MEJORAMIENTO GENÉTICO MEDIANTE INDUCCIÓN DE

MEJORAMIENTO GENÉTICO MEDIANTE INDUCCIÓN DE MUTACIONES.
Enrique Suárez Crestelo. Instituto de Investigaciones del Arroz (IIArroz).
Autopista del Mediodía, Km. 16 1/2, Bauta, La Habana, Cuba. E.mail:
[email protected].
Las mutaciones son fuente de variabilidad genética en los organismos. La
variabilidad causada por las mutaciones inducidas no es esencialmente diferente
de la causada por las mutaciones espontáneas durante la evolución.
El uso directo de las mutaciones es una herramienta muy valiosa para el
mejoramiento de plantas, particularmente cuando se desea mejorar uno o dos
caracteres fácilmente identificables en una variedad bien adaptada.
Los principales métodos de utilización de las mutaciones en el mejoramiento de
plantas son las siguientes.
I. Uso de mutaciones puntuales.
1. Plantas autogamas.
a) Uso directo de de las mutaciones: uso de los mutantes como
variedades.
b) Mejoramiento por cruzamientos con mutantes.
¾ Cruce de un mutante con el parental.
¾ Cruce de diferentes mutantes del mismo parental.
¾ Cruce de diferentes mutantes de diferentes parentales.
¾ Cruce de un mutante con una variedad o línea diferente.
2. Plantas alogamas: inducción de mutaciones para incrementar la variabilidad.
3. Mejoramiento de la heterosis: inducción de mutaciones en líneas mejoradas.
Inducción de esterilidad masculina.
II. Uso de mutaciones cromosomicas.
1. Uso de translocaciones: para transferir caracteres de otras especies y
géneros.
2. Uso de translocaciones (con puntos de rompimiento conocidos) para la
producción duplicaciones “dirigidas”.
3. Diploidización de poliploides.
III. Uso de agentes mutagénicos para
mejoramiento.
1. Uso de radiación para producir haploides.
problemas
específicos
de
2. Uso de mutágenos para incrementar o reducir la frecuencia de quiasmas.
3. Uso de radiación para la producción de sexualidad transitoria en
apomícticos.
4. Uso de radiación para reducir incompatibilidad en cruces alejados.
5. Uso de mutaciones inducidas para estudios específicos de los procesos
genéticos, fisiológicos, morfológicos y bioquímicos en las plantas.
En el mejoramiento mediante inducción de mutaciones se utilizan básicamente
dos tipos de agentes mutagénicos.
1. Mutágenos químicos.
El número de mutágenos químicos es muy grande y continuamente se está
incrementando, sin embargo para propósitos de mejoramiento en plantas
cultivadas solo unos pocos son realmente útiles. La mayoría de ellos
pertenecen al grupo de los agentes alquilantes y dentro de ellos se pueden
señalar los siguientes: metanosulfonato de etilo (EMS), sulfato de dietilo (dES)
y a los compuestos nitrosos como la N-metil-N-nitrosourea (MNH). Una
sustancia química de interesantes características, cuya utilización como
inductor de mutaciones es la azida sódica.
Los principales grupos de mutágenos químicos son los que se relacionan:
a). Análogos de bases.
b). Antibióticos.
c). Agentes alquilantes.
d). Otros compuestos.
2. Radiación mutagénica.
En los últimos años existe la tendencia a incrementar el uso de las radiaciones
sobre los mutágenos químicos. Los principales tipos de radiación son los
siguientes:
a) Rayos X.
b) Radiación Gamma: Cesio137 y Cobalto60 las principales fuentes de rayos
Gamma utilizados en trabajos de radiobiología. El Cesio137 es usado en
muchas instalaciones teniendo en cuenta que tiene una vida media más
larga que el Cobalto60.
c) Radiación Ultravioleta: Tiene limitada habilidad de penetración en los tejidos
por lo que su uso en experimentos biológicos está restringido al tratamiento
de esporas o granos de polen.
d) Radiación Beta: Las partículas Beta (electrones) como de 32P y 35S
producen un efecto similar a aquellos rayos X o Gamma, pero con más baja
habilidad de penetración.
e) Neutrones: Tienen un amplio rango de energía y son obtenidos de la fisión
nuclear en un reactor nuclear con 235 U. Los neutrones han mostrado ser
muy efectivos en la inducción de mutaciones en plantas.
f) Partículas de aceleradores: Protones, deuterones, partículas alfa. Se ha
utilizado básicamente para estudios fundamentales en la determinación de
los efectos radiobilógicos.
Objetivos de la inducción de mutaciones.
Un programa de mejoramiento por inducción de mutaciones exitoso debe tener
claramente definidos los objetivos con relación a los tipos de mutantes buscados.
Los principales objetivos que se deben ser los siguientes:
1. Mejorar una o pocas características de una variedad o línea.
2. Inducir un marcador morfológico (color, aristas, etc) para establecer
la identidad de una línea promisoria para su registro como variedad.
3. Inducir esterilidad masculina o restaurar la fertilidad en líneas para la
producción de híbridos.
4. Obtener dentro de genotipos bien adaptados mutantes para
características de herencia simple útiles para el mejoramiento o para
inducir mutaciones posteriormente.
Criterios de selección de los parentales.
Para seleccionar la variedad parental que será usada el mejorador debe tener en
cuenta lo siguiente:
1. Reducir la probabilidad de introducir variabilidad debido a mezclas o
cruzamientos.
2. La variedad parental usualmente debe ser:
¾ Un cultivar recién liberado.
¾ Una línea avanzada promisoria a punto de ser liberada.
¾ Una línea avanzada promisoria o una variedad introducida que no
puede ser liberada por una limitación específica.
3. Procedencia de la semilla. Preferentemente se debe usar semilla original o
básica para evitar la contaminación. Si no se dispone de semilla de calidad
se debe incrementar el área de control no tratado para comparar y eliminar
las mezclas.
Dosis y mutágenos a emplear.
Lo recomendado es utilizar dos tipos diferentes de mutágenos y tres dosis de cada
uno de ellos más el control no tratado. Normalmente las dosis seleccionadas en
cereales causan entre el 30 y el 50 % de reducción del crecimiento en las pruebas
de laboratorio. Cuando se usan radiaciones densamente ionizantes las dosis
deben estar entre el 15 y 30 % y con mutágenos químicos entre el 10 y 30 %.
Población M1.
Existen estimados para establecer el número de semillas a tratar. Asumiendo un
90 % de probabilidad de éxito en la obtención de un mutante, ocurriendo a una
frecuencia de 1x10-3 por unidades tratadas y que cada planta debe producir tres
unidades, la cantidad de semillas a ser tratadas en la M1, considerando un 80 %
de sobrevivencia, debe ser 600 semillas. No obstante, teniendo en cuenta los
errores que pueden producirse en la estimación de las frecuencias, la severidad
del tratamiento, etc. es mejor tratar aproximadamente 10 veces más o sea unas
6000 semillas.
Generalmente se considera que los hijos primarios son los que presentan el mayor
potencial de variabilidad genética inducida. En la generación M1 se debe cosechar
una panícula del hijo primario, aunque esto dependerá de la densidad y el tamaño
de la población.
Población M2.
El manejo de la población M2 dependerá de muchos factores entre los que se
encuentran los siguientes:
¾ Cosecha de la M1: masal, por panícula, una sola semilla por panícula, etc.
¾ El tamaño de la población M2 está relacionado con el carácter buscado.
Existen caracteres que son comunes como altura de la planta, ciclo
vegetativo, etc., mientras que otros son muy raros como resistencia a
insectos y enfermedades. En Cuba normalmente utilizamos entre 10 000 y
15 000 para caracteres comunes y más de 20 000 y hasta 40 000 plantas
M2 en caracteres más difíciles de encontrar.
Aunque normalmente se considera que la generación M2 es crítica para la
selección, también la generación M3 es de gran importancia teniendo en cuenta
que aparecerán mutantes que no se expresaron en la M2.
MEJORAMIENTO GENÉTICO DEL ARROZ MEDIANTE INDUCCIÓN DE
MUTACIONES EN CUBA.
La inducción de mutaciones en el mejoramiento genético de los cultivos es una
técnica bien establecida para suplementar la variabilidad genética existente en el
germoplasma. En los últimos años se ha avanzado mucho en este campo y
cientos de mutantes han sido liberados como nuevos cultivares. En arroz, Micke et
al. (1990) reportaron la liberación, hasta ese momento, de 251 nuevas variedades
de arroz, desarrolladas con el uso de las mutaciones inducidas.
El Programa de Mejoramiento Genético del Arroz en Cuba desde su
establecimiento a inicios de la década del 70, ha utilizado básicamente la
hibridación como fuente de creación de variabilidad genética para la obtención de
nuevos cultivares. En 1989 se inició un programa de mejoramiento mediante la
inducción de mutaciones con el objetivo de mejorar algunos caracteres muy
específicos en variedades con un comportamiento general aceptable.
MATERIALES Y MÉTODOS
Esquema de mejoramiento utilizado
Semillas de la variedad seleccionada son irradiadas y sembradas en el campo
para desarrollar la generación M1 en la cual es cosechada una panícula por planta
para conformar la generación M2. Esta es sembrada en semilleros y trasplantada
al campo a los 20 – 25 días de germinada. En esta generación se realiza la
selección por planta en dependencia de los objetivos de trabajo. En la generación
M3, la semilla de cada planta M2 seleccionada es sembrada en surcos de 5 m de
longitud y separados 30 cm entre si. A partir de esta generación el programa
continúa con las evaluaciones en los diferentes estudios hasta la liberación de una
nueva variedad.
Variedades empleadas
La selección de la variedad para la irradiación depende del carácter que se
pretende mejorar. En todos los casos se debe seleccionar una variedad con un
comportamiento general satisfactorio y donde sólo sea necesario mejorar uno o
dos caracteres.
En el desarrollo del programa han sido empleadas siete variedades cuyas
principales características, así como los objetivos perseguidos con la irradiación,
aparecen descritas en la tabla 1.
Tabla 1. Variedades empleadas en el mejoramiento por inducción de mutaciones
Variedad
J 104
ECIA 91
( 6104)
Basmati
370
Gloria
Caribe 7
IACuba 19
LC 88-66
Tipo
Indica
semienana
Indica
semienana
Indica alta
Potencial de
Rendimiento
Maduración
Objetivo
Calidad del grano
Maduración temprana
Calidad del grano
Maduración temprana
Reducción de la altura
Alto
Media
Alto
Media
Bajo
Media
Indica alta
Indica alta
Bajo
Alto
Reducción de la altura
Insensibilidad al fotoperíodo
Indica
semienana
Indica
intermedia
Alto
Media
Sensible al
fotoperíodo
Media
Alto
Media
Calidad del grano
Fuentes y dosis de irradiación
Calidad del grano
Se usaron dos fuentes de radiación diferentes: Rayos gamma de Co60 y neutrones
rápidos de 14 Mev. La radiosensibilidad de las variedades fue determinada
midiendo la altura a los 21 días después de la germinación en plántulas
procedentes de semillas irradiadas y no irradiadas (control) y se calculó la
reducción del crecimiento. Las dosis de irradiación determinadas se encuentran
entre 200 - 350 Gy para rayos gamma y de 20 – 30 Gy para neutrones rápidos.
Estas dosis se corresponden con una reducción del crecimiento del 10 – 30 %.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Variabilidad genética creada
En el cultivar J 104 los objetivos de trabajo estaban encaminados a la obtención
de mutantes con buena calidad del grano y con maduración más temprana. Los
resultados mostraron una mayor variabilidad que la esperada.
En la generación M2 se seleccionaron 449 plantas, de ellas 439 presentaban
granos estrechos y cristalinos, así como maduración más temprana que la
variedad parental, mientras que las 10 restantes poseían tipo de planta compacto.
( tabla 2).
A partir de la generación M3 y hasta M6 fueron seleccionadas 458 líneas mutantes
para los estudios observacionales y 41 de ellas han sido estudiadas en los
ensayos regionales en diferentes localidades del país.
En condiciones de salinidad en Jucarito, provincia Granma se evaluaron 1 300
líneas M3 originadas a partir del tratamiento con rayos gamma de Co60 a las dosis
de 200 y 300 Gy. En la tabla 3 se muestran los resultados obtenidos por las líneas
más promisorias, que aún permanecen en estudio.
Tabla 2. Mutantes inducidos de la variedad J 104
Tratamiento
Neutrones
20 Gy
Neutrones
30 Gy
Gamma
200 Gy
Gamma
300 Gy
Total
Tipo de Selección
Grano largo
Grano
Grano
y estrecho
largo y
estrecho
grueso
No. plantas
seleccionadas
Precoces
79
42
69
-
-
7
77
44
71
-
2
-
133
24
109
-
4
2
160
31
114
16
-
1
449
141
363
16
6
10
Planta
compacta
Tabla 3. Líneas mutantes con tolerancia a la salinidad
Rendimiento
Líneas
Seca Lluvia
J 104-N2-C53-2
J 104-G3-291-4-2
J 104-N2-59-5
J 104-N3-C107-2
J 104-G3-291-5
J 104
4.6
4.7
4.7
4.3
4.1
2.9
3.2
3.1
3.3
3.1
3.2
2
Ciclo
Seca
Lluvia
149
151
143
150
143
147
121
120
120
127
117
122
Sales totales
(ppm)
Agua Suelo
% Na
1200
1200
1200
1200
1200
1200
3-10
3-10
3-10
3-10
3-10
3-10
2000
2000
2000
2000
2000
2000
Sal
T.o
P.g
%
Granos
enteros
R
R
R
R
R
R
R
R
MR
MR
R
MR
MR
MR
MR
MS
MR
MR
56.6
55.8
56
55.4
56
49.7
Resistencia
Una caracterización completa de 22 mutantes precoces de la variedad J 104 fue
realizada por Suárez et al. (1998) encontrándose diferencias entre 10 de los
mutantes caracterizados y la variedad J104, en lo relacionado al ciclo biológico y
la resistencia a Tagosodes orizicolus y al virus de la Hoja Blanca. (tabla 4).
Tabla 4. Características de los mutantes precoces que combinan resistencia a
Tagosodes orizicolus y el virus de la Hoja Blanca.
Nombre
o
Código
Dosis de
neutrones
rápidos
Características
del grano
Long. Gros.
%
Seca Lluvia Seca Lluvia Seca Lluvia
(mm)
(mm)
Crist
Ciclo (días)
Rendimiento Peso de 1000
(t/ha)
granos (g)
Resistencia
T.o
H.B
2980
20 Gy
101
93
3.2
5.9 29.7 27.4 7.5
2.2
95
R
3034
30 Gy
103
94
4.2
3.8 28.2 29.7 7.8
2.2
100 R
3035
30 Gy
102
93
4.9
5.3 30.0 29.3 7.8
2.2
100 R
3036
30 Gy
102
93
4.6
5.2 29.3 28.0 7.4
2.3
100 R
3039
30 Gy
104
94
4.8
4.0 30.4 29.1 7.7
2.2
100 R
3040
30 Gy
105
94
4.4
5.0 29.7 29.3 7.7
2.2
100 MR
3043
30 Gy
106
94
4.5
4.3 30.1 29.5 7.6
2.3
100 MR
3050
30 Gy
106
94
5.6
3.8 27.6 29.3 7.7
2.3
100 MR
3054
30 Gy
106
94
5.4
3.8 28.8 28.1 7.6
2.2
100 MR
3056
30 Gy
100
94
4.2
4.0 29.7 27.8 7.5
2.2
100 MR
J 104
152 121
10
4.5 31.7 31.2 7.7
2.5
29.2 MS
Leyenda:
% Crist= % de cristalinidad
T.o= Tagosodes orizicolus H.B= virus de la
Hoja Blanca
MR
MR
MR
MR
MR
MR
MR
R
R
MR
S
Teniendo en cuenta que unos de los objetivos principales era el mejoramiento de
la calidad del grano, en 1996, fueron evaluados 122 mutantes para contenido de
amilosa, temperatura de gelatinización, cristalinidad de los granos y tipo de grano.
Se observó una amplia variabilidad para todos los caracteres estudiados excepto
para el tipo de grano ya que en la generación M2 sólo se habían seleccionado
plantas con grano largo y estrecho (Suárez et al., 1999).
En el caso de las variedades Basmati 370 y Gloria, la irradiación se realizó en el
año 1993 y el objetivo principal consistía en la reducción de altura de la planta,
manteniendo las características de calidad del grano de ambas variedades.
En la generación M2 (tabla 5) fueron seleccionadas 153 plantas de las cuales 91
fueron semienanas y 62 intermedias. A partir de este material fueron
seleccionadas en la generación M3 58 líneas de Basmati 370 y 13 de Gloria. En
los estudios de observación del rendimiento se evaluaron 34 líneas de Basmati
370 y Gloria. Las líneas seleccionadas han mantenido las características de
calidad del grano de las variedades parentales, con mayor resistencia al acame y
mayor potencial de rendimiento agrícola.
Tabla 5. Mutantes inducidos de las variedades Basmati 370 y Gloria.
Tratamiento
Co60
Basmati 370
200 Gy
Basmati 370
300 Gy
Gloria
200 Gy
Gloria
300 Gy
Total
No. plantas
seleccionadas
Semienanas
Intermedias
Precoces
73
38
35
6
42
23
19
8
22
19
3
2
16
11
5
5
153
91
62
21
La irradiación de la variedad Caribe 7 se realizó en 1995 y el objetivo estaba
dirigido a obtener mutantes insensibles al fotoperíodo y que mantuvieran el resto
de las características de la variedad original.
Los resultados de la generación M2 (tabla 6) muestran que fueron seleccionadas
un total de 339 mutantes insensibles al fotoperíodo. En la generación M3 (datos no
mostrados) se evaluaron sólo 289 mutantes ya que las 50 líneas que presentaban
alta esterilidad fueron eliminadas. Se encontró una amplia variación en el peso de
los granos y en el ciclo vegetativo, mientras que para tipo de grano y tipo de planta
predominaron las formas parentales (Suárez et al., 2000)
Tabla 6. Mutantes inducidos de la variedad Caribe 7, sensible al fotoperíodo
Tratam. Insensible al Ciclo precoz
Tipo de
Peso de
Tipo de Estériles
Co 60
250 Gy
300 Gy
350 Gy
Total
fotoperíodo
29
178
132
339
( < 120 días)
0
29
17
46
grano
15
15
13
43
1000 granos
12
81
66
159
planta
11
33
8
52
2
32
16
50
En la variedad ECIA 91 (6104) irradiada con neutrones rápidos en 1991, los
resultados no fueron tan espectaculares como en el resto de las variedades
utilizadas. Sin embargo, han sido estudiadas en ensayos de observación del
rendimiento 18 líneas, de las cuales 7 permanecen en estos estudios y 2 pasaron
a los estudios regionales.
Selección de progenitores
El mejoramiento genético a través de la inducción de mutaciones no sólo persigue
la liberación directa de mutantes como variedades comerciales, ya que la
selección de progenitores para ser empleados en los Programas de Cruzamiento
también reviste una gran importancia.
En la tabla 7 se muestran los cruzamientos realizados utilizando mutantes
obtenidos por el Programa de Mejoramiento. Especial énfasis se ha puesto en los
cruzamientos que involucran a los mutantes que presentaron resistencia al virus
de la Hoja Blanca, tolerancia a la salinidad y buena calidad del grano, atendiendo
a la escasez de fuentes de resistencia y a lo complejo del mejoramiento en estos
caracteres.
Tabla 7. Cruzamientos realizados con mutantes
Variedad
parental
J 104
Gloria
Basmati 370
Total
Cruces simples
Cruces múltiples
Total
439
129
42
610
269
65
9
343
708
194
51
953
Variedades obtenidas
Otros de los resultados importantes del programa de mejoramiento mediante la
inducción de mutaciones, iniciado en 1989 ha sido la obtención de nuevas
variedades para su liberación como variedades comerciales para la producción
nacional.
Tabla 8. Variedades obtenidas a través de la inducción de mutaciones en el
cultivar J 104
Nombre
Ciclo a
Maduración
IACuba 21
Medio
IACuba 22
Medio
Principales características
•
•
•
•
IACuba 23
Medio
•
•
IACuba 27
Corto
•
•
IACuba 28
Medio
•
•
Resistencia a Pyricularia grisea
Buena calidad del grano
Alto potencial de rendimiento agrícola
Tolerancia a las bajas temperaturas
Alto `potencial de rendimiento en condiciones
de bajos insumos
Buena calidad del grano
Tolerancia al síndrome del vaneado del grano
Buena calidad del grano
Tolerancia al síndrome del vaneado del grano
Resistencia a Pyricularia grisea.
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