TEMA 3: MEJORAMIENTO DE PLANTAS AUTOGAMAS
Prof. Neptalí González Hidalgo Técnicas y Mejoramiento Genético ULA-NURR
CONTENIDO A DESARROLLAR:
Plantas autógamas: Introducción Selección: Fundamentos genéticos (Ver Anexo) Teoría de la línea pura Selección individual y masal Hibridación: Fundamentos genéticos, formación de híbridos, manejo de poblaciones segregadas Métodos de mejora de plantas autógamas: Masal, Pedrigree o Genealógico, Descendiente Único y Retrocruzamiento Transferencia de genes de importancia agronómica a plantas autógamas: Selección Recurrente
PLANTAS AUTOGAMAS
Son aquellas que se reproducen sexualmente por autofecundación. Ejemplos ocurren en trigo, cebada, avena, sorgo, la mayoría de las variedades de arroz, leguminosas, algodón, tomate, tabaco, café, cítricos, papa, etc. Teóricamente se ha establecido que las plantas predominantemente autógamas son aquellas que no exceden de un 4% de alogamia, pero existen criterios biológicos que demuestran un comportamiento totalmente diferente en algunas especies vegetales.
TEORIA DE LAS LINEAS PURAS: ESTUDIOS DE JOHANNSEN (1903)
Johannsen (1903) estudió el efecto de la selección sobre el carácter "peso de semilla" en judías, Phaseolus vulgaris , una planta con sistema de autofecundación. Pesó habas comerciales, cuyos pesos oscilaron entre 0.35 y 0.64 g y, al hacer una grafica del peso, obtuvo una curva de frecuencias con distribución normal. Luego con un simple experimento de autofecundación durante 6 generaciones logró 19 líneas puras, lo que le permitió demostrar que dentro de las habas originales había diferentes genotipos, es decir, había variancia genética. Plantó semillas de diferentes pesos pero de una misma línea, y después pesó las semillas producidas por cada planta. Al analizar las semillas que produjeron las plantas obtenidas a partir de estas semillas, se comprobó que los pesos medios de las semillas de plantas procedentes de la misma línea eran iguales, independientemente de cuál fuera el peso de la semilla madre.
TEORIA DE LAS LINEAS PURAS
TEORIA DE LAS LINEAS PURAS: ESTUDIOS DE JOHANNSEN (1903) Cont.
Viendo que las líneas puras (homocigotas) tenían un peso medio constante, característico de cada línea, Johannsen dedujo que: –
Existe un valor esperado del carácter que depende de la constitución genética de la población.
–
Las variaciones individuales deben ser atribuibles al único factor variable posible, que es el ambiente en el que se desarrollan los individuos.
Los experimentos de Johannsen permitieron concluir que la variación continua observada se debe al genotipo y a efectos ambientales. Este concepto se puede describir con la siguiente ecuación: FENOTIPO = GENOTIPO + AMBIENTE
Teoría de las líneas puras
Variación ambiental aa Plantas
Sin variación ambiental a i c n e u c e r F
aa
AA
Altura planta
enanas
AA Plantas
Alguna variación ambiental aa
AA
Altura planta
altas
Mucha variación ambiental aa
AA
Altura planta
METODOS DE SELECCIÓN EN PLANTAS AUTOGAMAS SELECCIÓN MASAL Es el método más antiguo. Ha sido el método practicado por los agricultores de todas las épocas. Consiste en elegir los mejores individuos cuyas semillas, mezcladas, constituirán la generación siguiente, repitiendo el proceso durante varias generaciones. Se puede iniciar con una variedad-población constituida por una gran cantidad de genotipos. También es factible una raza o variedad local en manos de los agricultores. Aún se utiliza cuando es esencial la rapidez del proceso, como por ejemplo para la entrega rápida a los agricultores de una región subdesarrollada de algo mejor de lo que tienen. También se utiliza cuando se desea una mayor flexibilidad genética que la que ofrece una línea pura, aún sacrificando la máxima producción posible.
METODOS DE SELECCIÓN EN PLANTAS AUTOGAMAS Cont. SELECCIÓN INDIVIDUAL: PLANTA A LINEA O PARCELA Se elige un cierto número de individuos de acuerdo al carácter buscado, número que en ocasiones puede ser muy elevado para caracteres de baja heredabilidad (varios miles). Los descendientes se siembran separadamente. Se siembran las mejores líneas, descartando el resto. Es inútil seleccionar dentro de líneas , pues cada una es una auténtica línea pura y, por lo tanto todos sus individuos tienen el mismo genotipo. Las líneas seleccionadas se siembran al año siguiente en surcos o en pequeñas parcelas y vuelve a repetirse la selección de las mejores. Así se prosigue durante varias generaciones. La principal desventaja de este método es que puede colocar las plantas en condiciones desiguales de competencia.
METODOS DE SELECCIÓN EN PLANTAS AUTOGAMAS Cont. SELECCIÓN INDIVIDUAL: PLANTA A LINEA O PARCELA Cuando se disponga de suficiente cantidad de semilla debe sustituirse el criterio de selección subjetiva hasta ahora utilizado por el fitomejorador por una más objetiva (disponer de al menos dos repeticiones de cada línea) lo cual permite disminuir la influencia del ambiente en nuestros datos. Más adelante con menos parcelas que manejar y más semilla, deben realizarse microensayos con varias repeticiones y en varios lugares para finalmente realizar las pruebas estadísticas para decidir con cuales líneas puras deben iniciarse el proceso de registro. Como cada individuo de partida es homocigótico para todos los caracteres, se obtienen así variedades o líneas puras , de máxima homogeneidad genética.
METODOS DE SELECCIÓN EN PLANTAS AUTOGAMAS Cont. SELECCIÓN INDIVIDUAL: PLANTA A LINEA O PARCELA Sin duda alguna la homogeneidad genética, conlleva a una serie de ventajas derivada de la uniformidad y, otra serie de inconvenientes, consecuencia de la homogeneidad para caracteres indeseables, tales como la susceptibilidad a plagas y enfermedades. A pesar de que todos los individuos son valiosos pero también igualmente todos ellos mostrarán los mismos defectos.
OBSERVACIONES PRACTICAS, VALIDAS PARA CUALQUIER TIPO DE SELECCION
En las primeras generaciones la selección se hace a “ojo” por el mejorador, basándose en su experiencia y en el conocimiento de la especie. No es posible hacerlo de otra manera debido al alto número de líneas que se manejan. En dicha fase, el progreso será tanto más rápido cuanto más alta sea la heredabilidad del carácter que interesa. Pero ese no es el caso común: el rendimiento, que es el ás clásico carácter de selección, tiene una heredabilidad muy baja. Consecuentemente, si la heredabilidad es alta se podrá elegir un número bajo de plantas. Si se parte de varios miles de plantas habrá otras tantas líneas en la generación siguiente. Las variaciones entre ellas se deberán al genotipo y al ambiente. De ahí la importancia se sembrarlas bajo condiciones homogéneas tanto de suelo como de manejo.
OBSERVACIONES PRACTICAS, VALIDAS PARA CUALQUIER TIPO DE SELECCIÓN Cont.
La primera selección, incluso en casos de baja heredabilidad, debe permitirse quedar con no más de un 20% de las líneas. Este criterio debe seguirse hasta llegar a un número tal que permita duplicar el ensayo dentro de la misma parcela.
HIBRIDACION: FUNDAMENTOS GENETICOS
Si disponemos de dos genotipos parentales AA y aa , los únicos gametos formados serán A y a . Todos los hijos formados serán del genotipo Aa , todos por tanto idénticos entre sí. Estos individuos formados constituyen el híbrido o primera generación filial representada normalmente por F1. Si los padres son homocigóticos para un cierto carácter, los individuos híbridos formados mediante el cruce entre ambos serán absolutamente uniformes para el mismo carácter. Pero que hay después de la F1?
HIBRIDACION: DESCENDENCIA DEL HIBRIDO POR AUTOFECUNDACION
Si el individuo híbrido Aa se autofecunda, los gametos del padre y de la madre se unen para dar la segunda generación filial o F2. Realizar el cruzamiento de Aa x Aa . Cuantificar la proporción genotípica de los individuos obtenidos en F2. Conclusiones??? Los alelos A y a en los parentales AA y aa se han separado por la meiosis de los gametos. Los alelos se combinaron al azar para dar origen a un 50% de heterocigotos y un 25% de cada uno de los homocigóticos. Pero en realidad que ocurre si seguimos autofecundando???
HIBRIDACION: GENERACIONES SUCESIVAS A LA F2
La proporción de heterocigotos en la F3 será la mitad de la que había en la F2. Lo mismo sucederá en la F4 con respecto a la F3 y así sucesivamente. Al cabo de muchas generaciones de autofecundación, la proporción de heterocigotos será prácticamente despreciable. Se ha llegado a una población constituida por únicamente dos genotipos. A este tipo de individuos se les conoce como Línea Pura . De este procedimiento reside la base de los métodos de mejora en plantas autógamas y en especial la producción de variedades híbridas.
HIBRIDACION: COMO REALIZAR LOS CRUZAMIENTOS
Emasculación: consiste en eliminar las anteras cuando se aproximan a su madurez con el objeto de impedir la fecundación del óvulo con polen proveniente de la misma flor. Se descarta toda flor que haya comenzado a soltar polen, así como cualquier flor que esté muy inmadura. Las flores emasculadas se cubren con bolsas de papel para prevenir polinización externa. Polinización: es un proceso menos preciso que la emasculación. El polen puede transferirse directamente rompiendo la antera madura sobre el estigma, transferirse masalmente con un pincel o espolvorear todo el polen sobre el estigma. La polinización se realiza por lo general un día después de la emasculación pero este tiempo puede variar según la especie, debiéndose experimentar cuidadosamente el tiempo apropiado para cada especie. Finalmente, cada planta se identifica para registrar el cruzamiento y la fecha en que se realizó.
METODOS DE MEJORA DE PLANTAS AUTOGAMAS METODO MASAL Implica la adopción de una técnica muy sencilla: luego de realizar los cruzamientos pertinentes, dejar que la naturaleza produzca la homocigosis requerida sin más que multiplicarlos durante un buen número de generaciones. Durante las generaciones de multiplicación negativa eliminando individuos con enfermedades, deficiencias, anormalidades, etc. El disponer de suficiente semilla permite realizar la multiplicación en diversos ambientes, lo cual permite la actuación de la selección natural. A partir del 3°-4° año se puede ir realizando selecciones de planta a parcela sin esperar a la homocigosis máxima que se producirá algunas generaciones más tarde.
METODOS DE MEJORA DE PLANTAS AUTOGAMAS METODO MASAL Una comparación entre las ventajas e inconvenientes permite aseverar que: (1) se producen buenas combinaciones entre caracteres complejos; (2) es un buen procedimiento para seleccionar en diversos ambientes atendiendo a muchos caracteres; (3) permite integrar en el mismo proceso caracteres cuantitativos y cualitativos; (4) el cruzamiento simple o complejo sirve de “banco de genes” y permite un largo plazo de ejecución; (5) éste último es un inconveniente para la mejora moderna: es un trabajo de institución más que de un individuo.
METODOS DE MEJORA DE PLANTAS AUTOGAMAS Cont. METODO GENEALOGICO o PEDIGREE En este método se sigue un control riguroso de los descendientes de cada planta F2. A partir de esta generación y a lo largo de varias generaciones, se eligen los mejores individuos dentro de las mejores F3, luego los mejores individuos dentro de las mejores F4 y así sucesivamente. Es un método especialmente recomendado para caracteres de baja heredabilidad. Ejemplo: Rendimiento Debido al hecho de que se registra la genealogía de cada individuo seleccionado, el método se denomina Genealógico . Se dispone de grandes cantidades de semilla F2, sembradas espaciadamente en campo, en el que no se selecciona más que negativamente (eliminando plantas).
METODOS DE MEJORA DE PLANTAS AUTOGAMAS Cont. METODO GENEALOGICO Se continua así hasta la homocigosis: 10-12 generaciones pueden ser suficientes. Las líneas iniciales difieren grandemente entre sí. A medida que avanza el proceso la homogeneidad fenotípica dentro de cada una de ellas va siendo mayor, reflejo del aumento de la homocigosis producto de la autofecundación. Entre los principales inconvenientes se cita. (1) consume mucho tiempo porque deben evaluarse periódicamente las líneas, el material de trabajo crece en forma piramidal y la carga de trabajo se incrementa de manera considerable; (2) es muy laborioso porque cada selección debe prepararse no sólo en campo sino en laboratorio y en viveros; (3) exige un conocimiento muy estrecho de la variedad; (4) un requisito esencial para el éxito del mejoramiento es la elección de los progenitores.
METODO GENEALOGICO O PEDRIGREE
METODOS DE MEJORA DE PLANTAS AUTOGAMAS Cont. METODO DE DESCENDIENTE UNICO (SSD: SINGLE SEED DESCENDENT) Si de cada planta se tomara una semilla, de cada planta hija una sola semilla también, y así sucesivamente sin hacer ninguna selección (sólo eliminación de individuos con caracteres indeseables) se llagaría al cabo de algunas generaciones a homocigosis suficiente, aunque sin haber evaluado el material a lo largo del proceso de obtención.
METODO DE DESCENDIENTE UNICO (SSD)
METODOS DE MEJORA DE PLANTAS AUTOGAMAS Cont. METODO DE RETROCRUZAMIENTO Este método permite transferir un carácter de herencia simple a una variedad mejorada, la cual se usa repetidas veces como progenitor recurrente. El retrocruzamiento convencional es muy útil para responder a ciertos problemas específicos, uno de ellos es la resistencia a herbicidas (la herencia en este caso está controlada por un gen simple) y a patógenos específicos causantes de enfermedades. Por lo general se hacen uno o dos cruzamientos al progenitor cuyo tipo de planta es bueno, en otras palabras, al progenitor adaptado. Se logra así una reducción positiva de la variabilidad genética presente en la población.
CONSIDERACIONES AL MOMENTO DE REALIZAR LOS CRUZAMIENTOS
Conviene obtener grandes poblaciones F 2, el éxito de un programa de mejora depende en gran parte del tamaño de la F 2 obtenida. Debe realizarse primero la elección de los fenotipos favorables, y luego, entre éstos los homocigóticos. La intensidad de la selección estará en función de la heredabilidad del carácter. Fuerte si se trata de un carácter altamente heredable y, suave si es de baja heredabilidad. La gran variabilidad mostrada en las líneas con respecto al testigo, es superada en el tiempo y con la escogencia de un numeroso grupo de líneas al iniciar el programa de mejoramiento. Entre los genes “supervivientes” al cabo de muchas generaciones, los hay “buenos” y “malos” desde el punto de vista agronómico, lo que sucede por la acción de la selección natural (situación que no ayuda al seleccionador), arrastrando caracteres no deseables. El mejorador debe contrarrestar estos efectos negativos con su propia selección.
CONSIDERACIONES AL MOMENTO DE REALIZAR LOS CRUZAMIENTOS Cont.
La realización de cruzamientos compuestos debe hacerse con tantos materiales como sea posible. Se llegan a utilizar hasta 20 líneas parentales. Para ciertos caracteres de presencia esporádica (resistencia a enfermedades, plagas, sequía, heladas, etc.), puede sembrarse el cultivo en masa hasta que se den las condiciones adecuadas y a partir de entonces, seguir la selección de planta a línea.
TRANSFERENCIA DE GENES DE IMPORTANCIA AGRONOMICA A PLANTAS AUTOGAMAS SELECCIÓN RECURRENTE Este método se utiliza en el mejoramiento de plantas de polinización cruzada, procura aumentar la frecuencia de los alelos favorables en una población. Tiene mucha utilidad para el mejoramiento de caracteres cuantitativos. Es la alternativa más eficiente para el mejoramiento de líneas e híbridos y se ha utilizado experimentalmente en cultivos como avena, trigo, cebada, sorgo, soya, algodón y tabaco. Un programa tradicional de mejoramiento que abarque desde selección, evaluación y reincorporación de recombinantes genéticos puede variar desde 6,5 hasta 10,5 años. Por su parte, el tiempo necesario para completar un ciclo de selección recurrente puede variar de 6 meses a 2 años.
TRANSFERENCIA DE GENES DE IMPORTANCIA AGRONOMICA A PLANTAS AUTOGAMAS Cont. SELECCIÓN RECURRENTE Debido a que este tipo de selección se emplea mayormente en plantas alógamas, presenta las siguientes desventajas: (1) hay poca recombinación después de un cruzamiento ya que el sistema reproductivo funciona por autofecundación; (2) a pesar de que las especies que mayormente se utilizan en los cruzamientos son diploides, el número de alelos en la población segregante es pequeño, (3) las fuertes presiones de selección a la forma como se manejan las poblaciones, ocasiona deriva genética (pérdida de alelos valiosos).
Esquema general del mejoramiento genético de plantas autógamas
POBLACION BASICA Variedad autóctonas Variedad exótica Variedad mejorada Generación avanzada
POBLACION HOMOCIGOTA Y HETEROGENEA Método de línea pura Selección masal sin recombinación
Cultivar Homocigoto
Uso de androesterilidad
Población Segregante
Selección y prueba de líneas por capacidad combinatoria
Método genealógico Poblaciones globales Descendencia de una semilla Selección de familias en F2
Esquemas de selección recurrente Híbridos Siembra comercial
PRODUCCION DE SEMILLA CERTIFICADA DE CULTIVOS AUTOGAMOS
Actualmente el proyecto global de producción de semilla a nivel nacional lo coordina el SENASEM (Servicio Nacional de Semillas) bajo la conducción relevante del INIA aunque los mayores volúmenes de producción SIEMPRE han sido de la empresa privada (Fundación Danac, SEHIVECA, PROSEVENCA, SEFLOARCA, SEMINACA, SEMARA, COSEVEN, Pioneer de Venezuela, Cargill de Venezuela, AGREVO, SECA, etc.). Los principales rubros producidos en el país son: maíz, frijol, caraota y sorgo. El INIA es responsable de la producción de estos rubros y se le adicionan algunos rubros hortícolas. En el país la región por excelencia donde se ha producido semilla comercial es el Valle de Tucutunemo en Villa de Cura en el estado Aragua. Sin embargo, existen en el país muchas otras regiones que pueden aplicar satisfactoriamente para la producción de semillas. Ejemplo: La Paragua (Edo. Bolívar). Los multiplicadores de semillas en esta zona muestran fallas en el manejo agronómico del cultivo, entre los cuales se mencionan:
PRODUCCION DE SEMILLA CERTIFICADA DE CULTIVOS AUTOGAMOS Cont.
Excesiva preparación del suelo Elevadas aplicaciones de Nitrógeno Reabonamiento con Fósforo Deficiente control de malezas Falta de asistencia técnica a través de cursos
