GMG - T9 - Millora d'autògames PDF

TEMA 9. Millora genètica d’espècies autògames Genòmica i millora genètica Genòmica i millora genètica Tema 9. Millora genètica d’espècies autògames  TEMA 9. Millora genètica d’espècies autògames Genòmica i mil...

TEMA 9. Millora genètica d’espècies autògames Genòmica i millora genètica Genòmica i millora genètica Tema 9. Millora genètica d’espècies autògames  TEMA 9. Millora genètica d’espècies autògames Genòmica i millora genètica Genòmica i millora genètica Tema 9. Millora genètica d’espècies autògames  TEMA 9. Millora genètica d’espècies autògames Genòmica i millora genètica Genòmica i millora genètica Tema 9. Millora genètica d’espècies autògames Autogàmia i plantes cultivades Les plantes cultivades difereixen de les silvestre en la manera en què es reprodueixen. En les diferents famílies de les plantes amb flor, l’al·logàmia és el principal sistema de reproducció. Per contra, l’al·logàmia és rara en les plantes cultivades. La major part de cultius es mantenen per un dels 2 següents sistemes: (a) autogàmia, (b) reproducció vegetativa (Zohary (2001) DOI: 10.1016/B978-0-12-384719-5.00199-4). En el cas dels cereals, la major part dels 50-60 cultius de gra són autògams, amb l’excepció d’algunes espècies (blat de moro (Zea mays), sègol (Secale cereale), mill (Pennisetum glaucum), fajol (Fagopyrum esculentum)) En el cas de les hortalisses, la majoria d’espècies són autògames, excepte algunes importants com les varietats de la família Brassica oleracea, la bleda i la remolatxa (Beta vulgaris) En el cas de les oleaginoses, entre les més importants en trobem d’autògames (lli (Linum usitatissimum), soja (Glycine max)) i al·lògames (colza (Brassica napus), girasol (Helianthus annus)). Mètodes de reproducció de les espècies, veure: Frenkel et al. (1977) Pollintation mechanisms, reproduction and plant breeding. Springer Verlag, New York. Genòmica i millora genètica Tema 9. 10.Millora Milloragenètica d’espècies genètica autògames d’espècies autògames Espècies autògames Característiques generals (a) Homozigosi (poblacions o línies pures) “Tota població de plantes estrictament autògames està constituïda per una mescla d’individus homozigots per tots els loci després d’un bon número de generacions d’autofecundació” (Cubero (2013) “Introducción a la mejora genética vegetal”) (b) Població de línies pures o 1 línia pura? Depèn de com hagi seleccionat l’agricultor/millorador Si estem treballant amb una sola línia pura o amb un conjunt d’elles, dependrà de la pressió de selecció que hagi fet l’agricultor sobre la seva població original. L’agricultor extreu la llavor sobre 1 sol fruit/planta = línia pura (tomàquet, enciam) L’agricultor extreu la llavor de manera massal a la postcollita = població (mongeta, fava, pèsol per gra) (c) Pol·linització creuada Que una espècie sigui autògama no significa que en condicions de “camp obert” no es produeixin encreuaments amb altres individus (pol·linització creuada). El grau de pol·linització creuada depèn de l’espècie (la seva estructura floral) i de la presència de vectors en l’entorn (insectes). Si volem reproduir una línia pura haurem de controlar molt bé que no es produeixin encreuaments amb plantes de l’entorn. Genòmica i millora genètica Tema 9. 10.Millora Milloragenètica d’espècies genètica autògames d’espècies autògames Vigor híbrid – heterosi – avantatge de l’heterozigot F1 Figura. Exemples de vigor híbrid en el cultiu del blat de moro. Per una revisió recent de la base molecular de l’heterosi en plantes llegiu Yu et al. (2021, DOI: 10.1038/s41438-021-00552-9). Genòmica i millora genètica Tema 9. 10.Millora Milloragenètica d’espècies genètica autògames d’espècies autògames Vigor híbrid – heterosi – avantatge de l’heterozigot La base genètica de l’heterosi és un fenomen que encara es debat a la literatura científica. Existeixen diferents teories per explicar el vigor híbrid: 1) Dominància: a l’híbrid es formen combinacions heterozigòtiques en loci on existeixen al·lels recessius desfavorables (AaBbCcDd) (=contrari de la depressió consanguínia) 2) Interacció entre gens: si considerem el cas d’un encreuament Ab/Ab x aB/aB s’obté la F1 Ab/aB, amb la possibilitat de la interacció A-B, que seria la responsable del vigor híbrid. 3) Super-dominància: aquesta teoria explicaria el vigor híbrid pel simple valor superior de l’heterozigot (Aa) (e.g. el cas descrit per l’equip de Dani Zamir en el tomàquet) FIGURA. Lippman i Zamir, de la HUJI, van descriure l’any 2010 el primer cas de super-dominància. Segons els autors, en línies isogèniques (és a dir que tenen tot el genoma igual), una única combinació heterozigòtica en el locus single flower truss permetria incrementar el rendiment fins un 60% (Krieger et al. (2010) Nature Genetics, 42: 459- 464). Genòmica i millora genètica Tema 9. 10.Millora Milloragenètica d’espècies genètica autògames d’espècies autògames Millora d’autògames: hipòtesi de partida De part del Cubero... Si en la población o poblaciones de que partimos ya existe una planta La millora genètica de con los caracteres que deseamos, no habría más que escogerla y qualsevol espècie multiplicar la línea pura derivada de ella. requereix dibuixar un Si no existe habrá que formar una población tratando de que los ideotip (característiques caracteres que buscamos aparezcan en un mismo individuo: desitjades) i cercar en la recurriremos, por tanto, al cruzamiento y mediante recombinación vaiabilitat genètica els juntar los alelos deseados en un genotipo, logrando la homocigosis al caràcters que desitgem. El cabo de un cierto número de generaciones. disseny del programa Si el carácter buscado no está en ningún organismo que pueda cruzarse dependrà de si disposem con la nuestra, es evidente que hay que recurrir a la ingeniería genética dels caràcters i en quins para introducirlo en ella y seguir los pasos sucesivos de cruzamiento y individus els trobem. selección. En cualquier caso, el problema se reduce en obtener la mejor línea pura posible. Su uso posterior será como producto final (variedad línea pura) o intermedio como parental de híbridos o componentes de mezclas o multilíneas, etc. Extret de Cubero (2013, “Introducción a la mejora genética vegetal”) Genòmica i millora genètica Tema 9. Millora genètica d’espècies autògames 1. Selecció massal És el mètode més primitiu, emprat pels agricultors principalment en espècies en què es recol·lecta el gra (cereals, mongeta, pèsol sec, etc). Consisteix a seleccionar els millors individus d’una parcel·la i barrejar-ne la llavor. Aquesta constituirà la següent generació de sembra. Aquest procés es repeteix durant diverses generacions. El resultat és una varietat de tipus població, és a dir una mescla de línies pures. No obstant hi haurà línies pures superiors i inferiors, per tant el resultat no és òptim. L’aspecte positiu és que conservem diversitat genètica al camp, per tant mantenim una certa flexibilitat genètica (resiliència). Figura. Selecció massal en autògames (Cubero (2003) “Introducción a la mejora genética vegetal”, Mundi-prensa Genòmica i millora genètica Tema 9. 10.Millora Milloragenètica d’espècies genètica autògames d’espècies autògames 1. Selecció massal – el cas de la curvatura de la mongeta del Ganxet Figura. Els agricultors que cultiven mongeta del Ganxet practiquen una selecció massal, la qual la realitzen durant la postcollita, no fent cap tipus de selecció sobre individus al camp. Genòmica i millora genètica Tema 9. 10.Millora Milloragenètica d’espècies genètica autògames d’espècies autògames 1. Selecció massal – el cas de la curvatura de la mongeta del Ganxet La mongeta del Ganxet és una varietat tradicional molt apreciada a Catalunya. El seu tret distintiu principal és la curvatura de la llavor. Segons els estudis realitzats fins al moment, aquest caràcter tindria una correlació directa amb el perfil sensorial: la curvatura està negativament correlacionada amb la farinositat i la percepció de la pell, i positivament correlacionada amb l’aparença rugosa. La curvatura, doncs, és un caràcter morfològic molt útil per fer selecció dels genotips més bons sensorialment. El problema és que també té una correlació negativa amb el rendiment, per la qual cosa la selecció massal que practiquen els agricultors provoca una “degeneració” de la varietat (increment rendiment = pèrdua curvatura = pèrdua valor sensorial). 3 2.5 y = -3.4091x + 6.5043 Producció (kg/p.e.) R² = 0.5038 2 1.5 1 0.5 0 0 0.5 1 1.5 2 Grau de ganxo (0-3) Figura. Correlacions fenotípiques entre la curvatura de la llavor i Figura. Correlacions genotípiques entre la curvatura de la llavor i el diferents caràcters sensorials en la mongeta del Ganxet (Rivera et al. rendiment (elaborat a partir de Sánchez (2004) Variabilitat de la mongeta (2015) Scientia Horticulturae, 197: 476-482). Ganxet (Phaseolus vulgaris L.): determinació de tipologies i selecció de línies comercials. Tesi doctoral, UB). Genòmica i millora genètica Tema 9. 10.Millora Milloragenètica d’espècies genètica autògames d’espècies autògames 2. Selecció individual Aquest mètode aprofita la variabilitat ja existent en les poblacions no millorades per seleccionar la millor línia pura. Es sembra la població en una parcel·la el màxim d'uniforme possible (tant de sòl com de gestió del cultiu) i s'avaluen les plantes pels caràcters més importants. Les plantes seleccionades es deixa que s'autofecundin i es recull la llavor planta a planta. A la segona generació es sembren les descendències autofecundades en parcel·les individualitzades i tornem a fer selecció. En aquest cas disposem d’estimacions del valor genotípic (valor fenotípic mitjà = valor genotípic), per la qual cosa la selecció és molt més eficient. Evidentment és inútil seleccionar dins de parcel·la. A la tercera generació repetim el procés, i a la quarta comparem les millors línies seleccionades amb testimonis comercials. El resultat és una línia pura. Figura. Selecció individual en autògames (Cubero (2003) “Introducción a la mejora genética vegetal”, Mundi-prensa Genòmica i millora genètica Tema 9. 10.Millora Milloragenètica d’espècies genètica autògames d’espècies autògames 3. Millora pel mètode genealògic Es tracta d’encreuar 2 línies pures que tingui característiques interessants i realitzar un procés de selecció recurrent en les successives generacions d’autofecundació. Les línies inicials difereixen molt entre si. A mesura que s’avança en el procés de selecció, la homozigosi augmenta, i per tant l’homogeneitat fenotípica dins de família. El procés d’autofecundacions s’ha de continuar fins l’homozigosi total, però a la pràctica finalitza quan s’assoleix una homogeneïtat fenotípica suficient des d’un punt de vista agrícola. El resultat és una línia pura. Figura. Mètode genealògic en autògames (Cubero (2003) “Introducción a la mejora genética vegetal”, Mundi-prensa Genòmica i millora genètica Tema 9. 10.Millora Milloragenètica d’espècies genètica autògames d’espècies autògames 3. Millora pel mètode genealògic: el tomàquet Montgrí Aquesta estratègia ha estat emprada per l’equip de la FMA per obtenir un cultivar de tomàquet Pera de Girona amb característiques agronòmiques i sensorials millorades, tot mantenint la morfologia típica de la varietat. A partir d’un encreuament entre 2 línies de la varietat tradicional Pera de Girona es va derivar una línia pura (cv. Montgrí) que actualment és àmpliament cultivada a Catalunya. Figura. Comportament agronòmic i perfil sensorial del tomàquet Montgrí, obtingut mitjançant d’un procés genealògic a partir d’un encreuament inicial entre línies tradicionals del tipus Pera de Girona (parentals CDP02518 i CDP05564) (Casals et al. (2010) HortScience, 45:1885-1886). Genòmica i millora genètica Tema 9. 10.Millora Milloragenètica d’espècies genètica autògames d’espècies autògames Genòmica i millora genètica Tema 9. 10.Millora Milloragenètica d’espècies genètica autògames d’espècies autògames 4. Retroencreuament (backcross, BC) Introgressió de gens mendelians pel mètode del retrocreuament recurrent (backcross) Mètode emprat per introduir una característica (1 al·lel) en un genotip, recuperant al final del procés el seu genoma. Es basa en tornar a creuar un híbrid amb un dels seus parentals, de manera recurrent. És un mètode particularment valuós quan es tracta de transferir caràcters d’herència molt senzilla, idealment controlats per un sol parell d’al·lels de clara expressió fenotípica. Figura. Introgressió de diferents al·lels que provoquen alteracions en la síntesi de carotens en el tomàquet en el fons genètic de la varietat tradicional San Marzano, mitjançant la tècnica del retroencreuament. La línia original està senyalada com a Wild type (WT) (Dono et al. (2020) DOI: 10.1016/j.scienta.2019.108927). Genòmica i millora genètica Tema 9. 10.Millora Milloragenètica d’espècies genètica autògames d’espècies autògames RECORDATORI: Lleis de l’herència Parental donador Parental recurrent aa x AA Retro-encreuament F1 Aa x AA (Backcross) Entenem per retro-encreuament, l’encreuament de l’híbrid per una BC1 ½ Aa + ½ AA de les línies parentals (genotip x x recurrent). El retro-encreuament accelera el procés de fixació de AA AA l’homozigosi dels al·lels presents en el genotip recurrent. BC2 ¼ Aa + ¼ AA + ½ AA ¼ Aa ¾ AA x x AA AA BC3 1/8 Aa + 1/8 AA + ¾ AA 1/8 Aa 7/8 AA Figura. Fixació dels al·lels del parental recurrent en homozigosi durant el procés de retro-encreuaments successius. Genòmica i millora genètica Tema 9. Millora genètica d’espècies autògames 4. Retroencreuament (backcross, BC) Donador Recurrent X BC6 (99.2% PR) RR rr rr Rr X F1 (50% PR) X BC6S1 (99.2% PR) Rr rr BC1 (75% PR) X rr Rr RR rr Rr rr BC2 (87.5% PR) X rr Rr rr BC3 (93.75% PR) BC4 (96.87% PR) BC5 (98.4% PR) Genòmica i millora genètica Tema 9. 10.Millora Milloragenètica d’espècies genètica autògames d’espècies autògames El cas de la resistència al virus de la cullera (TYLCV) El virus de la cullera (TYLCV) és un Begomovirus de la família Geminiviridae que provoca importants pèrdues econòmiques en el cultiu del tomàquet, especialment en cultius dins d’hivernacle. El virus és transmès per la mosca blanca (Bemisia tabaci), la qual és de difícil control en aquests ambients (actualment amb l’ús de fauna auxiliar s’ha aconseguit disminuir significativament la incidència). El TYLCV ha estat històricament una de les virosis amb major impacte sobre les produccions de tomàquet, amb disminucions de la producció que poden arribar fins al 80% en cultivars susceptibles. Figura. Diferents imatges de la simptomatologia del TYLCV en tomaquera. Genòmica i millora genètica Tema 9. 10.Millora Milloragenètica d’espècies genètica autògames d’espècies autògames El cas de la resistència al virus de la cullera (TYLCV) Des dels anys 1990, la major part de varietats comercials porten intorgressat l’al·lel Ty-1 que confereix resistència al TYLCV (localitzat al cromosoma 6). Aquest al·lel prové de l’espècie silvestre Solanum chilense, i està introgressat en la major part de línies parentals que utilitzen les cases comercials per produir híbrids de tomàquet. Figura. Imatge d’una planta de Solanum chilense Figura. Fonts de resistència identificades en les espècies silvestres del tomàquet Genòmica i millora genètica Tema 9. 10.Millora Milloragenètica d’espècies genètica autògames d’espècies autògames El cas de la resistència al virus de la cullera (TYLCV) “In a breeding program, if you do not select for a trait, you randomly select against it” (Harry Klee, SOLCUC conference, 2017) Figura. Efecte de la introgressió, mitjançant la metdologia del retroencreuament, de diferents gens de resistència a virosis (Tm2a, Sw5, Ty1) en una varietat tradicional de tomàquet sobre paràmetres agronòmics i de qualitat (Rubio et al., 2016, Sci. Hortic., 198:183-190). Genòmica i millora genètica Tema 9. 10.Millora Milloragenètica d’espècies genètica autògames d’espècies autògames El cas de la resistència al virus de la cullera (TYLCV) Malgrat es tenien sospites que l’al·lel estava introgressat en una regió que recombina malament, no és fins l’any 2011 que es descobreix l’explicació de la causa (Verlaan et al. (2011) The Plant Journal 68:1093-1103). Segons els autors les varietats comercials resistents al TYLCV tenen introgressada una regió de 30 Mb específica de S. chilense. Això es deu a una inversió cromosòmica que impedeix el fenomen de la recombinació. Figura. Dibuix esquemàtic sobre la localització de diferents gens a la regió introgressada de S. Chilense a Plantes homozigòtiques per l’al·lel S. lycopersicum. b Plantes homozigòtiques per l’al·lel S. chilense. c Plantes heterozigòtiques per l’al·lel S. chilense/S. lycopersicum. (Verlaan et al. (2011) The Plant Journal 68:1093-1103). Genòmica i millora genètica Tema 9. 10.Millora Milloragenètica d’espècies genètica autògames d’espècies autògames