десно|мини|252x252пиксел| Култивар Јекоро пшенице (десно) је осетљив на салинитет, биљке настале хибридним укрштањем са култиваром W4910 (лево) показују већу отпорност на висок салинитет Оплемењивање биљака је наука о промени својстава биљака у циљу добијања жељених карактеристика.Breeding Field Crops. 1995. Sleper and Poehlman. Page 3 Користи се за побољшање квалитета исхране у производима за људе и животиње. Циљеви оплемењивања биљака су да производе сорте усева које се одликују јединственим и супериорним особинама за разне примене у пољопривреди. Најчешће се утиче на особине које се односе на толеранцију на биотски и абиотски стрес, принос зрна или биомасе, карактеристике квалитета као што су укус или концентрација специфичних биолошких молекула (протеина, шећера, липида, витамина, влакана) и лакоћа обраде (жетва, млевење, печење, претварање у слад, мешање итд.). Оплемењивање биљака може се остварити помоћу многих различитих техника, од једноставног одабира биљака са пожељним карактеристикама за размножавање, до метода које користе знање о генетици и хромозомима, и до сложенијих молекуларних техника (видети култиген и култивар). Гени у биљци су оно што одређује какве ће квалитативне или квантитативне особине имати. Оплемењивачи биљака теже стварању специфичног исхода код биљака и потенцијално нових сорти биљака.
То широм света практикују појединци попут баштована и пољопривредника, као и професионални узгајивачи биљака запослени у организацијама као што су владине институције, универзитети, индустријска удружења или истраживачки центри специфични за усеве.
Међународне агенције за развој сматрају да је оплемењивање нових култура важно за осигурање сигурности хране развијањем нових сорти које дају веће приносе, отпорне су на болести, отпорне су на сушу или су регионално прилагођене различитим окружењима и условима узгоја.
Историја Оплемењивање биљака почело је са пољопривредом, а посебно припитомљавањем првих пољопривредних биљака, што је пракса која се процењује да траје уназад 9.000 до 11.000 година. У почетку су ратари једноставно бирали прехрамбене биљке са посебно пожељним карактеристикама и користили их као пра-узорке за наредне генерације, што је довело до накупљања драгоцених фенотипских особина током времена.
Технологија калемљења практикована је у Кини пре 2000. године п. н. е.
До 500. п. н. е. ере калемљење је већ било добро успостављено и практиковано.
Грегор Мендел (1822–1884) сматра се „оцем генетике“. Његови експерименти са хибридизацијом биљака довели су до успостављања закона наслеђивања. Генетика је стимулисала истраживања ради побољшања производње биљака оплемењивањем биљака.
У савременом оплемењивању биљака примењује се генетика, али њена научна основа је шира, и обухвата молекуларну биологију, цитологију, систематику, физиологију, патологију, ентомологију, хемију и статистику (биометрија).
Класично оплемењивање биљака мини| Селективним оплемењивањем повећане су жељене особине биљке дивљег купуса (Brassica oleracea) током стотина година, што је резултирало десетинама данашњих пољопривредних култура. Купус, кељ, броколи и карфиол, све су култивари ове биљке. Главна техника оплемењивања биљака је селекција, процес селективног размножавања биљака са пожељним карактеристикама и елиминисање или „одстривање“ оних са мање пожељним карактеристикама.
Друга техника је намерно укрштање блиско или удаљено повезаних јединки како би се произвеле нове сорте или линије усева са пожељним својствима. Биљке су укрштане како би унеле особине/гене из једне сорте или линије у нову генетску подлогу. На пример, грашак отпоран на плесни може се укрстити са грашком који је осетљив, али даје високе приносе, циљ укрштања је увођење отпорности на плесни без губитка карактеристике високог приноса. Потомство укрштања би се затим укрштало са врстом високог приноса како би се осигурало да потомство највише личи на родитеља са високим приносом (укрштање хибрида са једним од родитеља). Затим би се потомство тог укрштања тестирало на принос (селекција, као што је горе описано), а отпорност на плесан и биљке са високим приносом би се даље развијале. Биљке се такође могу укрштати саме са собом за производњу сорти за размножавање. Опрашивачи се могу искључити употребом врећица за опрашивање.
Класично обогаћивање се у великој мери ослања на хомологну рекомбинацију између хромозома да би се створила генетска разноликост. Такође се могу користити бројне ин витро технике попут фузије протопласта, спашавања заметака или мутагенезе да би створила разноликост и произвеле хибридне биљке које не постоје у природи.
Својства која су узгајивачи покушали да укључе у усеве укључују:
Побољшан квалитет, попут повећане хранљиве вредности, побољшаног укуса или веће лепоте Повећани принос усева Повећана толеранција притисака животне средине (салинитет, екстремна температура, суша) Отпорност на вирусе, гљивице и бактерије Повећана толеранција на инсекте Повећана толеранција на хербициде Дужи рок складиштења убраних усева
Пре Другог светског рата десно|мини| Гартонов каталог из 1902. Џон Гартон је 1890-их у Енглеској основао фирму Гартон оплемењивачи пољопривредних биљака и био један од првих који су комерцијализовали нове сорте пољопривредних култура створене унакрсним опрашивањем. Фирма је прво произвела и почела да продаје овас, једну од првих сорти пољопривредног зрна оплемењену контролисаним укрштањем, 1892. године.Spring Seed Catalogue 1899, Gartons Limited
Почетком 20. века узгајивачи биљака су схватили да би Менделова открића о случајној природи наслеђивања могла да се примене на популације садница произведене намерним опрашивањем како би се предвиделе учесталости различитих врста. Хибриди пшенице узгајани су да би повећали производњу усева у Италији током такозване "Битке за жито" (1925-1940). Хетерозис је објаснио Џорџ Харисон Шул. Описује тенденцију потомства одређеног укрштања да надмаши оба родитеља. Кукуруз је прва врста у којој се хетерозис широко користио за производњу хибрида.
Такође су развијане статистичке методе за анализу деловања гена и разликовање наследних варијација од варијација изазваних окружењем. Маркус Мортон Роудс је 1933. године описао другу важну технику узгоја, цитоплазматски мушки стерилитет (ЦМС), развијен у кукурузу. ЦМС је наслеђено својство због које биљка производи стерилни полен. То омогућава производњу хибрида без потребе за интензивним уклањањем реса.
Ове ране технике оплемењивања резултирале су великим порастом приноса у Сједињеним Државама почетком 20. века. Слично повећање приноса није било на другим местима све док после Другог светског рата Зелена револуција није повећала производњу усева у свету у развоју током 1960-их.
После Другог светског рата мини| In vitro-култура Vitis (винова лоза), Институт за оплемењивање грожђа Geisenheim Након Другог светског рата развијене су бројне технике које су узгајивачима биљака омогућавале хибридизацију врста и вештачки индуковале генетску разноликост.
Када се укрштају далеке сродне врсте, оплемењивачи биљака користе се многим техникама културе биљног ткива како би произвели потомство од иначе неплодног парења. Интерспецифични и интергенерични хибриди настају из укрштања сродних врста или родова који се нормално сексуално не размножавају. Ова укрштања се називају Широка укрштања. На пример, тритикале житарица је хибрид пшенице и ражи. Ћелије у биљкама изведене из прве генерације створене укрштањем садрже неравномерни број хромозома и као резултат тога стерилне су. Инхибитор деобе ћелије колхицин коришћен је да удвостручи број хромозома у ћелији и на тај начин омогући производњу плодне линије.
Неуспех у производњи хибрида може бити последица некомпатибилности пре или после оплодње. Ако је могућа оплодња између две врсте или рода, хибридни заметак може да абортира пре сазревања. Ако се то догоди, заметак који је резултат интерспецифичног или међугенеричног укрштања понекад се може спасити и узгајати да би створио читаву биљку. Такав метод се назива спасоносни ембрион. Ова техника се користи за производњу новог пиринча за Африку, интерспецифичног укрштања азијског пиринча (Oryza sativa) и афричког пиринча (Oryza glaberrima).
Хибриди се такође могу произвести техником која се зове протопласт фузија. У овом се случају протопласти спајају, обично у електричном пољу.
Хемијски мутагени попут ЕМС и ДМС, зрачење и транспозони користе се за стварање мутанта са пожељним особинама који би се оплемењивали са другим култиварима - процес познат као мутацијско оплемењивање. Узгајивачи класичних биљака такође стварају генетску разноликост унутар врсте, користећи процес назван сомаклонална варијација, који се јавља код биљака произведених из културе ткива, посебно биљака које потичу од калуса. Такође се може користити индукована полиплоидија, додавање или уклањање хромозома техником која се назива инжењеринг хромозома. лево|мини| Пољопривредно истраживање биљака кромпира Кад се пожељна особина оплемењује у врсту, прави се већи број укрштања фаворизираног родитеља како би нова биљка била што сличнија родитељу који је пожељан. Враћајући се примеру грашка отпорног на плесан који се укршта са високо приносним, али осетљивом грашком, како би потомство грашка отпорног на плесан највише сличило родитељу са високим приносом, потомство ће се пребацити на тог родитеља за неколико генерација. Овим поступком се уклања највећи део генетског доприноса родитеља отпорног на плесан. Класични узгој је, дакле, циклични процес.
Са класичним техникама оплемењивања, одгајивач не зна тачно који су гени уведени у нове култиваре. Неки научници стога тврде да биљке произведене класичним методама оплемењивања треба да прођу исти режим безбедносног тестирања као и генетски модификоване биљке. Било је случајева да су биљке узгајане класичним техникама биле неприкладне за људску исхрану, на пример, отров соланин је ненамерно порастао на неприхватљив ниво у неким сортама кромпира оплемењивањем биљака. Нове сорте кромпира се често прегледају на ниво соланина пре него што дођу до тржишта.
Савремено оплемењивање биљака Савремено оплемењивање биљака може користити технике молекуларне биологије да би се одабрале, или у случају генетске модификације, да би се убациле пожељне особине у биљке. Примена биотехнологије или молекуларне биологије позната је и као молекуларно оплемењивање. мини|350x350пиксел| У оплемењивању биљака данас се користе савремени апарати из молекуларне биологије.
Маркерима потпомогнут избор Понекад много различитих гена може утицати на пожељну особину у узгоју биљака. Употреба алата као што су молекуларни маркери или ДНК анализа могу мапирати хиљаде гена. То омогућава оплемењивачима биљака да претраже велику популацију биљака на оне које имају особину од интереса. Скрининг се заснива на присуству или одсуству одређеног гена утврђеног лабораторијским процедурама, а не на визуелном препознавању изражених особина у биљци. Сврха селекције потпомогнуте маркерима, или анализе биљних генома, је идентификација локације и функције (фенотипа) различитих гена у геному. Ако су сви гени идентификовани, то води у секвенцу генома. Све биљке имају различите величине и дужине генома са генима који кодирају различите протеине, али многи су такође исти. Ако су локација и функција гена идентификоване код једне биљне врсте, врло сличан ген се вероватно може наћи и на сличној локацији у геному друге врсте.
Реверзно оплемењивање и удвостручени хаплоиди (ДХ)