Amikor a növénynemesítők a 19–20. században megalkották a modern búzát, néhány kulcsfontosságú fajta keresztezésére és szelektív nemesítésére összpontosítottak, és ezzel egy elég kényes „versenylovat” hoztak létre: a modern búza nagy terméshozamú, de a betegségekkel, a hőséggel és a szárazsággal szemben érzékeny, és bőséges műtrágyázásra szorul. A Nature folyóiratban a napokban közzétettek egy tanulmányt, amely szerint az egyre jelentősebb probléma megoldásának egyik kulcsa a 827 ismert búzafajta genetikai sokféleségében rejlik, amelyek közül azonban sok már rég eltűnt a mezőgazdaságból.

A tanulmány alapjául szolgáló kutatás egy hatalmas, több évtizedes erőfeszítés volt, amelynek célja ezeknek a növénypopulációknak a jellemzése, vagyis genomjuk szekvenálása, tényleges kinevelésük és tulajdonságaik vizsgálata volt. „Ez valóban gigászi munka volt, amely fantasztikus új forrás lesz a globális búzakutató közösség számára” – mondja Jorge Dubcovsky genetikus a Kaliforniai Egyetemről, aki nem vett részt a vizsgálatban. A szakértők máris azonosítottak olyan géneket, amelyeket a modern búzába „átültetve” csökkenthetik a növények nitrogénigényét, és növelhetik a levélfoltossággal szembeni ellenállóképességüket, amely betegség jelenleg a világ sok részén fenyegeti a termést.

Globális búzavadászat

A vizsgált fajtagyűjtemény kezdetei 1924-re nyúlnak vissza, amikor Arthur Ernest Watkins csatlakozott a Cambridge-i Egyetem Növénynemesítési Intézetéhez. Watkins a búza anatómiáját tanulmányozta, és olyan tulajdonságok variációit vizsgálta, mint például a levélszerű struktúrák jelenléte a szár tetején. Rájött, hogy ezek a tulajdonságok segíthetnek a tájfajták megkülönböztetésében, ezért meggyőzte a Londoni Kereskedelmi Hivatalt, hogy gyűjtsenek búzamintákat számára. A Brit Birodalom konzuljai és kereskedelmi ügynökei a következő két évtizedben a világ minden táján bejárták a helyi piacokat, és a lehető legtöbbféle környezetben termesztett gabonát vásároltak: végül 32 országból összesen 7000 búzamintát szereztek.

A gyűjtemény kurátorai azóta néhány évente vetéssel és maggyűjtéssel tartották életképesen a mintákat – ezt a gyakorlatot csak a második világháború szakította meg, amikor néhány fajta el is veszett. Közben a világ többi részén a gazdák sok fajtát már nem termesztettek tovább, mivel új, nagy hozamú búzák jelentek meg a piacon. Más búzák elvesztették egyediségüket, mivel a kíváncsi gazdák keresztezték őket a modern fajtákkal. A genetikai sokféleségnek ez az eróziója teszi a Watkins-gyűjteményt – amelyet jelenleg az angliai Norwichben található John Innes Központ (JIC) Növénytudományi Intézete tart fenn – olyan értékessé, mondja Alison Bentley, az Ausztrál Nemzeti Egyetem búzagenetikusa.

Hogy feltárja, mennyire értékes ez a gyűjtemény, Simon Griffiths, a JIC genetikusa szekvenálni akarta a fajták genomját, feltérképezve genetikai sokféleségüket. Tekintettel azonban a búza genomjának méretére – amely negyvenszer nagyobb, mint a rizsé –, a feladat meghaladta a kompetenciáját. Végül Sifeng Cseng evolúciós genetikus segített neki a sencseni Mezőgazdasági Genomikai Intézetből, ahol növényi genomok feltárására specializálódtak. Cseng csapata alig 3 hónap alatt szekvenálta a 827 történelmi fajta genomját, valamint 208 modern fajta génállományát is leírták az összehasonlításhoz. A genomikai adatok egy bőröndnyi merevlemezen érkeztek a JIC-be, idézi fel Griffiths. A csapat először általánosságban vizsgálta a búzafajták genomjaiban található genetikai sokféleséget – és Griffiths szerint ez volt az a pillanat, amikor mindenki ledöbbent.

Gének és tulajdonságok

Ahhoz azonban, hogy a nemesítők ki tudják használni ezt a sokféleséget, tudniuk kell, hogy mely tájfajtákat mely potenciálisan kívánatos tulajdonságokkal ruházhatják fel. A csapat ezért a JIC vetőmaggyűjteményéből keresztezéssel kombinációkat hozott létre, amelyek eredményeként 6762 egyedi populáció keletkezett. Miután ezeket az Egyesült Királyságban és Kínában üvegházakban és szántóföldeken termesztették, a csapat 137 tulajdonságot tudott vizsgálni, köztük a terméshozamot, a tápanyagtartalmat és a stressztűrést.

Ezután algoritmusokat fejlesztettek ki, hogy összekapcsolják a tulajdonságokat a genomadatokkal, és meghatározzák a hasznos tulajdonságokért felelős gének forrásait. Cseng szerint a legnehezebb feladat az volt, hogy elég nagy számítási erőforrásokat találjanak a petabájtnyi adat feldolgozásához.

A Nature oldalain megjelent tanulmányukban Griffiths és Cseng csapata számos fontos tulajdonság, például a tápanyagtartalom és a stressztűrés génjeit és genetikai markereit emeli ki. Catherine Feuillet, a Massachusetts állambeli Inari Agriculture növényi biotechnológiai vállalat vezető kutatója szerint még nem világos, hogy ezek a konkrét gének mennyire lesznek fontosak, de az új források hatalmas értékkel bírnak.

– mondja.

Mark Sorrells, a Cornell Egyetem búzanemesítője úgy véli, hogy a régi fajták olyan géneket tartalmazhatnak, amelyek lehetővé teszik, hogy a búza kevesebb nitrogénműtrágyával is jól fejlődjön. Ahogy megjegyzi, a Watkins-gyűjtemény fajtái még azelőttről származnak, hogy az olcsó műtrágya széles körben elérhetővé vált volna, így valószínűleg alkalmazkodtak a tápanyagban kevésbé gazdag talajokhoz. Miután a fajtákat erősen vagy kevésbé műtrágyázott földeken termesztették, a kutatók találtak egy nagyon ígéretes géncsoportot, amely a nitrogén hatékony felhasználáshoz kapcsolódik.

Programozott jellemzők

A korai fajtákból máris előkerült egy másik, potenciálisan felbecsülhetetlen értékű gén, a Pm4, amely a búza levélfoltossággal szembeni ellenállását biztosítja. A Watkins-gyűjteményben felfedezett és egy tavaly közzétett preprintben leírt Pm4 a betegséget okozó gomba egy különösen virulens törzse ellen hat. A mexikói Nemzetközi Kukorica- és Búzafejlesztési Központ nemesítői máris azon dolgoznak, hogy a Pm4-et hozzáadják a Délkelet-Ázsiában termesztett búzafajtákhoz, ahol a termés a legnagyobb veszélyben van.

Cseng elmondása szerint Kínában a nemesítők már más, a Watkins-gyűjteményből származó tulajdonságokat is hozzáadtak az országban termesztett modern búzafajtákhoz. Egy észak-kínai munkatársuk például azon dolgozik, hogy javítsa a búza sós talajon való termesztésének lehetőségeit. Indiában pedig a Punjabi Mezőgazdasági Egyetem kutatói azon munkálkodnak, hogy a JIC-től szerzett vetőmagokkal javítsák a fajták betegségekkel szembeni ellenállóképességét. Parveen Chhuneja, az egyetem genetikusa szerint erőfeszítéseik új lendületet kaptak az új kutatásban feltárt információknak köszönhetően.

Sorrells ugyanakkor leszögezi, hogy a növénynemesítőknek hosszú távon türelmesnek kell lenniük. A keresztezések során nemkívánatos tulajdonságok bukkanhatnak fel, amelyeket további keresztezésekkel kell eltávolítani, így a hagyományos nemesítési módszerekkel egy évtizedbe vagy még tovább is beletelhet, amíg a modern fajtákat feljavítják a régi fajták génjeivel, de ugyanez génszerkesztéssel sem megy egyik napról a másikra.

A nemesítőknek ugyanakkor bőven lesz lehetőségük az új tulajdonságokkal való kísérletezéshez, mivel a Nature-ben leírt genomikai források és a vetőmagok ingyenesen állnak a kutatók rendelkezésére világszerte. Ahogy Griffiths mondja: