Hodowla roślin jest celową działalnością ludzką, polegającą na ulepszeniu genotypów roślin użytkowanych przez człowieka. Zadaniem hodowli roślin jest tworzenie nowych odmian i mieszańców, plenniejszych, lepszych jakościowo, lepiej dostosowanych do danych warunków klimatyczo-glebowych i bardziej odpornych na choroby i szkodniki od dotychczas uprawianych. Hodowla roślin jako nauka jest ściśle związana z genetyką (podstawy teoretyczne) i nasiennictwem (reprodukcja wytworzonego przez hodowcę materiału matecznego).

Wyróżniamy dwa główne działy hodowli:

-hodowlę twórczą- która zajmuje się tworzeniem nowych odmian; jest to szybki, tani i istotny czynnik zwiększania plonów roślin lub zmniej­szenia nakładów na produkcję roślinną;

-hodowlę zachowawczą- której zadaniem jest utrzymanie stałości cech dziedzicznych, zachowanie genotypów istniejących odmian; brak ho­dowli zachowawczej prowadzi do szybkiego pogorszenia się materiału siewnego i spadku plonów.

Prace hodowlane zdążają do ulepszenia jakiejś grupy cech lub pojedynczej ważnej cechy.

Rozróżniamy 5 kierunków prac hodowlanych:

l)zwiększenie plonów z hektara i polepszenie plonowania,

2)poprawa jakości plonu, a więc wartości technologicznych i użyt­kowych,

3)przystosowanie roślin do warunków środowiska,

4)zwiększenie odporności na choroby i szkodniki,

5)przystosowanie roślin do zmechanizowanych prac agrotechnicznych.

Hodowla wykorzystuje dziedziczną zmienność organizmów wynikającą z mutacji i rekombinacji.

Krzyżowanie jest więc bardzo skuteczną i najczęściej stosowaną metodą zwiększania zmienności genetycznej.

Zmienność w procesie krzyżowania pochodzi z:

-losowego rozchodzenie się chromosomów do gamet,

-zjawiska crossing-over,

-losowego łączenie się gamet.

Rodzaje krzyżowań:

Krzyżowanie proste jest krzyżowaniem 2 komponentów (roślin, linii)

P: AxB

F₁: AB

Materiał genetyczny zawarty w jądrze komórkowym mieszańca pocho­dzi w połowie od matki (A), a w połowie od ojca (B). Natomiast cytoplazma prawie w 100% dziedziczona jest po matce. Jeżeli więc krzyżowane formy różnią się zawartymi w cytoplazmie istotnymi czynnikami dziedzicznymi, to efekt krzyżowania prostego może być zupełnie różny, zależnie od tego, która z nich jest formą mateczną.

Chcąc skrzyżować dwie homozygoty - dominującą i recesywną, ze względów technicznych na formę mateczną lepiej wybrać homozygotę recesywną. Potomstwo powstałe w wyniku krzyżowania będzie wówczas różne fenotypowo od matki. Hodowca może mieć pewność, że nie jest ono efektem samozapylenia formy matecznej.

czerwone białe

P: CC x cc

F₁: Cc-czerwone

Krzyżowanie złożone jest to wielokrotne krzyżowanie tych samych lub różnych komponentów. Rozróżniamy krzyżowanie wypierające, dopeł­niające, zbieżne, zbieżnodopełniające, wielokierunkowe.

Krzyżowanie wypierające-wielokrotne krzyżowanie potom­stwa z jedną z form rodzicielskich (B) ma na celu wyparcie niekorzystnych cech formy drugiej (A), a pozostawienie jedynie niektórych korzystnych genów formy wypieranej. Dzięki tej metodzie krzyżowania można wprowadzić pewne geny bez zmiany zasadniczego genotypu lub połączyć cytoplazmę jednego komponentu z genami drugiego. Krzyżowanie wypierające bywa stosowane np. w hodowli odpornościowej oraz przy wprowadzaniu cytoplazmatycznej męskiej niepłodności.

Krzyżowanie dopełniające (wielokrotne) jest to wielo­krotne krzyżowanie każdorazowo z nowym partnerem. Ma ono na celu skumulowanie korzystnych cech z wielu różnych genotypów. Potomstwo większość materiału genetycznego dziedziczy po ostatnio krzyżowanej formie (50%D, 25%C, 12,5% B i A).

P: AxB

F₁: AB

AbxC

F₂: ABC

ABCxD

F₃: ABCD

Krzyżowanie zbieżne - ten sam cel (skumulowanie wielu korzystnych cech w jednym organizmie) uzyskuje się w znacznie krótszym czasie dzięki równoległym prowadzeniu kilku krzyżowań. Mieszaniec charakteryzuje się równym udziałem genotypów wszystkich krzyżowanych form.

P: AxB CxD ExF GxH

F₁: AB x CD x EF x GH

F₂: ABCD x EFGH

F₃: ABCDEFGH

Krzyżowanie zbieżno-dopełniające jest połączeniem krzyżowania zbieżnego i dopełniającego. Otrzymane rośliny wykazują przewagę cech jednej z form (A- 50%) wzbogaconych genami pozostałych.

P: AxB AxC AxD AxE

F₁: AB x AC x AD x AE

F₂: AABC x AADE

F₃: AAABCDE

Krzyżowanie wielokierunkowe -mając 4 rośliny A, B, C, D, krzyżujemy każdą z każdą: A x B, A x C, A x D, B x C, B x D i C x D, aby znaleźć kombinację najlepszych partnerów do krzyżowania.

Technika krzyżowania

Ze względu na stopień kontroli zapylenia wyróżniamy następujące typy krzyżowań:

-w pełni kontrolowane, kiedy znamy obie formy rodzicielskie, sztuczne zapylenie;

-częściowo kontrolowane, gdy znamy tylko jedną formę (mateczną), zapylenie swobodne jedną z wielu form ojcowskich;

-swobodne, kiedy nie znamy żadnej z form rodzicielskich, wiele form krzyżuje się swobodnie (panmiktycznie).

Krzyżowanie to składa się z następujących czynności:

1)przygotowania pojedynczych kwiatów lub kwiatostanów do krzyżo­wania,

2)kastrowania kwiatów matecznych,

3)izolowania wykastrowanych kwiatów lub kwiatostanów,

4)zapylenia kwiatów,

5)pielęgnowania zapylonych kwiatów.

ad1) Polega na wyborze kwiatów, które powinny najlepiej owocować:

-u zbóż - kwiaty niżej położone w kłosku, natomiast w obrębie kłosa- kłoski położone w środkowej jego części,

-u strączkowych - kwiaty położone w dolnej lub środkowej części grona, górne źle zawiązują owoce i nasiona,

-podobnie u ziemniaków i pomidorów,

-u złożonych (np. słonecznik) - kwiaty leżące przy brzegu koszy­czka, pozostałe kwiaty usuwa się.

Następnie usuwa się części kwiatu, które mogą utrudniać kastrowanie i zapylenie (płatki korony, ości u zbóż).

Jeżeli pory kwitnienia komponentów są różne, należy je regulować przez przetrzymywanie w niższej lub wyższej temperaturze, przy­ciemnianie lub doświetlanie itp.

ad2) Kastrowanie polega na starannym usuwaniu w odpowiednim czasie pręcików z kwiatów obupłciowych. Termin kastrowania zależy od gatunku i jego biologii zapylenia. Na przykład jęczmień jary i owies kastruje się bardzo wcześnie - kłosy w pochwach liściowych. Żyto i pszenicę kastruje się kilka dni po wykłoszeniu. Rzepak, ziemniaki, motylkowate kastruje się kilkakrotnie w fazie pąka w różnym stadium rozwoju.

Niekiedy stosuje się kastrację chemiczną za pomocą preparatów hamujących rozwój pylników lub ziaren pyłku.

ad3) Wykastrowane kwiaty muszą być izolowane. Izolatory są wykonane z papieru pergaminowego, tkaniny lub celofanu. Opatruje się je etykietą z nazwą rośliny i datą kastracji. Izolator może obejmować jeden kwiat, kwiatostan, roślinę lub grupę roślin (burak).

ad4) Zapylanie przeprowadza się w momencie, gdy znamię słupka jest zdolne do przyjęcia pyłku, np. u zbóż 2-3 dni po kastrowaniu, u ziem­niaka bezpośrednio po kastrowaniu i jeszcze raz po 1-2 dniach, najlepiej kilkakrotnie. Pyłek nanosi się bezpośrednio z kwiatu ojcowskiego lub pośrednio (za pomocą bagietki, pędzelka itp.).

U zbóż często 2 kłosy: mateczny i ojcowski umieszcza się pod jednym izolatorem.

U roślin owadopylnych pod izolator wpuszcza się owady.

Uwaga: Izolator trzeba podpisać!

ad5) Należy chronić kwiaty przed przypadkowym późniejszym zapyleniem poprzez przetrzymanie izolatorów na roślinach. Później dojrzewające owoce i nasiona chroni się przed zjedzeniem przez ptactwo.

Rodzaje selekcji

Selekcja polega ona na ukierunkowanym wyborze osobników z określonej populacji wyjściowej. Konsekwencją wyboru jest zawężanie zmienności populacji. Selekcja może być stosowana sama lub w połączeniu z innymi metodami.

W przyrodzie zachodzi selekcja naturalna, polegająca na tym, że pew­ne genotypy pozostawiają po sobie więcej potomstwa niż inne. W jej wyniku przeżywają i rozmnażają się osobniki lepiej przystosowane do istniejących warunków środowiska. Selekcja naturalna nie zmierza do żadnego określonego celu.

Selekcja sztuczna jest najstarszą metodą hodowlaną, stosowaną przez człowieka od zarania dziejów. Jest procesem celowym, prowadzi do zmian w genetycznej strukturze populacji. Hodowca zapobiega rozmnażaniu niepożądanych osobników w populacji, zmniejszając częstotliwość ich pojawiania się, bądź doprowadza do całkowitego ich wyeliminowania w następnych pokoleniach. Jednocześnie wybiera i rozmnaża osobniki charakteryzujące się cechami korzystnymi. Selekcja sztuczna może być oparta na informacji:

-genetycznej - oceniamy rośliny na podstawie potomstwa,

-fenotypowej - oceniamy fenotypy.

W przeciwieństwie do selekcji naturalnej, selekcja sztuczna jest pod­porządkowana jakiemuś określonemu celowi (np. zwiększeniu plonu z rośliny, skróceniu źdźbła).

Wyróżniamy:

-selekcję pozytywną polegającą na wyborze z populacji osobników o cechach korzystnych (pojedynków o pożądanym genotypie); w dalszych etapach, selekcji pozytywnej poddaje się wyodrębnione linie (potomstwo pojedynków roślin samopylnych), rody (potomstwo pojedynków roślin obcopylnych) lub klony (potomstwo pojedynków rozmnażanych wegetatywnie);

-selekcję negatywną, której zasadą jest odrzucenie osobników o cechach niepożądanych (pojedynków o niepożądanym genotypie); stosuje się ją często w nasiennictwie, np. w produkcji kwalifikowanych sadzeniaków - usuwanie roślin nietypowych, zdeformowanych, porażonych przez choroby.

W zależności od rozkładu częstotliwości cech w potomstwie wyróżniamy selekcję kierunkową, rozdzielczą i zachowawczą.

Selekcja kierunkowa zmierza do wzmocnienia lub osłabienia w popu­lacji określonych cech. Efektem tej selekcji jest wzrost lub spadek średniej wartości cechy (np. zwiększenie plonu, skrócenie źdźbła), a równocześnie zawężenie zakresu zmienności osobników.

Selekcja rozdzielcza ma miejsce wtedy, gdy materiał wyjściowy selekcjonuje się w kilku kierunkach. W jej wyniku można uzyskać dwie osobne populacje różniące się wielkością cechy selekcjonowanej (np. wczesnością dojrzewania).

Selekcja zachowawcza (utrwalająca) polega na wyborze osobników o typowej, średniej wartości cechy. Selekcja ta powoduje wyrównanie cech morfologicznych, fizjologicznych i innych. Jednocześnie zawęża zmienność w obrębie populacji, co może być niekiedy zjawiskiem niekorzystnym (osłabia wartość przystosowawczą). Znajduje zastosowanie w hodowli zachowawczej.

Wyróżniamy również selekcję ciągłą - wykonywaną systematycznie przez wiele pokoleń, i selekcję cykliczną - wykonywaną tylko w niektó­rych pokoleniach.

W pracy hodowlanej stosowane są 3 metody selekcji: masowa, grupowa i indywidualna.

Selekcja masowa jest to najstarsza i najprostsza metoda hodowlana. Polega na tym, że z populacji z pola hodowlanego wybiera się osobniki najlepiej odpowiadające celowi hodowli. Ich liczba wynosi od 100 do kilku tysięcy, aby zapewnić odpowiednią bazę genetyczną. Nasiona z wybranych roślin zbieramy, wysiewamy razem. W następnych latach selekcję można powtórzyć - wówczas uzyskuje się lepsze wyniki (selekcja masowa cykliczna). Stosowana jest do uszlachetniania odmian prymitywnych (populacji mieszańcowych); jest łatwa i tania. Tą drogą w XIX wieku powstały odmiany zbóż i innych roślin uprawnych (buraki cukrowe). Wadą tej metody są trudności w ocenie wartości roślin, gdyż oceniamy je na podstawie cech fenotypowych, nie znając ich wartości genetycznej.

Selekcja grupowa - wyselekcjonowane rośliny zalicza się do określonych grup na podstawie podobieństwa fenotypowego (wartości użytkowe i rolnicze). Grupy roślin wysiewa się oddzielnie, zachowując izolację przestrzenną. Zapylenie zachodzi między osobnikami wykazującymi podobieństwo fenotypowe, a więc w pewnym stopniu genotypowe.

Selekcja indywidualna, pierwszy raz zastosowana w latach 50. XIX wieku przez H. Vilmorina we Francji, spowodowała duży postęp w hodowli roślin. Polega na wyborze pojedynczych roślin, ich ocenie oraz wysiewie nasion z każdej z nich na osobnym poletku (traktowanie indywidualne). Oceniamy więc nie tylko wartość pojedynka, ale i jego potomstwa, a więc genotyp selekcjonowanych roślin.

Sukces hodowlany zależy więc od właściwego doboru:

-komponentów do krzyżowania,

-metody krzyżowania,

-metody selekcji.

Wynikiem i oceną właściwego doboru metod selekcji jest postęp ho­dowlany.

Postęp hodowlany jest to stopień zwiększenia średniej wartości cechy selekcjonowanej w każdym następnym pokoleniu. Jest on tym większy im większa jest średnia wartość cechy w wyselekcjonowanej populacji w sto­sunku do populacji wyjściowej.

Program hodowli roślin samopłodnych i obcopłodnych rozmnażanych wegetatywnie

Założeniem programu jest wyhodowanie nowej odmiany. Proces wyhodowania nowej odmiany trwa długo. Jak dotychczas, zależnie od gatunku rośliny uprawnej, od 9 do 12 lat, a nawet dłużej. Program hodowlany określa sposób postępowania hodowcy począwszy od doboru komponentów rodzicielskich do uzyskania odmiany. Program hodowlany ma ściśle określone cele, obejmujące:

-założenia celu hodowli, który na ogół dotyczy plonu i jego jakości lub innej istotnej cechy odmiany;

-ukształtowanie optymalnego modelu rośliny, fenotypu (ideotypu);

-zasady doboru materiału wyjściowego;

-schemat krzyżowania i rozmnażania pokoleń mieszańcowych;

-zasady selekcji i kryteria selekcji (plon, jakość).

Genetyczne podstawy programów hodowlanych

Rośliny uprawne, w odniesieniu do systemu kojarzenia, dzielimy na samopłodne (pozbawione niepożądanych genów recesywnych, dobrze znoszące chów wsobny) i obcopłodne (obarczone szkodliwymi allelami recesywnymi w stanie heterozygotycznym, przy samozapyleniu źle znoszą chów wsobny). System kojarzenia jest jednym z najważniejszych różnicowań roślin uprawnych, ponieważ ma wpływ na strukturę genetyczną populacji.

Struktura genetyczna roślin samopłodnych zależy w dużym stopniu od liczby pokoleń, w ciągu których populacja była rozmnażana przez samozapylenie. W każdym następnym pokoleniu zwiększa się procent osobników homozygotycznych, a zmniejsza heterozygotycznych. Populacja zbliża się do homozygotyczności, ulega ustaleniu i składa się z czystych linii wsobnych.

U roślin obcopłodnych heterozygotyczność utrzymuje się na stałym pozio­mie w każdym pokoleniu Liczba heterozygot nie ulega tak szybkiemu zmniejszeniu.

Ponadto w przypadku niestosowania selekcji stosunek homozygot do heterozygot nie będzie ulegał zmianom z pokolenia na pokolenie. Wynika to z prawa Hardy'ego-Weinberga dotyczącego równowagi populacji. Przez zastosowanie selekcji zmieniamy genetyczną strukturę populacji, zmieniając w pożądanym kierunku częstotliwość genów i genotypów.

Typy populacji roślin uprawnych

Uwzględniając fakt odmiennych struktur genetycznych populacji roślin samopłodnych i obcopłodnych, hodowca w wyniku krzyżowania i selekcji tworzy 4 typy populacji, według których hoduje się odmiany:

-czystej linii wsobnej - CL W,

-panmiktycznej populacji obcopłodnej - PPO,

-populacji mieszańcowej - HYB,

-wegetatywnie rozmnażanego klonu - KLO.

Rośliny samopłodne hoduje się jako czyste linie wsobne. Rośliny obco­płodne hoduje się jako:

-panmiktyczne populacje obcopłodne,

-mieszańce heterozyjne,

-klony wegetatywnie rozmnażane z generatywnego rozmnożenia mieszańca F_l.

Schemat hodowli roślin samopłodnych według typu populacji CLW

Rośliny samopłodne to: pszenica, jęczmień, owies, ryż, proso, soja, groch, łubin biały. Podstawą plenności roślin samopłodnych jest homozygotyczność.

Hodowla polega na wyodrębnieniu nowych homozygotycznych linii transgresywnych, przewyższających pod względem danej cechy (plenności, jakości) formy rodzicielskie.

Program hodowlany roślin samopłodnych, jako czyste linie wsobne, rozpoczyna się od skrzyżowania, odpowiednio dobranych zgodnie z celem hodowli, dwu odrębnych, homozygotycznych, komplementarnych, czystych linii wsobnych. Uzyskane pokolenie mieszańcowe F₁ jest genotypowo jednorodne - heterozygotyczne. W wyniku samozapylenia roślin pokolenia F₁ potomstwo pokolenia F₂ jest zróżnicowane, niejednorodne i w wysokim stopniu heterozygotyczne. Z pokolenia F₂ i dalszych (zależnie od przyjętej metody hodowli roślin samopłodnych) dokonuje się wyboru najlepszych pojedynczych roślin (pojedynków) o cechach, które hodowca chciałby widzieć w nowej odmianie, i rozmnaża się liniami.

W następnych pokoleniach ma miejsce selekcja pojedynków w potom­stwie linii o zwiększającej się homozygotyczności. Jeśli rośliny w obrębie potomstwa jednego pojedynka (linii) są jednakowe (nie rozszczepiają się) pod względem cech morfologicznych, łączy się je i traktuje jako linię ustaloną genetycznie. We wczesnych pokoleniach prowadzi się selekcję między liniami na podstawie cech ocenianych wizualnie i o stosunkowo wysokiej odziedziczalności (pokrój rośliny, jednorodność potomstwa ­wyrównanie morfologiczne, odporność na choroby).

Następuje dalsza selekcja między genetycznie ustalonymi, zróżnicowanymi, transgresywnymi, liniami na podstawie doświadczeń porów­nawczych i wybór najlepszych linii pod względem plonowania i innych cech. Odmianą jest populacja homogenna, homozygotyczna, składająca się z jednej lub kilku linii transgresywnych, wyselekcjonowanych z pokolenia F₂ i dalszych.

U gatunków samopłodnych, hodowanych jako czyste linie wsobne (CL W), mogą być stosowane następujące metody hodowli:

-rodowodowa- najczęściej stosowana,

-populacji mieszanych (ramszów - metoda Svalofska).

O wyborze metody hodowlanej decyduje skuteczność selekcji.

Metoda rodowodowa, najczęściej stosowana- w tej metodzie selekcja rozpoczyna się wcześnie od pokolenia F₂.

W pokoleniu F₂ dokonuje się wyboru pojedynczych roślin (pojedynków) fenotypowo najlepszych (ocena wizualna). Następnie, po wstępnej ocenie pojedynków pod względem cechy liczby i masy ziaren z kłosa czy z rośliny i masy tysiąca ziaren i innych cech, wybiera się znów najlepsze pojedynki i potomstwo tych pojedynków rozmnaża się oddzielnie w liniach (w rządku). W pokoleniu F₃ potomstwo roślin w liniach mimo wzrostu homozygotyczności jest jeszcze heterozygotyczne - rozszczepia się. Nieraz całe linie trzeba wyeliminować. Z najlepszych linii o zwiększającej się homozygotyczności wybiera się najlepsze pojedynki, których nasiona po ocenie cech struktury plonu i innych cech poddaje się selekcji. Najlepsze potomstwa wysiewa się ponownie celem uzyskania pokolenia F₄. W następnym pokoleniu kontynuuje się wybór pojedynków dopóty, dopóki potomstwo jednego pojedynka z poprzedniego pokolenia w wyniku wzrostu homozygotyczności nie stanie się jednorodne, czyli wyrównane pod względem cech morfologicznych. Trwa to najczęściej do pokolenia F₇ , przy czym następuje selekcja - eliminacja linii słabych ze względu na niekorzystne cechy struktury plonu i cechy użytkowe takie, jak słaba odporność na niekorzystne czynniki abiotyczne i biotyczne (zimotrwałość, wyleganie, choroby i szkodniki). W pokoleniu F₇ stopień homozygotyczności jest z reguły na tyle wysoki, że linie te można rozmnażać i porównywać w doświadczeniu porównawczym oraz selekcjonować na podstawie plenności. Na podstawie wyników doświadczeń porównawczych, w których stosowany jest wzorzec oraz odmiana standardowa z pokoleń: F₈, F₉, F₁₀, dokonuje się wyboru najlepszych linii. Linie te mogą być materiałem matecznym nowej odmiany.

Metoda rodowodowa to seria notowań wskazujących pochodzenie i sto­sunki pokrewieństwa między liniami. Pozwala na pozostawienie po jednej linii z grupy linii blisko spokrewnionych, usunięcie pozostałych i nieprze­prowadzenie między nimi selekcji.

Zalety i wady metody rodowodowej:

-zalety

duże ograniczenie linii, bo wcześnie rozpoczyna się selekcję (F₃), znane pochodzenie (rodowód każdej linii), skuteczna dla cech o wysokiej odziedziczalności, szybka metoda otrzymania odmiany;

-wady

duża heterozygotyczność selekcjonowanego potomstwa powoduje, że wybieramy pojedynki o większym wigorze (heterozygoty), które się rozszczepiają i wydłuża się proces homozygotyzacji linii i błęd­nej oceny wartości pojedynka, mało skuteczna dla cech o niskiej odziedziczalności.

Metoda populacji mieszanych (ramszów - metoda Svalofska) - w tej metodzie selekcję rozpoczyna się z opóźnieniem, dopiero od pokolenia F₆.

Materiałem wyjściowym jest potomstwo uzyskane ze skrzyżowania dwóch linii. Rośliny pokolenia F₁ zbiera się razem i wysiewa ich nasiona na poletkach jako tzw. ramsz. Ramsz jest to populacja pochodząca z jednego krzyżowania, a zawierająca rozszczepiające się w potomstwie osobniki, populacja składa się z różnych fenotypowo roślin. Do pokolenia F₅ nasiona roślin wysiewa się w ramszu i pozostawia do samozapylenia.

Przez sześć lat nie prowadzi się selekcji sztucznej, wysiewając jedynie nasiona roślin na coraz to większych poletkach. Przez te lata w populacji mieszańcowej maleje udział heterozygot, natomiast wzrasta udział osobników homozygotycznych. Równocześnie działa na rośliny selekcja naturalna, eliminując osobniki (genotypy) nieprzystosowane do warunków glebowo-klimatycmych. Kierunek selekcji musi być zgodny z zamierzeniami hodowcy, jeżeli dotyczy np. zimotrwałości czy wytrzymałości na suszę, zaso­lenie, albo może być niekorzystny, faworyzując np. rośliny o drobniejszych nasionach. Dzięki selekcji naturalnej w pokoleniu F₆ otrzymujemy rośliny dobrze zaadoptowane - przystosowane do miejscowych warunków.

Rośliny pokolenia F₆ wysiewa się punktowo i rozpoczyna się selekcję pojedynków. Wybrane pojedynki z pokolenia F₆ ocenia się pod względem cech struktury plonu i na tej podstawie przeprowadza się selekcję pojedynków. Potomstwo wybranych najlepszych pojedynków z pokolenia F₆ wysiewa się w liniach.

Linie pokolenia F₇ ocenia się bardzo starannie pod względem wyrów­nania i cech struktury plonu i przeprowadza się ostrą selekcję.

Przez następne trzy lata prowadzone są doświadczenia porównawcze z najlepszym i liniami, służące do dokładnego porównania plenności poszczególnych linii, i eliminacja linii słabiej plonujących. Najlepsze linie są podstawą do uzyskania materiału matecznego nowej odmiany.

Zalety i wady metody populacji mieszanych:

-zalety

wysoka homozygotyczność linii ułatwia selekcję (brak rozszczepień), zwiększona adaptacja linii na stresogenne czynniki środowiska (se­lekcja naturalna), tańsza metoda hodowlana;

-wady

selekcja linii bez rodowodów (najlepsze linie mogą być spokrew­nione ), konieczność prowadzenia dużej liczby linii (pracochłonne ), eliminacja cennych, rzadkich genotypów podatnych na czynniki śro­dowiska (selekcja naturalna).

Metody hodowli roślin rozmnażanych wegetatywnie według typu populacji KLO, na przykładzie ziemniaka

Metoda hodowli ziemniaka wynika z biologii i genetyki tego gatunku. ziem­niak jest naturalnym autotetraploidem 2n = 4x = 48, jest rośliną obcopłodną, źle znoszącą chów wsobny, rośliny są w wysokim stopniu heterozy­gotyczne, heterozygotyczność jest utrwalana przez rozmnażanie wegetatywne. Rozmnażany jest przez klonowanie. Potomstwo otrzymane w wyniku wegetatywnego rozmnażania jednego osobnika roślinnego nazywamy klonem. Wszystkie rośliny w obrębie klonu są genetycznie jednorodne i nie obserwuje się zmienności, chyba że wystąpi mutacja.

W hodowli ziemniaka zmienność genetyczna znajduje się w pokoleniu F₁ mieszańców otrzymanych ze skrzyżowania heterozygotycznych rodzicielskich klonów, a także z tetrasomicznego sposobu dziedziczenia charakterystycznego dla autotetraploidów. Z wegetatywnym rozmnażaniem zawsze jest związana podatność klonów na choroby i przenoszenie chorób przez klony. Dotyczy to zwłaszcza chorób wirusowych, rośliny często ulegają wyradzaniu. Dlatego też, co jakiś czas, odmiana wyhodowana musi być odwirusowana metodą kultur tkanek merystematycznych in vitro.

Formy rodzicielskie użyte do krzyżowania muszą być o pożądanych cechach i muszą być wcześniej wyprowadzone, przez syntezę materiałów wyjściowych.

Jest to hodowla prosta, ale ocena plonu i wrażliwość roślin na choroby i szkodniki wydłuża cykl hodowlany.

Hodowla rozpoczyna się od krzyżowania heterozygotycznych klonów rodzicielskich. Otrzymane nasiona wysiewa się celem uzyskania pokolenia F₁.

Pokolenie F₁ jest zróżnicowane genetycznie, wysoce heterozygotyczne, praktycznie każdy osobnik jest innym odrębnym genotypem. Siewki wybrane z segregującej populacji pokolenia F₁ dają początek klonom ocenianym w następnych pokoleniach. Na podstawie ostrej selekcji wy­odrębnia się jeden lub kilka najlepszych klonów jako potencjalne odmiany.

Odmianą jest jeden klon, wysoce heterozygotyczny, genetycznie jedno­rodny, wyodrębniony z kolejnych wegetatywnych rozmnożeń segreganta pokolenia F₁.

Selekcja indywidualna z oceną potomstwa jako metoda hodowli odmian ziemniaka

Materiał wyjściowy do selekcji stanowią siewki generatywnego pokolenia F₁ uzyskane z nasion powstałych ze skrzyżowanych heterozygotycznych klonów.

Siewki otrzymane z nasion pokolenia F₁ wysadza się pojedynczo do doniczek. Selekcję siewek prowadzi się po wytworzeniu bulw. Odrzuca się siewki o złym kształcie bulw, zbyt długich stolonach. Wytworzone przez siewki bulwy reprezentują odrębne genotypy. Większość siewek jest przez hodowcę eliminowana. Bulwy wytworzone przez siewki zakwalifikowane (wyselekcjonowane) do dalszej hodowli są rozmnażane w polu jako klony w ramszu.

Ramsz stanowi łączne wegetatywne rozmnożenie 1 lub 3 bulw z każdej wyselekcjonowanej siewki, czyli 1 lub 3 krzaki. Kopiemy jesienią na "odkryto". Selekcja klonów dokonywana jest na podstawie cech bulw, zdrowotności i ich wigoru.

W następnym roku hodowlanym, po ostrej selekcji klonów w ramszu, prowadzimy linie siewkowe. Linie siewkowe to osobniki powstałe z rozmnożenia bulw pojedynczych roślin wybranych z ramszu. Następnie porównuje się linie siewkowe z odmianą wzorcową; linie siewkowe ocenia się na podstawie cech bulw, zdrowotności i wczesności. Najlepsze wyselekcjonowane potomstwo linii siewkowej stanowi ród.

Rody są to klony następnych pokoleń wegetatywnych. W następnych sprawdza się wartość użytkową rodów (klonów) w doświadczeniach porównawczych, prowadzi się badania odpornościowe, rozmnażanie rodów oraz dokonuje się selekcji. Wśród wyróżniających się w doświadczeniach porównawczych rodów wyodrębnia się najlepszy pod względem cech bulw, jakości, plenności i zdrowotności, który może stać się potencjalną odmianą.

Program hodowli roślin obcopłodnych

Właściwości panmiktycznej populacji roślin obcopłodnych

Panmiktyczne populacje roślin obcopłodnych (PPO) cechuje:

-heterozygotyczność roślin i duże zróżnicowanie genetyczne wynikające ze swobodnego nie kontrolowanego zapylenia;

-heterozygoty często są obarczone niepożądanymi recesywnymi allelami genów;

-stan równowagi utrzymywany w każdym kolejnym pokoleniu na skutek tworzenia się nowych rekombinacji przy stałych frekwencjach genów dominujących i recesywnych;

-częsta samoniezgodność warunkowana działaniem genów samoniezgod­noś ci;

-depresja wsobna przy rozmnażaniu w pokrewieństwie powodowana homozygotycznością szkodliwych genów szkodliwych alleli recesywnych czy subletalnych;

-rośliny źle znoszą chów wsobny.

Schemat hodowlany według typu populacji PPO

Rośliny obcopłodne to: żyto, kukurydza, lucerna. Podstawą plenności roślin obcopłodnych jest heterozygotyczność i musi być ona zachowana w cyklu hodowlanym albo przywrócona koniecznie w jego końcowej fazie.

Hodowla PPO polega na doskonaleniu populacji poprzez:

-nagromadzenie pożądanych genów w populacji przez zmianę frekwencji genów;

-utrzymanie tego stanu w kierunku pożądanym przez hodowcę.

Doskonalenie PPO dokonuje się w wyniku:

-określonego procesu selekcji,

-kontrolowanego zapylenia.

Formy rodzicielskie użyte do krzyżowania są heterozygotyczne, zróżnicowane genetycznie i tym samym ich potomstwo nie jest jednorodne, co umożliwia selekcję już w pokoleniu F₁.

Z pokolenia F₁ następuje wybór roślin (pojedynków - rodów) o pożądanych cechach fenotypowych i plenności oraz wysiew rodów w oddziel­nych rządkach do swobodnego przepylenia, ale w izolacji.

Ród to potomstwo rośliny obcopłodnej ze swobodnego przepylenia.

Z nowo utworzonej populacji z najlepszych rodów po swobodnym przepyleniu i w izolacji ponowny wybór najlepszych pojedynków - rodów o pożądanych cechach i wysiew. Cykl taki powtarza się przez parę lat. Najlepsze wyselekcjonowane rody z kontrolowanego swobodnego przepylenia łączy się razem do wysiewu i panmiktycznego przepylenia w izolacji. Powstaje nowo utworzona populacja o zmienionej frekwencji genów w kie­runku pożądanym przez hodowcę i ona stanowi odmianę.

Odmianą jest:

-panmiktyczna populacja obcopłodna, heterogenna, heterozygotyczna, utworzona przez zmianę frekwencji genów w wyniku selekcji i kontro­lowanego przepylenia;

-odmiana syntetyczna, panmiktyczna populacja obcopłodna, heterogen­na, heterozygotyczna (o innym sposobie selekcji materiałów wyjściowych do swobodnego przepylenia i tworzenia odmiany).

Metody hodowli roślin obcopłodnych według typu populacji PPO

Metody hodowli odmian o typie populacji PPO są zróżnicowane ze względu na odmienne systemy kojarzenia i systemy genetyczne. W hodowli PPO dogodnie jest wyróżnić 2 metody:

-hodowli odmian populacyjnych - przez doskonalenie populacji panmiktycznej,

-hodowli odmian syntetycznych.

Metoda hodowli odmian populacyjnych obejmuje selekcję masową, selekcję indywidualną przy zastosowaniu oceny potomstwa (SI), meto­dę rezerw i metodę krzyżowania par .

Selekcja masowa jest to najprostsza i najstarsza metoda ulepszania genotypów w populacji. Polega na wyborze określonych genotypów z hetero­zygotycznej populacji wyjściowej, reprodukcji wybranych genotypów w obrę­bie populacji i ocenie reprodukowanej populacji w doświadczeniu porów­nawczym z wzorcem i populacją wyjściową.

Selekcję masową przeprowadza się przez kilka lat z rzędu dopóty, dopóki daje korzystne wyniki. Rozmnażanie selekcjonowanej populacji musi być kontrolowane, należy zachować izolację przestrzenną. Konsekwencją takiego postępowania jest większy udział lepszych genoty­pów w populacji selekcjonowanej niż w populacji wyjściowej dzięki zmianie frekwencji genów i genotypów dokonanej przez hodowcę.

Skuteczność selekcji masowej jako metody hodowlanej zależy od:

-odziedziczalności selekcjonowanej cechy w populacji; selekcja jest skuteczna w przypadku cech wysoce odziedziczalnych warunkowanych małą liczbą genów (cech monogenicznych); wpływ środowiska na ekspresję cech warunkowanych genami głównymi jest niewielki lub nie występuje, wyróżnienie segreganta jest jednoznaczne;

-czasu ujawnienia się selekcjonowanej cechy (przed okresem kwitnienia czy po nim) i sukces będzie zależał od stopnia kierowania zapyleniem; wybierając roślinę z populacji obcopłodnej, wiemy, kim jest forma mateczna, natomiast nic nie wiemy o formie ojcowskiej; jeżeli cecha ujawnia się przed kwitnieniem, można kontrolować zapylenie, usuwając niepożądane rośliny; jeżeli po kwitnieniu - oceniamy cechy; ulepszanie cech będzie wolniejsze, bo zmiany genetyczne zachodzą powoli, gdyż nie znamy ojców;

-genetycznego mechanizmu przekazywania cechy; jeżeli cecha selekcjonowana warunkowana jest przez geny dominujące, ulepszanie cechy jest znacznie wolniejsze niż przez geny recesywne, gdyż krzyżują się ze sobą zarówno homozygoty dominujące, jak i heterozygoty.

Selekcja masowa jest mało skuteczna dla cech o niskim współczynniku odziedziczalności warunkowanych większą liczbą genów - cech polige­nicznych, które w dużym stopniu są silnie modyfikowane przez środowisko. Na przykład selekcja w kierunku plonu, który stanowi dominujący element większości programów hodowlanych, jest mało skuteczna, gdyż istnieje:

-niemożliwość zidentyfikowania najlepszych genotypów na podstawie fenotypów pojedynczych roślin;

-niekontrolowane zapylenie roślin zarówno o cechach pożądanych, jak i cechach niekorzystnych;

-zawężenie populacji na skutek presji selekcyjnej, co prowadzi do wso­bności.

Selekcja masowa najczęściej stosowana jest do ulepszania odmian miej­scowych i gatunków niedawno udomowionych.

Selekcja indywidualna z oceną potomstwa daje dobrą ocenę wybranej rośliny (pojedynka), ponieważ ocena pojedynka polega na ocenie wartości jego potomstwa. Kryterium selekcji nie jest fenotyp, ale konkretna wartość potomstwa pod względem pożądanej cechy. Z populacji heterozygotycznej wybiera się najlepsze pojedynki i nasiona każdego z nich wysiewa się oddzielnie w doświadczeniu porównawczym (mikrodoświadczeniach) do oceny ich potomstwa, zachowując swobodne przepylenie w izolacji przestrzennej. W następnym roku z najlepszych rodów wybiera się znowu pojedynki do wysiewu i oceny potomstwa w doświadczeniu porów­nawczym, stosując swobodne przepylenie i izolację przestrzenną. Po kilku latach takiej selekcji z najlepszych rodów wybiera się najlepsze pojedynki, nasiona ich łączy się razem i rozmnaża w swobodnym przepyleniu i w izo­lacji przestrzennej. Uzyskane nasiona z rozmnażania potomstwa najlep­szych rodów w swobodnym przepyleniu i izolacji przestrzennej mogą być materiałem matecznym nowej odmiany. Rody pochodzą z przekrzyżowania najlepszych roślin (pojedynków), które ocenia się pod względem plenności i innych cech. Ponieważ przepylają się najlepsze pojedynki, to pyłek pochodzi od roślin o pożądanym genotypie. Jest to tak zwana selekcja na podstawie genotypu rośliny matecznej - selekcja po linii matecznej.

Duże znaczenie dla skuteczności tego rodzaju selekcji ma sposób dziedziczenia cech (dominująca czy recesywna) oraz czas ujawniania się cechy (przed czy po okresie kwitnienia). Jeżeli pożądana cecha jest recesywna i ujawnia się przed kwitnieniem, wówczas wystarcza jednorazowa selekcja, natomiast gdy selekcjonowana cecha jest dominująca i ujawnia się po okre­sie kwitnienia, ulepszanie cechy jest wolniejsze.

Intensywna selekcja rodów może prowadzić do wzrostu wsobności i wystąpienia depresji wsobnej.

U roślin obcopłodnych selekcja indywidualna może być utożsamiana z selekcją masową, gdy cecha dziedziczy się dominująco i ujawnia się po okresie kwitnienia.

Metoda rezerw (metoda Ohio) stosowana jest dla gatunków, u których ważne cechy użytkowe mogą być oceniane dopiero po okresie kwitnienia roślin i które źle znoszą chów wsobny (np. żyto). Istotą metody rezerw jest ocena wartości genotypowej potomstwa pojedynczych roślin (pojedynka), czyli rodów, poprzez kontrolowane zapylenie za pomocą izolacji czasowej. Kontrolowane zapylenie osiąga się przez usuwanie rodów o niedostatecznej wartości użytkowej z dalszej hodowli. Nie dochodzi do przekrzyżowania się rodów dobrych - pożądanych, z gorszymi - niepożądanymi. Izolacja czasowa to kierowanie zapyleniem przez wysiew nasion co drugi rok. Nasiona pojedynczych roślin dzieli się na połowy, jedna połowa przeznaczona jest do wysiewu do oceny wartości pojedynka w doświadczeniu porównawczym, a druga połowa przechowywana jest przez cały rok w magazynie jako rezerwa (do wysiewu). W następnym roku do siewu przeznacza się nasiona tych pojedynków, które wypadły najlepiej w ocenie, sięgając po nie do rezerwy.

W pierwszym roku cyklu hodowlanego na poletkach selekcyjnych wysiewa się punktowo nasiona uzyskane z przekrzyżowania dwóch lub większej liczby odmian lub rodów. Przed kwitnieniem przeprowadza się selekcję negatywną, usuwając rośliny najsłabsze. Wybór pojedynków z po­la selekcyjnego następuje na podstawie fenotypu. Po zbiorze i ocenie wybiera się rośliny o pożądanych cechach i ich nasiona dzieli się na pół ­jedna połowa przechowywana jest jako rezerwa, druga połowa przeznaczona jest do wysiewu.

W drugim roku, w celu oceny wartości potomstwa pojedynka, zakłada się doświadczenie porównawcze, wysiewając na małych poletkach drugą połowę nasion ze wzorcem co kilka poletek, zachowując swobodne przekrzyżowanie. Na podstawie doświadczenia porównawczego wybiera się najlepsze rody. Nasiona uzyskane ze swobodnego przekrzyżowania przeznacza się na paszę. W trzecim roku na poletkach selekcyjnych następuje wysiew najlepszych rodów z nasion z rezerwy do swobodnego przekrzyżowania. Po ocenie plonu i innych cech poszczególnych rodów wybiera się najlepsze rody, a nasiona każdego rodu dzieli się ponownie na dwie połowy - jedna połowa do magazynu jako rezerwa, a druga połowa przeznaczona jest do wysiewu w doświadczeniu porównawczym i oceny wartości użytkowej rodów, i dalej cykl się powtarza. Po dwóch cyklach takiego postępowania łączy się nasiona z kilku lub kilkudziesięciu najlepszych rodów i wysiewa na materiał mateczny. Również z tych rodów wybiera się pojedynki do kolejnego cyklu hodowlanego.

Odmianą jest populacja roślin swobodnie się przekrzyżowujących utworzona z kilku lub kilkunastu odpowiednio dobranych rodów. Jest to populacja o zwiększonej w stosunku do populacji wyjściowej częstości genów korzystnych.

Metoda rezerw dzięki kontrolowanemu zapyleniu i zapłodnieniu jest bardziej skuteczna niż selekcja indywidualna po linii matecznej (krzyżowanie kontrolowane w małym stopniu).

Metoda krzyżowania par pod wspólnym izolatorem - gdy rośliny są samoniezgodne, można założyć pełne przekrzyżowanie. Dobór par do izolowania odbywa się na podstawie fenotypu. Materiałem wyjściowym do krzyżowania roślin są rośliny mieszańcowe pokolenia F₁ uzyskane ze swobodnego przekrzyżowania odmian lub roślin dobrych rodów wysianych w szkółce izolowanej. Uzyskane z takich par potomstwo wykazuje większe wyrównanie pod względem cech użytkowych wskutek zawężenia składu genetycznego, występuje większe zróżnicowanie między potomstwem par, a tym samym większe możliwości do selekcji. Potomstwo par ocenia się w doświadczeniach porównawczych. Gdy pożądana cecha ujawnia się przed okresem kwitnienia, to usuwa się słabe potomstwo, a najlepsze kombinacje par pozostawia się do swobodnego przekrzyżowania w izolacji. Gdy pożądana cecha ujawnia się po okresie kwitnienia, lepiej jest stosować metodę rezerw. W każdym pokoleniu można tworzyć nowe pary z różnych kombinacji krzyżowania, celem uniknięcia niekorzystnych skutków chowu wsobnego. Po kilku latach następuje wyrównanie plennego potomstwa par. Ostatnim etapem cyklu hodowlanego jest zmieszanie i swobodne przekrzyżowanie potomstwa wybranych par, dzięki czemu nie dopuszcza się do depresji wsobnej, a uzyskane nasiona stanowią materiał mateczny.

Program hodowli odmian mieszańcowych

Zjawisko heterozji

Heterozja to bujność lub wigor mieszańców pierwszego pokolenia F₁. Heterozja może przejawiać się szybszym tempem wzrostu, większym plonem i żywotnością.

Efekt heterozji dotyczy głównie cech ilościowych. Cechy wysoce odziedziczalne rzadziej ujawniają efekt heterozji. Efekt heterozji ogranicza się do pokolenia F₁, w następnych pokoleniach maleje lub zanika.

Utrwalenie heterozji jest możliwe tylko u roślin rozmnażanych wegeta­tywnie. Linie o utrwalonym genotypie podczas krzyżowania jednorazowego dają określony i zawsze powtarzalny efekt heterozji. Efekt heterozji zależy od komponentów rodzicielskich użytych do krzyżowania. Ocenę kompo­nentów rodzicielskich prowadzi się na podstawie określenia wartości kombinacyjnej linii.

Zjawisko heterozji można wykorzystać przy hodowli odmian mieszań­cowych. Hodowla odmian mieszańcowych polega na uzyskaniu efektu heterozji w wyniku krzyżowania odpowiednio dobranych genetycznie odmiennych homozygotycznych linii wsobnych.

Największą trudnością w hodowli odmian mieszańcowych na skalę produkcyjną jest kontrola przepylenia. Formę mateczną należy każdora­zowo kastrować przed okresem kwitnienia, o ile forma mateczna nie jest męskoniepłodna, oraz coroczne odnawiać materiał siewny.

Prawidłowy proces hodowli odmian mieszańcowych, wymaga spełnienia następujących warunków:

l.Materiał wyjściowy do wyprowadzania linii wsobnych jako komponentów rodzicielskich jest heterozygotyczny, genetycznie odle­gły (niespokrewniony), różne odmiany populcyjne, mieszańcowe i inne populacje.

2.Wybór pojedynczych odpowiednich roślin z populacji

wyjściowej, samozapylenie rośliny pod izolatorem. Nasiona uzyskane w wyniku samozapylenia wysiewa się w liniach. Samozapylenie przeprowadza się w kolejnych powtórzeniach wsobnych. Eliminacja linii wykazujących depresję wsobną. Wyodrębnienie licznych linii wsobnych o ustalonych cechach fenotypowych w miarę żywotne i płodne.

3.Selekcja linii na ogólną wartość kombinacyjną w teście topcross - ­krzyżowanie wszystkich linii z jednym zapylaczem, formy mateczne kastrowane albo męskoniepłodne. Ocena potomstw mieszańcowych F₁ w doświadczeniach porównawczych. Wybór linii o największej ogólnej wartości kombinacyjnej wykazujących efekt heterozji (dużą plenność).

4.Selekcja linii o wysokiej ogólnej wartości kombinacyjnej pod względem swoistej wartości kombinacyjnej w teście diallelcross - krzyżowanie każdej linii z każdą, formy mateczne kastrowane albo męskoniepłodne. Ocena potomstwa mieszańcowego F₁ w doświadczeniu porównawczym.

5.Wybór pary linii o największej swoistej wartości kombinacyjnej wykazującej w pokoleniu F₁ największy efekt heterozji - największy plon dla odmiany.

6.Ustalenie składu mieszańca pojedynczego F₁ - formuły mieszańca. Formuła mieszańca określa, która linia, z którą linią i w jakiej kolejności skrzyżowania da największy efekt heterozji.

Odmianą jest mieszaniec pokolenia F₁, populacja homogeniczna, wysoce heterozygotyczna, uzyskana po ocenie ogólnej wartości kombi­nacyjnej i swoistej wartości kombinacyjnej i kontroli przepylenia.

Etapy hodowli odmian mieszańcowych

Hodowla odmian mieszańcowych obejmuje następujące etapy:

1.Wytworzenie licznych homozygotycznych linii wsobnych z populacji wyjściowych

Hodowla linii wsobnych rozpoczyna się od wyboru i samozapylenia za pomocą izolatorów dużej liczby pojedynczych roślin w populacji wyjściowej. Zebrane nasiona z każdej rośliny wysiewa się oddzielnie w jed­nym rządku jako linie. W pierwszym pokoleniu, które zwykle oznacza się literą S₁ lub I₁, rośliny mają obniżoną płodność i plenność wskutek wymuszonego samozapylenia. Rozpoczyna się ostra selekcja w obrębie poszczególnych linii i między liniami oraz powtórne samozapylanie najlepszych roślin z najlepszych linii. Samozapylenie i selekcję powtarza się w kolejnych pokoleniach wsobnych. Kryterium selekcji jest żywotność, wyrównanie morfologiczne i płodność linii. W miarę chowu wsobnego zwiększa się homozygotyczność linii, pogłębia się depresja wsobna, następuje fenotypowa stabilizacja cech. Po 6 latach chowu wsobnego otrzymuje się linie praktycznie homozygotyczne, chociaż nie w pełni. Otrzymanie linii w pełni homozygotycznych w chowie wsobnym jest praktycznie niemożliwe. Jeśli rośliny nie znoszą samozapylenia w ścisłym chowie wsobnym, można stosować chów siostrzany (wzajemne krzyżowanie roślin w obrębie linii), co często stosuje się w ostatniej fazie wypro­wadzania homozygotycznych linii wsobnych.

Do uzyskiwania linii homozygotycznych wykorzystuje się również haploidy po zdwojeniu liczby chromosomów za pomocą kolchicyny.

Haploid to osobnik (roślina) o gametycznej liczbie chromosomów. Są 2 sposoby uzyskiwania haploidów:

-in vivo, w wyniku samozapylenia lub krzyżowania gatunkowego czy międzygatunkowego dość odległego (czasem na różnych poziomach ploidalności), a następnie przez hodowlę in vitro niedojrzałych zarodków; haploidalny zarodek powstaje częściej w wyniku żeńskiej partogenezy przez:

.stymulowanie partenogenetycznego rozwoju komórki jajowej,

.redukcję somatyczną liczby chromosomów jednej z form rodzicielskich z zarodka mieszańcowego z braku synchronizacji podziałów mitotycznych, tzw. metoda bulbosowa - P.:Hordeum vulgare x H. Bulbosum, eliminacja chromosomów H. Bulbosum z kilkudniowego zarodka;

-in vitro, w laboratoryjnych warunkach z:

.kultury pylników lub mikrospor,

.kultury niezapłodnionych zalażków.

Na pożywkach z pojedynczych komórek (gamet) tworzy się kalus wyróżnicujący merystemy. A później całe rośliny o gametycznej liczbie chromosomów.

Selekcję siewek haploidalnych zarówno z in vivo, jak i in vitro przeprowadza się na podstawie rozmiarów wzrostu, kształtu i wielkości blaszek liściowych lub wykorzystuje się geny markerowe zapylacza. Siewki pozbawione cech markerowych (wskaźnikowych) są najprawdopodobniej haploidami. Ostateczną odpowiedzią jest liczenie chromosomów w stożkach wzrostu korzeni zarodkowych siewek. Otrzymywanie linii homozygotycznych z haploidalnych roślin po podwojeniu liczby chromosomów jest szybkie, już w ciągu 2 lat uzyskuje się linie w pełni homozygotyczne w przeciwieństwie do linii wsobnych.

2.Ocena wartości kombinacyjnej linii

Wytworzone i wybrane linie wsobne, żywotne i w zadowalającej plenności podlegają dalszej ocenie pod względem wartości kombinacyjnej warunkującej uzyskanie odpowiednio dużego efektu heterozji maksymalnego plonu. Wartość kombinacyjna to genetycznie uwarunkowana zdolność linii do dawania określonego efektu heterozji wyrażającego się zwiększeniem plenności po skrzyżowaniu. Wartość kombinacyjną linii określa się przez tworzenie mieszańców F₁ i badanie ich plenności w doświadczeniach porównawczych.

Wartość kombinacyjną oceniamy w dwojaki sposób: pod względem ogólnej wartości kombinacyjnej i swoistej wartości kombinacyjnej .

Ogólna wartość kombinacyjna oceniana jest za pomocą testera w teście topcross i jest to ocena linii. Test topcross polega na krzyżowaniu wszystkich ocenianych linii z jednym zapylaczem - testerem, w celu określenia wartości kombinacyjnej pojedynczej linii.

Tester - forma (ród, odmiana, mieszaniec), która zawsze jednakowo wpływa na wartość potomstwa, na ogół o małej zdolności kombinacyjnej w celu łatwiejszego wykrycia różnic między badanymi liniami. Ponieważ tester, jako zapylacz, jest ten sam dla wszystkich testowanych linii wsobnych, to ewentualne różnice w wysokości plonu mieszańców F₁

wykazują różnice w ogólnej wartości kombinacyjnej linii wsobnej. Oceniane linie wsobne muszą być kastrowane. Zebrane nasiona z posz­czególnych linii wysiewa się w doświadczeniu porównawczym w celu wykrycia różnic między badanymi mieszańcami. Linie mające największe zdolności zwiększania plonu po skrzyżowaniu z testerem odznaczają się dużą ogólną wartością kombinacyjną.

Test topcross stosuje się do wstępnej oceny zdolności kombinacyjnej większej liczby linii i wczesnej selekcji obiecujących linii.

Wybrane, nieliczne linie o największej ogólnej wartości kombinacyjnej bada się wstępnie na swoistą wartość kombinacyjną.

Swoista wartość kombinacyjna oceniana w teście diallel­cross, dotyczy oceny mieszańców F₁ pod względem wydawania plonu - wyodrębnienie takiej pary linii, która da najlepsze potomstwo. Krzyżuje się linie wsobne każda z każdą i określa wartość próbnych mieszańców. Liczba kombinacji krzyżowań wynosi n (n - 1), gdzie: n ­liczba linii wsobnych. Przy dużej liczbie linii o bardzo dobrej ogólnej wartości kombinacyjnej można ograniczyć liczbę mieszańców, wykonując krzyżowanie dialleliczne tylko w jednym kierunku, używając tylko jednej linii jako formy matecznej lub ojcowskiej. Wówczas liczba kombinacji krzyżowań jest mniejsza o połowę i stosuje się wzór n (n - 1)/2. Linie wsobne jako mateczne muszą być kastrowane albo męskoniepłodne. Nasiona mieszańcowe F₁ zebrane z linii matecznych wysiewa się w doświadczeniu porównawczym i na podstawie uzyskanych wyników wybiera się pary linii, które dają najlepsze mieszańce F₁ pod względem plenności - efektu heterozji.

3.Badanie wartości próbnych mieszańców

Wyselekcjonowane pary linii o dużej specyficznej wartości kombi­nacyjnej są krzyżowane między sobą ponownie i sprawdzane w doświadczeniu porównawczym. Następnie na podstawie oceny wartości mieszańców F₁ w doświadczeniu porównawczym dokonuje się wyboru pary linii, która daje w pokoleniu F₁ największy efekt heterozji - najwyższy plon dla odmiany mieszańcowej. Ustala się skład odmiany mieszańcowej ­formułę mieszańca pojedynczego.

4.Utrzymanie i rozmnażanie linii wsobnych

Linie wsobne jako komponenty rodzicielskie muszą być utrzymane i rozmnażane. Materiałem siewnym odmiany mieszańcowej są nasiona F₁ zebrane z matecznej linii wsobnej. Nasiona mieszańcowe nie mogą być reprodukowane, gdyż powoduje to spadek plenności, największy w F₂.

Linie wsobne jako komponenty rodzicielskie odmiany mieszańcowej są liniami homozygotycznymi, ustalonymi i po skrzyżowaniu co roku dają mieszańce o tym samym genotypie. U wszystkich heterozygotycznych roślin występuje jednakowy powtarzalny efekt heterozji, dlatego też linie rodzicielskie muszą być utrzymane i rozmnażane. Linie wsobne rodzicielskie rozmnaża się corocznie w chowie siostrzanym, oddzielnie i na dużą skalę tak, aby corocznie można było produkować nasiona mieszańca handlowego.

Hodowlą, rozmnażaniem i krzyżowaniem linii wsobnych w celu otrzymania nasion mieszańcowych do wysiewu zajmuje się hodowca. Natomiast odmiana kształtuje się w procesie produkcji nasiennej poza hodowcą,

5.Otrzymywanie mieszańców handlowych

Do tworzenia mieszańca handlowego dobieramy formy rodzicielskie, zawsze na zasadzie krzyżowań próbnych i oceny potomstwa. Mieszańce handlowe (odmiany mieszańcowe) F₁ mogą być:

-pojedyncze, krzyżowanie dwóch linii wsobnych A x B, efekt heterozji największy, ale uzyskuje się mało nasion; linia A jest osłabiona na skutek chowu wsobnego;

-potrójne, krzyżuje się dwie linie wsobne, a otrzymane mieszańce F₁ krzyżuje się z trzecią linią: A x B 7 F₁ (AB) x C; komponent mateczny F₁ bardziej żywotny, więcej nasion, mniejszy efekt heterozji;

-podwójne, czyli czteroliniowe, obydwa komponenty rodzicielskie są mieszańcami pojedynczymi:

AxB CxD

AB x CD

F₁

największa ilość nasion, najmniejszy efekt heterozji.

Do systemów kontrolujących zapylenie krzyżowe zapewniające mieszańcowość materiału siewnego zalicza się: kastrację ręczną, kastrację chemiczną, rozdzielnopłciowość, heterostylię kwiatów, samo niezgodność i męską niepłodność.

Wykorzystanie zjawiska męskiej niepłodności w produkcji materiału siewnego odmian mieszańcowych

Produkcja nasion mieszańcowych oparta jest na męskiej niepłodności roślin matecznych skrzyżowanych z płodnym zapylaczem, ponieważ mieszaniec heterozyjny musi być płodny. Męska niepłodność u roślin spowodowana jest działaniem czynników genetycznych i polega na wytworzeniu nieżywotnego pyłku lub niewytwarzaniu pyłku w ogóle, co występuje rzadziej. Źródłem męskiej niepłodności u roślin uprawnych mogą być spontaniczne lub indukowane mutant y, występujące w odmianach populacyjnych lub rośliny pochodzące ze skrzyżowań międzygatunkowych, albo istniejące odmiany mieszańcowe F₁ tworzone na bazie linii męskoniepłodnych. Męska niepłodność może być pochodzenia genetycznego, cytoplazmatycznego lub cytoplazmatyczno-genetycznego.

Genetyczna męska niepłodność - wytwarzanie niefunkcjonalnego pyłku warunkowane jest genem recesywnym (ms), co utrudnia rozmnażanie linii męskoniepłodnej. Nie ma możliwości uzyskania 100% populacji męskoniepłodnej w hodowli mieszańca. Forma męskoniepłodna rozmnażana jest heterozygotycznie.

Rozmnażanie formy męsko niepłodnej:

ms ms x Ms ms F1

---ms ms - 50% - niepłodne

---Ms ms - 50% - płodne

gdzie: ms ms - genotyp męskiej niepłodności, Ms Ms - zapylacz, Ms ms ­płodny analog.

Potomstwo linii męsko sterylnej składa się z roślin niepłodnych i płod­nych w stosunku 1 : 1. W nasionach rozpoznanie genotypów jest niemożliwe. Produkcja mieszańcowego materiału siewnego:

(ms ms + Ms ms) x Ms Ms F₁ Ms ms

Nasiona zmieszane. Przed kwitnieniem rośliny płodne o genotypie Ms ms koniecznie usunięte, co jest praktycznie niemożliwe. Pozostawienie roślin płodnych obniża efekt heterozji. Genetyczna męska niepłodność jest mało przydatna do tworzenia materiału siewnego odmiany mieszańcowej na skalę handlową. W niewielkim stopniu genetyczną męską niepłodność wykorzystuje się w hodowli odmian mieszańcowych pomidora, które produkują dużo nasion.

Cytoplazmatyczna męska niepłodność jest warunkowana genami znajdującymi się w cytoplazmie i przekazywana jest tylko przez formę mateczną. Cytoplazmę zawierającą geny męskiej niepłodności oznacza się przez S, a cytoplazmę normalną przez N .

Rośliny męskoniepłodne krzyżowane z roślinami płodnymi o normalnej cytoplazmie będą dawały potomstwo całkowicie niepłodne. Cytoplazma dziedziczy się po matce.

Potomstwo F₁ ma sterylną cytoplazmę i nie może wytwarzać nasion. Linia o genotypie N ms ms, zwana linią dopełniającą, służy do rozmnażania roślin męskoniepłodnych. Geny jądrowe ms ms nie funkcjonują w obecności cytoplazmy N. Poszukiwanie linii dopełniającej N ms ms polega na wykona­niu licznych krzyżowań testowych pod izolatorami - roślinę męskoniepłodną i roślinę płodną wkłada się pod wspólny izolator. Potomstwo męskoniepłodne świadczy o tym, że testowany zapylacz ma poszukiwany genotyp typu N ms ms i tym samym może być wykorzystany do rozmnażania linii męskoniepłodnej typu cytoplazmatycznego. Cytoplazmatyczna męska niepłodność ma praktyczne zastosowanie w hodowli heterozyjnej, ułatwia otrzymywanie roślin bez kastracji. Cytoplazmatyczną męską niepłodność wykorzystuje się u roślin, których plonem są części wegetatywne. Niekiedy rośliny o cytoplazmatycznej męskiej niepłodności krzyżowane z płodnym zapylaczem dają potomstwo płodne. Zapylacz płodny ma geny (Rf) przywracające płodność formom męskoniepłodnym.

Cytoplazmatyczno-genetyczna męska niepłodność jest warunkowana współdziałaniem czynnika cytoplazmatycznego (S) i recesywnych genów jądrowych (ms ms). Genotyp roślin męskoniepłodnych oznacza się S ms ms (kombinacja, która zapewnia całkowitą męskoniepłodność roślinom). Do roz­mnażania roślin męskoniepłodnych używa się roślin płodnych o genotypie N ms ms. Uzyskane potomstwo ze skrzyżowania rośliny męskoniepłodnej S ms ms z rośliną płodną N ms ms jest w pełni męskoniepłodne:

S ms ms x N ms ms S ms ms

Linia o genotypie N ms ms jest linią dopełniającą i jest niezbędna do rozmnażania linii męskoniepłodnej. Linia dopełniająca (N ms ms) służy również do przenoszenia cechy męskiej niepłodności na różne linie wsobne i odmiany i dlatego jest bardzo cenną linią.

Cytoplazmatyczno-genetyczna męska niepłodność jest wykorzystywana do hodowli odmian mieszańcowych u roślin uprawianych na nasiona. Komponentami rodzicielskimi do produkcji nasion mieszańcowych F₁ są:

-linia męskoniepłodna - S msms,

-linia restorerująca (zapylacz) - SRf Rf.

Produkcja nasion mieszańcowych obejmuje:

1.Wprowadzanie cechy męskiej niepłodności do wybranej linii wsobnej o dużej wartości kombinacyjnej używanej jako linia mateczna. W tym przypadku linią wsobną, którą mamy uczynić męskoniepłodną, jest linia ojcowska, mateczna zaś jest forma męskoniepłodna:

S ms ms x Lw

Stosuje się krzyżowanie wielokrotne wypierające (backcross) linii męskoniepłodnej z linią wsobną, selekcję roślin mieszańcowych zbliżo­nych pokrojem do formy ojcowskiej. Po 4-5 backcrossach i selekcji uzyskuje się linię męskoniepłodną o korzystnych cechach linii wsobnej i jej wartości kombinacyjnej analogicznej do wyjściowej linii ojcowskiej. Uzyskane dwie linie różnią się cytoplazmą, lecz mają iden­tyczne genomy. Są to tzw. analogi - jeden z nich jest linią męsko­niepłodną, drugi zaś dopełniaczem niezbędnym do dalszego rozmnażania linii wsobnej.

2.Rozmnażanie linii męskoniepłodnej przez krzyżowanie z płodnym ana­logiem:

Lw (S ms ms) x Lw (N ms ms)

3.Wprowadzenie genów restorerującyh Rf przywracających płodność do linii wsobnej jako zapylacza za pomocą krzyżowania wypierającego. Mając źródło genów przywracających płodność, możemy każdą linię wsobną przekształcić w restorera.

4.Przekrzyżowanie linii wsobnej męskoniepłodnej z linią wsobną jako restorerem - zapylaczem. W ostatnim etapie produkcji nasion mieszańcowych mieszaniec F₁ musi być płodny:

Lw (S ms ms) x Lw (S Rf Rf) F₁ płodny

Granicą opłacalności efektu heterozji jest plon nasion uzyskanych z męs­koniepłodnej linii zapylanej w warunkach naturalnych.

Tworzenie i zastosowanie odmian syntetycznych - SYN

U gatunków obcopłodnych, u których są trudności z otrzymywaniem mieszańcowego materiału siewnego ze względu na wyprowadzenie homozygotycznych linii wsobnych z powodu występowania depresji wsobnej, zamiast hodowli odmian heterozyjnych tworzy się odmiany syntetyczne (SYN). Odmiana syntetyczna to populacja powstała w wyniku swobodnego przekrzyżowania linii wsobnych lub klonów ocenianych według ogólnej wartości kombinacyjnej. Tworzenie odmiany syntetycznej może być zarówno u gatunków rozmnażanych z nasion, jak i wegetatywnie, u tych ostatnich częściej (trawy, lucerna).

Etapy tworzenia odmian syntetycznych:

I.Uzyskiwanie form rodzicielskich

U roślin rozmnażanych z nasion formami rodzicielskimi są linie wsobne o większym lub mniejszym poziomie heterozygotyczności, wyprowadzone z chowu wsobnego lub w pokrewieństwie od l do 6 generacji. U roślin rozmnażanych wegetatywnie formami rodzicielskimi są klony wysoce heterozygotyczne.

II.Ocena form rodzicielskich na ogólną wartość kombinacyjną (OWK) za pomocą testu polycross lub topcross

Ocena ogólnej wartości kombinacyjnej linii wsobnych lub klonów jako komponentów rodzicielskich dokonywana jest częściej za pomocą testu polycross. Test polycross polega na swobodnym przekrzyżowaniu między sobą wszystkich testowanych płodnych linii lub klonów co najmniej w 10 powtórzeniach, zachowując te same genotypy. Osiągnąć to można przez rozmieszczenie linii czy klonów na poletkach tak, aby każdy z kompo­nentów miał równe szanse przekrzyżowania z pozostałymi komponentami. Im większy dystans między rozmieszczonymi komponentami, tym mniejsze prawdopodobieństwo przepylenia i zapłodnienia się własnym pyłkiem. ukła­dem przestrzennym zapewniającym przekrzyżowanie wszystkich kompo­nentów (linii, klonów) może być kwadrat łaciński, w którym liczba komponentów (n) + l stanowi pierwsze rozmieszczenie komponentów (np. n = 9).

Nasiona zbierane po tej samej matce - osobno z każdego komponentu, łączy się razem i ocenia wartość potomstw mieszańcowych F₁ w doświadczeniu porównawczym. Określamy wartość matek, ojcowie stanowią mieszaninę pyłku wszystkich pozostałych komponentów (odpowiada to testowi top cross). Na podstawie zróżnicowania plenności w doświadczeniu porównawczym wybiera się linie lub klony najplenniejsze i one mają największą ogólną wartość kombinacyjną- największy efekt heterozji.

III.Ustalenie składu linii wsobnych lub klonów i udziału każdego komponentu rodzicielskiego odmiany SYN (5-10 linii)

Do składu odmiany syntetycznej dobiera się komponenty rodzicielskie o największej ogólnej wartości kombinacyjnej z określonym procentowym korzystnym udziałem każdego komponentu w tworzeniu odmiany. Wybrane komponenty rodzicielskie wysiewa się w mieszaninach próbnych i bada na poletkach doświadczalnych. Mieszaniny próbne odmiany syntetycznej mają różny udział procentowy poszczególnych linii lub klonów.

Mieszanina próbna, która daje największy efekt heterozji w postaci plonu jest podstawą do tworzenia odmiany syntetycznej. Wybrane komponenty rodzicielskie (linie lub klony), o procentowym udziale każdego z nich, wysiewa się w mieszance i w wyniku swobodnego przepylenia dają one odmianę syntetyczną. Odmiana SYN nie może być reprodukowana, musi być stale odtwarzana z komponentów rodzicielskich.

Czynniki decydujące o jakości odmiany SYN:

-liczba linii lub klonów rodzicielskich - od 5 do 10 największa wartość kombinacyjna i efekt heterozji,

-plenność form rodzicielskich,

-wartość kombinacyjna form rodzicielskich decyduje o wielkości efektu heterozji w F₁.

Indukowanie mutacji genowych w hodowli roślin

Mutageneza

Termin mutacja wprowadził Hugo de Vris w 1909 roku.

Mutacja to nagła skokowa zmiana dziedziczna informacji genetycznej organizmów żywych. Mutacje mogą dotyczyć: pojedynczych genów, struktury chromosomów, liczby chromosomów, organelli cytoplazmatycznych. W hodowli muta­cyjnej wykorzystuje się mutacje genowe. Gen jest sekwencją nukleotydów, fragmentem łańcucha DNA. Zmiana w normalnej sekwencji nukleotydów DNA prowadzi do powstania mutacji genowych. Skutkiem mutacji może być zmiana w sekwencji aminokwasów, prowadząca do odmiennej funkcji białek i zmian fenotypowych. Tylko mutacje występujące w regionie kodującym mają wpływ na białko.

Mutację, która wystąpiła na poziomie organizmu, wyrażamy genotypem i fenotypem. Genotyp określa gen, jaki powstał w wyniku mutacji, fenotyp jest efektem działania mutacji na organizm. Osobnika o fenotypie zmienionym w wyniku mutacji nazywamy mutantem.

W wyniku mutacji powstają nowe allele genów, a rekombinacje nowo powstałych alleli z już istniejącymi prowadzą do pojawiania się nowych i poszerzenia zmienności genetycznej w obrębie gatunku. Częściej zachodzi zmiana genu dominującego w jego recesywny allel A a, rzadziej odwrotnie a A. Zmutowane geny są przeważnie recesywne.

Mutacyjne zmiany dziedziczne mogą być:

-spontaniczne, częstotliwość samorzutnie powstających zmian w sekwen­cji nukleotydów DNA jest mała i wynosi około 1 x 10^-6 w przeliczeniu na 1 parę nukleotydów i 1 cykl replikacyjny (czyli pojedyncze miejsce w DNA mutuje raz na 106 cykli replikacyjnych);

-indukowane, zachodzą z większą częstotliwością.

Spontaniczne i indukowane mutacje mogą być zarówno recesywne, jak i dominujące. Przyjęty ogólny podział mutacji na makromutacje i mikro­mutacje na podstawie fenotypu ma duże znaczenie praktyczne w hodowli mutacyjnej. Makromutacje mogą być łatwo rozpoznawalne - dotyczą częściej genów głównych. Mikromutacje powodują zmiany cech o charak­terze ilościowym warunkowanych genami kumulatywnymi, dlatego też istnienie ich możemy stwierdzić tylko przez obserwację pewnej populacji roślin. Do wykrycia zmian mikromutacyjnych cechy w populacji wyko­rzystuje się biometrię i analizę statystyczną.

Czynniki indukujące mutacje

Mutacje powstają na skutek rzadkich błędów w replikacji DNA lub działania czynników fizycznych i chemicznych zwanych mutagenami.

Mutageny fizyczne do fizycznych czynników mutagennych zaliczamy:

-promieniowanie niejonizujące UV, źródłem jest lampa kwarcowa wykazująca bardzo niską przenikliwość, nie mogą penetrować w głąb tkanek, często stosowane do napromieniania ziaren pyłku;

-promieniowanie jonizujące elektromagnetyczne o dużej przenikania i silnym działaniu jonizującym

.promienie X,

.promienie β,

.promienie γ,

.neutrony prędkie (N_f) - o największej skuteczności mutagennej.

Przenikliwość promieniowania i silne działanie jonizujące jest warun­kiem skuteczności działania czynnika fizycznego mutagennego.

Mutageny chemiczne. Czynniki chemiczne mutagenne obejmują różne związki chemiczne. Silnymi mutagenami chemicznymi są związki alkilu­jące zawierające aktywne grupy alkilowe, mające zawsze co najmniej jedno wolne wiązanie. Najprostsze grupy alkilujace:

-CH₃ grupa metylowa, C₂H₅ grupa etylowa, bądź bardziej złożone.

Grupy alkilowe reagują z grupami fosforanowymi DNA oraz zasadami purynowymi i pirymidynowymi. Do grupy związków alkilujących należą:

-metanosulfonian etylu (EMS), imina etylenowa (EI), nitrozoetylomocznik (NEU), nitrozometylomocznik (MEU).

Skutecznym mutagenem chemicznym jest również azydek sodu (SA). W hodowli mutacyjnej najczęściej stosuje się nitrozoetylomocznik, nitro­zometylomocznik i azydek sodu.

Mutageny chemiczne rzadziej powodują niepożądane aberracje chromo­somowe niż mutageny fizyczne.

Stosowanie czynnika mutagennego zależne jest od materiału roślinnego. Mutageny fizyczne stosuje się do napromieniania pyłku, nasion, pąków, całych roślin. Mutageny chemiczne, jako roztwory, stosuje się do moczenia nasion, pędów, opryskiwania Pączków liściowych i kwiatowych.

Mutagenne traktowanie nasion lub innych wegetatywnych części roślin prowadzi do powstania chimer.

Chimera jest to roślina utworzona z różnych genetycznie tkanek roślin - z tkanek heterozygotycznych pod względem zmutowanego genu oraz z nie zmutowanych. Tkanki o różnym składzie genetycznym na przekroju łodygi lub innych częściach rośliny mogą tworzyć, zależnie od kierunku podziału komórek w stożku wzrostu, układ sektorialny - chimera sektorialna, lub koncentryczny - chimera peryklinalna.

Chimery są to mutacje somatyczne powstałe w jednej z trzech warstw wierzchołka wzrostu. Mutacje, które powstają w komórkach somatycznych warstwy L₁ lub L₂, mogą być utrzymane w przypadku, gdy są korzystne w wyniku rozmnażania generatywnego, zwłaszcza chimera peryklinalna. Mutacje powstałe w warstwie L₂, w komórkach, z których wyróżnicowują się organy generatywne (kwiaty), są przekazywane z poko­lenia na pokolenie - dziedziczą się. Ujawnianie się mutacji może być ograniczone na skutek selekcji diplontowej - somatycznej, zwłaszcza w przypadku mutacji recesywnych. W komórkach nie zmutowanych podziały mitotyczne zachodzą szybciej niż w zmutowanych i następuje eliminacja tkanek zmutowanych przez tkanki normalne.

Wrażliwość roślin na traktowanie czynnikiem mutagennym zależy od:

-gatunku - zboża wrażliwe, oleiste mniej,

-genotypu - swoistej reakcji na działanie czynnika mutagennego,

-stopnia ploidalności i wielkości chromosomów - rośliny diploidalne wrażliwsze,

-cyklu podziałowego komórki - najbardziej wrażliwe w stadium syntezy DNA.

Określenie optymalnej dawki mutagenu

Częstotliwość zaindukowanych mutacji jest na ogół proporcjonalna do dawki czynnika mutagennego. Również stopień uszkodzeń somatycznych jest proporcjonalny do dawki czynnika mutagennego. Dawka wysoka może okazać się letalną dla wielu komórek (czy siewek), dawka za niska daje zbyt mało mutantów. Dlatego ko­nieczne jest ustalenie eksperymentalne dawki optymalnej. Dawkę optymalną wybiera się na podstawie wyniku wstęp­nego testowania zahamowania wzrostu siewek 7- i 14-dnio­wych.

Dawka zmniejszająca wysokość siewek do poziomu 50% wartości wzorca i powodująca spadek przeżywalności roślin dojrzałych do 20% w odniesieniu do wscho­dów uważana jest za dawkę optymalną.

Rysunek 24 przedstawia schemat ogólny przeprowadzania hodowli mu­tacyjnej:

M₀:

-materiał wyjściowy - najlepsze odmiany, linie lub rody; równie ważne jak dobór form rodzicielskich do krzyżowania; genotyp ma istotny wpływ na częstość określonych mutacji;

-dobór najwłaściwszego dla danego materiału roślinnego czynnika mutagennego, dawki i metodyki traktowania; dobór dawki i metodyki traktowania z literatury lub na podstawie testu zahamowania wzrostu siewek;

-duża ilość materiału siewnego do traktowania;

-siew punktowy.

M₁:

-populacja składa się z mieszaniny roślin nie zmutowanych i zmu­towanych heterozygotycznych; zmutowane geny są przeważnie recesywne; selekcji nie prowadzi się, bo większość roślin to chimery; selekcja mutantów tylko dominujących, które są rzadkością i dotyczą raczej pędów lub sektorów; mutacje recesywne ujawnią się dopiero po samozapyleniu;

-indywidualny zbiór i wysiew nasion uzyskanych z każdej rośliny przeżywającej celem uzyskania pokolenia M₂.

M₂:

-selekcja roślin zmienionych wraz z opisem tej zmiany (potencjalne mutant y); widoczne mutacje dominujące i recesywne;

-oddzielny zbiór roślin (zmienionych) i ich biometria oraz wysiew jako linii lub rodów.

M₃:

-rozmnożenia roślin zmienionych w mikrodoświadczeniach wraz ze wzorcem celem ustalenia trwałości zmian dziedzicznych z jednoczesną oceną użytkową;

-dalsza selekcja mutantów.

M₄:

-rozmnażanie mutantów i dalsze doświadczenia porównawcze celem sprawdzenia cech użytkowych - plenności;

-wybór najlepszych mutantów.

Odmianą może być jeden mutant lub kilka mutantów o wyrównanych cechach morfologicznych wyselekcjonowanych z pokolenia M₂ lub dalszych i po ocenie cech użytkowych.

Selekcja mutantów w pokoleniach mutacyjnych zależy od:

-kierunku mutacji (czy mutacja dominująca, czy recesywna?); w poko­leniu M₂ widoczne mutant y zarówno dominujące, jak i recesywne;

-tego, jakie stadium poddajemy mutacjom (czy w stadium komórek somatycznych, czy gamet?); w jednym i w drugim przypadku selekcja mutantów w pokoleniach M₂ i M₃;

-sposobu rozmnażania się roślin - u roślin rozmnażanych wegetatywnie zależeć będzie od uzyskania jednorodnej peryklinalnej chimery - po kilkakrotnym klonowaniu;

-poziomu ploidalności, dla roślin diploidalnych w pokoleniu M₂ i M₃, dla roślin poliploidalnych w pokoleniu M₃ i dalszych.

Wykorzystanie mutantów i stosowanie indukowanych mutacji w hodowli roślin

Mutanty w hodowli roślin wykorzystuje się jako materiał wyjściowy do krzyżowania, albo do bezpośredniej selekcji w celu otrzymania nowych odmian, ogólnie w celu poszerzenia zmienności genetycznej i tworzenia nowej plazmy zarodkowej dla hodowli roślin uprawnych.

Indukowane mutacje w hodowli roślin stosujemy w przypadku:

-braku zmienności genetycznej w odmianach hodowanych lub gdy wyczerpała się zmienność genetyczna, a inna jest niedostępna;

-ulepszania odmiany pod względem określonej cechy (wyleganie, wczesność, odporność na choroby i zmienność adaptacyjna);

-trudności w krzyżowaniu, np. bardzo małe kwiaty (soja).

Indukowanie mutacji genomowych (poliploidów) w hodowli roślin

Podstawowe pojęcia i definicje w hodowli poliploidów

Mutacje genomowe to mutacje chromosomowe, które dotyczą zmiany w liczbie chromosomów i zmiany w liczbie genomów w komórce somatycznej, prowadzące do odmiennej liczby, jaka jest przyjęta dla osobnika diploidalnego 2x (odchylenia od diploidalnej liczby chromosomów). Powstają skokowo - stąd mutacje.

Genom to całkowity DNA komórki, obejmujący zarówno wszystkie geny, jak i odcinki międzygenowe.

Termin genom stosowany jest również do oznaczania podstawowej liczby chromosomów organizmu. Ta podstawowa liczba chromosomów jest charakterystyczna dla każdego gatunku i jest oznaczana jako x. Chromosomy genomu róznią się jeden od drugiego składem genów, strukturą i rozmieszczeniem centromeru.

Monoploidy to rośliny mające jeden genom (jeden podstawowy zestaw chromosomów x), mają jedną kopię każdego x chromosomu.

Diploidy to rośliny mające dwie kopie każdego chromosomu. Dlatego też diploidy mają pary x chromosomów homologicznych, co czyni ogólną liczbę 2x. Diploid ma w komórkach somatycznych dwa podstawowe zespoły chromosomów homologicznych (2x).

Homologiczny oznacza, że geny warunkujące te same cechy są ułożone kolejno w postaci odpowiadających sobie sekwencji na chromosomach każdej pary (kopie pochodzące od drugiego rodzica).

Poliploidy to rośliny (formy) o liczbie chromosomów większej od 2x. W komórkach somatycznych występują więcej niż dwa podstawowe zespoły chromosomów (2n > 2x).

Stopień poliploidalności to określenie liczby genomów organizmów w komórkach somatycznych, np. 3x.

Optymalny poziom ploidalności - każdy gatunek ma określoną optymalną liczbę chromosomów, przy której wykazuje największy wigor, np. ziemniak - tetraploidalny poziom, burak cukrowy - triploidalny poziom. Każdy gatunek charakteryzuje się określoną górną granicą tolerancji w sto­sunku do stopnia ploidalności i dlatego też hodowca może wykorzystać autopoliploidalność u gatunków diploidalnych i allopoliploidalność zarówno u gatunków diploidalnych, jak i już u istniejących allopo­liploidów.

Poliploidalność to odstępstwo od diploidalnej liczby 2x chromosomów organizmu.

Poliploidyzacja to sztuczne wytwarzanie osobników o zwiększonej liczbie chromosomów przez człowieka.

Podział i charakterystyka mutacji genomowych

Rośliny powstałe w wyniku mutacji genomowych lub mutacji zmiany liczby chromosomów w stosunku do wyjściowej formy diploidalnej nazywają się poliploidami. Poliploidy możemy podzielić na euploidy i aneuploidy.

Euploidy to organizmy zawierające jeden genom (x) lub jego wielokrotność (zwiększoną lub zmniejszoną liczbę genomów). Do euplo­idów należą: monoploidy (lx), diploidy (2n = 2x), triploidy (2n = 3x), tetraploidy (2n = 4x), pentaploidy (2n = 5x), heksaploidy (2n = 6x), sektaploidy (2n = 7x) itd.

Monoploidy (1x) występują rzadko w naturze, charakteryzują się małym wigorem i są całkowicie niepłodne z powodu nieregularnej mejozy (nie tworzą się biwalenty - brak homologicznych chromosomów).

Diploidy (2n = 2x) charakteryzują się regularną mejozą i dobrą płodnością. Występują często w naturze (ryż, jęczmień, żyto, kukurydza, pomidor, groch).

Dalsze rozróżnienie między euploidami przeprowadza się według stopnia zróżnicowania zespołów genomów, które się powtarzają, i tak wyróżnia się autopoliploidy i allopoliploidy.

Autopoliploidy to rośliny, które mają więcej niż dwie kopie homologicznych chromosomów tego samego gatunku (wszystkie genomy identyczne). Będą to: autotriploidy (3x), autotetraploidy (4x), autopentaploidy (5x) itd. Zwielokrotnieniu uległ jeden genom.

Autopoliploidy występują w naturze. Są nimi ziemniaki, lucerna, buraki cukrowe. Autopoliploidy charakteryzują się:

-zwielokrotnieniem genomów w obrębie gatunku;

- trukturalnie mają identyczne genomy (homologicze);

-może zachodzić swobodna rekombinacja;

-zwiększeniem wegetatywnych części roślin;

-obniżoną płodnością na skutek formowania się multiwalentów.

Allopoliploidy to rośliny, które mają co najmniej dwa albo więcej zwielokrotnione różne mało spokrewnione genomy (pszenica, owies, pszen­żyto, bawełna, tytoń, kawa, truskawki, orzeszki ziemne). Charakterystyka genomów allopoliploidów:

-pochodzą z różnych gatunków (jako wynik krzyżowania międzygatun­kowego);

-znacznie różnią się między sobą;

-są tak dalece odmienne, że kombinacje i rekombinacje są możliwe tylko między chromosomami homologicznymi, a zatem są:

.funkcjonalnie diploidalne,

.fenotyp trudny do przewidzenia, najczęściej łączy cechy obu gatunków, niekiedy korzystne cechy obydwu, np. pszenżyto.

Aneuploidy to rośliny, u których liczba chromosomów nie jest wielokrotnością liczby charakterystycznej dla genomu danego gatunku. W którymś genomie może brakować chromosomu lub może być chromosom dodatkowy . Zmienność liczby chromosomów może wystąpić w każdej parze chromosomów homologicznych. Do aneuploidów należą:

.monosomik (2x - l) - brak 1 chromosomu z danej pary,

.trisomik (2x + l) - nadmiar chromosomów homologicznych w da­nej parze,

.tetrasomik (2x + 2) - nadmiar chromosomów homologicznych w da­nej parze,

.nullisomik (2x - 2) - brak pary chromosomów homologicznych.

Aneuploidy charakteryzują się:

-słabszym wigorem niż diploidy:

-nullisomiki i monosomiki są bardziej żywotne u form będących poliplo­idami;

-tetrasomiki często nie różnią się od diploidów;

-genotypowe i fenotypowe stosunki liczbowe u aneuploidów są trudne do ustalenia z uwagi na różnice pod względem żywotności gamet;

-u diploidów są albo nieżywotne, albo niepłodne.

Ogólnie przyjęty i przydatny w hodowli roślin podział mutacji geno­mowych:

-autopoliploidy- poliploidyzacja w obrębie gatunku,

-allopoliploidy - łączenie genomów różnych gatunków i poliploi­dyzacja, czasem odwrotnie poliploidyzacja genomów, a następnie łączenie - krzyżowanie,

-aneuploidy - krzyżowanie na różnym poziomie ploidalności.

Mutacje genomowe powstają wskutek nieprawidłowego przebiegu mitozy i mejozy:

-brak rozdziału chromosomów w mitozie (podwojenie liczby chromosomów bez podziału komórki);

-nieprawidłowe rozchodzenie się chromosomów do biegunów podczas mitozy;

-najczęściej wskutek zakłóceń podziałów mejotycznych, brak redukcji liczby chromosomów w I podziale mejotycznym, a II podział normalny, i odwrotnie - I podział mejotyczny odbywa się normalnie, a w II podziale brak rozejścia się chromatyd; powstają wtedy gamety o niezredukowanej liczbie chromosomów (2n) i ich łączenie się.

Techniki otrzymywania mutacji genomowych

Podwojenie liczby chromosomów zdarza się samorzutnie w naturze lub może być indukowane przez człowieka. Stosowane są następujące metody:

1)metoda regeneracyjna (biologiczna) - wymuszona regeneracja pędów z kalusa, który powstaje w miejscu zranienia, kalus czasem poliploidalny,

2)metoda termiczna (fizyczna) - szok termiczny, promieniowanie u v powodują zaburzenia w podziale chromosomów (liczba chromosomów podwojona - nie tworzy się ściana komórkowa),

3)metoda chemiczna - kolchicyna jest najczęściej stosowanym odczynnikiem do degradacji wrzeciona podziałowego.

Działanie kolchicyny polega na inaktywacji wrzeciona podziałowego i wstrzymania rozchodzenia się chromosomów, co powoduje tworzenie się jąder z podwójną liczbą chromosomów. Kolchicynę stosuje się w postaci roztworu wodnego lub pasty agarowej. Stężenie zależy od organu i czasu działania roztworem kolchicyny.

Metody stosowania kolchicyny są różne, np.:

l.Traktowanie nasion w zależności od ilości materiału (stężenie roztworu 0,1-1,0% przez okres od 0,5 do 24 godzin, działa niekorzystnie na korzenie - są bardzo wrażliwe).

2.Traktowanie wierzchołka wzrostu roślin dwuliściennych (stężenie roztworu 0,1-0,3% przez okres od 24 do 48 godzin).

3.Metoda transplantacyjna - odcina się pędy, zanurza w roztworze i po­nownie się szczepi na podkładach (stosowana, gdy materiał jest cenny).

4.Metoda nasycania przez korzenie dotyczy starszych siewek, których korzenie zanurza się w słabym roztworze kolchicyny kilkakrotnie, na okres od 2 do 3 godzin.

5.Metoda iniekcyjna - igłą strzykawki wprowadza się roztwór w pobliżu wierzchołka wzrostu. Stosuje się, gdy wewnątrz pędów są puste przestrzenie.

6.Krzyżowanie na różnym poziomie ploidalności, międzygatunkowe, występują gamety niezredukowane.

7.Kultury in vitro - często kalus poliploidalny.

8.Fuzja protoplastów (z pominięciem krzyżowania i kolchicynowania). Fuzja może zachodzić między komórkami dowolnych gatunków.

Selekcja mutantów - ocena stopnia poliploidalności

Po traktowaniu kolchicyną czy zastosowaniu innych technik otrzymywania mutantów genomowych konieczna jest ocena stopnia poliploidalności. W po­koleniach poddawanych działaniu kolchicyny (C₀) i następnym (C₁) poliploidalne rośliny są najczęściej chimerami. Poszczególne segmenty tkanek wykazują różny stopień ploidalności oceniany w sposób następujący:

-pomocnicze kryteria oceny stopnia ploidalności:

.tempo wzrostu - zahamowane,

.wielkość nasion - większe,

.współczynnik rozmnażania - mniejszy,

.wielkość średnicy ziaren pyłku - większa,

.liczba porusów w polu widzenia - większa,

.liczba chloroplastów w komórkach przyszparkowych - większa;

-oznaczanie zawartości jądrowego DNA w komórkach za pomocą cytometrii przepływowej;

-oznaczanie liczby chromosomów w mitozie w tkankach merystema­tycznych (młode liście lub komórki stożka wzrostu korzeni zarodkowych).

Wykorzystanie mutantów genomowych w hodowli roślin

Aneuploidy zwłaszcza monosomiki i trisomiki są wykorzystywane w bada­niach genetycznych do:

-lokalizacji genów w chromosomach,

-przenoszenia chromosomów zawierających pożądane geny z jednej odmiany do drugiej,

-badania wielu poliploidów.

Autopoliploidy wykorzystuje się:

-w hodowli gatunków uprawianych ze względu na części wegetatywne (większa produkcja świeżej masy, lepsze cechy użytkowe -lepsza strawność, większe rośliny, wolniej drewnieją), -do tworzenia allopoliploidów i innych mieszańców oddalonych,

-w hodowli roślin ozdobnych (większe kwiaty).

Przykłady: ziemniak - 4x większy plon, żyto tetraploidalne - 4x większe nasiona, koniczyna czerwona i biała - 4x większy plon siana, buraki cukrowe- 3x większe korzenie, więcej cukru.

Allopoliploidy wykorzystuje się do:

-uzyskania nowych kombinacji cech - pszenżyto (Triticale), pszenperz (Agrotriticum ), perko (Raphanobrassica),

-rekonstrukcji analogów już istniejących, np. rzepak (Brassica na­pus).

Gatunki roślin oraz rośliny przydatne do poliploidyzacji:

-gatunki diploidalne, ponieważ podwojenie liczby chromosomów prowadzi u nich do bujności organów wegetatywnych i generatywnych;

- gatunki o dużym współczynniku rozmnożenia, gdyż obniżenie płodności nie ma wyraźnego wpływu na plon nasion;

-gatunki o nasionach bezbielmowych, ponieważ bielmo zawiera większą liczbę chromosomów, co może doprowadzić do zaburzeń w podziałach mitotycznych i złego wykształcenia endosperm u (burak cukrowy, koniczyna);

-gatunki rozmnażane wegetatywnie;

-gatunki o małych chromosomach;

-gatunki obcopłodne, większa heterozygotyczność, poprawa płodności;

-niska ploidalność form wyjściowych, np. monoploidy stają się płodnymi homozygotami;

-rośliny z poziomu ploidalności poniżej optymalnego poziomu ploidal­ności.

Podstawowe warunki powodzenia hodowli poliploidalnej

1)ustabilizowanie spoliploidyzowannych roślin cytologicznie,

2)selekcja form spoliploidyzowanych,

3)wykorzystanie ich w praktycznej hodowli.

---