Wageningen, The Netherlands
May 16, 2022
Hybrid agricultural and horticultural crops can play an important role in supporting global food security. They produce higher yields and are often more resistant than non-hybrid varieties to diseases and climate stress. But for many crops, no hybrid varieties are available. Why is that?
Maize is a globally very important crop, and the use of hybrid varieties is routine. The first type was introduced as far back as 1930. But that hasn’t happened for other major crops such as wheat and cassava. Now, for the first time, a comprehensive study has been done of all the factors that determine whether commercial plant breeders can come up with a hybrid variety. Sometimes there are biological challenges. Often, economic factors come into play.
It’s a uniquely comprehensive survey, which is why the renowned academic journal Nature Plants has published the research. The authors of the article are associated with hybrid potato breeding company Solynta and Wageningen University & Research. The lead author is Emily ter Steeg, a PhD candidate in development economics. This is her very first scientific article, and she immediately got published in Nature!
Generating inbred lines
What is a hybrid variety? ‘It’s a descendant of two parental plants who complement each other perfectly. The hybrid then combines the best qualities of the parents,’ she says. But to generate suitable parents, you need to ensure that they are genetically as uniform as possible (homozygous). You can do this by crossing the parents with themselves –a process called ‘selfing’ or ‘inbreeding’. ‘Developing strong parent lines takes time and costs money. So the plant breeder needs to be confident of getting a return on this investment’ says Ter Steeg.
There are lots of obstacles to overcome. First of all, it needs to be biologically possible to produce those homozygous parental lines. A self-pollinating plant is ideal: while it is much harder for plants that always cross-pollinate with another plant. Moreover, some crops also have multiple sets of chromosomes, which makes it even harder, or close to impossible, to produce inbred parent lines.
The potato grown on our fields, for example, has four sets of chromosomes with hereditary material. That’s an important reason why there have been so few attempts to generate inbred lines. It makes potato breeding particularly difficult, and that’s why we still have ancient varieties like the Bintje or Russet Burbank.
But we’re making progress. There are in fact also diploid potatoes that have just a single set of genes.These varieties did not support inbreeding. But scientists at Solynta and Wageningen University & Research have recently managed to get round that obstacle. The Sli gene is the key to that. Now the path is clear to develop potatoes from hybrid seeds rather than from tubers.
Economic drivers
‘With wheat, there’s another issue to consider. Wheat produces relatively few seeds per pollination and so far, the added value of hybrid varieties is limited. It’s also a segmented market. That’s why developing hybrid wheat isn’t yet cost effective for plant breeders,’ says Ter Steeg.
The scientists researched the economic drivers for developing a hybrid variety. On the one hand there’s the cost of the development process, and on the other there’s the anticipated revenues. Both play an important role. ‘Large markets or markets with high value added are more profitable for plant breeders. That’s why you see hybrid varieties of major global crops and important vegetables but less so for small local crops. Also, the market price of the harvested products determines how much a grower is willing to invest in seeds. Therefore, market prices for growers influence seed prices and revenues of plant breeders.’
Joint effort
High-yielding, robust crops are urgently needed in order to address the challenges of global food security and climate change. ‘But there’s a lack of progress in the breeding of some staple crops, which are important for food security. This applies to cassava, sugarcane and sweet potatoes, but also to traditional leafy vegetables and fruits. If we want to improve and ensure access to nutritious food in poorer countries, it’s important to make progress in commercically less attractive crops too’, she says.
The authors of the Nature article recommend public-private partnerships in instances where plant breeders can’t see an immediate business case. ‘Examples of such an approach are the national program ‘Topsectorenonderzoek’ (Top Sector Research) and its predecessor Technologisch Top Instituut Groene Genetica (Technological Top Institute Green Genetics). For example, many genotypes (semi-finished products) have been supplied in peppers and tomatoes, among others, that were then used by breeding companies to develop new disease resistant varieties.’
Hybride rassen kunnen antwoord bieden op voedselvraagstuk en klimaatverandering
Hybride land- en tuinbouwgewassen kunnen een belangrijke bijdrage leveren aan een betere wereldvoedselvoorziening. Ze geven hogere opbrengsten en zijn vaak beter bestand tegen ziekten en klimaatstress dan niet-hybride rassen. Toch bestaan lang niet alle gewassen in zo’n variant. Hoe komt dat?
Bij maïs, wereldwijd een heel belangrijk gewas, zijn hybride rassen heel gebruikelijk. Het eerste werd al rond 1930 gelanceerd. Maar bij andere grote gewassen, zoals tarwe en cassave, is dat niet zo. Voor het eerst zijn met een integrale blik alle factoren op een rij gezet die bepalen of commerciële veredelaars tot een hybride ras kunnen komen. Soms is het biologisch heel lastig, vaak spelen economische afwegingen een rol.
Zo’n integraal overzicht is uniek, reden voor het gerenommeerde wetenschappelijk tijdschrift Nature Plants om het onderzoek te publiceren. De auteurs van de publicatie zijn verbonden aan aardappelveredelingsbedrijf Solynta en Wageningen University & Research. Eerste auteur is Emily ter Steeg, promotiestudent ontwikkelingseconomie. Het is haar allereerste wetenschappelijke artikel ooit en dan meteen in Nature!
Inteeltlijnen genereren
Wat is een hybride ras? “De nakomeling van twee ouderplanten, die elkaar perfect aanvullen. Die combineert dan de beste eigenschappen van de ouders”, vertelt ze. Maar om de geschikte ouders te krijgen, moet je eerst zorgen dat ze genetisch zo gelijkmatig (homozygoot) mogelijk zijn. Dat bereik je door de ouders met zichzelf te kruisen – inteelt dus. “Dat kost geld en tijd. Er moet dus wel een goede verwachte opbrengst voor de veredelaar tegenover staan”, zegt Ter Steeg.
Er zijn veel hobbels te nemen. Allereerst moet het biologisch mogelijk zijn om zulke homozygote ouderlijnen te maken. Een plant die zichzelf kan bestuiven is ideaal; een plant die altijd met een andere plant kruisbestuift is veel moeilijker in te telen. Bovendien hebben sommige gewassen meerdere sets chromosomen en dan is het maken van inteeltlijnen nog veel lastiger.
Aardappel bijvoorbeeld heeft vier sets chromosomen met erfelijk materiaal. Dat is een belangrijke reden dat er nauwelijks pogingen zijn geweest om inteeltlijnen te genereren. Het maakt aardappelveredeling uitermate lastig en zodoende bestaan er nog steeds oeroude rassen zoals Bintje.
Maar er zit schot in de zaak. Er zijn namelijk ook aardappels met een enkele set genen. Die kunnen dan echter weer niet intelen. Wetenschappers van Solynta en Wageningen University & Research is het toch gelukt om deze blokkade weg te nemen. Het Sli-gen is hierbij doorslaggevend. Nu staat de deur open voor het ontwikkelen van aardappels uit hybride zaad in plaats van uit knollen.
Economische motieven
“Bij tarwe speelt een ander punt. Tarwe vormt relatief weinig zaad per bestuiving en de meerwaarde van hybride rassen is beperkt. Ook is de markt gesegmenteerd. Om deze redenen is hybride tarwe nu nog niet kosteneffectief voor veredelaars”, vertelt Ter Steeg.
De wetenschappers onderzochten de economische motieven om tot zo’n ras te komen. Aan de ene kant spelen de kosten van het ontwikkelingsproces een belangrijke rol, aan de andere kant de verwachte opbrengsten. “Een grote markt is voor de veredelaar aantrekkelijk. Daarom zie je hybride rassen bij de grote wereldgewassen en weinig bij kleine lokale gewassen. Verder bepaalt de marktprijs van zijn producten hoeveel de teler kan investeren in zaden. Die marktprijzen voor de teler beïnvloeden zo de inkomsten van de veredelaar.”
Handen ineen
De wereldvoedselproblematiek en de klimaatverandering vragen dringend om productieve robuuste gewassen. “Maar je ziet dat bij cruciale gewassen de veredeling achterblijft. Dat geldt voor cassave, suikerriet en zoete aardappelen, maar ook voor lokale bladgroenten en fruitsoorten. Voor de garantie van gezond voedsel in armere landen is het belangrijk dat ook daar stappen worden gezet”, geeft ze aan.
De auteurs van het Nature-artikel bevelen publiek-private samenwerking aan in gevallen waarin de veredelaars geen directe business case zien. Ter Steeg: “Voorbeelden vanzo’naanpak bieden het Topsectorenonderzoek enhaarvoorganger Technologisch Top Instituut Groene Genetica. Zozijnerveelgenotypen (halffabrikaten) inonder anderepaprika en tomaat geleverd dievervolgens door de veredelingsbedrijvengebruikt zijn om nieuweresistenterassen te ontwikkelen.”
Topics
Species
