Nowe technologie w produkcji roślinnej - przyjazne dla człowieka i środowiska W. Święcicki IGR PAN w Poznaniu M. Surma W. Koziara UP w Poznaniu G. Skrzypczak J. Szukała I. Bartkowiak-Broda IHAR - PIB w Radzikowie J. Zimny Z. Banaszak DANKO w Choryni K. Marciniak

Primum edere deinde philosophare Produkcja roślinna podstawą egzystencji człowieka Primum edere deinde philosophare

Liczba ludności na świecie Wyżywienie = mld * 2x produkcja zbóż * 20% - zwiększona powierzchnia * 80% - intensyfikacja produkcji rok

Liczba ludności w Polsce mln 20 10 30 40 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 38,3 (1996)

Powierzchnia uprawna na osobę i rozwój urbanizacji 0,2 0,4 0,5 0,1 0,7 0,6 0,8 0,3 20 30 40 50 70 60 10 80 1960 2010 2050 % światowej populacji ha 0,43 32,9 0,25 50,6 0,15 69,6

PLON Terra Terrae usus numquam mortalium sine usura semper ancilla Genotyp odmiany (postęp biologiczny) Środowisko Agro- technika Klimat PLON 50% 50% Terra numquam sine usura reddit, quod accepit Terrae usus mortalium semper ancilla

Wzrost produkcji roślinnej: Do XVIII w. - wzrost powierzchni uprawnej Odkrycia ważne dla zwiększenia plonów w XIX i XX wieku - J. van Liebig J.-B. Boussingault XIX w. teoretyczne podstawy chemii gleby i agronomii 1842 - J.-B. Lawes, Anglia - produkcja superfosfatu oraz import do USA i Europy azotanów z Chile XX w. 1909 - F. Haber - synteza amoniaku (Nobel, 1918) 1913 - K. Bosch (BASF) - pierwsza fabryka amoniaku Pestycydy - pocz. XVIII w. - wywar z tytoniu 1892 - dinitroortokrezolan (pierwszy syntetyczny) 1940-60 - DDT

Rolnicze Rewolucje w XX wieku Zamiana siły pociągowej zwierząt na energię maszyn - po I w.ś. Chemizacja rolnictwa - nawozy mineralne i pestycydy - po II w.ś. 3. Zielona Rewolucja Borlauga - genetyczne doskonalenie roślin. Karłowe, meksykańskie pszenice w Indiach i Pakistanie (podwojenie plonów, samowystarczalność, eksport) ZR wygrała wojnę człowieka z głodem. Pokojowy Nobel, 1970. 4. Rewolucja genowa (From Green to Gene Revolution) - poznanie funkcji organizmów na poziomie molekularnym oraz możliwość analizy, rozumienia i manipulowania DNA.

Światowa produkcja zbóż - zaoszczędzenie powierzchni dzięki nowym technologiom 200 600 1,000 1,400 1,800 1950 1960 1970 1980 1990 1997 Produkcja zbóż 1949-51 - 680 mln ton 1995-97 - 2025 mln ton Zaoszczędzony obszar Powierzchnia uprawna mln ton mln ha

„... nowoczesne odmiany i technologie najbardziej przyczyniły się do tego, że światowa produkcja żywności powiększała się szybciej, niż liczba ludności”. N. Borlaug Instytut A. Nobla, Oslo 2000 (30-lecie przyznania nagrody Nobla) Produkcja ziarna zbóż (mln ton) Liczba ludności (mld) Rok 1950 692 2,2 2010 2500 6,9 (x 3,6) (x 3,1)

Plonowanie pszenicy 1300 rok 1500 1800 1900 3x w 600 lat q/ha 5 9 10 14 1950 1975 2000 rok 3x w 50 lat q/ha 26 46 73

Średnie plony zbóż ozimych w Polsce w doświadczeniach COBORU w latach 1979-2009

Stan odmian roślin rolniczych w KR

Czynniki warunkujące postęp biologiczny  materiał wyjściowy (kolekcje i banki genów)  wiedza o genetycznych podstawach procesów i zjawisk związanych z ulepszaniem roślin uprawnych  metody i technologie stosowane w hodowli odmian  nakłady na badania i rozwój (B+R)

Zmiany powierzchni uprawy roślin rolniczych w latach 2000-2009 (wg GUS) (znaczenie gatunków w Polsce?) 1. Pszenica ozima - 2 mln ha (+3,2%) 2. Pszenżyto ozime - 1,4 mln ha (+125%) 3. Jęczmień jary - 930 tys. ha (-3%) 4. Rzepak ozimy - 810 tys. ha (+85%) 5. Kukurydza na ziarno i kiszonkę - 694 tys. ha (+121%) 6. Jęczmień ozimy - 227 tys. ha (+66%)

Najważniejsze kierunki hodowli niezbędne dla człowieka i przyjazne dla środowiska  wysokość i stabilność plonowania (w tym odmiany heterozyjne)  jakość plonu (np. wypiekowość mąki, zawartość substancji żywieniowych lub antyżywieniowych, związków o znaczeniu przemysłowym itp.)  odporność na choroby (ograniczenie stosowania pestycydów i brak mikotoksyn)  odporność na stresy środowiskowe (np. susza, niskie temp., niedobór składników pokarmowych, zasolenie)  przystosowanie roślin do nowoczesnych technologii uprawy

Technologie dla postępu biologicznego  kultury in vitro - rozmnażanie wegetatywne, - pokonywanie barier w krzyżowaniach oddalonych - skracanie cyklu hodowli  na poziomie białek i DNA - markery - modyfikacje genetyczne/GMO (transgeneza i cisgeneza)  mikrometody analityczne dla masowej charakterystyki i selekcji  Informatyka

Kultury in vitro Metoda otrzymywania linii podwojonych haploidów (DH) pąki kwiatowe izolowane mikrospory podziały mikrospor zarodki mikrosporowe konwersja zarodków w rośliny roślina androgeniczna linie DH Metoda otrzymywania linii podwojonych haploidów (DH)

Markery molekularne wdrożone do hodowli odmian mieszańcowych rzepaku Technologie oparte na analizie DNA Markery molekularne wdrożone do hodowli odmian mieszańcowych rzepaku Markery SCAR dla CMS ogura (CMS), genu restorera Rfo (Rfo) i kontrola wewnętrzna dla genu aktyny7 (act) B. napus - w niezależnych amplifikacjach PCR (wg K. Mikołajczyk)

Nowoczesne technologie = oszczędność czasu Tworzenie nowej odmiany rzepaku – porównanie tradycyjnych metod hodowli z nowoczesnymi (linie DH + markery molekularne) + markery

Genetyczne modyfikacje roślin 148 mln ha upraw w świecie (GMO od 15 lat ) 46 krajów, >200 odmian, >15 mln rolników Dotychczasowe osiągnięcia  Odmiany bawełny, kukurydzy, ziemniaka z genami Baccillus thuringiensis odporne na owady  Odmiany bawełny, kukurydzy, rzepaku, soi, buraka cukr., pszenicy tolerancyjne na herbicydy  Odmiany zbóż ze zwiększoną tolerancją na pH gleby i zanieczyszczenie metalami

Genetyczne modyfikacje roślin c.d. Przyszłość  Odmiany z połączonymi cechami odporności i tolerancji  Odmiany ze zwiększoną tolerancją na stresy abiotyczne (szczególnie suszę) i biotyczne (np. przeniesienie odporności na rdzę z ryżu do innych gatunków zbóż)  Odmiany zbóż z polepszoną jakością ziarna (wit. A, mikroelementy - Fe, Zn, Se)

Proponowane kierunki badań GMO w Polsce  Wykrywanie i identyfikacja autoryzowanych i nieautoryzowanych GMO  Rozwój kryteriów gwarancji bezpieczeństwa stosowania GMO (człowiek, zwierzęta, środowisko)  Opracowanie zasad współistnienia upraw konwencjonalnych, ekologicznych i zmodyfikowanych genetycznie  GMO na cele nieżywnościowe: energia (biomasa, biodiesel, biogaz), medycyna (np. szczepionki), przemysł (np. produkcja skrobi)

Mikrometody analityczne Miksograf do oceny właściwości wypiekowych ziarna pszenicy Wysokie wartości wypiekowe Niskie wartości wypiekowe

Hodowla odmian odpornych na choroby Wykorzystanie markerów DNA w masowej selekcji genów Lr odporności na rdzę brunatną pszenicy Liście z objawami chorobowymi Liście zdrowe Identyfikacja genu Lr9 za pomocą specyficznego markera SCAR - J13 M1 5 8 10 15 20 25 30 35 40 45 M 1100 pz Rozdział elektroforetyczny produktów PCR markera SCAR – J13 specyficznego dla genu Lr9 odporności na rdzę brunatną u pszenicy. Ścieżka: 8 - linia zawierająca gen Lr9, 1-45 – linie nie zawierające genu Lr9, M - wzorzec wielkości

- zatrucia metabolitami sporyszu Hodowla odmian odpornych na choroby Mikotoksyny - metabolity wytwarzane przez grzyby porażające rośliny - zagrożenie dla zdrowia ludzi i zwierząt (deoxyniwalenol: maks - 750 g/kg w makaronie, a 8 mg/kg w paszy). Technologie w hodowli odpornościowej: - markery molekularne, - testy w sztucznej inokulacji, Choroba św. Antoniego - zatrucia metabolitami sporyszu - oznaczanie zawartości mikotoksyn. P. Bruegel

HETEROZJA F1 AaBb X AAbb aaBB bujność pierwszego pokolenia mieszańców * Odpowiednie cechy gatunków Dziś - obcopylne żyto, kukurydza, burak, rzepak * Niezbędny chów wsobny przed wyborem rodziców Jutro - pszenica, jęczmień, pszenżyto AaBb

Postęp biologiczny w hodowli rzepaku 58 56 54 odmiany mieszańcowe 52 50 plon nasion w dt/ha 48 46 44 odmiany populacyjne 42 40 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 rok rejestracji Zalety odmian heterozyjnych: - wysoki, stabilny plon - konieczność zakupu materiału siewnego

Odmiany heterozyjne w KR Nowe technologie dla:  wytwarzania linii wsobnych i wyboru komponentów  wykorzystania heterozji u gatunków samopylnych (jęczmień, pszenica, pszenżyto)  wyjaśnienia podstaw naukowych zjawiska heterozji

Polska UE (15) 57-64 100 Wskaźnik oceny jakości rolniczej przestrzeni produkcyjnej (gleba, klimat, rzeźba, warunki wodne) Plony (q/ha) gleby lekkie w Polsce - 74% użytków rolnych 2009 GUS COBORU pszenica 42 92 jęczmień 34 73 pszenżyto 36 91 kukurydza 62 113 rzepak 31 46 Polska UE (15) 57-64 100

Systemy uprawy roli Deficyt energii oraz ochrona środowiska Płużny (tradycyjny) 1. podorywka 2. bronowanie 3. nawożenie miner. 4. orka 5. agregat upraw 6. siew 7. zabiegi pielęgnacyjne 1. brona talerzowa 2. oprysk Roundupem 3. nawożenie mineralne 4. agregat uprawowy 5. siew 6. zabiegi pielęgnacyjne Bezpłużny (uproszczony) 1. oprysk Roundupem 2. nawożenie mineralne 3. siew 4. zabiegi pielęgnacyjne Zerowy (siew bezpośredni) Deficyt energii oraz ochrona środowiska wymuszają poszukiwanie, energooszczędnych i proekologicznych systemów uprawy roli.

Skutki zróżnicowanej intensywności uprawy roślin (produkcyjne, przyrodnicze i ekonomiczne) Technologie uprawy roślin Wysokonakładowa Pełne zalecane nawożenie mineralne i ochrona roślin Średnionakładowa Ograniczone stosowanie syntetycznych chemicznych środków produkcji Niskonakładowa Bez syntetycznych chemicznych środków produkcji

Uprawa płużna - pole przygotowane do siewu

Uprawa bezpłużna - pole Zrywacz ścierniska zastępujący orkę Brona talerzowa zastępująca orkę Uprawa bezpłużna - pole przygotowane do siewu 15-30% resztek roślinnych na powierzchni

Uprawa zerowa Pole po zbiorze pszenicy - przed siewem Pole po siewie pszenicy

Zalety stosowania uproszczeń w uprawie roli  zapobieganie erozji gleby  zmniejszenie zużycia paliwa  obniżenie emisji spalin, CO2 i zanieczyszczenia powietrza  redukcja nakładów energetycznych  oszczędność czasu pracy  zatrzymanie nawozów i pestycydów w wierzchniej warstwie gleby  intensyfikacja życia biologicznego  zwiększenie zawartości substancji organicznej, wilgotności, polepszenie struktury i porowatości gleby

Zużycie czasu pracy (h/ha) Zużycie paliwa, czasu pracy i energochłonność przy różnych systemach uprawy roli w 4-letnim zmianowaniu: burak cukrowy, pszenica jara, groch, pszenżyto ozime (wg L. Kordas, UP Wrocław) System uprawy Zużycie paliwa (l) Zużycie czasu pracy (h/ha) Energo-chłonność (MJ/ha) Płużny (tradycyjny) 251,2 (100%) 23,8 9 208 Bezpłużny (uproszczony) 125,6 (50%) 11,8 4 604 Zerowy (siew bezpośredni) 115,2 (46%) 11,4 (48% 4 223

Wymagania stawiane środkom ochrony roślin  Wysoka skuteczność biologiczna  Niski koszt produkcji i stosowania  Brak ujemnego wpływu na środowisko i jakość plonów

Czynniki warunkujące skuteczność środków ochrony roślin PESTYCYD

Nowe kierunki w ochronie roślin  Intensyfikacja produkcji rolniczej przez poprawę skuteczności zwalczania agrofagów  Stosowanie obniżonych dawek pestycydów (dawki dzielone, mikrodawki, strategia zabiegów sekwencyjnych, adiuwanty)  „Mapowanie chwastów”- obniżone dawki herbicydów przy wykorzystaniu technologii GPS  Systemy prognozowania występowania chorób i szkodników (np. SPEC u rzepaku)

WNIOSKI  Nowoczesne technologie są niezbędne dla dalszego postępu w produkcji roślinnej  Dla nowoczesnych, efektywnych technologii niezbędne jest inwestowanie w B+R  Nakłady na B+R wymagają odpowiedniego zwrotu (opłacalność)  Zwrot nakładów zależy od ustawowych regulacji wspomagających: * Badania + Rozwój * Ochronę Własności Intelektualnej

Nowoczesne technologie 10 mld ludzi - 2050 Nowoczesne technologie w produkcji roślinnej Ad augusta per angusta