Žiemkentiškumą apibūdina daugybė veiksnių, pavyzdžiui, pakantumas apledėjimui, pavasariniam pelėsiui ar šalčio sukeltam išdžiūvimui. Tačiau pagrindinis yra atsparumas šalčiui.

Tam, kad žieminiai kviečiai sėkmingai peržiemotų, jie turi užsigrūdinti. Grūdinimasis vyksta rudenį esant žemoms teigiamoms temperatūroms (iki +10 °C) ir gali trukti iki 8 savaičių, nelygu veislė. Per šį procesą augalai patiria įvairius genetinius, biocheminius ir fiziologinius pokyčius: suaktyvėja angliavandenių, apsauginių baltymų ar antioksidantų kaupimas, sulėtėja augimas ir pamažu įgyjamas atsparumas šalčiui. Visiškai užsigrūdinusios atspariausios žieminių kviečių veislės gali išgyventi net -20 °C šaltį.

Kintanti aplinka – nauji iššūkiai

Teigiama, kad dabartinė žemės ūkio produkcija nepatenkina augančios žmonijos populiacijos poreikių. Be to, nustatyta, kad kintant klimatui vidutinės pasaulio temperatūros padidėjimas 1 °C lemia iki 20 proc. mažesnį kviečių derlių. Šios problemos kelia didelių iššūkių žemės ūkiui. Prognozuojama, kad per ateinančius 80 metų vidutinė temperatūra pasaulyje, palyginti su priešindustriniu laikotarpiu, padidės iki 3,5 °C. Nors klimatas šyla, nereikia manyti, kad žieminių kviečių atsparumas šalčiui nebebus svarbus. Visų pirma, dėl visuotinio atšilimo šiltėjantis ir ilgėjantis rudens sezonas sutrikdo augalų gebėjimą užsigrūdinti. Padidėjęs debesuotumas apriboja fotosintezės efektyvumą, kuris yra itin svarbus grūdinimosi metu, siekiant sukaupti daugiau apsauginių medžiagų. Dėl suplonėjusios arba ištirpusios sniego dangos pasėlius labiau paveikia tiesioginis šaltis.

Taip pat dažnėja temperatūrų svyravimai: per atlydžius žiemą augalai anksčiau negu reikėtų praranda užsigrūdinimą, dėl to tampa nebeatsparūs šalčiui. Tai ypač pavojinga antroje žiemos pusėje, kai augalai natūraliai pamažu praranda atsparumą šalčiui. Jeigu žiemojantys kviečiai neturi gebėjimo pakartotinai užsigrūdinti ir atgauti atsparumo šalčiui, po tokių atlydžių pasikartojus staigiems atšalimams, jie žūva.

Genetiniai ištekliai naujoms veislėms kurti

Taigi, nors žieminiai kviečiai vidutinių platumų klimato juostoje pasižymi didesniu derliaus potencialu už vasarinius kviečius, nepakankamas atsparumas šalčiui kintančio klimato kontekste išlieka derlingumą mažinančiu veiksniu. Dėl šios priežasties labai svarbu kurti naujas prie vietinių klimato sąlygų prisitaikiusias žieminių kviečių veisles.

Kuriant naujas veisles panaudojami pageidaujamų požymių turinčių genų ištekliai. Vienas iš būdų gauti tinkamos genetinės medžiagos – pasinaudoti genų bankuose saugomais genetiniais ištekliais. Pavyzdžiui, Šiaurės šalių genetinių išteklių centre („NordGen“), įsikūrusiame Alnarpe, Švedijoje, palaikoma senųjų Šiaurės šalių žieminių kviečių kolekcija. Šią kolekciją sudaro nuo 1896 iki 2012 metų registruotos veislės ir vietiniai genotipai (angl. landrace) iš Danijos, Norvegijos, Suomijos, Švedijos.

Vietiniai genotipai – tai tradiciniais metodais ir pagal gamtinę atranką išvestos veislės, kurios yra itin prisitaikiusios prie savo kilmės regiono. Taigi, jie nėra tolygūs standartizuotoms registruotoms veislėms, kurios išvedamos taikant griežtus dirbtinės atrankos metodus, tačiau dėl savo optimalaus prisitaikymo prie vietinės aplinkos šie genotipai yra itin naudingas unikalių genų variantų šaltinis. Iki pat XIX a. dauguma javų buvo būtent vietiniai genotipai, o tikrųjų veislių kūrimas prasidėjo tik XX amžiuje.

Nors prasidėjus moderniai kviečių selekcijai buvo atsižvelgiama į atsparumą ligoms ar abiotiniams veiksniams, tačiau selekcijos programose svarbiausi buvo su derliaus kokybe ir kiekybe susiję požymiai. Be to, XX a. septintajame ir aštuntajame dešimtmetyje įvykusi žalioji revoliucija lėmė naujų derlingesnių kviečių veislių sukūrimą ir išpopuliarėjimą – ypač naudingi buvo tokie požymiai, kaip trumpesnis stiebas ir didesnis produktyvių stiebų skaičius. Taigi, žalioji revoliucija buvo itin svarbi pasaulinei maisto produkcijai didinti, tačiau ji taip pat turėjo neigiamos įtakos modernių pasėlių genetinių išteklių įvairovei.

Kartu su standartizuotomis veislėmis susiaurėjo javų genetiniai ištekliai ir buvo prarasti genų variantai, susiję su atsparumu įvairiems abiotiniams stresams ir ligoms. „NordGen“ senųjų Šiaurės šalių žieminių kviečių kolekcija jau anksčiau buvo tirta, siekiant įvertinti kviečių atsparumą lapų septoriozei, miltligei ir sausrai. Taip pat buvo įvertinti šių veislių ir vietinių genotipų agronominiai ir morfologiniai požymiai. Tačiau iki šiol dar nebuvo įvertintas „NordGen“ kolekcijos atsparumas šalčiui.

Atsparumo šalčiui tyrimai

Lietuvos agrarinių ir miškų mokslų centro (LAMMC) Žemdirbystės institute vykdomi su atsparumu šalčiui susiję tyrimai. Genetikos ir fiziologijos laboratorijoje yra tokiems tyrimams reikalinga įranga: šiltnamiai, klimato kameros su kontroliuojama temperatūra, oro drėgme ir apšvietimu, programuojama šaldymo kamera, kurioje atliekami šaldymo testai iki -18 °C 2 cm substrato gylyje. Visa tai leidžia sukurti kontroliuojamas sąlygas, padedančias tirti grūdinimosi trukmės ir temperatūros įtaką žieminių kviečių augimui, biomasės kaupimui, atsparumui šalčiui, genų raiškai ir metabolitų kaupimui.

Neseniai įvertintas „NordGen“ senųjų Šiaurės šalių veislių ir vietinių genotipų kviečių kolekcijos atsparumas šalčiui. Sudaiginti ir trijų lapelių stadiją pasiekę žieminiai kviečiai buvo dvi savaites grūdinami +2 °C temperatūroje specialiose kontroliuojamo klimato kamerose. Nors dvi savaitės yra per trumpas laikas pasiekti visišką užsigrūdinimą, jų pakanka įvertinti atsparumo šalčiui įvairovę kolekcijoje. Po grūdinimo kviečiai buvo iškart įdėti į šaldymo kamerą, kurioje atliekami šaldymo testai penkiose skirtingose temperatūrose. Kviečiai kiekvienoje temperatūroje praleido po 24 val., o pasibaigus šaldymo testui buvo nukirpti ir perkelti į šiltnamį. Po trijų savaičių šiltnamyje suskaičiuoti žuvę ir atžėlę kviečiai, padarytos nuotraukos.

Tyrimo rezultatai parodė, kad „Nord- Gen“ žieminių kviečių kolekcija nevienodai atspari šalčiui ir yra naudingas ateities selekcijos darbų genetinės medžiagos šaltinis. Šių žieminių kviečių atsparumas šalčiui atspindėjo jų kilmės geografines platumas – atspariausios šalčiui buvo veislės ir vietiniai genotipai, kilę iš Suomijos, o mažiausiai atsparūs – daniški žieminiai kviečiai. Iš veislių su žinomais registracijos metais atspariausios buvo išleistos tarp 1941 ir 1980-ųjų metų. Įdomu tai, kad šiuo laikotarpiu pasitaikė itin šaltų žiemų, o 1941–1942 m. žiema laikoma pačia šalčiausia XX a. žiema Europoje. Tai galėjo paskatinti selekcininkus ir ūkininkus rinktis šalčiui atsparesnes žieminių kviečių veisles 1941–1980 metais. Toks poreikis pamažu slopo kartu su šiltėjančiomis žiemomis ir, bėgant metams, didesnis dėmesys buvo nukreiptas į derlingumą, maistingumą, atsparumą ligoms.

Taip pat nustatyta, kad vietiniai genotipai reikšmingai atsparesni šalčiui už veisles. Vietiniai genotipai šioje populiacijoje reprezentuoja kviečių genetinius išteklius prieš standartizuotos selekcijos pradžią – jų leidimo metai yra nežinomi. Taigi, kartu su naudingais požymiais, pavyzdžiui, atsparumu šalčiui, jie taip pat gali turėti ir nepageidaujamų požymių, tokių kaip polinkį į išgulimą ar grūdų barstymą.

Atlikus papildomas bioinformacines analizes, „NordGen“ žieminių kviečių kolekcijoje buvo aptikti reikšmingai su atsparumu šalčiui susiję genų variantai, kuriuos galima panaudoti selekcijos programose. Pažymėtina, kad po šiltos žiemos veislės, pasižyminčios didesniu atsparumu šalčiui, gali būti mažiau derlingos, nei šalčiui jautresnės veislės. Vis dėlto neprognozuojami temperatūrų svyravimai žiemą yra pavojingi šioms derlingesnėms, jautresnėms veislėms. Dėl šios priežasties, siekiant optimizuoti derlingumą, ateities kviečių veislės turėtų būti atsakingai pritaikytos prie geografinės auginimo vietos ir kintančio klimato sąlygų.

Užsigrūdinimo tyrimai

Genetikos ir fiziologijos laboratorijoje taip pat tiriami žieminių kviečių užsigrūdinimo praradimo ir pakartotinio užsigrūdinimo procesai. Apie šiuos mechanizmus vis dar žinoma nedaug, tačiau dėl klimato kaitos reikia geriau prisitaikiusių veislių, gebančių per anksti neprarasti užsigrūdinimo ir turinčių savybę pakartotinai užsigrūdinti po atlydžių.

Nustatyta, kad praradę užsigrūdinimą žieminiai kviečiai kaupia mažiau sacharozės, tam tikrų aminorūgščių ir daugiau krakmolo, o po pakartotinio užsigrūdinimo buvo pastebėta atvirkštinė tendencija. Rezultatai parodė, jog pusiausvyra tarp krakmolo gamybos ir jo skaidymo, gebėjimas energijos išteklius nukreipti aminorūgščių ir baltymų gamybai gali būti svarbūs žieminių kviečių išgyvenamumo komponentai kintančio klimato sąlygomis. Šiuo metu yra vykdomi tolesni tyrimai, siekiant nustatyti genų raiškos pokyčius grūdinimosi, užsigrūdinimo praradimo metu ir per pakartotinį užsigrūdinimą.

***

Žieminiai kviečiai yra vieni svarbiausių javų Lietuvoje – 2022–2023 m. sezoną jie užėmė net 44,7 proc. dirbamos žemės ploto. Viena iš žieminių kviečių savybių, lemiančių populiarumą mūsų šalyje ir vidutinėse platumose, yra derlingumas – jie vidutiniškai daugiau kaip 30 proc. derlingesni už vasarinius kviečius. Didesnį žieminių kviečių derlingumą lemia ilgesnis vegetacijos periodas, intensyvesnis krūmijimasis, geriau išsivysčiusi šaknų sistema. Mūsų klimato zonoje labai svarbi kviečių savybė – žiemkentiškumas arba jų gebėjimas peržiemoti.