SEMINARIO DE BIOTECNOLOGÍA Y BIOSEGURIDAD DE OGM’S BASES DEL MEJORAMIENTO GENÉTICO DE PLANTAS CCC - CIBIOGEM Dr. Netzahualcoyotl Mayek-Pérez Centro de Biotecnología Genómica - IPN Fuentes: Elaboración propia a partir, principalmente, del documento intitulado ‘MONOGRAFÍA DEL CURSO DE GENOTECNIA’ del DR. FERNANDO RAMOS GOURCY, Profesor Titular de la UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE AGUASCALIENTES. Disponible en el sitio electrónico http://www.fernandoramos.net/genotecnia/genotecnia.pdf Documentos adicionales: Márquez-Sánchez F. 1985. Genotecnia Vegetal. AGT Editor. México. Molina-Galán, JD. 1992. Introducción a la Genética de Poblaciones y Cuantitativa. AGT Editor. México. Brauer-Herrera, O. 1987. Fitogenética Aplicada. LIMUSA. México. FITOMEJORAMIENTO Técnicas y prácticas basadas en genética para mejorar la expresión de caracteres heredables desarrollados por la genética vegetal aplicada. 1) Diseñar el arquetipo deseado. 2) Reunir la variabilidad genética posible de la especie. 3) Si no existe, producirla artificialmente mediante mutagénesis, transgénesis, especies cercanas, etc. 4) Aplicar el método mejoramiento que maximice la respuesta a la selección. 5) Generar y evaluar el germoplasma recombinante. 6) Registro y liberación. Importancia del mejoramiento genético • • • • • • Incremento de producción y productividad. Incremento de calidad, capacidad nutricia, etc. Mayor Resistencia a factores adversos. Menor uso de contaminantes (agroquímicos). Siembra en sitios y/o fechas nuevos. Etc. Rendimiento promedio (lb) en EUA Periodo de Trigo Maíz Avena 10 años 1915-1924 833 1,488 998 Soya -- Tabaco 788 1925-1934 825 1,354 884 805 779 1935-1944 910 1,595 977 1,085 952 1945-1954 1,027 2,103 1,091 1,199 1,236 1955-1964 1,427 3,102 1,321 1,398 1,712 Rendimientos promedio (kg/ha) de cultivos en México Cultivo Arroz 1960 1978 Diferencia 2,297 3,286 % de incremento 989 43.0 Frijol 398 595 197 49.5 Maíz 975 1,518 543 55.7 Trigo 1,417 3,483 2,065 145.8 Soya 1,230 1,543 313 25.5 Importancia del mejoramiento genético En México, desde mediados del siglo XX se han obtenido cientos de variedades de plantas con características mejoradas de rendimiento, calidad y adaptación a diferentes regiones y con resistencia a plagas y enfermedades. Los trigos enanos y semienanos de alta productividad, resisten a las royas o chahuixtles y relativamente insensibles al fotoperiodo, han sido una contribución de gran importancia a la agricultura nacional y mundial. Variedades de papa desarrolladas en México y seleccionadas por su resistencia al tizón tardío, han permitido la utilización de extensas superficies. Mayor producción Extensión de superficies Mayor calidad Resistencia a factores bióticos y abióticos, etc. Bosquejo histórico Thomas Andrew Knight (1759 - 1835) generó los primeros híbridos. • Luego Darwin publica El origen y la evolución de las especies (1859). • Mendel (1865) publica sus Experimentos de Hibridación en plantas. Bosquejo histórico g) El estudio de la herencia de la resistencia a enfermedades. Los estudios de trigo iniciados en 1902 por Biffen, que culminaron con la formación de variedades de trigo resistentes a royas o chahuistles. h) La formación de un cereal hecho por el hombre. En 1917, Mc. Fadden describe el híbrido entre dos géneros: Triticum x Secale (trigo x centeno), originando el nuevo cereal conocido como triticale (cruza reportada en 1875 por el escocés Wilson como híbrido estéril y en 1891 por el alemán Rimpau como fértil). Bosquejo histórico i) El descubrimiento en maíz de la esterilidad masculina citoplásmica, en 1933 por Rhoades, y en trigo por Kihara en 1951. Trabajos de esterilidad y restauración de fertilidad en maíz, sorgo y trigo hicieron posible la producción de semilla híbrida en escala comercial para aprovechar la heterosis. j) Híbridos obtenidos entre maíz y sorgo en el CIMMyT. Centro de origen de los cultivos El ruso Nikolai Ivanovitch Vavilov, publicó un trabajo en 1926 titulado “Estudio sobre el origen de las plantas cultivadas”. En estos trabajos, producto de una colección mundial de plantas llevada a cabo por botánicos y agrónomos rusos dirigidos por Vavilov, se destaca la importancia de las plantas nativas de un lugar y en la adaptación de nuevas especies. Centro de origen de los cultivos De interés para los programas de mejora y para la agricultura en general, fue el trazo de un mapa con los 11 centros mundiales de origen de las plantas cultivadas, los cuáles son: China: Mijo, soja, cebolla, lechuga, chabacano, mandarina. India: Arroz, garbanzo, pimienta, sorgo, naranja, limón, caña de azúcar, mango. Península y archipiélago Malayo: Palma de coco, clavo, plátano. Asia Central: Chícharo, lenteja, haba, espinaca, ajonjolí, cártamo, almendra. Centro de origen de los cultivos Cercano oriente: Trigo, cebada, alfalfa, uva. Mediterráneo: Avena, olivo, col, trigo duro. Abisinia (Etiopía): Ajonjolí, café, higuerilla, sorgo. Sur de México y Centroamérica: Fríjol, maíz, papaya, chile, camote, henequén, nopal. Sudamérica (Perú, Ecuador, Bolivia): Papa, tomate. Chile: Papa. Brasil - Paraguay: Árbol de caucho, cacahuete, piña. Centro de origen de los cultivos Centro de origen de los cultivos El centro de origen: área que contiene la mayor concentración de genotipos diferentes de la planta. Las fuerzas selectivas ambientales operan de la misma manera a lo largo de toda la historia evolutiva de una especie; + tiempo de una entidad En un área dada, + acumulación de mutantes. Centro de origen de los cultivos Los centros de origen son también las áreas donde los agentes patógenos y las plagas que atacan a las plantas y que evolucionaron con ellas a través de los tiempos, se encuentran en mayor abundancia, y donde por consiguiente existe un número más elevado de biotipos de unas y otras. En los centros de origen se va dando un proceso de selección natural que conduce, en el huésped, a la aparición de varios tipos de resistencia, y en el parásito, a la formación de diversos grados de virulencia. Colecta, caracterización y conservación de recursos genéticos Centros de domesticación La domesticación vegetal, la transformación de una especie silvestre en cultivada por la acción del hombre, ha sido el origen de todas las especies agrícolas. Donde mayor interés tiene la domesticación es a nivel génico, es decir, la domesticación de genes de especies silvestres para incluirlos en las cultivadas. Centros de domesticación Ejemplos: La resistencia al mosaico de la caña de azúcar (Saccharum officinarum), que se vio amenazada de extinción. Se obtuvieron genes de resistencia de una caña silvestre (Saccharum spontaneoum). La papa, sobre todo en el norte de Europa, se vio seriamente amenazada por los ataques de mildiu (Phytophtora infestans). Se obtuvieron genes de resistencia en la planta silvestre Solanum demissum. Centros de domesticación El orden de domesticación de diferentes cultivos ha sido: 1.- Cereales 2.- Leguminosas de grano 3.- Hortalizas de ciclo corto 4.- Oleaginosas herbáceas 5.- Raíces 6.- Frutales herbáceos 7.- Textiles 8.- Frutes arbóreos 9.- Industriales. Centros de domesticación ¿Qué plantas han sido domesticadas? Cerca de 230 cultivos domesticados, representando: 180 géneros ...de 3000 géneros de angisopermas – son relativamente pocos. 64 familias ...de 300 – amplio rango, debido a: Diversidad de sitios ecológicos, diversidad de necesidades humanas, algunas familias han aportado muchos cultivos, por ejemplo: gramíneas, leguminosos, crucíferas, solanáceas. Centros de domesticación ¿Cómo evolucionaron los cultivos? algunos mecanismos como la selección natural Selección natural y humana Selección, ocurre por: reproducción diferencial: algunos individuos tienen más descendencia que otros en la siguiente generación. natural: ocurre cuando un cultivo es Selección genéticamente heterogéneo. Domesticación de cultivos Clase de cambios en selección natural: • Pérdida de dehiscencia • Pérdida de dormancia • Etc. Domesticación de cultivos Selección artificial: resulta de decisiones hechas por el humano para mantener la progenie de ciertos parentales. Clase de cambios: pérdida de estructuras defensivas (espinas, vellosidad, etc). Mejora la palatibidad Reduce la toxicidad etc. Diversidad genética a) Tipos de caracteres Habitos de crecimiento Resistencia a plagas y enfermedades Tolerancia a stress abiótico calidad Indices de cosecha y rendimiento b) Tipos de plantas Pools o acervos genéticos Progenitores silvestres, cultivares obsoletos, líneas avanzadas de mejora, cultivares avanzados. Diversidad genética ¿Cómo se mide la diversidad genética? a) Caracteres morfológicos (fenotipos), usualmente de importancia agronómica: Hábitos de crecimiento, tamaño de semilla, color de fruto, fenología, etc. problema: Expresión de genes, efecto ambiental. b) Marcadores moleculares: RFLP, RAPD problema: Técnicas costosas Diversidad genética Efecto potencial por la carencia de diversidad genética en los cultivos: En 1970, hubo una epidemia en USA, porduciendo 15% de pérdidas en el rendimiento de maíz. Se inició en Florida y se desplazó hacia las zonas productoras del norte (faja maicera). La enfermedad en la hoja fue causada por el hongo Helmintosporium maydis Afectó solo al maíz híbrido que tenía el citoplasma T (androesterilidad) Variabilidad genética en maíz Uniformidad genética de los cultivos Crop Beans, dry Beans, snap Total Acreage Value no. (millions) (millions) var. Major var. Acreage (%) 1.4 143 25 2 60 0.3 99 70 3 76 Cotton 11.2 120 50 3 53 Maize 66.3 5200 197 6 71 Peanut Soybean Wheat 1.4 42.4 44.3 312 2500 1800 15 62 269 9 6 9 95 56 50 Estructuras florales Estructuras florales Formas de reproducción de las plantas Reproducción asexual o vegetativa No hay fusión de gametos. La planta se basa en sí misma para producir descendencia. Hay plantas en las que cualquier porción vegetativa es capaz de dar origen a una nueva planta. a) Multiplicación vegetativa Puede ser por: Hijuelos, estaca, esqueje (cogollo), estolón, injerto, acodo aéreo o subterráneo, rizoma, tubérculo y bulbo. Ejemplos de multiplicación Zacates Estolones Plátano Rizoma Piña Hijuelos Papa Tubérculo Caña de azúcar Estaca, cogollo Fresa Estolones Cebolla Bulbo Frutales Injerto Plantas de ornato Acodo b) Apomixis Formación de una “pseudo semilla” sin que ocurra la fusión de gametos: partenogénesis, apogamia, aposporia. El embrión se desarrolla a partir de células del saco embrionario o de células somáticas del óvulo (nucela). Formas de reproducción Reproducción sexual Requiere la intervención de dos células especializadas llamadas gametos, que al fusionarse dan lugar a una célula conocida como cigoto. Los gametos pueden ser producidos en el mismo individuo o en diferentes. Los gametos femeninos se producen en el gineceo y los masculinos en el androceo. El gameto femenino es fijo, rico en citoplasma y grande en volumen. Reproducción sexual El gameto masculino, es móvil, escaso en citoplasma y más pequeño que el femenino. Generalmente los gametos son iguales en el número de cromosomas. El número de gametos masculino, es mayor que el número de gametos femenino. El gameto femenino se forma por meiosis, se encuentra en el saco embrionario y se conoce con el nombre de oosfera o huevo; el gameto masculino se encuentra en el grano de polen. Reproducción sexual Reproducción sexual Clasificación de las plantas, en atención al lugar en donde se forman los gametos de ambos sexos: 1.- Plantas dioicas: Los gametos se forman en plantas diferentes. Hay plantas que forman únicamente los gametos hembra y hay plantas que únicamente producen los gametos machos. Los sexos están separados, por ejemplo: cáñamo, espinaca, espárrago, palma datilera y papaya. Reproducción sexual 2.- Plantas monoicas: Los gametos se forman en la misma planta. Hay especies en que los gametos masculino y femenino se forman en la misma flor (perfectas), y se conocen como plantas monoicas con flores hermafroditas; ejemplos: soya, fríjol, alfalfa, trigo, cebada, sorgo, algodón, tomate, centeno y muchos frutales. En el grupo de plantas monoicas hay especies cuyas flores son imperfectas, únicamente tienen gineceo o androceo. Las flores únicamente producirán granos de polen o saco embrionario, por ejemplo: maíz y cucurbitáceas. Autofecundación (autogamia) Cuando los gametos que se fusionan para formar el cigoto provienen de la misma planta, se dice que la planta se autofecunda. Las especies en que ocurre la autofecundación se llaman autógamas; ejemplos: soya, fríjol, chícharo, tomate, tabaco, arroz, trigo, cebada, avena. Fecundación cruzada (alogamia) La fecundación se llama cruzada cuando los gametos que se fusionan provienen de plantas diferentes. Las especies de fecundación cruzada se llaman alógamas; ejemplos: las plantas dioicas, frutales, maíz, centeno, cucurbitáceas, tréboles, zacates. Hay especies que se pueden autofecundar y ser también de fecundación cruzada; éstas se conocen como especies de fecundación mixta; ejemplos: alfalfa, sorgo, algodón. Hay plantas que siendo monoicas hermafroditas son alógamas como el caso de frutales, centeno, tréboles, etc. Esterilidad Incapacidad de una planta para producir gametos o cigotos viables. No es posible ni la autofecundación ni el cruzamiento. Existen diferentes grados de esterilidad y varias son las causas, siendo las de mayor importancia: a) Aberraciones cromosómicas: fenómenos de poliploidía, heteroploidía, inversiones, translocaciones. b) Falta de homología entre los genomios. c) Genes que afectan a los órganos reproductores. d) Esterilidad que afecta únicamente al grano de polen (esterilidad masculina), debido a: acción de genes; acción del citoplasma o la interacción núcleocitoplasma. Esterilidad masculina Hay androesterilidad o esterilidad masculina cuando los órganos reproductores masculinos (gametos) de las plantas se encuentran mal desarrollados o abortados de tal manera que no se forma polen viable. Aparece como consecuencia de: Esterilidad masculina a) Genes mutantes (recesivos) Factores citoplásmicos c) Efectos combinados de ambos. Es muy útil para los mejoradores de plantas, porque proporciona un medio muy eficaz para simplificar la formación de híbridos (evita emasculación manual). b) Androesterilidad genética Controlada por un gen localizado en los cromosomas (núcleo), recesivo y de herencia simple. Es necesario que se presente la homocigosis (msms) para que se exprese la androesterilidad. Es importante identificar los individuos androestériles por medio de genes marcadores a fin de eliminar los machos fértiles de la línea y evitar posibles fecundaciones. Se ha encontrado en maíz, cebolla, remolacha, trigo, etc. Androesterilidad citoplásmica Este tipo de androesterilidad predomina en plantas alógamas. Existen plantas con un citoplasma especial que son androestériles; sin embargo, pueden producir semillas si se polinizan con plantas fértiles. La F1 producirán solo plantas androestériles, ya que el citoplasma se deriva del gameto femenino. El mantenimiento de estas líneas es muy fácil, pues solo se cruza una línea androestéril y una fértil con el mismo genotipo, excepto que el macho fértil tiene el citoplasma normal (N). Androesterilidad citoplásmica Es útil para la producción de híbridos simples y dobles en cebolla, remolacha, trigo, sorgo, maíz. Fuentes de esterilidad citoplásmica en maíz: Fuente (S) USDA. b) Fuente (T) Texas. a) Androesterilidad genética - citoplásmica El gen F es dominante sobre el gen S. El citoplasma es de herencia materna. Ventajas y desventajas Ventajas: 1.- Producción comercial de semilla híbrida (evita emasculación). 2.- Mejora las posibles formas y proporciones de recombinación en plantas autógamas. Desventajas: 1.-La incorporación del gen o genes de esterilidad es un proceso lento. 2.- Problemas para el mantenimiento de progenitores. 3.- La utilización de un solo gen extensivamente puede ocasionar desequilibrios ecológicos (enfermedades Helminthosporium maydis) Tipos de acción génica Variación: Término usado en genética para indicar las diferencias fenotípicas que se presentan entre los individuos que integran una población de plantas de una misma especie, raza, variedad o familia; como consecuencia de la acción de: a) Factores genéticos b) Influencia del medio c) Interacción genotipo por ambiente d) Efecto de una mutación VARIACIÓN CONTINUA Y DISCONTINUA 1.- Para fines de mejoramiento de plantas por selección, la acción de genes de aditividad es la de mayor interés porque el fenotipo refleja el genotipo. 2.- La acción de genes en condición de dominancia o sobredominancia tiene relativa importancia para el mejoramiento por selección. 3.- Es de gran importancia investigar cual es el tipo de acción génica. 4.- Cualquiera que sea el tipo de acción génica, el fenotipo que manifiesta un carácter cuantitativo es influido por el efecto acumulativo de los genes. Heredabilidad - Cantidad expresada en porcentaje debido a la acción de los genes que intervienen en un carácter. - Relación que existe entre un valor genotípico y un fenotípico para un carácter, expresando dichos valores como varianzas que estiman la variación genética y la variación fenotípica en una muestra al azar de una población respecto a un carácter en estudio, pudiendo también asignar la variabilidad con respecto a la unidad. Heredabilidad La heredabilidad en el sentido más estrecho (genética) es la relación de la varianza genética aditiva, expresada en porcentaje, y la variación fenotípica observada: H = Varianza genética aditiva / Varianza fenotípica Ha = (A2 / F2) * 100 Heredabilidad La heredabilidad en el sentido más amplio (genotípica, porque incluye los diferentes tipos de acción génica) se define como la relación entre la varianza genotípica y la varianza observada en una población de plantas: H = Varianza genotípica/Varianza fenotípica H = G2 / G2 + E2 + G*E2 H = A2 + D2 + I2 / G2 + E2 + G*E2 Heredabilidad Es común simbolizar la heredabilidad por h2. La anterior relación suele representarse en tanto por ciento de la varianza genotípica con respecto a la variación total o fenotípica observada. H = (G2 / G2 + E2) * 100 Endogamia Forma de apareamiento entre individuos más o menos emparentados (consanguinidad en animales). En las plantas monoicas compatibles la endogamia es máxima cuando ocurre la autofecundación, pero pueden presentarse diferentes grados de endogamia en atención al parentesco entre el conjunto de progenitores o al número de ellos. En las especies autógamas la endogamia es la forma natural de realizarse y en las plantas alógamas se practica la endogamia en forma artificial, controlando la polinización. Endogamia El cruzamiento entre progenitores e hijos, entre hermanos, etc., se llama cruza consanguínea y la descendencia puede estar relacionada, usándose los términos cruzas fraternales, cruzas de medios hermanos, cruzas entre primos, etc. Existe una tendencia en asociar los efectos biológicos desfavorables con la endogamia, debido a que se han observado efectos contrastados cuando se comparan los efectos de la endogamia máxima (autofecundación), las cruzas consanguíneas y el cruzamiento entre individuos no relacionados. Endogamia La consanguinidad suele ir acompañada de: 1.- Reducción de tamaño 2.- Disminución del vigor 3.- Pérdida parcial o total de la fecundidad 4.- Plantas deformes, albinas, susceptibles al acame, etc. 5.- Debilitamiento general de la población. Endogamia Coeficiente de endogamia: En una población el coeficiente de endogamia indica la proporción en que desaparecen los heterocigotos; se simboliza por F y es un valor cuantitativo que mide la intensidad de la endogamia y varía de: F = 1, para completa homocigosis F = 0, para una población panmíctica. Endogamia Si se autofecunda un individuo sucesivamente, se obtiene el máximo valor de endogamia. F = ½ (1 + F’) F’ = Coeficiente de endogamia de la generación anterior. La Ley de Hardy – Weinberg, considerando el valor de F, se expresa de la siguiente forma: Endogamia 1.- Disminución del vigor y rendimiento 2.- Aparición de individuos notables uniformidad o por anormalidades que problemas de supervivencia. por su originan Endogamia Utilidad de la endogamia en el mejoramiento de las plantas: 1.- Producción de plantas uniformes y genéticamente homocigotas. 2.- Purificar una variedad de taras y anormalidades, sea por selección natural o por selección que hace el mejorador en el proceso de endogamia eliminando a los homocigotos no deseables. Endogamia 3.- La disminución del vigor puede restaurarse por el cruzamiento entre líneas puras seleccionadas. 4.Los híbridos resultantes entre líneas autofecundadas, suelen ser muy uniformes y de mayor vigor que las variedades progenitoras de las líneas, debido a la heterosis, la cual puede explotarse en la generación F1 o perpetuarse por vía asexual. Heterosis Es el fenómeno en virtud del cual la cruza (F1) entre dos razas, dos variedades, dos líneas, etc., produce un híbrido que es superior en: tamaño, rendimiento o vigor general. Se habla de heterosis cuando la F1 es superior en vigor al promedio de los progenitores. Se considera también como una manifestación de la heterosis cuando la F1 es superior al vigor del progenitor más vigoroso y tiene por consiguiente mayor importancia económica. Heterosis El término heterosis se debe a G.H. Shull (1914), que lo usó como una contracción de la expresión “estímulo de la heterocigosis”. Se utiliza como sinónimo de “vigor híbrido” por el efecto que se manifiesta en la generación F1 al presentarse un estímulo general en el híbrido. Esta manifestación consiste en un incremento en la producción, en la altura, en la resistencia de plagas, a sequía, a enfermedades, etc., o cualquier otra característica que expresa mayor vigor que el que manifiesta el promedio de los progenitores o el progenitor más vigoroso. Heterosis Manifestación de la heterosis: Se produce un estímulo general en la progenie o en el híbrido y afecta a las variedades de diferentes maneras. En general se manifiesta por: 1.- Mayor rendimiento de grano, forraje o frutos. 2.- Madurez más temprana 3.- Mayor resistencia a plagas o enfermedades 4.- Plantas más altas Heterosis 5.- Aumento en el tamaño o número de ciertas partes u órganos de la planta. 6.- Incremento de algunas características internas de la planta. 7.- Mayor eficacia metabólica (mayor actividad y más rápida). 8.- Mayor eficiencia biológica (mayor actividad reproductiva y mayor capacidad para sobrevivir). Heterosis 220 Importancia de la heterosis Utilización del vigor híbrido en plantas: - Mayor producción de los cultivos, para satisfacer a una población mayor y más demandante de alimentos. - Selección Es un proceso de mejora genética por medio del cual se eligen como progenitores de una generación a los individuos de fenotipo, suponiendo también de genotipo, más favorable para el carácter ideal y previamente diseñado. Para que la selección sea efectiva es necesaria la aplicación de ciertos principios, información y técnicas que faciliten el proceso, tales como: - Conocer las plantas y el medio ecológico. - Obtener información heredabilidad del carácter. sobre la herencia y Selección - Determinar si es un carácter cuantitativo o cualitativo. - Conocer el tipo de acción génica. - Usar técnicas que reduzcan la acción del medio. - Conocer la forma de reproducción de la especie (autogamia y alogamia). - Trabajar con las manos, el cerebro y el corazón. Selección Selección diferencial: El término indica la diferencia entre la media de la muestra seleccionada como progenitora de la siguiente generación y la media de la población original en donde se practica la selección de los fenotipos. Esta diferencia se expresa en valores de la desviación estándar de la población original. Selección diferencial = (x - ) = ó > Este valor mide la presión o intensidad de selección. σxo σx1 σxs Xo X1 R D Xs Selección y frecuencias génicas La selección altera las frecuencias génicas de la población seleccionada y la progenie originada a partir de ella (media y varianza). Frecuentemente, el objetivo es “fijar” uno de los dos alelos de cada locus (dominante o recesivo) en la población. Por ello, la selección “acelera” un proceso natural que podría ocurrir en varias generaciones de apareamiento preferencial o aleatorio pues rompemos el supuesto del equilibrio HWC. RESPUESTA A LA SELECCIÓN El avance genético o R (∆G) mide el éxito de la selección mediante la comparación de la población original y la progenie. El avance genético puede ser predicho si conocemos Xo, Xs, b y σ2xo. La R depende de la relación lineal entre la frecuencia del gen favorable en la unidad de selección y su valor fenotípico. Y = Pu = Frecuencia del gen favorable po + ∆p ∆p θ po Xo Xs X = Valor fenotípico Avance genético por ciclo de selección: ∆G = (Xs-Xo) σ2a/σ2x = Sh2 Los componentes de la ecuación pueden calcularse antes de la selección y el efecto de la varianza aditiva se puede estimar con algún diseño de apareamiento (diseños genéticos o diseños dialélicos). S solo va a conocerse después de aplicar selección, pues hasta entonces conoceremos Xs. S depende de la presión de selección y la varianza fenotípica. Cuando se aumenta S se reduce el porcentaje de individuos seleccionados en la PO; p.e. la S de 1% en 1000 individuos (10) es mayor a S = 5 % (50). Respuesta a la selección de acuerdo a la metodología de selección: Selección masal. Selección familial de medios hermanos (maternos o paternos). R = k* ¼ σ2A/σfMH Selección familial de hermanos completos. R = k* ½ σ2A/σx R = k* ½ σ2 A/σfHC Selección de autohermanos. R = k* σ2A/σfAH k* [2pq(p-1/2) (αd)]/ σfAH Función del grado de dominancia Mejoramiento de plantas alógamas Selección Masal Método de selección recurrente, que permite concentrar genes favorables para un carácter deseable. Se inició el método desde que el hombre necesitó domesticar las plantas y se ha venido modificando a través del tiempo a medida que han avanzado la ciencia y la tecnología. Consiste en sembrar una población de plantas, elegir los fenotipos deseables, cosechar la semilla, mezclar las semillas de las plantas seleccionadas y esta mezcla o “masa”, sirve como semilla para la siguiente siembra con la finalidad de que se recombinen o concentren los genes favorables para el carácter bajo selección. Selección Masal Para formar la mezcla es conveniente usar el mismo número de semillas de cada planta seleccionada, por lo cual se dice que se forma un “compuesto balanceado”. El proceso sucesivo de: siembra selección mezcla siembra, recibe el nombre de ciclo de selección. En la selección masal únicamente se tiene información del progenitor femenino y se ignora el masculino mezclado entre los posibles en la población de plantas del lote de selección. Selección Masal La selección masal es eficiente caracteres y condiciones siguientes: para aquellos a) Caracteres cualitativos de herencia simple como son: acame, algunas enfermedades, color y textura del grano. b) Caracteres cuantitativos de alta heredabilidad, tales como: precocidad y altura de planta. c) Caracteres cuantitativos en variedades con alto valor para la varianza aditiva. Selección Masal Estratificada Esta técnica del 1960 se fundamenta en información experimental y teórica siguiente: - La varianza genética aditiva está presente en un gran número de variedades de polinización libre. - Hay cambio en la frecuencia génica, si la muestra es grande y la selección diferencial es tal que incluye a los genotipos deseables. - Las cruzas dialélicas estiman la varianza genética aditiva con un valor altamente confiable. la Selección Masal Estratificada - La población heterocigótica. básica inicial es heterogénea y - Cada planta de la población tiene una aptitud combinatoria general diferente. Las plantas individuales son heterocigotas y se les simboliza por So (plantas con cero autofecundaciones). - La técnica experimental en el proceso de selección elimina parcial o totalmente el efecto ecológico. - La recombinación de genes favorables para el rendimiento se van concentrando en cada ciclo de selección cuando el compuesto balanceado se multiplica en un lote aislado. Selección Masal Estratificada Para ajustar la variable, se puede utilizar la siguiente expresión: Yij = Xij – xi + xg Yij = Valor ajustado de la variable de la planta j en la parcela i. Xij = Valor observado de la variable en la planta j de la parcela i. xi = Valor promedio por planta en la parcela i. xg= Valor promedio de la variable en el lote Selección Familiar En este grupo de métodos de selección, las unidades de selección no son plantas individuales, sino familias. Familia: Es la progenie obtenida de un apareamiento no aleatorio, cuya descendencia guarda una relación más o menos estrecha y de acuerdo a este relación se agrupan. El esquema general sigue tres pasos: 1) Crear la estructura de la familia. 2) Evaluar y seleccionar las mejores familias a través de las progenies. 3) Recombinar las familias seleccionadas. 255 Familias de medios hermanos Cada mazorca que proviene de polinización libre (PL) origina una familia de medios hermanos maternos (FMHM), al tener en común a la madre y diferentes padres. macho, Familias de hermanos completos Si una planta macho poliniza a cuatro o seis plantas hembra diferentes y la semilla de cada una de ellas se siembra en surcos individuales, las plantas dentro de cada surco son hermanos completos (HC); porque tienen el mismo padre y madre, así, las plantas del surco uno son MH de las plantas del surco dos; éstos a su vez son MH de las del surco tres y así sucesivamente, ya que tienen un padre en común (macho) pero diferente madre. Si la semilla de las plantas hembra polinizadas por un macho común se mezcla en cantidades iguales (CB), se dará origen a una familia de medios hermanos paternos (MHP). Familias de hermanos completos Otra forma de obtener familias de hermanos completos, consiste en llevar a cabo el apareamiento entre dos individuos o cruza planta a planta (PaP). La familia se puede derivar de la semilla proveniente de la cruza directa ó de la cruza recíproca. Las familias de MH están más relacionadas entre sí que aquellas de HC, debido a que las de MH se originan al cruzar una hembra con varios machos o viceversa, es decir, tienen un padre en común. Mientras las familias de HC que se originan al cruzar pares de plantas no lo tienen, todos son diferentes (cuando la hembra y el macho provienen de una población de entrecruzamientos al azar). 261 Familias de autohermanos (FAH) La familia de autohermanos o líneas S1, es la progenie obtenida por autofecundación de una planta. Selección Recurrente J. L. Jenkins (1940) propuso este tipo de selección con la finalidad de desarrollar variedades sintéticas a partir de líneas de pocas autofecundaciones. Los pasos para la operación son lo siguientes: 1.- Se autopolinizan las plantas de una población heterocigótica y a la vez se valoran por algún carácter o caracteres deseables. 2.- Se desechan las plantas que tienen comportamiento inferior en cuanto al carácter caracteres que se desea mejorar. un o Selección Recurrente 3.- Se realizan a mano todos los cruzamientos posibles entre los descendientes superiores o, si esto es impracticable, los cruzamientos se hacen por polinización libre entre los descendientes seleccionados. La población resultante de los cruzamientos sirve como punto de partida para ciclos posteriores de selección o entrecruzamiento. Selección recurrente simple En este tipo de selección, se dividen las plantas en dos grupos, uno que se desechará y otro que se propagará después, considerando las puntuaciones dadas según el fenotipo de las plantas individuales o de sus descendencias por autofecundación. Ejemplo. Sprague, Miller y Brimhall (1952), utilizaron la variedad sintética de maíz stiff stalk, para estudios del carácter contenido de aceite. Los resultados del proceso de selección recurrente se presentan en la siguiente figura. Selección recurrente recíproca Comstock, Robinson y Havey (1949), propusieron este método de selección. Este procedimiento es una modificación de la selección recurrente; la diferencia consiste en utilizar material básico de dos fuentes, A y B. El material original puede incluir dos o más variedades de polinización libre o sintéticas. La investigación genética del material o la divergencia deberán ser tan amplias como sea posible, pero deben combinar entre si, ya que los híbridos que se desarrollarán comprenderán el cruzamiento entre las líneas puras derivadas de las dos fuentes. Producción de variedades híbridas Autofecundación 275 Cruza o hibridación 276 Cruza natural 277 Cruza fraternal 278 Cruza recíproca 279 Mestizo 280 Cruza simple 281 Cruza triple 282 Cruza doble 283 Cruza doble 284 Cruza doble críptica 285 Cruzamiento múltiple 286 • Una o Varias Poblaciones a Mejorar Aptitud Combinatoria General Cruza de Padres con Aptitud Combinatoria Específica Superior Variedades de Polinización libre Variedades Sintéticas Variedades Híbridas Población Base Obtención y desarrollo de líneas endocriadas Selección de Líneas Mejoramiento de Líneas Evaluación de Aptitud Combinatoria Evaluación de Híbridos experimentales Híbrido Aspectos en el desarrollo de Híbridos • Utilización de la endogamia para aumentar la variabilidad genética • Selección de líneas endocriadas superiores • Explotación de la Heterosis Desarrollo de Líneas Endogámicas • Fuentes de Material • Obtención de Líneas Endogámicas • Evaluación de la Aptitud Combinatoria • Aptitud Combinatoria General • Aptitud Combinatoria Específica Fuentes de Material • • • • Variedades de polinización libre Híbridos (F2) Variedades sintéticas Líneas de segundo ciclo Porcentaje de esfuerzo para el desarrollo de líneas endogámicas de acuerdo a diferentes fuentes de germoplasma en USA Fuente de Germoplasma % de Esfuerzo Poblaciones de base amplia 15 Poblaciones de base estrecha 16 Poblaciones con endogamia 14 Cruza entre líneas elite 39 Poblaciones derivadas de retrocruzas 17 Evaluación de Líneas • Aptitud Combinatoria General • Aptitud Combinatoria Específica • Identificar líneas que en ciertas combinaCiones produzcan híbridos superiores. Evaluación de la Aptitud Combinatoria General • Consiste en la evaluación del comportamiento de líneas en cruzas con un probador (Tester) común • Las F1 se prueban en distintos ambientes • Evalúa la varianza genética aditiva de cada línea • Permite descartar líneas de pobre comportamiento en cruzas en etapas tempranas de la endogamia (S2; S3) Obtención de cruzas para ACG 1° Año Líneas S2-S3 (despanojadas) Tester 2°-3° Años ECR con las F1 (línea x tester) en 2 -4 localidades Selección de líneas con superior ACG Germoplasma a utilizar como probador o tester • • • • Variedad de polinización libre Compuesto de amplia base Variedad sintética Generaciones avanzadas de un híbrido Evaluación de la Aptitud Combinatoria Específica • Consiste en la evaluación del comportamiento de líneas endocriadas (S6...Sn) en todas la combinaciones posibles (Dialélico) • Las F1 se prueban en distintos ambientes • Evalúa la varianza genética de dominancia • Permite cuantificar la heterosis en las distintas cruzas • La mejores cruzas constituyen los híbridos experimentales Obtención de Cruzas para ACE A A B C D E * B C D E AxB AxC AxD AxE * BxC BxD BxE * CxD CxE * DxE * Número de cruzas simples y dobles de acuerdo al número de líneas Cruza Simple Líneas Top Cross (Híbrido Simple) Cruza Doble (Híbrido Doble) 5 5 10 15 10 10 45 630 20 20 190 14535 100 100 4950 11763625 n n n(n-1)/2 3n(n-1)(n-2)(n-3)/24 Híbridos modificados • Los híbridos modificados consisten en cruzamientos en donde uno o ambos progenitores son líneas emparentadas (líneas hermanas o que poseen un progenitor común en su ascendencia), con un grado de parentesco variable. • Se han utilizado principalmente por problemas de producción de semilla, ya que los progenitores son más vigorosos que las líneas endogámicas debido ala manifestación de cierto vigor híbrido en la cruza. Comportamiento de las líneas • Correlación entre caracteres exhibidos por las líneas y en los híbridos. • En general las correlaciones son no significativas y/o de baja magnitud, sobre todo para productividad. El valor real de una línea debe ser demostrada en los híbridos en que participa • La baja correlación entre líneas e híbridos obliga a mantener una gran cantidad de líneas para aumentar la probabilidad de obtener híbridos superiores. Rendimiento de híbridos simples y promedio de sus líneas parentales HS LP Diferentes clases de híbridos Híbrido Pedigree TopCross LíneaxPoblación HíbridoSimple AxB HíbridoSimple Modificado HíbridoTriple HíbridoTriple Modificado HíbridoDoble (AxA’)xB (AxA’)x(BxB’) (AxB)xC (AxB)x(CxC’) (AxB)x(CxD) Líneas endogámicas Híbrido Requerimientos para la producción de semilla híbrida • Manifestación de Heterosis en al F1 • Eliminación de polen fértil de la línea madre • Transferencia del polen del macho a la hembra • Producción económica de semilla híbrida Relación entre líneas para la producción de semilla híbrida Cultivo Sorgo Línea Línea productora de polinizadora semilla 3 1 Maíz 2/4 1 Girasol 2/7 1 Trigo 1/3 1 Obtención de híbridos 287 Mejoramiento de plantas autógamas Mejoramiento de plantas autógamas Las poblaciones de plantas autógamas consisten generalmente en una mezcla de multitud de líneas homocigotas bastante relacionadas que, no obstante que crecen próximas permanecen más o menos independientes entre si en la reproducción. Las plantas individuales de tales poblaciones son probablemente homocigotos vigorosos. En determinadas especies autógamas (algodón, sorgo, y trébol) existen cruzamientos naturales que oscilan de 5 al 50%. En otras especies (cebada, avena, arroz, lechuga y tomate), el cruzamiento en raras ocasiones supera el 1%, independientemente de la variedad de que se trate. En fríjol lima el cruzamiento puede oscilar del 25 al 100%. Métodos de selección a) Método genealógico o pedigrí. b) Método de progenie de una semilla por planta (PSP y/o SSD). c) Selección Masal d) Selección por retrocruza. e) Selección recurrente. Genealógico o Pedigrí Método masivo Selección masal Retrocruza Descendiente de Una sola semilla (SSD) Selección Recurrente en autógamas En plantas autógamas, en principio, el mejoramiento puede hacerse en forma similar a las alógamas, siempre y cuando su aparato reproductivo permita en alguna forma la polinización cruzada más o menos masiva a fin de poder llevar a cabo, en el caso de la selección recurrente, la recombinación genética de las unidades seleccionadas. El uso de genes de androesterilidad ms permiten la alogamia en sorgo, de manera que es posible realizar selección recurrente en varias formas de selección masal y familiar. Existe en las plantas autógamas el potencial operativo para llevar a cabo la recombinación genética (limitante). Selección Recurrente en autógamas En general la selección recurrente en autógamas se ha llevado a cabo usando familias. Por lo tanto, las etapas que se sobrellevan son las mismas que en la selección familiar observadas, y consisten en: 1.- Polinización (para recombinación) y prueba 2.- Selección, ya que en la recombinación está implícita la formación de las nuevas familias. En autógamas, se pueden hacer varias generaciones de autofecundación en las cruzas simples que provienen de la recombinación a fin de obtener líneas homocigotas y aprovechar el doble de la varianza aditiva existente. Recombinación con polinización Hay plantas en que la polinización manual es tan laboriosa, difícil e ineficiente, que las probabilidades de llevar a cabo la recombinación genética en la selección recurrente son sumamente bajas. Se deben hacer grandes cantidades de polinización manual a efecto de garantizar y obtener el número real (necesario) de polinizaciones efectivas. Recombinación con androesterilidad Brim y Stuber (1973) propusieron un esquema general de selección recurrente usando androesterilidad, el cual se resume continuación: a En general, cada ciclo de selección recurrente consiste en tres etapas o fases: recombinación, autofecundación y prueba y selección, que estos autores denominaron generaciones. Previo al inicio del programa se supone que se ha sintetizado la población base, usando cruzas dobles, retrocruzas o las cruzas posibles de un diseño dialélico, pudiendo minimizarse la contribución del progenitor donante del gen estéril por retrocruzamiento al progenitor recurrente. La población base será una mezcla mecánica de los tipos de cruzas mencionados anteriormente; éstas se han hecho utilizando plantas fértiles de las variedades y sus contrapartes estériles habiendo adquirido el gen de esterilidad de una línea dominante, y habiendo retrocruzado 2 o 3 veces hacia la variedad recurrente para recobrar el genotipo. A continuación se ilustran las tres generaciones o fases de las selección recurrente en plantas autógamas. Selección Recurrente en autógamas Mejoramiento de variedades clonales Variedad clonal: Material genéticamente uniforme derivado de un solo individuo y que se propaga sólo por métodos vegetativos o asexuales. Variabilidad genética en especies clonales: Mutación: manzano. naranjos, pomelos, Hibridación Infecciones virales: variegados. Métodos: Selección clonal Hibridación y selección clonal Mejoramiento por apomixis. OBTENCION DE CLONES Población con alta variabilidad Selección de plantas COMPARACION Y SELECCIÓN DE CLONES Parcelas clonales Selección entre clones CLON 1 CLON 2 E.C.R. MULTIPLICACION Clones Selectos ClonA x Clon B Selección de las mejores plántulas Evaluación De clones 2 – 3 años Clones selectos Multiplicación Mejoramiento por apomixis