HYBRIDNÍ ODRŮDY V SEMENÁŘSTVÍ A PRAXI

Doc. Ing. Josef Habětínek, CSc.

ČZU v Praze, Katedra genetiky a šlechtění

Hybridní odrůdy, jejich genetická struktura a reprodukce

Odrůdu, jíž zákon č.92/1996 Sb. definuje jako soubor jedinců náležející k jediné nejnižší kategorii botanického třídění, definovaný projevem znaků určitého genotypu nebo kombinace genotypů, odlišující se od jiných souborů rostlin projevem nejméně jednoho z těchto znaků a rozmnožovatelný beze změny, můžeme z hlediska genetické skladby obecně charakterizovat jako soubor jedinců buď stejného, či různého genotypu, přičemž se může jednat o genotyp či genotypy homozygotní, či v různé míře heterozygotní. Z toho vyplývá, že odrůdy se mohou lišit jak mírou genotypové heterogenity, tak heterozygotnosti. Ze zákonné definice odrůdy je zřejmé, že její genetická skladba musí umožňovat rozmnožovatelnost beze změny.

Odrůdy typu klon u vegetativně množených druhů, liniová odrůda u samosprašných a odrůda populace u cizosprašných generativně se rozmnožujících druhů jsou přímo reprodukovatelné a v zásadě umožňují využívání libovolného množství reprodukcí. Z tohoto hlediska se od uvedených tří základních typů odrůd podstatně liší kategorie označovaná jako hybridní odrůda. Odrůdou je generace F1, tedy první filiální generace, vzniklá po křížení rodičovských komponet, kterými jsou většinou do značné míry homozygotní genotypy označované jako inbrední linie. V závislosti na tom z kolika inbredních linií je odrůda vytvářena, rozlišujeme následující typy hybridních odrůd.

Sc (single cross) - jednoduchý dvouliniový hybrid. Je generací F1 vzniklou po křížení dvou inbredních linií. Vyznačuje se vysokým stupněm genotypové homogenity a heterozygotnosti. Tyto parametry zabezpečují vysoký stupeň hospodářské uniformity a výkonnosti, jakožto projevu heterozního efektu. Těsná vazba mezi mírou heterozygotnosti a výší heterozního efektu znamená, že tento je maximální v generaci F1 a v dalších generacích se v důsledku poklesu heterozygotnosti snižuje. V důsledku štěpení dochází ke vzniku genetické variability jež se manifestuje ztrátou uniformity a genetické identity odrůdy. V současnosti je dvouliniový hybrid nejčastějším typem hybridní odrůdy. Vzhledem ke své genetické struktuře se u něj ve srovnání s ostatními typy hybridních odrůd v nejvyšší míře projevují základní přednosti hybridní odrudy, vysoký genetický výnosový potenciál a uniformita.

Ostatní typy hybridních odrůd, které dále uvádíme, mají ve svém výskytu sestupný trend a jsou postupně nahrazovány typem Sc. V sortimentu registrovaných odrůd v ČR se vyskytují především u kukuřice.

Tc (triple cross) - tříliniový hybrid je hybridní odrůda vzniklá po postupném zkřížení tří inbredních linií. Použijeme-li k označení rodičovských linií písmena A, B, C, pak odrůda, respektive její osivo vznikne jako výsledek křížení linií (A x B) x C. Z toho je zřejmé, že hybridní odrůda typu Tc se při vysokém stupni heterozygotnosti, ve srovnáním s odrůdou typu Sc, vyznačuje i určitou mírou genotypové heterogenity. Jejím důsledkem může být i nižší uniformita, ale naopak může příznivě ovlivnit míru adaptability a plasticity tohoto typu hybridní odrůdy.

Oba výše uvedené typy hybridních odrůd se mohou vyskytovat v modifikované verzi. Schema skladby modifikovaného jednoduchého hybrida - MSc je (A x A´) x (B x B´) resp. A x (B x B´), popřípadě (A x A´) x B a schema skladby modifikovaného tříliniového hybrida - MTc je (A x B) x (C x C´). Linie označené stejnými písmeny jsou stejného původu, tedy sublinie pocházející ze stejné výchozí linie. To znamená , že jejich genotypy jsou velmi podobné.

Dc (double cross) - dvojitý čtyřliniový hybrid je výsledkem postupného zkřížení čtyř inbredních linií. Nejdříve se vytvoří dva jednoduché hybridy, mateřský a otcovský Sc a ty se pak kříží pro produkci osiva hybridní odrůdy. Tento typ hybridní odrůdy se vyznačuje jak vysokým stupněm heterozygotnosti, tak i poměrně vysokým stupněm genotypové heterogenity. Ve srovnání s odrůdami typu Sc a Tc se čtyřliniový hybrid zpravidla vyznačuje nižší fenotypovou vyrovnaností a nižším genetickým výnosovým potenciálem. Obvykle ho charakterizuje vyšší míra adaptability a výnosové stability.

K hybridním odrůdám staršího typu, tvořícím přechod k výše uvedeným liniovým hybridům, patří meziodrůdové hybridy označované zkratkou Vc (variety cross) a hybridy odrůdoliniové typu Vlc (variety-line cross) a Lvc (line-variety cross). Tyto hybridní odrůdy sehrály svoji roli ve vývoji odrůdové skladby u kukuřice, cukrovky a krmné řepy, ale v současnosti již byly zcela, či jsou postupně nahrazovány meziliniovými hybridy.

Dále se proto budeme zabývat především liniovými hybridy s akcentem na typ Sc, jež nejlépe manifestuje přednosti hybridní odrůdy.

Společným rysem pro všechny hybridní odrůdy je nutnost jejich reprodukce pouze na základě rodičovských komponent. Semenářství hybridní odrůdy musí tedy zajistit nejen produkci hybridního osiva, ale též množení a uchování genetické identity všech komponent hybridní odrůdy. Vzhledem k tomu, že komponenty hybridní odrůdy má k dispozici pouze oficiální výrobce hybridního osiva, je hybridní odrůda jejím uživatelem, pokud chce zachovat její genetickou identitu nereprodukovatelná. Osivo hybridní odrůdy proto ze strany uživatele vyžaduje 100 % obměnu, tedy pravidelný nákup od oficiálního množitele. Hybridní odrůda svojí genetickou skladbou automaticky brání neoprávněnému obchodnímu využívání odrůdy a v podstatě vylučuje tzv. “černý trh s osivem”.

Hybridní odrůda - obecná charakteristika, srovnání s odrůdou typu populace

Hybridní odrůda svojí genetickou konstitucí využívá jevu heteroze, který se manifestuje v podobě větší výkonnosti a životnosti hybridů první filialní generace (F1), vzniklé křížením vhodně se kombinujících rodičovských forem, nejčastěji inbredních linií.

Heteroze se může projevovat mohutnějším růstem, rychlejším vývojem, celkovým zvýšením výnosu, vyšší odolností vůči biotickým a abiotickým stresovým faktorům. Zvýšená mohutnost a rychlost vývoje se obvykle projevuje již v nejmladším vývojovém stadiu hybrida a udržuje se často po celé jeho vegetační období.

Heteroze se projevuje především ve výnose a jiných polygenně založených kvantitativních znacích. V menší míře, či vůbec se neprojevuje u znaků kvalitativních založených oligogenně.

Výše heteroze je obecně ovlivňována stupněm heterozygotnosti hybrida. Ten závisí na genetické vzdálenosti (odlišnosti) rodičovských komponent hybridní odrůdy. Jak bylo výše uvedeno, odrůda typu Sc je složena z jedinců genotypově stejného a ve vysokém stupni heterozygotního genotypu.

Odrůda populace téhož druhu je sice taktéž složena z jedinců ve značné míře heterozygotních, ale z mechanizmu vzniku a reprodukce odrůdy populace je zřejmé, že se jedná o různé heterozygoty s různým stupněm heterozygotnosti. Z toho vyplývá, že hybridní odrůda má proti odrůdě populaci výhodu nejen ve vyšším genetickém výnosovém potenciálu, ale též ve vyrovnanosti ve významných hospodářských znacích jako je ranost, kvalita, odolnost abiotickým a biotickým stresovým faktorům a vzhled. Vyrovnanost daná genetickou homogenitou je zvláště ceněna u některých zelenin, protože umožňuje jednorázovou sklizeň a vzhledem k ranosti i dosažení vysokého tržního výnosu.

Přestože hybridní odrůdy mají ve srovnání s odrůdami populacemi řadu předností, jejich plné využití do značné míry závisí na pěstitelských podmínkách. Vliv špatných pěstitelských podmínek a nevhodné agrotechniky nelze eliminovat použitím hybridní odrůdy. V takovém případě se někdy ukazuje jako výhodnější, pokud to je možné, použít levnější osivo odrůdy populace.

Základní schema a některé problémy semenářství hybridních odrůd

Jedním z cílů semenářství hybridní odrůdy je uchování genetické čistoty, liniového charakteru inbredních linií v procesu jejich reprodukce. Nežádoucí cizosprášení, či jiný způsob genetické kontaminace, může nejen nevratně změnit genotyp samotné inbrední linie, ale především se negativně projevit na kvalitě hybridní odrůdy. Při množení mateřských linií s CMS může dojít k narušení pylové sterility. Opět to může mít negativní vliv na čistotu genetické struktury hybridního osiva. Inbrední linie jsou vzhledem k projevům inbrední deprese velmi citlivé na negativní vlivy vnějšího prostředí a k zajištění jejich úspěšné reprodukce je nezbytné zajistit co nejlepší pěstitelské podmínky včetně výběru vhodné lokality. To pochopitelně platí i při jejich pěstování na hybridizační parcele, kde se vyrábí hybridní osivo.

Při vlastní výrobě hybridního osiva je cílem získat co nejvyšší, tedy 100 % hybridnost. Toho se dosahuje u některých druhů (kukuřice, rajče, tabák, pelargonie, begonie) mechanickou, nebo chemickou kastrací (pšenice), u jiných druhů se využívá geneticky determinovaných mechanizmů, jež tuto kastraci nahrazují. Především se jedná o využití cytoplasmatické pylové sterility (kukuřice, žito, cukrovka, krmná řepa, mrkev, cibule), autoinkompatibility (zelí,kapusta, brukev, květák, pekingské zelí, řepka) a genetické determinace pohlavního typu (okurky, tykve, melouny).

Všechny tyto mechanizmy, resp. je podmiňující geny, jež mají u mateřské linie vyloučit opylení vlastním pylem, nemusí vždy vykazovat úplnou penetranci a expresivitu. Zvláště při množení za extremních podmínek prostředí může dojít k jejich částečnému selhání a tím k narušení genetické čistoty hybridního charakteru osiva hybridní odrůdy.

K ověření pravosti a genetické čistoty hybridnosti osiva jsou dnes k dispozici laboratorní biochemické a molekulární metody založené na elektroforetické analýze izoenzymů, zásobních bílkovin, či struktury DNA.

Celý proces semenářství hybridních odrůd je ve srovnání s množením odrůd populací, či liniových odrůd náročnější, pracnější a “zranitelnější”. Vyšší náklady na výrobu hybridního osiva se projevují v jeho tržní ceně, která bývá proti nehybridním odrůdám dvakrát až pětkrát vyšší.

K reprodukci nejjednoduššího typu hybridní odrůdy, dvouliniového hybrida, jehož osivo vyrábíme využitím ruční kastrace, či CMS mateřské inbrední linie, je nezbytné mít k dispozici tři vhodné prostorově odizolované pozemky, mezi nimiž s vysokou pravděpodobností nemůže dojít k přenosu pylu. První dva pozemky slouží k množení rodičovských inbredních linií a na třetím pozemku se vyrábí hybridní osivo. Jsou na něm buď střídavě vysety řádky mateřské a otcovské inbrední linie s různou převahou mateřské linie (kukuřice, řepka, mrkev, cibule), nebo se používá směsný výsev mateřské linie s nízkým podílem linie otcovské (žito). V prvním případě se otcovská linie po opylení z pozemku odstraňuje, v druhém případě je otcovský komponent součástí hybridního osiva. Vzhledem k jeho nízkému podílu (cca 5 %) a dobré vlastní hospodářské hodnotě, kvalitu hybridní odrůdy příliš neovlivní.

Současnost a perspektivy využití hybridních odrůd v ČR

Hybridní odrůdy se dosud v praxi uplatňují většinou u druhů cizosprašných jako alternativa k odrůdám populacím. Buď se na sortimentu registrovaných odrůd s odrůdami populacemi spolupodílejí (žito, mrkev, krmná řepa), popřípadě tyto převážně, či zcela nahradily (kukuřice, cukrovka, okurky, kapusta, pekingské zelí, petunie). Spíše vyjímečně se hybridní odrůdy uplatňují u samosprašných druhů jako alternativa odrůd linií (rajče, paprika, tabák).

Z polních plodin se hybridní odrůdy nejdříve a v největším rozsahu uplatnily u kukuřice. V současném sortimentu je v ČR registrováno z celkového počtu 116 cca 53 % dvuliniových, 40 % tříliniových a pouze 7 % čtyřliniových hybridů. Při sledování trendu vývoje odrůdové skladby co se týče typu hybridní odrůdy, je zřejmý vzestup kategorie Sc. Podle údajů literatury se v současnosti v USA pěstují pouze hybridy typu Sc.

Další významnou plodinou, u které se v současnosti využívají pouze hybridní odrůdy, je řepacukrová. Stávající sortiment hybridních odrůd obsahující 53 položek je tvořen převážně odrůdami triploidními (41 odrůd). U této plodiny se vedle jevu heteroze současně využívá i efektu vyššího stupně ploidnosti. Takovéto výhodné spojení heteroze a polyploidie je dále využíváno při šlechtění hybridních odrůd krmné řepy a některých květin (Tagetes, Begonia, Antirhinum, Zinia).

K pro ČR méně významným plodinám, u nichž jsou registrovány pouze hybridní odrůdy patří slunečnice a čiroky.

K polním plodinám s významným podílem hybridních odrůd patří řepa krmná. V roce 1996 u ní bylo z 21 odrůd registrováno 80 % hybridů včetně čtyř odrůd typů Vc.

Další plodinou u které se hybridní odrůdy v ČR uplatnily až v tomto desetiletí je žito seté. V roce 1991 jeho sortiment obsahoval pouze odrůdy populace, ale v roce 1996 jsou z pěti registrovaných odrůd již tři odrůdy hybridní. Systém výroby hybridního osiva u této plodiny byl již zmíněn. Využívá se při něm CMS a obnovitel pylové fertility má spíše charakter syntetické populace s Rf-geny. Vzhledem k náročnosti výroby hybridního osiva a celého procesu semenářství hybridní odrůdy je cena osiva ve srovnání s odrůdou populací cca dvakrát vyšší.

Významnou plodinou u které lze očekávat vstup hybridních odrůd do sortimentu v nejbližších letech je řepka olejka.Tvorba hybridních odrůd se u této plodiny orientovala na využití CMS a sporofytické autoinkompatibility. V současnosti se jeví využití CMS jako úspěšnější. V roce 1994 byla ve Francii zaregistrována odrůda Synergy představující tzv. nerestaurovaný hybrid. Při výrobě hybridního osiva odrůdy se využívá patentovaného systému CMS (INRA/ogura), jež byl získán v důsledku fůze protoplastů druhů B. napus a Raphanus sativa a vzniku cybrida s genomem B. napus. Protože pro tento systém nebyl k dispozici vhodný obnovitel fertility, je vlastní hybridní odrůda, jako pylově sterilní Sc, vysévána ve směsi s opylovačem, tzv. přidruženou odrůdou, což v případě odrůdy Synergy je 20 % známé odrůdy Falcon. Podobného typu jsou i odrůdy Accent a Cannon. Podíl přidružené odrůdy obvykle kolísá mezi 20-30%. Takovýto typ hybridní odrůdy se v anglosaské literatuře označuje jako CHL (composite hybrid lines) a v němčině se nazývá “Verbundsorte”.

Jiným typem hybridní odrůdy řepky jsou odrůdy Joker a Pronto, které řadíme mezi restaurované hybridy. Jejich osivo je vyráběno na bázi CMS typu MSL, pro nějž je obnovitel pylové fertility k dispozici. Odrůdou jsou v tomto případě klasické hybridy typu Sc. V anglosaské literatuře je tento typ označován zkratkou RHF (Restorer Fertility Hybrid).

Z hlediska opylovacích poměrů jsou nerestaurované hybridy klasifikovány jako cizosprašné a restaurované jako samosprašné.Výroba hybridního osiva a celý systém semenářství, zvláště u restaurovaných hybridů je označován jako velmi náročný, speciálně pokud se jedná o množení mateřského komponenta s CMS. Vlastní výroba hybridního osiva je organizována běžným způsobem na prostorově izolovaném pozemku, kde jsou střídavě vysévány mateřský komponent s CMS a otcovský komponent v poměru 3 :1. Otcovský komponent je po odkvětu z pozemku odstraněn.

Který systém hybridní odrůdy se ukáže jako výhodnější zatím nelze jednoznačně říci. U nerestaurovaného hybrida se jako výhoda považuje skutečnost, že hybrid neprodukující pylová zrna může takto “ušetřené” asimiláty využít pro tvorbu semen (vyšší HTS). Nevýhodou tohoto typu hybrida, jak o tom svědčí dosavadní výsledky ze zahraničí, je určitá výnosová nestabilita způsobená větší závislostí na průběhu počasí v době kvetení. Chladné a vlhké počasí může být příčinou špatného opylení hybridních rostlin a nadměrného opadu květů.

Vedle hybridů produkovaných na bázi CMS se na evropském trhu zřejmě brzy objeví i hybridy vyráběné s využitím autoinkompatibility. Bližší informace o hospodářském uplatnění a zhodnocení některých hybridních odrůd žita a řepky v podmínkách ČR poskytují posterová vystoupení věnovaná této problematice.

Snahy o využití jevu heteroze tvorbou nejvýznamnějších samosprašných obilovin, pšenice a ječmene, jsou stále spíše ve stadiu experimentů. Hybridní odrudy ječmene jako Hembar, Amu, Bele, které byly okolo roku 1970 pěstovány v určitých oblastech USA pouze na výměře 12 až 20 tisíc hektarů, byly brzy zcela vytlačeny lepšími a v osivu podstatně levnějšími liniovými odrůdami. Snaha o vývoj hybridních odrůd pšenice, přes značné pracovní usilí věnované této problematice po roce 1960 v řadě zemí, nedoznala patřičného praktického ohlasu. To vedlo po roce 1970 k útlumu, či zrušení řady tuto problematiku řešících šlechtitelských projektů. Přesto se v posledních letech opět objevují informace o možnostech vývoje hybridních odrůd pšenice při použití nových účinných gametocidů. Na příklad ve Francii je firmou Hybritech uváděna na trh hybridní odrůda pšenice Domino, která ve zkouškách vykazovala zvýšení výnosu proti standardním odrůdám o 0,5 až 1 t na hektar. Uvádí se, že v důsledku vyšší ceny hybridního osiva je pro dosažení rentability nezbytné zvýšení výnosu minimálně o 0,5 t na hektar.

Na základě dostupných informací a současného stavu ve šlechtění pšenice a ječmene jsem toho názoru, že v blízké budoucnosti nelze očekávat ohrožení dominantního postavení liniových odrůd těchto plodin odrůdami hybridními.

Díky velmi vysokému reprodukčnímu koeficientu se tvorba hybridních odrůd prosadila u tabáku, přestože se jedná o samosprašný druh. Problémy dosud přetrvávají při šlechtění hybridních odrůd u fakultativně cizosprašné plodiny, bobu. Podobně jako u jetelovin a trav, se jev heteroze využívá spíše v podobě syntetických odrůd.U některých víceletých trav jsou produkovány tzv. spontánní hybridy (chance hybrids), jež vznikají volným prokřížením inbredních komponent. Po výsevu směsi hybridních a nehybridních semen se v porostu vzhledem k větší konkurenční schopnosti hybridů, tyto v krátké době po několika málo sečích zcela prosadí a vytěsní nehybridní jedince. O hybridních odrůdách se mluví i u takových plodin, jako jsou brambory a sice v souvislosti s konverzí na generativní způsob množení pomocí semen (systém TPS).

Zatímco u polních plodin je praktické využití hybridních odrůd omezeno na několik druhů, uzelenin a květin jsou hybridní odrůdy velmi časté a jejich podíl jak v rámci jednotlivých druhů, tak v druhovém sortimentu se stále zvyšuje.

V tabulkovém přehledu (tab.I.) jsou uvedeny významnější druhy zelenin a květin u nichž se objevují a v praxi využívají hybridní odrůdy. U zelenin jsou uvedeny údaje o přibližné době využívání hybridních odrůd u jednotlivých druhů ve světě a v ČR. Sledování poddílu hybridních odrůd povolených v ČR v letech 1986, 1993 a 1996 ukazuje jednoznačně na vzestupný trend. Z údajů o době existence hybridních odrůd některých zelenin a květin ve světě je zřejmé, že využití jevu heteoze tvorbou hybridů začalo již v první polovině tohoto století. Jednou z prvních hybridních odrůd na trhu květin byla odrůda Begonia semperflorens s názvem “Primadona” od firmy Benary uváděná do prodeje od roku 1909. Význačnější nárůst hybridních odrůd u většiny zelenin a květin však nastal až v druhé polovině tohoto století a pokračuje dodnes.

V současnosti lze očekávat, že cestu k tvorbě hybridů a jejich praktické využití u některých druhů mohou urychlit biotechnologické metody využívající technik in vitro a genové inženýrství, které pomocí transgenoze umožňuje získat nové systémy a zdroje pylové sterility, včetně obnovy fertility.

U druhů, kde výroba hybridního osiva je zatím příliš drahá, by mohlo tento problém v budoucnosti pomoci řešit tzv.vegetativní množení hybrida v podmínkách in vitro, při němž by se indukcí somatické embryogeneze tvořily tzv. umělá syntetická semena. Před praktickým uplatněním tohoto systému reprodukce hybridní odrůdy, jež by změnilo zásadu, že hybridní odrůdu bez jejích komponent nelze reprodukovat, stojí však řada problémů vyžadujících další pokračování výzkumu v této problematice.

Tab.č. I.: Přehled druhů významnějších zelenin a květin s výskytem bybridních odrůd.

ANOTACE

Hybridní odrůda je generací F1 vzniklou po křížení rodičovských komponent, kterými jsou nejčastěji inbrední linie. Většinou jsou hybridní odrůdy složeny z dvou, popřípadě tří, či čtyř linií. Společným rysem pro všechny hybridní odrůdy je možnost jejich reprodukce pouze na základě rodičovských komponent. To vytváří přirozenou ochranu proti neoprávněnému obchodnímu využívání hybridní odrůdy

Semenářství hybridní odrůdy musí zajistit množení a zachování genetické identity rodičovských komponenta produkci hybridního osiva bez nežádoucích příměsí nehybridních jedinců narušujících genotypovou homogenitu. K základním přednostem hybridních odrůd patří vysoký genetický výnosový potenciál a vyrovnanost.

Hybridní odrůdy se v současnosti v ČR v praxi využívají u kukuřice, cukrové a krmné řepy, slunečnice, žita, čiroků,tabáku, zelí,květáku, kapusty, brukve, cibule, mrkve, okurky, tykve, rajčete, papriky a řady dalších zelenin a květin. Pro paktické využití jsou ověřovány zahraniční hybridní odrůdy řepky olejky.