Mejoramiento de especies autógamasUNIDAD 6 (parte 1)

Curso: Mejoramiento Genético VegetalFacultad de Ciencias Agrarias

Universidad de la EmpresaMontevideo

Ing. Agr., M. Sc. Jaime A. García

AUTOGAMAS (inbreeders)

• Plantas que se reproducen sexualmente por autofecundación

• Flores hermafroditas cleistógamas ó en las que la polinización sucede antes que la flor se abra.

• La polinización cruzada no debe exceder de 4%.

• Trigo, cebada, avena, arroz, lino, soja, papa, tomate, lentejas,garbanzo, tabaco, durazno,etc.

• Sorgo y Algodón son autógamas con más del 10% de fecundación cruzada

Como afecta el sistema reproductivo la estructura genética de las poblaciones?

• La autofecundación aumenta la homocigosis• Un homocigota AA que se autofecunda da descendencia AA• Un heterocigota Aa que se autofecunda dará tres genotipos:

AA Aa aaF2 25 50 25F3 37.5 25 37.5F4 43.7 12.5 43.7F8 49.6 0.78 49.6

• En cada generación de autofecundación se reducen los heterocigotas.

• La autofecundación continuada da origen a una población de líneas puras.

• Línea pura: la progenie de un homocigota producida por autofecundación repetida.

• En una población variable de plantas autógamas, la autofecundación continuada dará origen a una población de individuos homocigotas, pero no es una población homogénea sino que estará compuesta por distintas familias homocigotas (líneas puras)

Allard, Fig 6-1

Aumentos en el porcentaje de individuos homocigotas con generaciones de autofecundación, con distinto número de pares de

genes involucrados.

el aumento es más lento cuanto mayor sea el número de pares de genes involucrados.

Estructura genética de autógamas• Las poblaciones son una mezcla de líneas independientes• la variabilidad es la que existe entre las líneas componentes• plantas altamente homocigotas• los recesivos deletéreos son raros• no hay depresión por endogamia• los genotipos de las gametas de una planta son todos iguales• la autogamia restringe la creación de nuevas combinaciones génicas• nuevos genes pueden aparecer por mutación pero ese cambio se

restringe a líneas individuales• si hubiera algún cruzamiento, la heterocigosis resultante se elimina

rápidamente por la autofecundación• las diferencias entre poblaciones autógamas estarán dadas por poseer

diferentes líneas puras o distinta frecuencia de las mismas.• alta adaptación local pero menor flexibilidad de respuesta al cambio

Mejoramiento de especies autógamas

• En la mayoría de los casos, el énfasis es en la selección de líneas puras.

• Varios de los métodos de mejoramiento en autógamas pueden dividirse en dos grupos, según como se obtengan las líneas puras:

– Los que NO ESTÁN precedidos por hibridación controlada (Ej. selección dentro de poblaciones variables)

– Los que ESTÁN precedidos por hibridación controlada (Ej. selección en poblaciones segregantes luego de cruzamientos dirigidos)

• En términos de estructura genética, hay dos tipos de cultivaresautógamos:– Los derivados de una sola planta: líneas puras (los más comunes)– Los derivados de una mezcla de plantas: multilíneas y compuestos

Mejoramiento de especies autógamas• Métodos no precedidos por hibridación controlada

– Selección masal– Selección de líneas puras

• Métodos precedidos por hibridación controlada– Selección por pedigree– Selección en bulk– Selección por descendencia individual. Single seed descent (SSD)– Dobles haploides

• Mejoramiento por retrocruza

• Multilíneas

• Mezcla varietal o compuesto

Métodos no precedidos por hibridación controlada

• Se basan en la selección dentro de poblaciones heterogéneas (pero homocigotas) que pueden ser poblaciones locales y variedades criollas.

• Las poblaciones locales y variedades criollas están bien adaptadas al ambiente en que se cultivan, son generalmente una mezcla de genotipos que pueden reunir muy buena variabilidad genética útil para selección y generación de nuevos cultivares.

• Los métodos que se usan para seleccionar en estas poblaciones son la selección masal y la selección de líneas puras.

• En la selección masal, la nueva variedad estará compuesta por la progenie de muchas líneas puras.

• En el método de la línea pura la nueva variedad estará compuesta por una sola línea pura.

Selección masal• Las plantas se seleccionan en base a su fenotipo y se mezclan sin

ningún test de progenie. Normalmente se sacan las plantas “fuera de tipo”, indeseables y poco productivas, y se cosecha en bulk el resto.

• Es el método de selección más antiguo. Es más efectivo para caracteres de alta h2. Su éxito dependerá de la variabilidad de la población base y de la h2

del carácter.

• La selección masal en autógamas se puede utilizar para:– desarrollar un cultivar (por ej. mejorar poblaciones locales o variedades criollas)– purificar un cultivar (por ej. sacando plantas fuera de tipo de líneas puras)

• Es simple, rápido, barato. Está limitado por la variabilidad que existe en la población, no se genera nueva variabilidad durante el mejoramiento.

• Actualmente se usa muy poco pues quedan pocas poblaciones locales sin explotar.

Selección de líneas puras

• Las variedades criollas también se pueden mejorar por el método de líneas puras.

• La teoría de las líneas puras fué establecida por Johannsen en 1903 estudiando el peso de semillas de una variedad heterogénea de frijol (autógamo).

• Johannsen encontró que la selección dentro del lote mixto original fue eficaz para aislar líneas distintas, pero la selección dentro de éstas fue ineficaz porque toda la variación dentro de una línea pura es ambiental.

Acquaah, Fig 16.2

El desarrollo de la teoría de la línea pura por Johannsen

Selección de líneas puras

• Es el procedimiento que consiste en aislar líneas puras a partir de una población mixta.

• Se seleccionan las mejores plantas, se estudian las progenies, se eliminan las progenies variables, se eligen las mejores, se evalúan sus rendimientos, se elige la mejor línea.

• La selección de líneas puras es un componente esencial de otros métodos (pedigree, bulk)

• No genera un nuevo genotipo sino que aisla el mejor existente, por tanto depende de que exista buena variabilidad en la población base.

• Ventajas: rápido, barato, sirve para características de baja h2 (la selección se basa en la performance de las progenies).

• Desventajas: las líneas puras tienen base genética estrecha (menos estables), la prueba de progenie agrega costo y tiempo.

Fuente: Millot, J.Ccom.pers.

La avena 1095a se cultiva en Uruguay desde 1930. Fué seleccionada por resistencia al pastoreo y es una población con buena variabilidad.

La avena RLE 115 es una línea pura seleccionada dentro de 1095a. Se diferencia por su mayor producción en otoño-invierno y mejores rendimientos de heno y grano.

Ambas variedades fueron seleccionadas en La Estanzuela.

La avena RLE 115 fuéseleccionada por el Ing. Juan C. Millot.

Selección masal y de líneas puras

• Un cultivar obtenido por selección de líneas puras es más uniforme que uno obtenido por selección masal ya que todas las plantas tendrán el mismo genotipo (línea pura).

• Por el contrario, un cultivar obtenido por selección masal estaráconstituido por muchas líneas puras.

• Ambos métodos fueron muy utilizados en etapas pre-Mendelianas y hasta comienzos del siglo XX.

• El éxito de estos métodos en ese período está relacionado a la existencia de numerosas variedades criollas.

• Actualmente muchas variedades criollas ya han sido explotadas mediante selección y por tanto estos métodos son actualmente menos importantes que en el pasado.

Métodos precedidos por hibridación controladaConceptos previos

• La hibridación es un procedimiento donde se cruzan progenitores genéticamente distintos para obtener recombinación génica y generar variabilidad.

• El propósito es identificar y seleccionar líneas que combinen genes deseables de ambos progenitores.

• Cruzando dos líneas puras, las plantas F1 son todas idénticas y serán heterocigotas para los loci donde los progenitores poseen alelos contrastantes

• Con la autofecundación de la F1 comienza la segregación que es máxima en la F2 disminuyendo la heterocigosis 50% en cada generación sucesiva.

3n = N° genotipos posibles en la F2

2n = N° genotipos homocigotas posibles

F1 F1

Métodos precedidos por hibridación controladaConceptos previos

• Cuando cruzamos dos líneas que difieren en un par de genes (AA vsaa) la segregación en la F2 tendrá tres genotipos posibles y por tanto será muy sencillo seleccionar la combinación favorable.

• En la práctica, para las características cuantitativas esto no es así de sencillo porque están gobernadas por muchos genes cuyos efectos no pueden ser identificados individualmente.

• A medida que aumenta el número de pares alélicos segregantes, la complejidad de las situaciones genéticas aumenta exponencialmente.

• Para caracteres gobernados por muchos genes, el tamaño de la F2 que habría que cultivar para captar todas las combinaciones génicas posibles excede cualquier situación práctica de mejoramiento.

Allard, tabla 7-1

N° homocigotas

posibles

N° genotipos

posibles

Métodos precedidos por hibridación controladaElección de los progenitores

• El éxito de los métodos basados en la selección post hibridación depende en buena parte de la elección de los progenitores de los cruzamientos.

• En la medida que lo que se pretende obtener sea un cultivar que supere a los existentes, uno de los padres es habitualmente un cultivar de buena y probada performance. El otro padre se elige por características que complementen las del primero.

Emasculando trigo para hacer cruzamientos

Métodos precedidos por hibridación controlada

• Los métodos precedidos por hibridación controlada se basan en el cruzamiento de líneas que dan origen a plantas F1 idénticas y heterocigotas que por autofecundación segregarán en la F2.

• Toda la variación genética potencial contenida en la F1 se va a manifestar en las generaciones segregantes. En estas generaciones es donde deberán aparecer las líneas con el fenotipo óptimo buscado.

• Los métodos de selección que se utilizan para identificar genotipos deseables en las progenies segregantes son los siguientes:– selección por pedigree– selección en bulk– Selección por descendencia individual. Single seed descent (SSD) – dobles haploides

Selección por pedigree

• Propuesto por Lowe en 1927, en este método el mejorador mantiene información sobre la genealogía de las líneas que selecciona. El procedimiento se inicia con la cruza de dos líneas puras y selección a partir de la F2.

• F2, selección de plantas con las combinaciones deseadas y eliminación de las indeseables. Aquí es clave la habilidad del mejorador para descartar material inútil: si no lo hace correctamente perderá genotipos promisorios o deberá trabajar con un número muy grande de plantas.

• F3 a F5, surcos de plantas espaciadas de las selectas en F2. Selección de las mejores plantas de las mejores familias. En F5 las plantas ya son 94% homocigotas.

• F6, surcos de las mejores familias. Las familias muy similares y con ancestros comunes pueden eliminarse dejando una. Se seleccionan las mejores familias.

• F7, se establecen ensayos preliminares de rendimiento con las mejores líneas de la F6

• F8 a F10, se amplían los ensayos de rendimiento (localidades) y se va reduciendo el número de líneas promisorias. Finalmente se elige la (o las) línea a liberar.

• F11 y F12, se multiplica el cultivar.

Acquaah Fig 16.4

Selección por Pedigree

Selección por pedigree

• Lo más corriente es seleccionar en generaciones tempranas por caracteres de fácil apreciación visual y dejar para generaciones posteriores la selección por rendimiento y calidad.

• Se pueden hacer distintas modificaciones al método tal como introducir pruebas de rendimiento en F4.

• Ventajas: da mucha información al mejorador, se selecciona sobre el fenotipo y el genotipo (progenies), permite eliminar gran cantidad de material tempranamente, puede ser una buena opción cuando se trata de obtener el mejor resultado de unos pocos cruzamientos.

• Desventajas: laborioso, intensivo en mano de obra y necesidad de registros, caro, necesita 12 años, no sirve cuando hay que evaluar numerosos cruzamientos.

Selección en bulk

• Propuesto originalmente por Nilsson-Ehle en 1909.

• Luego de la hibridación se deja actuar la selección natural y la selección artificial comienza recién en F5 cuando ya existe alta homocigosis.

• F2 a F4. poblaciones con densidades comerciales, algunos sacan indeseables pero no se selecciona, se cosecha en bulk

• F5. plantas aisladas, selección de las mejores plantas (ya son 94% homocigotas)• F6. surcos, selección de las mejores familias• F7 a F12. similar al método de pedigree

• La principal diferencia entre el método de bulk y el de pedigree radica en el momento en que se hace la selección: en el de pedigree se comienza en F2 y en el de bulk en la F5 (cuando ya son casi homocigotas). Ambos métodos tienen los mismos requisitos en cuanto a los objetivos y la elección de los padres.

Selección en Bulk

Acquaah Fig 16.5

Selección en bulk

• Este método promueve la competencia intergenotípica, pero es posible que genotipos deseables sean eliminados. Los buenos rendidores no necesariamente son los mejores competidores.

• Durante la etapa de bulk se puede someter la población a infección de enfermedades u otras adversidades (frío, sequía) para promover la selección por esas características.

• Ventajas: sencillo, menos laborioso que el de pedigree, permite manejar grandes cantidades de material segregante (por tanto el mejorador puede hacer más cruzas), la selección es más efectiva porque se realiza sobre homocigotas.

• Desventajas: igual de lento que el de pedigree, se pueden perder genotipos deseables (la selección natural puede ser positiva o negativa)

Alternativas de adelanto generacionalen autógamas

• En los métodos clásicos de mejoramiento (pedigree, bulk), luego del cruzamiento se inicia la selección y la restauración de la homocigosis, lo que requiere 10-11 años para terminar un cultivar.

• Las técnicas de adelanto generacional pretenden acelerar el proceso de restauración de la homocigosis. Estas técnicas comprenden:

– Método SSD (selección por descendencia individual)

– Método de Dobles Haploides (haploides duplicados)

– Uso de generaciones en contraestación: se utiliza el hemisferio opuesto para lograr dos generaciones anuales.

Selección por descendencia individual Single Seed Descent (SSD)

• Propuesto por Goulden (1941) y luego Brim (1966).

• Objetivo: aumentar la velocidad de la homocigosis (para empezar la seleción lo antes posible), mantener el número máximo de plantas F2 y reducir la pérdida de genotipos durante las generaciones segregantes. La selección no se practica hasta F5 o F6.

• F2. se plantan 2-3000 plantas en invernáculo, alta densidad y condiciones que favorecen una rápida floración, y se cosecha una sola semilla por planta.

• F3 y F4. idem F2, se cosecha una semilla por planta

• F5. plantas aisladas en el campo, selección de las mejores

• F6. surcos de progenie de las plantas selectas (c/u deriva de una planta F2 diferente), selección de los mejores

• F7 a F12. idem métodos pedigree y bulk

Single Seed Descent

Poehlman, Fig 9.4

Invernáculo

1 semilla por planta

campo

Selección por descendencia individual

Single Seed Descent (SSD)

• Este método permite avanzar muy rápidamente de F2 a F5. Dado que solo se cosecha una semilla por planta, no se necesita un desarrollo óptimo de las plantas. En la etapa de invernáculo se pueden obtener 2-3 generaciones en un año.

• La selección no se practica hasta F5 o F6 y cada individuo en la población final es un descendiente de una distinta planta F2. Si cada planta produjo al menos una semilla, no hay efecto de la selección natural.

• Este método se utiliza en soja y cereales (trigo, cebada, avena)

• Ventajas: fácil, rápido, requiere poco espacio, no hay impacto negativo de la selección natural, dado que cada planta deriva de una F2 muestra alta diversidad genética, reduce la duración del programa varios años.

• Desventajas: si una planta no germina o no produce semilla no estárepresentada, seleccionando una semilla por planta durante la segregación aumenta los riesgos de perder genes favorables.

Método de dobles haploides (haploides duplicados)Conceptos previos

• Duplicación cromosómica. La colchicina, un alcaloide del crocus(Colchicum autumnale), afecta la formación del huso en la mitosis, impidiendo la migración de los cromosoma duplicados y por tanto el núcleo se reconstituye con el doble del número de cromosomas.

• Si duplicamos plantas haploides, obtenemos diploides homocigotas:F1 AaBb

gametas AB Ab aB ab polenproducción de haploides

plantas haploides AB Ab aB abduplicación con colchicina

diploides AABB AAbb aaBB aabb

Método de dobles haploides (haploides duplicados)• Se generan plantas haploides a partir del cultivo de anteras de plantas F1

(o F2) y se duplican con colchicina para producir plantas diploides homocigotas.

F1: se plantan y se cultivan anteras para producir 2-3000 haploidesF2: duplicación cromosómica y cosecha de semilla de plantas diploidesF3 y F4: surcos de plantas, selección de superioresF5 a F8: pruebas de rendimiento y selecciónF9 a F10: multiplicación.

• Para usar este método es necesario contar con técnicas confiables y eficientes para producir los haploides y su duplicación posterior.

• Ventajas: rapidez, los dobles haploides son homocigotas para todos los loci por lo que es innecesario cultivar generaciones segregantes.

• Desventajas: la frecuencia de generación de haploides no es predecible, alta frecuencia de albinos, aberraciones cromosómicas que requieren varios ciclos de screening para identificar los haploides.

• Los dobles haploides se han utilizado en cebada, trigo, maíz y canola

Dobles haploides

Poehlman, Fig 9.5

Métodos de selección basados en la hibridación previa.

Resumen

• PEDIGREE: selección a partir de F2 hasta F6, se mantiene información sobre genealogía, ensayos de rendimiento de F7 a F10

• BULK: progenies en bulk hasta F4, selección en F5 y F6, luego idempedigree

• SSD: invernáculo de F2 a F4 cosechando una semilla/planta, selección en F5 y F6, luego idem pedigree

• DOBLES HAPLOIDES: cultivar anteras en F1 y haploides duplicados en F2, selección en F3 y F4 (???), ensayos de rendimiento de F5 a F8

Comparación entre los métodos

• La superioridad de un cultivar estará determinada por los genes que posee y no por el método por el cual se obtuvo.

• La elección del método dependerá de la especie, los objetivos y los recursos.

• Cualquiera sea el método, los buenos resultados dependerán de: 1) elegir los progenitores adecuados, 2) identificar las plantas superiores en las poblaciones segregantes. Estas decisiones requieren de un mejorador experimentado.

• La selección en generaciones tempranas (alta homocigosis) se utiliza principalmente para caracteres de hábito y enfermedades, dejando la selección por rendimiento y calidad cuando la homocigosis estáestablecida.

• Ninguno de los métodos permite descubrir lo mejor de la variabilidad que se genera en la F2 porque las cantidades de material que habría que manejar son muy grandes.

Comparación entre los métodos

• Por otro lado, las probabilidades de obtener buenos resultados aumentan con el número de cruzamientos.

• El mejorador debe equilibrar muy bien entre el número de recombinaciones deseadas (cruzamientos) y la cifra de plantas/líneas que puede evaluar eficazmente con los recursos del programa.

• Este equilibrio también dependerá de las necesidades del programa. Por ej. el mejorador puede generar muchos cruzamientos al año sabiendo que no tiene los recursos para desarrollarlos todos hasta generaciones avanzadas, por tanto debe eliminar los peores lo antes posible y descartar todo lo que puede guiado por su experiencia, instinto y “ojo” para alcanzar un balance razonable entre el número de familias sobrevivientes y la intensidad de selección en cada una.

• En general los programas utilizan variantes del método de bulk y también SSD cuando la especie lo permite. El de dobles haploides es intensivo en mano de obra y menos confiable. El de pedigree es el más preciso para caracteres de alta heredabilidad pero menos preciso para características de baja heredabilidad y es muy laborioso. Muchos programas utilizan generaciones en contraestación para un avance más rápido.

Mejoramiento por retrocruza

• Es una forma de hibridación recurrente por medio de la cual a un cultivar que se quiere preservar como tal se le sustituye un alelo por otro alelo alternativo que le agrega ventajas y que proviene de otro cultivar o línea.

• Luego de la cruza del cultivar adaptado (recurrente) con el progenitor que tiene el gen a transferir (donante), las plantas F1 y las generaciones posteriores que posean el alelo deseado se retrocruzan sucesivamente con el padre recurrente.

• El propósito es recuperar el genotipo del padre recurrente manteniendo el alelo de interés transferido por el padre donante.

• El retrocruzamiento es una forma de endogamia por lo que las características del padre recurrente se recuperan automáticamente después de retrocruzamientos sucesivos. La única selección que se practica es a favor del gen a transferir. Luego de la cuarta retrocruza, el 94% de los genes del cultivar adaptado se habrán recuperado.

Poehlman, Fig 9.6

Luego de cada retrocruza se inocula toda la progenie para identificar las plantas resistentes Rr

Método de retrocruza para transferir un gen de resistencia a enfermedades (R) a un cultivar adaptado.

Mejoramiento por retrocruza

• El mejoramiento por retrocruza se aplica más fácilmente si el carácter a incorporar es dominante, si tiene alta h2 y se reconoce fácilmente en las plantas híbridas.

• El método ha sido muy usado para transferir genes de resistencia a enfermedades. Si los genes que confieren resistencia son recesivos, es necesario autofecundar las plantas para identificar plantas resistentes.

• El ligamiento puede complicar cuando el gen a transferir está ligado a genes no deseables.

• Ventajas: requiere un número pequeño de plantas, es predecible y repetible, se puede hacer en cualquier lugar que permita la identificación del carácter, puede ser hecho en invernáculo muy rápidamente (2 gen./año),no hay que testar el cv. al final (será igual al padre recurrente).

• Desventajas: no es efectivo para muchas características cuantitativas, ni para características de baja h2, ligamentos indeseables pueden complicar el proceso, características recesivas requieren más tiempo.

Multilíneas• Los métodos clásicos de mejoramiento de autógamas se enfocan a producir

líneas puras. Con frecuencia ocurre que estas variedades homocigotas pueden volverse susceptibles a enfermedades si surgen nuevas razas del patógeno. Una posible solución es lograr una mayor diversificación de genes de resistencia mediante cultivares multilínea.

• Un cultivar multilínea es una mezcla de líneas genéticamente similares (isolíneas) excepto que cada línea posee un gen distinto de resistencia a enfermedades.

• Las isolíneas se obtienen por retrocruza y se combinan para producir la multilínea, que es uniforme en todos sus caracteres salvo en los genes de resistencia.

• Ventajas: mayor protección contra enfermedades y mayor estabilidad de rendimiento. Puede ser modificada sustituyendo las líneas susceptibles.

• Desventajas: laborioso y caro, cada línea componente hay que hacerla separadamente por retrocruza. El mantenimiento de la multilínea es laborioso. La multilínea puede volverse obsoleta.

• Por sus desventajas no es una estrategia de mejoramiento muy difundida

Mezcla varietal o Compuesto

• Así como una multilínea puede ser más estable que una línea pura frente a cambios del patógeno, las variedades heterogéneas tienen mayor estabilidad frente a los cambios ambientales.

• Un cultivar compuesto es una mezcla de diferentes genotipos.

• Estos se seleccionan por caracteres comunes tales como hábito, ciclo, vuelco, resistencia a enfermedades, etc.

• Una mezcla varietal tendrá un aspecto menos uniforme que un cultivar de línea pura. No se deben mezclar cultivares que afecten de manera adversa la uniformidad en la madurez y la calidad del producto.

• Las mezclas varietales necesitan reconstituirse a intervalos regulares para que su comportamiento permanezca estable.

Mejoramiento de especies autógamasUNIDAD 6 parte 1

Bibliografía

• Poehlman+Sleper, Cap 9• Acquaah, Cap 16