5to Trabajo Encargado - Fitomejoramiento General.docx

“Año del Diálogo y la Reconciliación Nacional”

UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA

FACULTAD DE AGRONOMÍA DEPARTAMENTO DE FITOTECNIA

FITOMEJORAMIENTO GENERAL

Trabajo encargado N° 5 “Métodos de mejoramiento genético en cultivos autógamos” Profesor Alumno Cód. matrícula

: Ing. Mg. Sc. Rolando P. Egúsquiza Bayona : Mario Javier Ganoza Morales : 20140069

Fecha de presentación: 15/12/2018

INTRODUCCION El fitomejoramiento convencional busca la mejora de cultivares utilizando herramientas conservadoras para manipular el genoma de la planta dentro de los límites genéticos naturales de la especie. El trabajo de Mendel en genética marcó el comienzo de la era científica del fitomejoramiento. El número de genes que controlan el rasgo de interés es importante para los criadores. Los caracteres cualitativos (controlados por uno o pocos genes) son más fáciles de reproducir que los caracteres cuantitativos (controlados por muchos genes). Los mejoradores utilizan métodos y técnicas que se basan en el modo de reproducción, siendo la estrategia general producir cultivares cuya pureza genética y productividad puedan ser sostenidas por su sistema de apareamiento natural. La obtencion y el mejoramiento de cultivares híbridos explota el fenómeno de la heterosis, y es aplicable a las especies tanto autogamas como alogamas.

MÉTODOS DE MEJORAMIENTO GENÉTICO EN CULTIVOS AUTÓGAMOS Cultivar Un cultivar es un grupo de plantas genéticamente similares, que en virtud de sus características estructurales y comportamiento se distingue de otros grupos de plantas genéticamente similares dentro de una especie. Una población de plantas puede constar de un solo genotipo o de una mezcla de genotipos y denominársele linea. Cada año se generan en viveros del fitomejorador miles de líneas. Una vez que se ha identificado una línea superior, se le asigna un nombre, se utiliza su semilla y se distribuye como “variedad agrícola” o “cultivar”. Dos características esenciales de un cultivar son:  Identidad. El cultivar es reconocible y distinguible de otros cultivares dentro de la especie. Por lo general, las caract4eristicas distintivas son las estructuras morfológicas, marcas de color, respuestas fisiológicas, reacción a las enfermedades o comportamiento.  Reproducibilidad. Es necesaria para que las características por las cuales el cultivar es identificado, se reproduzcan en la progenie. En cultivos autógamos, un cultivar multiplicado a partir de un solo genotipo generara una descendencia uniforme; mientras que un cultivar multiplicado a partir de una mezcla de genotipos originara una descendencia más variada de acuerdo con la existente en la mezcla. Métodos de mejoramiento genético 1) Colecta de germoplasma Consiste en la reunión de un amplio surtido de germoplasma (cepas genéticas de origen diverso) de la especie deseada, buscando siempre genes que puedan contribuir a mejorar el comportamiento. Fuentes útiles:  Cultivares comerciales  Líneas reproductoras avanzadas, cuya adaptación y productividad son probadas (se obtienen a partir de programas de mejoramiento genético)  Variedades nativas. Son usadas en las áreas menos desarrolladas. En las áreas más desarrolladas, el uso de éstas ha sido desplazado por las variedades comerciales. El germoplasma conseguido debe cultivarse inicialmente en el ambiente local para identificar fuentes de genes que determinen madurez, potencial de rendimiento, resistencia a enfermedades y otras características deseadas, así como para observar variedades inherentes 2) Selección Incluye la identificación y la propagación de genotipos individuales o grupos de genotipos provenientes de poblaciones mixtas de poblaciones segregantes después de haber sido hibridadas.

o Selección masal Las plantas se seleccionan y cosechan con base a su fenotipo y las semillas se mezclan sin haber realizado ninguna prueba de progenie Normalmente los cultivares obtenidos por selección masal son uniformes en cuanto a caracteres cualitativos que presentan modo de herencia genética simple (presencia de aristas, marcas de color o madurez) en lo que las diferencias fenotípicas pueden reconocerse fácilmente y utilizarse como criterios de selección. Los propósitos de la selección masal son:  Purificar un cultivar mixto o una población de plantas seleccionando y propagando plantas visiblemente similares  Obtener un nuevo cultivar mejorando el comportamiento promedio de la población o Selección de líneas puras Consiste en aislar líneas puras a partir de una población mixta. Un cultivar obtenido mediante selección de líneas puras es más uniforme que un cultivar obtenido por selección masal, ya que todas las plantas del cultivar tendrán el mismo genotipo. Esto es cierto suponiendo que la planta originalmente seleccionada sea homocigota en todos los loci (es una suposición: rara vez se alcanza esta homocigocidad). La prueba de la progenie es una característica esencial de la selección de líneas puras y sirve para evaluar el comportamiento reproductivo de la planta seleccionada. Teoría de las líneas puras La teoría de las líneas puras se basó en un experimento, en el que se encontraba incluido el carácter del peso de la semilla (figura 1). El botánico danés Johannsen en 1903 estudió el efecto sobre el carácter "peso de sernilla" en Phaseolus vulgaris, esta especie es autógama, lo que significa que la descendencia se produce como consecuencia de autofecundación, las ovocélulas son fecundadas por el polen de la propia planta. Utilizó una variedad comercial denominada "Princesa" donde cada una de las semillas poseía tamaños diferentes De una mezcla de frejol ‘Princesa’, se aisló una línea pura (línea pura nº 1) que producía granos con un peso promedio de 0.64 gramos. Otra línea pura (línea pura nª 19) producía granos con un peso promedio de 0.35 gramos. El peso promedio de las semillas de las progenies de frijol seleccionadas de la linea pura nª 1 fue similar al de la línea parental. De igual manera, las progenies seleccionadas de la linea pura nº 19 fueron similares a sus líneas parentales en lo que respecta al peso promedio de la semilla. Las variaciones del peso promedio de la semilla de frijoles dentro de una linea pura son consecuencia de variaciones ambientales que actúan sobre el desarrollo de semillas individuales.

Figura 1. Selección de líneas pura en frejol. El experimento de Johannsen demostró que una población mixta de un cultivo autógamo puede separarse en líneas puras inherentemente distintas, pero que más selección dentro de una línea resulta ineficaz para cambiar el genotipo de la línea. Fuente: Poehlman J.; Allen D. (2003). Mejoramiento genético de las cosechas. 2a ed. México, D. F. (México): Editorial Limusa, S. A.

3) Hibridación Este método utiliza la la polinización cruzada entre progenitores genéticamente distintos con el propósito de obtener recombinación genética. Después de llevarse a cabo, se cultivan generaciones segregantes y se seleccionan líneas puras una vez que se ha alcanzado la homocigocidad. El propósito es identificar y seleccionar líneas que combinen genes deseables provenientes de ambos progenitores. Las líneas seleccionadas se evalúan mediante pruebas de progenie para verificar la presencia de una combinación e genes deseable. Las líneas que demuestren ser superiores pueden multiplicarse como un nuevo cultivar Procedimientos de selección posteriores a la hibridación 1. Selección por pedigree A partir de plantas seleccionadas F2, se hacen crecer en surcos progenies de 25 ma 30 plantas en la F3. De los mejores surcos se seleccionan las plantas superiores y se siembran en familias de surcos en la F4, F5 y F6: la selección consiste en las mejores plantas –en los mejore surcos– de las mejores familias. Al llegar a la F6, las familias deben ser relativamente uniformes. En la F7 se establecen pruebas preliminares de rendimiento, mismas que continúan hasta la F10. Pueden hacerse varias modificaciones a este procedimiento. Por ejemplo: después de que se seleccionan plantas en la F3 y la F4, las que quedan en los surcos pueden mezclarse entre sí e iniciar nuevos ensayos preliminares de rendimiento (figura 2).

Figura 2. Selección por pedigree. Fuente: Poehlman J.; Allen D. (2003). Mejoramiento genético de las cosechas. 2a ed. México, D. F. (México): Editorial Limusa, S. A.

2. Método de población masiva La progenie de la cruza se cultiva en forma masiva hasta la generación F4. En la F5, la progenie se siembra de manera espaciada. Se seleccionan plantas o cabezas de línea se cultivan en surcos de plantas o cabezas de línea en la F6. Se seleccionan los surcos superiores y se cultivan en un ensayo preliminar de rendimiento en la F7. Las cepas superiores se hacen crecer en pruebas de rendimiento en las generaciones F8 a F10. Pueden hacerse varias modificaciones a este procedimiento. Por ejemplo, la selección podría iniciarse en una etapa tan temprana como la F3 o la F4, purificando las líneas que tengan un rendimiento superior en las siguientes generaciones, o bien parcelas masivas podrían repetirse y cosecharse para determinar el rendimiento y desecharse cruzas completas con base en el rendimiento de dichas parcelas (figura 3).

Figura 3. Selección por método de población masiva. Fuente: Poehlman J.; Allen D. (2003). Mejoramiento genético de las cosechas. 2a ed. México, D. F. (México): Editorial Limusa, S. A.

3. Método de descendencia uniseminal Las semillas cosechadas de la F1 se siembran de manera espaciada en la F2. Una sola semilla cosechada de cada planta F2 se utiliza para obtener la generación F3. Las generaciones sucesivas hasta la F5 se siembran del mismo modo a partir de semillas individuales cosechadas de cada planta cultivada en la generación anterior. En la generación F5 las plantas se cosechan y se siembra en un surco de progenie en la F6. En la generación F7, se establece un ensayo preliminar de rendimiento y continúan realizándose experimentos de la misma clase hasta la F10. Algunos fitomejoradores combinan e método de descendencia uniseminal con el método de selección por pedigree, cultivan solo las generaciones F3 y F4 utilizando el primero de estos métodos para acortar el tiempo que se requiere para alcanzar la etapa de prueba de rendimiento (figura 4).

Figura 4. Selección por método de descendencia uniseminal Fuente: Poehlman J.; Allen D. (2003). Mejoramiento genético de las cosechas. 2a ed. México, D. F. (México): Editorial Limusa, S. A.

4. Método del haploide duplicado Las cruzas se hacen y la progenie F1 se cultiva como en los métodos anteriores. Se cultivan las anteras de las paltas F1 y el número cromosómico de las plantas haploides se evalúan en el campo en las generaciones F3 y F4 y las líneas superiores se prueban en ensayos de rendimiento en las generaciones F5 A F8 (figura 5).

Figura 5. Selección por método del haploide duplicado Fuente: Poehlman J.; Allen D. (2003). Mejoramiento genético de las cosechas. 2a ed. México, D. F. (México): Editorial Limusa, S. A.

Elección del método a. El método de selección por pedigree es sin duda el sistema más preciso cuando el objetivo es combinar características particulares de os progenitores que se heredan en forma simple y se observan fácilmente en

las plantas de la progenie, pero es menos preciso cuando las características que van a combinarse se heredan en forma cuantitativa, sobre todo si su heredabilidad es baja. Este método es intensivo en mano de obra en las primeras generaciones debido a la gran cantidad de trabajo que implican el envase de la semilla, la siembra, al toma de notas y el registro de datos b. El método de población masiva ha ganado apoyo en virtud de su economía en cuanto a mano de obra y la facilidad de hacer crecer grandes poblaciones en las primeras generaciones. c. El método de descendencia uniseminal es apropiado en el caso de cultivos que puedan cultivarse en el invernadero o en viveros de invierno en un clima semitropical. Es económico y reduce el tiempo que se requiere para obtener las primeras generaciones segregantes. d. El método del haploide duplicado es intensivo en mano de obra en lo que se refiere a producir haploides y carece de la confiabilidad probada de los otros procedimientos. Los buenos resultados del método de hibridación que se aplique para el mejoramiento genético de los cultivos autógamos depende de:  Elegir los progenitores  Identificar las plantas superiores de las poblaciones segregantes. Las contribuciones de los progenitores deben complementarse de modo que las plantas que el mejorador decida seleccionar a partir la progenie deben tener el máximo posible de características agronómicas importantes. Identificar genotipos superiores en las progenies segregantes requiere realizar pruebas exhaustivas y exponer a plantas a muchas adversidades (por ejemplo: enfermedades, sequia o frio), observar detalladamente las diferentes etapas de crecimiento de las plantas y anotar con precisión todas las observaciones. Realizar pruebas en diferentes emporadas y en varias localidades con condiciones climáticas diversas, ayudará a identificar genotipos adaptados a áreas geográficas amplias. Solo deberán propagarse aquellas líneas que sean claramente superiores y satisfagan los objetivos del cruzamiento, y rechazarse rigurosamente las selecciones o cruzamientos mediocres. Esto último demanda decisiones que podrá tomar un fitomejorador experimentado y capacitado. Mejoramiento genético por retrocruzamiento El plan de retrocruzamiento es cruzar un cultivar adaptado y productivo, que sin embargo carece de algún alelo (o alelos) deseable que controla un carácter superior, con una línea reproductora o cultivar en los que el alelo está presente. Empezando en la F1 y continuando por varias generaciones, las plantas hibridas que poseen el alelo dominante se seleccionan y retrocruzan sucesivamente con el cultivar progenitor adaptado.

El progenitor adaptado es aquel al cual se le está añadiendo el alelo y participa en cada retrocruzamiento, y se le conoce como progenitor recurrente El progenitor adaptado, al cual se está añadiendo el alelo, participa en el cruzamiento inicial, pero no en los retrocruzamientos, por lo que recibe el nombre de progenie donante o no recurrente. Propósito del retrocruzamiento: recuperar el genotipo del progenitor recurrente, en caso que el fitomejorador lo desee. Debe tener en cuenta que en la descendencia no habrá ciertos alelos provenientes del progenitor recurrente, ya que han sido sustituidos por aquellos provenientes del progenitor no recurrente. Por un lado, el mejorador busca las características deseables aportadas por el progenitor no recurrente; por otro lado, dependerá de él mismo qué tan completamente querrá recuperar la identidad del progenitor recurrente: mientras más retrocruzamientos realice, más completa será la recuperación de la identidad del progenitor recurrente. Figura 6. Método de retrocruzas en el

que un alelo dominante que confiere resistencia a la enfermedad R es transferido de un cultiva resistente a la enfermedad a un cultivar adaptado A. El cultivar resistente donador se cruza con el cultivar recurrente A adaptado, y la generación F1 se retrocruza con el cultiva A. La generación BC1 de esta cruza segregara para la resistencia a la enfermedad (Rr:rr). Las plantas Rr pueden distinguirse de las plantas rr inoculando las plántulas con el patógeno y observando si las plantas presentan resistencia o susceptibilidad a la enfermedad. Solo las plantas Rr (resistentes) se retrocruzan con A en la segunda y las sucesivas generaciones de retrocruza. Después de la última retrocruza, las plantas heterocigóticas (Rr) se autofecundan una generación para obtener plantas resistentes homocigóticas (RR) y heterocigóticas (Rr). Se realizan pruebas de progenie de las plantas resistentes (R y rr) para distinguir las plantas homocigóticas (RR) de las heterocigóticas (Rr), de modo que puedan establecerse líneas puras que posean la característica de resistencia. Fuente: Poehlman J.; Allen D. (2003). Mejoramiento genético de las cosechas. 2a ed. México, D. F. (México): Editorial Limusa, S. A.

Mejoramiento genético multilineal Un cultivar multilineal es una mezcla de líneas genéticamente similares, excepto que cada línea posee un gen distinto que confiere resistencia al patógeno. Las líneas que son genéticamente idénticas, salvo por un solo gen, se denominan isolineas. El procedimiento que se sigue para producir un cultivar multilineal estriba en obtener isolineas de un cultivar deseable, cada una con un gen distinto para resistencia a algún patógeno particular. Cada gen debe proporcionar resistencia a una raza fisiológica distinta, o grupos de razas, del patógeno. Las isolineas derivadas por retrocruzamiento se combinan entonces para obtener el cultivar multilineal. Conforme ocurren cambios en las razas frecuentes del patógeno, pueden obtenerse isolineas co nuevos genes de resistencia modificando la mezcla de las isolineas. La teoría de las multilíneas es producir una población uniforme en cuanto a altura, madurez y otras características, pero mixta o heterogénea en cuanto a genes de resistencia a las razas patológicas de una enfermedad virulenta. Los méritos hipotéticos (es decir, aún no han sido totalmente probados) del cultiva multilineal, son: i. proporcionará protección parcial contra un amplio espectro de razas de un fitopatógeno ii. proporcionará un efecto amortiguador contra un rápido desarrollo de la enfermedad que una nueva raza del patógeno debe originar.

Donador

Genes del donador

Número de retrocruzas

Cultivar recurrente

Isolineas

Donador 1

(R1 R1)

5

A, (rr)



A, (R1 R1)

Donador 2

(R2 R2)

5

A, (rr)



A, (R2 R2)

Donador 3

(R3 R3)

5

A, (rr)



A, (R3 R3)

Donador 4

(R4 R4)

5

A, (rr)



A, (R4 R4)

Donador 5

(R5 R5)

5

A, (rr)



A, (R5 R5)

Multilíneas



Isolineas compuestas para sintetizar el cultivar multilineal

Figura 7. Método para obtener un cultivar multilineal resistente a la enfermedad. Los genes que confieren resistencia a la roya, R1 a R5, se retrocruzan a partir de cultivares donadores con un cultivar A común, recurrente y susceptible a la enfermedad. Se obtienen isolineas que solo difieren en un gen de resistencia a la enfermedad y se combinan para sintetizar el cultivar multilineal. Las isolineas se mantienen, de modo que el cultivar multilineal puede construirse de nuevo cuando sea necesario. Se hicieron cinco cruzas (la cruza original y cuatro retrocruzas) con el cultivar recurrente. Fuente: Poehlman J.; Allen D. (2003). Mejoramiento genético de las cosechas. 2a ed. México, D. F. (México): Editorial Limusa, S. A.

Desventajas a. Una multilínea tiene una utilidad limitada, salvo en áreas de alto riesgo, donde un patógeno muy especializado causa regularmente daños cuantiosos b. No existe ningún mejoramiento genético del rendimiento o de otras características, salvo el derivado de la resistencia a enfermedades en tanto se utilice el mismo cultivar

como progenitor recurrente para obtener isolíneas (a menos que el progenitor recurrente sea mejorado, la multilínea pronto puede volverse obsoleta) c. La mano de obra que se requiere para producir y mantener las isolineas disminuye los recursos para mejorar las características del cultivar distintas de la resistencia a enfermedades d. La liberación de un cultivar multilineal se demora hasta que todas las isolineas se produzcan y multipliquen. Mezcla varietal Se produce a partir de una mezcla d semillas de dos o más cultivares. La propuesta consiste en que una mezcla de genotipos tendrá de manera uniforme un rendimiento constantemente mayor que el promedio de los genotipos del componente puro (siempre y cuando esta mezcla esté compuesta por semillas de cultivares que no afecten de manera adversa la uniformidad en la madurez, o características que disminuyan la calidad del producto). Este mayor rendimiento se debe al efecto amortiguador contra las interacciones genotipo × ambiente, y presentará una mayor estabilidad en más localidades y durante más años que un cultivar de línea pura.

Mejoramiento de la población a. Selección recurrente La selección recurrente es un método de mejoramiento de la población para aumentar la frecuencia de alelos deseables para un carácter cuantitativo particular mediante entrecruzamientos frecuentes entre genotipos superiores dentro de la población. Idealmente, se aíslan genotipos superiores después de cada ciclo de apareamiento y se cruzan entre si para producir la siguiente generación. Muy buenos resultados se han logrado con los métodos de mejoramiento de la población en especies de polinización cruzada, en las que el apareamiento aleatorio entre las plantas ocurre por medios naturales. La aplicación de dichos métodos a los cultivos autógamos ha tenido un éxito similar, pero es difícil utilizarlos debido al trabajo que implica hacer el gran número de polinizaciones manuales que se requieren para cruzar entre su los genotipos seleccionados. b. Cruzamiento múltiple También llamado cruzamiento convergente, se hace cruzando parejas de progenitores y cruzando después pares de F1 hasta que todos los progenitores formen parte de una progenie común, de acuerdo con el siguiente esquema:

A×B AB

× ABCD

C×D CD

E×F EF × ABCDEFGH

× EFGH

G×H GH

c. Hibridación facilitada por androesterilidad Los genes que determinan la androesterilidad se han utilizado en la cebada y otros cultivos autógamos para facilitar el cruzamiento, ya que se elimina la necesidad de realizar la emasculación. Un procedimiento común estriba en incorporar mediante retrocruzamiento un gen de androesterilidad en algunos cultivares estándar. Cada una de las isolineas androestériles producidas son polinizadas con polen de un grupo de cultivares y las semillas hibridas obtenidas se mezclan para establecer un cruzamiento compuesto. Si la polinización no es controlada, las flores androestériles son polinizadas por plantas masculinas fértiles, facilitando así la recombinación de genes dentro de la población, Para obtener una máxima recombinación génica, solo se cosechan semillas de plantas androestériles. Durante las generaciones segregantes, las plantas androestériles pueden ser polinizadas manualmente con polen de plantas masculinas fértiles seleccionadas, y las semillas que resulten de estos cruzamientos se utilizan para sembrar la siguiente generación.

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BIBLIOGRAFÍA Acquaah G. (2015) Conventional Plant Breeding Principles and Techniques. In: Al-Khayri J., Jain S., Johnson D. (eds) Advances in Plant Breeding Strategies: Breeding, Biotechnology and Molecular Tools. Springer, Cham Poehlman JM, Allen D. (2003). Mejoramiento genético de las cosechas. 2a ed. México, D. F. (México): Editorial Limusa, S. A.