Sistemas de obtención de arroz híbrido de dos líneas

Recientemente se desarrollaron en China dos nuevas herramientas genéticas para aplicar en el arroz: las líneas macho-estériles genéticamente fotosensitivas (MEGFS) y las líneas macho-estériles genéticamente termo-sensitivas (MEGTS). Las alteraciones en la fertilidad de estas líneas inducidas por los factores ambientales son conocidas, en general, como macho-esterilidad genéticamente sensitiva al ambiente (MEGSA). Las líneas MEGFS y MEGTS juegan un papel importante en el desarrollo del sistema de obten-ción de arroz híbrido de dos líneas.

VENTAJAS DEL SISTEMA DE OBTENCIÓN DE HÍBRIDOS DE DOS LÍNEAS

La explotación de las líneas sensibles al ambiente para obtener arroz híbrido tiene las siguientes ventajas sobre el método clásico de tres líneas o sistema MEGC:

• Puede simplificar el proceso de producción de semillas híbridas y reducir el costo de las semillas híbridas ya que la línea B no es necesaria. Las líneas MEGSF bajo condiciones de días largos y las líneas MEGTS bajo altas tempera-turas muestran una completa esterili-dad del polen. Bajo condiciones de días cortos o de bajas temperaturas muestran una fertilidad casi normal y se pueden multiplicar por auto-fecundación (Figura 17).
• Dado que la macho-esterilidad es controlada por genes recesivos en las líneas MEGSF y MEGTS, casi todas las variedades comunes de arroz pueden fácilmente restaurar la fertilidad de esas líneas macho-estériles. Por lo tanto, la elección de los parentales para desarrollar híbridos superiores es mucho mas amplia y, como resultado, la probabilidad de obtener mejores combinaciones híbridas es mayor.
• Los genes MEGSF y MEGTS pueden ser fácilmente transferidos a cualquier cultivar de arroz para obtener nuevas líneas macho-estériles para distintos programas de mejoramiento.
• La macho-esterilidad en las líneas MEGSF y MEGTS no tiene relación con el citoplasma y la situación unitaria del citoplasma de los tipos AS podrá ser evitada.

FIGURA 17

Una planta de arroz MEGTS.
Nótese que los primeros macollos creciendo bajo condiciones de baja temperatura muestran una fertilidad normal mientras que los macollos creciendo bajo alta temperatura son maco-estériles

CARACTERÍSTICAS DE LA MACHO-ESTERILIDAD GENÉTICA INDUCIDA POR EL AMBIENTE

Líneas MEGSF

En 1973, se descubrió en China una planta macho-estéril bajo un régimen de días largos que retomó su fertilidad bajo un régimen de días cortos; era un mutante espontáneo de la variedad japonica Nong-Ken 58 y fue recono-cido como arroz MEGSF.

Las características del arroz MEGSF son:

• La etapa de sensitividad al fotoperíodo para la alteración de la fertilidad es el período de desarrollo del primordio de la rama secundaria a la formación de la célula madre del polen.
• La longitud crítica del largo del día para inducir la alteración de la fertilidad es de 13,75 a 14 horas.
• La intensidad crítica de la luz para inducir la esterilidad está por encima de 50 Lux.
• La temperatura tiene una cierta influencia en la alteración de la fertilidad; mas allá de ciertos límites de temperatura el largo del día no tendrá efecto sobre la alteración de la fertilidad como se indica en el siguiente modelo (Figura 18).

FIGURA 18

El modelo de alteración de la fertilidad de las líneas MEGSF en relación al largo del día y la temperatura

Este modelo es muy importante y útil para dirigir el desarrollo de las líneas MEGSF. La temperatura crítica alta afecta la multiplicación de la línea macho-estéril bajo las condiciones de día corto, mientras que la temperatura crítica baja afecta la fluctuación de la esterilidad de la línea MEGSF cuando es ocasionalmente expuesta a bajas temperaturas bajo condiciones de días largos. De acuerdo a este modelo hay dos puntos importantes en los programas para la obtención de líneas MEGSF. Primeramente, la temperatura baja que induce la macho-esterlidad debe ser sensiblemente baja; en segundo lugar, el rango de las temperaturas fotosensitivas (RTSF) debe ser muy amplio.

Por ejemplo el RTSF en el cual es viable la línea 7001 S es de 24 a 30°C. En el caso de Nong-Ken 58 S, la RTSF es de 26,5 a 30°C, por lo cual al ser este rango muy limitado hace que esa línea pierda valor práctico.

Líneas MEGTS

La alteración de la fertilidad de las líneas MEGTS es inducida principalmente por la temperatura. Las líneas existentes MEGTS se vuelven completamente macho-estériles bajo condiciones de altas temperaturas y recuperan su fertilidad a bajas temperaturas; el largo del día tiene poca influencia sobre la fertilidad. Las características de las líneas MEGTS son las siguientes:

• La etapa termosensitiva para la altera-ción de la fertilidad es el período desde la formación de la célula madre del polen hasta el inicio de la división meiótica.
• La temperatura crítica para inducir la macho-esterilidad es de 23 a 29°C, con variaciones entre las distintas líneas.
• Bajo condiciones críticas de tempera-tura durante tres días consecutivos las líneas MEGTS recuperan la fertili-dad masculina.

El problema práctico mas importante para la utilización de estas líneas radica en que la temperatura crítica que induce la macho-esterilidad debe ser relativa-mente baja, sobre todo en las zonas templadas.

En las zonas tropicales y sub-tropicales, las líneas MEGTS son mas útiles que las líneas MEGSF ya que el largo del día es relativamente corto y la temperatura es mas bien alta, mientras que las líneas MEGSF son preferibles para altas latitudes.

Líneas inversas de MEGSF y MEGTS

Recientemente se han encontrado dos nuevos tipos de plantas de arroz de tipo MEGSA con reacciones específicas a sus respectivos ambientes. La altera-ción de su fertilidad inducida por el ambiente es opuesta a la de las líneas mencionadas MEGSF MEGTS; por lo tanto, han sido llamadas anti-MEGSF y anti-MEGTS.

El arroz anti-MEGSF muestra una fertilidad normal en el ambiente de días largos pero es estéril en el ambiente de días cortos. El arroz anti-MEGTS pre-senta fertilidad de polen normal en condiciones de altas temperaturas pero es estéril en ambientes de bajas tempe-raturas. Estas nuevas fuentes de macho-esterilidad pueden ser usadas de acuerdo a diferentes condiciones climáticas locales.

DESARROLLO DE LÍNEAS MEGSA

Desde que se descubrieron las líneas MEGSF ha sido obtenido un gran número de líneas MEGSA transfiriendo los genes MEGSF a variedades indica y japonica con distintas constituciones genéticas. Varias fuentes nuevas de líneas MEGSA han también sido obtenidas por selección o mutaciones.

Selección de materiales MEGSA en condiciones naturales

Es posible encontrar materiales MEGSA en una población grande de arroz observando cuidadosamente la etapa de maduración.

Cuando se encuentra una planta completamente macho-estéril debe ser cortada para observar en su rebrote la alteración de la fertilidad bajo condi-ciones de diferentes largos de día y de temperaturas de modo de identificar si es una planta MEGSA o simplemente una planta macho-estéril genéticamente obligatoria (MEGO).

Transferencia de genes macho-estériles de líneas MEGSA existentes

Los estudios hechos por los investiga-dores chinos han confirmado que los mismos genes MEGSF y MEGTS con diferentes constituciones genéticas pueden mostrar distintos modelos de alteración de la fertilidad en sus reac-ciones al largo del día y de la tempe-ratura. Tal fenómeno es favorable para desarrollar varios tipos de líneas MEGSA adecuadas para diferentes regiones climáticas. Los dos métodos que se describen a continuación son comúnmente usados para la trans-ferencia de genes MEGSA.

Cruzas simples seguidas por selección del pedigrí - es un método relativa-mente rápido para obtener líneas MEGSA mejoradas. Las etapas básicas son las siguientes:

• se hacen cruzas simples entre varie-dades seleccionadas y el progenitor donante de MEGSA;
• una población F2 de por lo menos 1 000 plantas debe ser cultivada bajo condiciones de días largos y altas temperaturas y las plantas completa-mente macho-estériles seleccionadas de esta población F2.
• la alteración de la fertilidad de las plantas seleccionadas es identificada en los rebrotes de las plantas bajo diferentes condiciones de largo del día y temperatura. Las semillas obtenidas por autofecundación de las plantas seleccionadas F2, tratadas con condiciones de días mas cortos y temperaturas mas bajas se recolec-tan y se siembran para su futura selección en la generación siguiente.

Método de la retrocruza - este método es usado cuando es necesario obtener solamente el gen MEGSA de una línea donante y el progenitor recurrente posee un número de características deseables pero es deficiente precisa-mente en el gen MEGSA.

Dado que la macho-esterilidad en las líneas MEGSF y MEGTS es condicio-nada por genes recesivos, comenzando de la F1, se alternan autofecundación y retrocruzas para mantener los genes macho-estériles en sucesivas genera-ciones de retrocruzas.

El método de las retrocruzas es un alternativa deseable para transferir genes macho-estériles entre sub-especies. Las incompatibilidad entre los progenitores puede ser obviada por medio de retrocruzas sucesivas.

Obtención por mutaciones

Los mutantes inducidos representan una fuente de variabilidad genética mas eficiente que el conjunto de genes conservados en la naturaleza. Es posible por este método mejorar las líneas MEGSA existentes o crear nuevas fuentes de MEGSA.

Una línea MEGTS fue desarrollada en Japón irradiando la variedad japonesa Reimei con 20 000 rad de rayos gama. En el año 1990 y después de cuatro generaciones de selección e identificación, se obtuvo la línea H89-1 de una M5 y de una M7 y fue registrada como Norin PL 12. Los resultados de la investigación en Japón revelaron que no había diferencias en la fertilidad de su polen y de sus espiguillas bajo condiciones de diferentes largos de día pero mostraron una completa esterilidad del polen bajo 31°C a 24°C y una fertilidad normal -93%- bajo regímenes de temperatura mas bajos -25°C a 18°C. Por lo tanto, Norin 12 fue clasificada como MEGTS y no como MEGSF.

Los investigadores en el IRRI indujeron un mutante MEGTS en arroz indica (IR32364-20-1-3-2) el cual tam-bién presenta esterilidad completa del polen y de la espiguilla bajo un régimen de altas temperaturas -31°C a 24°C- pero fertilidad parcial -27,3%- bajo un régi-men de temperatura mas bajo de 28°C a 21°C.

Requerimientos específicos de una línea MEGSA

Una línea MEGSA viable debe poseer características básicas similares a aquellas de una línea MEGC. Además, debe presentar las siguientes características específicas:

• contar con una población de 1 000 plantas o mas con características agronómicas específicas y estables;
• la proporción de plantas macho-estériles en la población debería ser de 100% y el grado de infertilidad, en espiguillas infértiles obtenida en condiciones de embolsado, debería ser de 99,5% o mas alta;
• las alteraciones en la fertilidad deberían ser aparentes; bajo condiciones naturales debería haber un período estable de esterilidad de 30 días de duración o mas. Durante el período fértil, se requiere una tasa de formación de semilla de 30% o mas;
• en las parcelas de producción de semillas, la tasa de fecundación cruzada de las líneas MEGSA no debería ser menor que la de las líneas MEGC existentes y usadas comercial-mente;
• la alteración de la fertilidad en una línea MEGSA debería ser seriamente probada bajo condiciones artificiales de ambientes controlados para clarificar su reacción a los foto-períodos y las temperaturas;
• el símbolo de las líneas MEGSA es S para distinguirlo de la A de las líneas MEGC.

Algunas líneas MEGTS y MEGSF han sido obtenidas y registradas en China de acuerdo con las normas establecidas (Tabla 23). El mutante japonica Nong-Ken 58 S y los mutantes indica An-Nong S-1 y Heng-Nong S-1 son las mayores fuentes de líneas MEGTS y MEGSF.

TABLA 23

Líneas MEGSF y MEGTS desarrolladas en China

DESARROLLO DE HÍBRIDOS EN EL SISTEMA DE DOS LÍNEAS

A diferencia de lo que ocurre en el sistema de tres líneas, la relación con el restaurador o con el mantenedor no es un factor limitante cuando se hacen las combinaciones en el sistema de dos líneas. Por lo tanto, existen mayores posibilidades de encontrar combina-ciones híbridas superiores.

Desarrollo de híbridos intervarietales

En el desarrollo de este tipo de híbridos no hay barreras genéticas o problemas de fertilidad; por lo tanto, es mas fácil obtener mejores híbridos intervarietales por medio de cruzamientos una vez que se conoce la línea MEGSA.

En los últimos años en China se han desarrollado exitosamente un cierto número de combinaciones híbridas intervarietales superiores aplicando el sistema de las dos líneas. Algunas de ellas como Pei-Ai 64 S/Te-Qing, K-14 S/03, N5088 S/R 187 han superado en rendimiento en un 5 a 10% a los mejores híbridos existentes.

En la actualidad, los híbridos intervarietales de arroz del sistema de dos líneas ya han sido entregados a los agricultores para su producción comercial. Durante los años 1991/93 en China fueron cultivadas mas de 100 000 hectáreas y esa área ha llegado a 2 millones de hectáreas en 1995.

Desarrollo de híbridos intersubespecíficos

Los estudios hechos por los investiga-dores chinos indican que el grado de heterosis de los distintos tipos de híbridos de arroz tiene la siguiente tendencia general:

• indica/japonica>indica/java-nica>japonica/javanica>indica/indica>japonica/japonica

En razón de presentar menos problemas de fertilidad los híbridos japonica/javanica y la calidad del grano de muchas variedades de javanica es similar en muchos aspectos, al de las variedades de japonica, por lo que es razonable considerar que el uso de la heterosis de los híbridos japonica/javanica podría ser un enfoque efectivo para aumentar el nivel de rendimiento del arroz japonica reteniendo las características de su calidad de grano. El desarrollo de híbridos indica/javanica puede jugar el mismo papel en el mejoramiento de la calidad del grano y para el rendimiento del arroz indica.

Los híbridos indica/japonica poseen el mayor potencial de rendi-miento tanto en depósitos como en recursos. Teóricamente, pueden tener una ventaja de rendimiento de 30% sobre los mejores híbridos inter-varietales existentes (Figura 19). Por lo tanto, la explotación de la fuerte heterosis de los híbridos indica/japonica ha sido el principal objetivo de los programas de obtención de híbridos en el sistema de dos líneas. Sin embargo, para llegar a ese objetivo, por lo general se encuentran cuatro barreras, comúnmente presentes en los híbridos F1, que deben ser superadas: i) semi-esterilidad; ii) heterobeltiosis en altura de planta; iii) heterobeltiosis en duración del crecimiento; y iv) escaso llenado de un cierto número de los granos fertilizados (Figura 20).

FIGURA 19

Un campo de híbridos intersubespecíficos (indica x japonica) e híbridos intervarietales (indica x indica). Nótese que el híbrido indica x japonica tiene un mayor potencial de depósito y recursos

TABLA 24

Prueba de compatibilidad amplia de Pei-Ai 64 S1 An indica una línea MEGSA con un GAC.

Hasta el momento se han hecho interesantes progresos en las investi-gaciones en esta área:

• usando un gen de amplia compati-bilidad (GAC), la baja tasa de forma-ción de semillas que ocurre en razón de la incompatibilidad entre indica y japonica puede ser llevada a niveles casi normales (Tabla 24); con genes de amplia compatibilidad han sido obtenidas un gran número de líneas MEGSA de japonica y varias de indica;
• la transferencia del mismo par alélico enano en los progenitores mascu-linos y femeninos (sobre todo DW1) puede reducir la altura de la planta de los híbridos indica/japonica a un nivel de semienana sin que los híbridos pierdan su fuerte heterosis; cruzando líneas parentales de diferente duración de crecimiento, excepto las variedades tardías sensi-bles al fotoperíodo, pueden ser obte-nidos híbridos indica/ japonica con un período de crecimiento intermedio o mas corto.

Actualmente los esfuerzos se dirigen a solucionar el problema de la falta de llenado de una parte de los granos. Es de esperar que esta barrera pueda ser superada por medio de nuevas estra-tegias de cruzamientos, incluyendo: i) uno de los progenitores tiene granos bien llenos; ii) obteniendo híbridos F12 con un tamaño de panoja medio a largo en vez de muy largo.

MULTIPLICACIÓN DE LAS LÍNEAS MACHO-ESTÉRILES Y PRODUCCIÓN DE SEMILLAS HÍBRIDAS EN LOS SISTEMAS DE DOS LÍNEAS

Multiplicación

La multiplicación de las líneas MEGSA es relativamente simple ya que en la parcela de multiplicación se siembra solo una línea en vez de dos. Sin embargo, se deben tomar algunas precauciones:

• la etapa sensitiva debería coincidir con largos de día y temperaturas favorables que aseguren un desarrollo normal del polen;
• dado que el estigma de las líneas MEGSA está por lo general bien desarrollado y exerto, es necesario un aislamiento estricto para asegurar la pureza de las semillas.

Recientemente, el Centro de Investi-gaciones sobre Arroz Híbrido de Hunan, en Changsha, China, desarrolló una nueva técnica de multiplicación de líneas de MEGTS. Los resultados indican que el agua de irrigación a una temperatura entre 19°C a 21°C durante el período sensitivo de las líneas MEGTS es una forma efectiva de hacer que las líneas inducidas de baja temperatura MEGTS sean fértiles, con un rendimiento de semilla de 1,91 t/ha cuando se cultivan en un régimen de alta temperatura del aire (35°C a 24,5°C).

Producción de semilla de híbridos

La producción de semillas del sistema de dos líneas es similar al sistema de tres líneas por lo que se deben seguir las mismas prácticas, excepto que la cantidad de ácido giberélico aplicada es mucho menor.

Dado que la alteración de la fertilidad de las líneas MEGTS es inducida por las condiciones ambientales, la tempo-rada de crecimiento debría ser cuida-dosamente considerada de modo que esas líneas permanezcan constante-mente estériles.