Zadanie 3.8. (Mgr. M. Przyborowski)
Speed breeding, jako wsparcie hodowli w szybkim wyprowadzaniu odmian pszenicy zwyczajnej jarej (Triticum aestivum L.) oraz jęczmienia zwyczajnego jarego (Hordeum vulgare L.).
Osoba odpowiedzialna (w instytucie badawczym): Mgr. M. Przyborowski
CEL:
opracowanie protokołu uprawy typu speed breeding prowadzącej do maksymalnego przyspieszenia cyklu hodowlanego pszenicy zwyczajnej oraz jęczmienia zwyczajnego.
UZASADNIENIE:
Hodowla roślin uprawnych znalazła się przed bardzo dużym wyzwaniem, jakim jest zapewnienie żywności stale zwiększającej się populacji ludzi oraz związanym ze zmianami klimatu, jakie obecnie dotykają cały świat w tym i Polskę. W obecnym modelu hodowli roślin w sprzyjających warunkach wyprowadzenie nowej odmiany pszenicy i jęczmienia zajmuje min. 8 lat i jest to proces bardzo uzależniony od warunków pogodowych. Uprawy szklarniowe roślin pszenicy i jęczmienia, wykorzystujące energochłonne oświetlenie HPS (lampy sodowe), pozwalają na uzyskanie dwóch pokoleń w jednym roku i obarczone są bardzo wysokimi nakładami wynikających z dużej ilości energii elektrycznej, niezbędnej do zasilenia samych lamp oraz do procesu schłodzenia fitotronu / szklarni z wyemitowanej energii cieplnej, którą te lampy emitują.
W przedstawionym temacie proponowane jest zastosowanie nowej techniki uprawy pszenicy zwyczajnej i jęczmienia zwyczajnego, która pozwoli na wyprowadzenie pięciu, a w sprzyjających warunkach nawet sześciu pokoleń rocznie.
Pierwszym etapem projektu będzie zaprojektowanie lamp LED, które będą spełniały wszystkie wymagania, co do jakości i ilości światła (340-590 µmol m−2 s−1), niezbędnego dla pszenicy i jęczmienia. Istotny jest fakt, że lampy LED w stosunku do np. lamp sodowych, aby wypromieniować taką samą ilość światła, potrzebują mniej energii elektrycznej. Na przykład 250 watowa (W) lampa LED odpowiada 600 W lampie sodowej pod względem ilości światła wypromieniowywanego. Przekłada się to również na mniejsze zapotrzebowanie na energię elektryczną niezbędną do chłodzenia energii cieplnej wytworzonej przez te lampy. Przewagą technologii LED jest również długa trwałość produktu nawet do 100000 godzin pracy bez spadku jakości światła.
W celu optymalizacji protokołu uprawy jęczmienia i pszenicy w warunkach speed breeding zostanie wykonany szereg analiz wzrostu i stanu fizjologicznego roślin. Zostaną wykonane analizy porównawcze między uprawą speed breeding, a „standardowym” sposobem uprawy w fitotronie, tj. 16 godzin dzień, 8 godzin noc. Do analizy zostaną wybrane 4 odmiany pszenicy i 4 odmiany jęczmienia, a będą mierzone: zawartość reaktywnych form tlenu, aktywności enzymów antyoksydacyjnych, wydajność fotosystemu II (PSII) po adaptacji do ciemności oraz analiza ekspresji genów uczestniczących miedzy innymi w szlakach sygnałowych indukowanych stresorem (np. AAO3, CPS3), systemu antyoksydacyjnego (APX1, GRC1), czy związanych z fotosyntezą (RBCL, RBCS). Planowane analizy zostaną wykonane w 4 punktach czasowych rozwoju – (1) maksymalna liczba rozkrzewień – koniec krzewienia (BBCH: 29), (2) widoczne pierwsze ości (BBCH: 49), (3) pylenie (BBCH: 61) oraz (4) w rozwijających się ziarniakach 7 dni po pyleniu w przypadku „standardowej” uprawy fitotronowej i identyczny moment pod względem rozwoju w uprawie speed breeding (rozwój całej rośliny w tym i ziarniaków jest przyspieszony). Analizy zostaną wzbogacone przez pomiary fenotypowe opisujące wzrost i plonotwórczość: m.in. liczba kłosów, liczba ziarniaków, długość pędów. Wyżej wymienione analizy będą narzędziami, które pozwolą wybrać najlepszy rodzaj oświetlenia (ilość i jakość światła), czas trwania dnia i nocy oraz sposób nawożenia roślin zbożowych. Ponadto będzie dobierany w sposób eksperymentalny odpowiedni czas zbioru nasion (przed pełną dojrzałością) oraz sposób kiełkowania (czas inkubacji w temperaturze 4°C, dodatku w postaci GA3 lub / i inhibitorów ABA) w celu opracowania optymalnego sposobu skracania cyklu życiowego pszenicy i jęczmienia.
HARMONOGRAM:
- dobór odpowiednich diod LED (odpowiednie spektrum i moc) i budowa lampy do oświetlania roślin (co najmniej 2 prototypy);
- analiza stanu fizjologicznego roślin w różnych warunków uprawy w celu maksymalnego przyspieszenia cyklu życiowego pszenicy i jęczmienia;
- optymalizacja protokołu kiełkowania pszenicy i jęczmienia, przerywającego spoczynek nasion.
Planowane na 2021 r. mierniki:
- liczba przebadanych linii i form roślin – 8;
- liczba przetestowanych źródeł światła – 2;
- liczba analiz fizjologicznych, chemicznych, cytologicznych, chemicznych, biochemicznych lub molekularnych – 768;
- liczba zoptymalizowanych protokołów kiełkowania pszenicy i jęczmienia – 2.