Suport de Curs Biotehnologii

Radu SESTRAŞ

Ameliorarea plantelor Suport de curs pentru studenţii de la specializarea Biotehnologii Agricole

Editura AcademicPres Cluj-Napoca

2013

Capitolul

1

AMELIORAREA PLANTELOR – ŞTIINŢA OBŢINERII DE NOI CULTIVARURI 1.1. DEFINIŢIA, OBIECTUL ŞI IMPORTANŢA AMELIORĂRII PLANTELOR Ameliorarea plantelor este ramura biologiei care se ocupă cu ştiinţa şi practica creării de noi cultivaruri la speciile agricole. Termenul „cultivar” este o noţiune relativ nouă, dar consacrată deja în limbajul de specialitate, care desemnează, de regulă, soiul sau hibridul comercial. Noile cultivaruri de de cereale, plante tehnice şi medicinale, viţă de vie, pomi şi arbuşti fructiferi, legume şi plante ornamentale, trebuie să depăşească, prin caracteristicile lor de productivitate, calitate, adaptabilitate, rezistenţă la boli şi dăunători etc. vechile soiuri şi hibrizi existenţi în cultură, şi prin urmare, să-i înlocuiască. Ca disciplină biologică, ameliorarea plantelor are atât un caracter teoretic, cât şi unul aplicativ. Caracterul teoretic, de ştiinţă, al ameliorării plantelor poate fi argumentat prin următoarele considerente: a) disciplina are un obiect de cercetare propriu, specific, reprezentat de „cultivar”, acesta reprezentând ţelul final al activităţii de ameliorare. b) disciplina are metode proprii de investigare ştiinţifică, între acestea fiind incluse diferite scheme de selecţie, analize hibridologice etc. c) în cadrul disciplinei există mijloacele şi posibilitatea de se elabora legi şi principii directoare pentru activitatea sa ulterioară. Caracterul aplicativ al ameliorării plantelor rezultă din însuşi obiectivul final al acestei ştiinţe: îmbunătăţirea continuă a caracteristicilor şi însuşirilor valoroase din punct de vedere economic ale plantelor, prin crearea de noi soiuri şi hibrizi, superiori celor existenţi deja în cultură, care să poată fi folosiţi în producţie pe areale cât mai extinse. Ameliorarea plantelor are o deosebită importanţă teoretică şi practică. Importanţa teoretică derivă din sinteza rezultatele experimentale obţinute în cadrul disciplinei, din succesele şi eşecurile înregistrate de-a lungul timpului în activitatea de selecţie şi cultivare a unor noi forme, îmbunătăţite faţă de cele vechi. Ameliorarea plantelor a contribuit la o mai profundă înţelegere a fenomenelor ce au loc în lumea vie, la îmbogăţirea 2

ştiinţelor biologice cu noi elemente teoretice şi la concretizarea legilor şi principiilor care o diferenţiază pe ea însăşi ca disciplină teoretică şi practică. În acest fel, disciplina contribuie la dezvoltarea patrimoniului ştiinţific universal al omenirii. Ca activitate conştientă desfăşurată de om, ameliorarea plantelor are o vechime considerabilă. Primele mărturii despre cultivarea plantelor datează de circa 5-6 mii de ani în urmă, şi în lipsa altor date, se poate afirma că şi ameliorarea plantelor are aceeaşi vechime, întrucât alegerea unei plante din flora spontană şi cultivarea ei conştientă a constituit şi primul act de selecţie, de îmbunătăţire a acelor caracteristici ale plantelor care îl interesau pe om. Au fost necesare aproape şase milenii pentru ca omenirea să poată ajunge la o înţelegere ştiinţifică a fenomenelor legate de procesul selecţiei, marcându-se astfel momentul în care ameliorarea plantelor devine o ştiinţă. Pentru desăvârşirea ca ştiinţă a ameliorării, în timp, alături de contribuţia unor amelioratori anonimi au activat adevărate personalităţi ştiinţifice care au pus bazele acestei discipline biologice. Charles Darwin, naturalist englez, poate fi amintit ca unul dintre pionierii în acest domeniu. Vasta operă a lui Darwin, şi în mod deosebit lucrările sale intitulate “Originea speciilor sub influenţa selecţiei naturale” (1859) şi “Variabilitatea animalelor şi plantelor în condiţii de domesticire” (1868), cuprind prima teorie ştiinţifică asupra evoluţiei speciilor. Aceste lucrări au pus bazele ştiinţelor biologice moderne, în general, şi a ştiinţei ameliorării plantelor şi animalelor, în special, îmbogăţind astfel patrimoniul gândirii creatoare a omenirii. Darwin a introdus câteva concepte noi în biologie, ca: ereditate, variabilitate, supravieţuire, selecţie naturală şi artificială, lupta pentru existenţă etc. Evident, o importanţă deosebită pentru evoluţia ştiinţelor biologice au avut lucrările efectuate de Gregor Mendel (1822-1884), recunoscut drept fondatorul geneticii ca ştiinţă. Prin lucrarea sa, „Cercetări asupra hibridării plantelor”, publicată în 1865, Mendel a fundamentat primele legi ale eredităţii, recunoscute, însă, abia în 1900, când Correns, Tschermak şi De Vries le-au redescoperit, lucrând independent unul de altul. După redescoperirea legilor mendeliene ale eredităţii şi fundamentarea teoriei cromozomiale a eredităţii, activitatea de ameliorare a plantelor a cunoscut un impuls deosebit, remarcându-se prin lucrările desfăşurate în continuare în domeniu savanţi precum Johannsen, East, Nilsson-Ehle, Vavilov ş.a. Pe lângă importanţa teoretică, ameliorarea plantelor are o deosebită importanţă practică. Multitudinea soiurilor şi hibrizilor de cereale, sfeclă, cartof, viţă de vie, pomi, arbuşti fructiferi, legume etc., cultivate de la începuturile agriculturii şi până în zilele noastre, schimbările sortimentale 3

survenite pe parcursul acestei lungi perioade de timp se datorează, aproape în exclusivitate, ameliorării plantelor. Hrana omului zilelor noastre, ca şi a celui din antichitate, este în mare măsură dependentă de plante. Plantele sunt, de asemenea, o sursă importantă – directă sau indirectă – de materiale textile, medicamente, combustibili, materiale de construcţii etc. Datorită acestor considerente este explicabil faptul că omul a încercat, din totdeauna, să obţină forme noi de plante, să îmbunătăţească permanent vechile soiuri, să creeze noi cultivaruri care să corespundă într-un grad cât mai înalt cerinţelor sale (de hrană, calitate etc.). În faţa omenirii s-a ivit o nouă problemă globală, de o complexitate extremă privind menţinerea ecosistemelor naturale într-un echilibru care să asigurare continuitatea vieţii pe Pământ, şi anume, creşterea accentuată a populaţiei pe Glob, îndeosebi în ultimul secol. În prezent, comparativ cu anul 1900, populaţia Globului e mai mult decât triplă (în 1930 existau 2 miliarde oameni), iar faţă de anul 1950 mai mult decât dublă, ajungând la 7,1 miliarde. În fiecare an, numărul locuitorilor creşte cu aproape 90 de milioane. Într-un bilanţ comun al U. S. Naţional Academy of Sciences şi British Royal Society se arată că populaţia Globului creşte într-un ritm care poate duce la dublarea ei până în anul 2050. Creşterea producţiei agricole, în general, se poate realiza pe două căi: extensivă şi intensivă. Cea extensivă, prin sporirea suprafeţelor cultivate, are anumite limite fizico-geografice. Suprafeţele destinate culturilor agricole nu pot fi extinse în mod nelimitat, iar cantitatea de îngrăşăminte încorporată în sol şi gradul de mecanizare şi chimizare al lucrărilor ajung şi ele, relativ repede, la un prag deasupra căreia orice sporire cantitativă a acestora devine total neeconomică. Aceste limite au devenit şi mai stringente odată cu declanşarea şi agravarea crizei mondiale a energiei. Depăşirea lor este posibilă numai prin măsuri de creştere intensivă a producţiei agricole, concretizate în crearea de noi soiuri şi hibrizi capabili să valorifice la maximum atât condiţiile naturale cât şi pe cele tehnologice, puse la dispoziţia lor de către om. Implicaţiile cultivării unor astfel de soiuri şi hibrizi se vor resimţi nu numai în nivelul mai ridicat al producţiei agricole ci şi în alte domenii ale activităţii social-economice ca: economisirea resurselor de energie, combaterea poluării mediului înconjurător şi obţinerea unor fructe şi legume „ecologice” etc. Pe plan mondial, chiar şi calea extensivă de sporire a producţiilor agricole, prin lărgirea continuă a arealelor cultivate, devine imposibilă fără ameliorarea plantelor. Faptul că astăzi, anumite culturi de legume pot fi întâlnite şi dincolo de cercul polar, că o serie de specii pomicole sâmburoase şi seminţoase au ajuns să formeze livezi masive în zonele de 4

nord ale Canadei şi Siberiei, se datorează, în mare măsură, muncii amelioratorilor care au creat şi selecţionat forme noi de plante, capabile să trăiască şi să producă în noile areale de cultură. O confirmare a importanţei ce se acordă ameliorării plantelor o constituie acordarea premiului Nobel pentru pace, în anul 1970, amelioratorului Norman Borlaug. Acest fapt are şi o valoare simbolică, fiind o recunoaştere a muncii depuse de-a lungul timpului de numeroşi amelioratori, anonimi sau cunoscuţi (unii celebri în domeniu), care şi-au adus aportul la asigurarea resurselor de trai ale omenirii.

1.2. LEGĂTURILE AMELIORĂRII PLANTELOR CU ALTE DISCIPLINE Ameliorarea plantelor are legături strânse cu numeroase discipline, unele oferind suportul teoretic sau aplicativ pentru procesul de creare de noi soiuri şi hibrizi comerciali. Obţinerea de noi cultivaruri se bazează pe variabilitate, iar pentru a înţelege cum apare această variabilitate este necesară însuşirea unor cunoştinţe fundamentale de genetică, privitoare, în special, la cauzele interne şi externe ale variabilităţii organismelor vii, la modul de transmitere ereditară a caracterelor la aceste organisme. Ecologia este o disciplină biologică deosebit de importantă pentru ameliorare, întrucât permite cunoaşterea condiţiilor de mediu, diferite atât în spaţiu cât şi în timp, în care acţionează selecţia naturală şi artificială asupra variabilităţii organismelor vii. Geobotanica este necesară în vederea alegerii judicioase a materialului iniţial de ameliorare, permiţând cunoaşterea arealului de răspândire geografică a speciei cu care se lucrează, a asociaţiilor vegetale şi a relaţiilor dintre diferite specii. Botanica sistematică furnizează amelioratorului informaţii esenţiale privind gradul de înrudire dintre diferite varietăţi, specii sau genuri, necesare în elaborarea şi realizarea lucrărilor de hibridare intraspecifică, interspecifică şi chiar intergenerică. Fitotehnia, ca ştiinţă a cultivării plantelor, este fundamentală pentru ameliorator, oferind toate datele esenţiale pentru justificarea lucrărilor de creare şi introducere în cultură a unor cultivaruri noi, modul cum trebuie efectuată testarea acestora în condiţii similare celor din producţie şi recomandarea celor mai adecvate tehnologii de cultură pentru soiurile noi. Dacă fitotehnia este disciplina în care se studiază cultura cerealelor, a plantelor tehnice şi medicinale, ampelografia, pomologia şi dendrologia sunt discipline noi, de botanică aplicată, care au luat fiinţă tocmai datorită 5

materialului biologic vast, reprezentat de zecile de mii de cultivaruri obţinute la speciile horticole de-a lungul timpului. Pentru cunoaşterea şi clasificarea acestui vast material biologic, disciplinele de botanică aplicată sunt indispensabile amelioratorului care lucrează la speciile respective. Fără cunoaşterea amănunţită a caracteristicilor de soi, la care amelioratorul face mereu apel în activitatea sa, procesul de creare de noi cultivaruri nu poate fi eficient. Alegerea genitorilor pentru hibridările artificiale, se face în funcţie de caracteristicile pe care trebuie să le prezinte noul soi, ceea ce presupune cunoaşterea exhaustivă a potenţialilor genitori de la care se pot transfera aceste caracteristici. Fiziologia plantelor reprezintă o disciplină biologică fundamentală a cărei cunoaştere este necesară în lucrările de ameliorare a plantelor, pentru înţelegerea proceselor vitale ce au loc în plante şi pentru dirijarea acestora în scopul obţinerii unor randamente biologice maxime, respectiv pentru crearea unor cultivaruri cu un potenţial biologic superior. Biochimia vegetală permite înţelegerea şi aprofundarea proceselor fiziologice vitale, până la nivelul celulei şi a constituenţilor ei chimici, de aceea, cunoştinţele furnizate de biochimie sunt absolut necesare oricărui ameliorator. Disciplinele tehnologice, cum sunt: agrotehnica, pomicultura, viticultura, legumicultura, floricultura se află într-o strânsă interdependenţă cu ameliorarea, întrucât mediul ambiant în care se dezvoltă şi produc soiurile şi hibrizii de plante este puternic influenţat de condiţiile de cultură oferite de om. Potenţialul biologic maxim al unui cultivar se poate manifesta numai în condiţii perfecte, ideale de mediu, şi respectiv de cultură. Disciplinele de protecţia plantelor, fitopatologia şi entomologia, au o importanţă majoră pentru ameliorare, fiind de altfel într-o strânsă legătură cu aceasta. Cunoaşterea biologiei agenţilor patogeni şi dăunătorilor care atacă plantele agricole, a modalităţilor de infectare sau infestare şi a mecanismelor de rezistenţă, respectiv sensibilitate, sunt absolut necesare pentru lucrările de creare a unor noi soiuri, rezistente genetic la boli şi dăunători. Biotehnologiile şi ingineria genetică sunt discipline strâns înrudite cu ameliorarea plantelor, care pot fi considerate metode de ameliorare neconvenţionale şi care se utilizează în scopul creării unui material biologic valoros, obţinut prin intervenţia directă a omului asupra genomului plantelor. Aceste metode neconvenţionale se pot utiliza în ameliorare în diferite moduri, de la înmulţirea „in vitro” a plantelor, exploatarea variabilităţii somatice, identificarea polimorfismului existent la nivelul speciilor sau cultivarurilor etc., până la scurtarea procesului clasic 6

al selecţiei sau obţinerea unor soiuri, respectiv organisme modificate genetic (OMG). În afara disciplinelor biologice enumerate mai sus, ameliorarea plantelor are legături interdisciplinare cu matematica, statistica biologică şi informatica, în scopul înţelegerii mai aprofundate a unor mecanisme ereditare, fiziologice sau biochimice. Analizele hibridologice şi genetice, calcularea unor parametri statistici sau genetici se bazează pe modele matematice mai mult sau mai puţin complexe, care trebuie alese în mod judicios în funcţie de particularităţile plantelor cu care se lucrează. Datele de producţie, calitate a producţiei, grad de atac cu boli sau dăunători etc. se prelucrează prin metode adecvate de analiză a varianţei, obţinându-se rezultate certe, asigurate din punct de vedere statistic şi prin care se înlătură eventualele efecte datorate mediului sau erorilor sistematice de lucru. Reţeaua Internet constituie, în momentul de faţă, un mijloc rapid de informare, schimb de informaţie şi idei între amelioratorii din întreaga lume. În sfârşit, disciplinele economice îi permit amelioratorului calcularea avantajelor economice pe care le aduc soiurile şi hibrizii noi creaţi de el şi, prin urmare, eficienţa economică rezultată în urma introducerii în cultură a unor noi cultivaruri, mai productive, cu o calitate mai bună, cu o rezistenţă superioară la atacul bolilor şi dăunătorilor faţă de vechile soiuri. 1.3. ISTORICUL AMELIORĂRII PLANTELOR ÎN ROMÂNIA Ameliorarea plantelor în ţara noastră a avut loc, în timp, în mai multe etape istorice, care pot fi mai mult sau mai puţin estimate sau delimitate cronologic. Se poate afirma cu certitudine faptul că începuturile ameliorării plantelor în ţara noastră se pierd în secolele, poate mileniile, dinaintea colonizării Daciei de către romani. Se cunoaşte cu siguranţă că, în momentul ocupării Daciei de către legiunile romane, populaţia locală cunoştea şi practica, la un nivel relativ ridicat, agricultura (cu rezultate notabile pentru acea epocă şi în viticultură, pomicultură şi legumicultură). Existau, deja, soiuri şi populaţii locale de plante, atestate de descoperirile arheologice din vechile cetăţi dacice. După colonizarea Daciei, romanii au adus în noua provincie a imperiului seminţe ale unor noi specii de plante, necunoscute anterior pe aceste meleaguri, diversificând şi mai mult formele cultivate. Această perioadă, care poate fi considerată prima etapă a ameliorării plantelor din ţara noastră s-a caracterizat prin faptul că se 7

practica o selecţie artificială empirică, bazată doar pe observaţiile şi intuiţia celor ce se ocupau cu agricultura, viticultura, legumicultura sau pomicultura şi ea a durat până pe la mijlocul secolului al XIX-lea. Rezultatele acestei activităţi s-au concretizat în selecţia şi cultivarea unor soiuri şi populaţii locale valoroase, unele din ele concurând şi astăzi cu actualele soiuri autohtone şi străine de renume. Dacă din această primă perioadă, a selecţiei empirice, majoritatea populaţiilor şi soiurilor locale sau pierdut la speciile anuale, la cele perene încă se menţin unele cultivaruri cum sunt soiul de cireşe Boambe de Cotnari, merele Creţeşti, Pătule şi Domneşti, prunele Bistriţene, soiurile de struguri Tămâioasă, Galbenă, Frâncuşă, Grasă, Busuioacă ş.a. Soiurile şi populaţiile locale vechi prezintă, în afară de importanţa lor pentru producţia horticolă (unele cultivându-se încă cu succes), şi o importanţă deosebită prin fondul de gene pe care îl conţin. Astfel, în soiurile vechi este inclusă o zestre genetică de o valoare inestimabilă, pe baza căreia se pot organiza şi dezvolta noi lucrări de ameliorare a plantelor în ţara noastră. A doua etapă a dezvoltării ameliorării plantelor în România începe spre sfârşitul secolului al XIX-lea şi durează până la finele primelor douătrei decenii ale secolului al XX-lea. La începutul acestei perioade, multe din vechile soiuri nu mai corespundeau noilor cerinţe, tot mai ridicate, de productivitate şi calitate, iar datorită apariţiei unor boli şi dăunători noi, necunoscuţi până atunci în Europa, soiurile şi populaţiile locale au început să piardă tot mai mult teren. Pentru a se redresa producţia agricolă, s-a recurs la importuri masive de soiuri străine, mai ales din ţările Europei occidentale, unde lucrările de ameliorare a plantelor erau mai avansate. Din această perioadă datează, la noi, soiurile de măr Jonathan, Parmen auriu, London Pepping, soiurile de pere Cure, Favorita lui Clapp, soiurile de cireşe Fruheste der Mark, Germersdorf, Ramon Oliva, soiurile de prun Anna Späth, Reine Claude precum şi bine cunoscutele soiuri de viţă de vie Merlot, Traminer, Aligote, Riesling ş.a. Tot în această perioadă sunt importate la noi soiurile de tomate Para Vilmorin, Best of All, Minunea pieţei, soiurile de morcov Cartel şi Carotte de Paris, varza de Bruxelles ş.a. Introducerea noilor soiuri a avut o influenţă pozitivă atât asupra producţiei agricole din ţara noastră cât şi asupra dezvoltării lucrărilor de ameliorare a plantelor. Odată cu introducerea unor noi cultivaruri din străinătate, s-au înfiinţat primele câmpuri de colecţii la cereale, plante tehnice, pomi, viţă de vie, legume şi flori, necesare studierii comportării acestora în condiţiile pedoclimatice din România. Ca şi în cazul soiurilor şi populaţiilor locale vechi, autohtone, unele din soiurile importate în această 8

a doua perioadă au şi astăzi o pondere însemnată în sortimentul de plante cultivate. Ele constituie, de asemenea, un fond de germoplasmă deosebit de valoros pentru dezvoltarea actuală şi de perspectivă a ameliorării plantelor în ţara noastră. Ultima etapă, cea de-a treia, şi cea mai fecundă din istoria dezvoltării ameliorării plantelor în România, care poate fi considerată „etapa modernă”, începe odată cu organizarea, pe baze ştiinţifice, a activităţii de ameliorare a plantelor din ţara noastră. Cronologic, momentul care marchează noua etapă corespunde anului 1928, când i-a fiinţă Institutul de Cercetări Agronomice al României (I.C.A.R.). În anul 1948, în cadrul I.C.A.R.-ului, sunt organizate primele laboratoare de biologie şi ameliorare a plantelor. În anul 1957 se înfiinţează Institutul de Cercetări pentru Cultura Porumbului de la Fundulea (ICCP), iar un alt moment de referinţă în dezvoltarea lucrărilor de ameliorare în ţara noastră îl constituie anul 1961 când, prin fuzionarea ICCP şi ICAR, ia naştere Institutul de Cercetări pentru Cereale şi Plante Tehnice Fundulea ICCPT, care va deveni o prestigioasă unitate pentru cercetarea şi ştiinţa agricolă românească. Tot în 1957, odată cu înfiinţarea Institutului de Cercetări HortiViticole de la Băneasa (I.C.H.V.), apar laboratoare de ameliorarea pomilor fructiferi, a viţei de vie şi a legumelor la Staţiunile Experimentale Cluj, Valea Călugărească, Buzău, Bistriţa, Işalniţa ş.a. În 1967, în locul I.C.H.V. iau fiinţă: Institutul de Cercetări pentru Legumicultură şi Floricultură de la Vidra, Institutul de Cercetări pentru Viticultură şi Vinificaţie de la Valea Călugărească şi Institutul de Cercetări pentru Pomicultură de la PiteştiMărăcineni. Aceste institute, împreună cu reţeaua de staţiuni subordonate, acoperă, practic, toate zonele agricole, legumicole, viticole şi pomicole ale ţării, desfăşurându-şi activitatea sub îndrumarea directă a Academiei de Ştiinţe Agricole şi Silvice (A.S.A.S.), înfiinţată în 1969. Astfel, în subordinea ICCPT Fundulea funcţionează Staţiuni de Cercetare Agricole, în unele obţinându-se rezultate deosebite în ameliorarea plantelor agricole (ex. Turda, Lovrin, Suceava, Livada, Caracl, Podu Iloaiei, Valu lui Traian); în subordinea ICPP Piteşti Mărăcineni funcţionează staţiuni pomicole (Cluj-Napoca, Voineşti, Vâlcea, Bistriţa, Iaşi, Fălticeni etc.); în subordinea ICVV Valea Călugărească funcţionează staţiuni viticole (Blaj, Murfatlar, Odobeşti, Iaşi, Miniş etc.). De asemenea, există o reţea de institute în care se desfăşoară lucrări de ameliorare la cartof (ICPC Braşov), sfeclă de zahăr (ICPCSZ Fundulea), plante furajere (ICPCP Braşov), fiecare institut având staţiuni subordonate, unele fiind adevărate centre de ameliorare. 9

După anul 1989, unităţile de cercetare şi producţie din România au trecut prin momente dificile datorită lipsei fondurilor financiare necesare, având loc numeroase restructurări şi fiind numite „de cercetare şi dezvoltare”, unele fiind transformate în societăţi comerciale. Procesul de restructurare a cercetării agricole româneşti continuă şi în prezent, însă factorii de decizie trebuie să conştientizeze importanţa factorului biologic, şi necesitatea alocării rolului şi resurselor necesare pentru continuarea lucrărilor de ameliorare în ţara noastră.

10

Capitolul

2

EVOLUŢIA ŞI DIVERSITATEA PLANTELOR CULTIVATE 2.1. CENTRELE DE ORIGINE ALE PLANTELOR CULTIVATE Procesul de creştere şi dezvoltare a unui organism, cuprinzând toate stadiile şi perioadele de la începutul până la sfârşitul existenţei sale ca individualitate, poartă numele de ontogenie, iar istoria dezvoltării speciilor poartă numele de filogenie. În urma studiilor de filogenie, s-a constatat că milioanele de specii existente în prezent pe Pământ, ca de altfel şi cele dispărute, au evoluat, în timp, unele din altele. Procesele biochimice fundamentale, ereditatea şi materialul genetic al vieţii celulare (acizii nucleici - ADN şi ARN) sunt aceleaşi la toate formele de viaţă, ceea ce demonstrează faptul că toate organismele de pe Pământ, prin urmare şi plantele, au o origine comună. Plantele cultivate provin din anumite centre de origine, numite şi centre genice sau de diversificare genică. În aceste centre, variabilitatea, respectiv diversitatea genotipică şi fenotipică a speciilor este maximă, semnificând faptul că în arealele reprezentate de ele a avut loc un intens proces evolutiv. Studierea aprofundată a centrelor de origine (de diversitate genică) a plantelor cultivate a fost realizată de trei cercetători: Vavilov (1933), Jukovski (1951) şi Schmaltz (1964). Bazele conceptuale ale originii plantelor au fost fundamentate de către savantul rus Vavilov şi şcoala sa, în urma unor numeroase expediţii, efectuate timp de 20 de ani. Vavilov a adunat un imens material biologic din toate regiunile globului pământesc şi a cules numeroase informaţii privind varietatea formelor de plante şi răspândirea lor pe Glob. Pe lângă vasta operă de colectare a unor mari colecţii de plante, Vavilov a introdus noţiunile de centre genice sau centre de origine ale plantelor. Prin analiza materialului biologic adunat, Vavilov a dedus că plantele prezintă o varietate impresionantă de forme şi că pe aproximativ 1/40 din suprafaţa uscatului se întâlneşte cea mai mare diversitate de plante. Vavilov a constatat că cea mai amplă varietate de forme era situată în opt centre ale Globului aşezate, aproximativ, de-a lungul Ecuatorului şi care prezentau anumite particularităţi (Ardelean, 1986):

11

-Centrele prezintă o imensă diversitate genetică a speciilor existente, diversitate ce scade treptat spre periferie, indicând faptul că în zonă a avut loc un intens proces evolutiv. -Centrele sunt situate, în general, în regiunile platourilor înalte, continentale, unde se întâlnesc condiţii de mediu extreme (temperaturi, radiaţii ultraviolete etc.) care favorizează apariţia mutaţiilor. -Relativa izolare a centrelor a favorizat încrucişarea formelor iniţiale cu cele mutante, precum şi a celor nou apărute, mutante, între ele, amplificându-se şi mai mult variabilitatea în interiorul speciilor. -Centrele nu sunt perimetre închise ermetic, astfel că formele mutante sau poliploide au putut migra, sub o formă sau alta, în alte zone ale Globului, unde, întâlnind condiţii favorabile, s-au înmulţit şi încrucişat între ele formând centre secundare. După Vavilov, Jukovski a mai adăugat trei centre, iar Schmaltz unul, astfel că, în momentul de faţă, se acceptă existenţa a 12 centre de origine ale plantelor cultivate, după cum urmează: Centrul I (chinezesc), situat în regiunea muntoasă din centrul şi vestul Chinei. În acest centru îşi au originea: soia, meiul, ridichea, salata, vinetele, castraveţii, dudul, unele specii de păr etc. Centrul II (indo-malaezian), cuprinde partea de est a Indiei şi întreaga Malaezie. Sunt originare din acest centru lămâiul, portocalul, mandarinul, piperul, orezul, bumbacul, trestia de zahăr. Centrul III (indo-afganistanian), cuprinde nord-vestul Indiei, Afganistanul, Uzbekistanul şi Tadjikistanul. Aici îşi au originea morcovul violet, ceapa, usturoiul, spanacul, caisul, migdalul, unele specii de viţă de vie şi grâu, cânepa etc. Centrul IV (irano-transcaucazian), cuprinde Asia Mică, Transcaucazia şi Iranul. În acest centru îşi au originea unele specii de grâu, orz, secară, sfeclă, lucernă, măr, păr, cireş, vişin, castanul, bobul ş.a. Centrul V (mediteranean) cuprinde litoralul european, african şi asiatic al Mediteranei. Aici îşi au originea unele specii de grâu, bobul, lintea, măslinul, hameiul, morcovul, varza, pătrunjelul, sparanghelul etc. Centrul VI (etiopian) cuprinde Etiopia şi Somalia. Sunt originare din acest centru arborele de cafea, orezul, unele specii de grâu etc. Centrul VII (mexican şi central-american) cuprinde partea centrală şi de sud a Mexicului, America Centrală şi Insulele Antile. Aici îşi au originea tomatele, ardeiul, tutunul, arborele de cacao, fasolea, porumbul. Centrul VIII (sud-american) este localizat în nord-vestul Americii de Sud. De aici sunt originare unele specii de tomate, tutun, ananas, cartoful, arahidele.

12

Centrul IX (nord-american) a fost propus de Schmaltz (1964) şi cuprinde partea de nord a S.U.A. şi sudul Canadei. Căpşunii, floarea soarelui, unele specii de prun şi viţă de vie sunt originare din acest centru. Centrul X (australian) propus de Jukovski (1950) cuprinde întreg continentul australian. Aici s-au format bumbacul, eucaliptul ş.a. Centrul XI (euro-asiatic) cuprinde Europa şi vestul Siberiei. Aici sau format şi evoluat trifoiul roşu, unele specii de păr, prun, măr, lucerna, inul de fuior ş.a. Centrul XII (centr-african şi sud-african), propus tot de Jukovski, cuprinde Sudanul, Nigeria şi Africa de Sud. Sunt originare din acest centru gladiolele, sfecla, ricinul, unele specii de orez, sorg etc.

2.2. FACTORII EVOLUŢIEI PLANTELOR DINSPRE FORMELE SĂLBATICE SPRE CELE CULTIVATE Primele dovezi privind cultivarea plantelor, constând în diferite descoperiri arheologice (seminţe sau alte părţi de plante) făcute în Egipt, Mesopotamia, Peru, Elveţia etc. au o vechime de 5-7 mii de ani. S-a constatat că fragmentele de plante sau seminţele obţinute se deosebesc fenotipic radical de cele ale speciilor sălbatice înrudite cu ele. Aceasta înseamnă că omul a făcut selecţie din flora spontană cu mult timp înaintea datelor furnizate de arheologie asupra începuturilor unei agriculturi conştiente. Timpul necesar pentru evoluţia plantelor din formele sălbatice spre formele cultivate a fost extrem de îndelungat, şi poate fi doar aproximat. Grâul cultivat se deosebeşte radical de speciile sălbatice cu care se înrudeşte. Acestea din urmă au spicul scurt, cu rahis extrem de fragil, care să permită scuturarea seminţelor şi răspândirea speciei. Grâul cultivat a pierdut aceste caracteristici câştigând, în schimb, în ceea ce priveşte lungimea spicului, numărul de boabe în spic şi greutatea boabelor. Un exemplu asemănător l-ar putea constitui compararea speciilor sălbatice şi cultivate de măr sau de păr. De fapt, astfel de exemple furnizează toate speciile de plante cultivate ai căror strămoşi sălbatici sunt cunoscuţi, permiţând efectuarea unor asemenea comparaţii. La unele specii cultivate s-au efectuat diferite experimente pentru estimarea timpului necesar trecerii de la formele sălbatice la cele cultivate, sub acţiunea selecţiei artificiale. Experienţele făcute la fasole au încercat să reproducă evoluţia acesteia, de la formele sălbatice, târâtoare, cu boabe foarte mici, la formele cunoscute azi în cultură, cu boabe mari şi tulpini volubile sau erecte. S-a ajuns la concluzia că sunt necesare câteva sute de 13

generaţii de selecţie foarte intensă pentru a mări greutatea bobului de la nivelul formelor sălbatice abia până la nivelul primelor forme cultivate. Rezultă deci, că evoluţia plantelor cultivate a necesitat un timp foarte îndelungat, cu atât mai îndelungat cu cât diferenţele dintre speciile cultivate şi strămoşii lor sălbatici sunt mai mari. S-a ajuns la concluzia că factorii determinanţi ai evoluţiei plantelor cultivate sunt reprezentaţi de selecţia naturală şi artificială, ambele tipuri de selecţie acţionând asupra variaţiilor ereditare apărute în cadrul speciilor. Variaţiile ereditare, de tipul mutaţiilor spontane, recombinărilor genice în urma hibridărilor îndepărtate, poliploidiei etc., au apărut în cadrul speciilor şi înainte şi după luarea lor în cultură de către om. Plante purtând astfel de variaţiuni ereditare au ajuns să crească una lângă alta (întâmplător sau cultivate de om) şi să producă hibrizi naturali, sporind astfel şi mai mult variabilitatea speciei respective. Unele din noile combinaţii au fost avantajoase, pentru specie sau pentru om, altele nu. În general, tipurile mai slab adaptate condiţiilor locale, concrete de mediu, au fost eliminate de către selecţia naturală şi cea artificială, fiind admise la reproducere şi înmulţire doar tipurile superioare, care prezentau un anumit avantaj adaptiv sau reproductiv. Omul, prin selecţia artificială, aplicată la început empiric, apoi tot mai conştient, a amplificat procesele descrise anterior. Foarte adesea, selecţia practicată de om a mers în aceeaşi direcţie cu selecţia naturală, dar, nu de puţine ori, direcţiile selecţiei artificiale au fost contrare celor ale selecţiei naturale, rezultând specii de plante cultivate care nu ar putea exista fără om. Un exemplu în acest sens îl constituie unele specii ornamentale, ai căror strămoşi sălbatici au flori mici, cu petale rare, principala funcţie a florilor fiind aceea de reproducere. Pentru scopuri decorative, omul a selecţionat mutante ale acestor specii la care florile sunt “bătute”, cu un număr foarte mare de petale ce au luat naştere prin transformarea staminelor, astfel că funcţia de reproducere a florilor s-a redus sau chiar s-a pierdut complet.

2.3. CĂILE PRIN CARE AU EVOLUAT PLANTELE CULTIVATE La majoritatea plantelor cultivate este cunoscută originea şi modul lor de domesticire, dar există şi unele specii cultivate la care aceste aspecte încă nu sunt edificate. În schimb, este general admis faptul că evoluţia plantelor cultivate a avut loc pe trei căi principale, numite şi modele ale evoluţiei, şi anume: mutaţia, hibridarea interspecifică şi poliploidia. Aceste trei modele nu exclud şi alte posibilităţi de evoluţie a plantelor şi nici nu se 14

exclud reciproc. Dimpotrivă, în majoritatea cazurilor, evoluţia unei specii cultivate a avut loc prin interacţiunea celor trei modele principale amintite. Cunoaşterea căilor prin care au evoluat plantele nu are doar o importanţă istorico-teoretică, ci şi una practică, deoarece omul a copiat aceste modele din natură folosindu-le ca metode curente de ameliorare a plantelor, în scopul creării de noi cultivaruri care să satisfacă la cel mai înalt nivel cerinţele sale de hrană şi de trai. Mutaţiile spontane apărute în cadrul speciilor constituie piatra de temelie a evoluţiei plantelor. Recombinaţiile ce rezultă în urma încrucişării naturale a unor plante purtătoare de mutaţii, sporesc diversitatea asupra căreia acţionează selecţia naturală şi artificială. Uneori, o singură mutaţie poate constitui punctul de plecare al dezvoltării unei noi specii. Iată, spre exemplu, varza. Specia cultivată (Brassica oleracea), cu varietăţile capitata (de căpăţână) şi gemmifera (de Bruxelles), se deosebeşte fenotipic radical de speciile sălbatice B. rupestris şi B. insularis, întâlnite frecvent în bazinul mediteranean şi considerate strămoşii formelor cultivate. Specia cultivată şi cele sălbatice au, însă, acelaşi număr de cromozomi (2n=18) şi se încrucişează uşor între ele. Prin analiza unor astfel de încrucişări s-a dovedit experimental că formarea căpăţânii (la var. capitata) sau a verzişoarelor (la var. gemmifera) se datorează unui număr mic de gene, mutante faţă de cele ale speciilor sălbatice. Ca model al evoluţiei plantelor, mutaţia presupune două faze distincte, şi anume: a) acumularea unei vaste diversităţi genetice, datorită mutaţiilor spontane; b) menţinerea şi propagarea, de către selecţia naturală şi/sau artificială, a acelor variaţiuni ereditare care aduc un avantaj adaptiv plantei sau unul economic omului. Hibridarea interspecifică reprezintă al doilea model de apariţie a variabilităţii în cadrul speciilor, variabilitate indispensabilă oricărui proces evolutiv. Ca urmare a unor hibridări naturale, accidentale între plante aparţinând unor specii sau chiar unor genuri diferite, iau naştere hibrizi interspecifici (sau intergenerici), cu o bază genetică diferită de cea a formelor parentale. Segregarea unor astfel de hibrizi sporeşte şi mai mult diversitatea genetică asupra căreia poate acţiona selecţia naturală şi cea artificială. În generaţiile segregante ale hibrizilor interspecifici, multe recombinaţii sunt disarmonice (nu folosesc nici noului tip de plantă, nici omului) şi acestea vor fi eliminate de selecţia naturală şi artificială. Recombinaţiile armonice, folositoare, vor fi, în schimb, păstrate de către

15

selecţie, înmulţindu-se şi constituind punctul de plecare al evoluţiei unor noi specii. Căpşunul cultivat astăzi constituie un exemplu tipic de apariţie a unor noi varietăţi în urma încrucişărilor interspecifice. Înainte de descoperirea Americii, grădinarii europeni domesticiseră deja speciile autohtone de Fragaria (F. vesca, F. viridis şi F. moschata) şi le cultivau pe suprafeţe destul de mari. Până în secolul al XVIII-lea, îmbunătăţirile aduse speciilor europene au fost destul de minore datorită, în principal, lipsei unei variabilităţi ereditare evidente în cadrul acestor specii. Imediat după anul 1700, în Europa au fost aduse două specii americane de căpşun (F. virginiana şi F. chiloensis) care, însă, nu au dat rezultate prea bune în noile condiţii de cultură. Grădinarii englezi au avut inspiraţia să încrucişeze cele două specii importate, obţinând o specie nouă de căpşun, denumită Fragaria x ananassa. Aceasta avea tot 2n=56 cromozomi, ca şi cele două specii parentale, dar prezenta fructe mult mai mari şi o bună capacitate de producţie (caractere luate de la F. virginiana) alături de o bună calitate a pulpei fructelor şi o aromă caracteristică speciei F. chiloensis. Astăzi, majoritatea soiurilor de căpşun aflate în cultură aparţin speciei F. x ananassa. Probabil că cel mai nou şi mai edificator exemplu, privind rolul hibridărilor interspecifice şi intergenerice în apariţia de noi specii, îl constituie Triticalele (Triticosecale wittm.). Acestea au luat naştere din încrucişarea artificială a genurilor Triticum şi Secale, fiind unul din primele genuri de plante create de om. Obţinerea triticalelor a avut loc conform schemei următoare: Triticum aestivum (2n=42) x Secale cereale (2n=14) ↓ Hibrid intergeneric 2n=28 (tratamente cu colchicină) ↓ Triticosecale wittm. (2n=56) Soiurile de Triticale prezintă o rezistenţă sporită la cădere şi la temperaturi scăzute (caractere luate de la secară) şi o productivitate apropiată de cea a grâului, fiind destul de răspândite în agricultura unor ţări din nordul Europei. Poliploidia, ca model evolutiv, presupune apariţia variaţiunilor ereditare prin mecanismul modificării numerice a setului cromozomal de bază. 16

Plantele au, de regulă, un număr diploid de cromozomi (2n=2x) în celulele lor somatice, ceea ce înseamnă, de fapt, două seturi complete de cromozomi, unul provenit de la mamă, iar celălalt de la tată. Datorită unor defecţiuni apărute pe parcursul gametogenezei sau al reproducerii, pot lua naştere indivizi care au, în celulele lor somatice, numai un singur set de cromozomi (monoploizi) sau, dimpotrivă, indivizi cu trei, patru, cinci etc. seturi de cromozomi (triploizi, tetraploizi, pentaploizi etc.). Mărirea numărului de cromozomi prin multiplicarea propriului set cromozomal poartă numele de autopoliploidie, iar mărirea numărului de cromozomi pe baza combinării mai multor seturi cromozomale, aparţinând la două sau mai multe specii diferite, poartă numele de poliploidie hibridă sau alopoliploidie. Autopoliploizii nu au jucat un rol prea important în evoluţia plantelor cultivate, probabil datorită faptului că ei se caracterizează prin aberaţii cromozomale frecvente, însoţite de un înalt grad de sterilitate. Autopoliploizii fertili au, însă, flori, fructe şi alte părţi ale plantei mai mari, mai bine dezvoltate decât cele ale corespondenţilor lor diploizi, de aceea, la plantele agricole care se înmulţesc vegetativ, ei sunt importanţi atât pentru ameliorare cât şi pentru producţie. Această importanţă este ilustrată de faptul că la numeroase specii (viţa de vie, pomi fructiferi, plante ornamentale) se întâlnesc soiuri poliploide valoroase, prezente frecvent în sortimentul cultivat. Alopoliploizii apar în urma hibridării unor plante aparţinând la două specii diferite sau chiar unor genuri diferite. De regulă, astfel de hibrizi sunt parţial sau totali sterili. Prin dublarea numărului de cromozomi ai unui astfel de hibrid, el devine fertil şi, mai mult, se comportă constant de la o generaţie la alta. Exemplul tutunului sperăm să fie edificator în acest sens. Specia de tutun cultivat, Nicotiana tabacum (2n=48), nu apare în mod natural şi nici nu sunt dovezi că ar avea vreun strămoş sălbatic cu acelaşi număr de cromozomi. De fapt, N. tabacum este un tetraploid al genului, toate celelalte specii de Nicotiana având doar 24 de cromozomi în garnitura diploidă. Prin încrucişarea a două specii sălbatice diploide, N. silvestris şi N. tomentosa, se obţine un hibrid interspecific, tot cu 2n=24 de cromozomi, însă complet steril. Prin dublarea setului cromozomal al acestui hibrid, cu ajutorul colchicinizării, el devine fertil, constant şi deosebit de asemănător cu N. tabacum. Este evident că aceasta a fost calea pe care a luat naştere şi a evoluat specia N. tabacum din care, apoi, au fost selecţionate numeroasele soiuri cultivate astăzi.

17

De asemenea, grâul cultivat, Triticum aestivum, este o specie amfiploidă, care se presupune că s-a obţinut conform schemei următoare, prin hibridări intergenerice şi multiplicarea numărului de cromozomi: Triticum monococcum (2n=14)

x

Aegilops speltoides (2n=14)

↓ Triticum dicoccoides (2n=28)

x

Aegilops squarrosa (2n=14)

↓ Triticum aestivum (2n=42) În afara acestor trei modele principale, selecţia naturală şi driftul genetic sunt alţi factori care au avut o influenţă importantă asupra evoluţiei plantelor cultivate. Selecţia naturală este o lege caracteristică sistemelor populaţionale sau speciei, prin care sunt favorizate acele variaţii individuale care sunt utile, în primul rând, supravieţuirii speciei. În esenţă, selecţia naturală este un proces continuu, neîntrerupt, prin care are loc creşterea gradului de adaptare a populaţiilor la condiţiile de mediu. Selecţia naturală nu acţionează exclusiv la nivelul individului, deoarece evoluţia unei specii nu este asigurată de către individ, ci de către populaţie, sau de către grupările de indivizi şi de fondul de gene al acestora. Prin urmare, selecţia acţionează asupra fenotipurilor populaţiei, de regulă în sensul reducerii şi sortării variaţiilor ereditare, promovând pe acelea cu valoare selectivă ridicată, folositoare indivizilor populaţiei şi speciei. Acţiunea ei la nivelul fenotipurilor are ca efect stabilizarea celor care au cea mai ridicată capacitate de adaptare, jucând în acest fel un rol determinant în evoluţia speciilor şi echilibrul acestora în natură. Driftul genetic, sau deriva genetică, este un proces biologic întâmplător care determină schimbarea frecvenţei genelor, respectiv genotipurilor, în populaţiile mici. Acest fenomen nu este orientat într-o anumită direcţie, dar acţionează de regulă în sensul reducerii variaţiei ereditare, datorită eliminării, respectiv supravieţuirii diferenţiate a organismelor, cauzată de întâmplare. Chiar dacă efectul driftului genetic asupra populaţiilor se manifestă prin restrângerea fondului de gene, relativ rar fenomenul prezintă semnificaţie selectivă şi influenţă pregnantă asupra evoluţiei speciilor. Apariţia driftului genetic în populaţiile mici se explică prin faptul că 18

anumite combinaţii de gameţi se pot realiza întâmplător mai frecvent decât altele, spre deosebire de populaţiile mari, în care, cel puţin teoretic, toate combinaţiile de gameţi au şanse egale de realizare. Astfel, în anumite populaţii mici, un anumit genotip, fie în exces, fie în lipsă, poate modifica radical frecvenţa genelor. Aceste schimbări duc în unele cazuri la fixarea definitivă a unor gene în populaţie, cu o frecvenţă teoretică maximă (F=100%), sau, dimpotrivă, la extincţia lor definitivă din populaţie (F=0%).

2.4. CLASIFICAREA ŞI DIVERSITATEA PLANTELOR Taxonomia este disciplina care se ocupă cu teoria şi practica descrierii şi clasificării organismelor, în timp ce sistematica studiază diversitatea organismelor, în vederea clasificării lor pe baza relaţiilor şi asemănărilor dintre ele. Toate organismele sunt orânduite sau clasificate într-o anumită ierarhie, bine stabilită, principalele ranguri de taxoni admişi, în ordine descendentă fiind: - Regnul (Phyllum) - Încrengătura - Clasa (Classis) - Ordinul (Ordines) - Familia (Familia) - Genul (Genus) - Specia (Species) Specia constituie unitatea taxonomică de bază a lumii vii, care este şi o unitate biologică ce reprezintă o grupare de indivizi, variabilă ca mărime, cu strămoşi comuni, cu un areal geografic bine stabilit. Specia cuprinde în cadrul său un grup de taxoni inferiori, numiţi infraspecifici. Nu toţi taxonii infraspecifici sunt recunoscuţi de Codul Internaţional Botanic. Numele fiecărei specii este format dintr-o combinaţie binară, în care numele genului este urmat de un epitet specific (ex. Triticum aestivum, Zea mays, Vitis vinifera, Malus prunifolia, Lycopersicon esculentum, Allium cepa, Tulipa gesneriana etc.). Meritul pentru clasificarea plantelor prin aşa-numitul “sistem binominal”, îi revine lui Carl Linné (Carolus Linnaeus), renumit botanist suedez, care a trăit între 1707-1778. Linné a acordat un nume latin pentru gen şi unul pentru specie, modelul lui fiind valabil şi în zilele noastre. La plantele cultivate, specia este o unitate sistematică prea largă pentru a exprima variabilitatea intraspecifică şi legătura dintre specie şi soi. Preluarea taxonilor infraspecifici de la plantele spontane nu a fost 19

suficientă, întrucât variabilitatea plantelor cultivate este mai amplă şi sunt necesari mai mulţi taxoni. Astfel, taxonii infraspecifici utilizaţi la plante sunt numai parţial comuni, pentru speciile cultivate şi cele spontane, după cum urmează: La plantele spontane: La plantele cultivate: subspecia (subsp.) subspecia (subsp.) varietatea (var.) convarietatea (convar.) forma (f.) varietatea (var.) conculta (conc.) cultivarul (cv.) Dintre aceşti infrataxoni, cultivarul este prevăzut de Cod, ca fiind taxonul cu valoarea cea mai mică. Termenul de cultivar desemnează un ansamblu de plante cultivate, caracterizat prin anumite particularităţi morfologice, fiziologice, biochimice şi genetice, datorită cărora se deosebeşte de alte cultivaruri, particularităţi transmise relativ neschimbate de-a lungul generaţiilor de înmulţire seminală sau vegetativă. În prezent, în mod frecvent, noţiunea de cultivar este sinonimă cu cea de soi sau hibrid comercial (varietate cultivată). Fiecare cultivar se remarcă printr-o structură genetică proprie, care asigură şi caracteristicile fundamentale ale cultivarului (‘Testul DUS’): a) distinctibilitate (numită şi individualitate); b) stabilitatea; c) uniformitatea (omogenitatea). Cultivarurile aparţin, de cele mai multe ori, la o anumită specie; uneori, însă, acestea au în ascendenţă chiar două, trei sau mai multe specii diferite, având prin urmare o origine hibridă. Deşi cultivarul aparţine speciei, nu este suficientă încadrarea lui numai în acest taxon, deoarece cultivarul prezintă o anumită specificitate a propriului genom (a constelaţiei de gene), ce determină o expresie fenotipică distinctă. În consecinţă, cultivarurile sunt individualizate nomenclatural, prin denumiri proprii, comerciale, date de creator (ameliorator). Pentru evitarea confuziilor legate de apartenenţa formelor domesticite la principala unitate sistematică din care provin, numele de cultivar (cv.) urmează celui ştiinţific, de specie (în limba latină), eventual a subdiviziunilor speciei respective, ca de exemplu: Triticum aestivum cv. Arieşan, Hordeum vulgare cv. Jubileu, Beta vulgaris cv. Larissa, Malus domestica cv. Jonagold; Brassica oleracea var. capitata forma alba cv. Lares etc. În prezent, importanţa alimentară, tehnică, economică, socială etc. a cultivarurilor este atât de pregnantă, încât omenirea nu ar putea supravieţui fără acestea. Numărul cultivarurilor existente în lume este imens, la unele specii cultivate depăşind 10-20 mii (la viţă de vie, măr, trandafir etc.). 20

2.5. RISCURILE LA CARE SUNT SUPUSE PLANTELE CULTIVATE De-a lungul evoluţiei sale, omul a reuşit să transforme, în folosul său, numeroase specii de plante, din starea sălbatică în cea domestică, astfel că, după cum s-a menţionat, în momentul de faţă multe plante cultivate se deosebesc radical de cele sălbatice din care provin, existente în flora spontană (morfologic, fiziologic, biochimic, genetic, taxonomic etc.). În această etapă modernă a evoluţiei omenirii, schimbările care au loc şi în natură sunt de mare amploare. Dacă până la intervenţia directă a omului asupra plantelor diversitatea genetică la nivelul interspecific era foarte mare, dominantă în raport cu diversitatea intraspecifică, actualmente acest raport s-a modificat dramatic, astfel că la unele specii cultivate există mii sau chiar zeci de mii de genotipuri cultivate. Aceste cultivaruri, create de către om, prin selecţie artificială, posedă o structură genetică proprie, însuşiri morfofiziologice distincte, prin care se diferenţiază între ele. În afară de importanţa lor economică, aceste forme noi, obţinute în urma unei acţiuni conştiente a omului, au o importanţă marcantă şi în evoluţia speciilor. Folosirea lor la nivelul Terrei determină, în primul rând, înlocuirea altor specii pe suprafeţe apreciabile, iar în al doilea rând, creează alte tipuri de relaţii biocenoză-biotop. Prin introducerea în producţie a unor soiuri noi, se formează ecosisteme antropologice care nu se pot menţine şi stabiliza decât prin intervenţia omului. Cu toate că la plantele cultivate, în timp, au fost create numeroase cultivaruri, relativ puţine sunt foarte răspândite şi cultivate pe scară largă. În plus, datorită tendinţei amelioratorilor de a încrucişa soiurile cele mai bune între ele şi a faptului că astfel de soiuri sunt într-un număr limitat, în interiorul speciilor cultivate s-a restrâns continuu fondul de gene şi s-a „îngustat” baza genetică, existând specii în care predomină soiuri cu o zestre ereditară comună, înrudite între ele tocmai datorită faptului că provin din aceeaşi ascendenţi, sau din ascendenţi apropiaţi din punct de vedere genetic. Pentru a putea fi exprimat acest fenomen, cauzat şi de răspândirea şi cultivarea pe mari suprafeţe de teren a aceluiaşi soi, sau a unor soiuri cu o structură genetică comună, s-a introdus termenul de “uniformitate genetică”, care semnifică absenţa diversităţii fenotipice şi genotipice în interiorul unor specii. Implicaţiile acestui fenomen pot deveni la un moment dat dramatice, datorită următoarelor considerente:

21

a) O specie cu un fond de gene restrâns, poate fi periclitată de apariţia unor noi agenţi patogeni, sau rase noi (eventual, suşe de virulenţă) ale agenţilor patogeni existenţi anterior, la atacul cărora specia respectivă să fie sensibilă; în acest fel, pot apare adevărate catastrofe de producţie ca urmare a declanşării unor epidemii generalizate, sau pur şi simplu existenţa unei specii să fie pusă sub semnul întrebării. b) Datorită uniformizării genetice, îndeosebi a celei rezultate prin căi naturale, se întrerupe sau se încetineşte procesul evolutiv (dacă acest fenomen este ireversibil sau se extinde mult în timp). Pentru unele specii de plante cultivate, situaţia în anumite zone de cultură poate deveni critică la un moment dat, din cauza cultivării unui singur soi, sau a unui număr restrâns de soiuri, cu o bază genetică comună. Astfel de situaţii, în care unele specii cultivate au trecut prin momente de criză, sunt cunoscute în istoria umanităţii. Un moment de criză, foarte cunoscut şi cu grave consecinţe s-a produs în Irlanda (1845-1848), când, la cartof, în urma atacului masiv produs de Phytophthora infestans, producţia a fost compromisă timp de 3 ani consecutivi. Fenomenul a fost posibil din cauza uniformităţii genetice în interiorul speciei, determinat de cultivarea în epoca menţionată a numai 2-4 soiuri, cu o zestre ereditară comună, toate sensibile la atacul agentului patogen. Consecinţele acestei vulnerabilităţi genetice ridicate s-au concretizat prin moartea a peste 1,5 milioane de irlandezi (cartoful era un aliment de bază) şi cu migrarea altor 2-3 milioane în alte ţări. În afară de „foametea din Irlanda”, istoria a consemnat şi alte cazuri asemănătoare (Savatti şi colab., 2003): -criza grâului în SUA (1917), datorită atacului de rugină brună (Puccinia graminis); -dispariţia din cultură a soiului de orz Victoria, în SUA (1940), datorită patogenului Cochiobolus victoriae; -marea foamete din Bengal, India (1943), asociată cu atacul de pătare brună (Cochiobolus miyabeanus) la orez; -trecerea rapidă a dăunătorului Nilaparvata lugens de la biotipul 1 la biotipul 2 de orez, între anii 1974-1976, când zone întinse din Filipine şi Indonezia au fost semănate cu câteva soiuri pitice de orez. În prezent, se constată o sporire a frecvenţei cazurilor de vulnerabilitate genetică, iar consecinţele acestora se răsfrâng cu prioritate asupra plantelor cultivate, efectele asupra omenirii fiind mai mult sau mai puţin drastice. Multe dintre cele mai importante plante agricole cultivate pe Pământ au o bază genetică extrem de îngustă (restrânsă) datorată, în special, presiunii de selecţie exercitată în timp de către amelioratori. La 22

numeroase specii cultivate, cu o pondere economică substanţială în agricultura mondială, sortimentul de soiuri cultivate şi răspândite pe arii cu adevărat extinse este relativ limitat. Întrucât aceste soiuri au fost obţinute prin selecţie şi au o bază ereditară îngustă, în mare parte având şi aceeaşi origine, deoarece unele provin din genitori comuni, producţia mondială sau pe anumite suprafeţe poate fi vulnerabilă la o eventuală catastrofă (apariţia unor noi boli sau dăunători, sau a unor rase de virulenţă sporită) la atacul cărora soiurile respective să fie sensibile.

2.6. IMPORTANŢA COLECTĂRII FONDULUI DE GERMOPLASMĂ ŞI STOCĂRII ACESTUIA ÎN BĂNCILE DE GENE În mod evident, atunci când amelioratorul are nevoie în procesul de ameliorare de anumite surse de gene, respectiv de variabilitate pentru anumite caracteristici, el nu poate să se deplaseze în centrele de origine ori de câte ori trebuie să îmbunătăţească un nou caracter, la planta cu care lucrează. Pentru a avea la îndemână sursele de gene necesare creării unor noi cultivaruri, cu particularităţile dorite, s-a trecut la identificarea, acumularea şi conservarea fondului de germoplasmă util, pentru fiecare specie cultivată. Astfel, diversitatea existentă în centrele de origine ale plantelor a fost acumulată şi stocată, la scară redusă, în colecţiile de germoplasmă ale staţiunilor de ameliorare. În colecţiile de germoplasmă se urmăreşte nu numai stocarea variabilităţii naturale, ci şi a celei artificiale, în scopul evitării pierderii ei şi posibilităţii utilizării acesteia în eventuale viitoare programe de ameliorare. Selecţia practicată de om, ca proces ce exploatează variabilitatea naturală şi artificială, duce în mod inevitabil la sărăcirea (îngustarea) patrimoniului genetic al speciilor la care se aplică, la o pierdere considerabilă a variabilităţii. De fapt, aceasta înseamnă că treptat, populaţiile şi soiurile locale sunt înlocuite de soiuri “moderne”, mai productive, dar cu o bază genetică tot mai restrânsă. Un astfel de proces riscă să erodeze complet variabilitatea genetică pe care se bazează amelioratorul în munca sa, cu consecinţe greu de prevăzut pentru viitorul omenirii. De altfel, una dintre cele mai importante cauze ale vulnerabilităţii genetice o reprezintă fenomenul global de înlocuire a diverselor cultivaruri, cu o bază ereditară mai largă, cu altele noi, moderne, dar foarte omogene genetic. În timp, datorită înlocuirii lor de către noile soiuri, multe dintre soiurile vechi au fost pierdute pentru totdeauna. Şi în prezent, soiurile 23

vechi care au mai rămas în cultură sunt supuse unei presiuni accentuate, provocată de creaţiile noi ale ameliorării ştiinţifice, fiind expuse riscului de a dispărea din cultură şi de a fi pierdute. Importanţa şi valoarea genetică a fondului de germoplasmă constituit din totalitatea cultivarurilor este extrem de mare. Orice cultivaruri, chiar dacă nu mai corespund unor cerinţe moderne, impuse de producători (fermieri), prelucrători sau consumatori, legate de productivitate, calitate, rezistenţă la acţiunea factorilor de stres etc., deţin şi gene utile, favorabile manifestării unor caractere dorite de om, astfel că ele pot fi extrem de utile pentru lucrările viitoare de ameliorare genetică. Pe lângă pierderea variabilităţii datorită selecţiei artificiale, la plantele cultivate apare, după cum s-a amintit, şi riscul vulnerabilităţii genetice datorat faptului că unele soiuri foarte valoroase sunt extinse pe mari suprafeţe, însă ele pot fi uniforme din punct de vedere genetic şi susceptibile la boli, dăunători sau la condiţiile de mediu hazardate. O asemenea situaţie creează posibilitatea pierderii unui număr mare de plante, sau, în anumite condiţii, compromiterea sau calamitarea recoltei, eventual chiar riscul dispariţiei populaţiei. Riscul datorat vulnerabilităţii genetice se poate acutiza şi poate avea repercusiuni incomensurabile asupra viitorului unor specii pe Terra şi, evident, asupra viitorului omenirii. Odată cu conştientizarea riscului pe care îl prezintă pierderea definitivă a unor cultivaruri vechi, oamenii au început, de pe la mijlocul secolului XX, să organizeze aşa-numitele “bănci de gene”, care sunt, de fapt, colecţii (mondiale sau naţionale) de germoplasmă, extrem de cuprinzătoare pentru una sau mai multe specii/genuri. Conservarea resurselor genetice la plante (a genotipurilor) se poate realiza prin mijloace clasice, obişnuit în “câmpuri de colecţie”, dar fondul valoros de germoplasmă poate fi prezervat şi prin mijloace şi tehnologii moderne, cum sunt camerele frigorifice, multiplicarea “in vitro”, criostocarea etc. Astfel de “bănci de gene”, internaţionale sau naţionale, sunt: CIMMYT Mexic, pentru grâu şi porumb; Centrul FAO de la Bari, Italia, Institutul Vavilov din St. Petersburg (VIR) Rusia, Banca de resurse genetice vegetale Suceava, pentru cereale etc.

24

Capitolul 3

PARTICULARITĂŢILE BIOLOGICE ALE PLANTELOR ŞI IMPORTANŢA LOR PENTRU AMELIORARE 3.1. PRINCIPALELE PARTICULARITĂŢI BIOLOGICE CARE INFLUENŢEAZĂ METODELE ŞI TEHNICILE DE AMELIORARE A PLANTELOR În lucrările de ameliorare desfăşurate la speciilor agricole apar diferenţe de metodologie şi tehnici utilizate, în funcţie de particularităţile biologice ale acestora. Există mai multe criterii după care se pot clasifica plantele agricole, printre care: - în funcţie de ontogenia plantelor, sau ciclul de dezvoltare, plantele agricole pot fi anuale (ex. porumbul, mazărea, soia, cartoful, sfecla, tomatele, salata etc.), bienale (varza, morcovul, ceapa, usturoiul etc.), trienale (ceapa cultivată prin arpagic), perene (viţa de vie, pomii şi arbuştii fructiferi, trandafirul etc.); - în funcţie de modul de înmulţire, plantele agricole se pot înmulţi pe cale generativă, sau seminală (mazărea de grădină, fasolea pentru păstăi, tomatele, vinetele, ardeiul etc.), respectiv pe cale vegetativă, sau clonală (viţa de vie, pomii şi arbuştii fructiferi, trandafirul, lalelele, garoafele, crizantemele etc.); - în funcţie de tipul de polenizare preferat, plantele agricole pot fi autogame sau alogame; - în funcţie de tehnologia de cultură, respectiv momentul semănatului, unele specii agricole pot fi de toamnă (cereale păioase - ex. grâu, orz, secară, triticale; rapiţa etc.), sau de primăvară (ex. orzoaica de primăvară, grâul de primăvară etc.). Dacă se detaliază aspectele privind modul de înmulţire a plantelor, trebuie făcută diferenţierea între reproducerea propriu-zisă a plantelor şi înmulţirea acestora. Reproducerea plantelor, şi a organismelor vii în general, este fenomenul prin care, dintr-un organ specializat al părintelui/părinţilor iau naştere unul sau mai mulţi urmaşi asemănători (sau mai puţin asemănători) acestuia. De multe ori reproducerea este confundată cu înmulţirea. Aceasta din urmă este un fenomen mult mai general şi reprezintă, în esenţă, sporirea numărului de indivizi fără ca pentru aceasta să fie absolut nevoie de organe specializate pentru reproducere. Altoirea la 25

viţa de vie şi pomii fructiferi reprezintă un exemplu tipic de înmulţire la care nu iau parte organe specializate în reproducere. În funcţie de sistemul lor de înmulţire, organismele vii pot fi împărţite în trei mari categorii: a) Organisme amictice, care nu prezintă diferenţieri sexuale şi la care nu are loc fenomenul de fecundare şi nici cel de reproducere; din punct de vedere filogenetic, reprezintă stadiul cel mai primitiv, caracteristic organismelor inferioare (bacterii, alge, unele ciuperci) care se înmulţesc prin diviziunea celulelor, înmugurire, spori etc. b) Organisme amfimictice, la care cu ajutorul unor organe sexuale specializate se realizează fecundarea, reproducerea şi înmulţirea. c) Organisme apomictice, la care, deşi există o diferenţiere sexuală, înmulţirea are loc fără o fecundare propriu zisă. Dintre cele trei tipuri de înmulţire, plantelor superioare, deci şi celor agricole, le sunt caracteristice înmulţirea amfimictică şi cea apomictică. De multe ori, în natură, cele trei categorii de înmulţire nu sunt întotdeauna strict delimitate, unele specii prezentând două sau chiar toate cele trei tipuri de înmulţire. 3.2. ÎNMULŢIREA AMFIMICTICĂ Înmulţirea amfimictică are loc prin reproducerea sexuată a plantelor, proces care presupune contopirea, în procesul fecundării, a două celule specializate de sex opus, denumite gameţi, fenomen în urma căruia ia naştere oul sau zigotul, din care va rezulta embrionul viitoarei seminţe. La plante, gametul mascul este reprezentat de nucleul generativ al grăunciorului de polen, iar gametul femel este reprezentat de oosferă. Prin unirea celor doi gameţi, care în urma diviziunii reducţionale (meiozei) au numărul de cromozomi redus la jumătate (n), se reface la zigot structura genetică diploidă (2n), caracteristică formelor parentale. După originea gameţilor ce participă la înmulţirea amfimictică, plantele pot fi împărţite în două mari grupe: autogame şi alogame. Plantele autogame sunt cele la care, în mod preponderent, polenizarea florilor se face cu propriul lor polen, prin urmare se autopolenizează. Astfel de plante au flori hermafrodite (flori în care există atât elemente sexuale bărbăteşti, cât şi femeieşti), polenizarea străină (accidentală) având loc într-o proporţie redusă, depăşind rar 4-7% din totalul florilor. Plantele alogame sunt acelea la care, în mod preponderent, polenizarea florilor se realizează cu polen de la florile altor plante, de aceea această polenizare se mai numeşte şi încrucişată sau străină. Plantele 26

alogame dispun de anumite mecanisme care împiedică autopolenizarea şi favorizează polenizarea străină. De multe ori, aceste mecanisme nu sunt atât de severe încât să împiedice în totalitate autopolenizarea. Polenizarea străină se realizează în mod natural, prin intermediul insectelor polenizatoare (polenizare entomofilă), vântului (anemofilă), apei, atracţiei gravitaţionale a pământului etc. În funcţie de tipul de polenizare preferat, respectiv de predominanţa polenizării străine sau, dimpotrivă, predominanţa autopolenizării, plantele agricole se încadrează în autogame şi alogame, după cum urmează: Autogame Cereale: grâu, orz, ovăz, orez. Leguminoase: mazăre, fasole, soia. Plante tehnice: tutun, in. Plante legumicole: tomate, ardei, vinete, salată. Pomi fructiferi: migdal, piersic, cais, nectarin, gutui. Alogame Cereale: porumb, secară. Leguminoase: lucernă, trifoi roşu, trifoi alb. Plante tehnice: sfecla de zahăr, floarea soarelui. Plante legumicole: varza, morcovul, ceapa, ridichi, spanac. Pomi fructiferi: măr, păr, prun, cireş, vişin, nuc, alun, arbuşti fructiferi, căpşun. Viţa de vie. Clasificarea plantelor în funcţie de tipul de polenizare preferat are o deosebită importanţă, deoarece metodele de ameliorare ce se folosesc în cazul plantelor autogame sunt, în bună parte, diferite de cele aplicate la plantele alogame. Importanţa diferenţelor dintre cele două categorii de plante rezidă din consecinţele pe care autofecundarea şi, respectiv, polenizarea străină le au asupra structurii genetice a populaţiilor. Soiurile de plante autogame sunt, de regulă, compuse dintr-un amestec de biotipuri homozigote, foarte asemănătoare şi înrudite între ele, care rămân însă independente, unul faţă de celălalt, în procesul reproducerii. La astfel de plante, scopul programelor de ameliorare este acela de a obţine linia pură, cu un grad de homozigoţie cât mai ridicat. Soiurile plantelor alogame sunt populaţii alcătuite din plante heterozigote şi homozigote la care, de regulă, autopolenizarea (accidentală sau forţată) duce la o deteriorare evidentă a vigorii vegetative şi la alte efecte negative cunoscute sub denumirea generală de depresiune de consangvinizare. Heterozigoţia pare a fi una din caracteristicile genetice esenţiale ale soiurilor de plante alogame, de aceea ea trebuie fie menţinută 27

de-a lungul procesului de ameliorare, fie restaurată în finalul acestui proces. Tipul de reproducere caracteristic unei anumite specii influenţează nu numai metodele de ameliorare folosite, ci şi procedeele tehnice aplicate. De exemplu, hibridarea artificială constituie o metodă larg utilizată în scopul obţinerii unei variabilităţi mari, exploatabile prin selecţie. Uşurinţa cu care vor putea fi realizate castrarea şi polenizarea artificială, faptul că dacă o specie preferă sau, dimpotrivă, nu suportă autopolenizarea, constituie factori esenţiali în realizarea practică a hibridărilor artificiale şi chiar în stabilirea unor obiective ale programelor de ameliorare. Astfel, la speciile autogame, metodele de hibridare artificială vor viza, în primul rând, împiedicarea autopolenizării, lucru ce se va realiza prin castrarea florilor mamă înainte de ajungerea la maturitate a polenului propriu. În schimb, la speciile alogame, cunoscute ca autoincompatibile sau androsterile, lucrările de hibridare artificială vor viza, în primul rând, evitarea polenizării florilor mamă cu polen străin altul decât cel dorit de ameliorator. Acest deziderat se va realiza prin izolarea florilor mamă înainte de deschiderea acestora, fără a mai fi necesară castrarea.

3.3. MECANISME CARE ASIGURĂ PLANTELOR TIPUL DE POLENIZARE PREFERAT Atât plantele agricole autogame, cât şi cele alogame dispun de mecanisme morfologice, fiziologice şi genetice care le asigură tipul de polenizare preferat. Indiferent de tipul mecanismelor care favorizează un anumit tip de polenizare, ele nu sunt infailibile, prin urmare nu pot împiedica total autopolenizarea, la plantele alogame, sau polenizarea străină, accidentală, la cele autogame. Mecanismele genetice prezintă un grad mai ridicat de siguranţă. Mecanismele morfologice cele mai frecvente constau în amplasarea florilor femele şi mascule separat, pe aceeaşi plantă sau pe plante diferite (plante unisexuat monoice sau dioice): Monoecia – constă în existenţa unor indivizi (plante) la care apar atât flori femele, cât şi mascule, dar amplasate diferit pe plantă, deci separate între ele (ex. porumbul, nucul, alunul, castraveţii, dovlecelul). Dioecia – constă în existenţa unor plante care au numai flori femele, sau dimpotrivă, numai flori mascule (ex. cânepa, spanacul). Atât monoecia cât şi dioecia favorizează polenizarea străină, fără a exclude total autopolenizarea.

28

Constituţia florii – la unele specii, morfologia florilor favorizează un anumit tip de polenizare; de exemplu, la tomate, anterele sunt dispuse sub forma unui capişon care închide în interior stigmatul, obligând astfel autopolenizarea. Mecanismele fiziologice mai des întâlnite sunt: Protandria – constă în faptul că în floarea hermafrodită se maturează mai întâi polenul, iar după câteva zile (aproximativ 2-4 zile), când polenul îşi pierde viabilitatea, are loc şi maturarea stigmatului. Ginandria – constă în faptul că în floarea hermafrodită se maturează mai întâi stigmatul, cu 2-4 zile înaintea polenului. Atât protandria, cât şi ginandria favorizează polenizarea străină, fără a împiedica în totalitate autopolenizarea. Mecanismele morfologice şi fiziologice, descrise anterior, pot asigura plantelor un grad ridicat de polenizare cu tipul de polen preferat (propriu sau străin), dar ele nu pot împiedica total polenizarea străină accidentală, la plantele autogame, sau polenizarea accidentală cu polen propriu la cele alogame. La plantele alogame, cele mai eficiente mijloace de evitare a autopolenizării le constituie mecanismele genetice de incompatibilitate şi cele de sterilitate masculă (androsterilitate). Mecanismele de incompatibilitate genetică, atât de frecvente la unele specii de pomi fructiferi, pot fi clasificate astfel: - incompatibilitate gametofitică este provocată atât de genotipul polenului cât şi de cel al stigmatului; - incompatibilitate sporofitică este produsă numai de genotipul polenului şi este impusă acestuia de genotipul sporofitului. Incompatibilitatea gametofitică a fost descoperită de către East şi Mangelsdorf (1925) la specia Nicotiana sanderae. Ulterior s-a constatat că acest tip de incompatibilitate este deosebit de frecvent la numeroase specii alogame (varză, morcov, pomi fructiferi - măr, păr, cireş etc.). Incompatibilitatea gametofitică este determinată de o singură genă, S, care, de regulă, prezintă un număr mare de gene alelomorfe. În sistemul gametofitic de incompatibilitate, creşterea tubului polenic este foarte înceată sau chiar complet oprită într-un stigmat care conţine cel puţin o alelă S identică cu a polenului. Plantele care posedă acest sistem de incompatibilitate sunt, întotdeauna, heterozigote pentru locusul S (S1S2; S1S3; S2S3 etc.), una din alele fiind dominantă asupra celeilalte. Homozigoţia alelei recesive sau lipsa dominanţei ar fi imposibilă la o specie cu un sistem gametofitic de incompatibilitate deoarece aceasta ar însemna ca toţi indivizii speciei să fie incompatibili între ei iar specia să dispară. 29

În sistemul gametofitic de incompatibilitate se întâlnesc trei cazuri distincte (fig. 3.3.a.), şi anume: a) Incompatibilitate totală se manifestă atunci când alelele S ale sporofitului şi ale stigmatului sunt identice (fig. 3.3.a.A.). Cazul se întâlneşte cel mai frecvent la autopolenizarea plantelor alogame care posedă acest sistem de incompatibilitate (♀S1S2 × ♂S1S2 sau ♀S2S3 × ♂S2S3), motiv pentru care a şi primit numele de autoincompatibilitate sau autosterilitate. Mărul, părul, cireşul sunt exemple tipice de plante autoincompatibile (autosterile). b) Incompatibilitatea parţială (fig. 3.3.a.B.) apare atunci când doar o alelă a sporofitului este comună cu una din alelele stigmatului, deci jumătate din grăunciorii de polen sunt compatibili cu stigmatul pe care urmează să germineze (♀S1S2 × ♂S1S3; ♀S1S2 × ♂S2S3). Fenomenul se manifestă, de obicei la încrucişarea între soiuri alogame înrudite. c) Compatibilitatea deplină (fig. 3.3.a.C.) se manifestă atunci când alelele S ale sporofitului şi stigmatului sunt complet diferite (♀S1S2 × ♂S3S4; ♀S1S3 × ♂S2S4 etc.) şi se întâlneşte, obişnuit, în încrucişările între indivizi total neînrudiţi).

Fig. 3.3.a. Modele ale incompatibilităţii gametofitice (A – incompatibilitate totală; B – incompatibilitate parţială; C – compatibilitate deplină) Mecanismul genetic al incompatibilităţii gametofitice asigură plantelor alogame care-l posedă o protecţie aproape totală împotriva autopolenizării. Acest lucru este evident deoarece stigmatul şi polenul 30

aceleiaşi flori vor conţine, întotdeauna, alele S identice care vor provoca autoincompatibilitatea şi, în acelaşi timp, o incompatibilitate pronunţată cu polenul tuturor florilor de pe aceeaşi plantă sau de pe plante înrudite. Incompatibilitatea va fi cu atât mai pronunţată cu cât gradul de înrudire a plantelor ce dau polenul şi stigmatul este mai apropiat. Incompatibilitatea sporofitică este determinată de alela T din sistemul genetic ttss. Pentru polenizarea unor plante de tip Ttss, singurul polen compatibil este cel de tip ts, provenit de la plantele homozigot recesive pentru ambele gene (ttss). Polenul de tip Ts nu este compatibil datorită prezenţei alelei T, iar polenul de tip ts, provenit de la plantele Ttss, nu este compatibil deoarece prezenţa alelei T la sporofit determină aprioric incompatibilitatea polenului pe care îl produce. Androsterilitatea sau sterilitatea masculă este un alt mecanism genetic prin care, atât la plantele autogame cât şi la cele alogame, polenizarea străină devine obligatorie. Androsterilitatea nu trebuie confundată cu autoincompatibilitatea. În cazul autoincompatibilităţii (autosterilităţii), cele două tipuri de gameţi, oosfera şi polenul, sunt funcţional normali, fecundarea fiind împiedicată de procese fiziologice care frânează sau opresc complet germinarea polenului şi creşterea tubului polenic în drumul său prin stil spre oosferă. În cazul androsterilităţii, gameţii masculi (polenul) sunt nefuncţionali. De obicei, la plante, androsterilitatea este provocată de anumite aberaţii cromozomale, de acţiunea unor gene, de acţiunea unor factori citoplasmatici (plasmogene) şi, nu în puţine cazuri, de acţiunea combinată cromozomală, genică şi citoplasmatică. Androsterilitatea duce la modificări profunde ale florii şi, în special, ale organelor sexuale (stamine, grăunciori de polen). Spre deosebire de incompatibilitate, sterilitatea masculă nu apare regulat, sistematic la anumite specii. Plantele androsterile pot fi depistate sporadic în populaţiile de plante autogame şi alogame ale tuturor speciilor. Selecţia artificială este cea care păstrează formele androsterile, dacă prezintă interes pentru ameliorator; selecţia naturală, de regulă, elimină formele androsterile, foarte rapid la speciile autogame şi într-un timp mult mai îndelungat la cele alogame. Din punctul de vedere al ameliorării şi practicii horticole, prezintă importanţă următoarele tipuri de androsterilitate: nucleară (genică), citoplasmatică şi nucleo-citoplasmatică (genică-citoplasmatică). Androsterilitatea nucleară (genică) este determinată, de obicei, de una sau două gene majore în stare homozigot-recesivă. Plantele care manifestă acest tip de androsterilitate pot fi menţinute numai în stare de heterozigoţi, prin încrucişarea plantelor androsterile cu plante androfertile

31

homozigot dominante sau heterozigote pentru gena/genele care determină sterilitatea polenului: ♀ ss ♂ SS Ss = × androsteril androfertil heterozigoţi androfertili sau ♀ ss ♂ Ss 50% Ss 50% ss = + × androsteril androfertil androfertil androsteril Androsterilitatea citoplasmatică este determinată, aşa cum arată şi numele ai, de factori citoplasmatici. Plantele purtătoare a unui asemenea tip de androsterilitate nu vor produce polen însă vor putea da fructe şi seminţe dacă vor fi polenizate cu polen străin, provenit de la plantele androfertile. Seminţele F1 astfel obţinute vor da naştere numai la plante androsterile, deoarece citoplasma sterilă s-a transmis pe linie maternă. Menţinerea liniilor androsterile citoplasmatic este, relativ uşor de realizat, implicând polenizarea permanentă a acestora cu polen de la linii analoage androfertile, nerestauratoare (fig. 3.3.b.). ?

?

? Italian Red

rr S Bison rr

S

X

Bison rr

F

? Cristal Wax

X 50 % C.W.

rr S

F1

rr F

rr F

X 75 % C.W. Bison

S

X

Bison

F

BC1

rr S

rr F

X 87,5 % C.W. BC2

Bison

S

X

Bison

rr S

X

F

94 % C.W. BC3

rr F

rr S X

etc.

Fig. 3.3.b. Menţinerea unei linii androsterile la soiul de tomate Bison

rr F

etc.

Fig. 3.3.c. Obţinerea unei linii androsterile citoplasmatic la soiul de ceapă Cristal Wax, cu ajutorul retroîncrucişărilor

32

De asemenea, nu prezintă un grad ridicat de dificultate procesul de transformare a unei linii (soi) androfertile citoplasmatic într-o linie (soi) androsterilă. Acest proces implică încrucişarea soiului androfertil cu un soi androsteril citoplasmatic, nerestaurator şi apoi retroîncrucişarea repetată a hibridului obţinut cu soiul androfertil, folosit ca părinte recurent patern (figura 3.3.3c.). Androsterilitatea citoplasmatică este folosită, pe scară largă, în procesul de producere a hibrizilor comerciali de porumb, sorg, floareasoarelui, ceapă, varză, morcov ş.a. Androsterilitatea genică-citoplasmatică este determinată atât de factori genici cât şi de factori citoplasmatici. Comportarea plantelor cu un astfel de androsterilitate este diferită de a plantelor androsterile numai genic sau numai citoplasmatic. Folosite în încrucişări, ca plante mamă, ele vor da naştere unei generaţii F1 în care se vor găsi fie numai plante androsterile, fie numai plante androfertile, fie ambele tipuri de plante în raport de 1:1. Explicaţia unei astfel de comportări a fost descoperită de Jones şi Davis (1944), care au ajuns la concluzia că androsterilitatea este produsă de interacţiunea genelor cromozomale cu cele citoplasmatice. Astfel, genic, androsterilitatea este produsă de o singură genă majoră, homozigot recesivă (rr) şi numai atunci când acest genotip este însoţit de o citoplasmă care conţine şi ea factori de sterilitate S. Alela dominantă a genei, R, pe lângă faptul că determină o androfertilitate genică, are şi proprietatea de a restaura fertilitatea citoplasmei. Deci, genotipurile RR şi Rr vor avea, întotdeauna, citoplasmă fertilă F iar plantele androsterile de acest tip vor avea, obligatoriu, genotipul rr şi citoplasmă sterilă S. Există la unele specii şi plante mascul fertile de tipul rr F (fertile nerestauratoare), a căror androfertilitate se datorează exclusiv factorilor citoplasmatici, fapt ce a uşurat elucidarea mecanismului androsterilităţii de tip genic-citoplasmatic. Rapoartele de segregare amintite anterior (1:0; 1:1 şi 0:1), pot fi explicate, deci, prin constituţia genetică a plantelor androsterile şi androfertile încrucişate de către cei doi cercetători. Plantele mamă, androsterile, formează numai gameţi ce poartă atât factorii genici, cât şi pe cei citoplasmatici ai sterilităţii. Plantele tată, în funcţie de constituţia lor genică şi citoplasmatică, pot forma următoarele tipuri de gameţi: - plante androfertile, de tip F RR, care formează numai gameţi fertili şi, în acelaşi timp, restauratori ai fertilităţii citoplasmatice; - plante androfertile, de tip F Rr, formează 50% din gameţi fertili, restauratori de fertilitate citoplasmatică ( F R) şi 50% gameţi fertili, nerestauratori ai fertilităţii citoplasmatice ( F r);

33

- plante androfertile, de tipul F rr, formează numai gameţi fertili, nerestauratori ai fertilităţii citoplasmatice. La plantele care se înmulţesc vegetativ sau la cele la care recolta este reprezentată de un organ vegetativ sau de fructul propriu-zis (ceapă, varză, tomate, ardei etc.), androsterilitatea hibrizilor F1 nu prezintă o importanţă prea mare. La alte plante, la care produsul final îl reprezintă boabele (ex. mazărea), androsterilitatea hibrizilor F1 constituie o barieră majoră în calea obţinerii producţiei. În astfel de cazuri, polenizarea florilor de pe plantele F1 androsterile se poate asigura prin două căi: a) semănând hibridul F1 androsteril în amestec cu omologul său androfertil şi asigurând polenizarea; b) prin folosirea, în procesul de obţinere a seminţei comerciale hibride F1, a unei/unor linii restauratoare de fertilitate. 3.4. ÎNMULŢIREA APOMICTICĂ Înmulţirea apomictică are loc în absenţa fecundării, cu toate că acest tip de înmulţire se întâlneşte, adesea, şi la organismele cu diferenţiere sexuală. Lipsa fecundării la înmulţirea apomictică are consecinţe importante pentru plantele înmulţite pe această cale, de care amelioratorul trebuie să ţină seama: – în lipsa fecundării, gameţii nu se mai unesc pentru a reface starea diploidă a noului individ, de aceea, indivizii ce vor lua naştere apomictic din organe diploide vor fi diploizi, iar cei ce vor lua naştere din organe haploide (polen, antipode, sinergide) vor fi haploizi; – plantele obţinute pe cale apomictică, vor avea o zestre ereditară identică cu cea a părintelui din care au luat naştere. Principalele tipuri de înmulţire apomictică sunt următoarele: a) Agamospermia este o înmulţire prin seminţe care au luat naştere fără fecundare. Fenomenul prin care se obţin fructe fără fecundare poartă numele de partenocarpie sau partenogeneză. Partenogeneza este înmulţirea agamospermică în care embrionul seminţei ia naştere din celulele ou ale sacului embrionar. Dacă aceste celule nu au suferit încă diviziunea reducţională, indivizii ce vor lua naştere din ele vor fi diploizi. Dimpotrivă, dacă aceste celule ale sacului embrionar au fost deja reduse meiotic, indivizii nou formaţi vor fi haploizi. Plantele partenogenetic haploide, dacă sunt fertile, pot fi încrucişate între ele obţinându-se indivizi cu 2n cromozomi perfect homozigoţi. Acest aspect este deosebit de important mai ales la plantele la care se urmăreşte obţinerea unor linii cu un grad ridicat de homozigoţie, necesare în realizarea hibrizilor F1 comerciali. 34

Apogameţia este înmulţirea agamospermică în care embrionul seminţei ia naştere fără fecundare, din alte celule ale sacului embrionar, cel mai adesea din sinergide şi antipode. Şi apogameţia poate fi haploidă sau diploidă, în funcţie de starea în care se găsesc celulele respective în momentul când din ele încep să se dezvolte embrionul seminţei. Embrionia adventivă presupune formarea embrionilor seminţelor fără fecundare, din celule somatice situate în afara sacului embrionar (ale chalazei şi nucelei) care, fiind în apropiere, pot pătrunde în sacul embrionar şi se pot dezvolta ca embrioni. b) Înmulţirea vegetativă este o înmulţire apomictică frecvent întâlnită la plantele horticole, dar care se practică şi la cartof, prin tuberculi. Organele sau părţile de organe, pe care plantele le folosesc pentru înmulţirea vegetativă naturală, sunt mai mult sau mai puţin specializate pentru această destinaţie şi, adesea, sunt caracteristice fiecărei specii. Astfel, înmulţirea vegetativă, naturală sau artificială (efectuată de om), se poate realiza prin drajoni, stoloni, rizomi, tuberculi, bulbi, bulbili, butaşi, corzi, ramuri, muguri etc. De exemplu, căpşunii se înmulţesc prin stoloni, cartofii prin tuberculi, lalelele şi ghioceii prin bulbi, garoafele şi crizantemele prin butaşi. La pomii fructiferi şi viţa de vie, altoirea reprezintă o metodă frecventă de înmulţire, folosindu-se în acest scop muguri, ramuri sau corzi altoi. La plantele agricole, înmulţirea vegetativă nu exclude înmulţirea sexuată (amfimictică) ci, de cele mai multe ori, cele două tipuri de înmulţire acţionează concomitent. c) Înmulţirea meristematică este tot o înmulţire apomictică, artificială. În esenţă, ea constă în detaşarea unor ţesuturi sau celule meristematice, aflate în plină diviziune mitotică, şi creşterea acestora pe un mediu nutritiv adecvat. Din aceste celule sau ţesuturi vor lua naştere plantule care vor fi apoi transferate, de pe mediul nutritiv artificial, în seră sau în câmp. Cel mai adesea, ţesuturile meristematice folosite în acest tip de înmulţire sunt cele ale vârfurilor de creştere, ale calusului sau anterelor. În funcţie de starea în care se găsesc celulele folosite în acest tip de înmulţire, plantele rezultate vor putea fi diploide sau haploide. Pentru ameliorarea plantelor, înmulţirea apomictică şi, în special, înmulţirea vegetativă, prezintă avantaje deosebite. Prin înmulţirea vegetativă, o plantă valoroasă poate fi perpetuată şi înmulţită aproape fără limită, indiferent de gradul ei de heterozigoţie. Toţi urmaşii vegetativi ai unei astfel de plante vor avea o bază genetică identică cu cea a plantei mamă, reproducând fidel caracteristicile acesteia.

35

3.5. PRINCIPALELE NOŢIUNI UTILIZATE ÎN AMELIORAREA PLANTELOR În ameliorarea plantelor se utilizează o terminologie specifică, principalele noţiuni putând fi mai uşor definite în urma discutării sistemelor de reproducere şi înmulţire ale plantelor. Individul este unitatea biologică elementară, concretă, care poate da naştere, pe cale sexuată (generativă) sau asexuată (vegetativă), unor noi indivizi. Planta elită este planta aleasă (selecţionată) dintr-o populaţie supusă selecţiei, care prezintă caractere şi însuşiri valoroase, prin care satisface cerinţele urmărite de ameliorator în procesul de creare de noi cultivaruri, şi care urmează să fie înmulţită în vederea obţinerii unei descendenţe. Linia este constituită din descendenţa seminală, sexuată, a unei singure plante autogame. Dacă planta respectivă este homozigotă, descendenţa ei se va constitui aşa-numita linie pură. Familia sau familia genealogică este reprezentată de descendenţa seminală, sexuată, a unei singure plante alogame. În funcţie de structura genetică a plantei respective, indivizii rezultaţi, care compun familia genealogică, vor fi mai mult sau mai puţin heterozigoţi. Linia consangvinizată este descendenţa seminală obţinută prin autopolenizarea forţată, repetată câteva generaţii, a unei plante alogame. Clona sau clonul reprezintă descendenţa vegetativă a unei singure plante, indiferent dacă aceasta este autogamă sau alogamă, homozigotă sau heterozigotă. Toţi indivizii care compun clona vor fi, practic, identici între ei şi identici cu planta din care au luat naştere. Somaclona este descendenţa vegetativă obţinută prin multiplicarea unei celule somatice. Prin contopirea a două celule somatice (fuziune de protoplaşti) se obţine hibridul somatic. Soiul este reprezentat de un amestec omogen de linii pure valoroase (la plantele autogame) sau de familii valoroase (la plantele alogame) care păstrează, de-a lungul generaţiilor de înmulţire, anumite caracteristici definitorii prin care se deosebeşte de alte soiuri. Biotipul reprezintă o grupă de indivizi identici genotipic şi fenotipic. Soiurile plantelor autogame vor fi, deci, alcătuite din mai multe biotipuri homozigote, iar soiurile plantelor alogame din mai multe biotipuri heterozigote. Hibridul comercial este obţinut, de regulă, prin încrucişarea unor linii pure (la plantele autogame) sau linii consangvinizate (la plantele alogame) şi se caracterizează prin plante cu o deosebită uniformitate 36

fenotipică, chiar dacă din punct de vedere genotipic plantele respective sunt heterozigote. La hibrizii comerciali, caracteristicile superioare de productivitate, calitate, adaptabilitate etc. se datorează tocmai vigorii hibride (heterozisului) ce rezultă în urma unei încrucişări. Datorită segregării, hibrizii comerciali nu pot fi menţinuţi de la o generaţie la alta decât prin repetarea încrucişării dintre formele parentale ce-i compun. Populaţia reprezintă, în cadrul fiecărui gen sau specie, o grupă de indivizi înrudiţi, însă nu în mod obligatoriu identici genotipic şi fenotipic. Populaţia poate fi reprezentată de oricare din categoriile sistematice amintite anterior, cu excepţia individului. Acesta face parte din populaţie, dar niciodată nu poate reprezenta singur populaţia respectivă. Cultivarul este definit ca un ansamblu de indivizi cultivaţi, care au caractere şi însuşiri proprii (morfologice, fiziologice, biochimice ş.a.) pe care le menţin constante de-a lungul generaţiilor de înmulţire sexuată sau asexuată. După cum rezultă din definiţie, cultivarul este o noţiune mult mai largă care poate cuprinde, practic, linia, familia, clona, soiul, hibridul comercial, cu condiţia ca acestea să fie cultivate în scopuri agricole sau horticole şi să aibă caracteristici definitorii care să le deosebească de alte cultivaruri.

37

Capitolul

4

OBIECTIVELE AMELIORĂRII PLANTELOR ŞI POSIBILITĂŢILE GENETICE DE REALIZARE A ACESTORA 4.1. CLASIFICAREA OBIECTIVELOR URMĂRITE ÎN AMELIORAREA PLANTELOR Scopul final al programelor de ameliorare a plantelor constă în crearea de soiuri şi hibrizi noi, superiori celor existenţi în cultură. Superioritatea noilor soiuri şi hibrizi trebuie să se manifeste printr-o productivitate, calitate, adaptabilitate etc. îmbunătăţite faţă de cele ale vechilor soiuri şi hibrizi cultivaţi. Totalitatea însuşirilor pe care cercetătorul urmăreşte să le îmbunătăţească prin procesul de ameliorare, reprezintă ţelurile sau obiectivele ameliorării. După gradul lor de generalitate, obiectivele ameliorării plantelor pot fi grupate în trei mari categorii: a) Obiective generale, urmărite, în procesul de ameliorare, la toate sau la marea majoritate a speciilor agricole. Din această categorie fac parte: productivitatea, calitatea, adaptabilitatea, rezistenţa la boli şi dăunători etc. b) Obiective specifice, urmărite, în procesul de ameliorare, numai la anumite specii agricole, în funcţie de particularităţile lor biologice, de producţie, de consum sau de prelucrare. În această categorie sunt cuprinse: rezistenţa la ger şi iernare, rezistenţa la secetă, rezistenţa la transport şi păstrare, pretabilitatea la anumite tipuri de prelucrări industriale etc. c) Obiective speciale, urmărite, în procesul de ameliorare, numai pentru anumite soiuri, de obicei specializate în anumite direcţii de producţie. Din această categorie de obiective se pot aminti: pretabilitatea la cultura în adăposturi, adaptabilitatea la soluri sărăturate, înflorirea remontantă etc. 4.2. PRODUCTIVITATEA Sporirea potenţialului de producţie rămâne unul dintre cele mai importante obiective de ameliorare, deoarece plantele agricole, ca specii cultivate, contribuie la asigurarea resurselor de hrană ale omenirii. Oricâte 38

caracteristici valoroase prezintă un soi, dacă acesta nu este productiv şi cultivarea sa nu asigură succesul economic, nu are şanse reale de a fi cultivat şi răspândit pe areale largi în producţie. Productivitatea soiurilor reprezintă o caracteristică deosebit de complexă, care depinde de baza genetică (genotipul sau zestrea ereditară) proprie fiecărui soi, de condiţiile de mediu (inclusiv cele de cultură, puse la dispoziţia plantelor de către om) şi de interacţiunea dintre genotip şi mediu. Pentru realizarea acestui deziderat, în crearea soiurilor noi se au în vedere numeroase caractere şi însuşiri care să asigure plantelor o anumită vigoare de creştere (care va influenţa distanţele de semănat sau plantare în câmp şi, prin urmare, densitatea la unitatea de suprafaţă), un frunziş cu o mare capacitate de asimilaţie fotosintetică, plasticitate ecologică ridicată prin care să poată fi valorificate la nivel superior condiţiile de mediu, autofertilitate sau fertilitate naturală ridicată, rezistenţă la factori de stres, înmulţire facilă, capacitate sporită de transferare a substanţelor elaborate în frunze şi fructe etc. Datorită complexităţii sale, productivitatea, ca obiectiv de ameliorare, trebuie examinată prin prisma părţilor componente, cunoscute sub numele de elemente de productivitate (Leonte, 1996), cum sunt: vigoarea şi tipul de creştere a plantelor, numărul nodurilor fertile, numărul de păstăi/nod, numărul de boabe în păstaie şi greutatea boabelor la mazărea de grădină şi fasolea pentru păstăi şi pentru boabe; numărul lăstarilor fertili/butuc, numărul de ciorchini/lăstar fertil şi greutatea ciorchinilor la viţa de vie; intensitatea înfloritului, gradul de legare şi intensitatea căderii fiziologice a fructelor la pomii fructiferi, tipul de creştere şi fructificare a pomilor, numărul de fructe pe pom, mărimea fructelor etc. La grâu, se urmăreşte crearea unor soiuri cu paiul scurt şi rezistent la cădere, cu spic bogat în spiculeţe, cu 6-7 boabe în spiculeţ, boabe mari, bogate în proteină. Plantele să aibă o înfrăţire abundentă, înrădăcinare puternică, capacitate ridicată de valorificare a solurilor fertile. La porumb, noii hibrizi trebuie să fie prolifici, cu o capacitate fotosintetică ridicată, cu randament mare în boabe, cu talie redusă, rezistenţă la desrădăcinare şi frângere, la atacul bolilor şi dăunătorilor. La floarea soarelui trebuie obţinuţi hibrizi de talie scundă, rezistenţă la cădere şi boli, cu fructificare abundentă, cu seminţe pline, bogate în ulei. La cartof se urmăreşte obţinerea unor soiuri productive, cu număr sporit de tuberculi la cuib, cu tuberculi uniformi şi de dimensiuni mari. Fiecare element de productivitate are un anumit determinism genetic, fiind mai mult sau mai puţin influenţat de factorii de mediu. De exemplu, creşterea compactă sau columnară la măr este determinată 39

monogenic, de gena Co, care se manifestă independent de condiţiile de mediu, în timp ce, la majoritatea speciilor agricole, numărul de fructe pe plantă şi mărimea fructelor sunt elemente de productivitate cu un determinism complex, poligenic, prin urmare puternic influenţate de factorii de mediu. În plus, productivitatea este influenţată şi de alte caracteristici ale plantelor, cum sunt: rezistenţa la boli şi dăunători, secetă şi îngheţ, pretabilitatea la recoltarea mecanizată etc. care amplifică şi mai mult complexitatea caracterului. În final, capacitatea de biosinteză sau potenţialul biologic al unui soi se exprimă în mod concret prin producţia sau recolta obţinută, respectiv cantitatea de organe edibile produsă de o plantă, sau rezultată la unitatea de suprafaţă (ha). Potenţialul biologic maxim de producţie al unui soi se poate manifesta numai în condiţii extrem de favorabile de mediu şi cultură, întrucât factorii respectivi influenţează puternic productivitatea. 4.3. CALITATEA Calitatea producţiei reprezintă un obiectiv foarte important de ameliorare, cu atât mai mult cu cât, în ultimul timp, pretenţiile pieţei şi consumatorilor pentru fructe sau alte organe ale plantelor, de foarte bună calitate, sunt tot mai ridicate. De aceea, calitatea constituie un criteriu esenţial în aprecierea valorii noilor soiuri şi hibrizi. La plantele agricole, calitatea producţiei are un caracter deosebit de complex, fiind determinată de baza ereditară a fiecărui soi şi de interacţiunea acesteia cu factorii de mediu. Datorită complexităţii caracterului, şi calitatea, la fel ca productivitatea, este abordată în lucrările de ameliorare prin aşa numitele elemente de calitate. În funcţie de specie, calitatea poate fi influenţată de elementele care contribuie la aspectul comercial al fructelor sau organelor care se valorifică (de exemplu, mărimea, forma sau culoarea acestora), precum şi de caracteristicile intrinseci ale acestora (gust, consistenţă, aromă etc.) şi de valoarea lor nutritivă (conţinutul cantitativ al produsului în substanţe utile: proteine, glucide, vitamine etc., şi măsura în care aceste substanţe sunt accesibile omului prin consum direct sau după prelucrare). De exemplu, la măr, calitatea reprezintă un caracter deosebit de complex, dependent de însuşirile morfologice şi organoleptice ale fructelor (forma, mărimea, culoarea de fond şi de acoperire, culoarea şi consistenţa pulpei, suculenţa, gustul, aroma etc.), precum şi de cele tehnologice, biochimice şi de valoarea nutritivă a fructelor. 40

De asemenea, calitatea poate fi influenţată de rezistenţa la transport şi la păstrare a fructelor sau a organelor edibile, de pretabilitatea lor la conservare, deshidratare sau congelare etc. La grâu, pe lângă elementele care conferă calitatea bobului, se au în vedere şi cele care asigură o bună panificaţie, calitatea făinii, valoarea nutritivă a pâinii etc. Se urmăreşte capacitatea făinii de a forma în cursul fermentaţiei bioxid de carbon, însuşire condiţionată de cantitatea de zaharuri fermentabile (maltoză, zaharoză, glucoză, fructoză); capacitatea aluatului de a reţine o anumită cantitate de bioxid de carbon în cursul fermentării, însuşire determinată de calitatea glutenului (extensibilitate, elasticitate, tenacitate); conţinutul în substanţe utile, acizi esenţiali etc. La in şi cânepă, calitatea este dată de lungimea, fineţea, rezistenţa absolută, elasticitatea, flexibilitatea şi rezistenţa la torsiune a fibrelor (Savatti şi colab., 2004). Determinismul genetic al principalelor elemente de calitate este diferit, în funcţie de caracter şi de specie; unele însuşiri care determină calitatea sunt determinate monogenic, iar altele poligenic. Spre deosebire de elementele de productivitate, unele însuşiri care concură la formarea calităţii sunt mai puţin, sau chiar deloc, supuse influenţei mediului. Un soi de struguri de masă fără seminţe va produce boabe de acest fel indiferent de condiţiile climatice sau de cele agrotehnologice din cursul perioadei de vegetaţie. Alte însuşiri de calitate, cum sunt conţinutul în glucide, proteine, grăsimi, vitamine, mărimea fructelor şi, uneori, chiar culoarea acestora, datorită determinismului lor poligenic, sunt mult mai puternic influenţate de condiţiile de mediu.

4.4. ADAPTABILITATEA Adaptabilitatea soiurilor şi hibrizilor la condiţiile de mediu foarte diferite constituie un obiectiv de ameliorare care rămâne de actualitate. Creşterea continuă a populaţiei pe Glob a făcut necesară extinderea unor plante în zone cu condiţii pedoclimatice total diferite de cele ale zonei în care ele s-au format, sub acţiunea selecţiei naturale şi artificiale. În acest fel, au fost luate în cultură noi suprafeţe, extinzându-se culturile pe altitudine sau latitudine, în zone cu condiţii mai puţin favorabile speciilor cultivate, sau au fost valorificate unele terenuri nisipoase, secetoase, sau dimpotrivă, cu umiditate în exces, lăcovişti, sărături etc. Extinderea culturilor în areale noi necesită o corectare a ciclurilor de creştere şi dezvoltare a plantelor la soiurile ce urmează a fi cultivate în

41

arealele respective, în aşa fel încât plantele să folosească la maximum energia aflată la dispoziţia lor în cursul perioadei de vegetaţie. Un exemplu semnificativ privind modul în care prin ameliorare s-a sporit plasticitatea ecologică în interiorul unei specii cultivate îl constituie tomatele. Originare din America Centrală şi America de Sud, tomatele au ajuns treptat să fie cultivate în toate continentele, din Australia până în apropierea cercului polar de nord. Acest lucru a fost posibil tocmai prin selecţia unor tipuri noi de tomate, cu adaptabilitate specifică la condiţiile de mediu ale noilor areale de cultură. Adaptabilitatea, ca obiectiv de ameliorare, include o serie de însuşiri şi caracteristici importante ale soiurilor, însuşiri ce constituie, fiecare în parte, obiective distincte (specifice sau speciale) de ameliorare a plantelor. Astfel, adaptabilitatea depinde, în foarte mare măsură, de precocitatea soiului, de rezistenţa lui la iernare, la gerurile târzii din primăvară, la secetă sau, dimpotrivă, la excesul de umiditate etc. În momentul de faţă, în ameliorarea plantelor se urmăreşte obţinerea unor noi cultivaruri cu o bună adaptabilitate, respectiv comportare la diferiţi factori de stres. O parte dintre factorii abiotici de stres ai plantelor pot fi controlaţi prin agrotehnica aplicată sau mijloacele culturale, fie din cauză că în acest fel este mai economic sau eficient, fie pentru că, la unele specii, nu există resurse genetice adecvate de luptă împotriva lor (de exemplu, împotriva unor factori precum grindina, vânturile puternice, îngheţurile de primăvară, excesul de apă sau căldură). La acţiunea unor alţi factori de stres, cum sunt poluarea aerului, metalele grele sau pesticidele din sol, condiţiile climatice (căldura, seceta, intensitatea luminii etc.), diferitele soiuri în cadrul speciilor reacţionează diferit, astfel că există posibilitatea cultivării în areale specifice a unora tolerante, susţinute şi de o agrotehnică corespunzătoare (ex. nutriţie suplimentară, udări suplimentare etc.).

4.5. REZISTENŢA LA BOLI ŞI DĂUNĂTORI Rezistenţa la boli şi dăunători constituie, probabil, unul din cele mai cunoscute obiective de ameliorare a plantelor. La unele specii, crearea de soiuri rezistente la boli sau dăunători a reprezentat, la un moment dat, singura posibilitate de menţinere în cultură a speciilor respective (Ardelean şi Sestraş, 1999). Exemplul cel mai sugestiv în acest sens, îl constituie filoxera la viţa de vie. Fără descoperirea şi ameliorarea continuă a portaltoilor vegetativi, rezistenţi la filoxeră, cultura soiurilor nobile de viţă de vie ar fi fost, probabil, definitiv compromisă în Europa. 42

Chiar şi la speciile agricole la care combaterea chimică a bolilor şi dăunătorilor este deosebit de eficientă, crearea de soiuri genetic rezistente la boli şi dăunători duce la serioase economii de forţă de muncă şi de materiale, la o depoluare a mediului înconjurător prin sistarea tratamentelor chimice. Cel mai important beneficiu pe care îl aduc horticulturii soiurile rezistente la boli şi dăunători este acela al stabilităţii producţiei de la un an la altul. Soiurile nerezistente pot da şi ele producţii mari şi de calitate, dar numai în anii în care, datorită condiţiilor climatice sau unor eficiente măsuri de combatere, atacul bolilor sau dăunătorilor este foarte redus sau chiar inexistent. În anii cu atac puternic sau în cazul unor tratamente chimice ineficiente, producţia soiurilor nerezistente va fi parţial sau total compromisă, cu efecte economice negative asupra unităţilor de producţie. Soiurile rezistente vor da, în schimb, producţii constante în fiecare an, indiferent de intensitatea atacului bolilor şi dăunătorilor sau de posibilităţile de combatere chimică a acestora. Rezistenţa la boli şi dăunători a soiurilor şi hibrizilor de plante este o caracteristică deosebit de complexă. Această complexitate rezultă din faptul că rezistenţa este condiţionată atât de ereditatea speciei gazdă, cât şi de ereditatea patogenului/dăunătorului precum şi de interacţiunea acestora cu condiţiile de mediu. La multe specii agricole, rezistenţa faţă de o anumită boală este determinată monogenic, în timp ce rezistenţa faţă de altă boală poate avea un determinism poligenic. Există cazuri în care rezistenţa faţă de aceeaşi boală, la aceeaşi specie, poate fi determinată atât monogenic, cât şi poligenic. Printre cele mai cunoscute exemple în acest sens sunt întâlnite la viţa de vie, pentru rezistenţa la mană (Plasmopara viticola), şi la măr, pentru rezistenţa la rapăn (Venturia inaequalis). Modul în care rezistenţa mărului la rapăn este determinată de două sisteme genetice, constituie un exemplu clasic, redat în toate tratatele de ameliorare a plantelor. La măr, pentru aceeaşi boală (rapăn, dar este, de asemenea, valabil şi pentru făinare), există surse de rezistenţă verticală (monogenică), precum şi surse de rezistenţă orizontală (poligenică). Astfel, la soiurile Prima, Priscilla, Priam, Florina ş.a., rezistenţa la rapăn este dată de o singură genă majoră, dominantă (Vf), în timp ce la soiurile Antonovka, Generos ş.a., rezistenţa la această boală este de tip polifactorial.

4.6. ADAPTAREA LA MECANIZAREA TOTALĂ

43

Adaptarea la mecanizarea totală şi, cu precădere, la recoltarea mecanizată a fructelor (rădăcinilor, bulbilor, tuberculilor), reprezintă obiective de ameliorare majore pentru cele mai multe specii agricole. Mâna de lucru în agricultură devine tot mai rară şi mai scumpă, în special în ţările cu o industrie dezvoltată, astfel că rentabilitatea producţiei agricole este decisiv influenţată de posibilităţile de mecanizare a lucrărilor de semănat, plantat, întreţinere şi recoltare. Pretabilitatea la mecanizarea totală este o caracteristică dată de o serie de însuşiri ale soiurilor, cum sunt: talia plantelor, rezistenţa la cădere, tipul de fructificare, uniformitatea coacerii fructelor, intensitatea legăturii dintre fruct şi codiţă sau dintre codiţă şi tulpină, profunzimea la care rădăcinile, bulbii, tuberculii se dezvoltă în sol şi altele. Fiecare din aceste însuşiri are un determinism genetic complex şi, de cele mai multe ori, ele reprezintă obiective de selecţie distincte în cadrul programelor de ameliorare. Dacă la unele specii nu pot fi create soiuri care să asigure efectuarea mecanizată a tuturor lucrărilor în câmp, de la semănat la recoltat, atunci se are în vedere cel puţin crearea şi introducerea în cultură a unor soiuri pretabile la recoltarea mecanizată (tocmai datorită faptului că recoltarea este una dintre cele mai costisitoare lucrări). Un asemenea deziderat se urmăreşte la numeroase specii agricole, începând cu viţa de vie, pomii şi arbuştii fructiferi, legume, şi este mai mult sau mai puţin posibil în funcţie de particularităţile genetice ale fiecărei specii, precum şi de destinaţia recoltei. De exemplu, pentru a se preta la recoltarea mecanizată, soiurile de viţă de vie trebuie să posede anumite însuşiri specifice, cum sunt: un sistem radicular puternic, care să ofere o bună ancorare a butucilor în sol; o coacere foarte uniformă a ciorchinilor pe butuc şi a boabelor pe ciorchine; o cădere timpurie şi într-o perioadă de timp scurtă a tuturor frunzelor, imediat după maturizarea fructelor; o aderenţă mai slabă a boabelor la ciorchine, însă nu atât de slabă încât să favorizeze scuturarea. Posibilitatea introducerii maşinilor de recoltat în plantaţiile viticole este în mare măsură condiţionată de aceste însuşiri specifice. Chiar dacă până în momentul de faţă nu au fost obţinute soiuri de viţă de vie care să întrunească, la parametri optimi, toate cerinţele de mai sus, în fondul de germoplasmă al speciei există fiecare dintre caracteristicile dorite, dar în soiuri diferite, astfel că ele pot fi îmbinate în noile cultivaruri. În mod evident, ameliorarea pentru recoltarea mecanizată a viţei de vie este direcţionată spre soiurile de struguri pentru vin (sau suc), unul dintre soiurile cu cea mai bună adaptare la recoltarea mecanizată fiind Concord, provenit din specia V. Labrusca (Botu, 1994). 44

La tomate, dacă fructele cultivarurilor pentru consum în stare proaspătă se recoltează manual, cele destinate procesării industriale, sub formă de suc, pastă, ketchup etc. nu numai că se pot recolta mecanic, ci cultura lor poate să fie în întregime mecanizată, cu condiţia ca plantele să prezinte anumite particularităţi genetice care să faciliteze tehnologia respectivă: creşterea determinată a plantelor, formarea unor tulpini erecte, puternice, care să nu necesite sisteme de susţinere, o fructificare şi maturizare simultană a fructelor în cele două-trei, maximum patru etaje ale plantelor, o desprindere uşoară a fructelor de pe plante etc.

4.7. GENOTIP, FENOTIP, CARACTER Ameliorarea plantelor, ca ştiinţă teoretică şi practică, îşi bazează în mare măsură metodologia de lucru pe cuceririle geneticii. Conform principiilor acestei ştiinţe, gena este unitatea ereditară fundamentală care determină declanşarea şi evoluţia, într-o anumită direcţie, a oricărui proces biochimic din plantă, proces materializat în final printr-un fenotip specific sau un caracter specific. Este evident că amelioratorul, pentru a putea obţine noi cultivare care să exteriorizeze caracteristicile dorite, este obligat să cunoască legătura ce există între gene şi caracterele respective, măsura în care fenotipul este o expresie măsurabilă a genotipului şi, de asemenea, magnitudinea efectelor mediului în manifestarea unui fenotip dat. Deşi, în momentul de faţă, există încă destule neconcordanţe între definiţiile date noţiunilor de genotip, fenotip, caracter de către geneticieni şi amelioratori, în cele de mai jos se va încerca o definire cât mai generală a noţiunilor respective pentru a uşura înţelegerea, în continuare, a problematicii dezbătute în prezentul subcapitol. Genotipul este considerat a fi reprezentat de totalitatea zestrei ereditare a unui organism. Atunci când noţiunea se referă la un singur locus analizat, ea cuprinde totalitatea variantelor genetice ce se pot realiza la locusul respectiv. De exemplu, dacă la un locus dat există doar două alele (A şi a), la locusul respectiv sunt posibile genotipurile AA (homozigot dominant), aa (homozigot recesiv şi Aa (heterozigot). Dacă la locusul discutat sunt posibile n alele, se pot realiza n genotipuri homozigote (dominante şi recesive) şi n(n-1)/2 genotipuri heterozigote. Fenotipul reprezintă totalitatea caracterelor fizice, fiziologice, ecologice şi comportamentale ale unui organism, ca rezultat al interacţiunii dintre ereditate şi mediu (MAXIMILIAN et al., 1984). Atunci când noţiunea este restrânsă la un singur caracter, ea reprezintă o descriere cât

45

mai exactă a caracterului respectiv (ex.: fenotip normal, variegat, pigmentat, verde etc.). Caracterul este definit de MAYR (1974) ca atribut al unui individ dintr-o populaţie sau taxon prin care el diferă de alţi indivizi din altă populaţie sau taxon. În ameliorare, este considerat caracter orice particularitate morfologică, fiziologică sau biochimică a unui individ sau grup de indivizi, care este determinată de o genă sau un grup de gene în interacţiune cu condiţiile de mediu date. Reiese clar, din lectura acestor definiţii, că un genotip dat posedă un număr mai mare sau mai mic de caractere a căror manifestare fenotipică va depinde atât de componenta genetică (genotip) cât şi de magnitudinea influenţelor mediului înconjurător (natural şi tehnologic). Din punctul de vedere al amelioratorului, caracterele unei plante, determinate de baza ereditară în interacţiune cu condiţiile de mediu, pot fi împărţite în două mari grupe, şi anume: Caracterele calitative (alternative) sunt reprezentate de diferenţele marcante dintre indivizi datorită cărora aceştia pot fi grupaţi în câteva clase distincte, calitativ diferite, între care nu există forme intermediare (GIOSAN şi SĂULESCU, 1969). Exemple de caractere calitative constituie culoarea florilor la mazăre (albă sau violetă), forma fructelor la tomate (rotundă sau alungită), habitusul plantelor de fasole (urcătoare sau pitice) etc. Caracterele cantitative sunt reprezentate de diferenţe între indivizi privitoare la însuşiri şi caractere ce pot fi exprimate numeric şi pentru care există o succesiune continuă de valori intermediare între valorile extreme (GIOSAN şi SĂULESCU, 1969). Astfel de caractere sunt: mărimea fructelor la tomate sau la pomii fructiferi, numărul de păstăi pe plantă la mazăre şi fasole, producţia pe plantă, producţia la unitatea de suprafaţă, conţinutul fructelor în zahăr, aciditate etc. De multe ori, diferenţele dintre cele două categorii de caractere sunt relative, ele depinzând de precizia determinărilor făcute. Într-un exemplu precedent, culoarea florilor la mazăre a fost considerată ca un caracter calitativ. Cu aparatură foarte sensibilă ar fi posibil, însă, ca intervalul dintre culoarea albă şi violetă a florilor de mazăre să fie completat cu nuanţe intermediare între cele două culori, nuanţe ce ar reprezenta o succesiune continuă între cele două extreme şi care ar putea fi exprimate cantitativ. Deosebirea esenţială dintre caracterele calitative şi cele cantitative se manifestă în complexitatea determinismului lor genetic. Este, în prezent, unanim acceptat faptul că un caracter calitativ este determinat de un număr mic (1-3) de gene majore în timp ce caracterele cantitative sunt determinate de acţiunea simultană a unui număr mult mai mare de gene (poligene). 46

Consecinţele acţiunii acestor tipuri diferite de determinism manifestă în modul de exteriorizare fenotipică a variabilităţii categorii mari de caractere. Caracterele calitative vor întotdeauna, o variabilitate discontinuă, alternativă, în timp ce cantitative vor manifesta o variabilitate continuă.

genetic se celor două manifesta, caracterele

4.7.1. Implicaţiile modului de transmitere ereditară a caracterelor calitative în metodologia ameliorării plantelor Mecanismele transmiterii ereditare a caracterelor calitative sunt guvernate de trei legi fundamentale ale geneticii: legea purităţii gameţilor, legea liberei segregări a caracterelor şi legea moştenirii înlănţuite a caracterelor. Pe baza primelor două legi pot fi explicate rapoartele de segregare “clasice” obţinute în cazul monohibridării (3:1), dihibridării (9:3:3:1) sau trihibridării (27:9:9:9:3:3:3:1). Tot pe baza acestor prime două legi poate fi elaborat modelul matematic pentru segregarea unui hibrid în n perechi de alele (tabelul 4.7.1.). Tabelul 4.7.1. Segregarea unui hibrid obţinut din părinţi ce diferă în n perechi de alele Nr.perechi de alele diferite 1 2 3 4 12 (tomate) 17 (măr) n

Tipuri de Genotipuri gameţi posibile în F2 posibile în F1* 2 4 8 16 4.096 131.072 2n

3 9 27 81 531.441 129.139.163 3n

Nr.minim de indivizi Raport de segregare necesari pentru a obţine fenotipică în toate combinaţiile F2 posibile în F2 3:1 4 9:3:3:1 16 64 256 16.777.216 17.179.869.184 (3+1)n 4n

* reprezintă, de asemenea, numărul de genotipuri homozigote în F2 Primele două legi mendeliene, deşi foarte simple în enunţul lor, sunt de o complexitate mult mai mare atunci când se încearcă exprimarea lor în limbaj matematic. Din datele tabelului se observă că situaţia genetică a unei populaţii derivate dintr-un hibrid oarecare se complică pe măsură ce creşte numărul de gene care segregă. Pentru exemplificare se va analiza penultimul caz din tabel. Să presupunem că s-au încrucişat două soiuri de tomate (plante autogame) diferind în 12 caractere, ceea ce ar reprezenta 12 perechi de 47

alele, câte o alelă pe fiecare cromozom pereche (2n=24). Aceasta ar fi o situaţie extrem de simplă, gândindu-ne la numărul mare de gene ce pot fi localizate pe fiecare din cele 12 perechi de cromozomi ai tomatelor. Hibridul F1 obţinut va avea posibilitatea să formeze 4.096 tipuri diferite de gameţi. Prin autopolenizarea hibridului F1 şi prin unirea, la întâmplare, a tuturor tipurilor de gameţi între ei, vor lua naştere, în generaţia F2, un număr de 531.441 genotipuri, reprezentând toate combinaţiile posibile între cele 12 perechi de alele diferite. Pentru a oferi posibilitate exprimării fenotipice a tuturor acestor combinaţii ar fi necesară o populaţie F2 formată din 16.777.216 plante. La distanţele de plantare folosite în mod curent în cultura tomatelor (70/30 cm), pentru a cultiva acest număr de plante ar fi necesare aproape 400 ha de teren, ceea ce reprezintă o suprafaţă imensă doar pentru analiza unei singure combinaţii hibride. Concluzia ce se desprinde din această exemplificare este că, datorită numărului imens de combinaţii posibile între alelele diferite ale celor doi părinţi, nu este cu putinţă să se cuprindă, într-o singură populaţie F2, totalitatea indivizilor care exprimă fenotipic aceste combinaţii. Căile de ieşire din acest impas ar fi următoarele: -luarea în considerare, la un moment dat, a unui număr mai redus de caractere diferite la cei doi părinţi, ceea ce ar face posibilă urmărirea mai uşoară a modului lor de segregare, în populaţii F2 mai mici; -obţinerea unor populaţii F2 cât mai mari cu putinţă, în limita resurselor umane şi materiale de care dispune amelioratorul, pentru a permite exprimarea fenotipică a unui număr cât mai mare de combinaţii genice posibile. Ereditatea caracterelor calitative, aşa cum a fost prezentată mai sus, reprezintă un model mult simplificat. În realitate lucrurile sunt mult mai complicate. Fenomene genetice ca: pleiotropia, epistazia, prezenţa genelor modificatoare, penetranţa, expresivitatea, linkajul precum şi interacţiunea genotipului cu mediul pot modifica rapoartele de segregare aşteptate pentru un caracter calificativ cu un determinism ereditar relativ simplu. Astfel de modificări au, bineînţeles, repercusiuni asupra eficienţei muncii de ameliorare. Pleiotropia este fenomenul prin care o singură genă determină exteriorizarea fenotipică a două sau mai multe caractere. Un exemplu de pleiotropie a fost observat chiar de Mendel, la mazăre: gena care determină culoarea florilor determină şi culoarea tegumentului seminal. Fenomenul de pleiotropie poate constitui, în unele cazuri, un ajutor preţios în munca de ameliorare (când cele două caractere determinate pleiotropic sunt ambele valoroase), iar alteori constituie, pentru ameliorator, un obstacol de netrecut în calea separării unui caracter valoros de altul, nedorit. 48

Epistazia sau interacţiunea interalelică este fenomenul prin care efectul fenotipic al unei gene majore poate fi schimbat, în funcţie de prezenţa sau absenţa din genotip a altei gene. La o dihibridare, în care una din gene este epistatică, raportul clasic de segregare al unui dihibrid (9:3:3:1) va fi modificat în 9:7 (pentru complementaritatea genelor dominante), 15:1 (pentru complementaritatea genelor recesive), 13:3 (când una din gene este inhibitoare), 9:3:4 (pentru epistazia genei recesive), 12:3:1 (pentru epistazia genei dominante) sau 1:4:6:4:1 (pentru aditivitatea genelor dominante), în funcţie de tipul de relaţii epistatice existente între cele două gene. Genele modificatoare sunt acelea care nu determină caractere fenotipice evidente, principalul rol al acestora fiind acela de a intensifica sau diminua expresia fenotipică a genelor majore. Astăzi este unanim admis că toate genele majore cunoscute au una sau mai multe gene modificatoare, fapt ce tinde să complice munca amelioratorului chiar şi atunci când lucrează cu caractere alternative. Penetranţa reprezintă capacitatea unei gene majore de a se manifesta fenotipic în indivizii care o poartă. Ea poate varia de la 0% până la 100%. Pentru ameliorator acest fenomen are o mare importanţă deoarece rapoartele de segregare, aşteptate de el pe baza legilor mendeliene, se vor realiza numai în cazul că gena/genele urmărite au o penetranţă ridicată. Expresivitatea reprezintă intensitatea manifestării fenotipice a unei gene majore. O expresivitate redusă a unui caracter poate, adesea, să ducă la confuzii, mai ales dacă fenotipurile alternative nu sunt puternic contrastante, prin clasificarea unor indivizi în grupe fenotipice străine de fenotipul lor real. Linkajul sau moştenirea înlănţuită a genelor, reprezintă unul din fenomenele genetice de cea mai mare importanţă pentru ameliorator. El poate influenţa rapoartele de segregare aşteptate pentru un caracter calitativ dat. În esenţă, linkajul reprezintă fenomenul genetic prin care, genele plasate pe acelaşi cromozom se moştenesc înlănţuit, împreună. Intensitatea acestei înlănţuiri este cu atât mai mare cu cât distanţa dintre genele plasate pe acelaşi cromozom este mai mică. Pentru ameliorator trebuie să fie clar că linkajul unor gene nu influenţează tipurile de combinaţii genice posibile. Influenţa principală a linkajului se manifestă asupra frecvenţei indivizilor în diferitele combinaţii genice posibile. Efectul cel mai evident al linkajului constă într-o abundenţă de combinaţii genice de tip parental şi o scădere accentuată a numărului de recombinaţii genice. Din acest punct de vedere, înlănţuirea genelor poate fi socotită un fenomen conservativ ce are tendinţa de a menţine împreună anumite combinaţii de gene existente. Cum aceste 49

combinaţii sunt departe de a reprezenta cele mai bune aranjamente alelice posibile, înseamnă că linkajul constituie un obstacol, nedorit de ameliorator, în calea apariţiei unor noi recombinări genice. Pe de altă parte, un linkaj strâns între două gene ce determină două caractere valoroase, constituie un ajutor preţios în ameliorare deoarece va menţine ridicată frecvenţa descendenţilor la care aceste două caractere vor fi transmise împreună. Trebuie, de asemenea, reţinut faptul că, spre deosebire de pleiotropie, moştenirea înlănţuită a genelor este un fenomen cu o stabilitate relativă. Un număr suficient de mare de autopolenizări permit desfacerea oricărei grupe de linkaj şi, în consecinţă, apariţia unui procent oarecare de noi combinaţii, dorite de ameliorator. Procentul de combinaţii nou apărute depinde de intensitatea înlănţuirii, exprimată în unităţi crossover. Atunci când lucrează cu caractere calitative înlănţuite, amelioratorul va trebui să obţină generaţii F2 de anumite dimensiuni numerice pentru a putea fi sigur că, în populaţia respectivă, se va găsi şi un anumit procent de noi recombinaţii genice rezultate în urma desfacerii grupelor de linkaj. De regulă, în cazul unor caractere linkate, populaţiile F2 trebuie să fie mult mai mari decât cele necesare segregării unor caractere determinate de gene plasate pe cromozomi diferiţi.

4.7.2. Implicaţiile modului de transmitere ereditară a caracterelor cantitative asupra ameliorării plantelor Cele mai multe din caracteristicile de interes economic, la plantele de cultură, fac parte din categoria caracterelor cantitative. Aşa sunt de exemplu, MMB (la cereale şi leguminoase boabe), mărimea fructelor, lungimea rădăcinilor, greutatea bulbilor sau a ciorchinilor, producţia pe pom, pe butuc sau la unitatea de suprafaţă. La aceste caractere nu se găsesc extreme net separate ci, dimpotrivă, limitele extreme ale caracterelor vor fi unite de un şir continuu de valori intermediare. YULE (1906) a fost primul care a arătat că atât caracterele calitative (alternative) cât şi cele cantitative se moştenesc după aceleaşi legi mendeliene cu menţiunea că, în cazul caracterelor cantitative, sunt implicate un număr mare de gene cu efecte similare mai mici, dar cumulate, în determinarea aceluiaşi caracter. Mai târziu, NIELSON-EHLE (1910) şi EAST (1916) aduc dovezi concludente că ereditatea caracterelor cantitative este guvernată de aceleaşi legi genetice ca şi aceea a caracterelor calitative.

50

Existenţa mai multor perechi de gene, care acţionează asupra aceluiaşi caracter cantitativ, a primit denumirea de polimerie, iar genele de acest tip au fost numite gene polimere sau poligene. Dacă poligenele îşi cumulează efectele, în vederea exteriorizări caracterului cantitativ pe care-l condiţionează, vorbim despre o polimerie aditivă. Datorită numărului mare de gene ce condiţionează un caracter cantitativ şi datorită cumulării efectelor genelor respective în exteriorizarea fenotipică a caracterului, în generaţiile segregante nu mai este posibilă obţinerea doar a câtorva clase fenotipice distincte ci numărul acestora este mult mai mare. Matematic, numărul claselor fenotipice, posibile într-o generaţie segregantă pentru un caracter cantitativ, este proporţional cu numărul genelor polimere aditive ce determină caracterul respectiv. Distribuţia acestor clase fenotipice este simetrică şi este dată de curba de distribuţie obţinută prin dezvoltarea binomului (a+b)n, în care n = numărul de poligene care determină caracterul cantitativ studiat. Acţiunea aditivă a poligenelor reprezintă cazul cel mai simplu de polimerie. Ca şi în cazul genelor majore, care determină caractere calitative, şi la poligene sunt frecvente interacţiunile intraalelice (de dominanţă, recesivitate) şi interalelice (de epistazie), care complică şi mai mult studiul eredităţii unor astfel de caractere. Datorită acestor motive, nu este posibilă analizarea şi descrierea efectului fiecărei poligene în parte ci numai la nivelul întregului complex de gene ce condiţionează un caractere cantitativ dat. Numărul mare de gene ce condiţionează caracterele cantitative face ca acestea să fie mult mai puternic influenţate de condiţiile de mediu decât caracterele alternative. Acest lucru este explicabil dacă se are în vedere faptul că fiecare din poligenele ce contribuie la exteriorizarea unui caracter cantitativ acţionează, mai mult sau mai puţin eficient, în funcţie de condiţiile de mediu intern şi extern. De aceea, în practica ameliorării, diferenţierea dintre caracterele calitative şi cele cantitative depinde nu atât de mult de mărimea efectului unor gene individuale cât de importanţa rolului pe care îl au baza ereditară şi, respectiv, mediul în producerea fenotipului final. Rezultă, deci, că înţelegerea şi analiza caracterelor cantitative nu poate fi concepută fără evaluarea cât mai exactă a contribuţiei bazei ereditare şi a mediului la producerea variabilităţii totale prin care se exprimă aceste caractere. Relaţia dialectică între genotip şi mediu, în procesul de exteriorizare fenotipică a unui caracter cantitativ, trebuie foarte bine înţeleasă. Genele, singure, nu vor putea determina manifestarea fenotipică a unui caracter cantitativ dacă nu există condiţii de mediu propice acestei 51

manifestări tot aşa cum mediul, indiferent în ce mod ar fi dirijat, nu poate determina manifestarea fenotipică a unui caracter cantitativ dacă nu sunt prezente genele ce condiţionează caracterul respectiv. Relaţia dintre genotip şi mediu, descrisă mai sus, ar putea fi reprezentată grafic astfel: G

E CARACTER

Pe baza relaţiei de mai sus rezultă că, în cazul caracterelor cantitative, orice fenotip dorit de ameliorator este rezultatul sumei acţiunilor genotipului (G), ale mediului (E) şi ale interacţiunii dintre acestea (GE). Notând fenotipul cu P, obţinem: P = G + E + GE După cum s-a menţionat anterior, baza genetică (genotipul) a unui caracter cantitativ este constituită, în principal, din cumularea efectelor parţiale ale genelor polimere. Această interacţiune genetică de aditivitate (GA) este cea mai importantă formă de determinare a caracterelor cantitative, ea fiind principala componentă luată în considerare în lucrările de ameliorare, motiv pentru care FALCONER (1969) o şi denumeşte valoare de ameliorare. În afara interacţiunilor de aditivitate ale poligenelor, în determinarea caracterelor cantitative participă, cu o cotă mult mai redusă, şi alte interacţiuni genice ca cele de dominanţă (GD) şi de epistazie (GI), despre care s-a vorbit la începutul acestui subcapitol. Luând în considerare şi aceste efecte genice, valoarea genotipică (G) şi valoarea fenotipică (P) vor putea fi exprimate astfel: G = GA + GD + GI P = GA + GD + GI + E + GE Analizând formulele de mai sus rezultă că, în studiul caracterelor cantitative, principalul scop este acela de a determina cât de mare este aportul genotipului, pe de o parte, şi cel al mediului, pe de altă parte, în exprimarea valorii fenotipice totale a caracterului respectiv. Acest lucru este deosebit de important pentru ameliorator deoarece numai acea parte din fenotip care este determinată genetic, şi în special de interacţiunile de aditivitate, se va regăsi în generaţiile segregante. Valoarea fenotipică (P) a unui caracter cantitativ poate fi măsurată şi exprimată prin media aritmetică ( x ) a caracterului la toţi indivizii populaţiei studiate. Această exprimare este, însă, insuficientă deoarece nu 52

oglindeşte măsura variabilităţii caracterului respectiv în cadrul dat al populaţiei. Ca măsură a variabilităţii unui caracter este folosită varianţa (s2), calculată după următoarele formule:

(

(∑ x ) −

2

)

∑x SP ∑ x − x 2 n sau s = s = = GL n −1 n −1 în care: SP = suma pătratelor abaterilor individuale de la medie; GL = gradele de libertate (GL = n-1); n = numărul de indivizi luaţi în studiu; x = valoarea fenotipică individuală a caracterului; x = valoarea fenotipică medie a caracterului. 2

2

Exprimând formulele anterioare în termeni de varianţă, se va obţine: 2 σ P = σ G2 + σ E2 + σ GE

şi

2 σ P2 = σ G2 + σ G2 + σ G2 + σ E2 + σ GE A

D

I

4.7.3. Coeficientul (indicele) de ereditate Principalul scop urmărit prin divizarea varianţei fenotipice totale în componenţii ce o determină este acela de a permite calcularea coeficientului (indicelui de ereditate, de heritabilitate, de transmitere), care va arăta tocmai măsura în care fenotipul este determinat de genotip, pe de o parte, şi de acţiunea mediului, pe de altă parte (ACQUAAH, 2007). În sens larg, indicele de ereditate (H2 sau H) reprezintă proporţia din varianţa fenotipică totală care se datorează varianţei genetice: V VG H= G H= sau VP VG + V E În sens restrâns, indicele de ereditate (h2) reprezintă proporţia din varianţa genotipică totală care se datorează numai varianţei genetice aditive, deci valorii de ameliorare: s G2 A 2 h = 2 sP Indicele de ereditate poate fi exprimat în procente (0-100%) sau în valori absolute cuprinse între 0 şi 1. Cu cât valoarea indicelui de ereditate va fi mai mare, pentru un anumit caracter cantitativ, cu atât vor fi mai mari şansele de a regăsi acel caracter în generaţiile succesive de înmulţire sexuată ale unei plante autogame sau alogame.

53

În mod practic, pentru ameliorator, care-şi bazează selecţia în principal pe valorile varianţei fenotipice ale caracterului studiat, coeficientul de ereditate indică măsura în care o plantă reţinută are şanse să dea naştere unei descendenţe cu aproximativ aceleaşi valori medii ale caracterului respectiv. Indicele de ereditate oferă amelioratorului o primă evaluare matematică a mărimii contribuţiei genotipului, pe de o parte, şi a mediului, pe de altă parte, în manifestarea fenotipică a unui caracter cantitativ. Această evaluare, deşi foarte importantă, are totuşi un anumit grad de relativitate, coeficienţii de ereditate obţinuţi prin calcul fiind valabili, cel mai adesea, doar pentru populaţiile şi condiţiile de experimentare în care au fost stabiliţi. Mai mult, ei dau doar indicaţii generale asupra strategiei de selecţie ce trebuie aplicată în populaţia respectivă în vederea realizării unei eficienţe cât mai ridicate a acesteia. Dintre multiplele variante de utilizare ale indicelui de ereditate în lucrările de ameliorarea plantelor, cel mai frecvent întâlnite sunt acelea ale calculării câştigului genetic (câştigului de ameliorare) şi ale determinării coeficientului de repetabilitate. 4.7.4. Câştigul genetic Câştigul genetic sau câştigul de ameliorare (FALCONER, 1969) reprezintă progresul/regresul înregistrat de un caracter dat, sub acţiunea selecţiei artificiale executată la o anumită valoare a intensităţii (presiunii) de selecţie. Din această definiţie succintă a câştigului genetic rezultă că valoarea lui va depinde, în esenţă, de trei factori importanţi, şi anume: - de varianţa fenotipică a caracterului urmărit în populaţia supusă selecţiei; - de intensitatea (presiunea) de selecţie aplicată în populaţia respectivă; - de valoarea coeficientului de ereditate. Este evident că într-o populaţie supusă selecţiei (indivizi, linii, familii) în care variabilitatea genetică a caracterului urmărit este mare şi bine exprimată fenotipic, există posibilităţi reale de selecţie în oricare din direcţiile dorite de ameliorator (plusvariante, minusvariante). Presiunea de selecţie va avea, de asemenea, un rol important în realizarea câştigului de ameliorare deoarece este de aşteptat ca la intensităţi mari ale selecţiei (1% 5% din populaţia supusă selecţiei) plusvariantele/minusvariantele reţinute să fie cu adevărat cele mai valoroase şi mai potrivite scopului urmărit. În sfârşit, coeficientul de ereditate va introduce în calculul câştigului de ameliorare tocmai contribuţia genotipului la acest câştig sau, cu alte

54

cuvinte, va elimina din estimarea făcută cea mai mare parte a influenţei mediului asupra valorii câştigului genetic. Strict matematic, formula câştigului genetic este următoarea: Gs = k × σA × H (ALLARD, 1967; ACQUAAH, 2007), în care: Gs = câştigul genetic aşteptat prin aplicarea selecţiei de o anumită intensitate. Acest câştig, pentru caracterul cantitativ luat în considerare, se exprimă prin diferenţa dintre media caracterului la populaţia supusă selecţiei ( x ) şi media caracterului la populaţia rezultată în urma selecţiei ( x s ). Deci G s = x s − x . k = diferenţial de selecţie, exprimat în unităţi de abatere standard, care depinde în mod esenţial de mărimea populaţiei supusă selecţiei (numărul de indivizi, linii, familii) şi a populaţiei rezultate în urma selecţiei (număr de indivizi, linii, familii reţinute).

55

Capitolul 5

METODE DE PROVOCARE A VARIABILITĂŢII, NECESARĂ CREĂRII DE CULTIVARURI NOI 5.1. VARIABILITATEA ŞI ROLUL ACESTEIA ÎN AMELIORAREA PLANTELOR Procesul de creare de soiuri noi se axează pe variabilitate, care este absolut necesară pentru a exista premizele efectuării selecţiei în scopul obţinerii de forme noi de plante cultivate. Cu cât există o mai amplă variabilitate genotipică şi fenotipică, cu atât şansele amelioratorului de a identifica plante cu caracteristici dorite, din care să poată rezulta ulterior soiuri noi, sunt mai mari. În lumea vie, deci şi la plantele agricole, variabilitatea poate fi de două mari tipuri, în funcţie de cauzele ce o provoacă: – naturală, provocată de factorii primordiali ai evoluţiei şi exteriorizată prin existenţa speciilor diferite în cadrul aceluiaşi gen, a subspeciilor diferite în cadrul aceleiaşi specii, a varietăţilor, a soiurilor şi populaţiilor locale. – artificială, provocată de om prin hibridare, poliploidie, mutageneză, consangvinizare etc. Atât variabilitatea naturală, cât şi cea artificială pot fi exploatate în scopul creării de noi cultivaruri, prin intermediul selecţiei. De asemenea, variabilitatea reprezentată de numeroasele cultivaruri, forme hibride, mutante, poliploide etc. poate fi păstrată (conservată) în colecţiile de germoplasmă, în centre de ameliorare şi bănci de gene, în vederea utilizării ulterioare ca material iniţial de ameliorare. Întrucât variabilitatea existentă în natură nu este întotdeauna suficientă pentru realizarea unor obiective de ameliorare, de cele mai multe ori amelioratorul este nevoit să provoace artificial variabilitatea, apelând în acest scop la aşa-numitele metode de ameliorare, care sunt, de fapt, metode de provocare artificială a variabilităţii. Dintre acestea, cel mai adesea se recurge la hibridare, mutageneză, poliploidie, consangvinizare, heterozis, biotehnologii şi inginerie genetică, selecţie. Selecţia nu reprezintă în mod concret o metodă de provocare a variabilităţii, ci este o metodă de exploatare a variabilităţii naturale sau artificiale (cea artificială indusă prin metodele menţionate anterior: hibridare, mutageneză, poliploidie, consangvinizare, heterozis, 56

biotehnologii şi inginerie genetică). Selecţia poate fi utilizată în mod eficient şi pentru exploatarea variabilităţii naturale, existentă de regulă în soiurile şi populaţiile vechi, autohtone sau străine, în care, de-a lungul timpului, mutaţiile naturale sau hibridările străine necontrolate constituie factori care sporesc diversitatea genotipică şi fenotipică asupra căreia poate acţiona selecţia. 5.2. HIBRIDAREA Hibridarea reprezintă procesul de unire sexuată a gameţilor unor indivizi ce au genotipuri diferite şi constituie principala metodă de provocare de variabilitate în ameliorare, prin obţinerea unor noi genotipuri, rezultate din încrucişarea unor indivizi aparţinând la soiuri, specii sau chiar genuri diferite. Ca metodă de producere a variabilităţii necesare selecţiei, şi în vederea obţinerii unor rezultate valoroase, hibridarea trebuie aplicată în conformitate cu legile eredităţii şi înţeleasă prin consecinţele pe care le are asupra structurii genetice a descendenţilor. Recombinarea şi segregarea independentă a caracterelor, moştenirea înlănţuită a genelor, interacţiunile inter- şi intraalelice, penetranţa, expresivitatea şi celelalte fenomene genetice ce însoţesc unirea sexuată a doi indivizi diferiţi, determină apariţia unor descendenţi hibrizi cu o bază genetică nouă, diferită de cea a părinţilor, oferind câmp larg de acţiune selecţiei practicate de ameliorator. Unirea sexuată a doi indivizi deosebiţi din punct de vedere genetic nu determină doar obţinerea unor descendenţi superiori părinţilor, pentru unul sau mai multe caractere. Datorită fenomenele genetice precizate anterior, efectele hibridării asupra descendenţilor pot fi atât favorabile, cât şi nefavorabile. Ca urmare, hibridarea nu poate constitui o metodă de ameliorare dacă nu este urmată de selecţie. Întrucât în lucrările de hibridare se efectuează numeroase observaţii şi determinări, iar toate datele se înregistrează în caietele de observaţii, furnizând o valoroasă bază de informaţii, pentru simplificarea notărilor se folosesc diferite metode care trebuie să asigure identificarea ceartă a materialului cu care se lucrează. De exemplu, în lucrările de hibridare, cei doi genitori dintr-o combinaţie se notează cu simbolul pentru forma parentală, maternă respectiv paternă, cunoscută de la botanică, în funcţie de poziţia deţinută în încrucişare (mamă sau tată). Simbolurile respective şi semnificaţia acestora sunt:

57

♀ - simbolul pentru sexul feminin, care reprezintă semnul zodiacal al lui Venus, zeiţa dragostei şi a frumuseţii în mitologia romană (echivalenta Afroditei, din mitologia greacă); simbolul sugerează o oglindă, fiind sugestiv pentru reprezentantele sexului frumos. ♂ - simbolul pentru sexul masculin, care reprezintă semnul zodiacal al lui Marte, zeul războiului în mitologia romană (echivalentul lui Ares, din mitologia greacă); simbolul reprezintă un scut şi o lance, fiind sugestiv pentru puterea, forţa, spiritul războinic care caracterizează bărbatul. De exemplu, dacă pe etichete sau în registrele (caietele) de observaţii în câmp sau laborator apare notarea ♀Golden Delicious x ♂Jonathan, amelioratorul ştie că primul soi de măr s-a utilizat ca tată, iar al doilea ca mamă. Chiar dacă, în aceeaşi combinaţie, sunt trecute doar soiurile, fără simboluri, amelioratorul va şti că Golden Delicious s-a folosit ca mamă, iar Jonathan ca tată, întrucât, în orice combinaţie hibridă, primul soi care se notează este genitorul matern. În urma hibridării, în concordanţă cu numărul florilor polenizate într-o combinaţie, se pot obţine descendenţe hibride variabile ca mărime, de la câteva sute până la câteva mii (în funcţie de specie, posibilităţile amelioratorului şi considerentele acestuia, condiţiile din unitatea de cercetare: suprafeţe de teren, forţă de muncă, fonduri băneşti etc.). Valorificarea materialului hibrid care rezultă în urma încrucişărilor se realizează prin selecţie. Selecţia constituie instrumentul prin care amelioratorul poate alege, din multitudinea genotipurilor noi, rezultate în urma recombinărilor genice, pe acelea care întrunesc într-un grad cât mai ridicat majoritatea caracteristicilor valoroase ale părinţilor participanţi la hibridare. 5.2.1. Clasificarea tipurilor de hibridare utilizate în ameliorarea plantelor agricole Clasificarea numeroaselor tipuri de hibridare utilizate în ameliorarea plantelor se face în funcţie de anumite criterii, prin care se au în vedere, în principal, aspectele tehnologice ale realizării unirii gameţilor celor doi sau mai mulţi genitori.

A. După gradul de intervenţie al omului În funcţie de gradul de intervenţie al omului în realizarea hibridării, hibridările se clasifică în naturale şi dirijate. 58

Hibridarea naturală are loc, după cum îi spune numele, în mod natural, fără intervenţia omului în realizarea unirii gameţilor celor doi sau mai mulţi genitori. Ea are loc în natură sub acţiunea vântului, insectelor, ploii, gravitaţiei. La plantele alogame, hibridarea naturală constituie modul firesc de perpetuare a generaţiilor, majoritatea speciilor alogame dispunând de mecanisme morfologice, fiziologice şi genetice care obligă polenizarea străină. La plantele agricole autogame, polenizarea străină şi, deci, hibridarea naturală au loc într-un procent mult mai scăzut, frecvenţa apariţiei hibrizilor naturali la acest tip de plante crescând pe măsură ce scade distanţa între plante cu genotipuri diferite. Metoda constă în recoltarea fructelor de la soiuri valoroase, rezultate în urma fecundărilor libere, extragerea seminţelor şi semănarea lor, obţinerea hibrizilor (numiţi „naturali”, întrucât i-au naştere din încrucişări naturale, libere, fără să se cunoască originea polenului). Selecţia individuală, efectuată în materialul biologic rezultat, prin care se aleg hibrizii cu caracteristici favorabile, poartă numele de selecţie în hibrizi naturali. La pomii fructiferi, arbuşti fructiferi, viţă de vie, specii ornamentale cu înmulţire vegetativă, plantele alese (elite) sunt propagate pe cale vegetativă (prin altoire, butăşire etc.) şi urmează să fie verificate în verigi superioare ale procesului de selecţie, până la omologarea celor valoroase ca soiuri noi. Ca metodă de creare a materialului iniţial de ameliorare, hibridarea naturală prezintă unele dezavantaje, datorită cărora este mai puţin folosită în zilele noastre. Astfel, deoarece hibridarea are loc în mod natural, nu se cunoaşte originea polenului, fiind imposibil de stabilit direcţiile în care au loc recombinările. Dacă polenul provine de la un soi mai puţin valoros (sau care nu-şi transmite caracteristicile favorabile în descendenţă), sau chiar o specie sălbatică, este foarte posibil ca descendenţii să nu ofere o bună bază de selecţie (deci să existe şanse mari de identificare a unor plante elită). Eventual, în acest caz, pentru identificarea unor hibrizi cu caracteristici superioare, trebuie obţinut şi analizat un volum foarte mare de material biologic. La plantele agricole există numeroase soiuri, unele foarte cunoscute şi apreciate, care au fost obţinute prin hibridări naturale. Dintre acestea, merită menţionate: Untoasa Diel şi Favorita lui Clapp la păr, Şarba şi Crâmpoşie selecţionată la viţa de vie, Carmen şi Condor la piersic, Armonia şi Rubin la cireş, M-me Norbert la trandafir ş.a. Selecţia în hibrizi naturali a fost una dintre cele mai folosite metode de ameliorare la măr, prin care s-au obţinut numeroase soiuri. Se presupune că inclusiv cunoscutul soi Jonathan s-a obţinut (1826) prin aplicarea selecţiei în hibrizi naturali, rezultaţi din seminţe extrase din fructele soiului 59

Esopus Spitzenburg, formate prin polenizare liberă. Tot pe această cale au fost obţinute soiurile Wagener premiat, Frumos de Boskoop şi altele. În ţara noastră, aplicându-se selecţia în hibrizi naturali obţinuţi din seminţele soiului Jonathan au fost create noi soiuri, precum Feleac şi Fălticeni (Sestraş, 2004). Chiar dacă metoda este mai puţin utilizată în momentul de faţă, în anii în care din diferite considerente amelioratorul nu obţine seminţe din hibridări artificiale (lipsa posibilităţilor de-a efectua hibridări dirijate, sau nereuşita hibridărilor artificiale în anul respectiv), se poate apela la această variantă pentru crearea de variabilitate. Nu numai în ţara noastră au fost create soiuri „moderne” prin această metodă, ci şi în străinătate. Soiul Empire a fost creat prin selecţie în hibrizi obţinuţi prin polenizare liberă, dar într-o livadă în care erau doar soiurile McIntosh şi Delicious, într-un an în care toate polenizările artificiale au eşuat. Hibridarea dirijată, constă în executarea, parţial sau în întregime de către ameliorator, a operaţiunilor prin care se obţine variabilitatea prin încrucişarea unor genitori aleşi pe baza unor considerente bine stabilite. Hibridarea dirijată constă în unirea sexuată a unor genitori aleşi în mod conştient, proces în urma căruia se urmăreşte obţinerea unor descendenţe hibride cât mai variate şi mai valoroase, din care selecţia să poată alege forme superioare părinţilor. În funcţie de tehnica de lucru aplicată în realizarea hibridărilor dirijate există: a) Hibridarea liberă, la care se efectuează castrarea florilor plantelor mamă (la speciile hermafrodite), sau înlăturarea inflorescenţelor mascule (la speciile monoice şi dioice) pentru ca polenizarea să aibă loc, în mod natural, cu polen de la alte plante, transportat de insecte (polenizarea entomofilă) sau vânt (polenizarea anemofilă). Se poate aplica în special atunci când pe o anumită suprafaţă de teren există doar două cultivaruri, iar prin castrarea florilor la cel ales ca mamă, există siguranţa că fructele formate provin prin polenizarea cu polenul celuilalt soi, ales de ameliorator ca tată. b) Hibridarea semiliberă este frecvent utilizată în crearea materialului iniţial de ameliorare la plante agricole alogame cum sunt: ceapa, morcovul, varza, arbuştii fructiferi ş.a. Din punct de vedere tehnic, metoda constă în introducerea, sub acelaşi izolator, a inflorescenţelor plantei mamă (la care, dacă este necesar, florile vor fi castrate în prealabil) şi a inflorescenţelor genitorului patern, împreună cu insectele polenizatoare. c) Hibridarea forţată (artificială), constă în executarea, de către om, a tuturor operaţiunilor privind castrarea (dacă este necesară), recoltarea polenului de la florile genitorului patern şi depunerea acestuia pe stigmatele florilor genitorului matern. 60

A.1. Etapele hibridării artificiale Hibridarea artificială se desfăşoară într-o succesiune de etape distincte de lucru, caracteristice majorităţii speciilor agricole, numite etapele hibridării artificiale. Alegerea genitorilor care urmează a fi încrucişaţi, se face pe baza unor criterii foarte precise, stabilite în funcţie de obiectivele programului de ameliorare la specia respectivă. Problema alegerii genitorilor ce participă la hibridare este extrem de importantă, de ea depinzând, în mod hotărâtor, succesul sau insuccesul selecţiei. Principiul de bază în alegerea genitorilor îl constituie faptul că formele parentale alese într-o încrucişare trebuie să prezinte, împreună, toate (sau majoritatea) caracteristicilor valoroase pe care amelioratorul doreşte să le încorporeze în noul cultivar. Alegerea şi izolarea florilor genitorului matern înainte de înflorire (de deschiderea florilor), pentru a evita deteriorarea lor sau o polenizare străină întâmplătoare, datorită unor insecte ce pot perfora învelişurile florale. Izolarea florilor (inflorescenţelor) se poate realiza cu pungi din hârtie pergamentată, polietilenă, tifon etc. de dimensiuni adecvate. Castrarea florilor care urmează a fi polenizate artificial, aparţinând genitorului matern, în scopul evitării autopolenizării. Operaţiunea se mai numeşte şi emasculare, şi se face cu precădere la speciile autogame hermafrodite (grâu, orz, orez, tomate, mazăre etc.), dar se efectuează şi la speciile alogame cu un anumit grad de autocompatibilitate, aşa cum sunt unele soiuri de măr, păr, prun, cireş, vişin, nuc, ceapă, morcov. Castrarea se execută de cele mai multe ori cu ajutorul unei pensete cu vârful ascuţit, cu care se înlătură anterele florilor genitorului matern. Operaţiunea se efectuează când florile plantelor mamă se află încă în stadiul de boboc, înainte ca polenul lor să ajungă la maturitate. În timpul castrării se evită rănirea stigmatului, stilului şi ovarului florilor, întrucât vătămarea aceasta duce la uscarea (avortarea) florilor după castrare. Imediat după castrare, florile genitorului matern sunt din nou izolate, pentru a împiedica polenizarea străină. Recoltarea polenului de la florile genitorului patern, se efectuează în momentul în care anterele ajung la maturitatea deplină, sau cu puţin înaintea acestei fenofaze. În funcţie de gradul de maturizare a polenului recoltat, acesta va putea fi utilizat în aceeaşi zi, sau păstrat, în condiţii de laborator obişnuite sau speciale, până în momentul executării polenizării artificiale. Există mai multe metode de păstrare a polenului matur, care-i asigură o conservare perfectă chiar pentru perioade de câţiva ani. Cel mai 61

adesea se practică păstrarea polenului în flacoane închise ermetic, în frigider, la temperaturi de 0-1ºC. Polenizarea artificială constă în depunerea polenului recoltat de la florile genitorului patern pe stigmatele florilor genitorului matern. De obicei, operaţiunea se execută cu ajutorul unor pensule mici, fine, care să nu rănească stigmatele florilor polenizate. Momentul executării polenizării artificiale va fi astfel ales, încât să coincidă cu maturitatea fiziologică a stigmatelor. La majoritatea speciilor agricole, momentul respectiv este indicat de apariţia, pe stigmatele florilor genitorului matern, a unor picături de secreţie incoloră, lipicioasă, aşa numita „picătură de nectar”. Izolarea şi etichetarea florilor hibridate artificial se face imediat după executarea polenizărilor artificiale pentru a se evita suprapolenizările străine necontrolabile şi pentru a uşura identificarea, la maturitate, a fructelor hibride. Pe etichete (mici, din carton sau material plastic) se notează combinaţia hibridă, numărul florilor polenizate, data efectuării polenizării şi eventual numele muncitorului care a executat polenizarea. Controlul hibridării artificiale se efectuează de regulă în două etape, după aproximativ 8-12 zile, respectiv 20-24 zile de la polenizarea artificială, în funcţie de biologia fecundării şi legării fructelor la diferitele specii agricole. Cu ocazia ultimului control, izolatorul se înlătură, însă obligatoriu eticheta trebuie să rămână pentru a marca locul în care, pe plantă, se formează fructe hibride. Recoltarea fructelor (seminţelor) hibride se realizează la maturitatea fiziologică (la unele specii la maturitatea tehnologică) a fructelor, strict pe combinaţii hibride, cu atenţie pentru a se evita scuturarea şi pierderea seminţelor, precum şi amestecurile mecanice. Seminţele extrase din fructe se condiţionează şi se postmaturează, iar primăvara devreme se seamănă, în seră sau câmp (în funcţie de specie), obţinându-se plante hibride care sunt ulterior supuse procesului de selecţie. B. După modul în care participă genitorii În funcţie de modul de participare a genitorilor în procesul hibridării, există mai multe tipuri de hibridare, importante atât în vederea provocării variabilităţii necesară selecţiei, cât şi testării liniilor parentale componente ale hibrizilor comerciali sau obţinerii unor informaţii extrem de utile în lucrările de genetică. Hibridarea directă, în care unul din părinţi este folosit întotdeauna ca mamă, iar celălalt ca tată, după formula ♀A x ♂B. Evident, formele sau soiurile androsterile, atunci când vor participa în hibridări, vor fi întotdeauna folosite ca genitori materni. Unele soiuri de cireş cu o slabă 62

capacitate de germinare a sâmburilor (Ramon Oliva, Van, Uriaşe de Bistriţa etc.) vor fi folosite, de regulă, în încrucişări ca forme materne. Hibridarea reciprocă presupune folosirea fiecăruia dintre genitori, alternativ, ca mamă şi ca tată (♀A x ♂B şi ♀B x ♂A). Hibridarea reciprocă este frecvent utilizată în cazurile când, din anumite motive, hibridarea directă nu poate fi realizată. Prin hibridări reciproce pot fi evidenţiate şi unele efecte genetice de natură extranucleară, citoplasmatice (transmiterea pe cale maternă a unor caractere). Hibridarea ciclică presupune încrucişarea unui părinte, folosit de obicei ca tată (numit tester), cu mai mulţi genitori folosiţi ca mamă. Considerând ca genitor patern soiul T, iar ca genitori materni soiurile A, B, C, D şi E se vor obţine, în cazul unei hibridări ciclice, următoarele combinaţii: A x T, B x T, C x T, D x T, E x T. Numărul total de combinaţii ce pot fi obţinute într-un sistem ciclic de hibridare este dat de formula N=g-1, în care g reprezintă numărul genitorilor folosiţi. Hibridarea ciclică se foloseşte pentru determinarea capacităţii generale de combinare (CGC) a liniilor consangvinizate utilizate în crearea hibrizilor comerciali. Hibridarea dialelă se realizează prin încrucişarea fiecăruia dintre genitorii unui grup cu toţi ceilalţi genitori ai grupului. La un număr de patru genitori (A, B, C şi D), prin hibridare dialelă se vor obţine următoarele combinaţii directe posibile: A x B, A x C, A x D, B x C, B x D, C x D. Numărul total al combinaţiilor posibile (N) în hibridările dialele este dat de formulele: N = g2, când se efectuează atât hibridări directe (A x B), cât şi reciproce (B x A) şi autopolenizări (A x A); N = g(g-1), când se efectuează hibridări directe şi reciproce, fără autopolenizări; N = g(g+1)/2, când se efectuează hibridări directe şi autopolenizări, fără reciproce; N = g(g-1)/2, când se efectuează hibridări directe, fără reciproce şi autopolenizări. În toate formulele, g reprezintă numărul genitorilor folosiţi. Hibridarea dialelă se foloseşte pentru determinarea capacităţii specifice de combinare (CSC) a genitorilor utilizaţi în lucrările de ameliorare şi a liniilor consangvinizate utilizate în obţinerea hibrizilor comerciali. Hibridarea dialelă permite identificarea celor mai bune formule parentale (combinaţii hibride), în care asocierea liniilor consangvinizate (la plantele alogame) sau homozigote (la plantele alogame) determină manifestarea unui intens efect heterozis la hibrizii comerciali. 63

C. După numărul genitorilor În funcţie de numărul genitorilor care participă la hibridare, se pot deosebi: Hibridarea simplă, în care participă doar doi genitori, după formula A x B, în care genitorul ‘A’ este folosit întotdeauna ca formă maternă, iar ‘B’ ca formă paternă. Este o metodă de hibridare prin care au fost obţinute extrem de multe soiuri la speciile agricole. Soiul de păr Haydeea, creat la SCDP Cluj, este o selecţie dintr-un hibrid simplu, fiind obţinut prin încrucişarea dirijată a două soiuri „untoase”, după cum urmează: Haydeea = Beurré Hardy x Beurré Six Hibridarea dublă, presupune încrucişarea dintre patru genitori, grupaţi doi câte doi (în mod concret încrucişarea dintre doi hibrizi simpli), după formula [(A x B)(C x D)]. La SCDP Cluj, prin folosirea în hibridări a vişinului de stepă a fost creat soiul Timpurii de Cluj, care provine dintr-o hibridare dublă, conform formulei: Timpurii de Cluj = [(Spaniole x P. fruticosa) x (Engleze timpurii x P. fruticosa)]

Hibridarea triplă se realizează prin încrucişarea unui număr de trei genitori, în diferite formule, de exemplu: (A x B) x C, (A x C) x B, (B x C) x A etc. Soiul de păr Ina Estival, creat la Cluj, a fost obţinut printr-o astfel de hibridare: Ina Estival = Napoca x (President Drouard x Williams)

Hibridarea complexă presupune încrucişarea mai multor hibrizi dubli între ei, a unui hibrid dublu cu unul triplu sau simplu etc., conform formulelor: [(A x B)(C x D)] x [(E x F)(G x H)], sau [(A x B)(C x D)] x [(E x (F x G)], [(A x B)(C x D)] x (E x F].

D. După gradul de înrudire al genitorilor După gradul de înrudire al genitorilor implicaţi în procesul hibridării există două categorii importante de hibridare: hibridarea apropiată şi hibridarea îndepărtată. Hibridarea apropiată se realizează la nivel intraspecific (de aceea, se mai numeşte şi intraspecifică), iar cea îndepărtată are loc la nivel interspecific sau chiar intergeneric (iar în funcţie de unităţile sistematice cărora aparţin formele parentale, poartă numele de interspecifice sau chiar intergenerică). 64

Hibridarea intraspecifică constă în încrucişarea unor indivizi aparţinând aceleiaşi specii, de regulă, în această categorie înscriindu-se hibridările dintre două soiuri aparţinând unei anumite specii (de exemplu: Apullum x Dropia, la Triticum aestivum; Jonathan x Golden Delicious, la Malus domestica; Precoce de Someşeni x Cluj 80 la Lycopersicon esculentum etc.). Deoarece între soiurile aceleiaşi specii există o strânsă înrudire (de cele mai multe ori număr egali de cromozomi şi genoame omoloage), hibridările intraspecifice se realizează uşor, fără dificultăţi, şi se obţin hibrizi viabili şi fertili. Unele probleme în realizarea hibridărilor intraspecifice, apar datorită incompatibilităţii gametofitice sau sporofitice ale celor doi genitori, sau androsterilităţii unuia dintre genitori. Anumite cazuri de incompatibilitate pot fi rezolvate, în încrucişările intraspecifice, prin diferite tehnici de lucru, de exemplu, prin depunerea pe stigmatele florilor genitorului matern, odată cu polenul adus de la plantele tată, a unor mici fragmente din stigmatul florilor tată. Fragmente de stigmat de la genitorul patern stimulează capacitatea de germinare a polenului chiar şi pe un stigmat cu care este incompatibil genetic, astfel că o parte din florile polenizate pot „lega” fructe şi forma seminţe din care să rezulte descendenţi. În cazul androsterilităţii unuia dintre părinţii aleşi pentru încrucişare, acesta se va folosi ca genitor matern. Hibridarea intraspecifică este una dintre cele mai importante metode de creare de soiuri noi, constituind în ultimele două secole principala cale folosită de către amelioratorii de plante agricole pentru provocarea variabilităţii. Marea majoritate a soiurilor de plante agricole, cultivate astăzi, sunt selecţii din hibrizi intraspecifici. Cu toate acestea, posibilităţile de utilizare a hibridării intraspecifice în scopul creării unei variabilităţi profitabile pentru selecţie, nu sunt nici pe departe epuizate. Datorită diversităţii existente în interiorul speciilor agricole există şanse ca, printr-o alegere adecvată a genitorilor, să se obţină combinaţii intraspecifice noi, cu o amplă variabilitate pentru caracteristici favorabile ale plantelor, cu o valoare deosebită pentru ameliorare. Practic, soiurile plantelor agricole constituie o rezervă inepuizabilă de gene care pot fi valorificate prin hibridare, şi recombinate în noi şi noi genotipuri, din care, prin selecţie, să se aleagă cele care pot în final asigura obţinerea unor soiuri noi, cu particularităţile dorite de ameliorator. Hibridările interspecifice şi intergenerice fac parte din categoria hibridărilor îndepărtate, datorită faptului că gradul de înrudire sistematică dintre genitori este mult mai redus decât în cazul hibridărilor intraspecifice. Aceste hibridări se realizează prin încrucişarea unor plante aparţinând la două specii diferite ale aceluiaşi gen (hibridarea interspecifică), sau

65

aparţinând unor genuri diferite ale aceleiaşi familii botanice (hibridarea intergenerică). Hibridarea îndepărtată reprezintă o metodă prin care se poate provoca o variabilitate genetică mult mai mare decât cea rezultată în urma încrucişării unor soiuri aparţinând aceleiaşi specii. În mod deosebit, hibridarea interspecifică constituie metoda de creare a unei variabilităţi extrem de mari, din care prin selecţie pot fi identificaţi hibrizi care să cumuleze caracter şi însuşiri valoroase, de la ambele specii parentale. Prin hibridare interspecifică se urmăreşte transferarea la speciile cultivate a unor caracteristici de la specii sălbatice (rustice), cum sunt: rezistenţa la boli, dăunători, frig, secetă, conţinutul ridicat al fructelor, organelor plantelor în substanţe utile etc. Multe dintre aceste caracteristici, pe care amelioratorul le doreşte încorporate în noi soiuri sau hibrizi comerciali, nu pot fi identificate în colecţiile de cultivaruri ale speciei cu care lucrează. În schimb, astfel de caracteristici pot fi depistate la indivizi aparţinând unor specii înrudite, cu care încrucişarea este posibilă, iar prin hibridare se pot obţine descendenţi care să manifeste caracteristicile dorite, îmbinate de la ambele forme parentale. Din punct de vedere tehnic, hibridarea îndepărtată se efectuează în mod similar cu cea intraspecifică, etapele hibridării şi modul de lucru fiind aceleaşi. Principalele deosebiri care apar între hibridările îndepărtate şi cele apropiate constau în dificultăţile mari care apar în realizarea hibridărilor îndepărtate şi în faptul că, de foarte multe ori, hibrizii îndepărtaţi sunt parţial sau total sterili. Intersterilitatea formelor parentale şi sterilitatea accentuată a hibrizilor îndepărtaţi sunt, prin urmare, principalele caracteristici care deosebesc hibridarea îndepărtată de cea apropiată. Dintre metodele prin care se poate depăşi intersterilitatea formelor parentale în hibridările îndepărtate, astfel încât să se poată obţine hibrizi interspecifici F1, se pot aminti: hibridarea reciprocă; polenizarea formei mamă cu amestec de polen de la mai multe forme ale genitorului patern; folosirea formelor parentale în stare hibridă; stimularea stigmatului florilor mamă cu fragmente de stigmat de la florile genitorului patern; tăierea unei porţiuni din stilul florilor mamă şi polenizarea pe fragmentul de stil rămas; cultura genitorilor îndepărtaţi pe agrofonduri superioare (Ardelean, 1986). Pentru restaurarea fertilităţii hibrizilor îndepărtaţi se pot aplica diferite tehnici de lucru, printre care: retroîncrucişarea hibrizilor F1 cu unul dintre părinţi; poliploidizarea hibrizilor; culturile de embrioni; încrucişarea între ei a hibrizilor parţiali sterili sau cu o a treia specie; cultura hibrizilor îndepărtaţi pe agrofonduri superioare.

66

5.2.2. Retroîncrucişarea Retroîncrucişarea (încrucişarea recurentă, încrucişarea regresivă, reîncrucişarea, backcross) este un tip aparte de hibridare, care constă în încrucişarea unui hibrid cu unul dintre părinţi. Retroîncrucişarea se utilizează în scopul încorporării, în genotipul unui soi valoros sub aspectul productivităţii şi calităţii, a unei caracteristici care îi lipseşte (de exemplu, rezistenţa la o anumită boală, dăunător, conţinut al fructelor în substanţe utile etc.). Caracteristica respectivă urmează să fie transferată de la un alt soi, care este mai puţin valoros sau chiar nevaloros pentru celelalte caracteristici (de foarte multe ori, transferarea se face chiar de la o specie înrudită sălbatică). În acest scop, se efectuează hibridarea dintre genitorul mai puţin valoros, dar care prezintă caracterul care urmează să fie transferat (genitor care poartă numele de donor sau donator al caracterului respectiv), cu genitorul valoros (care poartă numele de recurent). În urma încrucişării dintre cei doi genitori, se obţin hibrizi F1 care moştenesc practic jumătate din zestrea genetică a fiecărui părinte. Pentru recuperarea fenotipului părintelui valoros, hibrizii care moştenesc gena sau genele care determină manifestarea caracterului părintelui donor se încrucişează cu genitorul valoros (recurent), acesta folosindu-se de regulă ca formă paternă. Se obţin în generaţia următoare hibrizi BC1 (Backcross 1), care moştenesc în proporţie de 75% zestrea genetică a părintelui recurent. Se face selecţia în rândul lor, pentru caracterul transferat de la donor, iar cei reţinuţi se retroîncrucişează cu părintele recurent. Retroîncrucişarea cu părintele recurent poate fi repetată timp de mai multe generaţii, conform schemei prezentate în fig. 5.2.2., cu fiecare generaţie BC (backcross) populaţia devenind tot mai asemănătoare cu părintele recurent. În loc de a obţine 2n genotipuri homozigote, câte sunt de aşteptat prin autopolenizarea unui hibrid F1 (unde n reprezintă numărul genelor heterozigote la hibridul F1), prin backcross se va ajunge la un singur genotip homozigot, foarte asemănător părintelui recurent. După un anumit număr de generaţii BC, populaţia obţinută ajunge extrem de asemănătoare fenotipic cu părintele recurent, dar în plus are încorporată în zestrea genetică şi gena sau genele dorite, transferate de la donor. Retroîncrucişarea se poate utiliza foarte eficient în ameliorarea speciilor autogame, însă, poate fi, de asemenea, aplicată cu succes la speciile alogame la care se lucrează cu linii consangvinizate în vederea obţinerii hibrizilor comerciali. În acest caz, metoda se foloseşte pentru transferarea la liniile valoroase, utilizate ca forme parentale ale hibrizilor comerciali, a unor caracteristici favorabile de la diferiţi donori. 67

GRADUL DE RECUPERARE A GENOTIPULUI PĂRINTELUI RECURENT

A

x

AB

x

B

50,0 %

AB2

x

B

75,0 %

AB3

x

B

87,5 %

ABn

x

B

99,9% când n > 10

Î

– CÂMPUL DE CONTROL – ÎNMULŢIRI

Î

– CULTURI COMPARATIVE DE ORIENTARE – ÎNMULŢIRI

Î

– CULTURI COMPARATIVE DE CONCURS – ÎNMULŢIRI

C.C. C.C.O. C.C.C.

B

Fig. 5.2.2. Metoda ameliorării cu ajutorul retroîncrucişărilor Metoda este foarte eficientă când caracteristicile vizate sunt determinate de gene majore dominante. Când caracterul ce urmează a fi transferat este determinat de gene majore recesive, eficienţa metodei retroîncrucişării scade datorită necesităţii întreruperii generaţiilor BC prin

68

generaţii de autopolenizare, prin care să se pună în evidenţă genotipurile care poartă gena recesivă donată, în stare homozigotă. Chiar dacă necesită o lungă durată ca metodă de ameliorare, retroîncrucişarea prezintă un avantaj deosebit, fiind unicul procedeu prin care amelioratorul poate prevedea exact rezultatul final al muncii sale, şi prin care este posibilă repetarea unui astfel de rezultat. 5.2.3. Metode de transferare a unor caractere valoroase cu ajutorul retroîncrucişării Încorporarea într-un soi valoros a două sau mai multe caractere care îi lipsesc, cu ajutorul retroîncrucişărilor se poate realiza prin două metode principale: transferarea treaptă cu treaptă şi transferarea concomitentă. Transferarea treaptă cu treaptă presupune încorporarea pe rând a caracterelor dorite de la părintele donator. Procedeul este de lungă durată, dar este preferat de amelioratori datorită simplităţii şi eficienţei sale, rezultatul final fiind previzibil. În fig. 5.2.3. este prezentată schema de ameliorare “treaptă cu treaptă” (sau “pas cu pas”), elaborată de Schmidt şi Kruger (1991), pentru combinarea rezistenţei mărului la rapăn (Venturia inaequalis), făinare (Podosphaera leucotricha) şi cancer (Nectria galligena) cu o bună calitate a fructelor. SxQ

MxQ

KxQ

QxQ

LEGENDĂ: S – rezistenţă la rapăn; M – rezistenţă la făinare; K – rezistenţă la cancer; Q – calitatea fructelor.

Q

+ S+M+K

Fig. 5.2.3. Schema pentru combinarea treptată (“pas cu pas”) a rezistenţei mărului la boli cu calitatea fructelor (după Schmidt şi Kruger, 1991) 69

Transferarea concomitentă a mai multor caractere dorite de la donor are avantajul unei scurtări substanţiale a timpului necesar încorporării caracterelor la părintele valoros. Procedeul are însă şi dezavantaje care scad eficienţa retroîncrucişării ca metodă de ameliorare. Astfel, pentru a urmări simultan manifestarea mai multor caractere sunt necesare, în generaţiile de retroîncrucişare, populaţii mai numeroase, care adesea sunt greu sau foarte greu de obţinut la speciile agricole la care hibridarea artificială prezintă un grad ridicat de dificultate. În plus, condiţiile de mediu pot fi favorabile manifestării unor caractere transferate şi nefavorabile manifestării altora, ceea ce face şi mai dificilă selecţia pentru mai multe caractere încorporate simultan. Modul de aplicare a metodei retroîncrucişărilor la plantele agricole alogame nu se deosebeşte prea mult de cazul plantelor autogame. La specii agricole alogame, precum ceapa, morcovul, ridichii, varza ş.a., părintele recurent va trebui să fie reprezentat printr-un număr oarecare de plante care să reproducă frecvenţa genotipurilor caracteristice soiului sau populaţiei respective. Obişnuit, în practica ameliorării, polenul părintelui recurent, la plantele alogame, va proveni din amestecarea polenului recoltat de la minimum 50 de plante reprezentative pentru soiul respectiv (Ardelean şi Sestraş, 1999).

5.3. CONSANGVINIZAREA ŞI HETEROZISUL 5.3.1. Consangvinizarea Efectele nefavorabile ale încrucişărilor între indivizi înrudiţi asupra plantelor şi animalelor sunt cunoscute de foarte multă vreme, îndeosebi la animalele domestice, la care consecinţele negative ale consangvinizării au fost cunoscute încă din antichitate. Consangvinizarea reprezintă orice sistem de încrucişare între indivizi înrudiţi, care determină creşterea gradului de homozigoţie al descendenţilor şi care are efecte nefavorabile asupra descendenţilor respectivi. La plante, consangvinizarea se manifestă exclusiv la cele alogame, speciile autogame nefiind afectate de fenomenul de consangvinizare, datorită faptului că ele se înmulţesc în mod natural prin autopolenizare. La plantele alogame, care suferă datorită consangvinizării, fenomenul are loc doar în mod accidental pe cale naturală, şi într-o 70

Procente de indivizi homozigoţi

proporţie foarte scăzută, datorită faptului că mecanismele morfologice, fiziologice şi îndeosebi cele genetice de care dispun plantele cu polenizare străină împiedică autopolenizarea. În schimb, la alogame, consangvinizarea se foloseşte în ameliorare şi se realizează prin autopolenizarea forţată a plantelor care nu sunt autoincompatibile sau mascul sterile. În cazul unor specii alogame autoincompatibile sau a unor forme androsterile (mascul sterile), consangvinizarea în scop de ameliorare se poate realiza prin încrucişări de tip SIB (frate - soră, de la cuvintele englezeşti “Sister” şi “Brother”). Prin autopolenizare forţată sau prin încrucişări SIB, timp de mai multe generaţii, se ajunge la un grad ridicat de homozigoţie a descendenţilor. Diferenţa dintre cele două procedee de consangvinizare constă în durata de timp (respectiv viteza) diferită cu care se ajunge la homozigoţia completă. Dintre sistemele de încrucişare consangvină, cel mai repede se ajunge la homozigoţie prin autopolenizarea plantelor. De exemplu, doar prin trei generaţii de autopolenizare se poate ridica gradul de homozigoţie a unei populaţii descendente tot atât de mult ca şi 10 generaţii de încrucişări SIB (fig. 5.3.1.). 100

100 90

100 80

100 70

100 60 50 0

2

4

6

8

10

12

14

16

Generaţii de consangvinizare Fig. 5.3.1. Gradul de homozigotare în generaţiile succesive ale unor sisteme de consangvinizare Deoarece consangvinizarea se realizează cel mai adesea în ameliorarea plantelor prin autopolenizare forţată, termenul de generaţii de consangvinizare reprezintă generaţiile de autopolenizare forţată (acestea fiind notate C1-Cn), iar pragul de la care continuarea consangvinizării nu mai aduce nici o creştere a gradului de homozigoţie a descendenţilor se numeşte minim de consangvinizare. 71

Numărul de generaţii de consangvinizare, necesare atingerii homozigoţiei complete, diferă de la o specie la alta. La porumb se consideră că 6-8 generaţii de consangvinizare sunt suficiente pentru a se atinge un înalt nivel de homozigoţie al descendenţilor, în timp ce la ceapă plante heterozigote pot fi identificate chiar şi după 15 generaţii de consangvinizare. Comportarea şi reacţia plantelor agricole la consangvinizare este diferită de la o specie la alta. Morcovul suportă destul de greu consangvinizarea, în timp ce varza, ceapa şi spanacul o suportă ceva mai bine. La aceste ultime specii, chiar după 8-10 generaţii de consangvinizare, vigoarea plantelor nu scade atât de mult încât să pună în pericol existenţa liniilor. Cucurbitaceele, deşi sunt plante alogame, nu manifestă nici un fel de depresiune de consangvinizare în urma autofecundării continue.

5.3.2. Efectele consangvinizării asupra plantelor Există trei efecte principale pe care consangvinizarea le determină la plantele agricole alogame: scăderea vigorii datorită depresiunii de consangvinizare; apariţia unor genotipuri noi datorită homozigotării unor alele recesive; obţinerea unor linii uniforme. a) Scăderea vigorii plantelor se manifestă la cele mai multe plante alogame încă după prima generaţie de consangvinizare, prin reducerea creşterii şi dezvoltării acestora, dar şi prin reducerea capacităţii lor de producţie. Fenomenul reducerii vigorii plantelor datorită consangvinizării poartă numele de depresiune de consangvinizare şi este mai accentuat în primele generaţii de autofecundare, pentru ca apoi să scadă în intensitate pe măsură ce plantele se apropie de minimul de consangvinizare. Depresiunea de consangvinizare, în diferitele generaţii de autofecundare, nu este la fel de intensă pentru toate caracterele plantei. La unele specii alogame, cum este lucerna, depresiunea de consangvinizare este atât de accentuată în privinţa vigorii plantelor, încât după trei generaţii de autofecundare doar foarte puţine linii mai supravieţuiesc; la cele care supravieţuiesc, producţia de seminţe continuă să scadă, până în C8-C10, când se atinge minimul de consangvinizare pentru caracter. b) Apariţia unor genotipuri noi este unul dintre considerentele pentru care se recurge la utilizarea consangvinizării în ameliorarea plantelor agricole. Noile genotipuri sunt posibile datorită homozigotării unor gene recesive, ca urmare a consangvinizării continue. Majoritatea genotipurilor noi, în care au fost homozigotate gene recesive letale şi subletale, sunt eliminate de selecţia naturală, sau de cea artificială, 72

practicată de ameliorator. Pot însă să apară şi genotipuri în care au fost homozigotate gene recesive valoroase, a căror manifestare nu a fost posibilă în indivizii iniţiali, heterozigoţi. Astfel de gene recesive, în stare homozigotă, pot determina rezistenţa la anumite boli sau dăunători, o anumită formă sau culoare a fructelor, rădăcinilor, bulbilor, sau alte caracteristici favorabile, de aceea ele fac obiectul selecţiei conştiente. Consangvinizarea produce pe lângă homozigotarea alelelor recesive, şi homozigotarea unor gene dominante, care pot determina unele caracteristici dorite de ameliorator şi în plus care se transmit descendenţilor cu multă siguranţă. c) Obţinerea unor linii uniforme este o consecinţă foarte importantă pentru ameliorare, şi reprezintă un deziderat în crearea unor linii componente ale hibrizilor comerciali. Uniformitatea unor astfel de linii creşte pe măsură ce se avansează în generaţiile de consangvinizare, odată cu ajungerea la un grad ridicat de homozigoţie. Uniformitatea liniilor consangvinizate este o caracteristică importantă a acestora, deoarece, de regulă, ea poate fi transmisă prin hibridare. Uniformitatea manifestată asupra unor caractere utile, cum sunt mărimea căpăţânilor la varză sau epoca de maturizare a bulbilor la ceapă etc. este dorită de ameliorator, constituind particularităţi pe care acesta le poate transmite prin hibridare. 5.3.3. Heterozisul Obţinerea efectului heterozis Heterozisul sau vigoarea hibridă este fenomenul care rezultă în urma încrucişării unor organisme diferite genetic. La plante, vigoarea hibridă se manifestată la organismele heterozigote, fiind fenomenul opus consangvinizării, şi se exteriorizează prin creşteri mai mari ale plantelor, de multe ori printr-o productivitate sporită sau alte caracteristici ale plantelor. Pentru caracterele cantitative, determinate de un număr mare de gene (poligene), vigoarea hibridă se exprimă matematic, de cele mai multe ori, prin diferenţa dintre media caracterului la hibrizii F1 şi media acestuia la cele două forme parentale, conform formulei: Vh = F1 – (P1 + P2)/2 Există şi alte formule de calculare a heterozisului, dintre care de multe ori se alege cea în care valoarea caracterului cantitativ la hibrizii F1 se raportează la valoarea medie a caracterului la cel mai bun părinte: Vh = F1 – Pmax. sau la valoarea maximă a caracterului la părinţi: Vh = [(F1 – Val. maxP)/Val.maxP) x 100] 73

Heterozisul rezultat în urma hibridării asupra capacităţii de producţie şi a vigorii descendenţilor a fost semnalat, la plante şi animale, încă din secolele XVIII şi XIX. La plantele agricole, heterozisul a fost studiat la numeroase specii, date concrete obţinându-se destul de târziu, în secolul al XX-lea, mai întâi la ceapă şi varză. Indiferent de specie, în urma unor încrucişări s-a constatat că la descendenţi producţiile sunt de multe ori superioare părinţilor. La ceapă, heterozisul nu se manifestă numai prin producţii de bulbi superioare părinţilor sau chiar producţiei celui mai bun părinte, ci uneori heterozisul se manifestă şi afectează alte caracteristici importante, cum sunt: capacitatea de păstrare a bulbilor, uniformitatea maturizării acestora, rezistenţa plantelor şi a bulbilor la boli etc. La varză, a fost sesizată manifestarea unui puternic efect heterozis, ca urmare a încrucişării unor soiuri, pentru importante elemente de productivitate cum sunt mărimea şi greutatea căpăţânilor. Heterozisul se manifestă atât la hibrizii F1 ai unor specii alogame, cât şi la hibrizii F1 rezultaţi din încrucişările intervarietale ale unor specii autogame (ex. tomate, fasole, mazăre, ardei). Evident, nu în toate cazurile, hibrizii între două soiuri sunt superiori ca producţie şi vigoare formelor parentale, formele heterozis urmând a fi identificate, alese şi promovate în verigile superioare ale câmpurilor de ameliorare prin selecţie. Pe de altă parte, heterozisul se poate manifesta şi asupra altor caracteristici, nu numai asupra vigorii plantelor şi producţiei acestora (fructe, seminţe, organe vegetative etc.). Astfel, la hibrizii F1, heterozisul se poate exterioriza şi asupra unor caracteristici precum precocitatea înfloritului şi maturităţii fructelor (sau tardivitatea acestora), conţinutul în substanţă uscată sau vitamine al fructelor, rezistenţa la temperaturi scăzute sau alţi factori de stres etc. Pe fenomenul heterozis se bazează producerea hibrizilor comerciali, o categorie de cultivaruri care au început să înlocuiască soiurile la majoritatea speciilor legumicole, dar şi la numeroase specii floricole. La plantele agricole alogame, vigoarea hibridă sau heterozisul rezultă ca urmare a restaurării heterozigoţiei, prin încrucişarea unor linii consangvinizate, diferite între ele pentru majoritatea genelor. Într-o formulă simplificată, procesul are loc conform modelului: Linia A (♀), genotip AAbbCCddeeFFGGhh

x

Linia B(♂) genotip aabbccDDEEffggHH

↓ Hibrid comercial simplu F1 de tip AB genotip AabbCcDdEeEeFfGgHh 74

Datorită heterozigoţiei pentru majoritatea genelor, la hibridul comercial se va manifesta o puternică vigoare a plantelor (exprimată şi printr-o producţie ridicată), sau heterozisul se poate exterioriza şi pentru alte caracteristici (rezistenţa plantelor la factori de stres, epoca de maturare, conţinutul în substanţe utile etc.); în plus, chiar dacă plantele din interiorul hibridului comercial sunt heterozigote pentru cele mai multe gene, ele vor prezenta o mare uniformitate fenotipică, datorită dominanţei alelelor de la locusurile heterozigote, sau homozigoţiei celorlalţi loci. Principalele tipuri de heterozis utilizate în ameliorarea plantelor agricole Principalele tipuri de heterozis utilizate în ameliorarea plantelor agricole sunt (Ardelean şi Sestraş, 1999): Heterozisul somatic, manifestat la hibrizii F1 printr-o creştere şi dezvoltare puternică a plantelor, comparativ cu formele parentale. Plantele formează organe vegetative de dimensiuni superioare faţă de cele ale părinţilor, cu o înălţime mai mare, masă vegetativă sporită, frunze mai mari etc. Heterozisul reproductiv, se exteriorizează la hibrizii F1 prin producţii sporite de fructe şi seminţe faţă de cele ale formelor parentale. Heterozisul adaptiv, manifestat printr-o superioritate adaptivă a hibrizilor F1 comparativ cu aceea a părinţilor (rezistenţă la boli, dăunători, ger, secetă sau alţi factori de stres). Heterozisul metabolic, se manifestă printr-un metabolism mai accentuat al hibrizilor F1 faţă de metabolismul formelor parentale. În afara acestor tipuri de heterozis, într-o altă clasificare, în funcţie de intensitatea de manifestare, există două tipuri principale de heterozis: Cisheterozisul, exprimat la hibrizii F1 prin faptul că aceştia depăşesc formele parentale, dar nu şi populaţiile din care părinţii provin. Transheterozisul, exprimat la hibrizii F1 prin faptul că aceştia depăşesc atât formele parentale, cât şi populaţiile din care provin părinţii, sau din care au fost extraşi părinţii. Dintre aceste ultime două tipuri, importanţa cea mai mare pentru ameliorarea plantelor agricole o are transheterozisul, întrucât manifestarea acestuia la hibrizi asigură depăşirea soiurilor sau hibrizilor care au fost anterior răspândiţi în cultură. Utilizarea consangvinizării şi a heterozisului în ameliorarea plantelor agricole Consangvinizarea şi heterozisul se utilizează la plantele agricole care se înmulţesc prin seminţe în scopul obţinerii hibrizilor comerciali, simpli şi dubli. În acest scop, mai întâi la plantele alogame trebuie obţinute 75

liniile consangvinizate, testate şi ulterior, după stabilirea formulelor parentale, încrucişate an de an pentru obţinerea seminţei comerciale hibride. Procesul este asemănător şi la plantele autogame, doar că în locul liniilor consangvinizate se folosesc linii pure (homozigote). Procesul de obţinere a hibrizilor comerciali, respectiv a seminţei comerciale hibride, decurge în mai multe etape (Ardelean şi Sestraş, 1999), după cum urmează: a) Alegerea materialului iniţial pentru ameliorare. În acest scop pot fi folosite soiuri, populaţii locale, hibrizi între soiuri (material iniţial de ameliorare care poartă numele de material de ciclul I) sau hibrizi între linii consangvinizate (material de ciclul II). b) Obţinerea şi selecţia liniilor consangvinizate. Metoda principală de obţinere a liniilor consangvinizate o constituie autopolenizarea forţată, pornindu-se de la materialul iniţial ales în etapa precedentă. c) Verificarea liniilor consangvinizate. Capacitatea liniilor consangvinizate de a da, în combinaţie cu alte linii, un nivel al heterozisului cât mai ridicat se face cu ajutorul încrucişărilor ciclice (prin care se determină capacitatea generală de combinare a liniilor) şi dialele (prin care se determină capacitatea specifică de combinare a liniilor). d) Utilizarea liniilor consangvinizate în obţinerea hibrizilor comerciali F1. Liniile consangvinizate selecţionate sunt încrucişate în loturi de hibridare, de regulă izolat în spaţiu, în diferite formule parentale (combi-naţii), în funcţie de capacitatea lor de combinare, pentru a da naştere hibrizilor comerciali F1 la care să se manifeste un efect heterozis maxim. Prin încrucişarea a două linii consangvinizate se obţine sămânţa comercială de HS (hibrid simplu), prin încrucişarea a doi hibrizi simpli se obţine sămânţa comercială de HD (hibrid dublu), prin încrucişarea unui hibrid simplu cu o linie se obţine sămânţa comercială de HTL (hibrid trilineal), prin încrucişarea unei linii cu un soi se obţine sămânţa comercială de HSL (hibrid sorto-lineal) etc. La plantele agricole care se înmulţesc vegetativ (viţa de vie, pomii şi arbuştii fructiferi, unele specii ornamentale şi legumicole), utilizarea heterozisului în procesul ameliorării este chiar mai uşor de realizat decât la speciile agricole care se înmulţesc prin seminţe. Unirea sexuată a unor genitori aleşi în mod judicios permite manifestarea, încă la hibrizii F1, a unui intens efect heterozis, care poate fi fixat şi perpetuat prin înmulţire vegetativă. Descendenţii vegetativi ai unor indivizi cu un heterozis pronunţat al productivităţii, calităţii, rezistenţei la boli şi dăunători etc. vor prezenta acelaşi nivel al heterozisului ca şi planta din care provin. De aceea, la plantele perene cu înmulţire vegetativă, la 76

care obţinerea liniilor consangvinizate şi apoi realizarea formelor heterozis prin încrucişarea acestor linii sunt procese anevoioase şi de lungă durată, se caută depistarea unor indivizi cu un heterozis evident încă din generaţia F1, urmând ca vigoarea hibridă să fie permanentizată prin înmulţirea vegetativă a indivizilor respectivi. Avantajele şi dezavantajele hibrizilor comerciali Productivitatea şi uniformitatea (sub aspectul formei, mărimii, culorii, epocii de maturare a fructelor, bulbilor, rădăcinilor, căpăţânilor etc.) sunt principalele caracteristici ale hibrizilor comerciali, dar extrem de importante. Datorită acestora poate fi explicat, în mare parte, succesul lor în producţie şi faptul că, îndeosebi în ultimii zece ani, hibrizii comerciali au înlocuit în mare măsură soiurile, la numeroase specii agricole. Un avantaj pe care îl prezintă hibrizii comerciali faţă de soiurile cu polenizare liberă îl reprezintă şi faptul că firmele (companiile) producătoare de seminţe îşi pot proteja aceste cultivaruri. Protecţia soiurilor (atât genetic, cât şi comercial) pentru companiile producătoare de seminţe este scăzută atâta timp cât aceste cultivaruri pot fi menţinute de cultivatori (prin înmulţire seminală) sau vândute de alte companii sub alte nume de soi. În schimb, prin hibrizii comerciali, companiile producătoare de seminţe îşi asigură o protecţie deplină a acestor cultivaruri, întrucât ele sunt deţinătoarele liniilor componente, precum şi a formulelor parentale (combinaţiilor hibride) în care se obţine un intens efect heterozis pentru caracterele dorite. Fermierii care cultivă hibrizii comerciali nu pot reproduce prin sămânţă de la o generaţie la alta nivelul heterozis din F1, întrucât, datorită recombinărilor genice, structura genetică a acestor cultivaruri se modifică încă din următoarea generaţie şi nu se mai obţine aceeaşi productivitate, uniformitate etc. De aceea, an de an, fermierii sunt obligaţi să-şi achiziţioneze sămânţa dorită de la companiile producătoare ale hibrizilor comerciali preferaţi. În afară de avantajele faţă de soiuri, hibrizii comerciali au şi unele dezavantaje. Astfel, obţinerea liniilor consangvinizate componente (selecţia, testarea lor), hibridările între linii etc. sunt destul de dificile, necesită mai mult timp decât obţinerea unor soiuri noi, iar ca o consecinţă, preţul seminţelor la hibrizii comerciali este mai mare de două-trei ori decât la soiuri (Sestraş, 2004). Pe de altă parte, caracteristicile plantelor (precum şi calitatea recoltei) la hibrizii comerciali nu le depăşesc neapărat pe cele ale soiurilor, uneori soiurile având chiar mai mulţi susţinători din acest punct de vedere, inclusiv în privinţa adaptabilităţii superioare la condiţii specifice de mediu şi cultură (şi, uneori, chiar a productivităţii). Datorită acestor motive, hibrizii comerciali nu sunt răspândiţi în cultură în destul de 77

multe părţi ale lumii, costurile prohibitive ale seminţelor pentru fermierii locali şi absenţa unor beneficii superioare semnificative prin cultivarea lor constituind tot atâtea cauze.

5.4. MUTAŢIILE 5.4.1. Utilizarea mutaţiilor în scopul provocării variabilităţii la plantele agricole Dacă în genetică, mutaţia este tratată ca orice modificare în structura şi chimismul unei gene, sau o modificare bruscă şi stabilă a materialului ereditar, în ameliorare, mutaţia este definită ca o schimbare bruscă a bazei ereditare a unui organism, care nu se datorează recombinărilor ce rezultă în urma încrucişărilor. După cum s-a arătat în prima parte, mutaţia poate fi este rezultatul unei schimbări produse în informaţia genetică a unui individ, ca urmare a afectării întregului genom (euploidia) sau numai a anumitor cromozomi din genom (aneuploidia, restructurările cromozomale). Mutaţia poate să apară, de asemenea, ca urmare a modificării informaţiei dintr-o singură genă (mutaţia genică), sau chiar numai dintr-o pereche de nucleotide ai unuia din codonii ce formează o genă (mutaţia punctiformă). Evident, mutaţia poate afecta şi genele din mitocondrii şi cloroplaste (mutaţii citoplasmatice). În horticultură, mutageneza reprezintă o importantă metodă de provocare a variabilităţii necesară selecţiei. Pentru inducerea artificială a mutaţiilor se folosesc diferiţi agenţi mutageni, fizici (radiaţiile ionizante şi neionizante) sau chimici (agenţi alkilanţi, analogi ai bazelor purinice şi pirimidinice, colchicina etc.). Tratamentele cu aceşti agenţi mutageni se pot efectua la plante întregi sau la diferite părţi sau organe ale plantelor, cel mai adesea la seminţe, polen, muguri etc. În urma tratamentelor, la plantele agricole pot să apară un număr apreciabil de mutaţii, din care însă majoritatea sunt dăunătoare, o parte letale şi foarte puţine folositoare, care să afecteze caractere de interes agronomic şi să constituie obiectul selecţiei şi punctul de pornire în obţinerea unui nou 1soi. 5 10 20 40 100 Datorită faptului că o proporţie relativ mică de mutaţii induse afectează caractere utile ale plantelor, folosirea mutagenezei ca mijloc de creare a variabilităţii artificiale, presupune observarea unui număr mare şi foarte mare de indivizi mutanţi pentru a spori şansele de depistare a mutaţiilor favorabile. 78 Generaţia de autofecundare

Frecvenţa cea mai ridicată de apariţie a mutaţiilor se obţine atunci când plantele (sau organele plantelor) sunt tratate cu doze ce provoacă moartea la aproximativ 50% dintre plantele tratate sau din descendenţii rezultaţi din organele tratate. Doza care determină pieirea unei proporţii de aproximativ 50% din plantele rezultate în urma tratamentelor a primit denumirea de doza letală 50% (DL50). După cum s-a precizat, la tratamentele cu DL50 doar jumătate din plante supravieţuiesc, însă la acestea se vor manifesta mutaţii cu o frecvenţă ridicată. Doza letală 50% are valori diferite în funcţie de specia şi organul tratat, precum şi în funcţie de agentul mutagen folosit (tabelele 5.4.1. şi 5.4.2). De regulă, indiferent de agentul mutagen folosit, DL50 are valori mai ridicate când tratamentul se execută la organe aflate în repaus vegetativ (seminţe uscate, ramuri, muguri dorminzi etc.) şi mai scăzute atunci când se aplică unor organe aflate în plină creştere vegetativă sau dezvoltare generativă (muguri în creştere, meristeme apicale, grăunciori de polen, flori etc.).

Tabelul 5.4.1. Doza letală 50% (DL50) la câteva specii agricole şi organele care pot fi tratate cu agenţi mutageni Specia Mazăre şi fasole (seminţe uscate) Tomate, cartofi (seminţe) Cartofi (tuberculi) Castraveţi (seminţe) Varză, morcovi, ridichi de toamnă (seminţe) Ceapă, viţă de vie (seminţe) Ceapă (bulbi) Pepene galben (seminţe) Spanac, mărar, gulie (seminţe) Ridiche de lună (seminţe) Căpşuni (seminţe) Viţa de vie, coacăz (coarde, butaşi) Cireş, vişin (sâmburi) Vişin (butaşi, ramuri altoi) Măr şi păr (seminţe uscate) Măr (muguri dorminzi) Păr, prun (muguri dorminzi) Polen matur de viţă de vie, pomi fructiferi Lalele (bulbi) 79

DL50 în Kr 8 – 15 20 – 30 5 – 10 50 80 – 100 8 – 10 5 – 12 16 25 – 35 200 20 8 – 10 15 – 20 0,5 – 3 7 – 12 5 – 7,5 2–5 0,3 – 0,5 0,6

Gladiole, ciclamen (bulbi) Garoafe (seminţe)

10 – 15 15 –20

Mutaţiile care au ca rezultat modificarea informaţiei genetice a gameţilor, numite mutaţii generative, pot fi relativ uşor de recunoscut, întrucât se transmit în descendenţă pe cale sexuată. Mutaţiile care au ca rezultat modificarea informaţiei genetice a celulelor somatice, numite mutaţii somatice, nu se transmit de cele mai multe ori în generaţiile următoare prin reproducere sexuată. În schimb, mutaţiile somatice pot fi menţinute şi multiplicate prin înmulţire vegetativă. Mutaţiile care afectează materialul ereditar din afara nucleului, numite citoplasmatice, se transmit sexuat descendenţilor, însă exclusiv pe linie maternă.

Tabelul 5.4.2. Concentraţiile necesare producerii de mutaţii la diferite specii agricole cu ajutorul mutagenilor chimici (Diaconu, 1971, citat de Ardelean şi Sestraş, 1999) Concentraţia Specia Substanţa mutagenă % Etil-amină 0,02-0,06 Dietil-sulfat 0,01-0,1 Mazăre şi fasole Dimetil-sulfat 0,01-0,03 (seminţe) Nitrozo-etil-ureea 0,001 Etil-metan-sulfonat 0,15-0,5 Cartofi (seminţe) Etil-amină 0,1 Etil-amină 0,5-0,005 Viţa de vie Dimetil-sulfat 0,1-0,05 (butaşi) Nitrozo-etil-ureea 0,0001 Pomii fructiferi Nitrozo-etil-ureea 0,016-0,008 (muguri) Dimetil-sulfat 0,001-0,004 Dintre mutaţiile care se pot manifesta în urma tratamentelor cu diferiţi agenţi mutageni, fizici sau chimici, unele au efecte severe asupra plantelor, iar altele determină modificarea unor caracteristici ale plantelor, acestea urmând a fi identificate prin selecţie. Restructurările cromozomale, de tipul aneuploidiilor şi euploidiilor, determină adesea moartea plantelor la care se manifestă. În cazul în care astfel de plante supravieţuiesc, ele prezintă de regulă un grad foarte ridicat de sterilitate, şi ca urmare nu prezintă utilitate şi interes pentru ameliorare. Spre deosebire de mutaţiile care afectează puternic materialul ereditar şi cauzează efecte drastice asupra plantelor, mutaţiile genice, prin cantitatea mult mai mică de 80

material genetic afectat, sunt în mod obişnuit viabile şi fertile, ele constituind de cele mai multe ori obiectul selecţiei.

5.4.2. Selecţia plantelor agricole afectate de mutaţia genică Mutaţia genică determină apariţia unor plante la care pot fi afectate diferite caracteristici morfologice, fiziologice, biochimice etc.; efectul principal al mutaţiei, urmărit în ameliorare, constă în apariţia variabilităţii. Variabilitatea produsă de mutaţia genică se poate manifesta fenotipic diferit, şi are un moment şi frecvenţă de apariţie în funcţie de tipul de plantă cu care se lucrează (autogamă, alogamă), de modul de înmulţire a acesteia (seminal, vegetativ) şi de tipul de genă afectată (dominantă, semidominantă, recesivă). Modul de producere a mutaţiei genice, precum şi identificarea şi respectiv selecţia mutaţiilor care afectează caracteristici utile ale plantelor sunt puternic influenţate de tipul de polenizare a plantelor agricole şi, ca atare, de structura lor genetică. La plantele autogame, caracterizate printr-un înalt grad de homozigoţie, mutaţia recesivă (a unei gene dominante care este transformată astfel în alela ei recesivă) poate fi depistată fenotipic doar în generaţia X2 sau M2, conform schemei: (T) AA* (mutaţie) → (X1) Aa, identici fenotipic cu AA; Aa x Aa (autopolenizare) → (X2) AA + 2Aa + aa (plantele cu genotipul “aa” sunt diferite fenotipic de cele cu genotipul “AA” şi “Aa”). La aceleaşi plante (autogame), mutaţia dominantă (a unei gene recesive ce trece în alela ei dominantă) se manifestă fenotipic încă din generaţia X1 sau M1, conform schemei: (T) aa* (mutaţie) → (X1)Aa, diferită fenotipic de “aa”. Pe baza relaţiilor de mai sus, se poate afirma că, la plantele autogame, mutaţia recesivă poate fi depistată fenotipic doar în generaţia X2(M2), la cca. 25% din descendenţi. Ea este însă stabilă, în timp ce, mutaţia dominantă, deşi poate fi evidenţiată fenotipic încă din X1(M1), necesită generaţii ulterioare de autopolenizare pentru identificarea formelor mutante homozigot dominante, conform schemei de mai jos: (X1) Aa x Aa (autopolenizare) → (X2) aa + 2Aa + AA (identici fenotipic cu “Aa”, diferiţi însă din punct de vedere genotipic). (X2) Aa (autopolenizare) → (X3) AA + 2Aa + aa (segregare). (X2) AA (autopolenizare) → (X3) AA (mutaţie dominantă stabilă).

81

La plantele alogame, caracterizate printr-un înalt grad de heterozigoţie pentru majoritatea genelor (locilor), exprimarea variabilităţii fenotipice, indusă de mutaţiile recesive şi dominante are loc astfel: (T) A*a (mutaţie recesivă) → (X1) aa (diferită fenotipic de “Aa”; stabilă). (T) Aa* (mutaţie dominantă) → (X1) AA (identic fenotipic cu “Aa”; stabilă). Rezultă că, la plantele alogame, mutaţia recesivă este vizibilă fenotipic încă din X1(M1) şi ea poate fi păstrată ca atare numai prin reprodu-cerea sexuată în spaţii izolate care să oblige autopolenizarea plantelor mutante, sau prin înmulţirea vegetativă a acestora. Mutaţia dominantă, la plantele alogame, nu se deosebeşte fenotipic în X1 de forma iniţială, aşa că este foarte greu de pus în evidenţă în această generaţie. O astfel de mutaţie, în eventualitatea că a apărut, poate fi evidenţiată doar în X2(M2), datorită stabilităţii sale, ceea ce ar presupune autopolenizarea tuturor plantelor X1(M1) supuse tratamentului. Mutaţiile somatice, dominante sau recesive, care se evidenţiază încă din prima generaţie (V1) după tratament, vor putea fi păstrate ca atare şi, eventual, multiplicate cu ajutorul înmulţirii vegetative sau a celei meristematice. Mutaţiile genice pot apare în mod natural la plante, sau pot fi induse prin tratamente cu agenţi mutageni. Indiferent de modul lor de apariţie, ele pot fi identificate şi selecţionate dacă sunt utile pentru ameliorare. 5.4.3. Identificarea mutaţiilor spontane utile în scopul ameliorării plantelor agricole Identificarea sau selecţia mutantelor spontane constituie o metodă de ameliorare utilizată de mult timp la plantele agricole, încă înainte de elucidarea ştiinţifică a mecanismului de producere a mutaţiilor. Principala caracteristică a mutaţiilor naturale o constituie frecvenţa lor deosebit de scăzută. Cu toate acestea, multe soiuri noi de plante agricole au la origine o singură mutantă apărută spontan în soiuri sau populaţii vechi, considerate stabile. Majoritatea acestor mutaţii sunt genice, recesive, mai rar dominante, transmiţându-se în generaţiile succesive de înmulţire sexuată şi vegetativă. La plantele agricole cu înmulţire vegetativă, mutaţiile spontane care afectează celulele plantelor se numesc mutaţii somatice, şi au o foarte mare importanţă pentru ameliorare. Asemenea mutaţii pot fi selecţionate şi perpetuate prin înmulţire vegetativă, pe această cale fiind create numeroase 82

soiuri de plante agricole, printre care: Băbească albă la viţa de vie, soiurile Starkrimson, Starking, Wellspur şi celelalte soiuri selecţionate ca mutante ale soiului iniţial Stark Delicious (figura 5.4.3.), soiul de prune Early prolific ş.a. Selecţia mutaţiilor spontane la plantele agricole, ca metodă de creare de soiuri noi, trebuie să se efectueze în funcţie de anumite considerente, care pot asigura o eficienţă ridicată a metodei, cum sunt: – Întrucât frecvenţa de apariţie a mutaţiilor naturale este foarte scăzută, este necesară observarea unui număr mare şi foarte mare de indivizi. Probabilitatea de identificare a unor mutaţii creşte odată cu sporirea volumului de material analizat. PARRISH D. 1934 – 1946

OKLAHOMA 1947

PITMAN RED D. 1948 – 1956

STARK D. 1894 – 1895

VANCE D. 1930 – 1935 SHOTWELL D. 1928 – 1934

GEORGE STAPLES

RICHARED 1920 – 1926

MIAMI 1930 – 1935

TOP RED D. 1954 – 1959

REDWIN RED D. 1925 – 1928 DELICIOUS TURNER

ROYAL RED D. 1946 – 1952

HI – RED 1949 – 1954

RED KING 1953 STARKING 1921 – 1924

EARLY RED 1954 WELLSPUR D. 1952

CHELANRED 1948 – 1951 HI – EARLY 1945 – 1955

HARROLD RED 1953 –1958

EXCELLS RED 1952 – 1956 RED QUEEN 1952 – 1957

HOUSER RED 1953 – 1958

CLARKISH 1955 – 1958

TONASKET RED D. 1954 – 1958 RYAN RED 1956 – 1958

RED STARK 1927

STARKRIMSON Fig. 5.4.3. Soiuri de măr selecţionate ca mutante somatice din soiul Stark Delicious – Marea majoritate a mutaţiilor care apar şi sunt identificate sunt nefolositoare, astfel că, pentru a mări şansele de identificare a unor mutaţii valoroase, care să afecteze caractere favorabile, trebuie identificat şi analizat un număr cât mai mare de indivizi mutanţi. 83

– Mutantele identificate şi reţinute ca valoroase, la plantele ce se înmulţesc prin seminţe, vor fi autopolenizate, pentru a se verifica tipul mutaţiei, recesivă sau dominantă, şi pentru a se selecţiona formele mutante stabile în generaţiile următoare. La speciile care suportă greu autopolenizarea, se poate recurge la încrucişarea între ele a mutantelor cu acelaşi fenotip. – La plantele care se înmulţesc vegetativ, mutaţiile generative şi somatice pot fi uşor menţinute şi transmise descendenţei vegetative prin acest tip de înmulţire. În acest caz, nu mai este necesară verificarea tipului de mutaţie apărut (recesivă, dominantă), ci doar selecţia şi înmulţirea lor vegetativă. – Mutaţiile somatice, apărute în celulele subepidermale, sunt cel mai adesea stabile în generaţiile de înmulţire vegetativă. La plantele care se înmulţesc vegetativ, astfel de mutaţii se numesc şi variaţiuni mugurale sau “sport”-uri. Mutaţiile epidermale, în special cele localizate în straturile superioare ale epidermei, de foarte multe ori se “pierd” în generaţiile următoare de înmulţire vegetativă. - Identificarea mutaţiilor naturale utile constituie o cale rapidă şi ieftină de obţinere a unor noi soiuri. Eficienţa utilizării mutaţiilor spontane în crearea de noi soiuri poate fi argumentată prin numărul mare de cultivaruri obţinute pe această cale, în mod deosebit la speciile cu înmulţire vegetativă. – Deoarece între specii şi chiar între cultivarurile aceleiaşi specii există diferenţe mari în ceea ce priveşte frecvenţa de apariţie a mutaţiilor naturale, munca de selecţie a mutantelor spontane va fi direcţionată, în principal, spre speciile şi cultivarurile cu o mutabilitate ridicată. De exemplu, la trandafir, mutaţiile apar cu o frecvenţă mult mai mare decât la gerbera, iar dintre soiurile de trandafir, Marechal Niel este recunoscut ca având o mutabilitate mult mai mare decât restul soiurilor. Noul soi de trandafir Golden Elegance, cu flori galben-aurii, creat la S.C.D.P. Cluj-Napoca, provine dintr-o mutaţie spontană identificată la soiul Ambassador, cu flori roşii-portocalii. La crizanteme, depistarea unor mutaţii utile la soiul Regina Angliei a dus la obţinerea a peste 60 de soiuri diferite. Sunt caracterizate, de asemenea, printr-o frecvenţă mai mare de apariţie a mutaţiilor spontane soiurile de viţă de vie Montmorency şi Hortensia, soiurile de căpşun Johanes Muller şi Silezia şi soiul de pere Williams. La măr, pe lângă soiul Stark Delicious şi soiurile derivate din el, o frecvenţă ridicată de apariţie a mutaţiilor spontane se manifestă şi la soiurile Jonagold, Elstar, Fuji, Gala ş.a. Prin selecţia variaţiunilor mugurale, din soiul japonez Fuji s-au obţinut mutantele Fuji Akifu, Fuji Nagafu, 84

Spur Fuji, Sun Fuji, Red Fuji, Early Fuji ş.a., iar din cunoscutul soi Jonagold, care prezintă avantajul apariţiilor frecvente a unor mutaţii naturale, au fost omologate noi soiuri, precum: Jonagored, Jonica, Wilmuta, New Jonagold, King Jonagold, Rubingold, Dalijo, Reniers I, Reniers II, Dacosta, Jonagold 2000 etc. (Ardelean şi Sestraş, 1999).

5.4.4. Selecţia mutaţiilor utile induse artificial Caracterele afectate de mutaţiile artificiale la plantele agricole sunt similare cu cele cauzate şi de mutaţiile naturale. Dintre mutaţiile genice, cel mai uşor pot fi induse cele care afectează coloraţia fructelor sau florilor, mărimea şi forma fructelor, epoca de maturare a fructelor, tipul de creştere şi fructificare a plantelor etc. Cu toate că frecvenţa de apariţie a mutaţiilor artificiale este apreciabil mai mare decât a celor naturale (de 10 până la 400 de ori mai mare), proporţia mutaţiilor folositoare rămâne, în continuare, deosebit de scăzută (cca. 1:600-1000 de mutaţii). Această caracteristică face necesară tratarea, observarea şi testarea unui număr foarte mare de indivizi presupus mutanţi, pentru a mări şansele de identificare a unor mutaţii valoroase. Modul în care se efectuează selecţia mutaţiilor induse la plantele agricole este influenţat de particularităţile biologice ale acestora. La speciile care se înmulţesc prin seminţe (cereale, in, cânepă, sfeclă, legume, flori etc.), selecţia mutantelor artificiale se desfăşoară pe parcursul a trei etape distincte: a) Identificarea mutaţiei şi stabilirea tipului acesteia. b) Verificarea stabilităţii mutaţiei în generaţii de reproducere sexuată. c) Selecţia, înmulţirea şi testarea valorii agricole a mutantelor considerate valoroase şi a descendenţelor acestora. Schema de selecţie a plantelor cu caracteristici favorabile rezultate în urma inducerii de mutaţii, la plantele autogame, este prezentată în fig. 5.4.4. Această schemă de selecţie este aplicabilă îndeosebi la legume şi flori, specii la care majoritatea mutaţiilor generative sunt genice, recesive. În schemă este redată şi explicaţia principalelor operaţiuni executate în fiecare generaţie. Aceeaşi schemă de selecţie a mutaţiilor induse se poate aplica şi la plantele alogame care se înmulţesc prin seminţe, cu următoarele specificări: a) Identificarea mutaţiilor recesive poate începe încă din X1(M1), urmând ca verificarea stabilităţii acestora să se facă în generaţiile M2 şi următoarele. 85

SEMINŢE TRATATE

AN 1 M-1

-Circa 50 % din plante pier.

- Identificarea mutantelor recesive.

AN 2 M-2

- Verificarea stabilităţii mutantelor recesive. -Identificarea mutantelor recesive apărute mai târziu (M – 3).

AN 3 M-3

AN 4 M-4

AN 5-7 M – 5-7

- Tratamente cu agenţi mutageni chimici sau fizici.

C.C.O.

C.C.O.

C.C.C.

- Verificarea stabilităţii mutantelor recesive identificate în M – 3. - Culturi comparative de orientare cu linii mutante stabile, valoroase.

- Culturi comparative de orientare şi de concurs cu linii mutante valoroase.

Fig. 5.4.4. Schema selecţiei în urma inducerii de mutaţii la plantele agricole autogame care se înmulţesc prin seminţe b) Verificarea stabilităţii mutaţiilor recesive se va face prin generaţii de autopolenizare forţată. La speciile care suportă greu depresiunea de consangvinizare, mutantele cu fenotip identic vor fi înmulţite împreună, izolat în spaţiu, pentru a se favoriza o polenizare străină care să nu ducă la pierderea genei mutante, aflată în stare homozigot recesivă. c) Păstrarea genelor mutante recesive se va face în linii consangvinizate care vor fi folosite în combinaţii hibride numai cu alte linii ce prezintă genele respective tot în stare homozigot-recesivă, pentru a 86

permite caracterelor controlate de aceste gene să se manifeste la hibrizii comerciali. Mutaţiile somatice utile, induse artificial, sunt selecţionate la plantele cu înmulţire vegetativă în mod similar cu metoda aplicată în selecţia mutaţiilor somatice naturale la aceleaşi plante. După depistarea plantelor purtătoare a unor mutaţii care afectează caracteristici favorabile, importante pentru ameliorare, se trece la înmulţirea vegetativă a plantelor respective (prin altoire, butăşire, bulbi, tuberculi, rizomi, stoloni etc.), obţinându-se descendenţe clonale. Clonele se testează în culturi comparative alături de soiul iniţial, la care s-a identificat mutaţia, şi de alte soiuri valoroase, utilizate ca martor. Dacă în urma verificării, unele clone se dovedesc valoroase prin caracteristicile noi pe care le prezintă, se poate trece la omologarea lor ca noi soiuri.

5.5. POLIPLOIDIA 5.5.1. Principalele tipuri de poliploidii utilizate în ameliorarea plantelor agricole La plantele superioare, de regulă, în celulele somatice există două seturi complete de cromozomi (câte un set provenit de la fiecare părinte), iar gameţii conţin doar un singur set de cromozomi, ca urmare a diviziunii reducţionale (meiotice). Această regulă nu înseamnă că la plante nu pot apare diferite abateri, care pot fi împărţite în două mari grupe: I) Abateri datorate apariţiei de mai multe sau mai puţine ori decât normal a unui/unor anumiţi cromozomi ai setului; aceste abateri fiind cunoscute sub numele de aneuploidie. II) Abateri datorate repetării de mai multe ori a întregului set cromozomal, cunoscute sub numele de euploidie. Cele două tipuri de abateri, numite numeric-cromozomale, au fost denumite poliploidii. Principalele tipuri de aneuploidie şi euploidie întâlnite la plantele agricole şi în lucrările de ameliorare a acestora sunt: Nulisomia 2x-2 (AA BB _ _) Monosomia 2x-1 (AA BB C_) Dubla monosomie 2x-1-1 (AA B_ C_) Aneuploidia Trisomia 2x+1 (AA BB CCC) Dubla trisomie 2x+1+1 (AA BBB CCC) Tetrasomia 2x+2 (AA BB CCCC) Monosomia-trisomie 2x-1+1 (AA B_ CCC) 87

Euploidia

Monoploidia 2n=x (ABC) Diploidia 2n=2x (ABC)(ABC) Triploidia 2n=3x (ABC)(ABC)(ABC) Autotetraploidia 2n=4x (ABC)(ABC)(ABC)(ABC) Alopoliploidia 2n=2x+2x’ (ABC)(ABC)(A’B’C’)(A’B’C’)

La diferitele tipuri de aneuploizi şi euploizi prezentaţi în această clasificare, x reprezintă numărul cromozomal de bază al fiecărei specii, iar A, B şi C sunt trei cromozomi din celulele sexuale ale unei specii oarecare cu x=n=3 cromozomi. Formele poliploide se mai numesc şi mutaţii numericcromozomale, datorită faptului că majoritatea abaterilor numericcromozomale prezentate apar în mod brusc, iar variabilitatea sporită a genotipurilor poliploide nu este o consecinţă a recombinărilor care rezultă în urma hibridării. Modul de manifestare şi efectele fenotipice ale poliploidiei sunt foarte diferite de la o specie la alta şi de la un tip de ploidie la altul. Aneuploizii sunt mai puţin viguroşi decât diploizii normali, de multe ori aceştia pierind în diferite etape ale creşterii lor, iar dintre cei care supravieţuiesc mulţi sunt sterili. Dintre aneuploizi, nulisomii şi monosomii sunt viabili numai în organisme filogenetic poliploide, în care lipsa unuia sau a doi cromozomi este suplinită de cromozomii omologi sau parţial omologi din celelalte seturi cromozomale. Alte tipuri de aneuploizi, cum sunt trisomii şi tetrasomii se caracterizează prin dereglări atât de mari, încât, de obicei, la formele diploide, astfel de indivizi nu sunt viabili. În schimb, la multe specii poliploide, cum este şi grâul, trisomia şi tetrasomia sunt atât de bine tolerate, încât aspectul fenotipic al plantelor afectate de aceste fenomene nu diferă de cel al plantelor normale. Autopoliploizii care iau naştere prin multiplicarea propriului genom, prezintă de regulă organe vegetative de dimensiuni mai mari şi creşteri mai viguroase decât analogii lor diploizi. Există şi abateri de la această regulă, întâlnindu-se numeroase cazuri de autopoliploizi care sunt mai puţin viguroşi decât formele diploide. Alopoliploizii iau naştere prin adiţie de genoame de la specii diferite, astfel că la alopoliploizi, caracteristicile speciilor din care aceştia provin pot să se manifeste mai mult sau mai puţin amestecate. De cele mai multe ori, la alopoliploizi se manifestă în mod preponderent caracteristicile speciei mai rustice, care uneori prezintă o dominanţă a majorităţii caracterelor. 88

5.5.2. Utilizarea poliploizilor naturali în ameliorarea plantelor agricole După cum s-a precizat, starea considerată normală pentru majoritatea plantelor agricole este diploidia, iar apariţia formelor de ploidie se datorează unor accidente citologice, survenite în diferite momente ale activităţii celulare. Principalele forme de aneuploizi (monosomi, nulisomi, trisomi, tetrasomi) apar sporadic în natură, la majoritatea speciilor agricole, din gameţi cu n-1, respectiv cu n+1 cromozomi. Astfel de gameţi iau naştere în urma nondisjuncţiei unei perechi de cromozomi în timpul meiozei. Se admite că majoritatea aneuploizilor iau naştere ca urmare a unor dereglări ale procesului meiotic, provocate de genele asinaptice. Autopoliploizii apar şi ei în mod natural la marea majoritate a speciilor agricole, ca urmare a unor erori meiotice care favorizează formarea de gameţi nereduşi, cu n=2x cromozomi. În celulele somatice, poliploidia poate apărea ca rezultat al unei mitoze degenerate, în urma careia, în loc de două celule fiice cu câte 2n=2x cromozomi, va rezulta o singură celulă fiică cu 2n=4x cromozomi. Dacă o astfel de dereglare mitotică apare în primele faze (embrionare) de dezvoltare ale plantei, aceasta va putea forma organe florale poliploide, în care gameţii haploizi, reduşi normal, vor avea n=2x cromozomi. Triploizii speciilor agricole apar în mod natural ca urmare a încrucişărilor accidentale dintre o formă tetraploidă şi una diploidă a aceleiaşi specii (2n=2x) x (2n=4x) → (2n=3x). Cel mai adesea, triploizii sunt total sau parţial sterili şi manifestă o instabilitate genetică pronunţată, ceea ce face ca indivizii parţial fertili să dea naştere unor descendenţe cu diferite grade de aneuploidie. Alopoliploizii apar în natură în urma încrucişării a două specii sau chiar genuri diferite, urmată de dublarea numărului de cromozomi ai hibridului F1. În natură, această dublare are loc tocmai prin formarea gameţilor nereduşi, datorită neconjugării cromozomilor neomologi în meioză. După Stebbins (1972), citat de Ardelean şi Sestraş (1999), aproximativ 35% din numărul total al speciilor vegetale sunt poliploide. Această proporţie sugerează importanţa pe care o are fenomenul poliploidiei, atât în evoluţia speciilor, cât şi în agricultura practică. La plantele agricole, majoritatea speciilor prezintă serii poliploide. Se consideră că pentru fiecare specie în parte există un grad optim de ploidie, faţă de care, atât formele cu un număr mai mare, cât şi cele cu 89

un număr mai mic de seturi cromozomale de bază sunt inferioare. Un exemplu în acest sens, îl constituie genul Beta. Sfecla de zahăr triploidă (2n=27) este superioară, atât ca producţie de rădăcini cât şi în privinţa conţinutului în zahăr al rădăcinilor, atât formelor diploide (2n=18), cât şi celor tetraploide (2n=36). 5.5.3. Inducerea artificială a poliploidiei la plantele agricole Principalul mijloc de provocare a apariţiei poliploizilor la plante îl constituie tratamentele cu colchicină. Colchicina este un alcaloid cu efect poliploidizant asupra plantelor, frecvent folosit în lucrările de ameliorare a plantelor agricole. Pe lângă tratamentele cu colchicină există şi alte metode de producere artificială a ploidiilor, încadrate în trei grupe principale. a) Metode biologice, din care fac parte încrucişările interspecifice şi intergenerice, polispermia, cultura “in vitro” de celule şi ţesuturi vegetale etc. Metodele biologice sunt destul de dificil de aplicat pentru obţinerea poliploizilor şi au o eficienţă relativ scăzută, dar, în anumite cazuri, ele sunt singurele capabile să inducă anumite forme de ploidie. b) Metodele fizico-mecanice, care presupun utilizarea radiaţiilor ionizante, a centrifugărilor sau a şocurilor de temperatură în vederea dereglării procesului meiotic sau mitotic, dereglări ce se pot adesea concretiza în apariţia de aneuploizi sau euploizi. c) Metodele chimice, care constau, în principal, în folosirea colchicinei ca agent poliploidizant. Colchicina are ca efect principal oprirea formării fusului nuclear, împiedicând astfel migrarea spre cei doi poli a cromatidelor (în cazul mitozei) sau a cromozomilor (în cazul meiozei). Ca urmare, se formează un singur nucleu de restituţie, cu un număr de cromozomi dublu faţă de cel al celulelor iniţiale. Tratamentele cu colchicină sunt uşor de efectuat, fără să necesite măsuri speciale de protejare a celor care le efectuează. Ele pot fi aplicate plantelor întregi, seminţelor, vârfurilor de creştere, inflorescenţelor, rădăcinilor etc. Concentraţia soluţiei de colchicină, precum şi durata de aplicare a tratamentului, variază în funcţie de specie şi organul tratat. La viţa de vie cea mai eficientă concentraţie a soluţiei de colchicină este de 0,2%, apli-cată plantelor tinere, începând din faza cotiledonală până la apariţia celei de a treia frunze adevărate. Efecte poliploidizante asemănătoare cu cele produse de colchicină au şi alte substanţe chimice, cum sunt: feniluretranul, monobromnaftalena, paradiclorbenzenul, protooxidul de azot etc. 90

5.5.4. Aneuploidia Aneuploizii sunt, în general, mai puţin viguroşi decât corespondenţii lor normali, diploizi. Datorită neregularităţilor ce apar în meioza aneuploizilor aceştia sunt, de cele mai multe ori, complet sterili. Aceste două caracteristici ale aneuploizilor au făcut ca, până în prezent, ei să n poată fi folosiţi ca soiuri comerciale. În schimb, ei şi-au găsit un loc deosebit de important în procesul de ameliorare a diferitelor specii horticole, în special datorită posibilităţilor ce le oferă pentru localizarea pe cromozomi a diferitelor gene. Principiul de bază în folosirea aneuploizilor pentru localizarea genelor pe anumiţi cromozomi este acela al legării unei anumite constituţii genetice de manifestarea unui fenotip caracteristic. Astfel, Rick şi Barton (1954) au reuşit să folosească forme trisomice de tomate (2n+1) în scopul identificării diferitelor grupe de înlănţuire a genelor la această specie. Mult mai adesea, pentru localizarea genelor pe cromozomi sunt utilizaţi monosomii şi nulisomii. Sears (1953) a reuşit crearea a 21 de linii nulisomice la grâul de toamnă (soiul Chinese Spring), fiecare linie caracterizându-seprin absenţa unei anumite perechi de cromozomi. În acest fel au putut fi localizate genele majore care produc, la grâu, culoarea boabelor, creşterea aristelor, rezistenţa la anumite rase de rugini etc. Deosebit de interesante sunt rezultatele publicate de Unrau (1958) care, cu ajutorul unor linii monosomice obţinute la opt soiuri de grâu, a stabilit existenţa a nu mai puţin de 10 gene majore, dominante care determină rezistenţa la diferitele rase a rugini, gene localizate pe nouă din cele 21 de perechi de cromozomi ai grâului. Mai mult, Unrau a reuşit crearea unui soi sintetic care reunea şase din cele zece gene de rezistenţă la rugini cunoscute până la acea dată. Liniile de adiţie cromozomală sunt obţinute tot pe baza fenomenului de aneuploidie (trisomie). Metoda, utilizată până în prezent cu precădere la cereale, presupune adăugarea la genomul unui soi valoros a doi cromozomi proveniţi de la alt soi, cromozomi ce conţin gene care determină caracteristic foarte importante (rezistenţa la cădere, la boli etc.). În ultima vreme s-a reuşit obţinerea de linii de adiţie cromozomală la grâu în care cei doi cromozomi adiţionaţi provin de la o altă specie (Secale). Liniile de substituţie cromozomală sunt obţinute prin înlocuirea uneia sau a mai multor perechi de cromozomi din genotipul unui soi cu un număr egal de perechi de cromozomi din genotipul altui soi. Mai nou s-a reuşit obţinerea de linii de substituţie cromozomală la grâu la care cromozomii înlocuiţi proveneau de la o altă specie (Aegilops). 91

Obţinerea liniilor de substituţie cromozomală este posibilă, deocamdată, numai prin folosirea nulisomilor şi monosomilor. Operaţiunea implică trei faze distincte, şi anume: a) crearea nulisomului pentru cromozomii ce urmează să fie înlocuiţi; b) retroîncrucişarea formei nulisomice sau monosomice cu o formă donatoare normală (2n=2x) de la care se urmăreşte transformarea cromozomului sau perechii de cromozomi dorite; c) autopolenizarea plantelor monosomice şi selecţia indivizilor normali (2n=2x) dar cu o pereche de cromozomi înlocuiţi. Trebuie remarcat faptul că, liniile monosomice şi nulisomice precum şi liniile de adiţie şi de substituţie cromozomală pot fi mai uşor realizate la speciile filogenic poliploide la care lipsa temporară a unuia sau a doi cromozomi este suplinită de cromozomii omologi sau parţial omologi din celelalte seturi ale garniturii poliploide. Transferul de gene. Substituţia şi adiţia cromozomală, descrise mai sus, au de foarte multe ori efecte nesatisfăcătoare deoarece, împreună cu caracterul transferat sau adiţionat de la specia sau soiul donor sunt aduse şi o multitudine de caracteristici nedorite, localizate şi ele pe cromozomio adiţionaţi sau substituiţi. De aceea, s-a încercat transferarea, de la un soi sau specie donatoare, numai a acelei porţiuni dintr-un cromozom care conţinea gena pentru caracterul dorit. Sears (1956) a fost primul care a reuşit un astfel de “transfer de gene” (de fapt, de mici segmente cromozomale) de la specia Aegilops umbelulata la grâu. Transferul a presupus întâi crearea unei linii trisomice de grâu (2n+1 cromozom de la Aegilops), iar apoi iradierea acestor linii pentru ca o parte din cromozomul suplimentar să se piardă, iar o porţiune a acestuia, şi anume aceea care conţinea genele dorite, să fie translocată întrunul din cromozomii grâului. 5.5.5. Euploidia Un număr de destul de mare de plante cultivate sunt euploide. Dintre acestea, autopoliploizii ocupă, deocamdată, locul cel mai important în practica horticolă. Dintre formele autopoliploide cunoscute, în continuare vor fi prezentate doar cele mai frecvent utilizate în lucrările de ameliorare şi în practica agricolă. Monoploizii (sau haploizii adevăraţi) (2n=x) sunt plante care au, în celulele somatice, doar un singur set de cromozomi. Pentru practica agricolă şi horticolă monoploizii prezintă o importanţă mai redusă deoarece, atunci când sunt viabili, au o vigoare de creştere şi un habitus mult inferioare formelor diploide. În meioză, cromozomii monoploizilor nu pot forma perechi pe bază de omologie, astfel că o parte din ei migrează 92

spre un pol, iar altă parte spre celălalt pol al celulei, rezultând gameţi cu un număr neregulat de cromozomi. Acest fapt duce la sterilitatea accentuată a gameţilor plantelor monoploide. Pentru ameliorare monoploizii au, însă, o importanţă deosebită mai ales la speciile autogame şi la cele alogame la care se lucrează cu linii consangvinizate în vederea obţinerii de hibrizi comerciali. Dublând, prin colchicinizare, numărul de cromozomi ai unei plante monoploide se pot obţine, într-un timp foarte scurt, linii homozigote pentru toţi locii (linii pure). Metoda cunoaşte deja o aplicabilitate destul de largă la porumb, plantă la care monoploizii pot fi identificaţi cu ajutorul unor markeri genetici. Triploizii (2n=3x), ca şi monoploizii, sunt cel mai adesea sterili. La plantele horticole care se înmulţesc vegetativ, sterilitatea triploizilor nu constituie un impediment de netrecut de aceea, la aceste plante, există deja în cultură numeroase soiuri triploide. Astfel, sunt triploide soiurile de măr Jonagold, Close, Mutzu, Sir Prize, soiul de viţă de vie Pierce, precum şi binecunoscutele soiuri de pere Curé, Beurré Diels şi Surprise. Plantele triploide sunt, în general, viguroase şi produc o cantitate mare de fructe ale căror seminţe sunt, în proporţie foarte ridicată, sterile. De aceea, la cultivarea unor soiuri triploide se va avea în vedere necesitatea asigurării unui polenizator diploid, în caz contrar producţia soiurilor triploide va fi extrem de redusă datorită proporţiei mari de polen steril pe care acest tip de plante îl produc şi deci a unei polenizări total insuficiente. Un exemplu reprezentativ privind utilizarea triploidiei în ameliorarea plantelor îl constituie bananierul. Formele triploide nu numai că dau producţiile cele mai mari de fructe dar, în acelaşi timp, au şi fructe de cea mai bună calitate. Dezavantajul sterilităţii formelor triploide este transformat, la bananier, în avantaj: fructele formelor triploide nu au sâmburi, spre deosebire de cele ale bananierului diploid care au sâmburi mulţi şi tari ce fac fructul greu comestibil. Un alt exemplu edificator de folosire a triploidiei în ameliorarea plantelor îl constituie pepenele verde fără seminţe. Formele diploide de pepene verde (2n=22) sunt complet fertile producând fructe cu un număr mare de seminţe. Formele tetraploide (2n=44), deşi mai puţin fertile, produc fructe cu un număr suficient de mare de seminţe încât să permită înmulţirea lor economică. Încrucişarea formelor tetraploide, folosite ca mamă, cu cele diploide, folosite ca tată (♀2n=44 × ♂2n=22) dă naştere unor fructe cu seminţe triploide viabile (2n=33) în timp ce încrucişarea reciprocă (♀2n=22 × ♂2n=44) duce la obţinerea de fructe cu seminţe triploide sterile, neviabile.

93

La plantele triploide obţinute din seminţe viabile meioza decurge total nesatisfăcător, de regulă un cromozom îndreptându-se spre unul din poli şi doi cromozomi spre celălalt pol al celulei, la întâmplare. Se formează astfel gameţi cu 11 până la 22 de cromozomi, în proporţii date de 11

1 1 dezvoltarea binomului  +  . Rezultă că  2 2

11

1   din gameţi vor avea 11 2

11

1 sau 22 de cromozomi, iar 1-   din gameţi vor avea între 12 şi 21 de 2 cromozomi, fiind complet sterili. Cu alte cuvinte, mai puţin de 1% din gameţii plantelor triploide sunt fertili, ceea ce face ca soiurile triploide de pepeni verzi să nu formeze seminţe, ci doar nişte rudimente de culoare albă, cu o consistenţă moale, ce pot fi consumate împreună cu miezul fructelor. Deoarece formarea fructelor depinde de fecundare, iar soiurile triploide produc polen aproape în totalitate steril, este necesară cultivarea acestor soiuri intercalate cu soiuri diploide care să furnizeze polen viabil. Kihara (1951) şi Stevenson (1958) consideră că raportul dintre plantele triploide şi cele diploide trebuie să fie în câmp de 5:1. În ultima vreme, tehnici asemănătoare cu cea descrisă la pepenele verde au fost aplicate şi pentru obţinerea de castraveţi fără seminţe. Rezultatele obţinute sunt încurajatoare deşi, atât în cazul castraveţilor cât şi a pepenilor verzi, realizarea seminţei triploide viabile se face prin hibridări manuale între formele tetraploide şi cele diploide, fapt ce ridică încă probleme destul de mari de forţă de muncă specializată, de productivitate şi rentabilitate. Autotetraploizii (2n=4x) constituie cel mai important grup de euploizi din punctul de vedere al practicii şi ameliorării plantelor. Patru dintre cele mai răspândite specii agricole de pe glob sunt, de fapt, autotetraploizi: cartoful, lucerna, cafeaua şi arahidele. Autotetraploizii iau naştere prin dublarea propriului set cromozomal al celulelor plantelor. Comportarea acestui set dublu de cromozomi în timpul meiozei este mult mai complicată decât în cazul diploizilor. La diploizi, în meioză, repartizarea cromozomilor în gameţi se face în mod egal, prin despărţirea perechilor de cromozomi omologi, conform ecuaţiei: meioza 2n Aa (gametofit)   → nA +na (gameţi) La tetraploizi, unde există pentru fiecare cromozom patru omologi, se iveşte posibilitatea formării unui număr mai mare de tipuri gametice. Un

94

tetraploid poate forma gameţi cu următoarele structuri genetice (pentru un singur locus): AA, Aa şi aa. Frecvenţa acestor trei tipuri de gameţi este diferită în funcţie de modul de desfăşurare a meiozei. Fără a intra în detalii vom arăta doar că, prin combinarea celor trei tipuri de gameţi, este posibilă formarea a cinci genotipuri zigotice tetraploide diferite, şi anume: AAAA (cvadruplex), AAAa (triplex), Aaaa (duplex), Aaaa (simplex) şi aaaa (nuliplex). Pentru ameliorare acest lucru prezintă o mare însemnătate. La speciile diploide, selecţia în urma hibridării este considerabil uşurată de certitudinea că, în generaţia F2 şi următoarele, orice plantă aleasă care dă naştere unei descendenţe fenotipic uniformă poate fi considerată homozigotă. La tetraploizi acest principiu nu mai este valabil în toate cazurile. De exemplu, descendenţii unui triplex (AAAa), obţinuţi prin autopolenizarea acestuia, pot fi deosebit de uniformi fenotipic (datorită dominanţei alelei A), dar neuniformi genotipic, ceea ce va duce la segregarea lor în generaţiile următoare. O altă problemă complexă pe care o prezintă autotetraploizii este aceea a obţinerii, în generaţiile segregante, a tipurilor multiplu homozigotrecesive. În timp ce la un hibrid diploid (AaBb) se obţine prin autofecundare o generaţie F2 cu structura 9A_B_ + 3A_bb + 3aaB_ + 1aabb, la un hibrid autotetraploid raportul de segregare în F2 va fi de 1225A_B_ + 35A_bb + 35aaB_ + 1aabb. Cu alte cuvinte, într-un autotetraploid, frecvenţa de obţinere a dublu homozigoţilor recesivi (a multiplilor homozigoţi recesivi pentru cazul heterozigoţiei în mai mult de două gene) este mult mai redusă decât în cazul diploizilor. De ex., la un trihibrid autotetraploid autofecundat, frecvenţa de realizare în F2 a triplului homozigot recesiv (aabbcc) este cuprinsă între 1:8000 şi 1:47000 de plante. Este evident că, atunci când lucrează cu autotetraploizii, amelioratorul va trebui să obţină şi să observe populaţii F2 foarte numeroase, pentru a avea şansa identificării indivizilor multiplu homozigot-recesivi. Lucrările se complică şi mai mult în cazul autohexaploizilor sau a autooctoploizilor. Deoarece aceste categorii de autopoliploizi sunt mai rar utilizate în ameliorarea plantelor, nu se va insista asupra lor. Alopoliploizii sunt forme euploide (poliploide) la care dublarea sau triplarea numărului de cromozomi s-a realizat prin unirea unor genomuri diferite. Alopoliploidia a avut un rol deosebit în apariţia unor specii noi, de o mare importanţă agronomică. Grâul de toamnă este un alohexaploid, iar la varză se cunosc trei alopoliploizi ce au luat naştere prin combinarea genomurilor unor specii diploide. Acest proces continuă şi în zilele noastre,

95

de aceea selecţia formelor alopoliploide naturale rămâne o metodă de ameliorare foarte actuală. Cu toate că, atunci când se vorbeşte despre alopoliploidie, cel mai frecvent exemplu dat este acela al grâului de toamnă, primii alopoliploizi nu au fost identificaţi la cereale, ci la Primula. Digby (1912) a descoperit în cadrul unei populaţii hibride de P. verticilata × P. floribunda, caracterizată printr-o sterilitate totală a plantelor, câţiva indivizi fertili. Analiza citologică a acestor plante fertile a dovedit că ele aveau un număr dublu de cromozomi faţă de restul plantelor sterile. Această observaţie, deşi foarte importantă, a trecut aproape neobservată până în 1917 când danezul Winge a formulat ipoteza speciaţiei prin hibridare îndepărtată urmată de dublarea numărului de cromozomi ai hibridului. În 1928, Goodspeed şi Clausen aduc dovada incontestabilă a validităţii acestei ipoteze arătând că specia cultivată de tutun (N. tabacum, 2n=48) este un amfidiploid între speciile N. silvestris (2n=24) şi N. tomentosa (2n=24). În următoarele două decenii s-au adus noi dovezi privind valabilitatea acestei ipoteze, concretizându-se două căi posibile de apariţie a alopoliploizilor, în general, şi a amfidiploizilor, în special: I.

II.

AA (2n) ↓ A

BB (2n) ↓ B

AA (2n) BB (2n) ↓ ↓ Dublarea numărului de cromozomi ↓ ↓ AAAA BBBB Autotetraploizi 2n=4x 2n=4x

x (gameţi) ↓ AB ↓ Dublarea numărului de cromozomi ↓ AABB (4n) Amfidiploid

↓ AA

x ↓ AABB (4n) Amfidiploid

↓ BB

Dublarea numărului de cromozomi ai hibridului (în cazul I) sau ai formelor parentale (în cazul II) poate avea loc sub acţiunea unor factori naturali sau poate di provocată artificial prin colchicinizare, în acest fel amelioratorul creând, de fapt, specii noi de plante, necunoscute încă de natură.

96

Primul amfidiploid artificial a fost obţinut în 1928 de către Karpecenko, prin încrucişarea speciilor Raphanus sativus (2n=2x=18, genotip RR) şi Brassica oleracea (2n=2x=18, genotip BB). Hibridul intergeneric BR (2n=18) cuprindea indivizi complet sterili datorită neomologiei genoamelor. Prin dublarea numărului de cromozomi ai indivizilor hibrizi s-au obţinut indivizi amfidiploizi fertili BBRR (2n=36) denumiţi Raphanobrassica. În acelaşi mod au fost obţinuţi amfidiploizii de triticale (Triticum × Secale), amfidiploizi între măr şi păr, între pir şi grâu (Agropyrotriticum) şi alţii. Cu toate că cea mai mare parte a acestor amfidiploizi artificiali nu ocupă, deocamdată, areale prea mari în cultură, ei prezintă o deosebită importanţă teoretică şi practică deoarece arată calea pe care au străbătut-o, în evoluţia lor, anumite specii valoroase de plante precum şi metodologia care să permită amelioratorului obţinerea de specii şi genuri noi de plante, nerealizate încă de natură.

Capitolul

6

METODELE NECONVENŢIONALE DE AMELIORARE A PLANTELOR AGRICOLE Generalităţi Biotehnologiile şi ingineria genetică sunt cele mai moderne metode utilizate în ameliorarea plantelor agricole, ele intrând în categoria metodelor neconvenţionale. Îndeosebi în ultimii ani, preocupările oamenilor de ştiinţă s-au accentuat în direcţia cercetării modului prin care noile tehnici pot fi utilizate în scurtarea procesului de ameliorare, crearea variabilităţii şi obţinerea unor noi cultivaruri şi a materialului săditor cu înaltă valoare biologică, crearea formelor transgenice, a hărţilor genetice etc. Probabil prima tehnică de acest tip aplicată la plantele agricole, folosită în scopul menţinerii structurii genetice a cultivarurilor existente şi producerii materialului săditor a fost reprezentată de cultura „in vitro” de ţesuturi (meristeme) şi celule, sau micropropagarea. Folosită în acest scop, metoda prezintă numeroase avantaje (propagarea rapidă a cultivarurilor, rata mare de multiplicare pornind de la o singură plantă „mamă” şi obţinerea unor descendenţe vegetative cu acelaşi genotip, obţinerea unor plante 97

sănătoase etc.). În plus, metoda permite apariţia variabilităţii somaclonale, care poate fi exploatată prin selecţie „in vitro”, în direcţia creării unor genotipuri noi. Variabilitatea somaclonală poate fi provocată şi artificial, prin mutageneză „in vitro”. De asemenea, stocarea pe termen lung a materialului genetic (genotipurilor) sub forma culturilor de ţesuturi, prin crioprezervare (criostocare) şi înfiinţarea „băncilor de gene”, a fost luată în considerare la numeroase specii agricole, ca o alternativă la metodele tradiţionale de conservare, în câmpurile de colecţie. O altă metodă neconvenţională aplicată frecvent în ameliorarea plantelor agricole este cultura de embrioni. Prin culturi de embrioni „in vitro” (eventual „rudimente” de embrioni) amelioratorul poate obţine plante din încrucişări între genitori îndepărtaţi, între care apare un nivel ridicat de intersterilitate. Haploizii spontani (care iau naştere prin partenogeneză, androgeneză) sau induşi (prin tratamente cu agenţi fizici sau chimici aplicate gametofitului înainte de polenizare, hibridare interspecifică sau intergenerică) prezintă interes pentru obţinerea formelor homozigote, la care se pot aplica tratamente pentru dublarea numărului de cromozomi şi obţinerea liniilor dihaploide. Culturile de protoplaşti şi hibridarea somatică (fuziunea de protoplaşti) asigură depăşirea barierelor de incompatibilitate dintre speciile cu număr diferit de cromozomi şi obţinerea unor cibrizi care acumulează informaţia genetică nucleară de la specii diferite şi, în plus, spre deosebire de hibrizii sexuali, şi citoplasmă hibridă. Selecţia „in vitro” a protoplaştilor, dar şi a calusurilor sau haploizilor, permit identificarea unor forme utile pentru ameliorare într-un timp relativ scurt şi cu costuri scăzute. Cea mai sigură modalitate de selecţie este însă cea efectuată la nivelul ADN-ului, posibilă prin intermediul geneticii moleculare. În acest sens, există numeroase referinţe în literatura de specialitate privind aplicarea mai multor tehnici de lucru, prin aşa numita selecţie asistată de markeri, precum şi a tehnicilor de izolare, clonare, secvenţializare şi transfer a genelor. Markerii cei mai folosiţi sunt cei de tipul izoenzimelor, cum sunt RFLP (Restriction Fragment Length Polymorphisms), RAPD (Random Amplified Polymorphic DNA), AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphisms), PCR (Polymerase Chain Reaction), sau STS (Sequence Tagged Site), dintre ultimii, cei mai importanţi fiind microsateliţii SSR (Simple Sequence Repeat). La multe specii agricole, cercetările de genetică şi ameliorare, respectiv aplicarea metodelor clasice, convenţionale de ameliorare, sunt 98

restricţionate de necunoaşterea originii genetice a soiurilor, înalta heterozigoţie existentă la unele plante alogame, depresiunea de consangvinizare pe care o suferă acestea la autopolenizarea repetată, suprafeţele mari necesitate de populaţiile hibride ample, perioada juvenilă lungă a hibrizilor obţinuţi din sămânţă la speciile perene etc. În schimb, prin posibilităţile oferite de utilizarea markerilor moleculari, se creează premizele dezvoltării spectaculoase a lucrărilor de genetică, alcătuirea hărţilor de genom şi crearea profilului ADN unic pentru fiecare genotip (soi). La diferite specii agricole, prin transformare genetică se urmăreşte obţinerea unor plante rezistente la factori de stres, boli, dăunători. Bolile cauzează pierderi însemnate de producţie şi calitate a producţiei; ele impun cheltuieli considerabile, efectuarea unor tratamente costisitoare, cu efecte negative inclusiv asupra mediului. De aceea, transferarea unor caractere dezirabile, de rezistenţă la boli, asociate cu o bună calitate a producţiei la soiurile transgenice şi introducerea acestora în cultură, s-ar materializa prin reducerea costurile de producţie şi efecte benefice asupra mediului. Prin intervenţia directă în genomul plantelor se poate acţiona în direcţia dezvoltării unor caracteristici specifice ale unor soiuri cu performanţe recunoscute şi valoare comercială, cu prezervarea identităţii lor originale. Totuşi, astfel de cultivaruri sunt încă foarte controversate. Astfel, după anul 1994, odată cu introducerea în cultură a soiurilor transgenice (OMG - organisme modificate genetic), vulnerabilitatea genetică capătă conotaţii tot mai accentuate. Milioane de hectare de teren, din diferite ţări, se cultivă cu acelaşi soi (genotip) care a suferit una sau cel mult două modificări la nivelul genelor. Acest lucru poate agrava situaţia la nivelul întregii plante, prin creşterea gradului de vulnerabilitate, fără a mai ţine seama şi de alte eventuale consecinţe. Plantele modificate genetic cunosc o răspândire accentuată, întrucât, odată cu creşterea demografică la nivel planetar se impune tot mai acut rezolvarea problemelor legate de asigurarea hranei omenirii. În plus, datorită schimbărilor climatice bruşte, culturile tradiţionale sunt ameninţate să fie scoase din circuitul agricol. Prin cultivarea unor soiuri modificate genetic se poate realiza dezideratul „hrană multă şi ieftină”, astfel că OMG au fost acceptate în multe ţări ale lumii şi la fel şi produsele alimentare derivate din organisme modificate genetic. Condiţia care trebuie respectată, impusă prin legislaţiile naţionale şi internaţionale, este aceea a unei etichetări corespunzătoare, din care să rezulte faptul că soiurile ce se cultivă sunt OMG, sau alimentele comercializate provin din organisme modificate genetic.

99

Printre speciile cele mai importante la care au fost create soiuri transgenice se numără porumbul, soia (la care se estimează că peste 50% din culturi sunt înfiinţate cu OMG), canola (Canada fiind o ţară mare exportatoare - peste 60% din totalul exporturilor de canola fiind însă MG), grâu. SUA este cel mai mare exportator de soia (70% MG) şi porumb (40% MG). Plantele modificate genetic din prima generaţie, care se presupune că vor acapara în curând piaţa, sunt reprezentate de cartof, soia, porumb, roşii. Cel mai recent produs al acestei generaţii sunt roşiile manipulate genetic, combinate cu genele unui peşte, destinate pentru a fi cultivate în zonele foarte reci. Chiar dacă tomatele sunt recunoscute drept plante termofile, noul soi MG poate fi cultivat în câmp deschis chiar în areale foarte reci, asigurând recolte foarte bogate. În momentul de faţă, plantele modificate genetic din generaţia a II-a sunt încă în fază de studii teoretice, dar se preconizează ca acestea să intre pe piaţă în următorii doi-trei ani. Se urmăreşte ca, la orezul „supermodificat genetic”, să se lanseze în cultură soiuri care să aibă componente nutritive specifice cerealelor, dar, în acelaşi timp, şi pe cele ale cărnii (destinate îndeosebi ţărilor sărace, slab dezvoltate). În afara problemelor de etică pe care le ridică introducerea OMG, există şi alte numeroase considerente care suscită dispute aprinse pe marginea acceptării acestora. Mulţi oameni de ştiinţă consideră că alimentele provenite din OMG ar putea afecta sănătatea oamenilor şi că testele de laborator privind efectele lor asupra organismului nu sunt satisfăcătoare. În plus, s-a ridicat şi problema că plantele transgenice pot dezechilibra sever ecosistemele terenurilor pe care se cultivă.

„Ameliorarea neconvenţională” Implicarea biotehnologiilor moderne reprezintǎ fǎrǎ nici o exagerare un adevǎrat eveniment revoluţionar în metodologia de ameliorare, eveniment care a determinat propulsarea acestei ştiinţe într-o etapǎ cunoscutǎ sub numele de ameliorare neconvenţionalǎ. Dezvoltarea biotehnologiilor celulare şi moleculare au permis ca în ultimele decade ale secolului XX sǎ se realizeze o amplificare a cercetǎrilor fundamentale din domeniul geneticii, biochimiei, fiziologiei ş.a. şi au putut contura importanţa lor pentru ameliorarea plantelor. Acestea sunt: -multiplicarea clonalǎ in vitro, ce permite înmulţirea rapidǎ a materialului biologic, incluzând procedee de obţinerea plantelor libere de patogeni şi menţinerea resurselor genetice vegetale; 100

-culturi de embrioni ce permit salvarea şi multiplicarea embrionilor imaturi rezultaţi din hibridǎrile interspecifice şi intergenerice; -culturi de antere şi ovule, pentru izolarea şi obţinerea de plante haploide şi dublu haploide; -hibridarea celulelor somatice, constând din fuziunea de protoplaşti aparţinând la germoplasme genetic diferite; -variaţia somaclonalǎ, ce se manifestǎ la nivelul celulelor somatice cultivate ǎ la nivelul celulelor somatice cultivate in vitro; -ingineria geneticǎ, ce permite transferul de gene prin tehnica ADN-ului recombinant. Ca în cazul tuturor ideilor noi şi în cel al biotehnologiilor trebuiesc emise aprecieri raţionale privind oferta lor de complementaritate utilǎ la procedeele tradiţionale privind manipulǎrile genetice a materialului de ameliorare. Este esenţial ca amelioratorul sǎ înţeleagǎ posibilitǎţile şi limitele pe care le oferǎ biotehnologiile de aşa manierǎ, încât sǎ permitǎ implicarea cu succes a acestora în perfecţionarea procedeelor de ameliorare existente (Savatti şi colab., 2003). 6.1. Culturi de celule şi ţesuturi Cultura de celule şi ţesuturi implicǎ cultura celulelor izolate ale plantelor sau fragmente detaşate de ţesut vegetal pe un mediu nutritiv în condiţii aseptice, urmatǎ de regenerarea de plante funcţionale (figura 6.1.). Celulele vegetale nediferenţiate (calus) se pot transforma în plante funcţionale când se cultivǎ in vitro, în condiţii adecvate. Aceastǎ proprietate se numeşte totipotenţǎ, fiind definitǎ de Haberland (dupǎ Savatti şi colab., 2003).

Fig. 6.1. Regenerarea unei plante întregi pornind de la o singură celulă (A-rădăcină, B-frunze, C-tulpină;D-organe florale) 101

Posibilitatea regenerǎrii plantelor din celule totipotente face ca, cultura de celule şi ţesuturi sǎ constituie un important pas în utilizarea noilor tehnologii celulare în ameliorarea plantelor. S-au elaborat metode de rutinǎ pentru regenerarea de plante in vitro la numeroase specii, obţinânduse rezultate notabile, mai ales la plantele anuale, horticole şi ierburi, comparativ cu cele perene sau forestiere. Succesul în regenerarea plantelor din ţesuturi, depind (Savatti şi colab., 1993) nu numai de specie, dar şi de genotipul din cadrul speciei, sursa ţesutului cultivat, vârsta şi sǎnǎtatea plantei donatoare ş.a. (figura 6.2.). Culturile de ţesuturi sunt în general iniţiate din fragmente de ţesuturi multicelulare denumite explante, obţinute de la plantele vii. Ele pot avea originea dintr-o mare varietate de ţesuturi vegetale (frunze, tulpini, rǎdǎcini, peţiol, hipocotil, cotiledoane, embrioni sau meristem). Culturile de celule şi ţesuturi pot avea aplicabilitate în vederea obţinerii de material necesar ameliorǎrii sau multiplicǎrii rapide a speciilor cu o slabǎ legare a seminţelor, cu menţinerea identitǎţii genetice a plantelor propagate. Avantajul acestei propagǎri constǎ în obţinerea de mii de plante dintr-un singur stoc genetic. Deşi cultura de ţesuturi urmǎreşte în primul rând o propagare rapidǎ a genotipurilor superioare, se fac tentative de realizare a selecţiei in vitro.

Fig. 6.2. Surse posibile pentru prelevări, în scopul multiplicării Selecţia este aplicabilǎ la nivelul calusului, suspensiilor sau celulelor singulare (Meredith, 1984). S-a observat cǎ numai un numǎr 102

limitat de caractere fenotipice sunt detectabile în culturile de ţesuturi, majoritatea caracterelor evidenţiindu-se numai dupǎ dezvoltarea întregii plante. De perspectivǎ, selecţia in vitro poate da rezultate palpabile sub aspectul rezistenţei la salinitate, toleranţǎ la stresurile minerale şi în unele cazuri la boli, cu evidenta probabilitate ca plantele regenerate sǎ manifeste caracterul respectiv şi sǎ-l transmitǎ în descendenţǎ (Chaleff, 1983; Meredith, 1984). În general, utilizarea micropropagǎrii in vitro se recomandǎ pentru urmǎtoarele categorii biologice: -plantele transgenice sau transformate, cele ce rezultǎ din selecţia somaclonalǎ, cum sunt plantele rezistente la boli sau stresuri abiotice, plantele haploide şi dihaploide; -speciile “recalcitrante” care prezintǎ interes pentru acumularea unor elemente de progres genetic; -speciile la care metodele de propagare in vitro sunt competitive, cum ar fi elitele valoroase, indivizii selecţionaţi, hibrizii purtǎtori de heterozis ş.a. 6.2. Cultura de embrioni Cultura de embrioni constǎ în extragerea unui embrion imatur dintr-un ovul şi cultivarea lui pe un mediu nutritiv adecvat. Ea a fost utilizatǎ ca o metodǎ efectivǎ de obţinerea hibrizilor interspecifici şi intergenerici la specii la care hibridarea în sine este posibilǎ dar seminţele nu sunt viabile, datoritǎ endospermului nedezvoltat (Collins şi colab., 1984). Asemenea embrioni pot avorta sau muri imediat dupǎ formarea zigotului. Aceşti embrioni imaturi pot fi salvaţi de la avortare prin intermediul culturii de embrioni. Deşi embrionii maturi sunt autotrofi şi au cerinţe nutritive simple, proembrionii (embrionii în stadiu iniţial de dezvoltare) au cerinţe faţǎ de factorii nutritivi mult mai complexe şi nu se pot dezvolta independent. În naturǎ, embrionii se dezvoltǎ într-o cavitate ovularǎ sterilǎ şi sunt dependenţi de metaboliţii asiguraţi de ţesutul endospermic. În cazul hibrizilor îndepǎrtaţi, frecvent apar incompatibilitǎţi între embrion şi endosperm, în sensul cǎ embrionul în dezvoltarea sa nu este hrǎnit corespunzǎtor. Pentru a salva embrionul dupǎ hibridare şi fecundare, proembrionul este scos din ovul la câteva zile şi trasferat pe un mediu de culturǎ solid sau lichid, adecvat. Dupǎ dezvoltarea plantelor, el se transferǎ pe vermiculit sau sol steril, pentru a se dezvolta ca plantǎ maturǎ. Metoda menţionatǎ este aplicabilǎ în cazul hibrizilor interspecifici sau intergenerici a speciilor forestiere. 103

6.3. Polenizarea in vitro şi fecundarea Metoda constǎ în recoltarea ovulelor sau ovarelor nefecundate, cultivarea pe un mediu nutritiv în condiţii aseptice şi polenizarea lor prin pudrarea cu polen propaspǎt. Polenizarea şi fecundarea in vitro, prin plasarea pe mediul de culturǎ a organelor sexuale de reproducere prelevate de la specii sau genuri diferite, în lipsa unor substanţe specifice inhibante produse de sporofitul matern, fac posibile germinarea polenului, pǎtrunderea tubului polinic în ovul sau sacul embrionar, fecundarea dublǎ şi formarea unui embrion hibrid prevǎzut cu structuri seminale normale. Aceastǎ metodǎ poate fi aplicatǎ cu succes în vederea înfrângerii autoincompatibilitǎţii de fecundare a plantelor alogame hermafrodite şi monoice. 6.4. Embriogeneza somaticǎ Embriogeneza somaticǎ este consideratǎ ca un proces asexual de dezvoltare, prin care se produce un embrion bipolar din ţesut somatic, care nu are nici o conexiune vascularǎ cu ţesutul mamǎ (Haécins, 1978). Embriogeneza somaticǎ constituie cea mai laborioasǎ cale de ridicare la maximum a eficienţei tehnicilor de multiplicare a plantelor in vitro. Aptitudinea celulelor vegetale somatice de a se dezvolta în embrioni somatici este cunoscutǎ de mult timp (Steward şi Mears, 1953), dar numai dupǎ anii ’80 embriogeneza somaticǎ a cunoscut un interes crescând, ea constituind în numeroase cazuri cea mai bunǎ metodǎ de multiplicare vegetativǎ. Mai mult, existǎ menţiuni privind capacitatea unor specii (morcov, lucernǎ, viţa de vie ş.a.) capabile de a produce un numǎr mare de embrioni somatici în mediul lichid, ce au un comportament analog cu embrionii sexuaţi. Cultura embrionilor somatici oferǎ douǎ perspective de utilizare: - accelerarea micropropagǎrii; - producerea de seminţe artificiale. Embrionii somatici prezintǎ unele avantaje; provenind dintr-o singurǎ celulǎ aceştia sunt capabili sǎ realizeze plante uniforme sub aspect genetic, pe când cele produse prin caulogenezǎ pot prezenta numeroase himere. În perspectivǎ, prin embriogeneză somatică apare posibilitatea creǎrii seminţelor artificiale. S-a pornit de la ideea încapsulǎrii embrionilor somatici într-un mediu nutritiv şi o membranǎ permeabilǎ şi biodegradabilǎ pentru a permite seminţei artificiale de a germina în sol şi sǎ formeze o nouǎ plantǎ, copie a plantei de la care a fost prelevat explantul de origine. 104

Embrionii somatici sunt morfologic asemǎnǎtori embrionilor zigotici, posedând caracteristici fiziologice identice, de unde ideea reproducerii, în cazul embrionilor somatici, a posibilitǎţii de a se deshidrata, a aptitudinii de a intra în stare dormindǎ, proprietǎţi aparţinând embrionului din sǎmânţǎ. Plecând de la acest deziderat s-a ajuns la concluzia cǎ embrionii somatici pot fi transformaţi în seminţe artificiale. Într-o primǎ etapǎ, embrionii sunt încapsulaţi într-un gel compus din alginat, asociat cu elemente nutritive esenţiale pentru asigurarea germinaţiei embrionului, protejat de deshidratare printr-un strat protector format dintr-o peliculǎ de rǎşinǎ solubil în apǎ (Palyax). Plantele obţinute din embrioni nucleari sunt libere de virusuri, la fel ca cele obţinute in embrioni zigotici, fapt ce face ca obţinerea de clone libere de viroze sǎ se realizeze şi prin inducerea embriogenezei somatice artificiale. 6.5. Producerea de plante haploide O plantǎ haploidǎ posedǎ un numǎr gametic de cromozomi. Ea provine, în general, dintr-o celulǎ a gametofitului mascul sau femel. Primele plante haploide au fost semnalate în 1922 de Blakeslee şi colab. Pe parcursul a peste 40 de ani, prin diverse metode, la numeroase specii s-au obţinut haploizi in situ. Dupǎ 1964, Guha şi Maheshwari au pus la punct o metodǎ extrem de laborioasǎ, cultura in vitro de antere şi microspori. Ulterior, cultura de ovare şi de embrioni rezultatǎ din hibridǎrile interspecifice au dat rezultate extrem de interesante (figura 6.5.).

Fig. 6.5. Reprezentarea schematică a obţinerii de diploizi in vitro 105

Cultura de antere se referǎ la cultivarea in vitro a anterelor care conţin microspori sau grǎunciori de polen imaturi pe un mediu de culturǎ, în scopul obţinerii de plante haploide. Avantajele acestei metode constau în scurtarea evidentǎ a procesului de creare a unor noi genotipuri, desfǎşurându-se în douǎ etape: -plasarea pe medii de culturǎ in vitro a microsporilor unicelulari haploizi (cu n cromozomi), embriogeneza lor şi obţinerea plantelor haploide; -celulele prelevate din meristemele unor haploizi valoroşi se plaseazǎ pe un mediu de culturǎ suplimentat cu colchicinǎ, sau alţi agenţi antimitotici, în vederea inducerii dublǎrii cromozomilor hemizigoţi şi obţinerea unor plante dublu haploide, perfect homozigote. Haploizii manifestǎ un înalt grad de sterilitate cauzatǎ de anomaliile meiozei. Prezenţa în celula mamǎ a gameţilor cu un singur set de cromozomi, eliminǎ procesul conjugǎrii şi segregǎrii. Ca urmare, în meioza haploizilor, cromozomii se repartizeazǎ neregulat spre cei doi poli, producând nuclei anormali şi sterilitate. Guha şi Maheshwari au obţinut plante haploide provenite din polen la Datura inoxia. Ulterior s-a constatat cǎ microsporii din anterele prelevate de la numeroase specii de plante în culturile in vitro pot genera plante haploide, fie direct, fie prin intermediul celulelor calusale. Ginogeneza experimentalǎ. Succesele obţinute prin utilizarea androgenezei experimentale doar la un anumit numǎr de specii, au stimulat utilizarea ginogenezei experimentale utilizându-se oosfere nefecundate, celule ale sacului embrionar, sau a celulelor fecundate. Gametofitul femel este constituit dintr-un sac embrionar care conţine în afarǎ de oosferǎ, douǎ sinergide şi un numǎr variabil de antipode. Toate aceste celule sunt haploide. Cultura in vitro de ovare permite în acest caz dezvoltarea embrionilor şi a plantelor haploide. Capacitatea morfogeneticǎ a megagametofitului este diferitǎ în funcţie de stadiul de dezvoltare a acestuia, iar stadiul în care megagametofitul este capabil de rǎspuns morfogenetic variazǎ de la o specie la alta. În timpul procesului de androgenezǎ indusǎ pot sǎ aparǎ, cu o incidenţǎ mai mare sau mai micǎ, mutaţii. Unele sunt mutaţii cromozomale majore, aneuploide sau poliploide. Mutaţiile genice pot fi identificate dupǎ expresia lor fenotipicǎ. Pe lângǎ mutaţiile preexistente, purtate de genotipul originar în stare recesivǎ, plantele de origine androgeneticǎ mai conţin mutaţii induse în condiţiile culturii in vitro, cum ar fi rezistenţa la stres mineral şi la toxinele patogenilor. 106

6.6. Fuziunea de protoplaşti Hibridarea celularǎ somaticǎ, denumitǎ şi fuziunea de protoplaşti sau fuziune celularǎ somaticǎ, se referǎ la fuziunea protoplaştilor plantelor diferitelor specii şi regenerarea de plante hibride din protoplaşti fuzionaţi. Procesul poate fi utilizat în ameliorarea plantelor pentru a forma un hibrid prin fuziunea celulelor somatice, în cazul speciilor la care nu se pot obţine seminţe prin hibridǎrile sexuate interspecifice. Fuzionarea celulelor somatice este îngreunatǎ de prezenţa membranei celulare pectocelulozice, membrane ce reprezintǎ o barierǎ faţǎ de circulaţia substanţelor din şi înspre celulǎ, în special când aceasta este izolatǎ. Aceastǎ constatare i-a determinat pe cercetǎtori sǎ elimine peretele celular pentru a obţine celule lipsite de membranǎ, aşa numitul protoplast. (figura 6.6.a). Aceastǎ activitate este mult uşuratǎ prin utilizarea pectinazei şi celulazei, substanţe chimice ce ajutǎ la accelerarea acestui proces (Cocking, 1960). Protoplaştii sunt izolaţi de cele mai multe ori din frunze, apexuri vegetative, rǎdǎcini, microspori (Vasil, 1976). Au fost regenerate plante întregi din protoplaşti izolaţi la peste 50 de specii de plante. Cultura de protoplaşti oferǎ o diversitate de posibilităţi. De exemplu, doi protoplaşti pot fi fuzionaţi, ceea ce nu este posibil în cazul celulelor cu pereţi celulari. Aceastǎ constatare a dus la ideea fuziunii celulelor de la douǎ specii diferite, care nu se pot încrucişa sexuat, pentru a obţine hibrizi sintetici interspecifici. Aceasta explicǎ şi faptul de ce fuziunea de protoplaşti se numeşte şi hibridare parasexuată. Metoda poate fi descrisǎ după cum urmează: Segmente din mezofilul frunzelor sau alte ţesuturi ale plantelor, calus sau suspensie celularǎ, se trateazǎ enzimatic izolându-se protoplaşti de la diverse specii (Cocking, 1960). Suspensiile de protoplaşti provenind de la douǎ specii se amestecǎ şi se centrifugheazǎ în prezenţa unui agent fuzigenic, în mod obişnuit polietilen-glicol (PEG), pentru a favoriza fuziunea acestora. Suspensia se plasează pe un mediu nutritiv în vase Petri, în condiţii optime de asepsie, temperaturǎ, luminǎ ş.a. În aceste suspensii se găsesc un amestec de protoplaşti parentali: protoplaşti parentali fuzionaţi şi protoplaşti hibrizi fuzionaţi (figura 6.6.b.). După fuziune, protoplastul hibrid trebuie sǎ formeze peretele celular, sǎ continue diviziunea şi sǎ regenereze plantule cu rădăcina. Aceste plante trebuiesc analizate citologic. Regenerarea plantelor din 107

protoplaşti este relativ uşoarǎ, pe când celule hibride ale speciilor îndepărtate genetic sunt de cele mai multe ori aneuploizi, regenerând plante foarte rar, sau dacǎ regenerează plantele pot fi sterile.

Fig. 6.6.a. Obţinerea pe cale enzimatică de protoplaşti şi regenerarea de plante

Primele fuziuni de protoplaşti, la Petunia, au fost realizate de Power şi colab. (1976) în Anglia şi Carlson şi colab. (1972, 1975) SUA, la (1976) Nicotiana. În acest ultim caz, s-a obţinut un hibrid somatic între Nicotiana glauca (2n=24) şi N. langsdorfii (2n=18), diferite privind forma frunzelor, talia plantelor ş.a. Pe lângă plantele derivate sub aspectul numărului de cromozomi, au găsit o plantǎ a cărei seminţe prezentau 108

2n=42 cromozomi, întregul set cromozomal de la cele douǎ specii. Hibridul obţinut a făcut dovada posibilităţilor de realizare a hibrizilor somatici între douǎ specii care nu pot fi încrucişate sexuat. Asupra protoplaştilor se aplicǎ selecţia pentru a-i separa de formele parentale. Indiferent de procedeul de selecţie aplicat, el trebuie realizat în primele stadii deoarece liniile hibride şi derivaţii lor, mai repede sau mai târziu, vor pierde informaţia lor geneticǎ dobânditǎ, datoritǎ eliminării şi segregării organitelor celulare şi pierderea sau mutaţia cromozomilor.

Fig. 6.6.b. Hibridarea somatică prin fuziunea de protoplaşti 109

6.7. Variabilitatea somaclonalǎ Noţiunea de variabilitate somaclonalǎ a fost introdusǎ de Larkin şi Scowcroft (1981) pentru a defini “totalitatea variaţiilor genetice detectate la plantele regenerate prin orice tip de culturi de celule somatice”, sau cu alte cuvinte variaţiile genetice ce definesc somaclonele şi se exprimǎ fenotipic la nivelul plantelor regenerate din acestea. Evans şi colab. (1984) a propus noţiunea de “variabilitate gametoclonalǎ” pentru a defini variaţiile genetice produse în culturile de celule haploide, de origine gametofiticǎ. Variabilitatea geneticǎ asociatǎ cu cultura îndelungatǎ in vitro a ţesuturilor vegetale (somatice sau gametice) se poate manifesta prin: - variaţia numărului de cromozomi (aneuploidii, mai rar poliploidii); - variaţii în structura cromozomilor; - mutaţii genice exprimate prin modificarea unor însuşiri morfologice sau biochimice. În ceea ce priveşte speciile propagate pe cale vegetativǎ, variabilitatea somaclonală constituie o sursǎ realǎ de variaţie geneticǎ utilizatǎ în ameliorare. Strategia de selecţie somaclonalǎ trebuie sǎ se îmbine cu variabilitatea geneticǎ preexistentǎ, cât şi amplificarea ei prin cultura in vitro. Ciclul de selecţie somaclonalǎ trebuie sǎ fie continuatǎ cu testarea şi compararea somaclonelor selecţionate în condiţii naturale, comparativ cu genotipurile preselectate iniţial. Se poate concluziona cǎ variabilitatea somaclonală este aplicabilǎ la arborii forestieri pentru realizarea unor genotipuri noi, cu însuşiri superioare sub aspectul creşterii mai rapide, fază vegatativă mai scurtǎ, rezistenţǎ la boli, salinitate, secetǎ, ger şi creşterea producţiei unor substanţe utile. 6.8. Transformarea geneticǎ în culturi in vitro Metodele şi tehnicile discutate se încadrează în sens larg în domeniul ingineriei genetice, cu toate cǎ ele nu au de a face cu transferul genelor individuale, ci doar cu manipularea celulelor plantelor în care sunt încorporate genoame nucleare sau citoplasmatice, sau fuziunea acestora. Transferul unei gene particulare de la un organism la altul prin tehnicile ADN-ului recombinant, este consideratǎ ca fiind domeniul ingineriei genetice pure. Cu alte cuvinte, ingineria geneticǎ constǎ în manipularea directǎ a materialului genetic şi transferul genelor dorite, de la 110

un organism la altul, ca şi transferul unor gene obţinute prin sintezǎ chimicǎ. Descoperirea enzimelor de restricţie a permis segmentarea moleculelor de ADN în anumite puncte, fiecare fragment fiind în majoritatea cazurilor o genǎ individualǎ şi recombinarea acestor fragmente într-un nou lanţ de ADN recombinant (Watson şi colab., 1983). Ingineria geneticǎ implicǎ următoarele proceduri: - selecţia unui donor pentru o genǎ doritǎ; - selecţia unui vector sau a unei tehnici de transfer a genei la un receptor (sau recurent); - selecţia unui receptor în care gena transferatǎ va funcţiona normal. Tehnicile ADN recombinant s-au dovedit de mare succes la nivelul procariotelor în producerea unor medicamente, cum ar fi insulina şi interferonul (Watson şi colab., 1983). Tehnicile de transfer de gene “particle gun” (particule mici accelerate în accelerator) au permis un procent mai ridicat de transfer de gene, comparativ cu metodele utilizate anterior (ex. transferul intermediat de Agrobacterium tumefaciens). Plantele transgenice câştigă teren în cadrul programelor de ameliorare, fiind preferate pentru îmbunătăţirea unor cultivaruri care să prezinte caractere noi, conferite de o singurǎ genǎ, cum ar fi rezistenţa la erbicide şi la diferite boli, factori de stres etc. precum şi diverse modificări fenotipice dorite în ameliorarea plantelor.

111

Capitolul

7

SELECŢIA CA METODĂ DE EXPLOATARE A VARIABILITĂŢII NATURALE ŞI ARTIFICIALE Selecţia este o metodă de ameliorare a plantelor agricole care presupune eliminarea de la înmulţire a plantelor considerate necorespunzătoare şi înmulţirea şi propagarea, în continuare, numai a acelora care se dovedesc adecvate scopului urmărit de ameliorator. Selecţia practicată de ameliorator, numită artificială, acţionează asupra plantelor concomitent cu selecţia naturală, chiar dacă, uneori, direcţiile de acţiune ale celor două tipuri de selecţie nu coincid. Din aceste motive, amelioratorul trebuie să cunoască foarte bine factorii determinanţi ai selecţiei naturale, pentru a se putea folosi de aceştia atunci când ei orientează selecţia naturală în direcţia dorită sau, dimpotrivă, pentru a-i înlătura atunci când ei determină o selecţie contrară direcţiei selecţiei artificiale practicată de el. Selecţia conştientă, practicată de ameliorator, presupune existenţa unor obiective precise urmărite de acesta, precum şi a unei variabilităţi suficient de mari a materialului biologic în care este practicată selecţia, variabilitate care să permită depistarea unor forme noi, corespunzătoare scopurilor urmărite de ameliorator. Selecţia poate fi efectuată în mod eficient doar atunci când ea este aplicată unor populaţii heterogene genotipic şi fenotipic. Astfel de populaţii heterogene pot fi unele soiuri sau populaţii locale vechi de plante autogame, impurificate de-a lungul timpului datorită mutaţiilor spontane şi a încrucişărilor străine întâmplătoare. Unele soiuri vechi de plante autogame, datorită selecţiei empirice prin care s-au format reprezintă un amestec de biotipuri asemănătoare fenotipic, dar neidentice genotipic. La plantele alogame, datorită sistemului lor de reproducere sexuată, a factorilor mutageni şi poliploidizanţi naturali, soiurile prezintă, aproape întotdeauna, un polimorfism foarte accentuat, fapt ce asigură premizele de succes ale selecţiei. Materialul iniţial de selecţie poate fi reprezentat de populaţii cu o variabilitate foarte mare, creată artificial de către om prin hibridări artificiale, mutageneză indusă, poliploidie dirijată şi, mai nou, prin mijloacele puse la dispoziţie de către ingineria genetică. Obiectul selecţiei diferă de la o plantă la alta. La pomii fructiferi, viţa de vie şi anumite plante ornamentale, de obicei se aleg părţi (ramuri, corzi, butaşi etc.) ale plantelor socotite valoroase, care apoi sunt reproduse (înmulţite) vegetativ. La cereale, plante tehnice care se înmulţesc prin seminţe şi legume (cereale 112

păioase, porumb, in, cânepă, sfeclă, fasole, mazăre, tomate, ardei, varză etc.), se aleg, de regulă, plante întregi, pentru a se putea obţine descendenţe seminale cât mai numeroase. Plantele sau părţile de plantă alese, care corespund obiectivelor urmărite de ameliorator, poartă numele de elite. Volumul şi durata selecţiei diferă, de asemenea, între cele două grupe mari de plante agricole. Obişnuit, la plantele agricole autogame, selecţia are o durată mai scurtă şi implică un volum mai mic de material biologic supus alegerilor succesive, comparativ cu selecţia practicată la plantele alogame.

7.1. BAZELE GENETICE ALE SELECŢIEI LA PLANTELE AGRICOLE AUTOGAME La plantele agricole autogame, înmulţirea sexuată are loc prin autopolenizare, iar consecinţa genetică a autopolenizării continue constă în creşterea gradului de homozigoţie a populaţiei. În conformitate cu legile mendeliene, pornind de la o plantă heterozigotă (de tipul Aa, pentru o singură genă), prin autopolenizarea continuă a acesteia şi a descendenţilor ei, proporţia de heterozigoţi scade cu 1/2 în fiecare generaţie, crescând concomitent proporţia indivizilor homozigoţi. Sunt necesare un număr relativ mic de generaţii de autopolenizare pentru a obţine o populaţie cu proporţii foarte mari de homozigoţi (în cazul de faţă, de tipul AA şi aa) şi o proporţie foarte redusă de heterozigoţi (Aa), aşa cum reiese şi din figura 7.1. În urma fiecărei generaţii de autopolenizare, fiecare pereche de alele heterozigote, indiferent de numărul lor total în genotipul unei plante, va fi redusă ca proporţie cu jumătate (1/2). Considerând “n” perechi de gene heterozigote, proporţia de indivizi homozigoţi în populaţie, după “m” generaţii de autopolenizare, va fi dată de formula: n

 2 m − 1 N= m   2  Rezultă că autopolenizarea continuă are ca efect apariţia stării de homozigoţie la orice populaţie de plante, indiferent de numărul perechilor de gene heterozigote prezente iniţial în populaţia respectivă. Consecinţa procesului de autopolenizare continuă va fi o populaţie homozigotă, dar nu omogenă, deoarece ea va cuprinde un număr oarecare de linii homozigote diferite.

113

AA x aa

% Aa

% AA+aa

Aa

100

0

50

50

25

75

12,5

87,5

6,25

93,75

F1 F2

AA

Aa

aa

F3

AA

AA

Aa

aa

aa

F4

AA AA

AA

Aa

aa

aa

aa

F5 AA AA AA

AA

Aa

aa

aa

aa

aa

Fig. 7.1. Scăderea proporţiei genelor heterozigote cu jumătate în urma fiecărei generaţii de autopolenizare Numărul genotipurilor homozigote posibile în urma autopolenizării unui heterozigot este de 2n, în care “n” reprezintă numărul locilor heterozigoţi la individul autopolenizat. De aceea, în urma autopolenizării continue a unei populaţii de plante autogame, se obţin plante homozigote, dar care se diferenţiază în numeroase genotipuri şi combinaţii de gene. Prin urmare, la plantele autogame, o populaţie va fi alcătuită din mai multe linii pure.

7.2. METODE DE SELECŢIE APLICATE LA PLANTELE AGRICOLE AUTOGAME 7.2.1. Selecţia în masă Selecţia în masă este o metodă care exploatează eficient variabilitatea naturală a soiurilor şi populaţiilor locale vechi de plante autogame. Ea constituie un mijloc rapid de ameliorare a unor soiuri vechi, cu un polimorfism accentuat, compuse, de regulă, dintr-un număr mare de biotipuri homozigote cu valoare economică diferită. Metoda selecţiei în masă are, de asemenea, o importanţă deosebită în procesul producerii de seminţe la plantele agricole autogame fiind, alături de alte metode de 114

selecţie, un mijloc sigur de menţinere a valorii biologice şi economice ridicate a unui soi raionat. Selecţia în masă poate fi efectuată în două variante de lucru: selecţia în masă negativă şi selecţia în masă pozitivă. Selecţia în masă negativă presupune alegerea şi eliminarea, din populaţia supusă selecţiei, a tuturor plantelor care prezintă caracteristici nedorite de ameliorator. Acest tip de selecţie în masă este mai puţin folosit în procesul de ameliorare fiind, în schimb, foarte frecvent utilizat în producerea de seminţe la plantele agricole autogame. Selecţia în masă pozitivă, constă în alegerea şi apoi înmulţirea în amestec a celor mai valoroase plante (elite) din cadrul soiului sau populaţiei locale supusă selecţiei. Numărul elitelor extrase dintr-o astfel de populaţie va trebui să fie suficient de mare ca să cuprindă toate biotipurile valoroase ale soiului şi suficient de mic pentru a nu include şi biotipuri nevaloroase. În practica ameliorării, se consideră că un număr de elite reprezentând 5-15% din populaţia supusă selecţiei este suficient pentru a respecta criteriile de mai sus. În funcţie de modul de alegere şi grupare a elitelor, selecţia în masă pozitivă are mai multe variante. Selecţia în masă pozitivă cu o singură alegere Selecţia în masă pozitivă cu o singură alegere se desfăşoară conform schemei prezentate în fig. 7.2.1.a. În primul an, plantele elite, extrase din câmpul de alegere pe baza unor criterii bine precizate, se recoltează împreună. Alegerea elitelor se va face pe baza criteriilor de superioritate stabilite de ameliorator (încărcătură bună de fructe, rădăcini sau bulbi de dimensiuni mari, rezistenţă la anumite boli sau dăunători, coacere uniformă, port erect etc.). În anul al doilea, sămânţa rezultată din amestecul elitelor este semănată într-o cultură comparativă de orientare în cadrul staţiunii. Ca martori se folosesc soiul sau populaţia iniţială (pentru a vedea dacă selecţia a adus vreun câştig notabil) şi cel mai bun soi raionat în zonă. În paralel, pe o parcelă alăturată, se face înmulţirea seminţei rezultată din amestecul elitelor. În anul al treilea testarea continuă în cadrul unor culturi comparative de concurs, atât în reţeaua staţiunii cât şi în reţeaua Institutului de Stat pentru Testarea şi Înregistrarea Soiurilor (I.S.T.I.S.). Şi în aceste culturi comparative vor fi folosite ca martori soiul sau populaţia iniţială şi soiurile raionate în zonă. Dacă rezultatele primului an de testare în reţeaua de stat nu sunt concludente, verificarea poate continua şi în anii următori (4 şi 5). În această perioadă de testare, productivitatea, precum şi alte caracteristici morfologice şi de calitate, vor constitui criterii fundamentale de apreciere a materialului ameliorat. 115

Câmp de alegere

AN 1

AN 2

C

C

Î1

O

AN 3

C

C

Î2

C

- Culturi comparative de orientare - Înmulţirea seminţei

- Culturi comparative de concurs în reţeaua institutului şi reţeaua de stat - Înmulţirea seminţei

Fig. 7.2.1.a. Schema selecţiei în masă pozitivă, cu o singură alegere Dacă în urma testării, materialul ameliorat depăşeşte semnificativ martorii, sub aspectul caracteristicilor luate în studiu, acesta va fi extins în producţie şi va înlocui vechiul soi din care a provenit. Selecţia în masă pozitivă repetată anual Selecţia în masă pozitivă repetată anual presupune repetarea extragerii de elite timp de câţiva ani consecutivi, până când se ajunge la omogenitatea dorită a materialului ales. Această variantă a selecţiei în masă este folosită, la plantele autogame, mai ales atunci când populaţia sau soiul supus selecţiei este atât de heterogen, încât nu este posibil ca, printr-o singură alegere, să se evite complet toate biotipurile nevaloroase. Schema de principiu a selecţiei în masă pozitive repetată anual este prezentată în fig. 7.2.1.b. 116

AN 1 Câmp de alegere (1)

AN 2

C.C.O.

- Câmp de alegere (2) - Culturi comparative de orientare

AN 3

C.C.C.

AN 4

Î.

C.C.C.

Î.

- Câmp de alegere (3) - Culturi comparative de concurs în reţeaua institutului - Înmulţirea seminţei

- Culturi comparative de concurs în reţeaua institutului şi de stat - Înmulţirea seminţei

Fig. 7.2.1.b. Schema selecţiei în masă pozitivă repetată anual

117

Sămânţa obţinută după ultima alegere va fi semănată în culturi comparative alături de materialul obţinut la alegerea anterioară, de soiul iniţial supus selecţiei şi de soiurile raionate în zonă. Paralel, sămânţa va fi înmulţită, pentru a se putea face faţă cerinţelor în cazul în care materialul ales va fi omologat ca soi nou. Selecţia în masă pozitivă pe grupe de plante Selecţia în masă pozitivă pe grupe de plante se foloseşte cu succes, la plantele autogame, atunci când în materialul supus selecţiei (soi, populaţie locală), apar grupuri de plante cu caracteristici foarte distincte.

AN 1

-Câmp de alegere

AN 2

C.

AN 3

C.

C.

C.

Î1

O.

C.

Î2

Î1

Î2

Î1

Î2

- Culturi comparative de orientare - Înmulţirea seminţei pe grupe

- Culturi comparative de concurs în reţeaua institutului şi de stat - Înmulţirea seminţei pe grupe

Fig. 7.2.1.c. Schema selecţiei în masă pozitivă, pe grupe de plante 118

În acest caz, selecţia se va face pe grupe de plante asemănătoare, amestecul elitelor realizându-se doar în interiorul grupelor nu şi între grupe. În generaţia următoare, grupele astfel obţinute vor fi încercate, în culturi comparative, alături de populaţia iniţială supusă selecţiei şi de soiurile martor raionate în zonă. Şi selecţia în masă pe grupe de plante poate fi simplă (cu o singură alegere, fig. 7.2.1.c.) şi repetată anual. 7.2.2. Selecţia individuală simplă Caracteristica esenţială a selecţiei individuale, la plantele autogame, o constituie faptul că elitele alese sunt urmărite fiecare separat, aprecierea valorii acestor elite făcându-se nu numai pe baza aspectului lor fenotipic, ci şi pe baza performanţelor liniilor lor descendente. Selecţia individuală simplă (denumită şi selecţia cu o singură alegere sau metoda selecţiei liniei pure) se bazează pe faptul că, într-o populaţie de plante autogame înmulţite timp îndelungat prin autopolenizare, oricare din plantele alese este homozigotă, descendenţa ei seminală constituindu-se într-o aşa-numită “linie pură”. Metoda selecţiei individuale simple exploatează, de regulă, variabilitatea naturală a soiurilor şi populaţiilor vechi de plante autogame dar, în anumite condiţii, ea poate fi utilizată şi pentru valorificarea variabilităţii artificiale creată de om. Selecţia individuală simplă se desfăşoară pe parcursul a trei faze distincte. În prima fază, din populaţia supusă selecţiei şi care prezintă o variabilitate genetică evidentă fenotipic, se alege un număr oarecare de plante elită. Numărul elitelor extrase va fi astfel ales încât să facă posibilă semănarea/plantarea, observarea şi evaluarea, în anii următori, a liniilor ce vor lua naştere din aceste elite. Modul în care se face alegerea elitelor este foarte important deoarece, în anul următor, cea mai mare parte a diversităţii genetice se va mani-festa între linii şi aproape deloc în interiorul liniilor. De aceea, la selecţia plantelor elită se va urmări să se aleagă tipurile cu caracteristicile cele mai valoroase. Dacă astfel de plante scapă alegerii iniţiale, metoda selecţiei individuale simple devine total ineficientă, deoarece va lipsi variabilitatea interlineală asupra căreia acţionează acest tip de selecţie. Faza a doua presupune aprecierea elitelor extrase pe baza performanţelor liniilor obţinute din ele, apreciere ce se va face vizual, în câmpul de selecţie (fig. 7.2.2.) eliminându-se toate liniile cu deficienţe evidente. Tot în această fază, metodele de inoculare artificială, pentru testarea rezistenţei la anumite boli, constituie auxiliare deosebit de preţioase în munca amelioratorului. 119

Ultima fază începe în momentul în care nu mai este posibilă aprecierea valorii liniilor doar pe baza observaţiilor vizuale fiind necesare, în acest scop, culturi comparative în mai multe repetiţii, în mai multe localităţi şi, eventual, în mai mulţi ani experimentali. Această fază presupune cheltuieli materiale însemnate, aşa că numărul liniilor încercate nu poate fi prea mare. De aceea, este absolut necesar ca, în faza a doua, eliminarea liniilor pe baza observaţiilor vizuale să fie cât mai drastică.

Câmp de alegere a elitelor AN 1

AN 2

AN 3

AN 4

AN 5

M t

Câmp de selecţie a liniilor

M t

Mt

Mt

Mt

Mt

C.C.O.

Mt

C.C.C.I.

Mt

Câmp de control Testarea liniilor în micro-culturi comparative (M.C.C.)

- Culturi comparative de C.C.O.

orientare - Câmp de control (M.C.C.) - Culturi comparative de concurs în reţea institut - Culturi comparative de orientare - Înmulţirea seminţei

I.P.

AN 6-8 C.C.C.I.

I.P.

C.C.C.S.

Î.

Fig. 7.2.2. Schema selecţiei individuale simple

120

7.2.3. Selecţia individuală repetată anual Selecţia individuală repetată anual, numită şi selecţia pedigree sau genealogică exploatează variabilitatea artificială creată de ameliorator prin hibridare. La plantele agricole autogame, metoda pedigreului a avut, şi are şi în prezent, o importanţă deosebită, majoritatea soiurilor de cereale păioase autogame, tomate, ardei, vinete, fasole pentru păstăi, mazăre etc. existente în cultură, fiind obţinute cu ajutorul acestei metode de selecţie, a cărei schemă este prezentată în fig. 7.2.3. Conform schemei, în prima etapă se execută hibridări între genitori aleşi în mod corespunzător obiectivelor de ameliorare stabilite. În funcţie de gradul de dificultate a operaţiunilor de hibridare artificială, se va urmări obţinerea unui număr cât mai mare de seminţe hibride care să ofere posibilitatea semănării şi obţinerii unei populaţii F1 suficient de numeroase. Plantele hibride ale populaţiei F1 sunt lăsate să se autopolenizeze, iar sămânţa provenită de la fiecare plantă F1 se semănă (la speciile la care se produce răsad, se plantează răsadul obţinut din seminţe), obţinându-se generaţia F2, fiecare descendenţă F2 fiind amplasată pe câte un rând separat (eventual 2-3 rânduri scurte, de 1-2 m, în funcţie de sămânţa disponibilă). În generaţia F2 se poate trece la efectuarea primei selecţii, astfel că în această generaţie se elimină toate plantele la care apar caractere nedorite. Se reţin numai plantele care întrunesc, la un nivel cât mai ridicat, cât mai multe din caracteristicile dorite de ameliorator, de la care se va recolta sămânţa necesară obţinerii generaţiei F3. În generaţia F3 selecţia rămâne tot individuală, dar este aplicată cu precădere în liniile care prezintă plante cu caracteristici superioare. Nu trebuie neglijate nici elitele valoroase ce pot să apară în linii F3 în care nu predomină plantele cu caracteristici superioare. Numărul elitelor extrase în generaţia F3 poate fi variabil, în funcţie de bogăţia combinaţiilor hibride în plante cu caracteristici superioare, dorite de ameliorator. Orientativ, se acceptă că numărul elitelor alese în F3 nu trebuie să depăşească numărul liniilor studiate în această generaţie. În generaţia F4 accentul se va pune tot mai mult pe selecţia între linii, fără a neglija însă selecţia în interiorul liniilor. În această generaţie multe linii devin destul de homozigote dar, în interiorul acestor linii, se va manifesta încă suficient de multă diversitate genetică pentru ca selecţia să rămână, şi în această generaţie, tot individuală.

121

ANSelecţia 1 AN 2 (F1)

AxB

SEMĂNAT

ALES

PLANTE pedigree LINII PLANTEsau LINII individuală repetată anual, numită şi selecţia genealogică 50 – 50 –

AN 3 (F2)

–

–

500

–

–

500

250

–

–

250

180

–

–

180

150

30

–

30

–

15

–

15

–

4

AN 4 (F3)

AN 5 (F4)

AN 6 (F5)

AN 7 (F6)

C.C.

AN 8 (F7)

C.C.O.

C.C.

AN 9 (F8)

C.C.C.I.

C.C.O.

AN 10 –12 (F9-11)

C.C.C.S.

C.C.C.I.

C.C.

C.C.O.

C.C.

Fig. 7.2.3. Selecţia individuală repetată anual (selecţia pedigree sau genealogică)

122

În generaţia F6, liniile alese în F5 vor fi încercate într-un câmp de control (CC), dacă este posibil organizat în microculturi comparative (MCC), cu 2-3 repetiţii. În cazul că sămânţa liniilor nu este suficientă pentru a semăna mai multe repetiţii, fiecare linie se va semăna/planta pe câte o parcelă de 1-2 rânduri cu lungimea de 2-3 m, tot a zecea parcelă fiind ocupată de martori (soiurile raionate în zonă). În paralel se urmăresc şi liniile provenite din elite extrase în F5, eliminându-se tot ceea ce este con-siderat necorespunzător. În generaţiile următoare (F7-F12), continuă testarea, la diferite nivele, a liniilor alese. În culturile comparative de orientare (CCO) din cadrul staţiunii, precum şi în cele de concurs (CCC) din reţelele institutului şi ale I.S.T.I.S. vor fi eliminate, pe baza criteriilor de productivitate, calitate, caracteristici morfo-fiziologice etc., toate liniile ce nu corespund obiectivelor urmărite. În paralel se poate continua selecţia individuală dacă, în cadrul liniilor mai există diversitate genetică evidentă fenotipic pentru a face selecţia eficientă. Concomitent cu încercarea liniilor ajunse în reţeaua de stat, se va proceda la înmulţirea preliminară a seminţei acestor linii pentru a dispune de rezerva necesară extinderii lor în cazul că vor fi omologate ca noi soiuri.

7.3. BAZELE GENETICE ALE SELECŢIEI LA PLANTELE AGRICOLE ALOGAME La plantele agricole alogame, selecţia se efectuează în funcţie de caracteristicile biologice esenţiale ale speciilor ce fac parte din această mare grupă de plante, caracteristici date, în primul rând, de modul lor de reproducere şi înmulţire: a) Datorită polenizării străine continue, soiurile plantelor alogame prezintă un nivel foarte ridicat de heterozigoţie, pentru marea majoritate a genelor. b) Soiurile plantelor alogame au o structură genetică foarte variată, fiind alcătuite din indivizi cu o anumită heterogenitate, chiar dacă multe soiuri de plante alogame au un aspect “de câmp” destul de omogen. c) Plantele alogame dispun de mecanisme morfologice, fiziologice şi genetice care împiedică autopolenizarea sau polenizarea consangvină, şi favorizează polenizarea străină. d) Heterogenitatea unei populaţii de plante alogame poate fi pusă în evidenţă prin autofecundarea forţată a indivizilor săi. Autofecundarea duce 123

la homozigotarea unor gene recesive, cu efecte nefavorabile, manifestate printr-o scădere generală a vitalităţii plantelor, cunoscută sub denumirea de “depresiune de consangvinizare”. Datorită structurii genetice complexe a cultivarurilor de plante alogame, amelioratorul va fi mai puţin interesat de genotipul unei singure plante elită, deoarece aceasta este heterozigotă şi nu poate fi reprodusă în descendenţa seminală. În schimb, el va fi interesat de totalitatea (suma) genotipurilor valoroase ale populaţiei cu care lucrează, de gameţii pe care plantele populaţiei îi vor produce pentru realizarea generaţiei următoare. Rezultă că amelioratorul va fi interesat de fondul total de gene al populaţiei cu care lucrează şi de modul cum acest fond de gene (genofond) evoluează de la o generaţie la alta. În condiţii de mediu constante, fondul de gene al unei populaţii de plante alogame ajunge curând la un echilibru, manifestat prin proporţii relativ constante ale diferitelor genotipuri de la o generaţie la alta. Această stare de echilibru este exprimată de legea Hardy-Weinberg, prin următoarea formulă matematică: p2AA + 2pqAa + q2aa = 1 , sau p2AA + 2p(1-p)Aa + (1-p)2aa = 1 , în care p + q = 1 Echilibrul genetic descris de legea Hardy-Weinberg, rareori poate fi întâlnit în natură, şi cu atât mai puţin în câmpurile de ameliorare a plantelor alogame, unde mutaţia, migraţia de gene, driftul genetic modifică în permanenţă proporţia diferitelor gene şi deci a diferitelor genotipuri, de la o generaţie la alta. De fapt, în programul de selecţie la plantele alogame, starea de echilibru genetic îl interesează mai puţin pe ameliorator, el fiind interesat de provocarea unor modificări ale echilibrului genetic, în direcţia dorită de el, modificări concretizate prin creşterea frecvenţei genotipurilor valoroase într-o populaţie. Când frecvenţa genotipurilor valoroase ajunge la nivelul dorit de ameliorator, în populaţie se va instala o nouă stare de echilibru, care va asigura o frecvenţă relativ constantă, de la o generaţie la alta, a genelor valoroase aduse de aceste genotipuri. Cea mai la îndemână şi, în acelaşi timp, cea mai eficientă metodă pe care o poate folosi amelioratorul în vederea modificării echilibrului genetic al unei populaţii alogame, în direcţia dorită de el, o constituie selecţia. Teoretic, limita până la care selecţia este eficientă într-o populaţie de plante alogame este dată de momentul în care în populaţia respectivă au fost acumulate toate alelele favorabile ale genelor.

124

7.4. METODE DE SELECŢIE APLICATE LA PLANTELE AGRICOLE ALOGAME Metodele de selecţie aplicate la plantele agricole alogame se bazează tocmai pe principiile genetice expuse în subcapitolul anterior. La plantele alogame, spre deosebire de cele autogame, selecţia unei singure plante elită rareori poate duce la crearea unui nou soi, deoarece descendenţii seminali ai unei astfel de elite se abat puternic de la tipul parental. În plus, reducerea populaţiei la descendenţii unei singure plante, obligaţi să se încrucişeze numai între ei, va provoca o scădere considerabilă a vigorii plantelor şi a producţiei acestora, datorită depresiunii de consangvinizare. Datorită acestor motive, în ameliorarea plantelor alogame este mult mai mult utilizată selecţia în masă, cu diferitele ei variante, decât selecţia individuală. 7.4.1. Selecţia în masă Selecţia în masă (simplă, repetată anual şi pe grupe de plante) la plantele alogame nu se deosebeşte, ca tehnică de aplicare, de cea folosită la plantele autogame. De remarcat însă că, la plantele alogame, selecţia în masă poate valorifica atât variabilitatea naturală a vechilor soiuri şi populaţii locale, cât şi variabilitatea artificială, creată de ameliorator prin hibridare, mutageneză sau poliploidie dirijate. Plantele elită, alese după criteriile de superioritate stabilite de ameliorator, dintr-o populaţie alogamă iniţială (câmp de alegere), sunt recoltate în amestec, sămânţa lor urmând să producă generaţia următoare. Alegerea poate fi repetată un număr de ani, după fiecare alegere executându-se culturi comparative cu materialul iniţial, materialul ales şi soiurile raionate în zonă (martori), pentru a vedea dacă noul ciclu de selecţie a fost sau nu eficient. Înmulţirea noilor populaţii, rezultate în urma selecţiei se va face izolat în spaţiu, pentru a păstra nealterată structura lor genetică. Selecţia în masă, la plantele agricole alogame, este deosebit de eficientă atunci când se aplică pentru/împotriva unor caractere uşor de recunoscut sau de măsurat în populaţie. Astfel de caractere sunt determinate, de obicei, de gene majore dominante, în stare hetero- sau homozigotă (ex. rezistenţa la anumite boli, culoarea bulbilor, a pieliţei fructelor etc.) şi, mai rar, de gene majore recesive în stare homozigotă. În schimb, metoda este mult mai puţin eficientă în modificarea unor caractere cantitative ale populaţiei, cum sunt: producţia la unitatea de suprafaţă, greutatea medie a fructelor, bulbilor sau rădăcinilor etc. 125

În aplicarea metodei selecţiei în masă, în vederea îmbunătăţirii unor caracteristici cantitative ale populaţiei, eficacitatea metodei va depinde, în mod hotărâtor, de fidelitatea cu care fenotipul plantelor elită alese reflectă genotipul acestora sau, cu alte cuvinte, de heritabilitatea caracterului/ caracterelor urmărite a fi îmbunătăţite prin selecţie. Cunoscându-se faptul că, în exteriorizarea caracterelor cantitative rolul cel mai important îl au efectele aditive ale poligenelor, rezultă că prin selecţia în masă se va putea obţine un câştig genetic (câştig de ameliorare) pentru caracterul urmărit, dat de următoarea formulă: Cg = h2 I , în care: h2 = indicele (coeficientul) de ereditate, în sens restrâns, al caracterului cantitativ urmărit; I = abaterea de selecţie, egală cu raportul dintre media caracterului la elitele alese şi media caracterului la populaţia supusă selecţiei. Evident, cu cât valorile lui h2 şi I vor fi mai mari, cu atât va spori eficienţa selecţiei în masă în modificarea respectivului caracter cantitativ. 7.4.2. Selecţia individuală Selecţia individuală, aplicată la plantele alogame, se deosebeşte, în multe privinţe, de cea aplicată plantelor autogame. Alegerea unor plante elită dintr-o populaţie alogamă, înmulţirea izolată a acestor elite pentru ca polenizarea să aibă loc numai între plantele aceleiaşi familii duce, de regulă, la o sărăcire a fondului de gene, la creşterea frecvenţei homozigoţilor nefavorabili şi scăderea proporţiei de heterozigoţi în populaţiile descendente din elite. Toate acestea se exteriorizează printr-o vigoare mai redusă a descendenţelor în comparaţie cu elitele din care provin şi, implicit, printr-o producţie mai scăzută a acestora. Din aceste motive, selecţia individuală va fi aplicată numai acelor specii agricole alogame care suportă mai uşor încrucişările consangvine (căpşuni, ridichi, ceapă, castraveţi, pepeni galbeni) fără a manifesta simptome evidente de depresiune. Există mai multe variante ale selecţiei individuale la plantele alogame, dintre care în continuare vor fi prezentate cel mai des aplicate. Selecţia individuală repetată anual pe familii (Fig. 7.4.2.a.) este foarte asemănătoare selecţiei genealogice, aplicată la plantele autogame. Metoda poate valorifica atât variabilitatea naturală, existentă în soiurile şi populaţiile vechi de plante alogame, cât şi variabilitatea artificială, indusă de ameliorator prin hibridare, mutageneză sau poliploidie.

126

AN 1

AN 2

AN 3

AN 4

C.C.O. I.P.

AN 5-7

C.C.C.I.

Î.

C.C.O.

AN 8-10

C.C.C.S.

I.

C.C.C.I.

I.P.

I.

C.C.O. I.P.

Fig. 7.4.2.a. Selecţia individuală repetată anual pe familii Elitele extrase din câmpul de alegere sunt urmărite individual, două sau trei generaţii, fără izolare în spaţiu. Pe baza observaţiilor efectuate în această perioadă, familiile cele mai valoroase, cu caracteristici asemănătoare, sunt unite formând grupele de familii. În continuare, procesul de selecţie are loc în cadrul grupelor de familii care se seamănă 127

izolat în spaţiu pentru ca polenizarea să se facă numai între plantele aceleiaşi grupe. Foarte eficientă este alegerea şi unirea familiilor asemănătoare pe baza capacităţii specifice de combinare a familiilor respective. Datorită faptului că, în fiecare generaţie, trebuie izolate în spaţiu şi analizate un număr mare de familii iar, uneori, sunt necesare polenizări dirijate între familii asemănătoare, metoda selecţiei individuale repetată anul pe familii este mai puţin folosită. Se foloseşte, mult mai des, o variantă a acestei metode, şi anume metoda “jumătate de sămânţă”. Metoda “jumătate de sămânţă”, numită şi metoda rezervei de sămânţă, presupune ca, în primul an după extragerea elitelor, jumătate din sămânţa fiecărei elite să fie păstrată, iar cealaltă jumătate se seamănă întrun câmp de selecţie al familiilor fără nici o izolare în spaţiu (fig. 7.4.2.b.). În timpul perioadei de vegetaţie şi, dacă este necesar, după recoltare, în laborator, se notează comportarea tuturor familiilor. Pe baza acestor notări, vor fi eliminate, din rezerva de sămânţă păstrată, toate elitele ale căror descendenţe au prezentat caracteristici nedorite de ameliorator. În anul următor, jumătatea de sămânţă a elitelor reţinute va fi semănată, izolat în spaţiu pentru fiecare elită, într-un nou câmp de selecţie în care va fi apreciată vizual valoarea familiilor. Sămânţa fiecărei familii se împarte din nou în două părţi egale, o parte reţinându-se în laborator, iar cealaltă semănându-se, în anul 4, în câmpul de control (câmp de descendenţa a II-a, sau câmp de familii B) în parcele alăturate, neizolate în spaţiu. Pe baza observaţiilor din timpul perioadei de vegetaţie şi a celor de la recoltare, se elimină toate familiile nevaloroase, împreună cu rezerva lor de sămânţă. În anul următor, rezerva de sămânţă a celor mai bune familii se seamănă izolat în spaţiu. La recoltare, familiile cele mai valoroase, cu caracteristici asemănătoare, se amestecă, se înmulţesc şi se verifică în reţeaua institutului şi a I.S.T.I.S. Varianta “jumătate de sămânţă” oferă câteva avantaje certe faţă de metoda selecţiei individuale repetată anual pe familii, şi anume: a) dă posibilitatea ca un număr mare de elite să fie analizate pe baza rezultatelor obţinute de prima lor descendenţă, fără a fi necesară izolarea în spaţiu în prima fază, când volumul materialului analizat este foarte mare; b) valoarea elitelor extrase este mult mai corect apreciată, deoarece această apreciere se face atât pe baza aspectului fenotipic al elitelor, în anul de alegere, cât şi pe baza comportării primei descendenţe a acestor elite.

128

AN 1

Câmp de alegere Jumătate din sămânţa elitelor alese se păstrează.

AN 2

Câmp descendenţa I-a fără izolare în spaţiu (familii A)

AN 3

Câmp de selecţie a familiilor A, cu izolare în spaţiu pentru fiecare familie

AN 4-10

- Repetarea ciclului de selecţie “jumătate de sămânţă”; - Selecţie individuală pe familii; - Selecţie individuală pe grupe de familii; - Selecţie în masă.

Fig. 7.4.2.b. Selecţia individuală la plantele alogame, varianta “jumătate de sămânţă”

129

7.5. Selecţia clonală Selecţia clonală este tipică pentru plantele agricole care se înmulţesc vegetativ (viţa de vie, pomii şi arbuştii fructiferi, unele specii ornamentale etc.). Ea poate fi aplicată, cu aceeaşi eficienţă, atât la plantele agricole autogame, cât şi la cele alogame, cu condiţia ca acestea să se poată înmulţi vegetativ. În esenţă, metoda selecţiei clonale reprezintă o selecţie individuală simplă (cu o singură alegere), în care elita aleasă (plantă sau porţiune de plantă) este înmulţită pe cale vegetativă. Toţi descendenţii vegetativi ai unei astfel de elite vor fi, practic, identici între ei, reproducând caracteristicile plantei din care provin. Selecţia clonală poate valorifica orice tip de variabilitate, atât cea naturală, cât şi cea artificială. Indiferent de tipul de variabilitate exploatat, simplitatea şi eficacitatea selecţiei clonale face ca aceasta să fie una din metodele cele mai larg utilizate în ameliorarea viţei de vie, pomilor şi arbuştilor fructiferi, a unor specii de legume şi plante ornamentale. Selecţia clonală cuprinde trei faze mai importante, asemănătoare cu cele ale selecţiei individuale simple. Prima fază o constituie alegerea elitelor, alegere ce se face pe baza unor studii şi observaţii de durată (1-5 ani) asupra comportării plantelor în populaţia supusă selecţiei. În faza a doua, clonii rezultaţi din înmulţirea vegetativă a fiecărei elite vor fi studiaţi în câmpurile de selecţie şi control, eliminându-se drastic tot ceea ce nu corespunde obiectivelor urmărite de ameliorator. Clonii consideraţi valoroşi vor fi trecuţi la o înmulţire limitată, pentru a dispune de materialul necesar testărilor ulterioare. Faza a treia presupune testarea celor mai valoroşi cloni în reţeaua institutului şi cea de stat, şi înmulţirea paralelă a acestor cloni în vederea unei eventuale extinderi în producţie. În fig. 7.5. este prezentată schema generală a selecţiei clonale, a cărei desfăşurare este prezentată în continuare. Anul 2. Clonele, reprezentate de viţele sau pomii altoiţi, respectiv butaşii de arbuşti fructiferi sau plante ornamentale, provenite de la plantele elită, se plantează în parcele separate pentru descendenţii fiecărei elite. Clonii astfel rezultaţi vor fi supuşi unei selecţii riguroase, privind caracteristicile care îl interesează pe ameliorator, prin care se elimină 7090% din clonii analizaţi.

130

– Câmp de alegere (soiuri, hibrizi, material iradiat,colchicinizat,etc)

AN 1

– Câmp de selecţie (şcoala de plante altoite sau înmulţite vegetativ).

AN 2

– Alegerea clonelor valoroase.

– Câmp de control. – Studiul comparativ al clonelor.

AN 3 – 8

– Alegerea clonelor valoroase. AN 9 – 12 C.C.C.

Î.

– Culturi comparative de concurs în reţeaua institutului şi de stat. – Înmulţirea clonelor valoroase (plantaţia mamă).

Fig. 7.5. Schema generală a selecţiei clonale La unele specii, clonele pot fi plantate, încă din anul doi, direct în culturi comparative, testarea lor durând maximum 3-6 ani. Clonele de viţă de vie şi pomi fructiferi vor fi plantate în câmpul de selecţie sau aşa-numita şcoală de plante altoite, sau înmulţite vegetativ. În acest câmp se va face o selecţie interclonală pe baza rezistenţei la anumite boli şi dăunători, a creşterii şi dezvoltării plantelor, a compatibilităţii la altoire etc. Anul 3-4. Cei mai buni cloni, rezultaţi din câmpul de selecţie, vor fi plantaţi în culturile comparative cu cloni ale staţiunii, unde vor fi studiaţi trei ani de rodire normală. Anul 4-6. Cei mai valoroşi cloni din câmpul de control vor fi înmulţiţi vegetativ şi vor fi plantaţi într-o cultură comparativă de concurs în reţeaua institutului şi a I.S.T.I.S. Clonele dovedite superioare, în încercarea din reţeaua de stat şi cea a institutului, vor fi omologate ca soiuri noi. În cazul unor clone cu caracteristici superioare evidente, I.S.T.I.S. poate decide omologarea lor direct din câmpul de control, cu condiţia ca în acest câmp să existe un 131

număr suficient de plante din clonele respective, care să asigure necesarul de organe vegetative (tuberculi, bulbi, bulbili, butaşi etc.) în vederea înmulţirii ulterioare a materialului. Selecţia clonală are o importanţă deosebită pentru plantele horticole ce se înmulţesc vegetativ, dar o variantă a acesteia se utilizează cu multă eficienţă şi la cartof. Ea prezintă o serie de avantaje rezultate, în principal, din tipul de înmulţire pe care se bazează, şi anume: a) permite selecţia, înmulţirea şi propagarea unor plante parţial sau total sterile, care pe cale seminală ar fi foarte greu sau chiar imposibil de înmulţit; b) permite păstrarea şi perpetuarea vigorii heterozis, care apare în generaţia F1 a diferitelor încrucişări; c) asigură omogenitatea genotipică şi fenotipică a materialului ales şi înmulţit, indiferent de gradul de heterozigoţie al plantei elită de la care s-a pornit. În afara valorii ei ca metodă de obţinere a unor noi soiuri de plante horticole, selecţia clonală are o importanţă deosebită în procesul de producere a materialului săditor la speciile care se înmulţesc vegetativ.

132

BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ

ACQUAAH, G., 2007, Principles of Plant Genetics and Breeding, Blackwell Publishing, Malden. ALLARD, R.W., 1969, Principles of Plant Breeding, Library of Congress Catalog Card Number: 60-14249. ARDELEAN, M., C. BOTEZ, M. SAVATTI, E. TĂMAŞ, M. SAVATTI JR., R. SESTRAŞ, M. MULER, 1995, Impactul biotehnologiilor moderne asupra creării de noi soiuri de plante de cultură, Bul. USACN, A-H, 49/2. ARDELEAN, M., R. SESTRAŞ, M. CORDEA, 2007, Ameliorarea plantelor horticole, Ed. AcademicPres, Cluj-Napoca. BOTEZ C., M. SAVATTI, M. ARDELEAN, 1995, Ameliorarea rezistenţei plantelor la boli şi dăunători cu ajutorul metodelor de inginerie genetică, Protecţia plantelor, vol. XVIII. CEAPOIU N., A. POTLOG A., 1990, Ameliorarea generală a plantelor agricole, Bucureşti, 1990. CHAHAL, G.S, S.S. GOSAL, 2002, Principles and procedures of Plant Breeding, Alpha Science International, United Kingdom. CRĂCIUN, T., 1981, Genetica plantelor horticole, Ed. Ceres, Bucureşti. CRĂCIUN, T., 1987, Geniul genetic şi ameliorarea plantelor, Ed. Ceres, Bucureşti. CRĂCIUN, T., I. TOMOZEI, N. COLES, A. NASTA, 1978, Genetica, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti. DUBOIS, J., J. JAQUEMIN, 1986, Culture celluleire et tisulaire, Station d'Amelioration des Plantes, Gembloux. DUBOIS, A.M., D.P. DE VRIES, J. ROGEMANS, 1988, Comparation of the habit of pot roses propagated in vitro and by cuttings, Acta. Horticulturae, 226, 611-613. DUMAS, C., A.E.CLARKE, R.B.KNOX, 1984, La fecondation des fleurs, La Recherche, 15, 15-18. GALLAIS, A., H. BANNEROT, 1992, Amelioration des especes vegetales cultivees, INRA Paris. GHIDRA, V., M. BOTU, R. SESTRAS, I. BOTU, 2004, Biodiversitate si bioconservare, Editura AcademicPres, Cluj-Napoca.

133

GRIFFITHS, A.J.G, J.H. MILLER, D.T. SUZUKI, R.C. EWONTIN, G.M. GILBERT, 1997, An introduction to Genetic Analisis (6th ed. NY), De Breck Université. FALCONER, D.S., 1989, Introduction to Quantitative Genetics. 3rd Ed. Longman. Burnt Mill. JANICK, J. (ed.), 2005, Plant Breeding Reviews, Volume 25. John Wiley & Sons. JANICK, J. (ed.), 2009, Plant Breeding Reviews, Volume 31. John Wiley & Sons. LEONTE, C., 2000, Ameliorarea plantelor horticole – probleme generale, EDP Bucureşti. MUNTEANU, N., 2000, Ameliorarea plantelor ornamentale, Ed. Ion Ionescu de la Brad, Iaşi. POTLOG A., SUCIU Z., LĂZĂREANU A., NEDELEA G., MOISUC A., 1989, Principii moderne în ameliorarea plantelor, Timişoara. SAVATTI, M., G. NEDELEA, M. ARDELEAN, 2004, Tratat de ameliorarea plantelor, Ed. Marineasa, Timişoara. SCHLEGEL, R., 2003, Encyclopedic Dictionary of Plant Breeding, Haworth Press, New York, London, Oxford, USA. SESTRAŞ, R., 2004, Ameliorarea speciilor horticole, Ed. AcademicPres, Cluj-Napoca. SESTRAS, R., E. TAMAS, 2004, Genetica si ameliorarea plantelor horticole, Editura AcademicPres, Cluj-Napoca. SIMINEL V.D., 2003, Ameliorarea specială а plantelor agricole, Chişinău.

134