Mejoramiento Genético Vegetal. Principios y Procedimientos

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Principios y Procedimientos

2014

C. A. Biasutti

M. C. Nazar

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2 Índice

Página

Introducción 3

Sistemas de Reproducción de las Plantas Cultivadas 7

Endocría y Heterosis 30

Recursos Genéticos Vegetales 41

Herencia Cuantitativa 54

Heredabilidad 66

Generación de Variabilidad 73

Selección 82

Interacción Genotipo Ambiente y Adaptación 91

Mejoramiento de Plantas Autógamas 102

Mejoramiento de Planta Asexuales 117

Mejoramiento de Poblaciones de Alógamas 123

Variedades Híbridas 145

Producción de Semilla 155

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3 Unidad 1.

Introducción.

Los incrementos en la productividad en la agricultura resultan del amplio uso de las modernas variedades de plantas. Las implicaciones de la transformación agrícola para proveer de fuentes de alimento a un mundo más necesitado y la importancia de conservar un ambiente no contaminado para las futuras generaciones, mediante un empleo adecuado de los recursos genéticos disponibles, marca la importancia de un adecuado conocimiento de los procesos técnicos, legales y políticos que conllevan a la obtención y diseminación de nuevos cultivares. Ejemplos como la llamada Revolución Verde y, sus repercusiones sobre la adopción y el reemplazo de poblaciones vegetales por nuevos cultivares, que no siempre cumplen su objetivo de asegurar una producción sustentable, aumentan la importancia de un conocimiento cabal cuando se deben adoptar nuevas tecnologías.

El 50% del incremento en la productividad de los principales cultivos, de los cuales depende la alimentación de la humanidad, son debidos al mejoramiento genético de dichos cultivos. En marzo de 2000, el premio Nobel Norman Borlaug remarcó que las investigaciones en agricultura deben orientarse al desarrollo y aplicación de tecnologías que incrementen, en forma económica y ambientalmente sustentable, los rendimientos de granos en un 75% en los próximos 25 años.

En este escenario, para que nuestro sector agropecuario fortalezca su posicionamiento competitivo, es indispensable integrar a los programas de mejoramiento de cultivos, con las nuevas biotecnologías y con las tecnologías de análisis de información que contribuyan a acelerar la obtención de materiales genéticamente superiores en un marco de sustentabilidad.

El Mejoramiento Genético Vegetal comprende la síntesis de conocimientos adquiridos en lo concerniente a conceptos estadísticos, la metodología experimental y un conocimiento fundamentado de la estructura genética y reproductiva de las poblaciones vegetales. Lo anterior es imprescindible para comprender el manejo adecuado de diferentes estructuras poblacionales que resultan de la aplicación de los llamados métodos de selección que permiten mejorar en sus frecuencias génicas a una población determinada.

El mejoramiento genético vegetal es considerado una ciencia, basada en la observación, identificación, descripción, investigación experimental y explicación teórica de los fenómenos naturales, y una tecnología, como la aplicación de la ciencia a objetivos industriales o comerciales.

Antecedentes históricos

Se puede decir que la mejora genética vegetal comenzó con el inicio de la agricultura sedentaria y la domesticación de los primeros cultivos. Los primeros cultivos domesticados fueron los cereales, y en ellos se observa ya en los primeros tiempos una rápida eliminación de características indeseables como

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4 la dehiscencia o la latencia de sus semillas. Es lógico asumir que la necesidad de recolectar los frutos, semillas y raíces para la alimentación humana, debió de ir acompañada de un aumento en el conocimiento de la biología de las plantas sobre todo de aquellas características relacionadas con el potencial alimentario del cultivo.

Hasta el primer decenio de este siglo la mejora genética vegetal estaba en manos de "expertos" que en muchos casos fueron incapaces de conseguir grandes progresos debido a la falta de conocimientos científicos, siendo más bien la mejora genética vegetal un "arte" basado más en la pericia o habilidad del mejorador que en conocimientos científicos.

Uno de los eventos, quizá y con seguridad el de mayor trascendencia, fue el redescubrimiento de los trabajos de Mendel (1865) por Tschremak, Correus y Vries, entorno a 1900 en los que se determinaron las leyes de la herencia. Estos autores ya indicaron la importancia de los mismos para el desarrollo de la genética como disciplina independiente, así como para la mejora de los organismos sobre la base de sus principios.

El nacimiento de la Genética estuvo íntimamente ligado con la Mejora Vegetal, como lo demuestra el hecho de que, lo que hoy se consideran los tres primeros congresos internacionales de genética tuvieran como títulos "International Conference of Hibridization" (Londres, 1899), "Conference of Plant Breeding and Hibridization" (New York, 1902) y "International Conference of Hibridization and Plant breeding" (Londres, 1906). En este último congreso, Bateson afirmó "que la actividad de los mejoradores de plantas y animales había dejado de ser un misterio para convertirse en una ciencia" y propuso el nombre de Genética para dicha ciencia.

Definiciones

Existen numerosas definiciones del Mejoramiento Genético Vegetal, la mayoría de las cuales hace énfasis en la combinación de ciencia y arte:

“La ciencia cuyo objetivo es cambiar el genotipo, mejorándolo para un determinado medio y según el aprovechamiento para el que se vaya a destinar de acuerdo con las necesidades del hombre” (Frankel, 1958).

“El arte y la ciencia de mejorar el genotipo de las plantas en relación con su utilización económica” (Smith, 1966).

“Es arte y ciencia, permitiendo cambiar y mejorar la herencia de las plantas” (Phoelman, 1965).

“El arte y la ciencia de cambiar genéticamente las plantas” (Allard, 1967).

“En el mejoramiento se busca un buen rendimiento, si el rendimiento es bueno todo lo demás es bueno” (Fasoulas, 1967).

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5 “La utilización de un sistema organizado de manipulación genética para modificar una especie vegetal, con el fin de hacerla más útil o aceptable para un uso específico” (Johnson, 1981).

“Es el arte y la ciencia de mejorar genéticamente las plantas” (Fehr, 1987). A partir de todas estas definiciones, estamos en condiciones de establecer las tres premisas más importantes para el planteamiento de cualquier programa de mejora genética vegetal:

1. La existencia de variabilidad o la posibilidad de crearla 2. La capacidad o habilidad de detectar la variabilidad

3. La capacidad para manipular la variación para producir un nuevo cultivar.

Objetivos de la mejora genética vegetal.

El mejoramiento genético vegetal apunta a mejorar las características de la planta para que sean más deseables agronómica y económicamente. Por lo tanto, el objetivo principal de mejoramiento es desarrollar variedades mejoradas de plantas de cultivo que serán comercialmente exitosas. En general, una variedad exitosa es aquella que presenta un balance de los rasgos que la hace más rentable para los productores que cualquier otra que pueden elegir. Por esta razón los criadores son cautelosos acerca de enfatizar una característica a la exclusión de los demás. Sin embargo, la mejora en algunos rasgos específicos de determinados cultivos puede convertirse en un objetivo prioritario por diversas razones agronómicas y económicas. Por lo tanto, los objetivos específicos dependerán de las condiciones ambientales y económicas. Los principales objetivos del mejoramiento pueden resumirse como sigue:

Aumento de la producción

Rendimientos más altos: La mayoría de los programas de cría tienen como objetivo mayor rendimiento de los cultivos. Esto se logra mediante el desarrollo de genotipos más eficientes. Por ejemplo las variedades híbridas de maiz Mejora de la calidad y valor nutricional

La calidad del cultivo determina su idoneidad para diversos usos. Por lo tanto, la calidad es un aspecto importante para los criadores de plantas. Caracteres de calidad como por ejemplo la granulometría, color, y cualidades para hornear en trigo (Triticum aestivum); cocina de calidad en el arroz y garbanzo (Oryza sativa, Cicer); malteado calidad en cebada (Hordeum vulgree), el tamaño, color y sabor de frutas, manteniendo la calidad de hortalizas, contenido de proteína en cereales y leguminosas; contenido de lisina en cereales, metionina y triptófano contenidos en leguminosas, etc.

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6 Mejora de la adaptación a factores adversos

Las variedades resistentes ofrecen el método más económico y conveniente para enfrentar enfermedades y ataque de insectos. En algunos casos, ofrecen el único medio viable de control, Ejemplo las royas del trigo. Las variedades resistentes no sólo incrementar la producción sino también la estabilizan. Lo mismo puede decirse de la tolerancia a factores abióticos como la sequía, frío, falta de nitrógeno etc.

Bibliografía

Allard, R. W., 1960. Principios de la mejora genética de las plantas. Ed. Omega, Barcelona, 498 pp.

Sleper D. A. and J. M. Poehlman, 2006. Breeding Field Crops, 5th Edition, Blackwell Publishing, 424 p.

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7 Unidad 2.

Sistemas de reproducción de las plantas cultivadas

Biología de la floración y su relación con la mejora genética de las plantas.

El conocimiento de los mecanismos reproductivos de una especie, si es de forma sexual y/o asexual, autógama, parcialmente alógama o alógama y su biología floral constituye un conocimiento básico para que se pueda planear convenientemente un plan de mejora. La biología floral y reproductiva inciden en un programa de mejora porque:

a) Afectan a la manipulación del material vegetal durante el proceso de mejora. b) Determinan fundamentalmente la estructura genética de una población c) Delimitan en buena parte el tipo de nueva variedad: lineas puras, híbridos, variedades sintéticas o de polinización libre, etc.

Además de la morfología floral existen otras características de las flores que influencian la polinización y la fertilización:

La posición de los órganos masculinos y femeninos

 Plantas Hermafroditas, los órganos masculinos y femeninos están en la misma flor (>90% de las espcies).

 Monoicas, los órganos masculinos y femeninos están en la misma planta: maíz, cucurbitáceas.

 Dioicas, los órganos masculinos y femeninos están en plantas diferentes: palmera datilera, papaya, espárrago, pimienta negra.

Existen formas de transición como adromonoicas (flores masculinas y hermafroditas en la misma planta), ginomonoicas (flores femeninas y hermafroditas en la misma planta), androdioicas (plantas masculinas y hermafroditas), ginodioicas (plantas femeninas y hermafroditas), etc.

El momento de actividad de los órganos

 Homogamia: estigmas y polen maduran simultáneamente. o Cleistogamia: polinización a flor cerrada

o Chasmogamia: polinización a flor abierta

 Homostilia: Pistilo y estambres del mismo largo

o Heterostilia: pistilo y estambres con longitud diferente

o Herkogamia: pistilo y estambres dispuestos de manera de impedir la autopolinización: Iris, Saintpaulia

o Anteras en forma de cono: pistilo y estambres dispuestos de manera de promover la autopolinización: lechuga, tomate.

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 Dicogamia: los estigmas y el polen no maduran simultáneamente. o Protandria: polen madura primero: cebolla, zanahoria, maíz. o Protoginia: los estilos maduran primero: té, cacao.

Reproducción sexual.

En la reproducción sexual, característica de los seres superiores, un gameto femenino y un gamento masculino se fusionan para dar lugar al zigoto, el cual por sucesivas divisiones dará un nuevo organismo. En las plantas superiores implica la formación de gametos mediante la macrosporogénesis (gametos femeninos) y la microsporogénesis (gametos masculinos) a través de la meiosis, y la fecundación o fertilización a través de la polinización. La reproducción sexual permite crear gran cantidad de variabilidad por recombinación génica.

Analizaremos dos sistemas muy importantes que inciden sobre el manejo reproductivo de la especie y sobre el tipo de cultivar a obtener, ellos son la incompatibilidad y la macho-esterilidad.

Incompatibilidad. Introducción

La incompatibilidad ocurre cuando determinadas plantas, las cuales producen gametos perfectamente funcionales, no producen semillas mediante la autopolinización. En la incompatibilidad las células sexuales son completamente viables, en contraposición con la esterilidad, la cual se caracteriza por la ausencia de gametos o la existencia de gametos no funcionales. Podemos definirla entonces como la incapacidad de gametos funcionales de efectuar la fertilización en combinaciones particulares entre genotipos. La incompatibilidad puede estar dada por la incapacidad del tubo polínico de penetrar el estigma o de crecer normalmente. En algunos casos el tubo polínico crece tan lentamente que no alcanza a fecundar los óvulos antes que estos sean no viables. La incompatibilidad impide la autofecundación y la endocría, y por ende, promueve la fertilización cruzada, es de amplia ocurrencia en plantas silvestres y cultivadas. La primera descripción de un fenómeno de incompatibilidad fue realizada por Koelreuter 1764 en Verbascum phoeniceum, por su parte, Darwin estudió el fenómeno y lo llamó “autoesterilidad”. Los genes que intervienen en la manifestación de la incompatibilidad son denominados como S-genes. La ocurrencia del fenómeno de la incompatibilidad ha sido documentado en alrededor de 3000 especies, pero se concentra predominantemente en unas pocas familias: compuestas, crucíferas, gramíneas y leguminosas que contienen el 50%, aproximadamente, del total de géneros que presentan incompatibilidad (Tabla 2.1).

Principales características de los sistemas de incompatibilidad. Sistemas de Incompatibilidad

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9 1. Sitio de expresión de la reacción de incompatibilidad

2. Asociación con la morfología floral 3. Nivel de interacción génica

1. Sitio de expresión

La reacción de incompatibilidad toma lugar en el período entre la deposición del polen sobre el estigma y la fertilización. La inhibición del crecimiento del tubo polínico puede ocurrir en tres diferentes niveles:

1.1 Inhibición en la superficie estigmática: Compositae, Cruciferae y Gramineae

1.2 Barrera al tubo polínico en el estilo: Solanaceae, Leguminosae y Scrophulariaceae

1.3 Barrera al tubo polínico en el ovario: Beta, Freesia, Cacao. 2. Asociación con la morfología floral

Dos sistemas diferentes: la Incompatibilidad Homomórfica: donde no es posible distinguir ninguna diferencia morfológica entre apareamientos compatibles e incompatibles. Este tipo es el más común entre las especies de plantas autoincompatibles. En contraposición la Incompatibilidad Heteromórfica: en la cual la incompatibilidad está asociada con diferencias en tamaño y con la forma de las flores especialmente con relación a los órganos sexuales. Este tipo ocurre en un pequeño número de especies comparado con la homomórfica, y fue estudiado en el género Primula. En esta especie pueden ocurrir dos tipos de flores, una con estilos largos y estambres cortos (tipo “Pin”), y flores con estilos cortos y estambres en largos filamentos (tipo “Thrum”). Los tipos son autoicompatibles pero compatibles entre ellos.

3. Nivel de interacción génica

De acuerdo al nivel de interacción génica podemos distinguir dos tipos de incompatibilidad: Incompatibilidad Gametofítica (GI) e Incompatibilidad Esporofítica (SI). La incompatibilidad en estos dos tipos está generalmente controlada por un locus con varios alelos. Sin embargo, en Gramineae es común un sistema gametofítico basado en 2 locus (S y Z). Los casos de control poligénico son excepcionales, pero pueden ocurrir.

Incompatibilidad Gametofítica (GI) Sistema GI 1-Locus

La incompatibilidad gametofítica (GI) está, en la mayoría de los casos, gobernada por un locus con series alélicas múltiples. El número de alelos puede ser considerablemente alto como en calabaza >50, ó en trébol rojo >200. Los alelos son identificados como S1, S2...Sn, de acuerdo a la

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10 secuencia de su detección. No todos los alelos actúan al mismo nivel de supresión de la compatibilidad. Estos varían en su “fuerza” para conferir incompatibilidad, desde incompatibilidad completa (S-alelos “fuertes”), existiendo algunos que admiten una fertilización ocasional (S-alelos “débiles”) siendo éstos influenciados por el ambiente.

Tabla 2.1. Distribución de la ocurrencia de la incompatibilidad en distintas familias y géneros de plantas.

Tipo de

Incompatibilidad

Familia Género

G Solanaceae Lycopersicon, Nicotiana, Petunia, Solanum, Physalis G Scrophulariaceae Antirrhimun, Nemesia, Veronica, Verbascum

G Onagraceae Oenothera

G Papaveraceae Papaver

G Bromeliaceae Ananas

G Rosaceae Prunus, Malus, Pyrus

G Commelinaceae Tradescantia

G Liliaceae Lilium, Hemerocallis

G Papillionaceae Trifolium, Medicago, Lotus

G Plantaginaceae Plantago

G Gramineae Secale, Hordeum, Festuca, Phalaris, Lolium. Oryza

G Ranunculaceae Ranunculus

G Chenopodiaceae Beta

G Euphorbiaceae Euphorbia

G Cupuliferae Castanea

S Compositae Cosmos, Crepis, Chrysanthemun, Bellis, Helianthus, Parthenium, Carthamus, Ageratum

S Cruciferae Capsella, Iberis, Brassica, Raphanus, Cardamine

S Sterculiaceae Theobroma, Cola

S Primulaceae Primula

S Lythraceae Lythrum

S Plumbaginaceae Armeria

S Linaceae Linum

G: Gametofítica S: Esporofítica

Características del Sistema GI 1-Locus

1. La inhibición del crecimiento del tubo polínico ocurre en el estilo

2. La incompatibilidad ocurre cuando el mismo S-alelo está presente en el grano de polen y en el tejido estilar.

3. La reacción del polen es completamente determinada por el genotipo haploide, no existe interacción con el esporofito.

4. Los S-alelos en el estilo actúan independientemente uno del otro. 5. Los granos de polen son casi siempre bicelulares.

6. La poliploidización suprime la incompatibilidad.

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11 Posibles resultados a obtener con relación al número de S-alelos mutuos en el sistema GI 1-Locus

(i) Dos alelos en común

♀ Sa Sb x Sa Sb ♂  No hay fertilización (100% incompatible) (ii) Un alelo en común

♀ Sa Sb x Sa Sc ♂  Sa Sc + Sb Sc (50% incompatible) (iii) Ningún alelo en común

♀ Sa Sb x Sc Sb ♂  Sa Sc + Sa Sd + Sb Sc + Sb Sd (100% compatible) Cruzas recíprocas en (iii) dan idénticos resultados

Cruzas recíprocas en (ii), la composición de la progenie cambia ♀ Sa Sb x Sa Sc ♂  Sa Sc + Sb Sc

♀ Sa Sc x Sa Sb ♂  Sa Sb + Sb Sc

Como en (ii) el genotipo paterno aparece en la F1 (Sa Sc, Sa Sb).

La probabilidad de ocurrencia de incompatibilidad en un cultivo (población, variedad) depende del número de S-alelos disponibles.

Índice de Incompatibilidad

I = 2 / n(n – 1)

Siendo n el número de S-alelos

Con 2, 3 ,4 y 5 S-alelos los valores del índice serán: 1, 1/3, 1/6 y 1/10. El efecto de la incompatibilidad decrece rápidamente con el aumento del número de S-alelos.

Sistema GI 2-Locus

El sistema de incompatibilidad gametofítica condicionado por 2 locus es menos común que el sistema monofactorial. Se encuentra en Secale, y es común en pastos: Hordeum bulbosum, Phalaris coerulescens, y en flores nocturnas:

Physalis ixocarpa, y en varias especies de Solanum Los S-Loci son

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12 Características del Sistema GI 2-Locus

1. La inhibición del crecimiento del tubo polínico ocurre en el estigma, no hay penetración en el estilo.

2. La reacción del polen esta exclusivamente determinada por su genotipo en relación al genotipo del pistilo diploide.

3. Existe ocurrencia de múltiple alelismo para ambos loci 4. Existe una acción complementaria entre los alelos S y Z. La

incompatibilidad ocurre cuando los granos de polen tienen un alelo en común con el pistilo para ambos loci.

5. La Poliploidía no interfiere con este tipo de incompatibilidad. 6. El polen es usualmente tricelular

7. En principio 6 grupos de genotipos pueden resultar de la cruza,

dependiendo del número de alelos comunes presentes en ambos padres (Tabla 2).

8. La homocigosidad puede ocurrir para uno de los locus. 9. Las cruzas recíprocas pueden dar resultados diferentes: Sa Sb Zc Zd x Sa Sa Zc Zd  Incompatible

Sa Sa Zc Zd x Sa Sb Zc Zd  50% compatible

La probabilidad de obtener una combinación incompatible con el sistema GI 2-Loci puede calcularse:

Número de S-alelos: ns Número de Z-alelos: nz

Número de posibles S-genotipos: ns (ns + 1) / 2 Número de posibles Z-genotipos: nz (nz + 1) / 2 Consecuentemente:

Indice de Incompatibilidad: 1: { ns (ns + 1) / 2 x nz (nz + 1) / 2 - ns nz }

Con 3, 4 y 5 alelos S y Z en la población, la probabilidad de incompatibilidad es 1/27, 1/84 y 1/200.

Incompatibilidad Esporofítica (SI)

El sistema de incompatibilidad esporofítica es generalmente monofactorial, con excepciones en algunas compuestas: chrysantemum y girasol, la incompatibilidad está controlada por 2 – 3 loci. En cacao se basa en 3 genes complementarios y la barrera está en el ovario

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13 Tabla 2.2. Grupos de genotipos resultantes dependiendo del número de alelos comunes presentes en ambos padres.

Combinación Alelos diferentes % Polen

compatible Número de Genotipos en F1 Sa Sb Za Zb x Sa Sb Za Zb 0 0 - Sa Sb Za Zb x Sa Sb Za Zc 1 50 6 Sa Sb Za Zb x Sa Sc Za Zc 2 75 12 Sa Sb Za Zb x Sa Sb Zc Zd 2 100 12 Sa Sb Za Zb x Sa Sc Zc Zd 3 100 16 Sa Sb Za Zb x Sc Sd Zc Zd 4 100 16

Características del Sistema SI

1. La inhibición del crecimiento del tubo polínico ocurre en el estigma o en el ovario (cacao).

2. Generalmente existe alelismo múltiple 3. El grano de polen es tricelular

4. La popliploidía no afecta el sistema de incompatibilidad

5. La reacción del polen no está determinada por su genotipo haploide sino por la relación de dominancia en el esporofito

6. La reacción del pistilo está determinada también por relaciones de

dominancia intra-locus. Las relaciones de dominancia en el polen y el pistilo pueden ser diferentes (Tablas 3 y 4)

7. La reacción de incompatibilidad ocurre cuando los mismos alelos se expresan en el polen y en el pistilo.

Las interacciones entre los alelos S puede ser diferente en las anteras y en el estilo de la misma planta. Además de las relaciones de dominancia pueden existir relaciones de codominancia (Sx=Sy)

Tabla 2.3. Tipos de interacción entre los genes S presentes en el polen y el pistilo Relación de Dominancia Polen Sx < Sy Sx < Sy Sx = Sy Sx = Sy Sx > Sy Pistilo Sx < Sy Sx = Sy Sx < Sy Sx = Sy Sx < Sy Tipo de Interacción I II III IV V

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14 Supresión de la Incompatibilidad

Con el objetivo de permitir la endocría y obtener líneas homocigotas, se han desarrollado varios métodos para suprimir la incompatibilidad, algunos de los cuales se detallan a continuación:

Polinización en botón floral. Es quizá el método más antiguo, consiste en la polinización de estigmas inmaduros o de flores no abiertas. El efecto de esta polinización en botón floral se atribuye a la ausencia o a la acción incompleta de las substancias que impiden el desarrollo del tubo polínico. Se ha empleado con éxito en Petunia, Nicotiana y Trifolium.

Retardo de la polinización. Consiste en la aplicación de polen fresco sobre estigmas después de tres o más días a partir de antesis, cuando las substancias inhibitorias han perdido su fuerza. Se ha probado con éxito en especies de Lilium

Tratamientos físicos. Inmersión en agua caliente (~50 C) durante varios minutos, en Oenothera, Lilium. En otras, Brassica, Raphanus, Lycopersicum, la exposición de la planta a altas temperaturas (30 – 40 C) puede destruir el mecanismo de incompatibilidad. La sensibilidad a la temperatura parece estar controlada genéticamente.

Tabla 2.4. Posibles resultados de una cruza en el sistema SI dependiendo de la relación interaalélica en ambos padres.

Cruza Tipo de Interacción Compatibilidad F1 S1 S2 x S2 S3 I + S1S2, S1S3, S2S2, S2S3 S2 S3 x S1 S2 I + S1S2, S1S3, S2S2, S2S3 S1 S2 x S2 S3 II + S1S2, S1S3, S2S2, S2S3 S2 S3 x S1 S2 II - - S1 S2 x S2 S3 III - - S2 S3 x S1 S2 III + S1S2, S1S3, S2S2, S2S3 S1 S2 x S2 S3 IV - - S2 S3 x S1 S2 IV - -

Los alelos subrayados indican expresión.

Otros métodos que se han empleado contemplan la aplicación de reguladores del crecimiento como cito quininas y auxinas en Petunia, Nicotiana, Trifolium,

Lilium, Lycopersicum y Raphanus, la Irradiación del estilo o del polen para

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15 crecimiento subóptimas., en Prunus, Brassica, Oenothera. También se ha empleado la compatibilidad de “fin de estación”, dado que se ha observado que la reacción de incompatibilidad se torna más débil a medida que se acerca el fin del ciclo reproductivo.

Utilización de la incompatibilidad en el mejoramiento y la obtención de cultivares

La incompatibilidad puede utilizarse para la producción de cultivares híbridos cuando la emasculación es muy compleja o muy costosa y no existan mecanismos alternativos de macho esterilidad (CMS) disponibles. Principalmente ha sido aplicada para la obtención de híbridos de Brassica

oleraceae: repollos de Bruselas, repollo, coliflor, brócoli y rábano (Sistema

1-locus SI). La mayoría de los cultivares de colza en Japón, EEUU y en Europa son híbridos basados en el sistema SI de incompatibilidad

Pasos para la producción de una variedad híbrida auto incompatible:

1. Colección de material (variedades, poblaciones) con buenas características agronómicas.

2. Selección de plantas homocigotas para el alelo S. De ser necesario mediante endocría forzada.

3. Elevar el nivel de homocigosis mediante repetidos procesos de autofecundación o cruzas endogámicas

4. Cruzamiento entre las líneas y prueba de las F1 en diferentes localidades y en diferentes años para la identificación de líneas con alta aptitud

combinatoria específica

5. Propagación en masa de las líneas selectas mediante reproducción vegetativa y producción de semillas mediante cruzas entre líneas Aspectos a considerar

Al utilizar líneas para la producción de híbridos no incluir alelos S “débiles”, ellos pueden permitir cierto grado de autofecundación impurificando el híbrido. Usualmente se encuentran líneas parentales en los híbridos a consecuencia de compatibilidad de fin de estación o debido a condiciones de estrés. Para el productor esto es no problemático siempre que no exceda un determinado porcentaje. Por el contrario para el criador u obtentor si es problemático debido a que sus líneas pueden ser “copiadas” por la competencia. Una solución a esto es cosechar semilla sobre uno solo de los padres o producir híbridos triples o dobles aunque para esto se requieren 3 a 4 líneas con alelos S diferentes.

Producción de Híbridos

Un método simple es producir híbridos entre clones que son autoincompatibles pero compatibles entre ellos. Se siembran en surcos adyacentes mediante reproducción vegetativa y se permite su intercruzamiento. Utilizando clones que

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16 difieran en los S alelos (sistema gametofítico) se han obtenido híbridos de Bahíagrass o Pasapalum notatum (Poaceae). Este sistema también es utilizado para la producción de semilla de variedades sintéticas y de híbridos simples de alfalfa.

En el caso de especies que se propagan por semilla es necesario emplear métodos que permitan la supresión de la incompatibilidad y de esta manera obtener líneas endocriadas. En las plantas pertenecientes a las Brasicaceas, que poseen el sistema esporofítico, se han desarrollado líneas endocriadas dado que este sistema permite la obtención de genotipos homocigotos para el alelo S. La producción de semilla para el mantenimiento de las líneas parentales se realiza mediante polinización en botón floral.

Híbrido Simple Sa Sa x Sb Sb = Sa Sb Híbrido Triple Sa Sa x Sb Sb = Sa Sb x Sc Sc = Sa Sc + Sb Sc Híbrido Doble Sa Sa x Sb Sb x Sc Sc x Sd Sd = Sa Sb x Sc Sd: Sa Sc + Sa Sd + Sb Sc + Sb Sd

Los híbridos triples y los híbridos dobles ofrecen mayor protección al mejorador en relación a la pérdida de líneas. Sin embargo los HS son preferidos debido a que son más simples para producir, son más productivos y más uniformes, permitiendo la cosecha mecánica y un manejo más eficiente de ésta, sobretodo en especies hortícolas.

Macho Esterilidad Introducción

La macho esterilidad es debida a la incapacidad de las plantas con flores de producir o liberar polen funcional. También existe la esterilidad femenina, que es la incapacidad de producir ovarios y o células madres funcionales. Generalmente la esterilidad femenina ha sido menos estable que la macho esterilidad. En las plantas que poseen macho esterilidad, estas no producen anteras funcionales o no producen polen viable, pero los ovarios son perfectamente funcionales. La macho esterilidad, es un mecanismo que favorece la polinización y fecundación cruzada, siendo esto de gran importancia y utilidad en el mejoramiento genético vegetal para la producción de semilla hibrida sin necesidad de emasculación. Esto es de mucha importancia en el caso de plantas autógamas en las cuales la remoción de los estambres es muy laboriosa y como resultado muy costosa.

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17 Ocurrencia de la Macho Esterilidad

La macho esterilidad está ampliamente distribuida entre las plantas con flores y formas hereditarias de macho esterilidad se han encontrado en mas de 600 especies y cruzas interespecíficas. Los casos descriptos de macho esterilidad se concentran en 5 familias a saber: Gramineae (21 géneros), Leguminosae (17 géneros), Compositae (11 géneros), Solanaceae (6 géneros) y Cruciferae (6 géneros).

Causas

Existen varias causas de macho esterilidad. Puede ser inducida por condiciones ambientales extremas como bajas temperaturas, baja intensidad lumínica y otros tipos de estrés. Cuando cesa el estrés esta esterilidad fenotípica, que puede provocar fallas a nivel de anteras y de la microsporogénesis, se torna no operativa.

Las formas de macho esterilidad que pueden ser aprovechadas para la producción de semilla híbrida son aquellas cuya causa sean de origen genético y por ende heredables, por ejemplo la condicionada por la acción de genes nucleares recesivos o de citoplasma estéril.

Clasificación

De acuerdo a si la esterilidad es causada por genes nucleares o por aquellos situados en el citoplasma podemos clasificar los sistemas de macho esterilidad en:

 Macho Esterilidad Génica

 Macho Esterilidad Citoplásmica Génica Macho Esterilidad Génica

Está condicionada por genes nucleares recesivos que provienen de mutaciones espontáneas o inducidas, cuya acción impide el normal desarrollo de las anteras. La expresión de estos genes puede ser completa, es decir no hay producción de polen viable ni producción de semillas en las plantas con flores macho estériles, o parcial, en la cual hay formación de polen fértil y producción de semillas. La expresión de los genes que condicionan la macho esterilidad puede variar frente a cambios en el ambiente.

Genes que condicionan la macho esterilidad

En el caso más común, existe un gen recesivo que es denominado comúnmente como ms, el alelo recesivo. El alelo dominante Ms condiciona la producción normal de anteras y polen. En el caso de una especie diploide, el genotipo ms ms resultará en macho estéril mientras que los genotipos Ms Ms y

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18 Uno de los problemas de la macho esterilidad génica es su condición recesiva, dado que esto impide que se pueda mantener una población pura de plantas macho estériles. Los genes para macho esterilidad pueden ser mantenidos en una población en la cual coexisten genes para esterilidad y fertilidad. Si se cosechan las semillas producidas sobre plantas macho estériles, ms ms, estas pueden ser polinizadas tanto por plantas Ms Ms o Ms ms, lo que permitirá la segregación de los genes ms.

En el caso de la obtención de híbridos será necesaria la remoción de plantas fértiles, lo que complica el proceso (Figura 1). Para facilitar lo anterior se debería contar con marcadores genéticos que se expresen antes de floración y así poder eliminar las plantas fértiles.

Genes para macho esterilidad se ha detectado en maíz, cebada, sorgo, arroz, soja, trigo, tomate, cebada, pimiento y algodón. La incorporación de los genes para macho esterilidad se puede realizar a través de la retrocruza. Dado lo laborioso y el tiempo necesario para transformar una línea fértil en macho estéril, solo se justifica si el cultivar a transformar será utilizado en cruzas por varios años.

Figura 2.1. Utilización de la macho esterilidad génica para la producción de híbridos y el mantenimiento de las líneas parentales.La línea madre y el

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19 mantenedor deben ser isogénicas. El polinizador no debe estar relacionado genéticamente con las líneas I y II. Las plantas Ms ms deber ser removidas antes de floración.

Macho Esterilidad Citoplásmica Génica (CMS)

Este tipo de macho esterilidad está controlada por el citoplasma y por la interacción entre el ADN citoplásmico y el que se encuentra en los cromosomas. Su expresión fenotípica es igual que en el caso de la esterilidad génica, la no producción de polen viable o malformaciones en las anteras. El citoplasma que condiciona la CMS se lo denomina citoplasma estéril (CMS o S) en contraposición con el citoplasma normal (N o F), el cual permite el desarrollo normal de anteras y polen. El origen de estos citoplasmas esterilizantes a menudo es el resultado de cruzas interespecíficas, es decir, la introducción de cromosomas en un citoplasma diferente. En sorgo se obtuvo esterilidad citoplásmica al cruzar milo x kafir. Debido a que el citoplasma es transferido solamente mediante la célula huevo, la CMS es de herencia materna, es decir el citoplasma estéril solo es transferido por la madre.

Figura 2.2. Herencia de macho esterilidad citoplásmica en sucesivas cruzas. La CMS permanece en reiteradas retrocruzas.

La esterilidad citoplásmica puede ser modificada por la acción de genes restauradores de la fertilidad (Rf) que están localizados en los cromosomas del núcleo. Cuando está presente un alelo Rf en estado dominante (Rf Rf o Rf rf), la esterilidad citoplásmica no es operativa, y las flores producen anteras y polen de manera normal. Para la obtención de un híbrido fértil es necesario utilizar una línea que al ser CMS actuará como madre y una línea macho que posea los Rf en estado dominante.

Los genes nucleares y el citoplasma interactúan para producir plantas macho estériles y macho fértiles. La existencia de los genes Rf solamente se detecta cuando se cruzan con una madre CMS. Asumiendo que un solo gen Rf es necesario para restaurar completamente la fertilidad, las cruzas por una madre CMS darán tres tipos de progenies:

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20 (S)rfrf x (F)rfrf (S)rfrf 100% estéril

(S)rfrf x (F)Rfrf (S)rfrf 50% estéril (S)Rfrf 50% fértil (S)rfrf x (F)RfRf (S)Rfrf 100% fértil

En maíz y en trigo son necesarios dos genes dominantes (Rf1 y Rf2) para restaurar la fertilidad, además de genes modificadores cuya acción permite una total restauración de la fertilidad a través de una gran variedad de ambientes.

Figura 2.3. Obtención de una F1 y F2 de la cruza entre un progenitor macho estéril y uno fértil con genes Rf.

Para la obtención de un híbrido utilizando CMS son necesarias tres líneas: la línea A: CMS madre, el polinizador R, fértil y la línea B mantenedora de A (Figura 2.4)

La CMS ha sido empleada extensivamente en la producción de semilla híbrida en maíz, sorgo, girasol y remolacha azucarera. En EEUU la utilización de la CMS ha reemplazado al sistema de eliminación a mano de la panoja en los campos de producción de semilla híbrida de maíz (Figura 2.5).

Problemas con la CMS

La inestabilidad de CMS frente a cambios ambientales puede provocar autofecundación o intercruzamiento de la línea madre, lo que resultaría en una mezcla de individuos híbridos y líneas parentales. Como se mencionó antes, la restauración de la fertilidad es generalmente controlada por más de un gen Rf, con lo que el proceso de obtención de un macho con todos los genes Rf necesarios y los genes modificadores, es complicado por el número de retrocruzas necesarias. A su vez, la expresión de los Rf es afectada por la carga genética de los progenitores y también son susceptibles a la influencia ambiental. Algunos tipos de citoplasmas esterilizantes, como el S en maíz, pueden causar anormalidades en el desarrollo en ciertos cultivos. En el caso de

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21 especies autógamas como arroz y cebada, se han reportado una producción incompleta de semillas.

Macho esterilidad inducida por agentes químicos

Aquellos componentes químicos cuya acción elimine el polen ofrecen al mejorador una alternativa a la utilización de la macho esterilidad, ya sea génica o citoplásmica. Estos agentes se han denominado colectivamente como gametocidas o supresores de polen. Un gametocida con un efecto total y absoluto sobre el polen fue y es el sueño dorado de cualquier mejorador. La posibilidad de transformar una línea con flores completas, trigo, soja, en una línea madre simplemente con rociar un químico antes de la floración, eliminaría la necesidad de cruzas y retocruzas para obtener una línea macho estéril. Sin embargo, para que un gametocida sea aplicable debe poseer ciertos requisitos:  Debe sctuar sobre el polen y no tener efecto sobre la fertilidad del óvulo  No ser mutagénico

 De aplicación fácil y económica

 No debe ser peligroso para el hombre ni para las plantas  Debe ser repetible

Figura 2.4. Esquema de producción de un híbrido simple y mantenimiento de las líneas parentales utilizando esterilidad citoplásmica génica. A y B son líneas isogénicas. El carácter CMS se introduce mediante retrocruzas repetidas utilizando el material de cría como recurrente

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22 Al presente ninguno de los distintos gametocidas ensayados en diferentes cultivos no han dado los resultados esperados por lo la investigación en este sentido continua hasta el presente.

Figura 2.5. Obtención de híbridos dobles en maíz utilizando CMS. Alternativas: Substitución de línea 3 por (S)RfRf o (F)RfRf. Emasculación de línea 3. Utilización de (S)RfRf por (F)RfRf en línea 4

Reproducción asexual. Propagación Vegetativa

La reproducción asexual consiste en la reproducción de individuos a partir de porciones vegetativas de la planta. Los cultivos que se pueden propagar vegetativamente son, generalmente, altamente heterocigóticos y poliploides (papa, batata, banana). En algunos casos son aneuploides como en la caña de azúcar. En otros la capacidad de florecer y producir semillas ha desaparecido como en ajo.

Las especies que se pueden propagar clonalmente, en general son alógamas, las cuales muestran intolerancia a la endocría. La alta heterocigocidad presente en cada clon individual permite descubrir y explotar la presencia de heterosis. Es decir se puede fijar la heterosis observada en un clon en particular simplemente con su reproducción agámica.

La coexistencia de la reproducción sexual y la propagación vegetativa en un individuo, presenta una ventaja evolutiva. La reproducción sexual permite la

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23 evolución y la conquista de nuevos ambientes, mientras que la multiplicación vegetativa posibilita la fijación de genotipos adaptados a un ambiente.

Tabla 2.5. Especies de reproducción asexual

Especie Multiplicación

Frutilla Estolones

Plátano Rizoma

Piña Hijuelo

Papa, Batata Tubérculo

Cebolla, Ajo, Tulipán Bulbo Cítricos, Café, Cacao Injerto

Caña de Azúcar Tallos

Piretro División de plantas

CLONACION Concepto de Clon

Material genéticamente uniforme derivado de un solo individuo y que se propaga de forma exclusiva por medios vegetativos. También es correcto definir a un clon como: Un conjunto de individuos genéticamente idénticos provenientes de la multiplicación vegetativa de una planta madre o de un conjunto de individuos pertenecientes a un clon precedente.

En tanto el medio permanezca razonablemente constante, un clon mantendrá estabilidad en la expresión de sus características. Sin embargo, ante cambios drásticos de las condiciones ambientales, una especie propagada clonalmente estará en desventaja, debido a que no tiene oportunidad de desarrollar nuevas formas mejor adaptadas mediante la recombinación genética.

Técnicas In-vitro

La propagación de plantas mediante técnicas in-vitro permite incrementar la propagación vegetativa, permitir el saneamiento de cultivares con virosis, y en algunos casos, aplicar la propagación vegetativa a cultivos que normalmente se propagan por semilla. También se puede utilizar el cultivo de tejidos in-vitro para generar variabilidad genética, llamada variación somaclonal o gametoclonal.

La propagación in-viro también permite la conservación de germoplasma en forma de tejidos en especies tropicales que no se pueden conservar mediante semillas ortodoxas (semillas recalcitrantes).

Causas de Variación

La posible variación genética entre los individuos pertenecientes a un clon (dentro de un clon) se debe fundamentalmente a dos causas: mutagénesis y

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24 variación somaclonal. Estas pueden ser naturales o inducidas por el hombre para aumentar la variabilidad genética.

Muchos de los cultivares de plantas frutícolas y hortícolas se han debido a mutaciones de yema u otros órganos de crecimiento. Entre éstos se encuentran la papa variedad Bintje, en Peral la variedad Williams; en manzano la variedad Golden Delicius y en ajo la variedad Rosado Paraguayo.

Apomixis.

Cuando la reproducción asexual se realiza por semilla y la misma no proviene de una unión sexual, ya que existen modificaciones o supresión de los procesos fundamentales como la meiosis y/o mitosis, esa semilla se denomina apomíctica (Amphimixis: reproducción sexual, Apomixis: sin reproducción sexual).

En la reproducción apomíctica, los embriones se derivan de una división mitótica de la célula madre de las megáspora o célula somática del óvulo. La meiosis y fertilización no están comprometidas en el desarrollo del embrión y la progenie de plantas apomícticas son réplicas exactas de la planta madre. De esta manera la apomixis provee de un método para clonar plantas a través de su semilla y tiene una implicancia importante como herramienta de mejora genética de plantas.

Una ventaja de la apomixis es que no transmite enfermedades causadas por virus, las cuales son uno de los mayores problemas en la propagación vegetativa.

Ocurrencia de la Apomixis

Se la ha detectado en al menos 40 Familias, Gramíneas, Rosáceas y Compuestas principalmente. También existen 125 pastos apomícticos aproximadamente, ej.: Poa pratensis y Cenchrus ciliaris. La gran mayoría de las sp apomícticas son alopoliploides, permitiendo la reproducción exitosa de estos genotipos que normalmente tienen una reducida fertilidad sexual. En sp naturales en las cuales coexisten individuos diploides y poliploides, las plantas diploides se reproducen casi exclusivamente por medios sexuales, mientras que los poliploides tienen una marcada tendencia a la reproducción apomictica. Ejemplos: Paspalum y Tripsacum dactyloides.

Clasificación

I. Propagación por semilla

1. Desarrollo de la célula huevo (Oosfera) no fertilizada.

1.1 Oosfera reducida Partenogénesis Haploide

1.2 Oosfera no reducida (Diplosporia) Partenogénesis Diploide 1.3 Célula somática no reducida (Aposporia) “ “

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25 2. Desarrollo de otras células del saco embrionario

2.1 Reducida 2.2 No Reducida

3. Desarrollo del núcleo masculino en la Oosfera

3.1 Núcleo femenino eliminado Androgénesis 3.2 Quimera de tejidos masculino y femenino Semigamia 4. Desarrollo de células somáticas Embrionía adventicia

II. Propagación por partes vegetativas en la zona floral

1. Órganos vegetativos en lugar de flores Viviparidad 2. Órganos vegetativos junto con flores Seudoviviparidad

En cuanto a la ocurrencia, las formas más comunes son la partenogénesis diploide, la Embrionía adventicia y la seudoviviparidad.

* Partenogénesis es el desarrollo de un embrión a partir de una CM no fertilizada. En sp diploides la CM es haploide y, por lo tanto el embrión será haploide y estéril (partenogénesis haploide). Debido a la esterilidad de estos haploides existe una selección natural negativa en contra de la partenogénesis. Si se trata de sp poliploides la progenie tiene mayores chances de sobrevivir. La selección natural en contra de la partenogénesis puede ser reducida cuando, además de los embriones haploides, otros embriones somáticos adicionales (a partir de la nucela o de otros tejidos diploides) son producidos: Poliembrionia. Esta situación es común en pastos. La partenogénesis haploide se ha reportado en gramíneas como trigo, centeno y cebada, y en solanaceas como papa, tabaco y tomate.

Además de la partenogénesis autónoma (en la cual el polen no toma parte) existe una forma de partenogénesis en la cual es necesaria la fertilización de la célula central (formación del endospermo), como un estimulo para el crecimiento de la CM no fertilizada. Esto se denomina partenogénesis pseudogamica , se encuentra en el genero Solanum, y mediante ella se puede obtener plantas 2x de papa Solanum tuberosum.

* La partenogénesis diploide ocurre cuando una CM diploide se desarrolla en un embrión sin fertilización. El estado diploide es debido a fallas en la reducción del numero de cromosomas. En algunos casos en vez de producirse 4 células haploides, se forman 2 células diploides. Este fenómeno se denomina Diplosporia, ej.: Taraxacum y Poa.

* En la Androgénesis la gameta masculina penetra en la célula femenina, pero no se fusiona con la célula huevo, si no que se desarrolla en un embrión. Este embrión tiene posee un genotipo paterno y un plasmotipo materno.

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26 * Semigamia puede ser definida como una combinación de partenogénesis y androgénesis. La célula madre y el núcleo espermático del polen no se fusionan y, se dividen en forma autónoma y producen tejidos haploides que, juntos forman un embrión y planta quimérico, ej.: Gossypium.

GENES QUE CONTROLAN LA APOMIXIS

El descubrimiento de la sexualidad total o parcial en las plantas de especies apomícticas usualmente provee todo lo que se necesita para la manipulación del modo de reproducción en el mejoramiento de estas especies. En los cultivos sexuales, el problema sería más complejo, ya que primero sería necesario encontrar apomixis en las especies o en cruzas compatibles con parientes silvestres. La transferencia de la apomixis desde un pariente silvestre puede requerir una cierta investigación para establecer la relación filogenética y para superar las diferencias en el nivel de ploidía, relación entre los genomas, y "pools" de genes.

Los genes que controlan altos u obligados niveles de apomixis se encuentran en especies silvestres emparentadas de algunas plantas cultivadas. Por ejemplo en Elymus rectisetus, un pariente del trigo (T. aestivum L.); Tripsacum dactyloides L., un pariente cercano del maíz y algunas especies silvestres de Pennisetum emparentados con el mijo. En las especies forrajeras tropicales y subtropicales tales como las del género Eragrostis; Paspalum; y Cenchrus. Se conoce que existe apomixis en las especies silvestres de remolacha (Beta vulgaris L ), frutilla y mango.

La transferencia de los genes que controlan la apomixis desde las especies silvestres a sus parientes cultivadas y la utilización de estos genes en el mejoramiento de plantas es posible, pero ello no sería ni rápido ni fácil. Algunos progresos, en este sentido, se han logrado en mijo y maíz. Para producir exitosamente híbridos, el proceso de transferencia necesita comprender la manipulación de la ploidía tanto en el nivel de las silvestres como en la cultivada. Puede ser necesario efectuar cruzamientos puentes para lograr éxito. La transferencia exitosa de esos genes que controlan la apomixis desde las especies cultivadas requerirá poblaciones grandes y métodos de selección eficientes. Las nuevas técnicas de transformación genética a través del cultivo y regeneración de plantas desde protoplastos, parecen ser herramientas importantes en la transferencia de genes en el futuro. No obstante, se necesita mas información sobre el control genético de la apomixis y su interrelación con marcadores genéticos, antes que la técnica de biología molecular pueda ser utilizada.

Altos niveles de reproducción apomíctica no se encuentran generalizadamente en las especies cultivadas. Es común en el genero Citrus donde se ha utilizado eficientemente para producir pies libres de virus. Se ha reportado la existencia de apomixis facultativa en sorgo y mijo. El desarrollo de cultivares apomícticos en Poa pratensis y Cenchrus ciliaris han demostrado la potencialidad de su uso en el mejoramiento vegetal.

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27 INDICADORES DE APOMIXIS

La apomixis expresada en diversos grados, es probablemente más común en las especies cultivadas de lo que se ha reportado, puede ser pasado fácilmente por alto como causada por una segregación no tradicional o por el resultado de un cruzamiento. Hay algunos indicadores de apomixis que pueden ser chequeados con pruebas adicionales de cruzamientos, pruebas de progenie, y/o métodos citológicos. Las desviaciones en el comportamiento normal de un material de cría que puede sugerir una posible apomixis, tanto en plantas cultivadas como silvestres pueden incluir las siguientes comparaciones:

 Progenie uniforme o idéntica a las plantas madres, en especies de polinización cruzada. Una prueba de progenie utilizando semillas de inflorescencia en polinización libre, provee un medio rápido de analizar un número grande de accesiones.

 Tipos maternal distintos entre las progenies F1. La confirmación de la apomixis puede requerir estudios citológicos del material materno

 Variación genética limitada o ausente en una progenie F2 de una cruza entre dos plantas distintas.

 Genotipos recesivos a partir de una cruza entre un genotipo supuestamente apomíctico con un gen recesivo, polinizado con un padre que es homocigoto dominante para ese marcador genético.

 Inusual alta fertilidad de semillas en aneuploides, triploides, cruzamientos amplios, u otras plantas para las que se espera una descendencia estéril.

 Número cromosómico aneuploide o heterocigosidad estructural que permanece constante desde los padres a la progenie.

 Múltiples plántulas por semillas, múltiples estigmas por óvulos, múltiples óvulos por flores, ovarios dobles o fusionados.

La detección de uno o más de estos indicadores de apomixis debe continuarse con pruebas más detalladas y precisas. Estas pueden incluir la utilización de polen de plantas homocigotas dominantes para un marcador genético para polinizar plantas supuestamente apomícticas recesivas para ese marcador genético. Será necesario emplear algún tipo de emasculación. El porcentaje de plantas con los genes recesivos en la progenie de estas cruzas indica el grado de reproducción apomíctica o maternal. Observaciones citológicas también se pueden utilizar para confirmar la reproducción apomíctica o para determinar el mecanismo de apomixis.

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28 Tipos de cultivares en relación al modo de reproducción.

Factores que afectan el tipo de cultivares a obtener

Los factores que afectan el tipo de cultivar son: el tipo de acción génica predominante, aditiva o dominante o ambas, la presencia de Incompatibilidad, lo que impediría la endocría, presencia de macho esterilidad, importante para la obtención de cruzas, si es factible endocriar el material para lograr líneas puras, si existe heterosis y en que nivel, si la especie se reproduce asexualmente y si existe apomixis. De acuerdo a la existencia de algunos de los factores mencionados o, una combinación de ellos es posible elegir el tipo de variedad a obtener por selección (Tabla 2.6)

Tabla 2.6. Sistema Reproductivo, modo de propagación y tipo de variedades Sistema

Reproductivo

Modo de Propagación

Tipo de Variedad Sexual Autogamia Autogamia Línea

Parcialmente Autógamo Cruza controlada de padres Variedades Híbridas Parcialmente Alógamo Asexual Propagación Vegetativa Variedades Clonales Apomixis Híbridos Apomícticos

Líneas Puras

Las líneas puras son características de los cultivos autógamos. El concepto de línea implica alta homocigosis: 90% o más. Estos cultivares se obtienen por endocría combinada con diferentes métodos de selección a partir de poblaciones F2. En F6 o F7 ya se consideran líneas puras.

Cultivares de polinización abierta

Constituyen poblaciones heterogéneas compuestas de plantas genéticamente diferentes, con un alto porcentaje de heterocigosis. Son casi exclusivos de especies alógamas y se obtenienen por diferentes esquemas de selección masal, por progenies o recurrente.

Cultivares Híbridos

Estos cultivares son homogéneos y altamente heterocigotos. Pueden obtenerse híbridos simples, triples o dobles. Existen dos etapas: obtención y evaluación

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29 de líneas endocriadas parentales y cruzamiento entre líneas superiores para obtener los híbridos con alta heterosis.

Cultivares Clonales

Los cultivares clonales son ltamente heterocigotas obtenidos por reproducción vegetativa. Las variedades clonales se desarrollan a partir de la cruza o de la autofecundación. La reproducción sexual se utiliza para crear variabilidad para selección pero no para reproducción. Las líneas o clones son mantenidas asexualmente

Cultivares Sintéticos

Estos cultivares resultan del entrecruzamiento de un número determinado de líneas, clones o poblaciones. Estos parentales han sido seleccionados en base a su aptitud combinatoria. Han sido particularmente exitosos en cultivos con cierto grado de autoincompatibilidad: alfalfa, centeno, mijo.

Multilíneas

Son mezclas de líneas isogénicas de especies autógamas. Su utilidad primaria fue para la resistencia a enfermedades. Cada línea difiere en la resistencia cualitativa a un mismo patógeno. El objetivo es reducir la posibilidad que el patógeno quiebre los diferentes alelos para resistencia.

Compuestos

Son el resultado del cruzamiento o la mezcla de dos o mas cultivares o líneas. Un compuesto siempre está cambiando su constitución (adaptación al ambiente). La constitución original no puede ser mantenida por el mejorador.

Bibliografía

Allard, R. W., 1960. Principios de la mejora genética de las plantas. Ed. Omega, Barcelona, 498 pp.

Cubero, J., 1999. Introducción al mejoramiento genético vegetal. Mundiprensa, Madrid, 365 pp.

Hayward, M. D., Bosemark, N. O., Romagosa, 1994. Plant Breeding: Principles and Prospects. I. Chapman and Hall Ltd.

Marrewijk, G.A.M., 1994. Flowering biology and hybrid varieties. I Flowering and pollination. Wageningen Agricultural University, Wageningen, 132 pp.

Sleper, D. A. and J. M. Poehlman, 2006. Breeding field crops. Fifth edition. Blackwell Publishing, 424 pp.

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30 Unidad 3.

Endocría y Heterosis Endocría

Introducción

La endocría es definida como el apareamiento entre individuos relacionados por poseer un ancestro en común (Falconer y Mackay, 1996). Es el apareamiento entre individuos que están más estrechamente relacionados entre sí que en comparación con aquellos individuos que se aparean al azar dentro de una población. De acuerdo a Sleper y Poehlman (2006), podemos definirla también como cualquier sistema de apareamiento que conduce a la homocigosis.

Primeros trabajos

Los primeros en experimentar con la endocría o endogamia fueron algunos botánicos como Koelreuter en 1763, quien describió los efectos de la endogamia y vigor en tabaco. Charles Darwin (1868), experimentó con algunas especies incluso con el maíz y de acuerdo a sus descripciones sobre los efectos perjudiciales de la endogamia el concluyó que: “..la naturaleza

aborrece la autofecundación perpetua..”. En Estados Unidos, los investigadores

G. Shull y East (1908) y Jones (1918), experimentaron y describieron efectos de la endogamia y vigor híbrido en maíz, sentando las bases para el desarrollo y diseminación de los cultivares híbridos en USA. Shull en 1952, estableció la autofecundación como el procedimiento para el desarrollo de líneas puras (endocriadas) para su utilización como progenitores de híbridos.

Tipos de apareamientos consanguíneos.

Existen cuatro sistemas de apareamiento para incrementar la homocigosis en una población en mejoramiento: autopolinización, hermanos completos, medios hermanos y retrocruzas. La autopolinización ocurre cuando las gametas femeninas y masculinas que provienen del mismo individuo se unen para producir el embrión. Los hermanos completos se obtienen cuando se aparean dos plantas de la población. Cuando un individuo o planta es polinizado aleatoriamente por el polen de la población se obtienen medios hermanos. Finalmente, la retrocruza es el cruzamiento de un individuo por uno de sus padres en sucesivas generaciones. La forma más extrema de endocría es el apareamiento de un individuo por sí mismo, es decir la autopolinización (Figura 3.1).

Consecuencia de la endocría

Como consecuencia del apareamiento consanguíneo, en particular debido a la autofecundación de individuos heterocigotos, irán apareciendo homocigotos recesivos para genes deletéreos, aquellos que reducen la eficacia biológica del individuo, por ejemplo: disminución de la fertilidad, reducido vigor, etc. También

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31 pueden surgir letales que directamente impiden el desarrollo y la reproducción del individuo.

Coeficiente de endocría.

Definición: La probabilidad que dos genes en el mismo locus sean iguales por descendencia (Malecot, 1948).

Coeficiente de endocría en especies diploides: El coeficiente de endocría es calculado para determinar el nivel de homocigosis en una generación específica:

En el caso de autofecundación F = ½ (1 + F´) F: coeficiente de endocría.

F´: coeficiente de endocría de la generación precedente. F = 1 homocigosis completa

F = 0 Población en panmixia

En una población en apareamiento al azar de plantas no endocriadas, por ejemplo una población de maíz, F=0. Luego de una generación de autofecundación:

F = ½ (1 + 0) = 1/2 o 0,5

Considerando el valor de F en la ley de Hardy-Weimberg:

Genotipo Frecuencia F= 0 Panmixia F=1 Endogamia

AA p2 (1 – F) + pF p2 p

Aa 2pq (1 – F) 2 pq 0

aa q2 (1 – F) + qF q2 q

Propósitos de la endocría.

Uno de los principales propósitos de la endocría es el desarrollo de genotipos que puedan ser mantenidos a través de numerosas generaciones de producción de semillas. Los cultivares de plantas autógamas, trigo, soja, por ejemplo, son reproducidos por muchas generaciones sin que ocurran cambios en su composición genética (líneas puras). En alógamas, en el caso de la producción de híbridos, es indispensable el mantenimiento y reproducción de las líneas parentales homocigotas (líneas endocriadas) para la obtención del cultivar híbrido.

La endocría permite reducir la frecuencia de alelos recesivos deletéreos en genotipos que luego podrán utilizarse como progenitores de una variedad sintética o de un cultivar de propagación asexual.

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32 Al permitir la expresión de alelos recesivos, la endocría incrementa la varianza genética entre individuos de una población, y de esta forma mejora la eficiencia de selección, al poder eliminar alelos que codifican para características no deseables.

Figura 3.1. Porcentaje de homocigosis con relación al número de generaciones de endocría para tres sistemas de apareamiento: MH: medios hermanos, HC: hermanos completos y A: autofecundación.

Depresión por endocría

Wright, ya en 1922, estableció que la relación entre el comportamiento medio y la reducción de la heterocigosidad debería ser lineal, independientemente del grado de dominancia (parcial, completa o sobredominancia) a menos que están involucrados efectos epistáticos o de ligamiento. El grado de depresión por endocría está en función de la frecuencia alélica, la existencia de dominancia y del número de loci segregantes.

En maíz se han observado claramente los efectos de la consanguinidad: pérdida de vigor, plantas deficientes en clorofila, tallos frágiles y quebradizos, plantas enanas, espigas pequeñas, panojas malformadas y reducción en la productividad.

La disminución general en el vigor del organismo o Depresión por Endocría, se puede calcular mediante la relación entre las generaciones F1 y F2:

DE: depresión por endocría, estima la carga de genes deletéreos. A mayor diferencia entre la F1 y la F2 mayor será la carga de genes deletéreos. F1:

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1 3 5 7 10 % Ho m oci gos is Generaciones MH HC A 1 ) 2 1 ( . 100 : (%) F F F DE

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33 individuos heterocigotos, F2: individuos segregantes por autofecundación de la F1.

Endocría en especies poliploides.

En autotetraploides son necesarios cuatro alelos idénticos por locus para completa homocigosis comparados con los dos necesarios en una especie diploide, por lo tanto la homocigosis es alcanzada más tardíamente en autotetraploides que en diploides. Debido a este multialelismo, las especies autopoliploides pueden acumular una gran cantidad de alelos deletéros en comparación con las diploides. Esto puede producir una mayor depresión por endocría en estas especies.

Respuesta a la endocría

De acuerdo a la depresión por endocría es posible clasificar a las distintas especies de acuerdo a su tolerancia a la endocría:

Cultivos poco tolerantes: Alfalfa: tras 2-3 generaciones de autofecundación las mayorías de las líneas se pierden. Remolacha azucarera y zanahoria son también muy sensibles a la endocría.

Cultivos tolerantes: Las cucurbitáceas en general parecen poco afectadas, o sea que poseen alta tolerancia a la endocría.

El maíz tiene una posición intermedia: 20-30 % de las líneas llegan a altos niveles de homocigosis con respecto a la población original.

Bibliografía

Allard, R. W., 1960. Principios de la mejora genética de las plantas. Ed. Omega, Barcelona, 498 pp.

Falconer, D. S. y T. Mackay, 2001. Introducción a la genética cuantitativa. Ed. Acribia, 494 p.

Malecot, 1948. Les mathematiques de l´heredité. Masson. Paris

Sleper, D. A. and J. M. Phoelman, 2006. Breeding Field Crops. Blacwell, 424 pp.

Wright, S., 1922. The effects of inbreeding and cross breeding on guinea pigs. US Dept Agric. Bull 1121.

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34 Heterosis

Introducción

Es el incremento en vigor, tamaño, rendimiento o de una función determinada de la progenie híbrida en relación a sus padres. También llamada vigor híbrido que resulta de la cruza de padres genéticamente diferentes.

Heterosis es el comportamiento superior de los individuos híbridos en comparación con los padres. Fenotípicamente es la manifestación de vigor en la F1 para uno o varios caracteres superando a los padres

Primeros trabajos.

Koelreuter (1776) reportó el incremento en el crecimiento en híbridos con especies de Nicotiana. Darwin (1862) trabajó con varias especies con autofecundaciones y cruzamientos incluyendo al maíz. Beal (1880) en EE.UU reportó incrementos en el vigor de plantas en cruzas entre poblaciones de maíz de distintos orígenes. Shull (1917) denominó a este fenómeno como “heterosis” y lo definió como la superioridad del híbrido sobre las poblaciones parentales. Estos y otros investigadores supusieron que la condición híbrida ejercía un efecto estimulante sobre los mecanismos fisiológicos de la planta lo que redundaba en un mayor crecimiento y vigor.

Teorías que explican la heterosis

Existen dos teorías que tratan de explicar el fenómeno de la heterosis, aunque hasta el presente no existe suficiente evidencia experimental para determinar cuál es la principal responsable de la ocurrencia de la heterosis. Más aun, se considera que las dos no parecen ser totalmente adecuadas para explicar el fenómeno.

Teoría de la Dominancia

Esta teoría asume que el vigor híbrido resulta de la acumulación de un gran número de genes favorables y con efecto de dominancia. De acuerdo a esto, los alelos que contribuyen al incremento en vigor son dominantes, mientras que los recesivos son de efecto neutral, perjudicial o deletéreo en el genotipo. Si los alelos dominantes de un padre se complementan con los alelos del otro padre en el híbrido (F1), la F1 poseerá una mejor combinación de genes favorables que cualquiera de los padres (Figura 3.1).

De acuerdo a esta teoría sería posible obtener, mediante endocría en una población heterocigota como por ejemplo el maíz, una línea que fuera tan productiva como un híbrido. Dicho de otro modo, que en una línea se puedan concentrar todos los genes favorables en estado homocigoto. Esto no has sido posible hasta el momento y constituye lo que se considera una debilidad de esta teoría. Esto parcialmente es explicado como que, en una especie de polinización cruzada como el maíz, existen un gran número de alelos deletéreos para que sea posible obtener una línea con todos los suficientes loci

Figure

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Referencias