekoliko visokoprinosnih sorti izabrano za uzgajanje na velikim površinama pod monokulturom i intenziviranom mehanizacijom. Iako je to rešilo hitnu potrebu za uzgajanjem dovoljno hrane za rastući broj stanovništva, dodatno je smanjilo genetičku varijabilnost većine naših useva, čineći ih uniformnijim i podložnijim bolestima, kao i sa smanjenim potencijalom za prilagođavanje na stresne uslove životne sredine.
Trenutno, većina srednjih i većih poljoprivrednika se oslanja na semena sorti i hibrida razvijenih od strane semenarskih kompanija. Ta semena se konstantno testiraju i dalje razvijaju radi poboljšanja osobina upotrebom modernih oplemenjivačkih metoda, koje se sve više oslanjaju na znanja iz genetike i genomike. Fokus naučnika u oblasti poljoprivrede, kako u akademiji tako i u industriji, usmeren je na nekoliko međusobno povezanih istraživačkih ciljeva, koji treba da nam pruže dodatno znanje o tome kako genotip usmerava razvoj fenotipa. Ova saznanja nam mogu pomoći da donosimo informisane odluke, kao i vršimo efikasniju selekciju i poboljšanje useva, kako bismo poljoprivrednicima obezbedili dobar izbor semena – a poljoprivrednici su osnovna karika u proizvodnji dovoljno zdrave hrane za ishranu celokupnog stanovništva.
Glavni naučno-istraživački ciljevi uključuju poboljšanje razumevanja o lokaciji, funkciji, ekspresiji i interakciji određenih gena od interesa (delova DNK kôda koji utiču na prinos, otpornost na biotički ili abiotički stres, nutritivni kvalitet, itd.), kao i celokupnoj genomskoj arhitekturi useva, kako bismo odredili kako varijabilnosti u genomu utiču na razvoj različitih fenotipa. Takođe je neophodno analizirati i genetičku varijabilnost među divljim srodnicima usevnih biljaka, lokalnih ili elitnih sorti, da bismo znali širinu genetičke raznovrsnosti koja nam je na raspolaganju u diverzitetu dostupnom u prirodi. Ovo znanje možemo koristiti radi poboljšanja prinosa ili otpornosti na određene bolesti ili sredisnki stres (kao što je suša) kroz ukrštanja između otpornijih divljih srodnika ili lokalno adaptiranih sorti sa visokoprinosnim elitnim sortama, radi dobijanja novih sorti koje su otpornije uz zadržavanje visokih prinosa. O meri naslednosti osobina i tome u kojoj meri variraju pod uticajem uslova sredine saznajemo kroz studije interakcije genotipa sa sredinom. Pored toga, moramo nastaviti i dalje da razvijamo genomske alate za rešenja specifičnih problema u poljoprivredi, pošto različiti usevi i istraživački problemi zahtevaju specifično optimizovana rešenja.
