Początek formularza

Ćwiczenie 1 - Krzyżowanie i selekcja

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.

Dodatkowo krzyżowanie odpowiednich form rodzicielskich może prowadzić do wystąpienia takich korzystnych zjawisk, jak heterozja czy transgresja.

Rodzaje krzyżowań:

W zależności od liczby osobników rodzicielskich i przeprowadzonych przekrzyżowań wyróżniamy krzyżowania proste i złożone.

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).

Przeprowadzenie krzyżowania w pełni kontrolowanego jest żmudne i wymaga opanowania techniki i znajomości biologii kwitnienia. 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

Następstwem krzyżowania w hodowli roślin jest przeważnie selekcja. Jest to najstarsza metoda hodowlana. Człowiek od zarania dziejów stosował selekcję - do siewu przeznaczał nasiona dorodne, natomiast gorszej jakości na spożycie i paszę. 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. Rola hodowcy prowadzącego selekcję jest ograniczona do wykorzystania istniejącej zmienności. Metody selekcji są różne, a wybór metody zależy od biologii kwitnienia, sposobu dziedziczenia cechy i czasu jej ujawniania.

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 masowa - 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.

 

 

Ćwiczenie 2 - 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).

Istnieją cztery podstawowe programy hodowlane roślin uprawnych, zależnie od systemu kojarzenia i rozmnażania.

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.

Typ populacji determinuje program hodowlany, kształtuje metody hodowli. Dla każdego typu populacji opracowano schemat hodowlany, pozwalający uzyskać określony typ populacji. Wyhodowana odmiana ma właściwości typu populacji.

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.

Metody hodowli roślin samopłodnych

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

-rodowodowa- najczęściej stosowana,

-populacji mieszanych (ramszów - metoda Svalofska).

O wyborze metody hodowlanej decyduje skuteczność selekcji. Problemem jest, kiedy selekcjonować rośliny (pojedynki), z których wyprowadzamy CL W:

-czy selekcję rozpoczynać we wcześniejszych pokoleniach mieszań­cowych uzyskanych ze skrzyżowania CL W, gdy CL W zmieniają się jeszcze w miarę postępowania chowu wsobnego, czy w późniejszych pokoleniach, gdy CL W są już w wysokim stopniu homozygotyczne?

-wybór metody postępowania z rozszczepiającym się materiałem zależeć będzie również od tego, która z metod daje największe szanse osiągnięcia celu hodowlanego.

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 ...

Dół formularza