Estudios sobre el sistema de una línea para la obtención de arroz híbrido
La estrategia fundamental para la obtención de arroz híbrido es la simplificación de los métodos de mejoramiento y el aumento de los niveles de heterosis. Esto involucra tres fases principales: i) explotación de la heterosis de los híbridos intervarietales por medio del método de las tres líneas; ii) explotación de la heterosis de los híbridos intersubespecíficos por medio del método de las dos líneas; y iii) explotación y fijación de la heterosis de los híbridos intersubespecíficos y otros mas distantes por medio del método de una línea.
Siguiendo estas estrategias, algunos investigadores han recientemente enfatizado los estudios en el método de una línea, intentando fijar la heterosis.
Teóricamente hay varios enfoques posibles para fijar la heterosis. Algunos de los métodos que están siendo estudiados actualmente son:
Entre estos enfoques, el uso de la apomixis para fijar la heterosis del arroz ha recibido gran atención. Hoy día, la apomixis es considerada por muchos investigadores como una herramienta genética para crear excelentes híbridos de arroz que puedan producir semilla asexual generación tras generación.
En China, los estudios sobre la apomixis comenzaron a principios de la década de 1980. Hasta ahora, se han hecho trabajos en busca de materiales apomíc-ticos de arroz y estudios genéticos y embriológicos sobre esos materiales.
Cuatro líneas de plántulas gemelas, Lu 52 (japonica), Alixini (japonica), Shuang 13 (indica) y Shuang 3 (indica) que fueron seleccionadas a partir de miles de cultivares de arroz, han sido identificadas como apomíc-ticas facultativas; han sido designadas como AP I, AP II, AP III y AP IV, respectivamente (Figura 21).Las medias de la proporción de plántulas gemelas han sido, en el orden citado, de 16,1, 23,4, 32,4 y 5%, respectivamente. Sin embargo, las frecuencias de embriones adventicios en las líneas de plántulas gemelas son muy bajas -de 3 a 5 %- ya que muchas de las plántulas gemelas son originadas por embriogenia de las sinérgidas (Figura 22) o por segmenta-ción poliembriónica (Figura 23).
FIGURA 21
Plántulas gemelas y trillizas de Shuang 13 (APIII)
FIGURA 22
Embriogenia de las sinérgidas
FIGURA 23
Segmentación poliembriónica
Para incrementar la proporción de embriones adventicios así como la proporción de plántulas gemelas de las líneas de plántulas gemelas, se pueden aplicar dos métodos: i) mantener las semillas germinadas creciendo en la oscuridad de modo que los mesocotilos se elonguen y sean visibles; después seleccionar las plántulas gemelas solamente cuando cada miembro tenga su proprio mesocotilo; y ii) descascarar las semillas para germinar y seleccionar las plántulas gemelas, una de las cuales emerge de la parte central del grano. Como resultado, la frecuencia de los embriones adventicios mencionados en el párrafo anterior se incrementará de 8 a 12%.
Los estudios genéticos han mostrado que la característica de las plántulas gemelas es hereditaria, condicionada por dos pares de genes y algunos modificadores.
El arroz apomíctico Sichuan (SAR-1) fue descubierto en la F7 de la cruza Fan4/Zhong-Dan 2/Zhen-Shan 97. Los granos de polen de SAR-1 son altamente estériles pero en condiciones de aislamiento pueden producir hasta 55,33% de semillas. Después del corte de las glumas y la emasculación en agua tibia, su mayor tasa de formación de semillas fue todavía de 17,5 %.
Los estudios citoembriológicos muestran que los embriones se originan principalmente en los oocitos con duplicación automática de los cromo-somas en el saco embrionario reducido o, en algunos casos, de la superficie interna de las células de la pared del ovario.
Los dos núcleos polares se pueden dividir para formar el endosperma diploide sin fertilización. La formación autónoma del endosperma de SAR-1 es una característica valiosa, aun cuando la apomixis gametofítica después de la meiosis no puede ser usada para fijar la heterosis.
Los genes que controlan la parte-nogénesis de SAR-1 se pueden heredar y no tienen ninguna relación con los genes de fertilidad del polen.
Recientemente se han descubierto materiales apomícticos de alta frecuencia. HDAR 001 fue obtenido por un tratamiento de un rayo de iones sobre semillas secas de una plántula de una línea gemela que era a su vez la progenie de una línea de plántulas gemelas cruzada con una variedad japonica. HDAR 002 se derivó de un cruzamiento indica/ japonica. Ambas líneas se reproducen con una alta frecuencia de apomixis.
La frecuencia de apomixis es de 48% en HDAR 001 y 50% en HDAR 002, de acuerdo a observaciones de las secciones de los óvulos hechas inmediatamente antes y después de la fertilización. Los ovarios se ensanchan antes de la antesis y desarrollan embriones en forma autónoma bajo condiciones de infertilidad; pueden encontrarse grandes embriones globulares en el saco embrionario sin fertilizar uno o dos días antes y después de la antesis.
La proporción de formación de semillas de HDAR 001 es de 80 % mientras que la de HDAR 002 varía entre 58 y 85 %. Análisis de las puntas de las raíces de ambas líneas muestran un número cromosómico diploide de 2n=2x=24. Sin embargo, el origen del embrión, ya sea tanto por diplosporia o por aposporia somática, es motivo de discusión.
El mejoramiento por medio de la apomixis es un nuevo enfoque para explotar la heterosis del arroz. Dado que no existen especies apomícticas de arroz, la solución se debe encontrar obteniendo genes viables para la apomixis.
A fin de presentar heterosis en la F1, un arroz idealmente apomíctico debería poseer las siguientes características:
Los materiales apomícticos pueden ser buscados por dos medios: i) encontrando plantas individuales que pudieran ser macho-estériles o de baja fertilidad pero que puedan producir espontáneamente una buena cantidad de semillas, cruzándolas con marca-dores dominantes y seleccionando las plantas que presentan solo las carac-terísticas de las plantas femeninas entre los híbridos F1; o ii) cruzando arroz cultivado con especies salvajes y seleccionando individuos con una alta proporción de partenocarpia de las plantas F1 con polen muy estéril.
Las plántulas que germinan de semillas poliembriónicas son llamadas plántulas poliembriónicas. Una planta poliem-briónica es la principal expresión de un embrión adventicio en arroz; la selec-ción de plántulas poliembriónicas de un gran número de cultivares es una de las formas posibles de obtener mate-riales apomícticos. Es necesario trabajar aún en embriología para tener la certeza de que las plántulas poliembriónicas obtenidas son apomícticas, mientras que son necesarios estudios genéticos para identificar sus características apomícticas.
Es posible transferir los genes apomícticos existentes de especies de gramíneas cercanamente emparentadas con el arroz por medio de cruzamientos con la ayuda del cultivo de tejidos o por otros medios de la biotecnología.
Por ejemplo, la técnica de la reacción en cadena de la polimerasa puede ser adoptada para marcar los genes apomícticos en las especies donantes y para seguirlos durante el proceso de mejoramiento de modo que los genes apomícticos puedan ser exitosamente transferidos en las líneas de arroz seleccionadas.
Recientemente se obtuvo un mutante con un embrión cigótico abortivo por medio de un tratamiento con 0,1% de sulfonato de etil metilo. La fertilización del mutante es normal, con un endo-sperma bien desarrollado, pero el embrión cigótico aborta y la semilla no puede germinar. Los estudios genéticos muestran que la mortalidad del embrión cigótico es gobernada por un par de genes recesivos.
Los estudios embriológicos de las líneas de plántulas gemelas revelan que la proporción de embriones adventicios en algunas plantas puede llegar hasta el 40%, pero que muchos embriones adventicios no maduran a causa de la competencia con el embrión cigótico.
Parece ser posible incrementar la frecuencia de los embriones maduros adeventicios hasta 40% introduciendo la característica de un embrión cigótico letal a la apomixis facultativa existente en líneas de gemelas de modo de eliminar la presión de la competencia del cigoto. Si se pudiera llegar a ello, este material podría ser usado como una herramienta genética para la fijación de la heterosis del arroz.